KR100217010B1 - 충격하중에 의한 파일의 횡강성 평가방법 - Google Patents
충격하중에 의한 파일의 횡강성 평가방법Info
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Abstract
본 발명은 지상의 구조물을 지지하는 파일의 횡강성을 추정 평가하여 이를 토대로 적절한 보수/보강 대책을 마련할 수 있도록 하기 위하여 선박과 같은 고정 구조물을 통해 충격 하중을 얻어 동적 응답을 측정하고, 그 구조계의 고유 진동수를 도출하는 실험절차와, 상기 실험절차에 대응하는 유한 모델을 수립하여 응답을 취득하고, 그 결과로 나타나는 구조계의 횡방향 고유진동수를 해석하는 해석절차와, 상기 실험절차와 해석절차에서 얻어지는 구조계의 고유 진동수를 도출비교 해석하여 파일을 포함한 구조계의 횡강성을 평가하는 충격하중에 의한 파일의 횡강성 평가 방법임.
Description
제1도는 파일이 설치된 지상구조물의 일반적인 설치예를 나타낸 도면.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 교각 2 : 파일
3 : 지반 4 : 수면
본 발명은 지상의 구조물을 지지하는 파일의 횡강성을 추정 평가하여 이를 토대로 적절한 보수/보강 대책을 마련할 수 있도록 하는 것이다.
지상의 구조물을 지지하는 파일은 일반적으로 설계시 하중에 연직하중에 의한 연직방향 지지력 및 강성에 대하여 설계되며 실제로 대부분의 경우에 연직력이 지배하중이 된다.
그러나 횡 방향력에 노출되어 있는 경우가 많고 수직력에 의해 파괴 못지않게 횡방향력에 의한 파괴도 구조계에 치명적인 영향을 주는 것으로 알려져 있다.
예를들면 제1도와 같이 교각(1)을 지지하고 있는 플로팅 파일(2)의 경우에는 교량에 작용하는 풍하중이나 기타의 횡방향 충격력에 항상 노출되어 있는 상태 이므로 횡강성 평가가 기본적으로 수행되어야 함에도 불구하고 현실적으로 고려되지 않고 있다.
이에 대하여 실시되는 파일의 강성 추정 방법을 예로들면 파일(2)은 항타이후 지반(3)내부에 위치하게 되므로 육안에 의한 손상 추정이 불가능하며 손상 추정 방법으로 간접적인 비파괴 검사를 주로 실시한다.
정재하시험은 수직력 W에 의한 평가로 가장 많이 이용되며 정확한 결과를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있어 주로 파일(2)의 수직력에 대한 강성을 측정하는데 사용되고 있다.
상기와 같은 정재하시험 방법을 적용하여 파일의 횡강성을 평가 하기에는 무리가 있다.
예를들면 교량의 경우 교각(1)이 수심(4)에 위치하고 있는 경우가 많기 때문에 현실적으로 기 설치된 교량의 교각(1)에 대한 횡방향 하중 W1에 대한 횡강성 평가를 위해 비파괴 정재하시험 방법의 적용은 거의 불가능한 상태이다.
또한 이같은 정적시험은 실질적으로 교량 구조물의 기초에서는 수행할 수 없고 지상 구간에서 수행 한다 하더라도 시간과 비용 규모가 커서 비경제적이다.
따라서 파일 구조의 횡강성을 추정하기 위한 시험법으로 정재하시험을 적용하는 것은 비용과 현실적 가능성에서 거의 불가능하고, 또한 이로인해 파일의 횡강성 평가가 소홀히 취급되어 적절한 파일의 보수/보강 대책을 수립하지 못하는 문제점이 있었다.
본 발명의 목적은 파일의 횡강성을 평가 하는데 있어서, 시간과 비용을 줄이면서도 정재하 시험과 대등한 결과를 도출시키는 파일의 횡강성 평가 방법을 제공하는 것이다.
이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은 선박과 같은 고정 구조물을 통해 충격 하중을 얻어 동적 응답을 측정하고, 그 구조계의 고유 진동수를 도출하는 실험 절차와, 상기 실험절차에 대응되는 유한 모델을 수립하여 응답을 취득하고, 그 결과로 나타나는 구조계의 횡방향 고유진동수를 해석하는 해석절차와, 상기 실험절차와 해석절차에서 얻어지는 구조계의 고유 진동수를 도출 비교 해석하여 파일을 포함한 구조계의 횡강성을 평가하는 파일의 횡강성 평가 방법에 있다.
아래 도표는 본 발명의 실험절차/해석절차 도표를 나타낸다.
상기 도표는 선박에 대한 유체 충격과 같은 동적 하중에 의한 응답을 실험하고 이를 토대로 동적 하중을 해석하여 파일을 포함한 구조계의 횡강성을 평가하는 것이다.
