KR20090022689A - 사장교 케이블의 진동저감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 사장교의 미관을 해치지 않으면서 그 사장교의 케이블에 발생하는 진동을 효과적으로 저감할 수 있는 사장교 케이블의 진동저감유니트에 관한 것이다. 본 발명에 따른 사장교 케이블의 진동저감장치는 일단부가 사장교의 주탑에 고정되며 타단부가 사장교의 교량 상판에 대해 유동 가능하도록 교량 상판에 연결되는 케이블에 설치되어 외력에 의한 케이블의 진동을 저감하기 위한 것으로서, 케이블 및 교량 상판 중 어느 하나에 결합되며, 곡면 형상의 표면을 가지는 슬라이딩부재; 및 케이블 및 교량 상판 중 다른 하나에 결합되며, 슬라이딩부재의 표면과 접촉하는 곡면 형상의 접촉면을 가지며, 슬라이딩부재의 표면과 상기 접촉면 사이에서 마찰력이 발생하도록 슬라이딩부재와 상대 슬라이딩 가능하게 배치되는 베이스부재;를 구비한다.

사장교, 케이블, 마찰력, 복원력, 감쇠력, 진동

Description

사장교 케이블의 진동저감장치{Device for mitigating the cable vibration in cable-stayed bridge }

본 발명은 사장교 케이블의 진동저감장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 외력에 의하여 사장교 케이블에서 진동이 발생된 경우 케이블 진동을 저감하기 위한 사장교 케이블의 진동저감장치에 관한 것이다.

종래의 일례에 따른 사장교는 도 1에 도시되어 있다. 도 1을 참조하면, 종래의 사장교(1)는 하나 이상의 주탑(10)과, 각 주탑(10)을 지지하며 지중에 박혀있는 교각(11)과, 주탑(10)의 길이방향과 수직하게 배치되는 교량 상판(20)과, 각각의 일단부가 주탑(10)에 고정되며 각각의 타단부가 교량 상판(20)(deck)에 연결되는 다수의 케이블(30)을 구비한다. 교량 상판(20)은 상판 본체(21)와, 상판 본체(21)에 고정되는 다수의 앵커(22)를 구비한다. 각 케이블(30)의 타단부에는 소켓 또는 앵커헤드(31)가 결합되어 있으며, 그 소켓 또는 앵커헤드(31)가 교량 상판(20)의 각 고정부재(22)에 고정되게 된다. 그리고, 소켓 또는 앵커헤드(31)는 교량 상판에 결합된 앵커(22)에 고정됨으로써 교량 상판(20)에 고정된다. 교량 상판의 상판 본체(21)는 거더(girder)로서 명명되기도 한다.

한편, 케이블(30)에 있어서는 일반적으로 버페팅, 와류진동, 갤로핑 그리고 주탑(10)이나 인접 케이블(30)에 의한 웨이크 갤로핑과 같은 바람 및 비바람에 의해 진동이 발생하게 되며, 이 발생된 진동은 사장교(1)의 수명을 감소시키게 되므로 이 진동을 적절히 저감하는 방안이 연구되어 왔다.

케이블(30)에서 발생되는 진동을 저감하는 방법으로는 공기역학적 방법, 보조케이블에 의한 진동제어방법 그리고 감쇠장치를 이용한 진동제어방법 등이 있다.

공기역학적 방법은 케이블(30)의 표면에 helical fillet, dimple, axial stripe 등의 형상을 가진 돌출부를 형성하여 케이블(30) 주위를 유동하는 유체의 공기역학적 특성을 변화시켜주는 방법이다. 이러한 돌출부를 통해서 진동을 저감하고자 하는 경우에는, 반드시 실물 풍동실험을 거쳐 그 진동의 저감 여부를 확인해야하는 불편함이 있다.

보조 케이블에 의한 진동 제어 방법은, 케이블(30)들을 서로 연결함으로써 케이블(30)들의 진동장을 감소시키고 이에 따라 고유진동수를 높일 뿐만 아니라 부가적으로 감쇠의 효과도 가지는 방법이다. 이와 같이 고유진동수가 변화하게 되면 케이블(30)들의 공진을 막을 수 있고 바람에 의한 진동시 임계 풍속을 증가시킬 수 있어서 진동제어방법으로 효과적이다. 그러나, 이 방법은 유지관리에 신경을 써야 하며 교량의 미관을 해칠 수 있다는 단점이 있다.

