KR100890459B1 - 교량 세굴 건전성 평가방법 - Google Patents

교량 세굴 건전성 평가방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 교량 세굴 건전성 평가방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 교각의 1차 모드 고유진동수를 이용하여 교량의 세굴 건전성을 판정하는 교량 세굴 건전성 평가방법에 관한 것이다.
즉, 본 발명에 따른 교량 세굴 건전성 평가방법은 교량의 세굴 건전성을 평가하는 방법에 있어서, a) 교각의 상단 한 지점을 타격하여 충격신호를 측정하는 단계; b) 상기 교각의 타격에 따른 3지점 이상에서의 진동 응답신호를 측정하는 단계; c) 상기 교각 타격에 의한 가진력(加震力)과 응답신호에 의해 주파수 전달함수를 측정하는 단계; 및 d) 상기 주파수 전달함수를 기초로 모드해석 프로그램을 통해 고유진동수와 모드 형상을 파악하는 단계; 를 포함하여 이루어진다.
교량, 세굴, 건전성, 평가방법, 충격진동실험, 고유진동수

Description

교량 세굴 건전성 평가방법{INTEGRITY ASSESSMENT METHOD OF BRIDGE FOR SCOUR}
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 교량 세굴 건전성 평가방법을 도시한 순서도이다.
도 2는 상기 교량 세굴 건전성 평가방법에 따른 진동실험 장비의 개략도이다.
< 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 >
10: 교량 12: 교각
20: 임팩트 해머(Impact Hammer) 30: 가속도(속도) 센서
40: 진동 분석기
본 발명은 교량 세굴 건전성 평가방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 교각의 1차 모드 고유진동수를 이용하여 교량의 세굴 건전성을 판정하는 교량 세굴 건전성 평가방법에 관한 것이다.
일반적으로 교량 세굴(洗掘)이란 유체의 흐름에 의해 교량의 교각 및 교대 주변의 하상재료가 유실되는 현상을 말한다.
산악지대에 위치한 교량은 하상경사가 크기 때문에 유속이 대체로 빠르고 평상시 흐름 방향과 홍수 시 흐름 방향이 현격히 차이 나는 경우가 많다.
이러한 지형적 특성과 더불어 우리나라는 연강우량의 2/3가 여름철에 집중되는 기상학적 특성을 가지고 있으며, 1년에 수차례 내습하는 태풍이 짧은 시간에 많은 비를 내려 유량과 유속이 평상시와 달리 매우 크게 되어 교량피해를 가중시키고 있다.
홍수 발생 시 기초 세굴로 인한 교량피해가 매년 지속적으로 증가하고 있고 유지관리 대상 교량이 지속적으로 증가하는 있는 현실에서 교량의 기초 세굴을 어떻게 빨리 점검하고 평가하느냐가 매우 중요한 문제로 인식되고 있다.
국내에서는 아직 동적특성인 고유진동수를 이용한 교량의 세굴 건전성 평가 방법이 마련되어 있지 못한 실정이며, 고유진동수를 이용한 교량 세굴 건전성 평가방법의 마련이 시급한 실정이다.
본 발명은 상기 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 그 목적은 공용중인 교량에 대하여 충격진동실험을 실시함에 따라 하상침식으로 인한 기초세굴에 따른 교각의 1차 모드 고유진동수의 변화를 측정분석하여 교량의 세굴 안전성을 판단할 수 있게 한 교량 세굴 건전성 평가방법을 제공함에 있다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 교량의 세굴 건전성을 평가하는 방법에 있어서, a) 교각의 상단 한 지점을 타격하여 충격신호를 측정하는 단계; b) 상기 교각의 타격에 따른 3지점 이상에서의 진동 응답신호를 측정하는 단계; c) 상기 교각 타격에 의한 가진력(加震力)과 응답신호에 의해 주파수 전달함수를 측정하는 단계; 및 d) 상기 주파수 전달함수를 기초로 모드해석 프로그램을 통해 고유진동수와 모드 형상을 파악하는 단계; 를 포함하여 이루어짐으로써, 교각에 순간적인 충격력을 가할 때 측정한 충격신호와 3지점 이상에서 측정한 진동 응답신호를 이용하여 주파수 전달함수(응답함수)를 측정하는 방법으로 임팩트 해머를 이용하여 교각을 타격하고 이때의 가진력과 응답신호를 이용하여 주파수 전달함수를 측정하고 모드해석 프로그램을 이용하여 1차 모드 고유진동수와 모드형상을 파악한다.
이하, 본 발명의 교량 세굴 건전성 평가방법을 첨부도면을 참조하여 실시 예들을 들어 설명하면 다음과 같다.
본 발명의 일 실시 예에 따른 교량 세굴 건전성 평가방법은 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이 교각의 상단 한 지점을 타격하여 충격신호를 측정하는 단계(S120); 상기 교각의 타격에 따른 3지점 이상에서의 진동 응답신호를 측정하는 단계(S130); 상기 교각 타격에 의한 가진력(加震力)과 응답신호에 의해 주파수 전달함수를 측정하는 단계(S140); 및 상기 주파수 전달함수를 기초로 모드해석 프로그램을 통해 1차 모드 고유진동수와 모드 형상을 파악하는 단계(S150);로 이루어진다.
