Comparison of Performance of Restrainers of Steel Cables and Shape Memory Alloy Bars for Multiple-Span-Simply-Supported Bridges

최은수,김이현,박주남,조효남,Choi, Eun Soo,Kim, Lee Hyeon,Park, Joo Nam,Cho, Hyo Nam Korean Society of Steel Construction 2007 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.19 No.6

강케이블 변위제어장치는 미국 캘리포니아주에서 프레임 구조 교량의 낙교를 방지하는데 효과적인 것으로 지난 몇 차례의 지진에서 밝혀졌다. 이러한 효과를 바탕으로, 미국 중부의 다경간 단순지지 교량에 강케이블을 적용할려는 시도가 행해지고 있다. 또한, 형상기억합금의 인장거동을 이용한 변위제어장치가 동일한 적용을 위해서 연구되고 있다. 프레임 구조교량에서는 변위제어장치가 교각에 힘을 전달하지만, 다경간 단순지지 교량에서는 교대에 힘을 전달하게 된다. 따라서 이러한 교량에서는 교대의 거동을 동시에 점검해야한다. 본 연구에서는 다경간 단순지지 교량에 대한 세 가지의 변위제어장치의 성능을 비교하였다. 강케이블, 인장거동 형상기억합금 봉 및 휨거동 형상기억합금 봉을 이용한 변위제어장치의 중진 및 강진에 대한 변위제어성능 및 교대에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해서 형상기억합금 봉의 휨 실험 및 해석모델을 제시하였다. 또한, 비선형 시간이력해석을 수행하여 원래의 교량과 보강된 교량의 거동을 비교하여 변위제어장치의 성능 및 영향을 파악하였다. 인장거동의 형상기억합금 봉은 내부힌지에서 열림의 상대변위를 제어하는데 가장 우수한 성능을 보여주었으나, 교대의 능동변위를 증가시켜 손상을 발생시켰다. 따라서 강진에 대해서는 변위제어장치를 설치하는 경우 교대의 능동거동에 대한 보강이 요구된다. Steel restrainer cables for multiple frame bridges in California in the United States have been shown to be effective in preventing unseating at internal hinges during the past several earthquakes. Consequently, the steel-cable-restrainer is being tested for applications on multiple-span-simply-supported (MSSS) bridges in the mid-American region. In addition, shape memory alloy (SMA) bars in tension are being studied for the same application, multiple frame bridges, the developed seismic forces are transferred to piers through the restrainers. However, in MSSS bridges, the seismic forces are transferred to abutments by the restrainers. Therefore, the abutment' behavior should also be investigated. In this study, we assessed the seismic performance of the three types of restrainers, such as steel restrainer cables, SMA in tension, and SMA in bending for an MSSS bridge from moderate to strong ground motion, bending test of an SMA bar was conducted and its analytical model was determined for this study. Nonlinear time history analyses were conducted to assess the seismic responses of the as-built and the retrofitted bridges. All three types of restrainers reduced the hinge opening and the SMA in tension was the most effective of the three devices in preventing the unseating, all restrainers produced damage on the abutment from the pulling action of the MSSS bridge due to strong ground motions, was found that the retrofit of the abutment in the pulling action is required in the installation of restrainers in MSSS bridges.

Composite Beam Element for Nonlinear Seismic Analysis of Steel Frames

김기동,고만기,이규세,황병국,Kim, Kee Dong,Ko, Man Gi,Yi, Gyu Sei,Hwang, Byoung Kuk Korean Society of Steel Construction 2002 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.14 No.5

