• 한국소음진동공학회:학술대회논문집
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• 한국소음진동공학회 2013년도 춘계학술대회 논문집
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• pp.830-834
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• 2013

This study presents a method to monitor cable force of a long-span cable-stayed bridge using a smart piezoelectric sensor system. The following approaches are implemented in order to achieve the objective. Firstly, the method to utilize piezoelectric materials for the health monitoring of stay cables is presented. For strain measurement of a stay cable, a PZT-embedded smart skin is designed to overcome the difficulties of bonding PZT sensors directly on stay cables. Secondly, a piezoelectric strain monitoring system for stay cables is designed. For the operation of the sensor board, the Imote2 sensor platform is used to provide the computation, wireless communication and power supply units. The feasibility of the proposed monitoring system is then evaluated on a full-scale cable of a cable-stayed bridge.

• Smart Structures and Systems
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• 제17권6호
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• pp.859-880
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• 2016

This study aims to establish an effective methodology for the detection of instant damages occurred in cable-stayed bridges with the measurements of cable vibration and structural temperatures. A transfer coefficient for the daily temperature variation and another for the long-term temperature variation are firstly determined to eliminate the environmental temperature effects from the cable force variation. Several thresholds corresponding to different levels of exceedance probability are then obtained to decide four upper criteria and four lower criteria for damage detection. With these criteria, the monitoring data for three stay cables of Ai-Lan Bridge are analyzed and compared to verify the proposed damage detection methodology. The simulated results to consider various damage scenarios unambiguously indicate that the damages with cable force changes larger than ${\pm}1%$ can be confidently detected. As for the required time to detect damage, it is found that the cases with ${\pm}2%$ of cable force change can be discovered in no more than 6 hours and those with ${\pm}1.5%$ of cable force change can be identified in at most 9 hours. This methodology is also investigated for more lightly monitored cases where only the air temperature measurement is available. Under such circumstances, the damages with cable force changes larger than ${\pm}1.5%$ can be detected within 12 hours. Even though not exhaustively reflecting the environmental temperature effects on the cable force variation, both the effective temperature and the air temperature can be considered as valid indices to eliminate these effects at high and low monitoring costs.

• 한국강구조학회 논문집
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• 제23권2호
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• pp.199-210
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• 2011

사장교의 케이블은 타 부재에 비해 단면적이 매우 작고 고응력 상태이므로 진동에 매우 민감한 부재이다. 따라서 사장교 케이블의 충격계수는 실제 차량의 주행으로 발생하는 동적 효과를 반영하여 평가하는 것이 합리적이다. 이에 본 연구에서는 차량 중량, 케이블 모델, 노면조도, 차량속도 및 차량간격의 설계변수를 고려하여 중앙경간 230m 및 540m의 강합성 사장교를 대상으로 차량 이동하중 해석을 수행하여 케이블의 충격계수를 평가하고, 현재 실무에서 사용되고 있는 영향선을 이용한 방법과 비교하였다. 본 연구에 사용된 노면조도는 ISO 8608 규정에 근거하여 랜덤 생성하였으며, 생성 회수에 따른 케이블 충격계수의 수렴 추이를 분석함으로써 결과의 신뢰도를 확보하였다. 또한, 차량모델은 9-자유도를 갖는 트랙터-트레일러 형식의 트럭 모델을 적용하였으며 차량의 운동방정식은 Lagrange운동방정식으로부터 유도하였다. 해석 대상 교량은 3차원 유한요소모델로 구축하였으며 보강형과 주탑은 보요소, 케이블은 등가탄성계수를 갖는 트러스요소를 사용하였다. 이동하중으로 인한 교량-차량 상호작용 해석에는 직접적분법을 사용하였으며, 교량의 변위 오차율이 허용 범위 내에 수렴될 때까지 반복 해석을 수행하였다. 그 결과, 실제 차량의 주행으로 발생하는 동적 효과를 고려하지 못하는 영향선 기법은 차량 이동하중 해석에 비해 측경간 단부 케이블의 충격계수를 과소평가할 수 있는 것으로 나타났다.