상기 교각의 상단 한 지점을 타격하여 충격신호를 측정하는 단계(S120)는 교각(12) 상단을 실험자가 임팩트 해머(20)로 교축직각방향으로 타격하여 충격을 가하는 단계로 상기 임팩트 해머(20)의 가격에 의한 충격 가진 신호를 측정한다.
상기 단계(S120)에서는 상기 교각(12)의 한 지점을 타격하고 여러 지점에서 진동 응답신호를 측정하는 것으로 예시하였다.
더욱이, 상기 교각의 상단 한 지점을 타격하여 충격신호를 측정하는 단계(S120); 상기 교각의 타격에 따른 3지점 이상에서의 진동 응답신호를 측정하는 단계(S130)는 동시에 수행한다.
여기서, 상기 교각의 상단 한 지점을 타격하여 충격 가진 신호를 측정하는 단계(S120)의 수행 전에 상기 교각의 진동응답신호 측정 위치에 철판을 부착하는 단계(S100) 및 상기 철판에 수직 방향의 속도 센서 또는 가속도 센서가 자력에 의해 각각 부착되는 단계(S110)를 수행한다.
상기 교각의 진동응답신호 측정 위치에 철판을 부착하는 단계(S100)는 상기 교각(12)의 타격에 따른 진동응답을 측정하기 위한 가속도(속도) 센서(30)가 부착되는 교각(12)에 대략 3㎜ 두께를 갖는 철판을 접착제를 이용하여 미리 부착하는 단계이다. 즉, 상기 가속도(속도) 센서(30)를 교각(12)의 타격 위치에 부착하기 위해 수행하는 단계이다.
상기 철판에 수직 방향의 속도 센서 또는 가속도 센서가 자력에 의해 각각 부착되는 단계(S110)는 상기 가속도(속도) 센서(30)를 부착하기 위해 상기 교각(12)에 미리 부착한 철판 표면에 가속도(속도) 센서(30)가 구비된 자석 블럭을 신속한 측정을 위해 자력으로 탈, 부착하는 단계이다.
이때, 상기 가속도(속도) 센서(30)는 가속도 센서(Accelerometer) 또는 속도 센서(Speedometer)로 상기 교각(12) 타격시 교축 직각방향으로 가해진 충격력에 의한 교각의 응답을 측정하기 위해 상기 교각(12) 표면에 수직 방향으로 부착한다.
상기 교각의 타격에 따른 진동 응답신호를 측정하는 단계(S130)는 상기 임팩트 해머(20)로 교각(12)을 타격할 때 그 대향된 상기 교각(12) 위치에서 상기 가속도(속도) 센서(30)의 감지에 의해 진동응답 신호를 측정하는 단계이다.
상기 교각 타격에 의한 가진력과 응답신호에 의해 주파수 전달함수를 측정하는 단계(S140)는 상기 임팩트 해머(20)의 가격에 의한 입력하중과 상기 가속도(속도) 센서(30)에 의한 응답 가속도에 의해 주파수 전달함수(응답함수)를 진동 분석기(FFT Analyzer: 40)에 의해 동시에 측정하는 단계이다.
상기 진동 분석기(40)는 각 신호의 시간 및 주파수 대역에서의 응답, 입력과 출력 신호 간의 기여도함수(Coherence) 및 전달함수 등을 분석한다.
상기 주파수 전달함수를 기초로 모드해석 프로그램을 통해 고유진동수와 모드 형상을 파악하는 단계(S150)는 상기 교각 타격에 의한 가진력과 응답신호에 의해 주파수 전달함수를 측정하는 단계(S140)의 수행 이후 분석 소프트웨어인 모달 해석(Modal Analysis) 프로그램을 이용하여 다중 커브 피팅(Polynomial curve fitting)에 기초한 동적 특성을 분석하는 단계이다.
즉, 공용중인 구조물인 상기 교량(10)에 대한 진동실험을 통해 동적특성인 1차 모드 고유진동수의 변화를 통해 교각 기초의 세굴가능성과 그 정도를 예측할 수 있도록 한다.
더욱이, 동적특성 분석시 데이터 수집 장치(data acquisition unit), 노트북, 계측 및 분석 소프트웨어 등으로 이루어지는 진동분석시스템이 적용된다.
한편, 상기 교량(10)에 대한 동적특성을 이용한 세굴 건전성 평가기법에서 충격진동실험과 함께 실시하는 상시미동계측은 차량이 통행하거나 바람 등에 의해 교량이 상시 가진되는 상태에서 진동응답을 측정하여 고유진동수를 파악할 수 있는 방법으로, 고유진동수에서는 다른 주파수 대역보다 외력에 의한 진동응답이 높게 나타나므로 진동응답신호에서 탁월 주파수(Dominant frequency) 성분을 찾아낼 수 있으므로 충격진동실험과 병행 실시할 수 있다.
결국, 본 발명의 교량 세굴 건전성 평가방법은 상기 교각(12)에 상기 임팩트 해머(20)를 이용하여 순간적인 충격력을 가할 때의 충격 가진신호와 이때 3지점 이상에서 측정한 진동 응답신호를 이용한 주파수 전달함수를 측정하고 1차 모드 고유진동수의 변화를 이용하여 기초세굴 등 기초 근입깊이의 변화에 따른 교량 세굴 건전성을 평가할 수 있다.
이와 같은 본 발명의 교량 세굴 건전성 평가방법은 공용중인 교량에 대하여 충격진동실험을 실시함에 따라 하상침식으로 인한 기초세굴에 따른 교각의 1차 모드 고유진동수의 변화를 측정분석하여 교량의 세굴 건전성을 신속하고 정량적으로 평가함으로써 기초세굴로 인한 교량 피해를 최소화하고, 적절한 보수보강을 실시할 수 있는 기회를 제공할 수 있는 효과가 있다.

