[논문]양각 거더교의 정적·동적특성에 관한 연구

이지연; 김성; 박승진

doi:10.15683/kosdi.2023.12.31.851

양각 거더교의 정적·동적특성에 관한 연구
A Study on the Static and Dynamic Characteristics of Raised Girder Bridges 원문보기

한국재난정보학회논문집 = Journal of the Society of Disaster Information, v.19 no.4, 2023년, pp.851 - 858

이지연 (Urban Construction Engineering, Incheon National University) , 김성 (LeTon Bridge) , 박승진 (Department of Urban Engineering, Incheon National University)

초록
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연구목적: 종래의 PSC 거더에 비해 단면 효율이 개선된 양각 거더교의 구조적 안전성을 확보하기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위해 거더 길이, 높이, 폭과 같은 단면의 제원을 정하고 강연선의 배치를 설계하여 정적 및 동적 하중에 의한 양각 거더의 실질적인 성능을 검증하였다. 연구방법: 정적 성능 실험은 1차 및 2차 정적 하중에 대한 처짐, 균열 등의 거동 응답을 측정하여 사용성 한계상태를 검토하였다. 또한, 동적 하중 재하 실험은 시간에 따른 가속도, 변위 거동 응답을 측정하여 고유진동수 및 감쇠비를 산정하여 사용성 한계상태를 검토하였다. 연구결과: 정적 성능 실험 결과 최대 재하하중 기준 처짐값은 안정적인 거동을 나타났고, 최대 재하하중 수준에서 측정된 균열폭은 매우 작아서 사용성 한계상태를 만족하는 것으로 나타났다. 또한, 동적 하중 재하 실험 설계 시 산정된 고유진동수를 상회하는 고유진동수가 나타났으며, 현행 규정에 만족하는 감쇠비를 확보하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Purpose: A study was conducted to ensure the structural safety of a raised girder bridge with improved cross-sectional efficiency compared to the conventional PSC girder. For this purpose, the cross-sectional specifications such as girder length, height, and width were determined, the arrangement of the tendons was designed, and the practical performance of the raised girder under static and dynamic loads was verified. Method: The static performance experiment examined the serviceability limit state by measuring behavioral responses such as deflection and cracking to primary and secondary static loads. In addition, the dynamic load loading experiment measured the acceleration and displacement behavior response over time to calculate the natural frequency and damping ratio to examine the usability limit state. Result: As a result of the static performance test, the deflection value based on the maximum applied load showed stable behavior, and the crack width measured at the maximum applied load level was very small, satisfying the serviceability limit state. In addition, a natural frequency exceeding the natural frequency calculated during the design of the dynamic loading experiment was found, and a damping ratio that satisfies the current regulations was found to be secured.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. Tendon layout of raised girder
그림 Fig. 2. Schematic of the raised girder test specimen
그림 Fig. 3. Experimental set up and load application point
표 Table 1. Specifications for the full-scale integrated performance testing facility
그림 Fig. 4. Load-displacement response due to the first static load application test
표 Table 2. Deflection amount due to the primary static load application
표 Table 3. Deflection amount due to the primary static load application
그림 Fig. 5. Crack diagram according to static load stage
그림 Fig. 6. Overview of dynamic load application test
표 Table 4. Natural frequency measurement yesults
그림 Fig. 7. Quick release natural frequency measurement results based on the experiment
표 Table 5. Damping ratio estimation from accelerometer and displacement data (n=20)
그림 Fig. 8. Results of natural frequency and damping ratio estimation through curve fitting
표 Table 6. Accelerometer response by excitation frequency in modal test

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구는 기존 PSC거더의 횡만곡 및 횡자굴, 단면증가에 의한 자중 증가, 연속 긴장재 배치시 구조적 한계와 같은 문제점의 개선이 가능한 새로운 형태의 양각 거더에 대한 정적 및 동적 실험을 통한 성능 검증 연구를 수행하였다.
, 2011). 본 연구에서는 종래의 PSC 거더에 비해 단면 효율이 개선된 양각 거더의 구조적 안전성을 확보하기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위해 양각 거더의 단면 제원을 정하고 강연선의 배치를 설계하여 정적 및 동적 하중에 의한 양각 거더의 성능을 검증하였다.