• 한국전산구조공학회논문집
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• 제20권5호
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• pp.557-563
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• 2007

사장교 케이블은 구조적으로 휨강성과 감쇠력이 작아 풍우에 의해 쉽게 유해진동이 발생한다. 이러한 풍우진동을 저감시키기 위한 효과적인 방법으로 부가댐퍼를 장착하여 케이블의 감쇠력을 증가시키는 제어시스템이 널리 사용되어왔다. 그러나 댐퍼를 케이블의 정착부 부근에 설치할 수밖에 없는 구조적 한계로 인하여 충분한 감쇠력을 발휘하기 어렵다. 그러므로 본 논문은 수동제어시스템 보다 효과적으로 풍하중에 의한 케이블 진동을 제어하기 위한 능동제어시스템을 제안하였다. 제안된 능동제어시스템은 케이블의 정착단에 베어링 장치를 장착하여 케이블 단부에서 횡방향 변위가 가능하도록 모델링 하였으며, 앵커리지 내부에 장착된 능동댐퍼를 이용하여 적절한 제어력을 제공하도록 하였다. 능동제어를 위하여 최적제어 이론을 이용 LQG 조정기를 설계하였으며, 수치해석은 실제 교량인 서해대교의 최장 케이블을 대상으로 하여 기존의 댐퍼 시스템과 수동, 능동 댐퍼 부착에 따른 케이블의 진동제어성능을 비교 및 분석하였다. 연구결과 제안된 능동제어시스템은 효과적으로 사장교 케이블의 진동을 저감시킬 수 있는 시스템임을 입증하였으며, 기존의 부가댐퍼 시스템 보다 효과적으로 진동을 저감시킬 수 있을 것으로 사료된다.

• 한국구조물진단유지관리공학회 논문집
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• 제17권2호
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• pp.54-61
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• 2013

사장교 케이블은 초기 큰 인장력으로 축강성이 매우 크지만, 횡방향 휨강성은 약하다. 풍하중이나 교통하중은 케이블을 심각하게 진동시켜 사장교의 사용성에 부정적 영향을 끼친다. 그러므로 장대교량에 감쇠장치를 설치하는 진동 저감 계획이 절실히 요구된다. 마찰댐퍼는 교통하중이나 풍하중과 같은 동적하중이 작용하는 케이블 진동에서 진폭과 지속시간을 대폭 감소시킬 수 있는 효과적인 장치임을 알 수 있다. 케이블 진동은 댐퍼제작방법과 설치위치 및 형상에 따라 효율이 달라질 수 있다. 그럼에도 불구하고 본 실험연구의 마찰댐퍼 설치전 후 제진성능효과 분석결과는 향후 사장케이블의 진동을 저감시키는 기본 자료로 활용할 수 있다.

• Structural Monitoring and Maintenance
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• 제10권4호
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• pp.361-379
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• 2023

In cable structure maintenance, particularly for cable-stayed bridges, cable safety assessment relies on estimating cable tension. Conventionally, in Japan, cable tension is estimated from the natural frequencies of the cable using the higher-order vibration method. In recent years, dampers have been installed on cables to reduce cable vibrations. Because the higher-order vibration method is a method for damper-free cables, the damper must be removed to measure the natural frequencies of a cable without a damper. However, cables on some cable-stayed bridges have two dampers: one on the girder side and another on the tower side. Notably, removing and reinstalling the damper on the tower side are considerably more time- and labor-intensive. This paper introduces a tension estimation method for cables with two dampers, using natural frequencies. The proposed method was validated through numerical simulation and experiment. In the numerical tests, without measurement error in the natural frequencies, the maximum estimation error among 100 models was 3.3%. With measurement error of 2%, the average estimation error was within 5%, with a maximum error of 9%. The proposed method has high accuracy because the higher-order vibration method for a damper-free cable still has an estimation error of 5%. The experimental verification emphasizes the importance of accurate damper modeling, highlighting potential discrepancies between existing damper design formula and actual damper behavior. By revising the damper formula, the proposed method achieved accurate cable tension estimation, with a maximum estimation error of approximately 10%.

