특수교관리센터공민준...

특수교관리센터 공 민 준

([email protected])

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1. 개 요

케이블교량의 계측시스템 목적

구조물 상시 모니터링 및 구조거동분석(온도계, 변위계, 가속도계, 풍속계 등)

재난대응

지진가속도계측 지진화산재해대책법

장기계측자료 분석

준공 전 계측시스템 검증보고서 제출하지만 장기적인 검증은 미흡한 실정임

장기계측자료 분석을 통한 계측시스템 하자요청(하자담보책임기간 : 2년)

합리적인 계측자료 분석을 위해 구조해석모델 필요

유지관리 및 재난대응을 위해 계측기의 관리기준설정 필요

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2. 구조해석모델 구축

개 요

초기평형상태 해석기하학적 비선형 해석

케이블장력 비교(해석결과-계측결과) 주케이블 장력, 행어케이블 장력

재하시험결과(처짐) 비교구조강성 검증

고유진동수 비교동적특성 검증

목 적

구조거동 분석

계측시스템 및 재하시험 검증 자료

재난 발생 시 구조안전성 판단 및 보수보강 방안 수립

구조해석 모델링(RM Bridge)

케이블교량 설계 및 시공 시

대부분 RM 사용

공신력 및 해석결과 검증 완료

내풍해석 모듈 탑재

버페팅 해석

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초기평형상태 해석

고정하중에 대한 목표 형상 또는 부재력을 만족하기 위한 케이블 장력 결정

목표 형상 : 도로 종단 선형, 주케이블 새그, 주탑 상단 교축방향 변위 등 적용

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주케이블 장력 비교

주케이블단위중량

[kN/m]

유효길이

[m]

주케이블 장력[kN]

계측장력

평균

계측장력

(A)

구조

계산서

(B)

해석

모델

(C)

A/B A/C B/C

새만금방향7.257 296.039

50,01649,902 53,283 51,556 0.937 0.968 1.033

장자도방향 49,789

※ 단위 중량 : 케이블 + 래핑와이어, 유효길이 : 탑정 새들 중심 ~ 스프레이 새들 중심

진동법 적용

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행어케이블 장력 비교

진동법 적용

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차량재하시험 결과 비교

장자도새만금

1+300

1+200

1+100

1+000

신시교 무녀교

PYA1

AN1

AN2

새만금

장자도

1/4지점

(보도 중앙)

1/2지점

(보도 중앙)

3/4지점

(보도 중앙)

400

25,000

37,780

100.0m100.0m100.0m100.0m

640398,960

280,00025@16,000=400,000

49,750

400,000

LC1(4대 만재하) LC2(2대 만재하) LC3(4대 편재하) LC4(4대 편재하)

새만금방향 편재하 장자도방향 편재하

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차량재하시험LOAD CASE

(만재하, 차량4대)

수직처짐[mm]

1/4지점 1/2지점 3/4지점

1/4지점

재하

LC1-1 -351.6 -98.6 60.4

구조해석(B) -360.4 -92.2 60.2

A/B 0.976 1.070 1.004

1/2지점

재하

LC1-2 -98.1 - -92.9

구조해석(B) -93.5 -349.3 -92.3

A/B 1.049 - 1.006

3/4지점

재하

LC1-3 64.8 -97.6 -328.9

구조해석(B) 60.6 -90.9 -333.7

A/B 1.071 1.073 0.986

LOAD CASE

(새만금방향편재하, 차량4대)

수직처짐[mm]

1/4지점 1/2지점 3/4지점

1/4지점

재하

LC3-1(A) -356.7 -104.3 61.9

구조해석(B) -384.2 -102.0 62.2

A/B 0.929 1.023 0.995

1/2지점

재하

LC3-2(A) -109.3 - -84.2

구조해석(B) -103.4 -377.9 -82.6

A/B 1.057 - 1.019

3/4지점

재하

LC3-3(A) 55.4 -106.1 -304.4

구조해석(B) 58.5 -100.4 -310.1

A/B 0.947 1.056 0.982

LOAD CASE

(만재하, 차량2대)

수직처짐[mm]