다음에, 평가 방법을 각 과정별로 설명한다.
(1) 선박과 같은 고정 구조물을 통해 충격하중으로부터 동적 응답을 측정하고 고유진동수를 도출하는 과정
본 발명의 적용은 해상 및 강성에 건설되는 교량 등의 구조물의 하부 구조물에 대하여 적용되는 것으로 선박 또는 이와 유사한 구조체에 의해 구조물에 영향을 주지않는 범위내의 미약한 하중을 가하는 것이 가능하다.
일반적으로 파랑이나 유속에 의한 하중 등에 대한 구조물이 거동 응답동 현 센서 기술로 측정이 가능하나 가격이나 충돌에 의한 거동응답이 보다 신뢰성 있는 측정을 유도하므로 본 발명에서는 이를 이용하고자 한다.
측정된 응답은 FFT 등의 기법을 통해 고유진동수를 도출할 수 있으며 구조물이 거동하고자 하는 탁월 주파수를 산정할 수 있다. 고유진동수는 구조물의 질량과 강성에 관련되는 항목으로 기본적으로 실험에 의한 값이 참값으로 간주될 수 있다.
(2) 유한요소모델을 수립하여 횡방향 고유진동수를 해석하는 과정
이는 구조물의 해석적 기법에 관련된 항으로 기존의 동적 구조해석 기법을 이용하여 구조물의 수학적 모델을 도출하고 도출된 수학적 모델의 질량행렬과 감쇠행렬 그리고 강성행렬이 관여된 고유치(eigenvalue)에 의해 고유진동수를 해석할 수 있다.
(3) 실험에 의한 고유진동수와 유한요소해석모델에 의한 고유진동수를 비교 검출하여 횡강성을 평가하는 방법
실험치와 해석치간의 차이는 구조물의 상태에 따라 나타날 수 있으며 이는 횡방향 거동에 대해서는 횡방향의 강성만이 관여하게 된다. 따라서 계산된 횡방향 고유진동수와 측정된 횡방향 고유진동수는 구조물의 질량이 파악될 수 있다는 가정하에서 강성의 차이로 간주될 수 있다.
상기 실험절차의 세부 시험절차는 파일 및 고정 구조물의 주변 지질을 조사하는 단계; 수면 횡방향 가진 단계; 상기 단계를 통해 나타나는 동적 응답을 측정하는 단계;, 상기 동적 응답을 통해 나타나는 주파수를 분석하는 단계;, 구조계의 고유 진동수를 도출하는 단계로 진행한다.
상기 각 단계에 대한 설명은 다음과 같다.
◎ 횡방향 가진
어떠한 상태의 가진이라도 상관 없으며 본 발명에서는 선박의 미약한 충돌에 의한 하중을 제시하였다. 가속도 센서로 측정이 가능한 정도의 응답을 도출하기 위한 가진이라면 풍하중이나 파랑하중과 같은 자연하중도 이용 가능하다.
◎ 동적응답특성
고유진동수 및 각 부분에서의 모우드 형상을 의미하며 계산이나 측정에 의해 파악이 가능하다.
◎ 주파수 분석
측정된 구조물의 거동을 파악하는 기법으로 FFT기법이나 이를 회로로 구성한 계측기기 등을 통해 가능하다.
◎ 구조계 고유진동수 도출
다음에 설명하는 구조계 고유진동수 해석과 동일한 방법으로 도출할 수 있다.
또한 상기 해석절차는 상태해석단계;, 지면 스프링 계수 산정 단계;, 유한 요소 모델을 수립하는 단계;, 고유치를 해석하는 단계;, 구조계의 고유진동수를 해석하는 단계로 진행한다.
상기 각 단계에 대한 설명은 다음과 같다.
◎ 상태해석
측정된 고유진동수를 이용하여 도면에 의해 설정된 수학적 모델을 실제 상황과 일치할 수 있도록 조율하는 단계를 말한다. 직접대치법과 역해석법 그리고 대표적으로 구조계 규명기법(System Identification)등이 있으며 수학적 모델을 참고치로 하여 실험결과를 반영, 실질적 모델을 도출해 내는 과정을 의미한다.
◎ 지면 스프링계수 산정
지중에 위치하는 구조물을 설계/해석하는 경우에 지반의 효과는 구조물에 작용하는 스프링으로 간주하는 것이 일반적인 방법이다. 이는 지반의 특성과 성향에 따라 가정되는 수치로 본 발명에서는 측정된 고유진동수를 이용하여 파일의 횡방향 강성을 도출 시킨후 이를 다시 파일과 지반의 스프링 효과로 변환하여 설계 및 해석에 직접 이용한다.