감쇠장치를 이용한 진동제어방법은 케이블(30)에 감쇠장치(40)를 설치하여 그 케이블에서 발생하는 진동을 저감하는 방법으로서 그 진동제어 성능이 우수하여 최근 들어 각광받고 있다. 감쇠장치(40)로는 점성 댐퍼, 점탄성 댐퍼, 마찰 댐퍼, 탄소성 댐퍼 등의 수동 감쇠장치가 일반적으로 사용되며, 그 감쇠장치의 위치에 따라 외부 댐퍼와 내부 댐퍼로 구별된다. 그리고, 감쇠장치(40)는 도 1에 도시된 바와 같이 각 케이블(30)과 교량 상판(20) 사이에 설치되며, 감쇠장치(30)의 구성 및 기능은 대한민국 공개특허 제2004-15461 또는 대한민국 공개특허 제2005-24605호 등에서와 같이 이미 널리 알려져 있다.

한편, 상술한 바와 같이 구성된 사장교(1)에 있어서는, 미관상의 문제로 인해 각 감쇠장치(40)가 각 케이블(30) 타단부쪽에 설치되어 있으나, 각 케이블(30)에 발생하는 진동의 진폭은 그 케이블(30)의 중앙부에서 가장 크게 발생하고 그 케이블(30)의 단부로 갈수록 작아지기 때문에, 종래의 감쇠장치는 그 각 케이블의 진동을 저감하는데 충분히 효과적이 못했다. 특히, 최근 들어 사장교(1)가 대형화됨에 따라 그 사장교의 케이블(30)의 길이가 증가하게 되고 이에 따라 충분한 진동저감 능력을 발휘하는 감쇠장치(40)를 각 케이블(30)의 타단부쪽에 설치하는 것이 구조적으로 더욱 어렵게 되었다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 사장교의 미관을 해치지 않으면서 그 사장교의 케이블에 발생하는 진동을 효과적으로 저감할 수 있는 사장교 케이블의 진동저감유니트를 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 사장교 케이블의 진동저감장치는 일단부가 사장교의 주탑에 고정되며 타단부가 상기 사장교의 교량 상판에 대해 유동 가능하도록 상기 교량 상판에 연결되는 케이블에 설치되어 외력에 의한 상기 케이블의 진동을 저감하기 위한 것으로서, 상기 케이블 및 교량 상판 중 어느 하나에 결합되며, 곡면 형상의 표면을 가지는 슬라이딩부재; 및 상기 케이블 및 교량 상판 중 다른 하나에 결합되며, 상기 슬라이딩부재의 표면과 접촉하는 곡면 형상의 접촉면을 가지며, 상기 슬라이딩부재의 표면과 상기 접촉면 사이에서 마찰력이 발생하도록 상기 슬라이딩부재와 상대 슬라이딩 가능하게 배치되는 베이스부재;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 외력에 의한 케이블의 유동시에 슬라이딩부재와 베이스부재가 상대 슬라이딩하게 되어, 마찰력 및 복원력이 발생하게 되므로, 종래에 비해 케이블의 진동을 효과적으로 저감할 수 있게 된다.

또한, 종래와 달리 감쇠장치가 필요 없게 되며 나아가 진동저감장치가 앵커 의 수용부에 배치되어 외부로 노출되지 않으므로, 사장교의 미관을 해치지 않게 된다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예들을 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 사장교 케이블의 진동저감장치의 개략적인 단면도이고, 도 3은 도 2에 도시된 진동저감장치의 개략적인 분리사시도이다.