1/4지점 1/2지점 3/4지점

1/4지점

재하

LC2-1 -177.4 -51.7 30.2

구조해석(B) -181.9 -46.8 30.3

A/B 0.975 1.104 0.998

1/2지점

재하

LC2-2 -46.4 -159.4 -48.1

구조해석(B) -47.1 -176.2 -46.5

A/B 0.984 0.905 1.035

3/4지점

재하

LC2-3 32.4 -48.9 -166.1

구조해석(B) 30.3 -46.2 -168.3

A/B 1.069 1.060 0.986

LOAD CASE

(장자도방향편재하, 차량4대)

수직처짐[mm]

1/4지점 1/2지점 3/4지점

1/4지점

재하

LC4-1(A) -322.3 -88.3 58.0

구조해석(B) -336.5 -82.3 58.2

A/B 0.958 1.073 0.996

1/2지점

재하

LC4-2(A) -91.5 - -99.8

구조해석(B) -83.6 -320.6 -101.9

A/B 1.095 - 0.979

3/4지점

재하

LC4-3(A) 62.2 -87.9 -340.4

구조해석(B) 62.6 -81.3 -357.1

A/B 0.994 1.081 0.953

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고유진동수

Mode

고유짂동수[Hz]

계측시스템 재하시험(A) 구조해석

(B)A/B

1/4지점 3/4지점 1/2지점 3/4지점 1/2지점

1 0.256 0.256 0.256 0.256 0.256 0.248 1.033

2 0.281 0.281 - 0.281 - 0.268 1.050

3 - - - 0.439 0.439 0.430 1.023

4 0.476 0.476 0.476 0.464 0.464 0.448 1.035

5 0.598 0.598 0.598 0.586 0.586 0.643 0.912

6 - - - 0.684 - 0.656 1.042

7 0.879 0.879 - 0.867 - 0.878 0.988

8 0.940 0.940 0.940 0.940 0.940 0.907 1.036

9 1.331 1.331 1.331 1.318 1.318 1.315 1.003

10 1.611 1.611 1.611 1.611 1.611 1.622 0.994

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3. 장기계측자료 분석

계측시스템 개요(고군산대교)

장자도새만금

(4)

(4)

A

A

400,000

신시교

단등교 종점

STA. 0+930.000

단등교 시점STA. 0+530.000

100,000 100,000 100,000 100,000

(4)

PYA1

AN1

AN2

B

B

C

C

A1

A1

A5 (2)

A1 A5

(5) (2)

A1

GPS-R01EXP_J01

ACC_I01_Z

WGD_H02

VM_H01

GPS_H02

ACC_I02_Z

BTI_T01 GPS_T01

WGD_T01

EXP_J02

TMP_C02_01~04

장자도새만금

PYA1

AN1

AN2

(3)

A

A

400,000

신시교

단등교 종점

STA. 0+930.000

단등교 시점STA. 0+530.000

100,000 100,000 100,000 100,000

(2)

(3)

(3ch)

EQK_DDR

EQK_DDQZEQK_DDQYEQK_DDHZ

EQK_DDTXEQK_DDTY

EQK_DDDXEQK_DDCXEQK_DDCY

EQK_DDB

EQK_DDG

EQK_DDPX

KC_DD_R02 KC_DD_R03

KC_DD_R04

KC_DD_R05

KC_DD_R01

구조물계측기 설치 위치도

지진가속도계측기 설치 위치도

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보강거더 연간온도변화

최소온도/일, 최대온도/일, 평균온도/일

3. 장기계측자료 분석(온도계)

L OF ROADC장자도새만금

TMP_H01_01

TMP_H01_02

TMP_H01_03

TMP_H01_04

G1 G2

TMP_C01_01 TMP_C01_03

TMP_C01_04

TMP_C01_02

장자도

새만금

구분

최소

온도

[℃]

최대

온도

[℃]

