A Evaluation on Vibration Serviceability of Concrete Filled Steel BoxGirder Bridge

성후 강; 선준 박

doi:10.9798/KOSHAM.2016.16.3.331

Abstract

The subject of this study was a two-span continuous concrete-filled steel box girder bridge. The bridge surface vibration was quantitativelymeasured by driving a vehicle of which total weight was 267 kN. The vibrational effect was assessed focusing on pedestrianson the basis of the experimental results. A ‘concrete-filled steel box’ is prepared by filling concrete in a separate box inside theconventional steel box. In a continuous bridge, concrete is restrictedly filled in the internal part where a negative moment is generated. A vibration acceleration response prediction equation was proposed by using the acceleration response and the scaled-weightobtained from the experiment. The proposed equation may be used to preliminarily predict the paved surface vibration response of aconcrete-filled steel box girder bridge, though the applicable weight and speed of cars are partly limited. The vibration serviceabilitywas assessed by using acceleration conversion curve of the Reiher-Meister. When the driving velocity of the vehicle used in the experimentwas in the range of 10 km/h to 30 km/h, the vibration was in ‘Level E’where the pedestrians are unable to recognize vibration. When the velocity of the vehicle was in the range of 40 km/h to 60 km/h, the vibration was in ‘Levels D to E’ which are the appropriatelevels where the pedestrians do not feel uncomfortable, indicating that the bridge secured appropriate vibration serviceability.

Keywords: Concrete filled, Vibration serviceability, Scaled weight, Acceleration conversion curve

요지

본 연구에서는 2경간 연속 콘크리트 충전 강상자형 교량을 대상으로 차량 진동이 유발시키는 교면진동의 크기를 총중량 267 kN의 차량 주행실험으로 부터 정량적으로 평가하고 이를 이용하여 보행자 중심의 진동영향을 평가하였다. ‘콘크리트 충전 강상자형’은 기존의 강상자형 내부에 별도의 상자를 만들어 콘크리트를 충전하는 형태로써 연속교에서 부모멘트가 발생하는 내측지점 부에 제한적으로 적용된다. 진동 가속도 응답 추정식은 실험으로부터 얻어진 가속도 응답과 환산중량을 사용하여 제안하였다. 제안된 식은 차량의 중량과 주행속도 등이 제한적이지만 콘크리트 충전 강상자형 교량의 교면 진동응답을 우선 추정하는데 사용이 가능하다. Reiher-Meister의 가속도 변환곡선에 준하여 진동사용성을 평가한 결과 10 km/h~30 km/h의 주행속도 일때는 보행자가 인지하지 못하는 수준인 ‘Level E’로 나타났고 40 km/h~60 km/h의 주행속도 일 때는 ‘Level D~E’로 나타났다. ‘Level D~E’는 보행자에게 불쾌감을 유발하지 않는 적정한 수준의 진동사용성을 확보하고 있는 상태를 의미한다.

1. 서론

교량 상부구조의 핵심적인 역할을 하는 거더에 대한 연구가 활발하게 진행되면서 구조적으로 의미있는 가치를 갖는 새로운 형태의 거더가 실제 교량 구조물에 지속적으로 적용되고 있다. 전통적인 형태의 거더는 실제 구조물에 도입되어 사용된 이력에서부터 구조적 안정성, 내구성, 사용성 등의 장단점이 이미 규명되어 있다고 볼 수 있다. 그러나 최근 새로운 형태로 적용되고 있는 거더들은 구조적인 안전성은 확보하고 있으나 아직 사용년한이 짧아 내구성에 대한 검증이 미흡한실정이다. 더불어 진동에 대한 사용성 검증 부분이 해결되지 못하고 있다.

진동이 인체에 미치는 영향을 파악하기 위한 연구는 1935년부터 Reiher & Meister에 의해서 시작된 이후 많은 연구가 이루어져 왔다. 이들을 비롯한 많은 이들의 노력으로 국제표준기구 ISO에서 1974년 ISO 2631을 발표하였는데 ISO 2631에서는 트럭, 승용차 등이 발생시키는 진동이 사람에게 미치는 영향을 평가할 수 있도록 하였다.