도 2 및 도 3을 참조하면, 본 실시예의 사장교 케이블의 진동저감유니트(100)는 사장교(1)에 설치되어 외력에 의하여 사장교의 케이블(30)에서 발생되는 진동을 저감한다. 사장교(1)는 종래 기술에서 설명한 바와 같이, 하나 이상의 주탑(10)과, 각 주탑(10)을 지지하며 지중에 박혀있는 교각(11)과, 주탑(10)의 길이방향과 수직하게 배치되는 교량 상판(20)과, 각각의 일단부가 주탑(10)에 고정되며 각각의 타단부가 교량 상판(20)에 연결되는 다수의 케이블(30)을 구비한다. 교량 상판(20)은 상판 본체(21)와, 상판 본체(21)에 고정되는 다수의 앵커(22)를 구비한다. 각 케이블(30)의 타단부에는 소켓 또는 앵커헤드(31)가 결합되어 있으며, 소켓 또는 앵커헤드(31)는 앵커의 내부에 형성된 수용부(221)에 배치된다. 그리고, 각 케이블(30)은 각 수용부(221) 내에서 케이블(30)의 길이방향과 직교하는 방향으로 유동 가능하게 설치된다.

사장교 케이블의 진동저감장치(100)는 앵커의 수용부(221)에 설치되는 것으로서, 슬라이딩부재(40)와, 매개부재(50)와, 베이스부재(60)를 구비한다.

슬라이딩부재(40)는 복수 구비되며, 특히 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 4개 구비되어 있다. 각 슬라이딩부재(40)의 표면은 곡면 형상으로 형성되어 있다. 슬라이딩부재는 테프론 계열의 소재, 예를 들어 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)로 형성되는 것이 바람직하다. 한편, 슬라이딩부재는 금속성 소재로 이루어진 본체와, 본체의 표면에 코팅된 테프론 계열의 코팅을 가지도록 구성할 수도 있다.

매개부재(50)는 전체적으로 판 형상으로 이루어져 있다. 매개부재(50)에는 케이블(30)이 삽입되는 삽입공(51)이 형성되어 있다. 그리고, 매개부재(50)에는 4개의 슬라이딩부재(40)가 삽입공으로부터 동일한 거리만큼 이격되게 고정되어 있어서, 4개의 슬라이딩부재(40)는 전체적으로 삽입공(51)을 중심으로 방사형으로 배치된다. 매개부재(50)는 케이블(30)의 타단부, 특히 앵커헤드(31)에 고정되어 있다.

베이스부재(60)는 교량 상판(20), 특히 교량 상판의 앵커(22)에 고정된다. 베이스부재(60)에도 케이블(30)이 삽입되는 삽입공(61)이 형성되어 있다. 삽입공(61)은 매개부재의 삽입공(51)과 동축적으로 배치된다. 베이스부재(60)에는 슬라이딩부재(40)의 개수에 대응되게 4개의 접촉면(62)이 형성되어 있다. 각 접촉면(62)은 곡면 형상으로 이루어진다. 각 접촉면(62)은 열호(劣弧) 형상으로 이루어지며, 각 접촉면(62)의 곡률중심은 슬라이딩부재쪽에 배치되어 있어서, 각 접촉면(62)은 오목한 형상을 가지게 된다. 각 접촉면(62)에는 각 슬라이딩부재의 표면이 접촉한다. 베이스부재는 금속성 소재, 예를 들어 스테인레스나 크롬 등으로 이루어지는 것이 바람직하다.

그리고, 슬라이딩부재(40) 및 베이스부재(60)의 소재는 슬라이딩부재(40) 및 베이스부재(60)의 상대 슬라이딩시 발생되는 마찰력의 크기, 특히 마찰계수를 좌우하는 주요 파라미터이므로, 슬라이딩부재(40) 및 베이스부재(60)의 소재를 적절하게 선택하여 케이블의 진동을 감쇠시키는 감쇠력이 효과적으로 발생하도록 해야 한다. 앞서 설명한 바와 같이 슬라이딩부재(40) 및 베이스부재(60)가 각각 PTFE 및 스테리인레스로 이루어지는 것이 바람직하다.

