교량 내풍 설계기준(케이블교량)

(1)

(1) 이 장은 케이블 교량의 내풍설계에 적용한다.

∙KDS 24 10 12 교량설계 일반사항(케이블교량)

∙KDS 24 12 12 교량 설계하중조합(케이블교량)

∙갤로핑: 바람의 직각방향으로 큰 진폭을 발생시키는 1자유도 불안정 현상

∙기본풍속: 지표조도구분 Ⅱ인 개활지에서 지상 10m 높이에서의 10분 평균 풍속

∙버페팅: 난류의 변동 성분에 의한 강제 진동 현상

∙

∙와류진동: 교량 주변에서 발생하는 와류가 교량의 고유주기와 일치할 때 발생하는 현상으로, 진폭이 발산하지 않고 일정하여 사용성과 피로 문제를 발생시키는 진동

∙

∙플러터: 비정상공기력의 작용에 의한 발산진동

∙한계풍속: 발산진동(플러터, 갤로핑 등)의 검토를 위한 풍속

∙ = 대표길이(m) (4.3.1)

∙ = 항력계수 (4.3.1)

∙ = 안전계수 (4.2.4)

∙ = 고도 및 조도 보정계수 (4.2.1)

∙ = 케이블 직경(m) (4.8.2.1, 4.8.2.2)

∙ = 거스트계수 (4.3.1)

∙ = 주탑 높이 (4.2.1)

∙ = 교량 상부구조 높이 (4.2.1)

∙ = 난류강도 (4.2.5)

∙ = 교량 최대지간 (4.2.1)

∙ = 케이블의 단위길이당 질량(kg/m) (4.8.2.2)

∙ = 사용기간(년) (4.2.1, 4.2.3)

∙ = 와류생성진동수(Hz) (4.8.2.1)

∙ = 단위길이당 정적풍하중 (4.3.1)

∙ = 비초과확률 (4.2.1, 4.2.3)

∙ = 스크루톤 수(Scruton number) (4.8.2.2)

∙ = 스트로할 수(Strouhal number) (4.8.2.1)

∙ = 재현주기(년) (4.2.1, 4.2.3)

∙ = 풍속(m/s) (4.8.2.1)

∙u = 난류의 기류방향 (4.2.5)

∙ = 재현주기 년에 해당하는 기본풍속 (4.2.1, 4.2.2)

∙ = 시공기준풍속(m/s) (4.2.3, 4.2.4)

∙ = 한계풍속(m/s) (4.2.4)

∙ = 설계기준풍속(m/s) (4.2.2, 4.2.4, 4.3.1)

∙ = 설계 또는 시공기준풍속 (4.2.4)

∙ = 평균풍속 (4.2.5)

∙v = 난류의 수평방향 (4.2.5)

∙w = 난류의 수직방향 (4.2.5)

∙ = 고도 (4.2.1, 4.2.5, 4.3.1)

∙ = 지표조도길이(m) (4.2.1, 4.2.5)

∙ = 대기 경계층 최소높이(m) (4.2.1, 4.2.5)

∙ = 경도풍 고도(m) (4.2.1)

∙ = 지표조도계수 (4.2.1, 4.2.5)

∙ = 동점성계수(15×10

∙ = 케이블의 구조감쇠비

∙ = 공기밀도(1.225kg/m

∙ = 변동성분의 표준편차 (4.2.5)

∙ = 케이블의 구조감쇠비 (4.8.2.2)

(1) 내용 없음

(1) 내용 없음

(1)

(2)

(3)

(4)풍공학적으로 취약한 구조를 가지는 특수 교량은 풍동실험을 수행하여야 한다.

(5)특히 피뢰설비 등이 설치된 경우에는 이에 대한 영향을 검토하여야 한다.

