외부 프리스트레싱 공법이 적용된 교량에서의 손실 긴장력 평가 연구

Abstract

고강도 긴장재를 사용한 외부 긴장 공법은 구조 부재 내부에 긴장재를 배치하여 설계·시공하는 내부 부착 긴장 공법에 비해 시공이 상대적으로 간편하고, 유지관리 비용이 저렴하여 동일 경간의 강 교량과 비교하여 경제성이 높은 교량형식이다. 그러나 고도의 긴장력 도입 후, 긴장재의 과도한 이완으로 발생된 긴장력 손실은 구조물의 설계 내하력을 급격히 저감시켜 궁극적으로 교량의 안전에 큰 위험을 초래할 수 있으므로 상시 점검을 통한 철저한 관리가 요구되며, 이를 위해 외부 긴장재의 손실 긴장력을 안전하게 평가할 수 있는 기법이 개발되어야 한다. 외부 긴장재의 손실 긴장력을 비파괴적으로 추정하는 데 적용가능 한 기존의 연구방법들로서는 현이론, 선형회귀법, 케이블 이론 등을 들 수 있다. 이 방법들은 닫힌 해를 갖는 간단한 수학적 모델의 특성방정식을 통해 긴장력을 추정하는 경우로서 구조물의 기하형상과 지점 조건에 따라 큰 오차가 발생될 수 있어 적용에 한계가 있다. 예를 들어, deviator가 포함되어 복잡한 기하학적 배치를 갖는 외부 긴장재의 경우나 긴장재 내부 그라우팅 재료가 파손되고 긴장재 부식 등이 발생한 경우는 기존의 간단한 수학적 모델로 거동을 분석하기 곤란하다. 이러한 특성이 반영되지 않은 수학적 모델로부터 긴장력이 추정되는 경우 신뢰할 수 없는 값이 추정된다. 따라서 구조 및 재료적으로 변화된 특성을 반영할 수 있는 긴장재 모델을 도입하여 긴장재의 긴장력과 손실을 평가할 수 있는 방안이 고려되어야 한다. 본 논문에서는 이러한 특성을 반영한 평가기법으로서 유한요소모델을 기반으로 손실 긴장력을 비파괴적으로 평가하는 방법을 소개한다. 본 논문에서 소개하는 평가기법은 유한요소모델에 긴장력 등을 비롯한 시스템 식별변수를 매개변수로 도입하여 현 상태의 긴장재 시스템의 특성을 반복적으로 추정해 가는 시스템 식별기법을 채택하고 있다. 시스템 식별기법으로는 모델과 관련된 부정확한 초기치 정보에도 불구하고 지역해로의 수렴성을 극복하고 전역해 탐색을 가능하도록 하는 유전알고리즘을 적용하고 있다. 더욱이, 이 알고리즘은 기존의 단순 유전알고리즘과는 달리 유전 연산자와 탐색전략을 대폭 개선하여 집단 크기를 작게 유지하면서도 수치적 효율성을 극대화 한 하이브리드 유전알고리즘이다. 본 논문에서는 손실 긴장력 평가기법에 대한 이론적 정식화 과정을 거친 후, 수치 및 실험적 검증과정을 통해 궁극적으로 외부 긴장재에 대한 정보가 제한적이지만 긴장력 손실이 발생한 경우라도 손실된 긴장력을 정확하게 추정할 수 있는 기법을 소개하고자 하였다.; This work introduces a new method to estimate prestressing force from measured damped frequencies. The proposed method is able to simultaneously identify prestressing force, equivalent diameter, equivalent mass per unit length and Rayleigh damping coefficients of external tendons. In particular, in order to resolve the trap of minima of a conventional gradient-based technique and overcome a limit in solving inverse problems using a traditional genetic algorithm, the evaluation technique combined the finite element method with the hybrid genetic algorithm is introduced. The numerical and experimental tests show that the proposed technique employing the hybrid genetic algorithm is a useful method which can to inspect various system parameters as well as estimate the exact prestressing force of the externally prestressed tendon with a small estimation error although there is no a priori information about the identification variables. In conclusion, the proposed technique works well for the numerical and experimental tests.