Claims (6)

  1. 교량의 세굴 건전성을 평가하는 방법에 있어서,
    a) 상기 교각의 진동응답신호 측정 위치에 철판을 다수 부착하는 단계;
    b) 상기 철판에 수직 방향의 속도 센서 또는 가속도 센서가 자력에 의해 각각 부착되는 단계;
    c) 상기 교각의 상단 한 지점을 입력하중이 출력되도록 전기적으로 연결되는 임팩트 해머를 교축 직각방향으로 타격하여 충격신호를 측정하는 단계;
    d) 상기 교각의 타격에 따른 3지점 이상에서의 진동 응답신호를 측정하는 단계;
    e) 상기 교각 타격에 의한 가진력(加震力)과 응답신호에 의해 주파수 전달함수를 측정하는 단계; 및
    f) 상기 주파수 전달함수를 기초로 모드해석 프로그램을 통해 1차 모드 고유진동수와 모드 형상을 파악하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 교량 세굴 건전성 평가방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 c) 단계 및 d) 단계는 동시에 수행되는 것을 특징으로 하는 교량 세굴 건전성 평가방법.
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 f) 단계에서는 입력하중과 응답가속도가 진동 분석기를 통해 동시 측정되는 것을 특징으로 하는 교량 세굴 건전성 평가방법.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 f) 단계에서는 모달 해석(Modal Analysis) 프로그램을 이용하여 동적 특성을 분석하는 것을 특징으로 하는 교량 세굴 건전성 평가방법.
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