(1)케이블교량의 내풍안정성은 적절한 절차를 거쳐서 검토하여야 한다. 여기에는 현지

(1)바람에 의한 각종 진동(와류진동, 플러터, 갤로핑, 버페팅, 간섭효과 등)이 교량이나

(1)

(4.2-1)

(2)

(3)

(4)관측 풍속계 설치 높이의 보정은 식 (4.2-2)에 의해 풍속계 설치 고도 에서의 관측

(4.2-2)

(5)

(4.2-3)

(6)

(7)태풍시뮬레이션 기법은 국제적으로 공인된 과거 태풍의 경로, 중심기압 등의 자료를 이용하여야 하며, 대상 교량 가설 지역을 중심으로 합당한 영역을 설정하여 해당 영역으로의 태풍 진입율, 중심기압, 이동속도, 이동방향, 최대풍속반경 등에 대한 통계적 모형을 포함하여야 한다.

(1)설계기준풍속 는 대상 지역의 기본풍속과 교량의 고도, 주변의 지형과 환경 등을 고려하여 합리적인 방법으로 결정한다.

(2)

(3)

(1)교량의 공사기간 동안에 필요 시 별도의 시공기준풍속 를 정하여 시공 중 발생할 수 있는 문제를 검토할 수 있다. 케이블 교량의 시공기준풍속은 공사기간 동안 최대풍속의 비초과확률 60%에 해당하는 재현주기의 풍속을 교량의 고도, 주변 지형 등을 고려하여 보정한 10분 평균 풍속이다. 이 때 고도 보정에는 이 기준 식 (4.2-2)를 사용할 수 있다. 한편 비초과확률 , 사용기간 , 재현주기 의 관계는 이 기준 식 (4.2-1)을 사용할 수 있다.

(2)시공기준풍속은 시공 중인 교량뿐만 아니라 가설구조물을 포함한 공사현장 임시구조물의 설계에도 사용될 수 있다.

(3)

(1) 한계풍속은 발산진동(플러터, 갤로핑 등)의 검토를 위한 풍속으로 다음과 같다.

(4.2-4)

여기서,

= 설계 또는 시공기준풍속

= 안전계수

(2)완성계에 대해서 기준풍속은 설계기준풍속 를 사용하고, 시공 중에 대해서 기준풍속은 시공기준풍속 를 사용한다. 안전계수 는 1.3 이상을 적용한다.

(1)

(2)다만, 실측이 여의치 않으면 아래의 값을 사용할 수 있다. 즉, 고도 에서 난류의 기

(4.2-5)

(3)고도에 따른 기류방향 난류강도 는 식 (4.2-6)을 사용하여 산정 할 수 있다. 이 때

m (4.2-6)

(4)수평방향() 및 수직방향()의 난류강도는 각각 식 (4.2-7)의 값을 사용할 수 있다.

(4.2-7)

(5)

(1)케이블 교량에 작용하는 기류방향 단위길이당 정적 풍하중은 식 (4.3-1)에 의하여 구한다.

(4.3-1)

여기서,

= 공기밀도(1.225kg/m

= 설계기준풍속

= 항력계수

= 거스트계수

= 대표길이(m) : 보강거더의 경우 교폭 또는 높이(m)

(2)

(4.3-2)

(3)보강거더에 작용하는 교축방향 풍하중은 일반적으로 재하하지 않지만, 트러스와 같이 구조계의 특성상 영향이 클 것으로 판단되면 교축직각방향 풍하중의 25%를 재하할 수 있다.

(1)

(1)바람에 의한 각종 진동(와류진동, 플러터, 갤로핑, 버페팅, 간섭효과 등)이 교량이나 교량 부재의 성능에 해로운 영향을 끼쳐서는 안 된다.

(1)와류에 의한 교량의 응답은 풍동실험이나 널리 알려진 수학적인 해석모델을 사용하여 추정할 수 있으며, 이를 바탕으로 피로문제를 포함한 구조적인 검토를 해야 한다.