온도 일교차[℃] 일평균 온도[℃] 평균

온도

[℃]최소 최대 평균 최소 최대

상‧하부플랜지

평균온도-3.4 44.9 1.8 21.5 11.2 0.2 34.4 16.3

상‧하부플랜지

수직온도 차이-6.1 26.6 2.0 29.6 16.0 -2.6 9.7 3.0

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주탑 연간온도변화

최소온도/일, 최대온도/일, 평균온도/일


L OF ROADC장자도새만금

TMP_H01_01

TMP_H01_02

TMP_H01_03

TMP_H01_04

G1 G2

TMP_C01_01 TMP_C01_03

TMP_C01_04

TMP_C01_02

장자도

새만금

구분

최소

온도

[℃]

최대

온도

[℃]

온도 일교차[℃] 일평균 온도[℃] 평균

온도

[℃]최소 최대 평균 최소 최대

주탑 0.2 31.4 0.0 2.5 0.5 0.3 31.3 13.9

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보강거더-주탑 온도차이


구분최소 온도

[℃]

최대 온도

[℃]

일평균 온도[℃]

최소 최대

보강거더-주탑 온도차이 -7.4 18.6 -4.4 8.0

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동절기 및 하절기 1주일간 온도변화


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GNSS(Global Navigation Satellite System) 설치 위치

3. 장기계측자료 분석(GNSS)

장자도새만금

PYA1

AN1

AN2

A

A

400,000

신시교

단등교 종점

STA. 0+930.000

단등교 시점

STA. 0+530.000

100,000 100,000 100,000 100,000

GPS_T01

GPS_H01

GPS_R01

195,500

보강거더중앙부 주탑상단

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보강거더 연간 변위 변화

최소변위(10분 평균)/일, 최대변위(10분 평균)/일, 평균변위/일


구분최소변위

[mm]

최대변위

[mm]

변위 일교차[mm] 일평균 변위[mm] 평균변위

[mm]최소 최대 평균 최소 최대

X(교축방향) -86.2 22.9 11.8 55.5 35.0 -57.2 12.8 -24.1

Y(교축직각방향) -55.6 9.7 8.8 54.5 28.2 -27.3 -2.1 -12.0

Z(연직방향) -750.4 121.4 42.7 263.4 135.8 -610.7 60.0 -274.1

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최소/최대 일평균 온도 발생 시 보강거더 변위

최소/최대 일평균 온도 발생 시 계측 및 해석결과 비교


구분

일평균 변위[mm]

최대온도(2016.08.14., 34.4℃) 최소온도(2017.02.10., 0.4℃)

GNSS(A) Analysis(B) A/B GNSS(A) Analysis(B) A/B

X(교축방향) -33.0(-57.2) 33.7 0.979 33.4(9.2) -33.9 0.985

Z(수직방향) -336.5(610.7) -341.5 0.985 330.5(56.4) 338.8 0.976

최소/최대 일평균 온도 발생 시 구조해석 결과

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온도-보강거더 변위 관계

수직방향 변위(일평균) 및 온도(일평균) 계측결과


계측-해석 결과 비교

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보강거더 순간 변위

하절기 10분 변위(최대/최소/평균) 계측 자료


일별 순간변위(최대/최소) 계측 자료

하절기 순간 변위(최대/최소) 계측 자료

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온도-주탑 변위 관계

주탑 상단 교축방향 변위(일평균) 및 온도(일평균) 계측결과



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온도-주탑 경사 관계

주탑 상단 경사(일평균) 및 온도(일평균) 계측결과

3. 장기계측자료 분석(주탑경사계)


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온도-신축변위(시점부) 관계

시점부 신축변위(일평균) 및 온도(일평균) 계측결과

3. 장기계측자료 분석(신축변위계)


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온도-신축변위(종점부) 관계

종점부 신축변위(일평균) 및 온도(일평균) 계측결과

3. 장기계측자료 분석(신축변위계)


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4. 관리기준치 설정(안)

온도계

구분강재 부재 콘크리트 부재

설계기준 관리기준 설계기준 관리기준

LEVEL I

-10℃~50℃

-10℃~50℃

-5℃~35℃

-5℃~35℃

LEVEL II -15℃~60℃ -10℃~45℃

LEVEL III -20℃~70℃ -15℃~55℃

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GNSS(보강거더 변위)

구분온도에 의한 수직변위(일평균 변위) 차량에 의한 순갂 수직변위(온도 영향 제외)

