Vibration Control of Stay Cables using Movable Anchorage Systems

Abstract

최근 들어 케이블은 장대교량 및 대형구조물의 구조용 재료로 널리 사용되고 있다. 특히 교량의 경우 케이블을 이용한 사장교는 미적으로 아름다울 뿐 아니라 효과적으로 하중을 전달할 수 있어 세계적으로 건설이 증가하고 있다. 그러나, 사장교 케이블은 구조적으로 휨강성과 감쇠력이 작아 바람 및 비를 동반한 바람에 의해 쉽게 유해진동이 발생한다. 이러한 풍우진동을 저감시키기 위한 효과적인 방법으로 부가댐퍼를 장착하여 케이블의 감쇠력을 증가시키는 제어시스템이 널리 사용되어 왔으나, 사장교의 장대화로 인해 구조적으로나 미적으로 충분한 감쇠력을 제공할 수 있는 위치에 부가댐퍼를 장착하기 어렵게 되었다. 그러므로, 본 논문은 사장교의 미관을 해치지 않으면서 기존의 제어시스템보다 효과적으로 케이블의 진동을 저감시킬 수 있는 movable anchorage 를 이용한 케이블 진동 제어시스템을 제안하였다. 제안된 진동 제어 시스템은 케이블 앵커리지에 베어링장치와 내부댐퍼가 장착되도록 구성되었으며, 앵커리지에 장착된 베어링 장치는 기존 시스템과 달리 케이블 단부의 유동이 가능하게 하여 케이블의 수직 방향으로 강성과 감쇠력 및 앵커해드의 질량을 결정할 수 있도록 하였다. 또한, 제안된 시스템은 제어 성능평가를 위해 해석모델을 개발하였으며, 제안된 시스템의 제어성능 분석을 위해 수치해석을 수행하였다. 최적의 감쇠계수를 적용하여 제안된 진동 제어 시스템의 제어성능을 비감쇠 시스템과 기존의 수동댐퍼 시스템과 비교, 분석하였다. 수치해석결과 제안된 시스템은 베어링 장치의 강성을 작게 할수록 수동댐퍼 시스템 보다 감쇠율과 RMS 변위 모두 월등히 우수한 성능을 보였다. 또한, 실교량 (서해대교, Ting Kau Bridge in Hong Kong)의 케이블 제원을 이용하여 제안된 시스템의 적용 가능성을 보이기 위해 시뮬레이션을 수행하였다. 또한, LRB 와 FPS 를 이용하여 케이블 진동 제어를 위한 베어링 장치를 제안하였다. 시뮬레이션 결과 적절히 설계한 LRB 및 FPS 를 이용한 베어링 장치를 장착한 케이블은 기존의 수동 시스템에 비해 효과적으로 케이블의 진동을 줄 일수 있음을 보였고, 서해대교의 최장 케이블의 제원을 이용하여 실현 가능성을 보였다. 본 연구를 통하여 제안된 movable anchorage 를 이용한 사장교 케이블의 진동 제어시스템은 기존의 수동댐퍼 시스템 보다 효과적으로 사장교 케이블의 진동을 저감시킬 수 있었으며 풍우진동 저감을 위해 효과적인 시스템으로 사료된다.; In the past few decades, stay cables have been widely used in long span bridges and other structures. Cable-stayed bridges are especially aesthetically pleasing with their long cables efficiently carrying the loads. However, such cables can be susceptible to vibration caused by wind, particularly during combined wind and rain events, due to their low inherent damping characteristics. Externally attached dampers have been used to provide an effective means to suppress the vibration of relatively short stay-cables. For very long stay-cables, however, such damper systems are rendered ineffective, as the dampers need be attached near the end of cables for aesthetic reasons. This study investigates a vibration control system of stay cables using movable anchorage to mitigate the cable vibration. The proposed vibration control system which consists of a bearing device with an internal damper may be installed inside the cable anchorage. The bearing device replaces the traditional support with one, where the transverse stiffness and damping can be selected, and a mass contribution from the block is present. This system is modeled as a string with modified boundary conditions at one end, and a numerical solution is obtained by expansion in real-valued natural modes which is determined from the undamped system. The potential of using the proposed vibration control system has been assessed through an analysis of damping ratios and RMS responses. The response of a cable with the proposed control system is obtained and then compared to those of the cable without and with a conventional passive damper system. Also, numerical case studies of cable-stayed bridges (The Seo Hae Grand Bridge in Korea and Ting Kau Bridge in Hong Kong) are conducted to demonstrate the viability of the proposed control system for mitigation of cable vibration. In this study, bearing systems for vibration control of stay cables using the LRB and FPS have been investigated and simulated. The results of cable response show that the proposed LRB and FPS bearing systems can effectively reduce the cable response than the conventional passive system, thus demonstrating the system’s efficacy if the system parameter are selected properly. Case studies for the Seo Hae Grand Bridge have been conducted to illustrate the feasibility of the proposed LRB and FPS system. The proposed stay-cable damping system is shown to perform better than the conventional passive system, thereby demonstrating its applicability in large cable-stayed bridges for mitigation of rain-wind induced vibration of stay-cables.