⦁요약

최근 고공조명탑(HMLTs)의 파괴로 기존 목록에서 이러한 구조물의 견고성에 대한 문제점이 제기되었다. 붕괴된 구조물 가운데 많은 구조물이 인접도로위나, 근방에 떨어질 때 자동차공공 안전성은 명백한 우려사항이다. 피로 파괴가 5년 이하로 사용되었던 파괴된 구조물 가운데 여러 구조물과 더불어, 베이스 플레이트와 기둥 용접부분, 핸드 홀(handhole, 기계나 장치의 수리를 위해 손만을 넣어서 작업하는 구멍) 상세, 앵커 로드(anchor rod, 그라운드 앵커에서 앵커 체와 구조물과의 고정부를 잇는 부재로 사용하는 강철막대)에서 발생했다. NCHRP 프로젝트 10-74의 목표는 HMLTs 피로 설계에 대한 합리적인 설계기준을 개발하는 결과를 가져오고, 바람으로 유발되는 하중의 조사를 통해서 HMLTs의 신뢰성을 증기시키는 것이다.

HMLTs의 현장 반응을 평가하기 위해서 장기 현장 모니터링이 수행되었는데, 특히 바람으로 유발되는 하중의 규모와 빈도를 이러한 구조물에서 경험했다. 데이터는 2년 과정 동안 계속 11개 HMLTs에서 수집되었다. 풍속 데이터와 응력 범위 히스토그램(histogram, 주어진 빈도분포의 자료를 도표로 나타내는 방법)데이터는 제안된 피로설계 하중에 대한 기초를 형성하면서, 각 HMLT를 준수했다. 무한 수명 설계를 위한 피로 한계 상태 하중의 개념을 조사했고, 적절한 것으로 밝혀졌다. 전형적인 50년 생애에 대한 히스토그램 데이터를 기반으로 추론한 결과 축적된 하중 주기의 총 수는 가장 흔한 HMLT 피로 상세에 대한 변함없는 진폭 피로한계에서 제한된 수의 주기를 초과할 것이라는 사실을 보여준다. 게다가, 준수된 응력 범위 히스토그램 데이터는 돌풍에서 오는 하중과 와류진동에서 오는 하중 간에 차이가 없다. 그러므로 조합 풍 영향의 개념이 소개되었다. 조합 풍 영향은 돌풍과 와류진동 영향을 함께 고려하며 피로 설계 하중에 대한 분리된 계산 필요성을 없앤다.

제안된 피로 설계 하중은 파괴의 결과를 고려한 새로운 주요 카테고리에 피로한계상태 하중을 포함한다. 피로한계상태 하중은 강재에 대한 수립된 내구 한계 1:10,000의 확률로 정지 압력 범위 하중 주기와 일치한다. 이 개념은 교량의 무한 피로 수명에 사용된 AASHTO LRFD 교량설계시방에서 피로 한계상태에 대해 사용된 피로트럭과 유사하다. 평균 풍속과 피로 하중 사이의 합리적인 관계 또한 국내 평균 위인 일관된 풍속을 드러내는 구조물의 신뢰성을 증가시키기 위해서 개발되었다. 제안된 주요 카테고리는 구조물의 파괴는 자동차공공성에 직접적인 위험을 제기하는 구조물의 신뢰성을 증가시키는 것이 목적이다. 간단히 말해서, 증가하고 있는 신뢰성 순서대로, HMLTs의 피로 설계를 위한 추천된 정지 압력 범위 값은 5.8, 6.5, 7.2 psf이다.

이 보고서에서 제시된 다른 연관 결과에는 수명을 현저하게 증가시킬 수 있거나 실질적인 하중을 감소시키는 진동완화의 효과, 심층 분석에 유용할 수 있는 HMLTs의 역학적 특성, 다면적 섹션을 둘러싼 흐름의 공기 역학적 특성, HMLTs의 피로 수명 평가를 위해 제안된 방식이 포함된다.

