공용중인 사장교의 계측기반 버페팅 응답 평가 :Evaluation of Buffeting Response of a Cable-Stayed Bridge in Service based on Measurements

이덕근

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자료유형: 학위논문

저자정보: 이덕근 (서울시립대학교, 서울시립대학교 일반대학원)

지도교수: 임성순

발행연도: 2013

저작권: 서울시립대학교 논문은 저작권에 의해 보호받습니다.

이용수5

이 논문의 연구 히스토리 (2)

2013

태풍시 현장 계측을 통한 사장교의 풍응답에 관한 연구

이덕근 , 김인호 , 유동우 외 1명 대한토목학회 학술대회 2013.10 학술대회자료

공용중인 사장교의 계측기반 버페팅 응답 평가

이덕근 토목공학과 2013.01 학위논문

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최근 설계 및 시공 기술이 발전하여 장대교량 수요가 증가하고 있다. 일반적으로 교량은 지간장이 증가할수록 고강도의 경량 단면을 사용하여 고정하중을 감소시키는 최적설계로 말미암아 큰 유연성을 나타내는 구조계가 된다. 유연성이 높은 구조물은 고유진동수가 적은 값을 나타내므로 지진하중보다 풍하중이 설계의 지배하중이 된다.
현장 풍속 계측을 통해 실제 구조물에 작용하는 풍하중을 정량화하고 구조물의 동적 특성인 고유 진동수와 감쇠비, 정적 공기력 계수의 실측치를 적용한 버페팅 해석은 설계 풍속에서의 버페팅 응답을 결정하기 위한 정확한 방법이 될 것이다.
본 논문은 버페팅 해석에 적용하기 위한 풍하중을 교량 현장에서 계측된 바람 데이터를 분석하여 난류길이와 난류강도, 풍속스펙트럼으로 정량화하고 측정-상관-예측분석과 Gumbel의 극치 분포를 적용한 200년 빈도의 최대 10분 평균 풍속을 추정하였다. 200년 빈도의 최대 풍속은 주탑 상단과 교면 상단에서 각각 45m/s와 37m/s이며, 교량 현장의 풍속 스펙트럼은 고풍속과 저풍속 모두 von Karman 스펙트럼과 가장 잘 일치하여 버페팅 해석시 현장 계측 난류강도와 난류길이를 적용한 von Karman 스펙트럼을 적용하였다.
구조물의 동적 특성인 고유진동수와 구조 감쇠비는 상시 진동응답을 분석하여 추정하였다. 또한 태풍이 발생하여 교량을 이용하는 차량을 통제하였을 때 풍하중에 대한 응답을 분석하여 공기역학적 감쇠비 및 항력계수와 양력계수를 추정하였다.
계측자료 분석을 통해 정량화한 풍하중 및 구조물의 동적 특성을 적용한 버페팅 해석과 케이블강교량설계지침에서 제시된 구조 감쇠비 및 지표조도구분별 난류강도를 적용한 버페팅 해석을 수행하여 200년 빈도 풍속인 45m/s에서 버페팅 응답을 평가하였다. 또한 25m/s 이하의 풍속에서 계측된 진동 응답 추세선으로부터 설계 풍속에서의 진동응답을 추정하고 해석 응답과 비교하여 공용중인 사장교의 유지관리를 위한 합리적인 관리기준치를 제시하였다.

Recent rapid development of design and construction technology of civil works causes to enlarge increasingly the span of bridges on the sea. Optimal design is applied generally to the long-span bridges with light self-weight, using high- strength and high-capacity of materials. Since optimal structural system has the high flexibility, it''s natural frequency is low. So, the structural stability of long-span bridges is determined by wind load than seismic load. For this reason, the buffeting analysis should be performed to determine exact buffeting responses by design wind velocity based on measured in-site data.
This paper presents the determination of turbulence length, turbulence intensity and wind velocity spectrum by stochastic process of in-site measured wind velocity. And it presents estimated value of maximum 10 minutes average wind speed in the frequency of 200 years from Measure-Correlation-Predict and Gumbel''s extreme distribution. At pylon and deck of bridge, each maximum 10 minutes average wind speed in the frequency of 200 years is 45m/s and 37m/s. von Karman spectrum modified by measured turbulence intensity and turbulence length is applied to the buffeting analysis because measured wind velocity spectrum is well corresponding to the von Karman spectrum.
The dynamic characteristics of the bridge such as natural frequency, damping ratio etc. is estimated by analyzing measured displacements, accelerations of bridge deck. Aerodynamic damping ratio, drag and lift force coefficient are estimated by analysis of measured responses during typhoon.
The result of buffeting analysis applying measured data compares with the result of analysis based on data proposed by Cable-Steel Bridge Design Guidelines to evaluate the response at wind speed 45m/s in the frequency of 200 years. Also, The response at wind speed 45m/s in the frequency of 200 years estimated from the trend line of measured responses below wind speed 25m/s is compared with the responses by buffeting analysis. And the estimated response at design wind speed could be safety criteria of wind induced vibration for bridge management and monitoring.

#버페팅 해석 #풍속 스펙트럼 #계측응답 #감쇠비 #공기력 계수 #관리기준치

한글요약 ⅰ
목 차 ⅲ
LIST OF FIGURES ⅴ
LIST OF TABLES ⅷ
NOMENCLATURE Ⅹ
1 서 론 1
1.1 연구 배경 및 목적 1
1.2 연구 동향 3
1.3 연구 내용 및 범위 7
2 바람의 특성 및 풍응답 10
2.1 개요 10
2.2 확률 과정 12
2.3 바람의 특성 18
2.4 바람에 의한 교량의 응답 28
2.5 버페팅 응답 해석 34
3 실시간 원격 계측시스템 38
3.1 개요 및 설치 목적 38
3.2 원격 계측망 40
3.3 계측 장비 및 항목 42
4 풍하중 계측 47
4.1 개요 및 목적 47
4.2 교량 현장 조건 48
4.3 계절별 풍특성 49
4.4 계측기반 설계 풍속 67
4.5 계측기반 풍하중 특성 78
5 계측 응답 평가 88
5.1 개요 88
5.2 정적 공기력 계수 89
5.3 감쇠비 96
5.4 동적 변위 응답 102
5.5 가속도 응답 109
6 버페팅 해석 116
6.1 개요 116
6.2 해석 프로그램 구성 117
6.3 해석 대상 교량 제원 및 모델링 118
6.4 케이블 장력 및 정적 해석 121
6.5 자유 진동 해석 126
6.6 버페팅 해석 결과 130
6.7 해석과 계측 응답 비교·분석 138
7 결 론 150
참 고 문 헌 152
부 록 160
Abstract 181

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