[논문]S자형 보도사장교의 비틀림 제어를 위한 링크슈의 모델링과 배치방법 연구

지선근

doi:10.5762/kais.2019.20.6.210

S자형 보도사장교의 비틀림 제어를 위한 링크슈의 모델링과 배치방법 연구
Study on Modeling and Arrangement of Link-Shoes for Torsional Control of S-shaped Pedestrian Cable-Stayed Bridge 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.20 no.6, 2019년, pp.210 - 218

지선근 (서울시립대학교 토목공학과)

초록
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최근 미관과 독창성을 위해서 과감하고 실험적인 형상을 적용한 사장교가 시도되고 있다. 기존에 유사한 사례가 없는 교량의 경우 해석 모델링에 대한 깊은 고민과 검증이 필요하다. S자형 곡선 보도사장교는 역삼각형 트러스 보강거더의 편측에 1면으로 케이블이 배치되어 상시 비틀림이 발생한다. 비틀림 억제를 위해서 중앙 하현재에 배치한 받침을 기준으로 좌, 우측의 상현재에 링크슈를 배치하였다. 첫 번째 연구는 링크슈의 모델링 방법과 격벽 모델링 유무에 관한 것이다. 지점부 횡방향 구조계와 비틀림 강성을 정확히 반영하기 위해서 받침의 회전강성을 이용하는 간접적인 방법이 아닌 링크슈와 격벽을 직접 모델링하는 것이 필요하였다. 두번째 연구는 압축전담 요소인 받침과 인장전담 요소인 링크슈의 횡방향 배치방법에 관한 것이다. 방법1은 곡선반경 외측에서부터 링크슈, 받침, 링크슈의 순서로 배치하는 것이고, 방법2는 받침, 받침, 링크슈로 배치하는 방법이다. 방법2는 방법1과 비교하여 외측 상현재의 응력은 커지고 내측 상현재의 응력은 감소하였다. 받침과 링크슈의 횡방향 배치방법에 따라 상현재의 응력 조정이 가능한 것으로 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, cable-stayed bridges have been attempting to apply bold and experimental shapes for aesthetic and originality. In the case of bridges that have no similar cases, deep understanding and verification of analytical modeling is needed. S-shaped curved pedestrian cable-stayed bridge is always twisted because the cable is arranged on one side of the inverted triangular truss girder. In order to suppress the torsion, the Link-shoes are arranged at the left and right top members with reference to the Bearing placed at the mid-bottom member. The first research is related to the modeling method of Link-Shoe and Diaphram. In order to accurately reflect the transverse structural system and the torsional stiffness, it was necessary to model the Link-Shoe and the Diaphram directly rather than indirectly using the stiffness of the Bearing. The second study is related to the lateral arrangement of Bearing and Link-Shoes. Method 1 is to place in order of Link-shoe, Bearing, and Link-shoe from outside the curve radius. Method 2 is place to in order of Bearing, Bearing, and Link-shoe. In method 2, compared to method 1, the stress in the outer top member was larger and the stress in the inner one was decreased. It is analyzed that the stress adjustment is possible according to the lateral arrangement of Bearing and Link-Shoe.

주제어

표/그림 (22)

그림 Fig. 1. Outline of Frame Modeling for Straight CBS
그림 Fig. 2. Outline Of Bridge Plans for S-Shaped Pedestrian CBS
그림 Fig. 3. Torsion Direction of Girder without Cable
표 Table 1. Direction of Torsion Deformation
그림 Fig. 4. Arrangement of Bearing and Link-Shoe
그림 Fig. 5. Analysis Modeling
표 Table 2. Direction of Torsion Deformation
그림 Fig. 6. Analysis modeling for Link-Shoe
그림 Fig. 7. Cable Force of Method1, Method2, Method3
표 Table 3. Stiffness of Elastic-Link of Method 1
표 Table 4. Stiffness of Elastic-Link of Method 2, 3
표 Table 5. Result Force of Link-Shoe and Bearing
표 Table 6. Eigenvalue Analysis
그림 Fig. 8. Beam Stress Diagram
그림 Fig. 9. Pattern Diagram
그림 Fig. 10. Free Body Diagram
표 Table 7. Stress of Girder
그림 Fig. 11. Arrangement of Spring for Bearing and Link-Shoe
표 Table 8. Arrangement of Tension Only and Compression Only Spring for Method1, 2, 3
표 Table 9. Stiffness of Elastic-Link of Method 1,2,3
표 Table 10. Result Force of Link-Shoe and Bearing
표 Table 11. Stress of Girder