This study presented a composite beam element for modeling the inelastic behavior of the steel beam, which has composite slabs in steel moment frames that are subjected to earthquake ground motions. The effects of composite slabs on the seismic behavior of steel moment frames were investigated. The element can be considered as a single-component series hinge type model whose predicted analytical results were consistent with the experimental results. Likewise, the element showed a significantly better performance than the bare steel beam elements. The composite model can also predict more accurately the local deformation demands and overall response of structural systems under earthquake loading compared with the bare steel models. Therefore, composite stabs can significantly affect locally and globally predicted responses of steel moment frames. 지진 하중에 대한 강재 모멘트 골조의 합성 슬래브를 포함한 강재 보의 비탄성 거동을 모델하기 위한 합성 보 요소가 제안되고 강재 모멘트 골조의 지진 거동에 대한 합성 슬래브의 효과가 조사된다. 합성 보 요소는 단일 직렬 힌지 모델로 간주 될 수 있고, 그 해석 결과는 실험결과와 매우 합리적인 상관 관계를 보였다. 합성 보 요소는 기존의 강재 보 요소보다 상당히 좋은 거동을 보이고, 합성모델은 지진 하중 하에서의 구조물의 국부변형과 전체 응답을 기존의 강재 모델보다 정밀하게 예측할 수 있다. 합성 슬래브는 강재 모멘트 골조의 국부 및 전체 해석 응답에 상당히 큰 효과를 나타낸다.

Quantitative Damage Model of Steel Members under Severe Seismic Loading

박연수,박선준,Park, Yeon Soo,Park, Sun Joon Korean Society of Steel Construction 1998 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.10 No.3

본 논문에서는 정량적인 지진 손상모델의 유도를 위해 먼저 지진 반복하중하에서 구조물 및 그들 요소에 대한 기존의 손상 모델들을 체계적으로 정리한 후 문제점을 평가하였다. 또한, 강한 지진과 같은 심한 반복가력을 받는 강구조 부재에 대한 파괴기준을 묘사하였으며, 강부재에 대한 새로운 지진 손상도 평가방법을 제안하였다. 이 손상모델은 극저 사이클 하중하에서 강부재에 대한 일련의 실험과 수치해석 연구로부터 얻어진 것이다. 본 연구에서 극저 사이클 하중은 큰 소성변형 영역안에서 5~20 사이클의 반복하중을 의미한다. 제안된 내진 손상평가 방법은 변형이 가장 심하게 집중된 단면에 있어서 국소 변형율의 이력에 초점을 맞추어 유도되었다. In this paper, the previous damage models for structures and their components under seismic repeated loading were reviewed systematically. A failure criterion for steel members under severe cyclic excitations as in strong earthquakes was described. A new approach to seismic damage assessment for steel members was proposed. This method was based on a series of the experimental and numerical investigations for steel members under very low cyclic loading. In this study, very low cyclic loading means repetitive loading, 5 to 20 loading cycles, within the large plastic range. The proposed damage assessment method was focused on the local strain history at the cross-section of the most severe concentration of deformation.

Seismic Capacity Evaluation of Existing Structures Incorporating Damage Assessment

송종걸,이진학,이동근,Song, Jong Keol,Yi, Jin Hak,Lee, Dong Guen Korean Society of Steel Construction 2004 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.16 No.5

This paper covered two related subjects: the use of the inverse modal perturbation technique to assess structural damage in existing structures; and the use of a seismic capacity evaluation to assess damaged structures, with the aid of the identified structural damage. The substructural identification and the Tikhonov regularization algorithm were incorporated for efficient damage assessment of complex and large frame structures. The seismic capacity of a damaged structure was evaluated by comparing the structure's seismic responses and seismic damage indices. The effectiveness of the proposed method has been investigated through the numerical simulation study for a twenty-story frame structure with undamaged and damaged cases, and also different earthquake excitations. 이 연구는 구조물의 내진성능평가와 관련하여, 기설구조물의 현재 상태에서의 구조손상을 추정하고, 이를 반영하여 내진성능을 평가하도록 하는 절차를 제안하였다. 구조손상 추정을 위해서는 역섭동법을 사용하였고, 역섭동법의 단점을 극복하기 위하여 부분구조법과 Tikhonov의 정규화 방법을 도입하였다. 손상된 구조물의 내진성능 평가를 위하여 구조물의 지진응답과 해당 구조물의 지진손상지수를 이용하였고, 제안 방법을 20층 예제구조물에 적용하여 손상추정 결과를 반영하는 것의 영향을 분석하였다.