우리나라에서 진동사용성에 관한 연구는 1990년대 이후 활발히 이루어지고 있다. Lee(1992)는 ‘진동이 인체에 미치는 영향’을 주제로 진동수와 진동지속시간이 사람에게 어떠한 영향을 주는지 연구하였다. Lee(2008)는 ‘강합성 상자형 교량에서 보행자가 받는 진동영향에 대한 연구’에서 차량의 주행속도와 교량경간수가 교량 보행자에게 미치는 영향에 대해 연구하였다.

이후로는 KICT(2000)에서 교량의 진동·처짐에 대한 사용성 측면에서 사용성 평가절차 수립에 대한 연구결과를 발표하였다. Ahn and Lee(2003)는 교량의 진동을 평가하는 방법과 진동 사용성 평가 기준을 제시하였다. Kang et al.(2008, 2011)은 각각 PSC거더 교량과 사장교의 진동 사용성 평가를통해 보행자의 진동인지 쾌감정도에 대하여 연구하였다.

본 연구에서는 기존 2경간 이상의 연속된 강상자형 교량의 효율성을 증대시킬 목적으로 부모멘트 발생구간에 제한적으로 콘크리트를 충전하여 부모멘트를 최소화하고 장경간화하기 위한 ‘콘크리트 충전 강상자형(Concrete Filled Steel Box Girder) 교량을 대상으로 차량 진동이 유발시키는 교면진동의 크기를 정량적으로 제시하고 이를 이용하여 보행자의 진동영향을 평가하고자 한다.

2. 문헌 연구 및 이론적 고찰

2.1 진동감각 허용곡선

Fig. 1에 제시된 Reiher-Meister의 허용곡선은 기존 진동 감각에 대한 가장 대표적인 연구결과이다. 이 기준은 열차 승객들이 인지하는 진동 수준을 평가하기 위한 목적으로 승객이 느끼는 진동 감각을 단계별로 분류한 후 도표로 제시한 것으로 객관성을 인정받고 있다.

Fig. 1

Allowable Curve of Reiher-Meister

Fig. 1의 Reiher-Meister 허용곡선은 피실험자 즉 승객이 느끼는 진동수준을 6단계로 구분하고 있다. 분류된 수준은 ‘진동을 느끼지 못함’에서부터 ‘매우 불쾌함’까지 ‘Level A~F’로 정의하고 있다. 이 허용곡선에서는 진동 응답은 조화진동형태라는 점에 착안하여, 이를 평가하기 위하여 진동수와 변위(Frequency-Displacement)의 관계를 이용하고 있다.

Fig. 1에 근거하여 교량 보행자에게 적용시킬 수 있도록 교면의 동적변위와 진동수를 분석한 후 Reiher-Meister 허용곡선과 비교하면 진동사용성을 평가할 수 있지만, 실제 모든 교량에서 신뢰성 있는 동적변위 응답을 얻어내는 것은 경우에 따라 쉽지 않다. 이에 반해 교량의 가속도 응답은 변위에 비해 상대적으로 쉽게 구할 수 있다. Ahn and Lee(2003)은 Fig. 1의 Reiher-Meister 곡선이 조화진동 형태의 감각 곡선이라는 점을 고려하여 변위를 가속도 값으로 변환한 후 Fig. 2와 같은 수정된 곡선을 제시하였다(Ahn and Lee, 2003).

Fig. 2

Acceleration Conversion Curve of Reiher-Meister

2.2 콘크리트 충전 강상자형

본 연구에서 의미하는 ‘콘크리트 충전 강상자형(Concrete Filled Steel Box Girder)’은 기존의 강상자형 내부에 별도의 상자를 만들어 콘크리트를 충전하는 형태이다. 즉, 상부플랜지, 복부판으로 구성된 강상자 사이에 내부 강상자를 만들고,내·외부 두 개의 상자공간을 콘크리트로 채워 구조적으로 일체가 되도록 하여 교량의 구조적 강성(Stiffness)을 증가시키게 된다.

콘크리트 충전은 연속교에서 부모멘트가 발생하는 내측지점 부에 제한적으로 적용된다.

