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문제 정의
- 본 연구는 시공 중 지붕구조물의 케이블 장력 및 안정성을 검토할 목적으로 수행하였으므로 지붕구조물의 자중과 케이블의 초기장력만을 고려하였다.
- 지붕구조물이 주요한 하중을 케이블에 부담시키므로 지붕구조물에서 케이블이 설계자가 의도한 정확한 구조성능을 발휘하여 안정적인 구조물이 되기 위해서는 케이블에 정확한 초기장력의 도입과 함께 지붕구조물의 각 절점이 정확한 기하학적 좌표에 위치하도록 하는 것이 필요하다. 본 연구에서는 제주월드컵경기장의 지붕구조물을 지지하 는 케이블의 시공시 설계자가 요구한 초기 장력을 각 케이블에 도입하기 위하여 필요한 케이블 장력도입 절차와 절차에 따른 장력의 계산을 기하학적 비선형을 고려한 유한 요소해석을 통하여 수행하여 그 유효성을 평가하고 적용하 였다.
- 본 연구에서는 현장의 여건과 기술적 오류를 보완하기 위한 작업절차의 변경 등을 고려하고, 기하학적인 비선형을 고려한 해석과 고유진동법에 의한 장력계측을 통하여 제주 월드컵경기장의 지지케이블의 장력을 허용오차범위내에서 조정할 수 있었다.
제안 방법
- 1차 장력보정은 오차를 줄이기 위하여 케이블의 길이가 긴 중앙부의 케이블을 먼저 조정하고 나중에 매스앵커쪽의 케이블을 조정하는 것을 원칙으로 순서를 계획하여, 현장에서 장비의 효율적인 운용을 고려하여 조정작업에 필요한 유압장비 및 지그의 설치를 위하여 크레인에 의한 고소작업이 필요한 사이드케이블의 조정을 먼저 수행하고 다음으로 지상에서 조정작업이 가능한 타이백 케이블의 조정을 수행하는 것으로 계획하였다. 케이블의 조정은 전체 30개의 케이블 중 27개의 케이블 조정하여 전체 케이블의 장력이 허용오차내에 들어오도록 계획하였다 .
- 케이블의 2차 장력도입은 그림 8과 같은 순서로 전체 케이블에 목표 장력의 50%를 도입하였다. 2차 장력도입도 1차 장력도입과 마찬가지로 중앙에서 매스앵커쪽으로 2개의 유압장치를 사용하여 중앙에서 대칭이 되는 위치에서 동시에 수행하였다.
- 2차 장력조정도 1차 장력조정과 동일하게 케이블의 길이가 긴 중앙부의 케이블을 먼저 조정하고 나중에 매스앵커 쪽의 케이블을 조정하는 것을 원칙으로 순서를 계획하여, 현장에서 장비의 효율적인 운용을 고려하여 사이드케이블 의 조정 후, 타이백 케이블의 조정을 수행하는 것으로 계획하였다. 케이블의 조정은 전체 30개의 케이블 중 14개의 케이블을 조정하여 전체 케이블의 장력이 허용오차내에 들어오도록 계획하였다.
- 5%의 장력을 도입하였다. SC21, SC21A, SC22, SC22A 케이블은 SC22, SC22A 케이블의 제작오류가 발생하여 재 제작을 고려하여 모든 인장 작업이 끝난 후에 추가 설치하도록 계획하였다. 작업의 진행은 그림과 같이 중앙에서부터 매스앵커 방향으로 장력도입 작업을 진행하였다.
- 가속도센서의 설치위치는 케이블의 유효길이와 동특성을 분석하여 가급적 많은 고차모드의 케이블 고유진동수를 얻을 수 있는 위치로 결정하였다. 철골구조물의 경우는 일조량과 대기온도에 따라 신축의 변화가 심하게 나타나므로 이를 고려하여 주간과 심야에 측정을 하여 온도에 의한 보 정량을 결정하여 케이블의 장력을 평가하였다.
- 각 단계별의 작업 수행의 안정성을 검토하기 위하여 모든 단계별로 구조해석을 수행하고 부재의 안정성을 검토하였다. 또한, 케이블 장력도입 작업은 각 장력도입단계에서 케이블에 필요한 장력을 구하기 위하여 각 단계별로 해석과 지붕구조물 및 벤트의 안정성을 검토하였다.