AI 본문요약
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문제 정의

두 번째 연구는 받침과 링크슈의 횡방향 배치와 수직강성이 보강거더 상현재의 응력에 미치는 영향을 분석하는 것이다. 방법1은 곡선반경 바깥쪽에서 링크슈, 받침,링크슈의 순서로 배치하는 것이고, 방법2는 받침, 받침,링크슈로 배치하는 방법이다.
본 연구 목적은 첫째, 링크슈의 모델링 방법과 격벽의 모델링 반영 유무가 전체계 해석에 미치는 영향을 분석하여 S형 보도 사장교의 구조 거동을 정확히 반영 할 수있는 해석 방법을 찾는 것이며, 둘째, 각 지점에서 횡방향으로 배치된 압축 전담 요소인 받침과 인장 전담 요소인 링크슈를 배치하는 방법과 수직강성의 변화가 지점부 보강거더의 응력에 미치는 영향을 분석하여 지점부 보강거더의 응력을 받침과 링크슈의 배치와 강성으로 조정하는 것이다.
따라서 인장력을 저항하는 링크슈 위치의 상현재에 응력이 집중된다. 압축전담요소와 인장전담요소의 배치에 따라 보강 거더에 발생하는 응력을 비교 분석하고자 한다. Fig.
첫 번째 연구는 링크슈의 모델링 방법과 격벽의 모델링 반영 유무가 전체계 해석에 미치는 영향을 분석하는것이다. 방법1은 링크슈를 모델링하지 않고 중앙받침 지점조건의 비틀림 강성을 이용하여 링크슈를 간접적으로 고려하는 방법이다.

가설 설정

링크슈는 인장력에만 저항하며, 압축력에는 저항하지 못한다. 3.2에서 분석한 바와 같이 비틀림 방향에 따라 인장력이 발생하는 위치의 링크슈는 그 역할을 하지만 반대쪽의 링크슈는 압축력에 저항하지 못한다.

제안 방법

이를 각각 방법1, 방법2, 방법3이라 한다. 3개 모델의 차이점을 받침과 링크슈의 반력, 고유치해석,PY1 지점부 보강거더 응력을 비교하여 분석하였다.
주탑은 65°의 경사 독립 강관 주탑 형식이다. S자형 보강형의편측에 배치된 주탑의 횡방향 안전성 확보를 위해서 주탑의 배면에 수직 백스테이 케이블을 배치하였다. 각 지점마다 받침이 1개 설치되었으며, 횡방향 비틀림 변형을 억제하기 위해서 링크슈 2개와 30mm 두께의 격벽이 설치되었다.
그러나 S자형 역삼각형 트러스 보강거더 사장교에서 링크슈와 격벽의 모델링 유무는 전체계 해석에 영향을 미칠 수 있다. 링크슈를 해석에 고려하는 방법으로 3가지 해석모델을 이용하여 분석하였다.
방법2, 3은 링크슈를 직접 모델링하는 방법으로, 보강거더의 상현재와 교각의 코핑을 탄성링크의 인장전담 요소를 이용하여 연결하였다. 링크슈의 강성은 링크슈의 폭과 두께, 그리고 길이를 이용하여 산정하였다. 이때 방법 1, 2, 3의 케이블 장력은 모두동일하도록 도입장력을 조정하였다.
링크슈의 부재력은 탄성링크의 비틀림모멘트를 받침과 링크슈 간 거리로 나누어 링크슈의 축력으로 환산한다. 방법2, 3은 링크슈를 직접 모델링하는 방법으로, 보강거더의 상현재와 교각의 코핑을 탄성링크의 인장전담 요소를 이용하여 연결하였다. 링크슈의 강성은 링크슈의 폭과 두께, 그리고 길이를 이용하여 산정하였다.
방법1은 링크슈를 모델링하지 않고 중앙받침 지점조건의 비틀림 강성을 이용하여 링크슈를 간접적으로 고려하는 방법이다. 방법2는 링크슈를 인장전담요소로 직접 모델링하는 방법이며 방법3은 방법2에 격벽을 추가하였다.
보강거더와 주탑은 절점당 6개의 자유도를 갖는 3차원 보요소로 모델링을 하였으며, 사장 케이블과 수직 백스테이케이블은 등가탄성계수를 적용한 트러스 요소로 모델링하였다. 받침은 탄성링크를 적용하였으며, 링크슈는 인장력만 작용하는 탄성링크를 적용하였다.
6(b)와 같이 링크슈를 상현재에 직접 모델링 하는 방법이다. 셋째, 링크슈 모델에 격벽을 추가하였다. 이를 각각 방법1, 방법2, 방법3이라 한다.
인장전담요소는 1.38×107kN/m을 적용하였고, 중앙부 압축전담요소의 스프링 상수는 1×1010kN/m를, 왼쪽 압축전담요소는 방법2는 1×1010kN/m을, 방법3은1×105kN/m를 적용하였다.
탄성링크요소를 적용하였으며, 회전강성은 1×1010 kN-m/rad의 무한강성을 적용하였다.