◎ 유한요소 모델 수립
설계나 해석을 위해 구조물의 기하학적/물리적 성질을 수학적으로 표현하는 기법으로 본 발명에서는 설계된 구조물의 고유진동수를 파악하고 실험적으로 도출된 고유진동수 및 동적 특성을 이용하여 실제상태 구조물의 수학적 모델을 구성하는 참고치를 설정하기 위하여 이용되었다.
◎ 구조계 고유진동수 해석 및 지질조사
고유진동수는 설계상태에 대해서는 상기 (2)유한요소모델을 수립하여 횡방향 고유진동수를 해석하는 방법으로 계산이 가능하며 지질조사는 지중에 설치되는 구조물을 설계하기 위해서는 보어잉(boring) 등의 시추방법에 의해 반드시 선행된다.
이와같이 본 발명은 파일 구조의 횡강성을 추정하기 위한 시험법으로 정재와 시험은 비용과 현실적 가능성에서 거의 불가능한 것으로 판단 되므로 동적 충격력을 이용한 지면 강성 평가를 수행한다.
즉, 기 타설된 파일과 조형된 중량 콘크리트 형태의 매트 파운데이션(MATFOUNDATION)에 대하여 구조계의 유연성이 충분히 큰 경우 풍하중과 같은 자연 하중에 대해 그리고 강성이 상당히 커서 자연하중에 의한 응답을 측정하기 곤란한 경우 선박과 같은 중격하중에 관한 응답을 취득하고 결과로 나타나는 구조계이 횡방향 고유진동수를 측정하여 파일과 매트 파운데이션을 포함한 구조계의 전체적 강성을 평가할 수 있다.
정확한 지질의 평가가 선행된다는 가정하에 파일의 지면 스프링 계수는 해석적 이론에 의하여 상대 평가를 할 수 있으며 이에 따른 이론적 고유 진동수를 비교함으로써 횡강성을 평가할 수 있다.
고유진동수의 제곱은 구조 강성계에 직접 비례하므로 하중에 의한 정상적 결과가 필요없이 직접 강성을 평가할 수 있으며 콘크리트 및 지상에 돌출된 파일 부분에 있어 질량의 유실은 거의 없으므로 고유진동수는 강성만의 함수로 표현할 수 있다.
따라서 파일은 항타이후 지반 내부에 위치하게 되므로 육안에 의한 손상 추정이 불가능하며 간접적인 비파괴 검사가 행해 지는바, 본 발명은 지금까지 등한시되어 잦은 사고를 유발 하였던 파일의 횡강성 강성을 미리 파악하여 이에 맞는 적절한 보수/보강 대책을 세울 수 있다.
또한 정적시험은 실질적으로 교량 구조물의 기초에서는 수행할 수 없고, 지상 구간에서 실시한다 하더라도 비용과 시간의 규모가 커서 비경제적이나 선박의 충격과 같은 동적 하중에 의한 응답은 시간과 비용이 간소하며 정적재하 시험과 비교할 때 차이가 없은 정확한 결과를 도출할 수 있는 효과가 있다.
Claims (1)
- 파일 및 고정 구조물의 주변 지질을 조사 하는 단계; 수면 횡방향 가진 단계; 상기 단계를 통해 나타나는 동적 응답을 측정하는 단계; 상기 동적 응답을 통해 나타나는 주파수를 분석하는 단계: 구조계의 고유 진동수를 도출하는 단계로 이루어져 선박과 같은 고정 구조물을 통해 충격 하중을 얻어 동적 응답을 측정하고, 그 구조계의 고유 진동수를 도출하는 실험절차와, 상태해석 단계; 지면 스프링 계수산정 단계; 유한 요소 모델을 수립하는 단계; 고유치를 해석하는 단계; 구조계의 고유 진동수를 해석하는 단계로 이루어져 상기 실험절차에 대응되는 유한 모델을 수립하여 응답을 취득하고, 그 결과로 나타나는 구조계의 횡방향 고유진동수를 해석하는 해석절차와, 상기 실험절차와 해석절차에서 얻어지는 구조계의 고유진동수를 도출 비교 해석하여 파일을 포함한 구조계의 횡강성을 평가하는 것을 특징으로 하는 충격하중에 의한 파일의 횡강성 평가 방법.
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| KR1019960062250A KR100217010B1 (ko) | 1996-12-06 | 1996-12-06 | 충격하중에 의한 파일의 횡강성 평가방법 |
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| KR19980044205A KR19980044205A (ko) | 1998-09-05 |
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| KR100418024B1 (ko) * | 2001-03-13 | 2004-02-14 | 양경택 | 구조물의 동적응답 추정방법 |
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1996
- 1996-12-06 KR KR1019960062250A patent/KR100217010B1/ko not_active IP Right Cessation
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| KR19980044205A (ko) | 1998-09-05 |
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