상술한 바와 같이 구성된 사장교 케이블의 진동저감장치(100)에 있어서, 외력, 예를 들어 바람에 의해 케이블(30)에 진동이 발생하게 되면, 발생된 진동은 앵커(31)로 전달되어 케이블의 타단부가 케이블이 길이방향과 교차하는 방향으로 유동하게 되므로, 케이블(30)의 타단부와 앵커(22) 사이에 상대변위가 발생하게 된다. 이와 같이 케이블(30)이 유동하게 되면, 슬라이딩부재(40)와 베이스부재(60)가 상대 슬라이딩하게 되므로, 슬라이딩부재(40)의 표면과 접촉면(62) 사이에서 마찰력이 발생하게 된다. 또한, 슬라이딩부재(40)는 접촉면(62)의 곡률을 따라 진자운동을 하게 되므로, 슬라이딩부재(40)를 원위치시키려는 복원력도 발생하게 된다. 이와 같이, 본 실시예에서는 마찰력 및 복원력에 의해 케이블(30)의 진동이 저감되므로, 종래에 비해 케이블의 진동을 효과적으로 저감할 수 있게 된다. 즉, 마찰력에 의하여 진동을 감쇠시킬 수 있으며 복원력에 의하여 케이블의 진동 주기를 조절할 수 있다. 특히, 마찰력에 의해 케이블(30)의 진동이 감쇠되게 되면, 종래 기술에서 설명한 바와 같이 감쇠장치를 설치할 필요가 없게 되어, 종래 기술에서 설명한 미관 문제를 해결할 수 있게 된다.

그리고, 슬라이딩부재(40)와 베이스부재(60)의 마찰계수 및 접촉면(62)의 곡 률반경을 변경함으로써, 케이블(30)의 유동시 발생되는 마찰력 및 복원력을 조절할 수 있게 되므로, 결과적으로 케이블(30)의 주기 및 케이블(30)의 진동을 저감시키는 감쇠력을 조절할 수 있게 된다. 따라서, 슬라이딩부재(40) 및 베이스부재(60)의 형상 및 재질 변경을 통하여 케이블(30)의 진동 저감 성능을 조절할 수 있게 된다.

한편, 본 실시예의 사장교 케이블의 진동저감장치(100)의 진동 저감 성능을 평가하고자, 서해대교의 케이블 중 가장 긴 케이블을 평가 대상 케이블로 선정하여 본 실시예의 진동저감장치(100)의 진동 저감 성능을 평가하였다.

먼저, 서해대교의 가장 긴 케이블(30)의 길이는 246.85m이고, 케이블의 단위 길이당 질량은 125.3㎏/m이며, 케이블의 직경은 0.28m이며, 초기 장력은 6261kN인 것으로 설정하였다. 또한, 케이블(30)에 인가되는 외력은 다양하게 설정될 수 있으나, 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 무작위로 발생되는 것으로 설정하였다. 여기서, 도 4에 도시된 외력은 narrow band random excitation으로써 무작위로 만들어진 풍하중의 하나이다. 그리고, 베이스부재의 접촉면의 곡률반경을 3.22m 또는 5.03m로 변경하고 베이스부재 및 슬라이딩부재의 소재를 변화시켜 슬라이딩부재(40)의 표면 및 접촉면(62)의 마찰계수를 0.1, 1 또는 5로 변경함으로써, 6가지 형태의 진동저감장치(100)를 구성하였다.

상술한 바와 같이 시뮬레이션 조건을 설정한 후에, 각 진동저감장치(100)에 대하여 시뮬레이션을 수행하면, 도 6 내지 도 7에 도시된 그래프를 얻을 수 있게 된다. 또한, 종래의 감쇠장치와 본 발명의 진동저감장치의 성능을 비교하기 위해 서 종래의 감쇠장치에 대하여도 시뮬레이션을 수행하여 도 5를 얻었다. 그리고, 케이블(30)의 진동시에는 케이블의 중앙부분에서 변위가 크게 발생하므로, 도 5 내지 도 7에는 케이블(30)의 중앙부분의 변위의 시간 흐름에 대한 그래프가 도시되어 있다.

도 5에는, 본 실시예의 진동저감장치(100)가 없는 경우, 종래 기술에서 설명한 감쇠장치가 설치된 경우 및 접촉면(62)의 곡률반경이 3.22m이고 마찰계수가 0.1인 진동저감장치가 설치된 경우 각각에 있어서 케이블(30)의 중간 부분의 시간 흐름에 대한 변위가 도시되어 있다. 도 5를 참조하면, 본 실시예의 진동저감장치(100)가 설치된 경우에는 다른 경우에 비해서 케이블의 변위가 더 줄어들게 됨을 확인할 수 있다. 따라서, 본 실시예의 진동저감장치(100)는 종래의 감쇠장치에 비해서 진동 저감 성능이 우수함을 알 수 있다.