온도 범위 관리기준[mm] 차량하중 관리기준[mm]

LEVEL I -20℃~20℃ 401.1/-399.3 KL-510 -156.7

LEVEL II -25℃~25℃ 501.6/-498.8 1-Lane -486.1

LEVEL III -30℃~30℃ 602.3/-598.2 2-Lane -972.2

※ 주탑 상단 변위, 신축변위, 주탑 상단 경사에 대해서도 동일한 개념 적용

행어 장력

구분

케이블 장력

고정하중

(A, kN)

상한 하한

비고관리기준

(B, kN)B/A

관리기준

(B, kN)B/A

LEVEL I

829

1,075 1.297 671 0.809 Dead + 2-Lane + Temperature

LEVEL II 1,331 1.606 - - Dead + Rupture

LEVEL III 1,444 1.742 - - Allowable Tension

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가속도계

장자도새만금

PYA1

AN1

AN2

A

A

400,000

신시교

단등교 종

점

STA. 0+930.000

단등교 시점

STA. 0+530.000

100,000 100,000 100,000 100,000

(2)

(3)EQK_DDQZEQK_DDQYEQK_DDHZ

EQK_DDTXEQK_DDTY

EQK_DDDXEQK_DDCXEQK_DDCY

EQK_DDBB

B

C

C

(3)

ACC_I01 ACC_I02EQK_DDPX

3,5

00

가속도계 설치 위치

구조물 가속도계 : 구조거동을 모니터링 하기 위한 가속도계(일부 지진가속도 계측기 포함)

지진가속도계 : 지진가속도계 중 기초부(B-Code) 및 자유장(G-Code)에 설치되어 있는 가속도계

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구조물 가속도계 관리기준 설정(안)

¼ 지점 가속도 및 ½ 지점 가속도 계측 자료

¼ 지점 가속도 및 ½ 지점 가속도 해석 결과(Moving Load Analysis)

: 7대(KL-510), 60km/h, 67m 간격(연행하중 총 길이 : 402m)

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¼ 지점 월별 최대가속도

½ 지점 월별 최대가속도

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재현주기를 고려한 가속도 산정 : Gumbel Distribution Model

11 exp exp , ln

6,

, 0.5772 : Parameter for Method of Moment, : Standard Deviation, : Average, : Euler Constans

: Probability, : Return Period

x

x bG F x x b a T

a T

a b x a

a b x

G T

재현주기에 따른 ¼ 지점 가속도 재현주기에 따른 ½ 지점 가속도

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구분재현주기

(T)

비초과확률

(PNE)

관리기준[gal]

보강거더 ¼ 지점

연직방향

보강거더 ½ 지점

연직방향

주탑 상단

교축방향

행어

케이블

LEVEL I 2년 50% 358.5 87.8 12.4 1,923

LEVEL II 10년 10% 445.5 102.2 15.1 2,869

LEVEL III 100년 1% 570.0 122.8 18.9 3,816

LEVEL I : 재현주기 2년, LEVEL II : 재현주기 10년, LEVEL III : 재현주기 100년

※ PNE =(1-1/T)N : N년동안 재현주기 T년 이상의 가속도가 발생하지 않을 확률, N : 검토년수=1년

지진가속도계 관리기준 설정(안)

가속도계 위치 LEVEL I LEVEL II LEVEL III LEVEL IV 비고

기초부 및 자유장 15gal 25gal 50gal 100gal 재난대응 매뉴얼

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5. 결론 및 향후 과제

결 론

향후 과제

계측자료 분석 및 관리기준 설정을 위해 구조해석 모델 필요함

합리적인 구조해석모델 구축을 위해 계측자료와 비교∙검토가 필요함

* 계측자료 : 케이블장력, 차량재하시험, 고유진동수, 장기계측자료 등

장기계측자료 결과와 구조해석 결과를 이용하여 주기적인 관리기준 재설정 필요

빅데이터(장기계측자료) 및 인공지능(AI)를 활용한 구조물 유지관리 방안 모색

더욱 합리적인 관리기준설정 방안 모색

특수교관리센터공민준...

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