기하학적 특성이 강사장교의 극한 거동에 미치는 영향

김승준(Kim, Seungjun),신도형(Shin, Do Hyoung),최병호(Choi, Byung Ho),강영종(Kang, Young Jong) 대한토목학회 2012 대한토목학회논문집 A Vol.32 No.6A

본 논문은 완성계 강사장교의 기하학적 특성이 극한 거동에 미치는 영향을 분석한다. 사장교는 구조형식의 특성에 따라 매우 효율적인 구조체로 알려져 있지만, 이러한 구조 특성에 따라 구조물의 극한 거동에 영향을 미치는 다양한 비선형성과 함께 복잡한 구조거동을 보인다. 본 연구에서는 거더 및 주탑의 단면 크기, 케이블 배치 형식 및 케이블 단면적 변화에 따른 완성계 강사장교의 극한 거동에 대해 다룬다. 선행연구를 통해 도출된 극한거동에 지배적인 활하중에 대해 각 인자의 변화에 대한 매개변수연구를 수행하였다. 활하중에 대한 완성계 사장교의 합리적인 해석을 위해 초기형상해석-활하중해석을 거치는 2단계 해석법을 통해 극한 해석을 수행하였다. 해석에 고려된 사장교 모델은 총 920.0 m의 지간장을 갖는 강사장교 이고 케이블 배치각도에 따른 거동분석을 위해 방사형 사장교와 팬 형 사장교 모델을 이용하였다. 본 해석 연구를 통해 각 기하학적 특성 인자 변화에 따른 완성계 강사장교의 극한거동 변화 특성을 도출하였다. This study presents the effects of various geometric properties on the ultimate behavior of steel cable-stayed bridges. In general, cable-stayed bridges are well known as a very efficient structural system, because of those geometric characteristics, but at the same time, the structure also shows complex structural behavior including various nonlinearities which significantly affect to the ultimate behavior of the structure. In this study, the effects of various geometric properties of main members on the ultimate behavior under specific live load cases, which had been studied in previous studies, were investigated using a rational analytical method. In this parametric study, sectional dimensions of main members were considered as main geometric parameters. For the rational ultimate analysis under specific live load cases, the 2-step analysis method, which contains initial shape analysis and live load analysis, was used. As the analysis model, 920.0 m long steel cable-stayed bridges were used and two different types of cable arrangement were considered to study the effect of the cable arrangement types. Through this study, the effects of various geometric properties on the characteristics of the ultimate behavior of steel cable-stayed bridges were intensively investigated.

완성계 강사장교의 극한 거동의 해석적 연구

김승준(Kim Seungjun),임석빈(Im Seok-Been),이기세(Lee Kee-Sei),강영종(Kang Young-Jong) 대한토목학회 2012 대한토목학회논문집 A Vol.32 No.2A

논문은 비선형 해석을 통한 완성계 강사장교의 극한 거동에 대해 다룬다. 사장교는 재료적 비선형성과 함께 다양한 기하학적 비선형성을 나타내므로 극한 거동을 명확히 규명하려면 반드시 합리적인 비선형해석이 수행되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 합리적인 극한 해석기법을 통해 활하중에 대한 강사장교의 주요한 극한거동을 규명하고자 하였다. 강사장교의 비선형 해석을 위하여 비선형 트러스 요소 및 비선형 프레임요소를 이용하였고, 강재의 재료적 비선형성을 효율적으로 고려하기 위해 개선소성힌지법을 이용하였다. 활하중에 대한 극한 거동을 합리적으 분석하기 위해 본 연구에서는 초기형상해석활하중 해석으로 이어지는 2단계 해석 기법을 통해 극한 해석을 수행하였다. 해석 모델은 총 지간장이 920.0 m 사장교를 이용하였고, 방사형 및 팬 형 사장교를 해석에 이용하였다. 극한 해석결과를 통해 얻은 하중-변위 곡선, 구조물 변형형상, 소성단면, 휨모멘트분포도 등을 분석하여 활하중에 대한 완성계 사장교의 주요한 극한 거동을 규명하였다. This paper presents an investigation on the ultimate behavior of steel cable-stayed bridges using nonlinear finite element analysis method. Cable-stayed bridges exhibit various geometric nonlinearities as well as material nonlinearities, so rational nonlinear finite element analysis should be performed for investigation of the ultimate behavior. In this study, ultimate behavior of steel cable-stayed bridges was studied using rational ultimate analysis method. Nonlinear equivalent truss element and nonlinear frame element were used for modeling the cable, girder and mast. Moreover, refined plastic hinge method was adopted for considering the material nonlinearity of steel members. In this study, the 2-step analysis method was used. Before live load analysis, initial shape analysis was performed in order to consider the dead load condition. For investigation of the ultimate behavior of steel cable-stayed bridges, analysis models which span length is 920.0 m were used. Radiation type and fan type were considered as the cable-arrangement types. With various quantitative evidences such as load-displacement curves, deformed shapes, locations of the yield point or region, bending moment distribution and so on, the ultimate behavior of steel cable-stayed bridges was investigated and described in this paper.