Influence of Boundary Stress Singularities on the Vibration of Clamped and Simply Supported Sectorial Plates With Various Radial Edge Conditions

김주우,Kim, Joo-Woo Korean Society of Steel Construction 1998 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.10 No.4

This paper reports the first-of-its-kind free vibration solutions for sectorial plates having re-entrant corners causing stress singularities when the circular edge is either clamped or simply supported. The Ritz method is employed with two sets of admissible functions assumed for the transverse vibratory displacements. Accurate frequencies and normalized contours of the transverse vibratory displacement are presented for the spectra of sector angles. 본 논문은 부채꼴형 평판의 원형연단이 고정되어 있거나 또는 단순지지 되어 있을 때 요각 모서리의 응력 특이도를 고려하여 자유 진동해를 최초로 구한 연구이다. Ritz방법을 이용하여 수직진동변위를 두가지 적합함수식으로 가정하였다. 본 연구에서는 부채꼴형 각도의 범위에 따른 엄밀한 진동수 및 수직진동 변위의 전형적인 등고선을 제시하였다.

A nonlinear Co-rotational Quasi-Conforming 4-node Shell Element Using Ivanov-Ilyushin Yield Criteria

파노트 송삭 프라민,김기두,Panot, Songsak Pramin,Kim, Ki Du Korean Society of Steel Construction 2008 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.20 No.3

율리신-이바노브 항복 조건을 이용하여 4절점 순수변위 준적합 쉘요소의 정식화를 제안하였다. 기하강성 행렬은 그린 변형률 텐서를 이용하여 휨변형률 및 전단변형률도 기하강성행렬에 고려되었다. 그 결과 접선강성행렬의 해석적인 적분으로 비선형 해석시 매우 효율적으로 계산이 되고 있다. 이 정식은 변형률 경화의 이바노브-유리신 항복조건을 이용하여 재료 비선형 해석시에도 쉽게 적분이 된다. 즉 두께 방향의 적층 적분을 하지 않는 율리신-이바노브의 정식은 대규모의 쉘 구조에도 계산상 아주 적합하다. 검증된 수치 예제에서 만족스러운 결과를 보여주고 있다. A co-rotational quasi-conforming formulation of four- node stress resultant shell elements using Ivanov-Ilyushin yield criteria are presented for the nonlinear analysis of plate and shell structure. The formulation of the geometrical stiffness is defined by the full definition of the Green strain tensor and it is efficient for analyzing stability problems of moderately thick plates and shells as it incorporates the bending moment and transverse shear resultant force. As a result of the explicit integration of the tangent stiffness matrix, this formulation is computationally very efficient in incremental nonlinear analysis. This formulation also integrates the elasto-plastic material behaviour using Ivanov Ilyushin yield condition with isotropic strain hardening and its asocia ted flow rules. The Ivanov Ilyushin plasticity, which avoids multi-layer integration, is computationally efficient in large-scale modeling of elasto-plastic shell structures. The numerical examples herein illustrate a satisfactory concordance with test ed and published references.

Static and Dynamic Behavior of Disk Bearings under Railway Vehicle Loading

오세환,최은수,정희영,김학수,Oh, Saeh Wan,Choi, Eun Soo,Jung, Hie Young,Kim, Hak Soo Korean Society of Steel Construction 2006 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.18 No.4