제안 방법

(1) 정적 성능 실험은 양각 거더 시험체에 액추에이터를 중앙 지점에 3점 재하로 실험을 수행하여 처짐, 균열 등의 거동 응답을 측정하고 사용성 한계상태를 검토하였다. 정적 성능 실험은 최대 3,600kN의 하중을 재하한 경우 처짐값 116.
(2) 동적 성능 실험은 2mm와 3mm로 변위하중에 대한 Quick release 실험을 수행하여 측정된 동적 이력 특성 분석을 통해 고유진동수 및 감쇠비를 산정하고 사용성 한계상태를 검토하였다. 동적 성능 실험의 결과로 고유진동수는 4.
양각 거더의 성능을 검증하기 위해 Fig. 2와 같이 총 경간 길이 45m, 높이 3m, 폭 1.3m의 2경간 연속 양각 거더 실험체를 제작하여 정적 및 동적 성능 실험을 진행하였다.
동적 하중 성능 검증을 위해 실험체를 Quick release 실험을 통하여 수행하였고, 양각 거더 상부 가속도계 신호 분석을 통하여 고유진동수를 산정하였다. 고유진동수 산정을 위한 고속 푸리에 변환 분석 구간은 하중이 제거될 수 있는 순간을 시점으로 4초 후의 자유진동 영역의 4,096개의 데이터를 사용하였다.
정적 성능 실험은 양각 실물 거더 실험체의 정적 성능 검증을 위해 재하한 1차 및 2차 정적 하중에 대한 처짐, 균열 등의 거동 응답을 측정하여 사용성 한계상태를 검토하였다. 또한, 동적 하중 재하 실험은 양각 실물 거더 실험체의 동적 하중 성능 검증을 위해 시간에 따른 가속도, 변위 거동 응답을 측정하여 고유진동수 및 감쇠비를 산정하여 사용성 한계상태를 검토한다.
7mm에 비하여 안정적인 거동이 도출되었다. 또한, 정적 성능 실험에서 최초 균열 발생 위치에 균열계를 설치하여 재하 하중에 따른 균열폭의 변화량을 검토하였다. 실험 결과 균열폭은 최대 0.
양각 거더 실험체의 동적 성능 검증을 위해 최대하중 250kN 용량의 동적 액츄에이터를 사용하여 2mm와 3mm로 변위하중을 재하하여 초기변형을 발생시키고 재하 하중을 순간적으로 제거하여 자유진동을 유발시키는 Quick release 실험을 수행하였다. 실험체의 슬래브 1/4, 1/2, 3/4 지점 상부 중앙에 가속도계를 설치하고 1/4, 1/2, 3/4 지점 거더 하부에 변위계를 설치하여 가속도와 변위에 대한 동적 이력 특성을 측정하였다. 측정된 동적 이력 특성을 활용하여 분석을 통해 고유진동수 및 감쇠비를 산정하였다.
양각 거더 실험체의 동적 성능 검증을 위해 최대하중 250kN 용량의 동적 액츄에이터를 사용하여 2mm와 3mm로 변위하중을 재하하여 초기변형을 발생시키고 재하 하중을 순간적으로 제거하여 자유진동을 유발시키는 Quick release 실험을 수행하였다. 실험체의 슬래브 1/4, 1/2, 3/4 지점 상부 중앙에 가속도계를 설치하고 1/4, 1/2, 3/4 지점 거더 하부에 변위계를 설치하여 가속도와 변위에 대한 동적 이력 특성을 측정하였다.
본 연구에서는 종래의 PSC 거더에 비해 단면 효율이 개선된 양각 거더의 구조적 안전성을 확보하기 위한 연구를 수행하였다. 이를 위해 양각 거더의 단면 제원을 정하고 강연선의 배치를 설계하여 정적 및 동적 하중에 의한 양각 거더의 성능을 검증하였다.
이를 위해 우선 양각 거더의 확보된 상세 설계에 따라 실대형 실험체를 제작하고 정적 및 동적 성능 실험에 맞는 실험 장치 및 방법을 선정하였다. 또한, 각 실험 방법에 따라 실험체에 계측센서를 설치하고 획득된 데이터 분석을 구조적 성능 검증 연구를 수행하였다.
또한, 각 실험 방법에 따라 실험체에 계측센서를 설치하고 획득된 데이터 분석을 구조적 성능 검증 연구를 수행하였다. 정적 성능 실험은 양각 실물 거더 실험체의 정적 성능 검증을 위해 재하한 1차 및 2차 정적 하중에 대한 처짐, 균열 등의 거동 응답을 측정하여 사용성 한계상태를 검토하였다. 또한, 동적 하중 재하 실험은 양각 실물 거더 실험체의 동적 하중 성능 검증을 위해 시간에 따른 가속도, 변위 거동 응답을 측정하여 고유진동수 및 감쇠비를 산정하여 사용성 한계상태를 검토한다.
정적 최대하중은 3,600kN까지 재하하였고, 첫번째로 초기 균열 하중이 발생되는 시점까지 하중을 재하한 후에 하중을 제거하였으며 균열의 발생에 대한 균열계를 설치한 후에 최대의 하중까지 하중을 재하하였다. 정적 하중 재하 실험의 결과로 처짐, 균열 등의 거동 응답을 측정하여 사용성 한계상태를 검토하였다. 양각 거더 45m 실험체에 대한 전경은 Fig.
실험체의 슬래브 1/4, 1/2, 3/4 지점 상부 중앙에 가속도계를 설치하고 1/4, 1/2, 3/4 지점 거더 하부에 변위계를 설치하여 가속도와 변위에 대한 동적 이력 특성을 측정하였다. 측정된 동적 이력 특성을 활용하여 분석을 통해 고유진동수 및 감쇠비를 산정하였다. 동적 하중 재하 실험 전경은 Fig.