강사장교 비선형거동과 하모니 서치 알고리즘에 기반한 사장교 구성 단면 결정

마상수,권태윤,이원홍,안진희 한국구조물진단유지관리공학회 2024 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.28 No.4

In this study, a determination method of structural member section based on Nonlinear behaviors of steel cable-stayed bridges and the Harmony Search algorithm was presented. The Harmony Search algorithm determines the structural member section of cable-stayed bridges by repeating the process of setting the initial value, initializing the harmony memory, configuring the new harmony memory, and updating the harmony memory to search for the optimal value. The nonlinear initial shape analysis of a three-dimensional steel cable-stayed bridge was performed with the cross-section of the main member selected by the Harmony Search algorithm, and the optimal cross-section of the main members of the cable-stayed bridge, such as pylons, girders, cross-beams, and cables, reflecting the complex behavior characteristics and the nonlinearity of each member was determined in consideration of the initial tension and shape. The total weight was used as the objective function for determining the cross-section of the main member of the cable-stayed bridges, and the load resistance ability and serviceability based on the ultimate state design method were used as the restraint conditions. The width and height ratio of the girder and cross-section were considered additional restraint conditions. The optimal sections of the main members were made possible to be determined by considering the geometry and material nonlinearity of the pylons, girders, and cross-sections and the nonlinearity of the cable members. As a result of determining the optimal cross-section, it was confirmed that the proposed analysis method can determine the optimal cross-section according to the various constraint conditions of the cable-stayed bridge, and the structural member section of the cable-stayed bridge considering the nonlinearity can be determined through the Harmony Search algorithm. 본 연구에서는 강사장교의 비선형 거동과 하모니 서치 알고리즘에 기반한 사장교 부재 단면 결정 방법을 제시하였다. 하모니 서치알고리즘은 초기값 설정, 하모니 메모리 초기화, 새로운 하모니 메모리 구성 및 하모니 메모리 업데이트의 과정을 반복하여 최적값을 탐색함으로써 사장교 부재 단면을 결정한다. 하모니 서치 알고리즘으로 선정된 주요 부재 단면으로 3차원 강사장교의 비선형 초기형상해석을 수행하였으며, 초기장력과 형상을 고려하여 복잡한 거동특성과 각 부재의 비선형성을 반영한 사장교 주요 부재인 주탑, 보강거더, 가로보 및 케이블의최적 단면을 결정하였다. 사장교 주요 부재의 단면 결정을 위한 목적함수로는 전체 중량을 사용하였으며, 제약조건으로 한계상태설계법을 바탕으로 하중저항능력과 사용성에 대한 제약조건식 및 보강거더와 가로보 단면의 폭과 높이의 비율을 추가적인 제약조건으로 고려하고, 주탑, 보강거더 및 가로보의 기하 및 재료 비선형성과 케이블 부재의 비선형성에 따라 부재 단면을 결정할 수 있도록 하였다. 최적 단면 결정 결과, 제안한 해석 방법은 사장교의 다양한 설치조건에 따라 최적 단면을 결정할 수 있으며, 비선형성을 고려한 사장교 부재 단면제원을 하모니 서치 기법을 통하여 결정할 수 있음을 확인하였다.