- 가속도가 계측되면 계측신호로부터 FFT (fast fourier transform) 을 이용하여 주파수 영역에서 PSD (power spectral density)함수를 구하여 케이블의 고차모드의 고유 진동수를 얻는다. 그리고, 케이블의 진동신호의 분석으로부터 얻어진 고차모드의 고유진동수를 근거로 다음의 산정식을 이용하여 케이블의 장력을 산정한다. 식(1)은 케이블의 고유진동수와 장력과의 상관관계를 나타내는 산정식이며 식(2)는 케이블의 횡강성을 고려한 경우이다.
- 케이블의 장력 도입 작업은 2개의 유압장치를 사용하여 중앙을 중심으로 대칭으로 작업이 이루어 지도록 계획하였다. 단계별로 각각 의 케이블에 필요한 장력은 유한요소해석을 통하여 산출하였다.
- 각 단계별의 작업 수행의 안정성을 검토하기 위하여 모든 단계별로 구조해석을 수행하고 부재의 안정성을 검토하였다. 또한, 케이블 장력도입 작업은 각 장력도입단계에서 케이블에 필요한 장력을 구하기 위하여 각 단계별로 해석과 지붕구조물 및 벤트의 안정성을 검토하였다.
- 케이블의 1차 장력도입은 그림 6과 같이 진행하였다. 먼저 FC1, FC1A케이블에 목표 장력의 50%를 도입하고, 나 머지 케이블은 37.5%의 장력을 도입하였다. SC21, SC21A, SC22, SC22A 케이블은 SC22, SC22A 케이블의 제작오류가 발생하여 재 제작을 고려하여 모든 인장 작업이 끝난 후에 추가 설치하도록 계획하였다.
- 모든 케이블의 장력도입이 완료된 후 1차 장력계측을 수행하였다. 그림 13과 그림 14는 1차 장력계측 후 계측값과 계산값 및 오차를 보여 주고 있다.
- 에서 구조물의 설계를 위해서 Birdair Inc.에서 개발한 케이블 및 막 구조전용프로그램인 BLD3D를 사용하여 해석과 설계를 수행하였다. 본 연구에서는 케이블의 장력계산과 지붕구조물의 안정성을 검토하기 위하여 Hibbitt, Karlsson & Sorensen, Inc.
- 모델링 시 모든 부재의 좌표와 속성은 Weidlinger Associates Inc.에서 작성한 BLD3D용 입력 화일 의 값을 동일하게 사용하였고, 적용하중도 동일하게 구조부재의 자중과 케이블의 인장응력을 사용하였다. (케이블 장력 계산을 위하여 SC22, SC22A 케이블은 변경된 단면 (φ79.
- SC21, SC21A, SC22, SC22A 케이블은 SC22, SC22A 케이블의 제작오류가 발생하여 재 제작을 고려하여 모든 인장 작업이 끝난 후에 추가 설치하도록 계획하였다. 작업의 진행은 그림과 같이 중앙에서부터 매스앵커 방향으로 장력도입 작업을 진행하였다. 장력도입 작업은 두 개의 유압장치를 사용하여 중앙을 기준으로 대칭이 되는 위치에서 동시에 수행하였다.
- 작업의 진행은 그림과 같이 중앙에서부터 매스앵커 방향으로 장력도입 작업을 진행하였다. 장력도입 작업은 두 개의 유압장치를 사용하여 중앙을 기준으로 대칭이 되는 위치에서 동시에 수행하였다.
- 지붕구조물을 지지하는 케이블에 장력을 도입하고, 시공 중 지붕구조물을 지지하고 있는 가설 벤트를 해체하는 절 차는 지붕구조물의 구조적인 안정성과 선후행 작업의 공정 을 고려하여 다음과 같이 결정하였다.
- 지붕구조물의 모든 강관트러스의 용접이 완료된 후 레어트러스의 메인 래디얼트러스 하부의 6개 벤트의 잭다운을 수행하였다. 벤트의 해체는 잭다운이 완료되면 후속 작업과 동시에 수행을 할 수 있다(그림 3 참고).
- 가속도센서의 설치위치는 케이블의 유효길이와 동특성을 분석하여 가급적 많은 고차모드의 케이블 고유진동수를 얻을 수 있는 위치로 결정하였다. 철골구조물의 경우는 일조량과 대기온도에 따라 신축의 변화가 심하게 나타나므로 이를 고려하여 주간과 심야에 측정을 하여 온도에 의한 보 정량을 결정하여 케이블의 장력을 평가하였다.
- 케이블 3차 장력도입은 그림 9와 같은 순서로 전체 케이블에 목표 장력의 100%를 도입하도록 계획하였다.
- 케이블에 1차 장력도입 작업이 완료된 후 16개 벤트 잭 다운 작업을 수행을 하였다.