제1장

배경

1.1 문제점 서술

자동차공공성에 중요 구조물로서 종종 인식되지 않는다 해도, 고공조명탑(HMLTs)과 같은 보조 도로구조물은 효율적인 도로시스템을 구성하는 중요한 요소이다. 극한 상황이 발생하는 동안, HMLTs는 대중들의 안전운행에 크게 도움이 되며, 장기간 동안 이러한 구조물의 견고성능이 매끄러운 교통운영을 위해 중요함을 보여준다. 또한, 대부분의 HMLTs가 교통량이 높은 도로에 바로 인접하여 위치해 있다면, 운전자의 안전성에 미치는 붕괴의 충격은 명백하다. 불행하게도, 최근 이러한 구조물의 파괴로 기존의 HMLT 목록에 대해 견고성과 안전성에 관해서 문제점이 제기되었다.

대다수의 사례에서, 파괴는 하중으로 유발되는 피로의 결과였다. 피로 균열과 HMLTs의 전체 붕괴가 발생하였다. 관찰된 균열은 베이스 플레이트와 기둥 용접부분, 핸드 홀 상세, 앵커 로드는 덜 일반적이지만, 앵커 로드에서 일반적으로 발견되었다. 현장 관찰과 파괴된 HMLTs의 법과학적 연구에서는 이러한 구조물의 피로 수명에서 하나의 중요한 요소로서 바람으로 유발되는 진동을 지적했다. 자연풍은 돌풍에서 오는 역학적 하중으로 인해 큰 응력주기를 만들 수 있다. 와류진동과 같은 보다 복잡한 공기력 탄성현상 또한 피로 손상을 가져오는 것으로 알려져 있다. HMLTs에서 피로 손상을 일으키는 하중 적용의 규모나 빈도, 어느 것도 명백하게 이해되어 있지 않기 때문에, NCHRP 프로젝트 10-74에서 이러한 구조물의 안전설계를 위한 피로 하중을 정의하기 시작했다.

1.2 목적

여기에서 서술한 연구프로그램은 HMLTs 의 피로설계를 위해 사용할 현실적이고 실질적인 하중모델의 개발을 겨냥했다. 장기적인 현장 모니터링은 이러한 구조물에 의해 경험된 하중의 규모와 빈도 뿐 만 아니라 사용 중의 반응을 평가하기 위해 수행되었다. 추가적으로, 여러 HMLT 크기와 모양에 내재한 공기력 탄성특성을 더 잘 이해하기 위해 풍동과 역학적인 현장시험이 결합되었다. 주어진 축에 연관 있는 공기력 탄성의 특성을 가진 하중의 규모와 빈도를 결합한 것은 HMLTs의 피로 설계를 위한 현실적이고 합리적인 하중모델을 개발하는데 사용되었다.

이 보고서는 현장, 실험실, HMLTs의 피로 설계를 하는 동안 사용될 합리적인 기준을 개발하는데 사용되었던 분석적 연구결과를 제시하고 있다. 게다가, 피로하중을 보장하는 것이 관례에 적절하게 실행되었고, 관련된 주석이 있는 설계 방법론 및 도로표지, 루미나리에(luminaries, 전구를 이용한 조명 건축물 축제), 신호등에 대한 AASHTO 구조적 지주 표준 시방에 포함시키기 위한 표준 시방서가 또한 개발되었다. 요약하면, NCHRP 프로젝트 10-74의 목적은 현장시험, 실험실 풍동시험, 다음을 위한 분석적 연구를 통해서 수집된 데이터를 사용하는 것이었다.

1. HMLTs 피로 설계에서 사용할 하중 및 분석 기준 개발.

2. HMLTs에 대한 관련 주석이 있는 설계 방법론 및 시방서 개발.

3. 기존의 도로표지, 조명, 신호등에 대한 AASHTO 구조지지에 대한 표준 시방서 에 추천할 개정조항 준비.

연구팀에는 Purdue University 토목공학부의 Robert J. Connor 교수와 항공우주공학부의 Steven H. Collicott 교수가 포함되었다. Purdue University는 그 프로젝트에 책임을 맡은 책임연구원으로서 Connor 박사와 그 연구의 풍동시험 부분의 책임을 맡고 있는 공동 책임연구원으로서 Collicott 박사를 보유한 원도급업체이다. 그 연구팀의 다른 일원들은 Purdue University의 토목공학부 연구조교인 Allen M. DeShepper, 동 대학 대규모 토목공학연구를 위한 Bowen 실험연구소의 연구엔지니어

Ryan J. Sherman, 항공우주공학부의 연구조교 Jaime A. Ocampo등을 포함하고 있다.