(2)와류진동의 발생 풍속과 진폭은 단면 형상에 따라 민감하므로 풍동실험을 통하여 추정해야 한다. 특히 와류진동은 난류특성과 구조감쇠비에 따라 응답의 크기가 매우 달라지므로, 현장 여건을 고려하여 적절한 난류를 구현해야 한다.

(3)시공 중 진동 검토 시, 전체 구조계에 영향을 미치는 임시 가설구조물의 영향을 고려해야 한다.

(1)완성계와 시공 중인 교량에서 동적 불안정현상(플러터, 갤로핑 등)의 발생 풍속은 이 기준 식 (4.2-4)의 한계풍속보다 커야 한다.

(1)교량의 세장 부재에서 독립적인 국부 진동이 발생할 수 있으므로 이에 대해서 충분히 안전하도록 설계해야 한다.

(1)난류에 의한 교량의 응답은 풍동실험이나 널리 알려진 수학적인 해석모델을 사용하여 추정할 수 있으며, 이를 바탕으로 피로문제를 포함한 구조적인 검토를 해야 한다. 자연적인 난류에 의한 버페팅 진동은 완전히 억제할 수 없으나, 단면 형상이나 구조 특성을 개선하여 난류에 의한 응답을 줄이도록 설계해야 한다.

(2)버페팅 응답은 난류 특성에 따라 매우 달라질 수 있으므로 현장 여건을 고려하여 적절한 난류를 구현해야 하며, 가능하면 현장에서 관측한 값을 사용하도록 추천한다.

(3)풍속, 풍향, 응력의 발생빈도를 고려한 확률론적인 방법을 사용하여 교량 설계수명 동안의 버페팅 진동에 대한 피로를 검토해야 한다.

(4)시공단계 검토 시, 전체 구조계에 영향을 미치는 임시 가설구조물의 영향을 고려해야 한다.

(1)교량 설계를 위한 동적 풍하중은 풍동실험에서 측정한 공기역학적 자료를 바탕으로 널리 알려진 수학적인 해석모델을 사용하여 산정하여야 한다.

(1)동적 풍하중에 의한 교량의 설계 감쇠비는 구조 형식, 재료, 형상 등을 고려하여 합리적인 방법으로 산정해야 한다.

(1)풍동실험은 부분모형실험과 전교모형실험 등이 있으며, 시공단계를 고려하여 완성계까지 일부 또는 전부를 상사법칙 또는 수학적 모델에 의하여 축소한 모형에 대하여 수행한다.

(1)

(1)내풍설계를 위한 한계상태설계 개념은 KDS 24 10 12(4.1.5)를 따르는 것으로 하고, 극한한계상태와 사용한계상태에 대한 기준을 만족하여야 한다.

(1)내풍설계 시 KDS 24 12 12(4.1.1.1)의 극한한계상태 하중조합 Ⅲ, Ⅴ, Ⅵ을 고려하여야 한다.

(2)극한한계상태 하중조합 Ⅲ은 설계기준풍속을 적용하여 풍하중을 산정하고 구조물에 작용하는 풍하중계수는 1.7을 적용한다.

(3)극한한계상태 하중조합 Ⅴ는 교면상 차량통행제한풍속의 바람이 불고 있는 상태에서 운행하는 차량에 대하여 교량의 구조안전성을 검토하기 위한 하중조합으로서 차량통

(4)극한한계상태 하중조합 Ⅵ은 파랑하중을 고려하는 하중조합으로서 설계기준풍속을 적용하며 구조물에 작용하는 풍하중계수는 1.0을 적용한다.

(1)교량의 사용성은 KDS 24 12 12(4.1.1.3)의 사용한계상태 하중조합 Ⅰ 및 Ⅳ에 대하여 검토하여야 한다.

(2)사용한계상태 하중조합 Ⅰ은 교면상 차량통행제한풍속의 바람이 불고 있는 상태에서 운행하는 차량에 대하여 교량의 사용성을 검토하기 위한 하중조합으로서 차량통행제한풍속에 상당하는 풍하중을 적용하며 구조물에 작용하는 풍하중계수 1.0과 차량에 작용하는 풍하중계수 1.0을 적용한다.