Fiber 모델 요소를 이용한 곡선 강사장교의 극한 해석

이재석 ( Jae Seok Lee ),최규천 ( Kyu Chon Choi ) 충북대학교 건설기술연구소 2014 建設技術論文集 Vol.33 No.1

이 논문에서는 화이버(fiber) 모델 요소를 사용하여 곡선 강사장교의 비선형 거동 및 극한 거동을 해석하였다.곡선 강사장교는 곡선 형상으로 인하여 축력에 의한 기하학적 비선형 효과가 커지고 과재하될 경우 재료의 항복으로 인해 복잡한 거동을 보이면 따라서 이반 공간보 모덜에 근거한 상용 유한요서해석 프로그램으로 과화중에 따른 비선형 거동 해석을 정확히 수행하는 데는 한계가 있다. 이 논문에서는 강재 박스거더의 단면을 충분한 수의 화이버로 나누고 각 화이버에는 다른 재료성질을 정의할 수 있는 화이버 모덜에 근거한 비선형 해석 방법을 적용하였다. 실제 설계된 강사장교를 대상으로 이 논문에서 제시한 해석방법을 적용하면 해석한 결과와 타연구자의 해석 결과와 비교하였고 화이버 모덜에 근거한 비선형 해석 방법이 곡선 강사장교의 비선형 거동 및 극한거동을 잘 예측할 수 있음을 확인하였다. An adaptedness of the nonlinear analysis method based on fibered element to curved steel cable-stayed bridge is presented. The curved steel cable-stayed bridge exhibit very complex nonlinear behavior due to the geometric nonlineariry by large axial forces in the deck and nonlinear stress-strain relations of steel deck and cables. The usual 3D-beam elements in commercial structural analysis progreams have been known to be inefficient because they can not model varying material properties through the element sections under overload stages. In the proposed nethod, to trace varying material properties through the deck sections, steel deck sections are divided into fibers which can havedifferent material properties. To evaluate the applicability and exatness of the proposed analysis method, an actually designed curved steel cable-stayed bridge is analyzed and the results are compared with other analytical results. It is found that the fibered element-based nonlinear analysis method can trace the ultimate behavior as well as the nonlinear behavior of the curved steel cable-stayed bridge fairly well.

가상축력을 이용한 좌굴해석 및 HSB800 강재를 적용한 사장교에 대한 적용성 분석

최동호,유훈,권순길,임지훈,Choi, Dong Ho,Yoo, Hoon,Gwon, Sun Gil,Lim, Ji Hoon 한국강구조학회 2017 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.29 No.1

사장교의 부재별 임계좌굴하중 산정에는 일반적으로 시스템 좌굴해석이 사용된다. 그러나 기존의 시스템 좌굴해석은 압축력이 미소한 부재에 대하여 과도하게 긴 유효좌굴길이를 산정하는 문제점을 내포하고 있다. 본 연구에서는 가상축력을 이용하여 강사장교 부재의 유효좌굴길이를 합리적으로 결정할 수 있는 좌굴해석 방법을 제안하였다. 또한, 수정된 유효접선탄성계수를 이용한 개선된 비탄성 좌굴해석방법을 제시하였다. 제안방법을 예제 사장교 모델에 적용하여 해석결과를 기존의 좌굴해석 방법과 비교 검증하였다. 검증결과, 제안된 방법은 강사장교 거더와 주탑의 유효좌굴길이를 합리적으로 예측할 수 있었다. 그리고 거더와 주탑에 일반강재 대신 HSB800 강재를 적용하였을 경우, 가상축력을 고려하지 않은 제안된 비탄성 좌굴해석에서는 유효좌굴길이가 축력이 작은 부분에서 약간 감소하였으나, 가상축력을 적용한 제안된 비탄성 좌굴해석에서는 유효좌굴길이의 변화가 거의 나타나지 않았다. System buckling analysis is usually used to determine the critical buckling load in the buckling design of cable-stayed bridges. However, system buckling analysis may yield unexpectedly large effective lengths of the members subjected to a relatively small axial force. This paper proposes a new method to determine reasonable effective lengths of girder and tower members in steel cable-stayed bridges using fictitious axial forces. An improved inelastic buckling analysis with modified tangent modulus is also presented. The effective lengths of members in example bridges calculated using the proposed method are compared with those obtained using the conventional buckling analysis method. The proposed method provides much more resonable effective lengths of the members. When girder and tower members are built with HSB800 steel instead of conventional steel, the effective lengths of the members under a small axial force slightly decreases in the inelastic buckling analysis without fictitious axial forces, while the proposed method that considers fictitious axial forces provides almost no changes in such lengths.