1.3 주석 및 명명법

이 보고서를 통해서, ‘AASHTO 표지’는 도로표지, 조명에, 신호등을 위한 구조적 지주에 대한 표준 시방서(2009)을 참조하는데 사용된다. 도로교시방서가 참조되는 곳에서, 그것은 “AASHTO LRFD 교량설계시방서,” 또는 단순히 "AASHTO 교량시방서,” 또는 “AASHTO LRFD”로서 언급된다. 더구나, 이 보고서의 글은 AASHTO 표지는 도로표지, 조명, 신호등을 위한 구조적 지주에 대한 표준 시방서에서 사용된 용어 및 명명법과 일반적으로 일치한다. 예를 들면, 용어 불변진폭 피로한계(CAFL)은 AASHTO 교량표준시방서에서 사용하는 불변진폭 피로기준(CAFT)대신에 사용된다. “HMLT"는 지지구조와 조명 집합적으로 언급하기 위해 사용된다. 변 단면, 튜브 꼴, 강관지주 구조물은 일반적으로 지주(pole)라고 부른다.

결론 및 추천사항

4.1 결론

이 보고서에서 제시된 결과는 도로표지, 루미나리에, 신호등에 대한 AASHTO 구조적 지주 표준 시방서의 피로설계조항에 제안된 개정조항에 대한 근거이다. 풍하중, 역학적 반응, HMLTs의 피로분석을 실험적으로 조사한 결과가 다음과 같은 결론으로 요약된다.

1. AASHTO 표지에 대한 현판의 11.7.2장에서 주어진 0.5퍼센트의 감쇠비는 합리적인 통계학적 신뢰성 범위 내에서 HMLTs의 모드I진동에 적용될 수 있지만, 그것이 보다 높은 모드를 평가하는데 사용된다면 맞지 않는 결과를 낳을 것이다. HMLTs의 와류 유발 진동은 두 번째 및 세 번째 모드에서 발생하는 것으로 알려져 있다. 와류진동과 관계있는 하중을 계산하려는 어떤 노력으로 그에 맞춰 감쇠비를 조정해야 할 것이다. (제안된 시방서에서, 그러한 정보는 더 이상 요구

2. 평균 풍속 증가는 손상하중주기의 수에 있어서 증가를 일반적으로 초래한다.

응력범위분포의 규모는 증가하고 있는 주기와 함께 변하기 때문에 피로한계상태 압력범위 또한 증가하는 경향이 있다. 그러나 그 분포의 형태는 본질적으로 같은 상태이고, 피로설계(버페팅, 와류진동, 연관된 역학적 응답을 포함하는)를 위한 결과적인 효과적 압력범위는 변하지 않는다.

3. 와류 유발 진동의 완화는 주로 하중주기의 축적에 영향을 미친다. 이중 랩 로프 스트레이크 시험에서, 결과는 매일 축적된 응력주기의 수에 있어서 현저한 감소가 있었음을 보여주고 있지만, 상응하는 불변 진폭효과 피로응력범위와 피로 한계상태응력범위는 근본적으로 영향을 받지 않는다.

4. 무한생애설계는 HMLTs에 적합하다. 생애하중주기의 수는 AASHTO 표지 초기 버전 으로 설계된 버팀목에서 가장 흔한 HMLT 피로상세목록(즉, 카테고리 E)에 대한 불변 진폭 피로한계에서 한계 주기 수를 초과한다.

5. 정압 범위 값이 개발되었으며 HMLTs의 피로설계를 위해 추천되었고, 그 값은 연 간평균 풍속에 있어서 지리학적 변수와 실험적 데이터의 변수 모두를 설명한다.

제안된 정압 범위 값은 연간 평균 풍속 9, 11, 13 mph에 상대적으로 상응하는 5.8, 6.5, 7.2psf이다.