2.3 환산중량

차량의 주행으로 교면(보도)에 발생하는 진동을 기준으로 보행자의 진동 사용성을 평가하기 위해서는 진동가속도 응답추정식이 일반화된 형태로 제시될 필요가 있다.

Park(2005)은 진동을 발생시키는 진동 에너지원인 차량의 중량과 차량의 주행속도를 ‘환산중량(SW: Scaled Weight)’이라는 용어를 사용하여 하나의 항으로 정의하였다. 환산중량은 Eq. (1)과 같이 정의된다.

(1)

SW = V · Wn

여기서 SW: 환산중량(km/h·kN), V: 주행속도(km/h), W: 차량중량(kN), n: 1/2 혹은 1/3.

환산중량은 건설진동에서 진동응답을 추정하기 위해 사용하는 환산거리(Scaled Distance)의 개념에서 도입되었다.

3. 진동가속도 응답 측정 실험

3.1 실험개요

본 연구 대상교량은 총 연장 90.0 m(45.0 m+45.0 m), 교폭은 왕복 2차로의 10 m, 1등급 도로교로써 콘크리트 충전형 2경간 연속 강상자형교이다. 콘크리트는 고정하중에 의한 부모멘트 구간인 내측지점을 중심으로 외측지점을 향해 각각 4.0 m씩 총 8.0 m가 충전되어있다. Fig. 3은 연구대상 교량의 전경이다.

Fig. 3

View of the Concrete Filled Steel Box

대상교량을 보행하는 보행자 중심의 진동 응답 특성을 분석하기 위해서 외측지점으로부터 16.7 m 떨어진 위치의 좌우 연석부에 transducer 타입의 가속도계(TEAC Co, 2 g) 2개를 각각 설치하였다(Fig. 4참조). 가속도계로부터 얻어진 진동가속도 응답은 국내의 KMC사에서 제작한 Wireless Transmitter와 Receiver를 통하여 컴퓨터에 저장하였다. 실험대상 교량은 공사가 종료된 상태였으나 아직 일반 차량의 통행은 허용되지 않은 상태로 실험을 위해 일반 차량 통제는 필요하지 않았다. 교면에 진동을 발생시킬 목적으로 사용된 주행 실험차량은 토사를 적재한 150 kN 3축 덤프트럭을 사용하였으며, 총 중량은 267 kN이였다.

Fig. 4

Accelerometer on the Bridge

3.2 실험방법

실험 차량의 주행속도에 따라 변화하는 교면의 진동가속도 응답을 계측하기 위하여 최소 10 km/h에서 최대 60 km/h까지 속도를 10 km/h 단위로 변화시켜 가면서 각각 3회씩 반복하여 총 18회 주행 실험하였다. 주행속도는 연구대상 교량의 교량 접속도로의 선형 등을 종합적으로 고려하여 결정하였다.

실제 실험대상교량의 교면은 아스팔트포장이며, 아직 차량들의 통행이 제한되어 포장 상태는 아주 양호하였다. 교면의 균열, 요철, 함몰 등으로 인한 예상치 못한 교면 충격은 거의 발생하지 않았다.

이러한 교면상태는 BMS(Bridge Management System)기준으로 A등급에 해당하는 수준으로 분류할 수 있다(KICT, 2001).

차량주행으로 인한 교량의 진동응답을 명확하게 측정하기 위하여 실험차량이 교량에 진동 영향을 미치기 시작하는 시점부터 교량을 벗어난 후에 나타나는 자유진동 부분까지 측정하였다.

실험차량은 교면의 차선과 상관없이 중앙부를 주행하도록 하여 교량 양측 연석부에 설치된 가속도계의 진동응답이 실험차량의 주행위치에 영향 받지 않도록 하였다. 연구대상 교량은 교축방향 대칭단면을 가지고 있어서 가속도계로부터 얻어진 응답을 동일한 조건의 응답으로 고려하는 것이 가능하였다.

3.3 실험결과 및 분석

총 18회 반복 주행실험을 통하여 얻어진 36개의 진동가속도 응답으로부터 진동가속도 최곳값과 탁월주파수를 Table 1에 정리하였다. 차량의 주행속도가 증가할수록 진동가속도 응답이 크게 발생하는 상관성은 보였으나 본 실험으로 부터는 유의미한 수치는 아니었다. 전체 실험결과 가운데 최곳값은 60 km/h 주행 시 0.030 m/s²으로 나타났으며 탁월진동수는 전반적으로 2.7 Hz 대역으로 분석되었다.