다양한 케이블 요소를 이용한 강사장교의 극한강도 평가

송원근,이종우 한국구조물진단유지관리공학회 2006 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.10 No.5

본 논문에서는 다양한 형태의 케이블 요소들의 거동이 강사장교의 극한강도에 미치는 영향을 검토하였다. 연화소성힌지 모델을 사용한 극한강도 평가 시 보-기둥 부재의 기하학적 비선형은 안정함수를 사용하여 고려하였고 재료적 비선형성을 반영하기 위하여 CRC 접선계수와 포물선 함수를 사용하였다. 케이블 부재는 새그의 영향이 고려되었다. 연구 결과 등가탄성계수가 반영된 등가트러스 요소를 사용한 경우 강사장교의 극한강도가 케이블 요소 또는 현수선 요소를 사용하여 평가한 극한강도 보다 안전측으로 평가되었다. This paper deals with the influence of behavior of a variety of cable elements on the limit strength of steel cable-stayed bridges. The softening plastic-hinge model, which is represented in this study for the limit strength evaluation of the example bridge, considers both geometric and material nonlinearites. Geometric nonlinearity of beam-column members are accounted by using stability function, and material nonlinearity - by using CRC tangent modulus and parabolic function. Cable sag effect is considered for cable members. The result of this study shows that the limit strength of the example bridge using the equivalent of elasticity for truss straight elements is smaller than those using the cable or the catenary elements.

비선헝 비탄성 유한변위 해석 및 좌굴해석에 의한 강사장교의 극한강도 비교

김승억,최동호,마상수,송원근,Kim Sung-Eock,Choi Dong-Ho,Ma Sang-Soo,Song Weon-Keun 한국전산구조공학회 2005 한국전산구조공학회논문집 Vol.18 No.3

본 논문은 강사장교의 극한강도를 다루고 있다. 강사장교의 극한강도를 평가하기 위하여 비선형 비탄성 해석 접근법과 분기점 좌굴 고유치해석 접근법인 유효접선탄성계수$(E_f)$법을 사용하여 예제를 수행하였다. 이를 위하여 초기형상을 고려한 실용적인 비선형 비탄성 해석기법을 제시하였다. 초기형상 해석 시각 형상해석 단계마다 보-기둥 부재의 부재력 대신 개선된 구조물형상을 고려하였다. 보-기둥 부재의 기하학적 비선형은 안정함수를 사용하여 고려하였고, 재료적 비선형은 CRC 접선계수와 포물선 함수를 사용하여 고려하였다. 또한, 케이블 부재의 기하학적 비선형은 할선탄성계수 값을 사용하여 고려하였다. 본 연구에서 제안한 해석기법으로 예측된 하중-변위 곡선들이 다른 연구에 의한 결과들과 비교 검증 되었으며, 제시된 3차원 강사장교 모델들에 대하여 제안한 해석기법과 비탄성 좌굴해석을 사용하여 극한강도를 비교하였다. The study examines the limit strength for steel cable-stayed bridges. A case studies have been performed in order to evaluate the limit strength lot steel cable-stayed bridges using nonlinear inelastic analysis approach and bifurcation point instability analysis approach, effective tangent modulus $(E_f)$ method. To realize it, a practical nonlinear inelastic analysis condoling the initial shape is developed. In the initial shape analysis, updated structural configuration is introduced instead of initial member forces for beam-column members at every iterative step. Geometric and material nonlinearities of beam-column members are accounted by using stability function, and by using CRC tangent modulus and parabolic function, respectively Besides, geometric nonlinearity of cable members is accounted by using secant value of equivalent modulus of elasticity. The load-displacement relationships obtained by the proposed method are compared well with those given by other approaches. The limit strengths evaluated by the proposed nonlinear inelastic analysis for the proposed cable-stayed bridges with tee dimensional configuration compared with those by the inelastic bifurcation point instability analyses.