6. 정압 범위 값이 개발되었고 HMLTs의 피로평가를 위해 추천되었다. HMLT가 무한 생애를 얻을 수 있는지 여부를 결정하기 위해 사용된 그 압력범위는 피로한계상태 압력범위 5.8 psf이다. 주어진 HMLT 에 대한 유한 생애를 결정하는데 사용된 압력범위는 불변 진폭 효과적 압력범위인 1.3psf에 의해 합리적으로 제시될 수 있다. 두 값 모두 미국에서의 평균 연간 풍속 9mph에 근거한 것이다. 데이터는 더 크게 측정된 평균 풍속은 상응하는 불변 진폭 효과적 압력범위에 크게 영향을미치지 않는다.

7. 응력범위 주기빈도는 HMLTs의 피로평가를 위해 추천된다. 주기빈도 값은 연간 평균 풍속 8, 10, 12 mph에 상대적으로 상응하는 하루 당 9,500, 15,000, 23,000주기이다. 하루 당 7,000 주기의 주기빈도는 와류진동 대항하여 완화된 HMLTs를 위해 추천된다.

8. “lock-in"(고정화)현상의 일관성은 대개 버팀목의 배열 때문이다. 바람과 반대 방향을 마주하는 배열이 lock-in일 수도 있거나 아닐 수도 있지만, 정점의 바람을 안은 배열은 의심할 여지없이 모든 유형의 단면에 대해 하게 된다. 이것은 탁월풍을 향한 정점에 있는 버팀목은 고정화되는 경향이 더 많고 바람이 분리되는 위치 때문에 그 현상이 나타난다는 것을 의미한다. 흥미 있는 현상은 또한 12면의 모형에 더 많이 만연하는 것 같다. lock-in은 훨씬 더 타이트한 데이터 빈도 확산에 대해서 뿐 만 아니라 더 큰 범위의 직경에 대해서 발생했다. 이것은 16면의 모델이 원통형에 더 가깝기 때문에 반 직관적인 것 같아서 연구자는 그것이 더 일률적인 응답을 나타낼 것이라고 기대했다. 지금까지 lock-in은 5피트 모델에 18인치까지 또는 풍동 모델의 직경의 약 25퍼센트로 확인되었다. 이것이 움직이고 있는 전 모델만이 아니라는 것을 확인하기 위해서, 9 스팬 와이즈 인치의 대역폭만이 lock-in인 곳을 시험하는 시험이 또한 있다. 이 보고서가 완료되기 전에 고정된 마운트(진동이나 충격 흡수장치)가 시험되지 않았기 때문에 심화연구를 통해서 이것이 18인치 이상일 것이라는 것을 증명할 수 있다.

4.2 제시된 연구

이 연구의 결과를 근거로, 다음의 토픽이 미래 연구를 위해 제시된다.

1. HMLT 조명의 풍동시험- 효과적인 프로젝트 영역(EPA)의 합리적인 값을 결 정하기 위해 그리고/또는 설계를 위해 사용될 계수를 끌어내기 위해서 산업에서 흔하게 사용되는 조명에 조립품의 풍동시험 수행. 설계 공동체 내에서, 조명의 공기역학적 특성에 대해서, 특히 인접지지시스템이 있는 개별적인 조명요소의 상호작용에 대해서 알려진 것은 거의 없다.

2. 흔히 사용된 완화장치의 효과성 조사- 완화는 와류 유발 진동을 감소시키고 HMLTs의 피로수명을 증가시키는 효과적인 수단일 수 있다. 와류의 형성을 방해 하거나 추가적인 감쇠를 제공할 수 있는 많은 유형의 장치들이 존재한다. 그러나 현재 그들의 효과성과 새로운 장대의 설계에 대한 영향은 잘 이해되지 않는다.

3. 대규모 진폭 진동의 원인이 되는 현상들 조사- 피로수명을 현저하게 감소시킬 수 있는 보통의 풍속에서 HMLTs는 대규모 역학적 진동을 경험할 수 있다는 것을 보여주는 증거가 존재한다. 1:10,000의 확률을 초과하는 이러한 사건은 매우 드문 것 같지만, 붕괴나 엄청난 균열을 초래하는 저 사이클 피로거동의 원인일 수도 있다.