한편, 도 6 내지 도 7에는, 6가지 형태의 진동저감장치(100) 각각에 있어서 케이블의 중간 부분의 시간 흐름에 대한 변위가 도시되어 있다. 도 6에는 접촉면(62)의 곡률반경이 3.22m이며 마찰계수가 0.1, 1 또는 5인 3가지 형태의 진동저감장치(100)에 대한 결과 그래프가 되어 있으며, 도 7에는 접촉면(62)의 곡률반경이 5.02m이고 마찰계수가 0.1, 1 및 5인 3가지 형태의 진동저감장치(100)에 대한 결과 그래프가 도시되어 있다. 도 6 및 도 7을 참조하면, 접촉면(62)의 반경이 증가할수록 케이블(30)의 변위가 감소하며, 마찰계수가 증가할수록 케이블(30)의 변위가 증가함을 확인할 수 있다. 따라서, 접촉면(62)의 반경 및 마찰계수를 조절함으로써 케이블(30)의 감쇠 정도를 제어할 수 있게 된다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.

예컨대, 본 실시예에서는 슬라이딩부재가 매개부재를 매개로 앵커헤드에 결합되며 베이스부재가 앵커에 결합되도록 구성되어 있으나, 슬라이딩부재가 매개부재를 매개로 앵커에 그리고 베이스부재가 앵커헤드에 결합되도록 구성할 수도 있다. 또한, 슬라이딩부재가 매개부재 없이 앵커헤드 또는 앵커에 결합되도록 구성할 수도 있다.

또한, 본 실시예에서는 슬라이딩부재가 4개 구비되는 것으로 구성되어 있으나, 슬라이딩부재의 개수가 반드시 4개로 한정되는 것은 아니며 3개 이상이기만 하면 된다.

도 1은 종래의 일례에 따른 사장교 케이블의 진동저감장치의 개략적인 도면이다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 사장교 케이블의 진동저감장치의 개략적인 단면도이다.

도 3은 도 2에 도시된 진동저감장치의 개략적인 분리사시도이다.

도 4는 케이블에 인가되는 외력의 시간 흐름에 따른 그래프이다.

도 5는 종래의 감쇠장치와 도 2에 도시된 진동저감장치 각각의 진동 저감 성능을 평가하여 얻어진 그래프이다.

도 6 및 도 7은 도 2에 도시된 진동저감장치를 이용하여 서해대교의 케이블에 대한 진동 저감 성능을 평가함으로써 얻어진 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1...사장교 10...주탑

11...교각 20...교량 상판

21...상판 본체 22...앵커

30...케이블 31...앵커헤드

40...슬라이딩부재 50...매개부재

51,61...삽입공 60...베이스부재

62...접촉면 100...사장교 케이블의 진동저감장치

Claims (3)

1. 일단부가 사장교의 주탑에 고정되며 타단부가 상기 사장교의 교량 상판에 대해 유동 가능하도록 상기 교량 상판에 연결되는 케이블에 설치되어 외력에 의한 상기 케이블의 진동을 저감하기 위한 것으로서,

   상기 케이블 및 교량 상판 중 어느 하나에 결합되며, 곡면 형상의 표면을 가지는 슬라이딩부재; 및

   상기 케이블 및 교량 상판 중 다른 하나에 결합되며, 상기 슬라이딩부재의 표면과 접촉하는 곡면 형상의 접촉면을 가지며, 상기 슬라이딩부재의 표면과 상기 접촉면 사이에서 마찰력이 발생하도록 상기 슬라이딩부재와 상대 슬라이딩 가능하게 배치되는 베이스부재;를 구비하는 것을 특징으로 하는 사장교 케이블의 진동저감장치.
2. 제 1항에 있어서,

   상기 슬라이딩부재는 적어도 3개 구비되며,

   상기 베이스부재는 상기 각 슬라이딩부재에 대응되도록 상기 접촉면을 복수 구비하는 것을 특징으로 하는 사장교 케이블의 진동저감장치.
3. 제 1항에 있어서,

   상기 접촉면은 각각 열호(劣弧) 형상으로 이루어지며,

   상기 접촉면의 곡률중심은 상기 슬라이딩부재쪽에 배치되는 것을 특징으로 하는 사장교 케이블의 진동저감장치.

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