곡선 사장교의 풍하중을 고려한 횡방향 거동 해석

이재석,최규천 한국풍공학회 2005 한국풍공학회지 Vol.9 No.1

A study for the transverse behavior of the curved steel cable-stayed bridge and PSC cable-stayed bridge under the static wind load as well as dead load and cable forces is presented. To account for the nonlinear behaviors of the curved cable-stayed bridge, material and geometric nonlinearity and time-dependent properties of materials are considered. A cable-stayed bridge is modeled as an assemblage of frame elements consisting of concrete and steel fibers, prestressing tendon segments and three-dimensional curved cable elements. In order to investigate the effectiveness of auxiliary cables on the transverse behavior of the curved cable-stayed bridge, nonlinear analyses on the curved steel and PSC cable-stayed bridge erected with or without the auxiliary cables are carried out. In addition, nonlinear analyses on the transverse behavior of the bridge for the static wind load are carried out at each erection step of the bridge. The numerical results show that the transverse deflections and bending moments of the bridge deck during construction stages can be greater than those of the bridge after completion. Moreover, the auxiliary cables are found to be effective to reduce the transverse deflections and moments of the bridge deck whether the wind load is considered or not. 이 논문에서는 3차원 케이블 지지 프레임의 비선형 해석 프로그램을 이용하여 곡선 강사장교와 곡선 PSC 사장교를 대상으로 시공의 진행에 따른 사하중과 케이블 긴장력에 의한 횡방향 거동은 물론 시공 중의 각 단계에서 발생할 수 있는 풍하중에 의한 상판의 횡방향 거동과 임시 보조 케이블이 풍하중 거동에 미치는 영향을 검토하였다. 곡선 사장교의 비선형 거동을 정확히 예측하기 위하여 각 시공단계마다 재료의 비선형성과 기학적 비선형성은 물론 재료의 시간의존적 특성의 영향을 모두 고려한 비선형 해석을 하였다. 정적풍하중이 작용하는 곡선 사장교의 시공단계를 고려한 비선형 해석을 수행한 결과, 두 가지 형태의 사장교에서 시공 중에 풍하중에 의한 횡방향 거동이 시공이 완료된 후보다 불리한 경우가 있음을 확인하였으며 보조 케이블이 곡선 사장교의 횡방향 거동에 미치는 영향이 작지 않음을 알 수 있었다. 또한 풍하중을 고려할 경우에 과다한 횡방향 거동을 제어하기 위해서는 추가적인 보조 케이블의 설치가 필요할 수 있음을 확인하였다.

기하비선형 해석을 이용한 강사장교 초기형상 해석에 관한 연구

마상수 ( Ma Sang-soo ),안진희 ( Ahn Jin-hee ),신창건 ( Shin Chang-gun ),김상훈 ( Kim Sang-hun ) 한국구조물진단유지관리공학회 2021 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.25 No.1

본 연구에서는 비선형 해석을 이용한 강사장교의 초기형상해석 방법을 제시하였다. 강사장교 초기형상해석을 위하여 각 단계마다 개선된 구조형상을 고려한 기하학적 비선형 해석을 수행하였다. 보-기둥 부재는 안정함수가 사용되었으며, 케이블 새그(sag)로 인한 비선형성은 등가탄성계수를 사용하여 고려하였다. 모든 절점 변위 값의 합이 허용치를 만족하면 초기형상 해석이 종료되도록 하였다.

기하비선형 해석을 이용한 강사장교 초기형상 해석에 관한 연구

마상수 ( Ma Sang-soo ),안진희 ( Ahn Jin-hee ),신창건 ( Shin Chang-gun ),김상훈 ( Kim Sang-hun ) 한국구조물진단유지관리공학회 2021 한국구조물진단유지관리공학회 학술발표대회 논문집 Vol.25 No.1

본 연구에서는 비선형 해석을 이용한 강사장교의 초기형상해석 방법을 제시하였다. 강사장교 초기형상해석을 위하여 각 단계마다 개선된 구조형상을 고려한 기하학적 비선형 해석을 수행하였다. 보-기둥 부재는 안정함수가 사용되었으며, 케이블 새그(sag)로 인한 비선형성은 등가탄성계수를 사용하여 고려하였다. 모든 절점 변위 값의 합이 허용치를 만족하면 초기형상 해석이 종료되도록 하였다.