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닐슨강아치교의 거동특성 및 장기 모니터링 시스템에 관한 연구

초록/요약

본 연구는 장기 모니터링 시스템이 구축되어 공용중인 닐슨강아치교에 대하여 환경특성을 반영한 구조적 거동특성을 분석하고, 지역의 환경특성이 고려된 대상교량의 구조해석 결과를 토대로 교량 각 부재에서 계측된 결과치를 비교․분석하였으며, 효과적인 유지관리를 위한 장기 모니터링 시스템의 구축 및 활용방안을 제안하였다. 또한 해석적인 연구를 통해 진동사용성 평가를 하여 보행자의 쾌감정도를 평가하였다. 각 부재에서 측정된 최고온도는 아치리브 중앙 단면상단에서 58.0°C로 기상청 일 최고온도 보다 약 23.0°C, 설계최대온도 보다 약 8°C 높은 것으로 분석되었다. 각 부재의 상단 및 하단에서 발생하는 온도차는 아치리브 중앙부에서 19.0°C로 설계 시에 적용하는 태양의 직사부분과 그늘부분의 온도차인 15.0°C보다 큰 것으로 관찰되었다. 온도변화에 의한 응력거동은 각 단면에서 계절변화 및 일교차로 인한 온도변화에 대하여 큰 변화가 없었다. 응력거동은 계절의 변화보다 일교차로 인한 온도변화의 영향이 더 지배적인 것으로 분석되었으며, 처짐거동은 계절변화의 영향이 상대적으로 지배적이었다. 아치리브의 경우 최저부와 최고부의 응력거동이 상대적인 편차를 보이고 있는 것으로 분석되었다. 아치리브와 같이 단일 구조부재로써 고저차가 큰 구조물은 온도응력 해석 시 위치별 온도차 반영과 일 온도변화 정도를 고려한 설계기준의 보완이 필요하다. 해석을 통한 보행자 중심의 진동사용성 평가결과, 닐슨강아치교는 "Level C, Strongly perceptible" ∼ "Level E, slightly perceptible" 수준으로 평가되어 양호한 진동사용성을 확보한 것으로 나타났다. 이러한 계측 및 해석결과에 대한 비교. 분석으로 구축될 모니터링 시스템을 위한 제안사항은 다음과 같다. 각 부재에 발생되는 변형률의 거동상태를 효과적으로 파악하기 위한 변형률의 초기값 관리가 철저히 이루어져야 하며, 온도하중 및 풍하중에 대한 구조물의 거동상태감시 뿐만 아니라 활하중에 대한 감시도 중요하므로 활하중을 감시하고, 계측 데이터도 확보 할 수 있는 방안에 대한 연구도 필요할 것으로 판단된다. 대상교량의 아치리브는 지간의 약 1/4지점에 최대응력이 발생되나 변형률계는 지간의 1/2지점에 설치되어 온도나 풍속의 변화에 대한 발생응력의 감시가 민감하지 못하므로 구축될 모니터링 시스템은 설계 시 예측되는 응력상태를 충분히 검토하여 설치위치 및 수량 등을 결정하여할 것으로 판단된다.

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초록/요약

In this study, the structural behavior characteristics of the Nielson steel arch bridge, which is equipped with a long-term monitoring system, was analyzed considering its environmental characteristics. Based on the structural analysis results of the bridge, the measurements from each member of the bridge were comparatively analyzed, and establishment and application plans for the long-term monitoring system were proposed to ensure efficient maintenance. In addition, the vibration of the bridge was examined via the analytical study to evaluate the pedestrian’s comfort. The maximum temperature measured from each member was 58.0℃ at the top of the cross-section of the arch rib center, which was approximately 23.0℃ higher than the maximum daily temperature announced by Korea Meteorological Administration, and approximately 8℃ higher than the maximum design temperature. The temperature difference between the upper and lower parts of each member was 19.0°C at the arch rib center, which was higher than 15.0℃ that was the design temperature difference between the section under direct ray and the shaded section. The stress behavior showed no significant change according to the seasonal and daily temperature variations. The stress behavior was more influenced by the daily temperature variation than by the seasonal change, while the deflection behavior was more influenced by the seasonal change. In the arch rib, deviation existed in the stress behavior between its top and bottom. A structure wherein a difference between the top and bottom is large, such as the arch rib, requires the design standard to be supplemented in the temperature stress analysis considering the temperature difference between the positions and daily temperature variation. In the evaluation results of the vibration focusing on pedestrian’s comfort, the Nielson steel arch bridge was evaluated to be "Level C, Strongly perceptible" ~ "Level E, slightly perceptible", which was satisfactory. The following were proposed for the monitoring system that would be established via the comparative analysis of the measurements and analysis results. The initial strain must be fully controlled to efficiently identify the behavior state of each member. Because the live load as well as the behavior state according to the temperature and wind load is important, the method of monitoring the live load and of ensuring the measurement data is also needed. In the arch rib of the subject bridge, the maximum stress appeared at approximately 1/4 of the span, but the strain gauge was installed at 1/2 of the span, so that the monitoring was not very sensitive to the stress due to the temperature and wind speed changes. Therefore, the estimated stress condition must be sufficiently reviewed in designing the monitoring system to determine optimal installation positions and numbers of gauges.

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