-요약

사장케이블 1:1규모의 단면 모델에 대한 실험이 캐나다 국립 연구 협의회(NRC-IAR), 항공 우주 연구소에서 3x6m크기 바람추진과 결빙 풍동에 대해 수행되었다. 실험의 목적은 바람에 기인한 가진의 응답을 모니터하고 사장 케이블의 표면에 나선형 필렛을 추가한 효과를 연구하는 것 이었다

실험은 교량건설 현장으로부터 입수한 고밀도 폴리에틸렌으로 피복된 철심(HDPE)케이블로 0.162m 직경을 갖는 6.7 m 길이의 단면 모델로 수행되었다. 2.3x2.4mm의 장방형의 단면 그리고 45°의 오른손 나선 각도을 가진 두 평행한 나선 필렛을 표면에 접착하였다. 나선형 필렛의 형상은 비 / 바람에 의한 진동을 완화하기위해 현재 장대사장교의 사장 케이블에 사용되는 것을 표현하기 위해 선택된 것 이었다.

단면 모델은 허용하는 양방향 1.4 Hz의 주파수에서 모델에 횡단과 종단 바람 진동을 허용하는 8개의 스프링 현수장비에 장착되었다. 전체 스프링 질량은 406kg이고, 현수 장비의 고유 구조 감쇠는 시험동안 관측된 진동진폭에 대한 임계감쇠의 0.07과 0.15% 사이로 낮았다. 모델의 주변에 동요하는 표면 압력의 동시 측정과 그 상황에서 응답은 총 임계범위 숫자(Re=레이놀드수)43,000

풍동 조사는 나선 필렛을 가지는 층류에서 60과 45도 경사에서, 나선 필렛이 있을 때와 없을 때 난류의 60도 경사, 나선형 필렛없이 층류 흐름에서 60도 경사의 경우로 케이블 모델을 시험하였다, 이 시험은 종축에 대해 케이블 모델의 여러 방향으로 실시하였다.

실험은 흐름에 60도 각도로 기울어진 나선형 필렛을 가지는 사장 케이블이 구조감쇠가 낮기 때문에 층 난류흐름에서 바람에 기인한 큰 진폭을 가지는 진동을 체험할 수 있는 것으로 나타났다. 관찰된 진동은 자체 제한 내에 있는 것으로 나타났고 구조적 감쇠 증가로 완화 될 수 있었다. 나선형 필렛을 가지는 케이블 모델이 매끄러운 케이블에 대한 만큼 거의 같은 공기마찰저항 위기를 체험했다. 실험은 또한 진동의 원인으로서 공기 역학력이 종축에 대한 케이블 모델의 회전에 민감함을 나타내었다. 매끄러운 케이블 모델의 외경치수는 케이블 모델의 공기 역학에 영향을 끼치기에 충분함을 나타내는 평균직경의 1 %에 상당하는 최대 편심비를 보였고 나선 필렛을 가지는 경우도 같았다.

1장 개요

나선형 필렛을 브리스톨과 스타방 게르 대학협동으로 캐나다 국립 연구 협의회(NRC-IAR)가 3x6m크기로 바람추진과 결빙 풍동에 있어 시험연구를 수행하기위해 위임 받았다. 사장교의 전형적인 HDPE관과 나선형 필렛을 피복한 사장케이블의 공기역학적 성질을 조사하는 것이 이 프로젝트로 시작되었다.

조사는 2단계로 구분되었으며 1단계로 케이블의 공기역학적 안정성으로 수평에서 60 °경사까지 나선형 피복 케이블에 대해 연구하였고, 2단계에서 다른 케이블에 대하여 45, 60 °를 대상으로 하였다. 층 난류에 대해 케이블의 진동조건을 시험하였다. 현수시험은 2011년 5월 2일에서 2011년 6월 24일까지 이루어졌다. 두 경우 테스트에 대한 조사의 주요결과가 이보고서에 수록되어 있다.

2장 실험조건

-전형적인 사장 케이블

지난 20년간 구조기술자와 건축가가 다양한 상황에 대해 사장교의 사용을 제안해왔다. 켄티레버나 아치교가 고려되어온 중간지간을 가지는 광폭도로나, 단지 현수교가 전통적으로 고려되어온 장지간에서도 사장교는 보다 경제적이고 실질적인 해법으로서 건설 중에 있다. 혁신적인 구조설계와 제조기술이 촉진되고 있다. 예로서 현대 사장교의 대다수가 기본비용과 시간이 절약되면 공장에서 사전 제작하여 대형코일 상태로 현장에 운반되도록 제안함으로서 직접 건설 현장에서 제조되는 사장 케이블을 사용한다.

전형적인 원위치 제조 사장 케이블은 하나씩 HDPE관을 통과해서 만들어지고 소정의 장력으로 상판과 주탑에 앙카링한 평행 강선 케이블의 다발로 만들어진다. 각 다발은 폴리에틸렌 쉬스로 피복되고 5~7개의 강선으로 구성된다. 외경 16cm의 사장 케이블은 단위 길이당 질량 60~80kg/m의 질량을 가질 것이며 약 45~55개 강 케이블로 구성될 것이다. 사장재 표면적의 약 50~60%가 강이며 나머지 40~50%가 폴리에틸렌, 공기, 그리스, 왁스 또는 콘크리트 모르터이다.