(3)사용한계상태 하중조합 Ⅳ는 프리스트레스 콘크리트 하부구조의 수평 풍하중에 대한 교량의 사용성을 검증하기 위한 하중조합으로서 설계기준풍속을 적용하며 구조물에 작용하는 풍하중계수는 0.6을 적용한다.

(4)바람에 의하여 교량의 보강거더, 주탑, 사장재, 행어 등에서 주목할만한 진동이 발생

(1)

(1)교량의 케이블은 설계 단계부터 버페팅, 와류진동, 풍우진동, 갤로핑 그리고 주탑이나 인접 케이블에 의한 웨이크 갤로핑과 같은 바람에 의한 진동 발생 가능성을 충분히 검토하여야 한다.

(1)

(4.8-1)

여기서,

= 풍속(m/s)

= 와류생성진동수(Hz)

= 케이블 직경(m)

= 스트로할 수(Strouhal number)

원형케이블의 경우, 스트로할 수는 다음 조건에 따라서 사용한다.

① 바람에 대해 직각 방향으로 배치된 케이블 : 0.20

② 바람에 대해 경사지게 배치된 케이블 : 0.15

(1)풍우진동은 경사 케이블에서 발생할 수 있으며, 대진폭의 진동이 발생할 수 있으므로 기준풍속 내에서 진동이 발생하지 않도록 검토하여야 한다. 풍우진동에 대한 안정조건은 스크루톤 수(, Scruton number)로 검토하게 되는데, 풍우진동을 억제하기 위한 최소 스크루톤 수는 다음과 같다.

, 일반 케이블 (4.8-2)

, 표면처리가 된 케이블 (4.8-3)

여기서,

= 케이블의 단위길이당 질량(kg/m)

= 케이블의 구조감쇠비

= 공기밀도(kg/m

(1)갤로핑은 경사 케이블에서 발생할 수 있으며, 대진폭의 진동이 발생할 수 있으므로 기준풍속 내에서 진동이 발생하지 않도록 검토하여야 한다.

(1)버페팅은 행어나 경사 케이블에서 발생할 수 있으며, 케이블의 버페팅 현상 자체는 진폭이 작아 피로문제 등을 발생시키지는 않지만, 이로 인한 영향에 대해서는 검토할 필요가 있다.

(1)교량의 케이블은 교량 설계 단계부터 주탑이나 보강거더의 진동에 의한 지점가진 진동에 대해 발생 가능성을 충분히 검토하여야 한다.

(1)이 기준 4.8.2와 이 기준 4.8.3에 의한 검토 결과, 케이블의 진동 가능성이 우려되는 경우에는 진동저감방안을 수립하여 설계에 반영하여야 한다.

(2)시공 중 또는 완공 후 예상치 못한 케이블 진동에 대해서도 항상 주의하여야 한다.

(1)공기역학적 진동저감 방법을 사용할 경우에는 풍동실험을 통하여 그 효과가 검증된 방법이어야 한다.

(1)케이블의 감쇠 증가를 위해 케이블 댐퍼 설계 시 타당한 방법으로 검증된 케이블 자체감쇠, 공기역학적 감쇠 등의 추가적인 감쇠효과를 고려할 수 있다. 다만, 댐퍼 설치 후 현장실험에 의한 검증을 실시하여야 한다.

(1)케이블의 진동수 및 감쇠비 증가를 위해 보조케이블 설치 시, 주 케이블 및 보조 케이블 각 부분에 발생하는 응력 집중과 유지관리에 대해 충분히 검토하여 설계하여야 한다.

(1)

(2)와류진동 및 지점가진과 같이 반복횟수가 많은 진동현상에 대해서는 피로검토를 수행하여야 한다. 피로현상에 대한 안정성 확보하기 위해, 보강거더 높이에서 10분 평균풍