교량과 진동1
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진동에 관한 기초수업을 들었더라면 그 피해에 관련된 사고의 예로 ‘Tacoma bridge’의 붕괴동영상을 본 적이 있을 것이다. 어쩌면 가장 큰 사고의 예로 꼽을 수 있고 피로파괴가 진동이 차지하는 비중이 크므로 숨기고 싶지만 성수대교 붕괴도 비슷한 예라고 할 수 있겠다. 교량은 거대한 구조물로서 분명히 고유주파수를 가지고 있으며 따라서 분명히 붕괴될 수 있다. 공진을 일으키는 가진원만 제대로 주어진다면 …
교량과 진동에 관련한 시작
일반적인 교량의 고유진동주파수는 1~3Hz내외로서 이 특성은 교량의 전체길이, 형태(사장교, 현수교, 일반교량), 교각의 길이, 상판의 단면이나 재질 등에 따라 다르지만 타코마 다리처럼 그 특성을 건드리면 큰 반응(공진)을 나타낸다. 피해는 girder(주지지보)의 탈락, pier(교각)의 파괴, 기초의 침하를 말한다.
우선, 대량교량은 과거의 설계처럼 지상에서 가장 무거운 이동물체인 탱크를 상판에 두어 지탱하는 구조를 설계하는 등 더 이상 정하중(최고하중에 안전율을 고려한)만을 지지한 형태로 설계하지 않는다. 즉, 동하중을 감안하여 설계하는데 이 동하중은 풍(0.5~2Hz), 지진(0.5~2hz), 차량(~5Hz)을 대표적으로 들 수 있다. 아시다시피 타코마 다리나 2015년대의 이순신대교의 횡 및 비틀림 요동은 모두 풍하중(wind)과 관련이 있으며 성수대교는 차량과 관련이 있다고 하겠으며 일본 동경의 교량침하현상은 지진과 관련이 있다.
먼저 풍하중에 의한 진동을 조금 더 살펴보면 비틀림(torsional), vortex shedding, buffeting, galloping, flutter의 형태를 띤다. 문제는 반복이고 또한 공진인데 교량의 고유주파수와 아주 근처에 인접할 수 있고 광대역의 가진원의 역할을 할 수 있겠다. 따라서 교량설계를 보완해야 하는데 예를 들어 강하게 설계하거나 피해서 설계하는 두 가지 방법이 있을 수 있다. 대체로 풍하중을 유선형 단면설계나 기계적 면진(TMD, Tuned Mass Damping), 또는 납이나 고무를 통한 감쇠(Damping)로 인한 대책을 세울 수 있다.
키워드
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교량, 타코마 다리, 진동, TMD, 면진, 내진
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