상시미동에 의한 사장교(cable-stayed girder bridge,斜張橋)케이블의 주파수 측정과 인장력

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사장교는 주탑에 케이블을 경사지게 설치하여 이 케이블이 주탑과 상판을 연결하여 지지하는 형식이다. 우측 사진 돌산대교 사장교

케이블 교량의 케이블의 유효 인장력의 점검은 기술적으로 중요하다. 유압잭과 로드셀에 의한 인장력 시험은 시험 시간과 비용이 많이 소요되고 케이블이 손상 될 수 있는 위험이 있다. 상시미동에 의한 케이블의 인장력 결정은 빠르고 안전하다. 진동에 의한 케이블의 유효 인장력 결정은 잘 알려지고 승인된 방법이다.

사장교에서 케이블은 시공 중 시공 후 사용 중인 교량에서 중요한 부분이다. 케이블의 진동 측정으로 케이블의 인장력과 케이블의 상태 평가를 평가하는 것은 널리 알려 저 있다. 인장력은 케이블의 고유 주파수와의 관계 되어 케이블의 주파수 측정이 중요하다.

 

사장교의 케이블은 앵커영역의 응력 집중, 케이블의 부식, 바람에 의한 진동에 취약하다. 케이블의 시간 경과에 따른 변화와 손상은 사장교에 중대한 위험이 발생함으로 케이블의 인장력 측정과 평가가 중요하다. 케이블의 인장력은 하부 하중을 지탱하고 교량 힘의 분배 탑 교량의 정렬을 조절한다. 사장교 유지 관리를 위해 시공 중 시공 후 각 케이블의 주파수 측정하여 인장력의 차이 확인이 중요하다.

 

사장교의 붕괴 Tacoma Narrows bridge in the USA in 1940

 

케이블의 인장력 측정 위해 시공 중 각 케이블에 로드셀을 설치하는 것은 비용이 증가하고 시공 후 시간 경과 후 시험 값의 변동과 부정확성이 문제된다. 케이블에 스트레인 게이지를 부착하여 인장력을 측정하는 것은 부적절하고 신뢰성이 떨어진다.

케이블의 인장력을 직접 측정하지 않고 케이블에 가속도계를 설치하여 상시미동이나 외부 하중에 의한 진동을 측정하여 주파수 분석으로 케이블의 주파수를 찾아 인장력을 계산한다.

케이블의 주파수는 케이블의 처짐 bedding stiffness, 고정부의 경계조건, 중간부의 스프링과 damper에 따라 변한 수 있다.

Ambient vibration also known as microtremor is the excitation experienced by a structure under its normal operating condition. Examples of ambient vibration test exerted on the bridge are traffic vibration, wind, wave motion and seismic excitation. Ambient vibration test conducted to determine the dynamic characteristic of the structure by measuring the vibration behavior using highly sensitive acceleration sensor. The vibration was recorded, evaluated and interpreted under ambient influences without artificial excitation.

 

케이블의 주파수와 인장력과의 관계

T : 케이블의 인장력 ρ : 케이블의 밀도 96.9kg/m L : 케이블의 길이 213.97m fn : n번째 주파수 f : 기본 주파수 (fundamental frequency) 1 2 3..n번째의 동일주파수일 때 n : n번째 주파수

(sampling rate = 100 Hz, file length = 330 sec).

 

56개 케이블 중 1, 56번이 길고 케이블28, 29은 짧다.

 

상시미동에 의한 케이블 주파수 측정은 저렴하고 외부하중이 필요 없고  시험 중 교량을 사용할 수 있다. 케이블의 인장력이 동일하면 1 2 3..n번째의 주파수의 차이가 일정하다. 

 

긴 케이블 주파수 0.5Hz, 짧은 케이블 주파수 2.7Hz