대상 데이터

동적 하중 성능 검증을 위해 실험체를 Quick release 실험을 통하여 수행하였고, 양각 거더 상부 가속도계 신호 분석을 통하여 고유진동수를 산정하였다. 고유진동수 산정을 위한 고속 푸리에 변환 분석 구간은 하중이 제거될 수 있는 순간을 시점으로 4초 후의 자유진동 영역의 4,096개의 데이터를 사용하였다. 동적 성능 실험을 통해 산정된 고유진동수 측정 결과는 4.
양각 거더의 성능 실험이 수행된 성능실험실의 규모, 반력벽, 반력상 규격은 Table 1과 같고 정적 성능 실험은 5,000kN 용량의 정적 액추에이터, 동적 성능 실험은 255kN 용량의 Hybrid 동적 액추에이터를 사용하여 수행하였다.

데이터처리

이를 위해 우선 양각 거더의 확보된 상세 설계에 따라 실대형 실험체를 제작하고 정적 및 동적 성능 실험에 맞는 실험 장치 및 방법을 선정하였다. 또한, 각 실험 방법에 따라 실험체에 계측센서를 설치하고 획득된 데이터 분석을 구조적 성능 검증 연구를 수행하였다. 정적 성능 실험은 양각 실물 거더 실험체의 정적 성능 검증을 위해 재하한 1차 및 2차 정적 하중에 대한 처짐, 균열 등의 거동 응답을 측정하여 사용성 한계상태를 검토하였다.

성능/효과

양각 거더는 Fig. 1과 같이 양각부를 적용하여 쉬스관을 복부 측면에 배치하여 강연선이 직선으로 좌우대칭 배치되어 1차 긴장력 적용시 거더 전체의 강연선 변화가 수직 방향으로만 발생하는 특징을 갖으며 횡만곡 현상을 예방하고 프리스트레스 적용의 효율성을 개선할 수 있다. 또한, 슬래브 연속화로 인한 연속 지점부에 2차 모멘트를 발생시켜 부모멘트를 효과적으로 제어하고 강연선의 부식을 예방할 수 있다.
(2) 동적 성능 실험은 2mm와 3mm로 변위하중에 대한 Quick release 실험을 수행하여 측정된 동적 이력 특성 분석을 통해 고유진동수 및 감쇠비를 산정하고 사용성 한계상태를 검토하였다. 동적 성능 실험의 결과로 고유진동수는 4.303으로 나타났고, 감쇠비는 1.29%으로 유로 코드에서 제안하는 PSC 거더 적용 값인 1% 이상의 감쇠비를 확보하여 사용성 한계상태를 충분하게 만족하는 것으로 나타났다.
(1) 정적 성능 실험은 양각 거더 시험체에 액추에이터를 중앙 지점에 3점 재하로 실험을 수행하여 처짐, 균열 등의 거동 응답을 측정하고 사용성 한계상태를 검토하였다. 정적 성능 실험은 최대 3,600kN의 하중을 재하한 경우 처짐값 116.1mm로 나타나 설계 시 계산된 경간 중앙부 처짐값 241.7mm에 비하여 안정적인 거동이 도출되었다. 균열 발생 하중은 구조계산서 상의 값이 2,011kN이고 실험에서의 값은 2,300kN으로 설계 계산 대비 15%정도 상회하는 하중에서 균열이 발생되었으며, 중앙부 처짐값은 52.
정적 성능 실험을 수행하여 하중-처짐 응답을 측정한 결과로 초기 균열 하중이 발생하는 2,300kN 재하시 거더의 수직 처짐량은 DT1은 33.31mm, DT2 52.8mm, DT3는 33.33mm으로 나타났다. 또한, 설계 시 계산된 극한하중 3,597kN을 상회하는 최대하중 3,600kN 재하시 거더의 수직 처짐량은 Table 2와 같이 DT1은 71.

후속연구

추후 연구에서는 정적 및 동적 성능 실험 결과를 바탕으로 다양한 열차하중에 대한 양각 거더 교량의 철도교량 적용성 검토 연구를 수행할 예정이다.

참고문헌 (7)

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상세보기
Jeon, S.J., Choi, M.S., Kim, Y.J. (2012). "Graphical assessment for span ranges of PSC girder bridges." Journal of？Bridge Engineering, Vol. 17, No. 2, pp. 343-352.

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상세보기
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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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