Table 1

Results of Acceleration Responses and Frequency by Driving Test

Velocity		Acc.1		Acc.2		Aver.
Velocity		Peak(m/s²)	Freg.(Hz)	Peak(m/s²)	Freg.(Hz)	Peak(m/s²)	Freg.(Hz)
10km/h	1	0.010	2.667	0.012	2.614	0.0103	2.649
	2	0.009	2.611	0.011	2.611
	3	0.008	2.645	0.009	2.667
20km/h	1	0.010	2.659	0.014	2.667	0.0113	2.677
	2	0.009	2.693	0.013	2.695
	3	0.007	2.727	0.011	2.722
30km/h	1	0.010	2.713	0.012	2.713	0.0107	2.708
	2	0.010	2.694	0.011	2.694
	3	0.010	2.699	0.011	2.699
40km/h	1	0.019	2.713	0.023	2.722	0.0212	2.715
	2	0.023	2.699	0.016	2.713
	3	0.020	2.713	0.026	2.713
50km/h	1	0.014	2.727	0.017	2.722	0.0148	2.723
	2	0.014	2.713	0.014	2.713
	3	0.014	2.722	0.016	2.722
60km/h	1	0.021	2.713	0.025	2.713	0.0227	2.715
	2	0.023	2.713	0.030	2.713
	3	0.017	2.727	0.018	2.727

Fig. 5(a), (b)는 실험으로부터 얻어진 계측자료 중 최곳값이 얻어진 60 km/h 주행에 따른 진동가속도 응답 시간이력과 해당 가속도 응답 시간이력을 주파수 분석한 결과이다.

Fig. 5

Testing Case : 60km/h

Fig. 6에는 실험으로부터 얻어진 Table 1에 근거하여 차량의 주행속도를 기준으로 실측된 진동가속도 응답치와 이들의 평균값들을 비교하였다. Fig. 6으로부터 전체적인 진동가속도 응답의 경향과 정량적인 비교가 가능하다. 차량의 주행속도가 증가할수록 진동가속도 응답이 증가하는 경향은 보이고 있으나 40 km/h 주행 시에는 50 km/h 주행 시 보다 큰 응답이 얻어지는 특이 현상을 보이고 있다. 이러한 원인은 차량 주행속도별 탁월진동수 분석결과와 실험 당시의 상황을 종합해 볼 때 40 km/h 주행 시 실험차량의 기어변속과 엔진회전수가 상대적으로 큰 진동을 발생시키는 요인으로 작용했다고 판단된다.

차량의 주행 속도별 진동가속도 응답 치의 평균치를 기준으로 진동가속도 응답을 추정할 수 있는 진동추정식을 Eq. (2)와 같이 제안하였다. Eq. (2)의 상관계수는 0.81로 얻어졌으나 차량의 중량, 노면상태 등이 고려되지 못하고 주행속도 만이 변수로 고려되어 있으므로 제안된 식을 사용하기 위해서는 각별한 주의가 필요하다.

Fig. 6

Simple Equation of Acceleration Response

(2)

Acc.(m/s2) = 2.371 × 10−4· Vel. + 0.0069

(단, 10≤Vel.≤70, W≤267)

여기서, Vel.: 차량의 주행속도(km/h), W: 차량 총중량(kN)

4. 진동추정식 및 진동사용성 평가

4.1 환산중량을 사용한 진동추정식

Eq. (2)에서 제안한 진동추정식의 한계를 극복하기 위하여 Eq. (1)에서 정의한 환산중량을 고려하였다. Table 1의 실험결과를 환산중량을 사용한 진동가속도 응답의 회귀분석이 가능하도록 하기 위하여 실험 경우의 수에 따라 삼승근의 형태로 Table 2에 정리하였다.