본 연구의 목적은 철도차량하중으로 인한 디스크받침의 정 동적 거동특성을 평가하여, 디스크 받침 설계기술 발전에 기여하고자 함이다. 디스크받침은 탄성받침의 일종으로 폴리우레탄 패드를 사용하여 탄성을 구현하고 있으며, 가동단에는 PTFE를 사용하여 교량의 움직임을 흡수하고 있다. 실험실에서 수차례의 정적 실험을 실시하여 폴리우레탄 고무의 정적거동을 평가하기 위한 데이터를 획득하였다. 또한, 4개의 디스크받침은 철도교량인 판형교에 설치하여 철도차량에 의한 디스크받침의 동적 거동을 측정하였다. 현장실험은 기관차 1량을 사용하여 일정속도로 주행하는 주행시험을 실시하여 각 디스크받침의 동적 변형과 이에 작용하는 동적 하중을 측정하였다. 정적 실험을 통해서 나타난 사실은 수직강성에 크게 기여하는 것이다. 또한 동적 강성은 정적으로 평가된 강성보다 크게 나타났다. 차량의 속도가 증가함에 따라 디스크받침의 변형도 증가하는 것으로 나타났지만, 크게 증가하지는 않았다. 디스크받침의 고정단의 동적 강성이 가동단의 강성보다 크게 나타나는데, 이는 가동단의 PTFE가 변형을 일으키기 때문이라고 판단된다. 이러한 결과는 철도교를 위한 디스크받침 설계기술의 발전에 기여할 것이다. The goal of this study is to ases the static and dynamic behavior of disk bearings under railway vehicle loadings. Several static tests were conducted in a laboratory t bearings, all having the same kind of polyurethane disk as used in the static tests, were installed under a full-sized railway bridge and tested with a running locomotive, the tests results, the static and dynamic stiffness of the disk bearings were estimated and compared. the deformation of the disk bearings under the bridge was measured at varying disk bearing was almost half of that under dynamic loading. In addition, the dynamic stiffness of the fixed disk bearing was 80% higher than that of an expansion disk bearing, since the PTFE in the expansion bearing is displaced. The deformation of the disk bearing did not vary significantly with changes in locomotive's speed. The results of this study can contribute to fast-tracking the formulation of a design technique for disk bearings for railway bridges.

Simple Method of Vibration Analysis of Three Span Continuous Composite Slab Bridges with Elastic Intermediate Supports

한봉구,김덕현,Han, Bong Koo,Kim, Duk Hyun Korean Society of Steel Construction 2005 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.17 No.3

본 연구에서는 3경간연속 탄성지지된 복합슬래브교량을 특별직교이방성 판이론을 응용하여 해석하였다. 불균등단면이나 임의의 경계조건을 가진 보나 타워구조물의 고유진동수를 계산하는 방법을 탄성지지된 3경간 연속 복합슬래브교량에 적용하여 연구하였다. 슬래브 상판은 특별직교이방성 판으로 취급하였다. 진동해석에 필요한 변위의 영향계수는 여러 가지 방법으로 구할 수 있으나 본 논문에서는 유한차분법을 사용하였다. 또한 휨강성에 대한 영향과 기초의 탄성계수에 대한 영향에 대하여 연구하였다. The specially orthotropic plate theory is used to analyse three-span continuous composite slab bridges with elastic intermediate supports. A method of calculating the natural frequency corresponding to the first mode of vibration of beams and tower structures, with irregular cross sections and with arbitrary boundary conditions, was developed and the result of application of this method to the three-span continuous composite slab bridges with elastic intermediate supports is presented. This type of bridge represents either concrete or sandwich type three-span bridge on polymeric supports for passive control or on actuators for active control. Any method may be used to obtain the deflection influence surfaces needed for this vibration analysis. The finite difference method is used for this purpose in this paper. The influence of flexural stiffnesses and the modulus of the foundation are studied.

Design Thermal Loads In Composite Box Girder Bridges

장승필,임창균,Chang, Sung Pil,Im, Chang Kyun Korean Society of Steel Construction 1998 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.10 No.3