대상 데이터

평면 선형은 S자형이며, 곡선반경은 145m이다. 보강형은 역삼각형 강관트러스 구조이며, 상현재와 하현재의 강종은 SM490을, 사재와 가로보는 SM400을 적용하였다. 주탑은 65°의 경사 독립 강관 주탑 형식이다.
본 연구 대상 교량은 S자형 곡선 보도사장교로 역대칭 1면 사장교이다. 폭은 4.
본 연구 대상 교량은 S자형 평면선형을 갖는 역대칭 2중 곡선 보도사장교이다. 보강거더의 횡단면은 강관을 역삼각형으로 배치한 트러스 구조이다.
본 연구 대상은 역삼각형 트러스단면 보강거더를 가진 S자형 보도사장교로, 보강거더 중앙부 하현재에 받침을배치하고, 비틀림 제어를 위해서 좌우측의 상현재에 링크슈를 배치하였다.
이를 정리하면 Table 2와 같다. 연구 대상 교량은 보강거더와 케이블 설치 완료 후 벤트를 제거하는 가설 공법을 적용하였으므로 Case1, Case2의 경우는 실제 발생하지 않는다.
연구 대상 교량의 보강거더는 역삼각형 트러스 구조로 하현재에 받침 1개와 양쪽 상현재에 링크슈 2개가 배치되어 있으며, 배치도는 Fig. 4와 같다.
5m, 연장은 220m이며, 측경간장은 55m, 주경간장은 110m의 2주탑 사장교이다. 평면 선형은 S자형이며, 곡선반경은 145m이다. 보강형은 역삼각형 강관트러스 구조이며, 상현재와 하현재의 강종은 SM490을, 사재와 가로보는 SM400을 적용하였다.
본 연구 대상 교량은 S자형 곡선 보도사장교로 역대칭 1면 사장교이다. 폭은 4.5m, 연장은 220m이며, 측경간장은 55m, 주경간장은 110m의 2주탑 사장교이다. 평면 선형은 S자형이며, 곡선반경은 145m이다.

이론/모형

받침은 탄성링크를 적용하였으며, 링크슈는 인장력만 작용하는 탄성링크를 적용하였다. 해석프로그램은 MIDAS를 적용하였다. 하중은 고정하중과 케이블 장력을 고려하였다.

성능/효과

링크슈를 간접적으로 고려한 방법과 직접 모델링한 방법을 비교·분석한 결과, 간접법은 고유치 해석과 같은 전체 거동 분석은 직접법과 유사하였다. 그러나 간접법은 링크슈와 지점부 보강거더의 연결 구조계를 정확히 반영하지 못하여 받침과 링크슈의 작용력 및 상현재와 사재의 응력에서 직접법과 차이가 발생하는 것을 알 수 있었다. 간접법의 경우 하중이 집중되어 응력이 가장 큰 것은 지점부 오른쪽 사재이다.
받침과 링크슈의 수직방향 작용력은 Table 5와 같다. 방법 1, 2, 3에서 받침작용력의 차이는 최대 7.3%이며, 링크슈는 4.3%이다. 모델링 차이가 전체 구조강성에 미치는 영향을 고유치 해석을 통하여 분석하였으며, Table 6에 정리하였다.
방법1,2,3의 고유치 해석 결과 주요모드의 주파수 차이는 1% 이내로 전체 구조강성은 유사하였다. 받침과 링크슈의 작용력은 최대 7% 차이를 보였으며, 받침의 회전강성을 무한 강성으로 적용하는 방법은 정확한 링크슈강성을 반영하지 못하였다.
분석결과, 압축전담요소인 받침과 인장전담요소인 링크슈의 횡방향 배치변화와 각 요소의 강성변화는 보강거더 상현재의 좌·우측 응력을 조정할 수 있다.

후속연구

특히, 기존에 유사사례가 없거나, 많지 않은 교량의 경우 해석 모델링에 대한 깊은 고민과 검증이 필요하다. 이러한 이유로 국내 사례가 없는 S형 곡선사장교의 본 연구는 향후 유사한 곡선 사장교에서 비틀림 제어를 위한 구조 계획시 기초 자료로 활용될 것으로 기대된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	S자형 곡선 보도사장교의 특징은 무엇인가?	기존에 유사한 사례가 없는 교량의 경우 해석 모델링에 대한 깊은 고민과 검증이 필요하다. S자형 곡선 보도사장교는 역삼각형 트러스 보강거더의 편측에 1면으로 케이블이 배치되어 상시 비틀림이 발생한다. 비틀림 억제를 위해서 중앙 하현재에 배치한 받침을 기준으로 좌, 우측의 상현재에 링크슈를 배치하였다.
	사장교에 대한 기존연구의 특징은 무엇인가?	기존 연구는 직선보강거더, 정형적인 주탑 형상과 케이블 배치를 가진 교량을 대상으로 하였다. 최근에는 곡선 주탑과 곡선 보강거더, 미적 요소를 위한 케이블 3차원 배치 등 비정형적인 교량이 다수 적용되고 있다. 곡선주탑 등 비정형 사장교에 대한 연구 몇 편이 소개되었으나[10,11], 아직까지 다양한 기하구조를 갖는 사장교에 대한 연구는 미흡한 실정이다.
	보강거더의 횡단면은 어떤 구조를 가지고 있는가?	본 연구 대상 교량은 S자형 평면선형을 갖는 역대칭 2중 곡선 보도사장교이다. 보강거더의 횡단면은 강관을 역삼각형으로 배치한 트러스 구조이다. 주탑과 케이블은 보강거더의 곡선반경 내측에 1면으로 배치되었다.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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