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단면모형실험은 교량의 보강거더, 케이블 및 굴뚝과 같이 2차원성이 강한 구조물의 대표적인 단면을 강체모형으로 제작하여 실시하는 실험으로, 교량 내풍안정성 평가에 있어 가장 기본적이고 중요하며 또한 비용대비 효율적인 실험이다.
단면모형실험에는 스프링 지지시스템(spring support system)에서 동특성을 상사하여 수행하는 자유진동실험과, 3분력 측정용 Load cell을 이용하여 항력계수, 양력계수, 모멘트계수를 측정하는 공력실험, 강제 가진장치라는 특화된 장치를 이용하여 구조물의 동적 응답을 유발하는 비정상 공력을 측정하는 강제가진실험 등이 있다. 이러한 실험을 통하여 내풍안정성의 주요한 사항을 확인하고 페어링, 플랩 등과 같은 공기역학적 제진장치의 적용 등을 결정한다. 단면 모형실험을 통해 얻어지는 주요 결과는 다음과 같다. ▣ 동적 내풍안정성 : 와류진동, 플러터, 갤로핑 등의 발생풍속 및 진폭 ▣ 공기력계수 : Drag, Lift, Moment Coefficients ▣ 플러터계수 : H1*~H4*, A1*~A4* ▣ 제진대책 필요성 검토 및 제안 |
사장교 및 현수교의 주탑은 일반 건축물에 비해 훨씬 세장비가 높으므로 풍하중에 대한 세심한 검토가 필요하다. 특히 케이블 인장 전 독립주탑 상태에서는 케이블 인장후에 비해 구조 감쇠가 작아 진동 문제에 더욱 취약하다.
주탑의 공력진동실험은 주탑의 동특성(질량, 진동수, 감쇠, 진동모드 등)을 모사한 탄성체모형(aeroelastic model)을 이용한다. 이와 별개로 주탑에 작용하는 풍하중을 산정하는 경우에는 주탑 전체에 대한 강체모형을 이용한 공력실험과 주탑 Leg의 부분적인 단면모형을 이용한 공력실험을 실시하게 된다. 주탑모형실험을 통해 얻어지는 주요 결과는 다음과 같다. ▣ 동적 내풍안정성 : 와류진동, 갤로핑 등의 발생풍속 및 진폭 ▣ 밑면전단력, 밑면전도모멘트, 밑면비틀림모멘트 ▣ 주탑 Leg의 공기력계수 : Drag, Lift, Moment Coefficients ▣ 제진대책 필요성 검토 및 제안 |
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실제교량의 내풍거동은 주형 및 주탑, 그리고 케이블 등의 동특성이 복합적으로 연계되어 나타난다. 또한, 주변지형의 특성 상, 교축직각방향 이외의 방향으로 풍하중이 작용하기 쉬운 교량이나 교축방향으로 주형의 단면형상이 변하는 교량에 대해서는 2차원 주형진동실험에서 예측하기 어려운 진동이 발생할 가능성이 있으며 이 경우 교량 전체를 모형화하여 풍동실험을 수행하는 것이 바람직 하다.
특히 가설단계에서는 완성단계와 전혀 다른 동특성을 보여주며 가설진행에 따라 교량의 동특성이 계속 변화하기 때문에 3차원적인 동적 내풍안정성을 면밀하게 파악할 필요가 있다. 전체교량의 진동실험에서는 주탑실험과 마찬가지로 모형자체가 탄성거동을 하는 3차원 탄성체모형을 사용하여 실험을 수행하게 된다. 전교모형실험을 통해 얻어지는 주요 결과는 다음과 같다. ▣ 주형 및 주탑의 동적 내풍안정성 : 와류진동, 플러터, 갤로핑, 버페팅진동 등의 발생풍속 및 진폭 ▣ 시공단계별 내풍안정성 검토 ▣ 풍향별 내풍안정성 검토 ▣ 주변지형에 의한 풍속할증, 영각효과 등을 고려한 내풍안정성 검토 ▣ 데릭크레인 등 가설장비를 고려한 내풍안정성 검토 ▣ 내풍케이블 등의 제진방안 필요성 검토 및 제안 |
버페팅응답(또는 거스트응답)은 바람의 변동에 기인된 변동공기력의 작용에 의한 불규칙 진동이다. 장대교량의 내풍설게에 있어서 버페팅응답은 변동 풍하중 문제로 취급되며 랜덤 이론(random theory)에 따른 최대 버페팅 응답의 기대값이 구조 설계에 반영된다. 특히 시공 중의 교량은 완성 단계에 비해 구조적 강성이 떨어지므로 바람에 취약할 것으로 판단되는 시공단계에 대해서 평균 풍속에 의한 정적 변형과 변동 풍속에 의한 버페팅 응답을 계산한다. 이러한 버페팅 응답 해석에는 구조 모델링, 공기 역학적 데이터, 풍하중 데이터 등이 입력자료로 사용된다. 버페팅해석을 통해 얻어지는 주요 결과는 다음과 같다.
▣ 주형 및 주탑의 버페팅응답 ▣ 시공단계별 버페팅응답 검토 ▣ 풍향별 내풍안정성 검토 ▣ 내풍케이블 등의 제진방안 필요성 검토 및 제안 |
Old Tacoma Narrows Bridge 의 붕괴 원인이었던 플러터 현상은 구조계의 응답에 의해 단면 주위의 유동장이 변화하면서 생성되는 자발공기력(self-excited force)이 유체력으로 feedback 되어 지속적으로 보강형에 운동에너지를 공급함으로써, 그 응답이 발산하게 되는 진동현상이다. 이러한 플러터의 발생은 곧 구조물의 붕괴를 초래할 수 있기 때문에, 장대교량의 설계에서는 보강형의 플러터 발생 풍속이 설계 풍속에 비해 충분한 안전율을 가지도록 설계되어야 한다.
장대교량의 플러터 발생풍속을 구하기 위한 해석적 방법으로는 일반적으로 모드상호간의 합성효과를 고려하는 다중모드 플러터 해석방법이 사용된다. 플러터해석을 수행하기 위해서는 비정상 공기력를 표현하는 플러터계수의 확보가 필수적이며, 정확한 플러터계수의 산출을 위해 강제 가진실험이 주로 수행되고 있다. 이러한 플러터 해석을 위해서는 구조모델링, 공기역학적 데이터(특히 정확한 플러터계수의 확보가 중요), 풍하중 데이터 등이 입력자료로 사용된다. |