- 5%, 50% 100%를 도입하는 3차의 작업을 통하여 이루어 졌다. 케이블의 장력 도입 작업은 2개의 유압장치를 사용하여 중앙을 중심으로 대칭으로 작업이 이루어 지도록 계획하였다. 단계별로 각각 의 케이블에 필요한 장력은 유한요소해석을 통하여 산출하였다.
- 케이블의 장력 도입이 완료된 후 각 케이블에 정확한 장력의 도입 여부를 평가하기 위하여 케이블의 고유진동수를 측정하는 방법에 의해 장력을 계측하였다. 케이블에 도입된 정확한 장력을 측정하기 위해서는 케이블 장력도입시 설치 한 유압장치와 보조철물 등을 설치하여 직접적으로 측정하는 방법이 가장 정확하나 이와 같은 방법은 많은 시간과 비용 및 중장비가 소요되기 때문에서 케이블의 고유진동수를 측정하는 방법에 의한 간접적인 방법을 사용하였다.
- 2차 장력조정도 1차 장력조정과 동일하게 케이블의 길이가 긴 중앙부의 케이블을 먼저 조정하고 나중에 매스앵커 쪽의 케이블을 조정하는 것을 원칙으로 순서를 계획하여, 현장에서 장비의 효율적인 운용을 고려하여 사이드케이블 의 조정 후, 타이백 케이블의 조정을 수행하는 것으로 계획하였다. 케이블의 조정은 전체 30개의 케이블 중 14개의 케이블을 조정하여 전체 케이블의 장력이 허용오차내에 들어오도록 계획하였다.
- 1차 장력보정은 오차를 줄이기 위하여 케이블의 길이가 긴 중앙부의 케이블을 먼저 조정하고 나중에 매스앵커쪽의 케이블을 조정하는 것을 원칙으로 순서를 계획하여, 현장에서 장비의 효율적인 운용을 고려하여 조정작업에 필요한 유압장비 및 지그의 설치를 위하여 크레인에 의한 고소작업이 필요한 사이드케이블의 조정을 먼저 수행하고 다음으로 지상에서 조정작업이 가능한 타이백 케이블의 조정을 수행하는 것으로 계획하였다. 케이블의 조정은 전체 30개의 케이블 중 27개의 케이블 조정하여 전체 케이블의 장력이 허용오차내에 들어오도록 계획하였다 .
- 케이블의 초기위치 거치 작업을 수행하였다. 케이블 거치 작업은 매스앵커가 2주이상 양생되어 압축강도가 설계 강도의 80%에 도달하고, 마스트하부의 고정을 제거한 후 수행하였다.
데이터처리
- 본 연구에서는 케이블의 장력계산과 지붕구조물의 안정성을 검토하기 위하여 Hibbitt, Karlsson & Sorensen, Inc.의 범용유한요소해석 프로그램 인 ABAQUS를 사용하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 지붕구조물의 안정성을 평가하기 위하여 한국강구조설계규준의 허용응력설계법을 사용하였다.
- 제주월드컵경기장의 모델링을 위하여 사용한 요소는 3 node beam element(B32)와 2 node truss element(T3D2), 3 node membrane element(M3D3)를 사용하였으며, 케이블을 모델링하기 위하여 no compress material사용하였고, 벤트를 모델링하기 위하여 no tension material을 사용하였다. 해석방법은 기하학적 비선형성을 고려하여 Geometricaly nonlinear static analysis 를 사용하였다. 해석수행 시 ABAQUS 는 비선형해석을 위하여 수정 뉴튼-랩슨법 (modified Newton-Rapson method)을 사용한다.
- 해석방법은 기하학적 비선형성을 고려하여 Geometricaly nonlinear static analysis 를 사용하였다. 해석수행 시 ABAQUS 는 비선형해석을 위하여 수정 뉴튼-랩슨법 (modified Newton-Rapson method)을 사용한다.
성능/효과
- 본 연구에서 사용한 제주월드컵경기장의 유한요소모델 과 해석프로그램의 적합성을 검토하기 위하여 고정하중과 케이블의 초기장력 상태에서 두 프로그램에서 계산한 케이블의 장력을 비교한 결과 최대 3%정도의 오차가 발생하여 비교적 동일한 결과를 보여 주었다.
후속연구
- 그러나 제주월드컵경기장과 같이 케이블로 지지되는 구조물에 보다 정확한 장력을 도입하기 위해서는 이와 같은 철골구조물이 대기와 일조에 의한 온도의 영향에 민감하므로 일조에 의한 온도의 영향이 적은 야간에 장력조정작업 을 수행하고, 고유진동수 계측에 의한 방법보다 정확한 계 측방법 등에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
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