본 논문에서는 장기온도측정자료의 통계해석에 바탕을 두고, 합성박스형교량에 작용하는 설계온도하중의 적절한 값을 제안하고자 한다. 이를 위해, 최근에 건설된 합성박스형교량에서 약 20개월간 온도측정을 수행하였다. 극치해석에 앞서, 온도분포특성을 나타내는 주요 매개변수를 정의하고, 이의 계절별변화에 대해 상세히 검토하였다. 이 온도하중매개변수의 극치분포를 Tail-Equivalence법에 의해 결정하고, 주어진 재현기간에 해당되는 온도하중매개변수의 극치값을 계산하였다. 끝으로, 이 결과들을 현 시방서에서 온도하중에 대해 제안하고있는 규정들과 비교하였다. 비교결과로부터, 현 시방서는 합성박스형교량의 온도응력을 나타내는데 불충분하며, 특별한 경우에 있어서 현 설계규정에 포함되지않은 수평방향온도변화를 고려해야만 된다는 결론에 도달하였다. The intention of this paper is to provide realistic values of design thermal loads applicable to composite box girder bridges on the basis of the statistical analysis of long-term measured temperature data. For this purpose, temperatures were recorded at a newly constructed composite box girder bridge during about 20 months. Before analyzing the extreme values, major thermal loading parameters that characterize the temperature profile are defined, and a seasonal behavior of those is examined in detail. The limit distributions of the thermal loading parameters are then determined by the tail-equivalence method, and the thermal loading parameters corresponding to selected return period are calculated. Finally, the results are compared to the specifications suggested in a current design code for thermal loads, and it is concluded that the current design code is unsuitable for representing the self-equilibrated thermal stresses in composite bridges, and the horizontal temperature difference which is not suggested in current design code should be taken Into account in particular cases.

A Shape Control of Welded Joints to Improve Fatigue Strength

강창입,국승규,이동욱,Kang, Chang Ib,Kook, Seung Kyu,Lee, Dong Uk Korean Society of Steel Construction 2004 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.16 No.4

When U-ribs of steel deck plates are connected at the field, overhead welding should be done with backing strips. Misalignments may occur and lead to eccentric moments as well as high stress concentrations at welded joints. In this study, stress analyses and fatigue tests were carried out. Stress analyses for U-ribs' welded joints with backing strips were performed with different misalignments, root shapes, root gaps, and backing strip sizes. From the stress analyses, the stress concentration factors increased with increasing misalignments and root gaps. With the fixed misalignments and root gaps, the stress concentration factors obtained in the case of the semi-circle root shape were lower than those in the case of the right-angle root shape. It was verified that backing strip sizes have little influence on stress concentration factors. The fatigue tests for U-ribs' welded joints with backing strips indicated that increased misalignments shorten fatigue life drastically and cracks usually initiate at the root of the base metal and are propagated to the weld bead surface. Based on the results of the stress analyses, root-shape control methods were developed to mitigate stress concentration by changing welding condition control, radius curvature, and flank angle. 본 연구에서는 강상판의 U리브를 현장에서 상향의 용접자세로 용접이음을 실시할 경우, 용접이음부에는 시공오차에 의한 단차가 발생하고, 응력집중이 발생하기 쉽다. 따라서 본 연구에서는 이면재가 부착된 용접이음부에 대해 응력해석 및 실험을 실시하였다. 이면재가 부착된 U리브 용접이음부의 단차, 루트부 형상, 루트갭 및 이면재의 폭과 두께를 변화시켜 응력해석을 실시한 결과, 단차가 커질수록 응력집중계수는 현저히 증가하였으며, 루트갭도 커질수록 응력집중계수가 증가하는 것을 알 수 있었다. 또한 단차 및 루트갭이 동일한 경우에는 루트부 형상이 직각인 경우보다 반원인 경우에 응력집중계수가 작게 나타났으며, 이면재의 폭 및 두께는 응력집중계수에 그다지 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 이면재가 부착된 시험편의 피로실험에서는 단차가 커질수록 피로수명이 현저히 저하되었으며 피로균열은 이면재가 부착된 모재측 루트부에서 발생하여 용접비드 표면측으로 전파하였다. 응력해석에서 루트부의 형상이 반원인 경우, 응력집중계수가 작게 나타나므로, 용접조건을 변화시켜 루트부 곡률반경 및 플랭크각을 제어하는 루트부 형상제어법를 개발하였다.