Table 2

Scaled Weight

Velocity (km/h)	Weight (kN)	Scaled Weight (V·W^1/3)
10	267	64.4
20	267	128.8
30	267	193.2
40	267	257.6
50	267	322.0
60	267	386.4

일반적으로 환산중량이 클수록 이승근을 사용하면 삼승근을 사용할 때에 비해 상대적으로 큰 진동응답을 추정하게 된다. 그러나 일반적인 차량의 주행속도와 중량 범위 내에서는 이승근을 사용하여 추정한 진동 응답이 삼승근을 사용하는 경우 보다 크게 얻어지는 한계점이 나타나지 않았다.

반복주행 횟수, 측정위치는 환산중량을 결정하는데 영향을 주지 않으며, 주행속도는 환산중량에 직접 영향을 미치기 때문에 이를 반영하였다.

Fig. 7은 환산중량과 진동가속도 응답들을 이용하여 회귀분석한 결과이며, 이를 근거로 진동추정식을 Eq. (3)과 같이 제안하였다. 상관계수(r)는 0.732로 얻어졌다. Eq. (3)은 본 실험조건과 유사한 환경에서 환산중량을 사용하여 교면의 진동가속도 응답을 추정하기 위해서 사용될 수 있다.

Fig. 7

Vibration Equation using Scaled Weight

(3)

Acc.(m/s2) = 1.353× 10−3SW0.443

(단, 50≤SW≤515)

여기서, SW: 환산중량(kN^1/3·km/h)

제안된 Eq. (3)에서는 환산중량의 적용범위를 별도로 제시하였다. 이는 본 연구에서 실험대상으로 고려한 환산중량에 근거하도록 하기 위함이며, 적재중량 150 kN 덤프트럭이 실제 주행가능한 속도와 최대적재 중량을 반영한 결과이다.

4.2 진동사용성 평가

콘크리트가 부분적으로 충전된 강상자형 교량의 진동 사용성 평가를 위해 보행자가 느끼는 진동 레벨을 수정된 Reiher-Meister의 가속도 허용곡선인 Fig. 8에 나타내었다. Fig. 8에서는 진동가속도 응답의 최곳값과 진동수를 기준으로 평가결과를 제시하였다.

Fig. 8

Evaluation by Acceleration Conversion curve of Reiher-Meister

현장주행실험(차량 총 중량 267 kN, 주행속도 60 km/h이하)에 의한 진동가속도 응답에 근거한 진동사용성을 평가한 결과 10 km/h~30 km/h의 주행속도 일때는 보행자가 인지하지 못하는 수준인 “Level E”로 나타났고 40 km/h~60 km/h의 주행속도 일 때는 “Level D~E”로 나타났다. “Level D~E”는 교량구조물로서 보행자에게 불쾌감을 유발하지 않는 적정한 수준의 진동사용성을 확보하고 있는 상태를 의미한다.

5. 결론

본 연구에서는 ‘콘크리트 충전 강상자형(Concrete Filled Steel Box Girder)’교량을 대상으로 차량 진동이 유발시키는 교면진동의 크기를 정량적으로 제시하고 이를 이용하여 보행자의 진동영향을 평가하였다.

환산중량을 사용하여 진동 가속도 응답 추정식을 Acc.(m/s²)=1.353×10^-3· SW^0.443으로 제시하였으며, 제안된 식은 차량의 중량과 주행속도 등이 제한적이지만 콘크리트 충전 강상자형 교량의 교면 진동응답을 우선 추정하는데 사용이 가능하다. Reiher-Meister의 가속도 변환곡선에 준하여 진동사용성을 평가한 결과 10 km/h~30 km/h의 주행속도 일때는 보행자가 인지하지 못하는 수준인 ‘Level E’로 나타났고 40 km/h~60km/h의 주행속도 일 때는 ‘Level D~E’로 나타났다. ‘Level D~E’는 보행자에게 불쾌감을 유발하지 않는 적정한 수준의 진동사용성을 확보하고 있는 상태를 의미한다. 본 연구에서는 제한적으로 실험차량의 주행속도만을 실험변수로 사용하였으나 보다 일반화된 진동사용성 평가를 위해서는 실험차량의 중량, 경간 수, 노면의 조도 등을 변수로 포함시키고, 시뮬레이션이 가능한 해석방법에 대한 연구가 추가되어야 할 것으로 판단된다.