교량 진동 사용성 평가를 위한 차량하중 모델링의 관한 연구

Abstract

근 국내에서 건설되고 공용중인 교량은 설계기술의 발달과 미적 기능에 대한 관심의 증대로 경량화, 유연화 되고 있다. 이런 교량은 낮은 고유진동수를 갖게 되며 차량 하중에 의하여 진동이 쉽게 발생되고 이로 인해 보행자에게 불안감을 발생시킨다. 따라서 실무 설계자들은 차량의 주행에 따른 교량의 진동사용성 문제에 대해 설계단계에서 고려하기 위해 차량하중의 모델링을 통해 교량의 동적응답해석을 수행하고, 그 결과를 Meister 감각곡선 (Reiher와 Meister, 1931)과 같은 평가방법을 적용하여 교량의 사용성을 평가하고 있다. 그러나 대부분의 연구는 판 요소를 사용한 동적응답해석을 실시하고 있지만, 실무 설계자들은 복잡한 판 요소 보다 쉽게 설계단계에서 수행 할 수 있는 보 요소의 모델을 사용하여 동적응답을 실시하고 있다. 하지만 국내에서는 이와 관련된 연구가 아직까지 미비한 상태로 많은 연구가 진행 중에 있다.

본 연구에서는 이동하중에 의한 구조물 진동의 효율적인 해석을 위하여 구조물에 가해지는 이동하중을 등가의 절점하중으로 치환하는 방법과 실무 설계자들 범용유한요소프로그램에 이동하중모델을 간단하게 적용하여 쉽게 이동하중을 얻을 수 있는 이동하중 생성 프로그램 방법을 제안하였다. 이를 이용하여 범용유한요소프로그램으로 간단한 보 요소로 모델링 된 교량의 매개변수인 속도와 요소길이를 변화해가며 Meister 감각곡선을 통한 진동 사용성 평가를 수행하였다. 그러나 매개변수 중 하나인 차량 이동 속도는 저속에서 고속으로 차량 이동 속도가 증가 할수록 변위 와 가속도 응답이 커지는 결과를 얻을 수 있었다. 결과적으로 저속 보다 고속이 좀 더 진동 사용성 평가를 위한 동적응답을 구하기에 적절하여 이를 유한요소 모델의 요소 크기에 따른 교량의 변위응답과 가속도응답을 비교한 경우, 보요소의 크기에 따라 변위 응답의 경우 보 요소의 크기가 커질 수 록 모드 중첩현상이 발생되어 축 하중 간격의 크기보다 큰 경우에 모델링을 수행하기에는 적절하지 않음을 판단할 수 있었다, 또한, 가속도 응답의 형태의 차이가 발생하였으며, 특히, 2.5m로 짧은 경우 로우 패스 필터의 사용하여 필터링이 필요한 것으로 판단된다.

본 연구에서는 유한요소모델링을 이용한 진동 사용성 평가에 대해서 설계자들이 쉽게 적용할 수 있는 생성 프로그램을 개발하였고 이를 이용한 해석 및 평가를 수행하였다. 그 결과 모델링의 매개변수에 따른 진동의 응답이 다르게 나타났으며 이에 대한 분석을 통해서 진동 사용성 평가를 위한 모델링의 기본 조건 등을 정리하였다. 유한요소 모델링에 의한 정확한 진동 사용성 평가를 위해서는 동적응답해석 시 다양한 매개변수(조도,차량 통행량)에 대한 연구는 물론 다양한 교량 형식과 그에 맞는 모델링에 대한 연구가 필요한 것으로 사료된다.