• 한국전산구조공학회:학술대회논문집
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• 한국전산구조공학회 2005년도 춘계 학술발표회 논문집
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• pp.481-488
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• 2005

This study presents a elastic parabolic cable element for initial shaping analysis of cable structures. First, the compatibility condition and the tangent stiffness matrices of the elastic catenary cable element are shortly summarized. Next the force-deformation relations and the tangent stiffness matrices of the elastic parabolic cable elements are derived from the assumption that sag configuration under self-weights is small. To confirm the accuracy of this element, initial shaping analysis of cable-stayed bridges under dead loads is executed. Finally, the accuracy and the validity of the analysis-results are compared and analyzed through numerical examples.

• Wind and Structures
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• 제6권1호
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• pp.41-52
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• 2003

Rain-wind induced vibrations of cables are a challenging problem in the design of cable-stayed bridges. The precise excitation mechanism of the complex interaction between structure, wind and rain is still unknown. A theoretical model that is able to accurately simulate the observed phenomena is not available. This paper presents a mathematical model describing rain-wind induced vibrations as movement-induced vibrations using the quasi-steady strip theory. Both, the vibrations of the cable and the movement of the water rivulet on the cable surface can be described by the model including all geometrical and physical nonlinearities. The analysis using the stability and bifurcation theory shows that the model is capable of simulating the basic phenomena of the vibrations, such as dependence of wind velocity and cable damping. The results agree well with field data and wind tunnel tests. An extensive experimental study is currently performed to calibrate the parameters of the model.

• 대한토목학회논문집
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• 제3권4호
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• pp.71-81
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• 1983

본(本) 연구(硏究)에서는 사장교(斜張橋)의 구조해석(構造解析)과 아울러 대표적(代表的)인 radiating형(型) 및 harp형(型) 사장교(斜張橋)를 모델로 선형(線形), 비선형해석방법(非線形解析方法)을 통(通)해 그 특징(特徵)과 장단점(長短點)을 고찰(考察)하고 또한 실험(實驗)을 병행(竝行)하여 이론치(理論値)와의 차이점(差異點)을 검토(檢討)하였다. 연구결과(硏究結果) 여러 단면력(斷面力)을 기준(基準)으로 radiating형(型) 사장교가 harp형(型)에 비(比)해 강성이 대체로 크며, 선형(線形) 및 비선형해석방법(非線形解析方法)에 의(依)한 차이(差異)는 sag비가 증가할수록 커지나 cable이 직선(直線)에 가까운 상태(sag비(比) 1/100이하(以下))에서는 두 값이 거의 일치(一致)함을 알 수 있다.

• 한국강구조학회 논문집
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• 제15권2호
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• pp.175-185
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• 2003

사장교의 정확한 초기형상을 결정하기 위하여 초기부재력법과 TCUD법을 효과적으로 결합시킨 개선된 해석방법을 제시한다. 먼저 사장재, 주탑 그리고 주형을 모델링하기 위하여 무응력길이의 변화를 고려한 탄성현수선요소, 보-기둥요소의 힘-변형관계식과 접선강성 행렬 산정법을 간략히 제시한다. 이제 케이블의 무응력길이를 변수로 취급하여 교량 전체의 접선강성행렬을 산정하고, 경계조건 이외에 케이블 개수만큼의 절점변위를 설계자의 초기형상에 가깝게 되도록 추가적으로 절점변위를 구속하여 절점변위 및 무응력길이의 증분을 산정하고 이를 토대로 케이블 부재력과 주형 및 주탑의 부재력을 산정한다. 이렇게 계산된 부재력으로부터 불평형하중을 산정하고 수렴이 될 때까지 다시 반복계산이 이루어진다. 수렴이 되었을 때 사장교의 주탑 및 주형의 축방향 변위를 제거하기 위하여 초기부재력법을 적용한다. 결론적으로, 케이블의 무응력길이를 변수로 추가함으로써 사장재 주형정착부의 수직변위와 주탑의 수평변위를 설계목적에 적합하도록 제어하여 휨모멘트를 최소화할 수 있었고, 초기부재력법을 결합시켜 주형, 주탑의 축방향변위가 발생하지 않는 해석결과를 얻었다.