Fatigue Reliability Evaluation of In-service Steel Bridge Using Measured Strain and BWIM Data

Abstract

이 연구에서는 현장계측된 변형률 및 BWIM 데이터를 활용한 공용 중 강 교량의 피로수명을 확률론적으로 평가하는 전반적인 절차 및 방법에 대해 검토하였다. 현장계측의 종류에 따른 피로 신뢰도 평가 결과의 차이를 정량적으로 검토하기 위해 실제 공용 중인 강 교량에서 동일한 기간동안 변형률 및 BWIM 계측을 수행하였다. 또한, BWIM 데이터를 활용한 피로 평가 시 활용되는 구조해석모델의 정밀성이 평가 결과에 미치는 영향에 대해 확인하기 위해, 뼈대구조요소 단순해석모델과 유한요소 상세해석모델을 각각 상용 구조해석 프로그램을 이용하여 구축하였다. 선행연구 조사 결과들을 바탕으로, BWIM 데이터와 구조해석모델을 활용하여 교량 부재의 피로 취약 상세에 가해지는 유효응력범위 및 반복응력횟수를 추정하는 두 가지 처리 기법을 정의하였다. 일반적으로 가장 정확한 평가 방법으로 인식되는 변형률 계측 데이터를 활용한 방법을 기준으로, 두 BWIM 데이터 처리 기법에 따른 피로 신뢰도 평가 결과를 비교하였다. 비교된 피로 신뢰도 평가 결과를 통해 BWIM 데이터 처리 시 고려되는 주행 패턴들이 평가 피로 수명에 큰 영향을 미침을 확인하였다. 마지막으로, BWIM 데이터로부터 고려될 수 있는 대표적인 3가지 주행 패턴(연행 효과, 주행 차선, 축 하중 분산)을 정의하고, 각 주행 패턴이 평가 결과에 미치는 영향에 대한 검토를 수행하였다. 평가 대상 교량과 같은 일반적인 단-중 경간의 강 교량의 경우, 차량 하중의 연행에 의한 동시 재하보다는 차량의 주행 차선 및 차축에 의한 하중 분산 효과가 교량의 피로 수명을 평가하는데 있어 보다 지배적인 영향을 미치며, 이 두 가지 주행 패턴만을 고려하더라도 변형률 데이터에 의한 평가 결과만큼 충분히 정확한 피로 수명의 평가가 가능함을 확인하였다.

Strain gauges and bridge weigh-in-motion (BWIM) are representative field measurements normally used for the fatigue evaluation of in-service steel bridges. To evaluate the reliability of fatigue damage accumulation, the effective stress range and number of stress cycles applied to fatigue-prone details should be estimated based on field-measured data of a target bridge. However, the procedure for using field measurements to estimate either the effective stress range or the number of stress cycles has not been explicitly presented. Furthermore, studies that have quantitatively compared the differences in fatigue evaluation results according to the field measurement type or BWIM data-processing techniques are still insufficient. In this study, the strain and BWIM data were measured simultaneously on an in-service steel bridge to evaluate the fatigue damage. Both a frame model and a shell-solid model were used to examine the accuracy of the structural analysis models when using BWIM data. Two approaches using BWIM data to estimate effective stress and average daily stress cycles were investigated. In addition, parametric studies have been conducted on the effect of driving patterns on fatigue evaluation. The differences in the fatigue evaluation results based on the type of field measurement and driving patterns were quantitatively compared. As a result, the fatigue reliability evaluation could be sufficiently accurate even when only two dominant driving patterns were used for steel bridges with typical short-to-medium spans.