HDPE 관은 세 가지 주요 목적이 있다 : (1) 공기 저항 감소, (2) 부식 보호, (3) 미관이다. 그러나 바람의 영향을 받는 몇 가지 단점을 가지고 있다.

매끄러운 HDPE 관으로 피복된 사장케이블의 바람에 기인하는 진동에 증가 민감도를 완화하기위해 세가지 접근 방법이 사용되고 있다:

？ 사장재의 구조적 진동감쇠

？ 비/바람 유발 진동을 예방하고 수로 형성을 차단하더록 HDPE 관의 표면을 변경하는 것

？ 사장재 사이에 로프 또는 받침 사용 등.

-모델 특성

동일 풍동시설로서 NRC-IAR에서 2001 년과 2008 년에 두 번의 1:1규모 연구를 위해 사용한 케이블 모델을 본 연구에 재사용하였다.

-현수 시스템

동일시험 시설로서 경사케이블이 있는 두 예전 시험에 사용된 단면 모델이 이 연구에 사용되었다.

-흐름조건

층류

난류

3장 실험절차 및 분석

- 시험 프로그램

시험은 두 개의 별개 단계로 수행

하나는 나선 필렛 케이블 모델의 잠재적 발산 진동

둘은 다른 발산진동을 찾기 위한 것임.

- 계측

본 시험에 사용함 모든 기자재는 특별히 교정되거나 전문 기술자가 검증하였음.

- 시험 절차

동적, 정적의 두 가지 유형의 시험이 이 연구에서 수행되었음.

- 자료분석 및 보고

자료 정리는 전용프로그램(MATLAB®)을 사용하였음.

4장 실험의 결과 및 토론

- 일반사항

- 주 풍속 흐름에 대한 케이블 거동의 영향

케이블 회전의 영향

케이블-바람각도 면의 영향

케이블 경사의 영향

- 구조적 감쇠의 영향

- 난류의 영향

- 나선 필렛의 영향

- 평균 공기 역학력 계수에 대한 운동의 영향

- 케이블 모델의 상단에서 마감조건의 영향

- 표면 압력과 웨이크 신호 형상의 영향

- 레이놀드 수에 관계하는 평균 작용력 계수의 일반 특성

- 시험의 반복성

- 진동을 야기하는 역학적 작용

5장 결론

불어오는 바람에 경사지고 나선 필렛을 가지는 사장 케이블 모델의 공기역학이 강풍에 응답하는 관계에서 사장 케이블의 표면에 나선 필렛을 추가한 효과를 평가하기위해 연구 되었다. 북미와 유럽에 있는 사장 케이블에서 찿을 수 있는 나선 필렛의 대표적인 것으로 이중나선 사장 케이블이 기존 사장 케이블의 HDPE 관 표면에 부착되어 있다. 나선형 필렛은 높이 2.3mm와 폭 2.4mm의 구형단면으로 케이블 직경 3.2배의 피치와 45도의 나선 각도를 가지고 있다.

이 시험은 대표적인 표면조도, 단면형상과 공기 흐름에 60도로 경사진 나선 필렛을 가지는 사장 케이블이 구조적 감쇠의 낮은 수준에 대해 층 난류에서 대형 진폭을 가지는 바람유발 진동을 체험할 수 있음을 나타내었다. 관찰된 진동은 5.1의 Scruton 수에 달하는 구조적 감쇠의 증가로 완화될 수 있었고 진폭에 있어 자체적으로 제한되는 것으로 보였다. 나선 필렛을 가지는 케이블 모델은 낮은 레이놀드 수에서도 거의 매끄러운 케이블에 대등한 정도 소리로 마찰 위기를 체험했다. 이 시험은 진동원에서 공기 역학력이 그 축상에서 케이블 모델의 회전에 매우 민감한 것을 나타내었다.

매끄러운 케이블 모델의 외경치수는 케이블 모델의 공기 역학에 영향을 끼치기에 충분함을 나타내는 평균직경의 1 %에 상당하는 최대 편심률을 보였다. 평균 케이블 직경으로부터 그 같은 편기는 현장조건의 대표성을 나타내는 것이다. 우세한 풍향에 관계하여 케이블 운동의 궤적은 케이블 거동과 안전성의 연구에 중요한 변수가 되는 것을 알게 되었다. 경사 케이블의 예전 연구에서, 그 축상에서 케이블 풍동 면과 회전이 분리 평가될 수 없었고 이면에서 어떤 결론에 도달할 수 없었다.

나선형 필렛을 가지는 45도로 경사진 사장 케이블에 대해 그 축상에 케이블의 회전과 스프링면 회전을 포함하는 여러 시험 조건에 대해 조사풍속, 4~36m/s, 의 범위에서 관측된 큰 진동은 없었다. 45도 모델경사에 대하여 풍속에 연관된 평균 공기 역학력 계수의 변화율은 60도 경사 경우에 대한 것보다 더 낮은 것을 알게 되었다.

60도 경사에 층 난류 흐름에서 나선필렛 없는 케이블 모델에 대한 보완시험에서는 같은 케이블 모델에 대한 예전 연구의 결과에 일치해서 큰 진동을 나타내었다. 그 진동은 같은 풍속에서 발생하지 않았으며, 이전에 보고된 것보다 진폭에 있어서 같거나 때로는 더 큰 것이었다. 이것은 풍동 가진을 증폭하기에 충분하고 평균직경으로부터 1% 편기하는 사장 케이블을 피복하는 폴리에틸렌 형상의 중요성을 강조하는 것이다