주탑 항력계수 산정

 

1. 검토개요

 

경간장이 긴 장대 사장교 및 현수교 주탑의 경우 풍하중이 지배하중이 되는 경우가 많으며 이에 , 따라 주탑에 작용하는 풍하중을 산정하기 위해 적용되는 항력계수의 중요도가 크다.

따라서 국내외 설계기준 설계사례 등을 참조하여 향후 주탑항력계수 적용방향에 대해 검토해 보았다,

 

 

2. 관련 설계기준

 

(1) 국내 설계기준

 

• 도로교 설계기준 (한계상태 설계법) - 일반교량편

도로교설계기준 (한계상태설계법)- 일반교량편 3.13.2.3 하부구조에 작용하는 풍압에 따르면, “원형 및 트랙형 단면의 경우에 0.6, 각형 단면의 경우에 1.2를 사용할 수 있다.” 라고 명시되어 있음.

 

• 도로교설계기준 (한계상태 설계법) - 케이블교량편

도로교설계기준 (한계상태설계법) - 케이블교량편 8.6.2 주부재에 작용하는 정적풍하중에 따르면, “풍동실험 또는 수치해석에서 구한 값을 사용한다. 그러나 풍동실험을 수행하지 않을 경우 설계에 적용한 항력계수 Cd의 값이 합리적임을 증명하여야 한다.” 라고 명시되어 있음.

 

• 도로교설계기준(2008) 해설

도로교설계기준(2008) 해설 2.1.11(6) 해설편에 따르면, “원형 및 트랙형 단면의 경우에 0.8, 각형 단면의 경우에 1.6를 사용한다. 다른 형상인 경우에는 기술자의 판단에 의해 적절히 정하면 된다.” 라고 명시되어 있음.

 

(2) 국외 설계기준

 

• 혼슈시코쿠연락교공단 설계기준

장방형 단면 탑주에 대한 항력계수는 1.8로 규정되어 있음.

이는 장방형 단면(2:1)의 장변을 바람에 향하게 한 경우에 해당하는 항력계수 값 2.1에 종횡비가 8~40인 경우에 의한 보정을 실시하여 대략적으로 계산된 값임.

 

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• Eurocode

바람이 면에 대해 직각으로 부는 구조요소의 사각형 부분의 항력계수는 다음 그래프를 이용하여 산정함.

EUROCODE 1991-4 General actions - Wind actions, 7.6 Structural elements with rectangular sections

 

Figure 7.23 Force coefficients cf,0 of rectangular sections with sharp corners and without free end flow

 

모서리가 둥근 사각형에 대한 감소계수 적용

 

 

 

3. 설계사례

 

국내에서 설계된 사장교 및 현수교의 주탑의 항력계수는 대부분이 1.6 또는 1.8를 적용하였으며, 별도의 풍동실험을 수행한 경우에는 풍동실험에 의해 산정된 항력계수를 적용하였다. 그리고 이 값은 대체로 , 설계기준에서 제시되는 항력계수에 비해 작게 산정된다.

 

 

(1) 사장교

 

 

(2) 현수교

 

 

4. 설계기준에 따른 주탑항력계수 산정

 

(1) 항력계수 비교

 

 

(2) Eroucode에서 단면비(D/B)를 이용한 항력계수 산정

 

 

(3) 풍동실험을 통한 항력계수 산정

 

모형에 로드셀을 설치 후 일정풍속을 가지는 바람을 적용하여 이때 발생하는 공기력 (항력) 을 측정한다.

이후 이를 아래 관계식을 통하여 모형단면이 갖는 항력계수를 산정한다.

 

 

[주탑모형실험] ⓒ티이솔루션, 출처 http://www.tesolution.com

 

 

5. 검토결과

 

별도의 항력계수 측정실험을 실시하지 않을 경우, Eurocode에 따른 항력계수는 너무 보수적이며, 모따기 등의 효과의 적용여부 및 적용방법에 대해 다소 모호하다.

 

풍동실험을 통한 주탑 항력계수 산정사례에서 볼 수 있듯이 단면의 모따기는 15~30%가량의 항력 계수의 감소가 예상되나, 이는 모따기 형상 및 크기에 따라 달라지므로 이를 수치적으로 획일화하여 적용하기에는 어려움이 있다.

 

주탑 단면의 형상 비율, 모따기 여부 등을 무시한 채 항력계수 1.8을 획일적으로 적용하는 것은 안전측 설계가 될 수는 있으나 자칫 너무 비경제적인 설계가 될 수도 있다.

따라서 주탑단면의 특성을 제대로 반영하기 위해서는 풍동실험이나 전산유체역학해석 등을 통해 주탑단면의 항력계수를 정확하게 측정하여 설계에 반영하는 것이 합리적이라고 판단된다.

 

주탑의 항력계수등의 특성값을 산정하기 위해 CFD해석을 수행하기도 한다. CFD해석은 풍동실험에 비해 시간과 비용이 적게 들어 그 결과 값을 빠르게 얻을 수 있다는 장점이 있다. 그러나 결국 CFD해석을 통해 얻은 특성값의 유효성 검증을 위해 풍동실험 결과 값과의 비교를 하는 것이 보통이다.

 

사장교나 현수교 등의 주탑을 가지는 특수교량의 경우 풍동실험의 수행이 관련 설계법상 반드시 수행되어야 한다. 이러한 준비된 풍동실험조건에서 주탑 거더 등의 부분모형실험을 추가하는 것은 어렵지 않으며 이는 경제적 시간적 측면에서도 합리적으로 판단된다.