지반의 지지조건에 따른 모형 교각의 고유진동수

Natural Frequencies of Model Piers under Different Ground Support Conditions

교각의 고유 진동수는 교량의 안정성을 평가하기 위한 중요한 지표이다. 하지만, 교각의 고유 진동수는 주변 지반의 지지조건에 의해 크게 달라질 수 있다. 본 연구의 목적은 실내실험을 통해 모형 교각의 암반 부착 조건과 풍화토 속에 근입된 깊이가 고유 진동수에 미치는 영향을 조사하는 것이다. 모형 교각의 암반지반 부착 조건을 모사하기 위해 모형 교각을 아스팔트 위에 부착하였다. 풍화토 속에 근입된 조건을 모사하기 위해 1.0 × 1.0 × 0.5 m 크기의 토조 속에 풍화토 지반을 조성 후 모형 교각을 설치하였다. 모형 교각에 동적하중을 가하기 위해 고무 팁이 부착된 해머를 이용하여 모형 교각의 넓은 측면 상부를 타격하였으며, 모형 교각의 상·중·하부에 부착된 가속도계를 통해 가속도를 측정하였다. 측정된 가속도는 고속 푸리에 변환을 통하여 주파수영역으로 변환한 후, 모형 교각의 고유 진동수를 분석하였다. 실험결과, 암반 부착 조건의 경우, 모형 교각의 기초 바닥면이 아스팔트 위에 에폭시로 고정된 후의 고유 진동수는 고정 전과 비교하여 크게 증가하였다. 풍화토 근입 조건의 경우, 주파수 영역에서 3개의 극점을 지닌 진동 특성을 보였으며, 모형 교각의 근입 깊이가 증가함에 따라 3개의 극점에서 측정된 고유 진동수는 모두 증가하였다. 특히, 탁월 진동수에 해당하는 고유 진동수의 증가폭이 두드러지게 나타났다. 본 연구의 결과는 교각의 고유 진동수를 이용한 교각의 안정성 평가에 있어 주변 지반의 지지조건이 반드시 고려되어야 함을 보여준다.

The natural frequency is critical for evaluating the integrity of bridge piers. However, the natural frequency of bridge piers can vary with the support condition of the ground. The aim of this study is to investigate the natural frequency of bridge piers under different ground conditions and at different embedded depths using a small-scale concrete pier. The model piers were fixed to asphalt concrete pavement using epoxy to simulate the rock site condition. Furthermore, model piers of different embedded depths were installed in a soil chamber with dimensions of 1.0 m × 1.0 m × 0.5 m to simulate weathered soil conditions. The upper part of the model pier was hit with a hammer having a rubber tip, and the acceleration signals were measured using three accelerometers installed at the upper, middle, and bottom parts of the model pier. Fast Fourier transforms were performed to analyze the natural frequencies of the model piers. The experimental results showed that the natural frequency under the fixed condition using epoxy was significantly higher than that under the unfixed condition. In the case of weathered soil conditions, three peak points appeared in the frequency domain. The natural frequencies measured at these three points increased with the embedded depth. The increment ratio of the natural frequency with the largest amplitude was significant. This study demonstrates that ground support conditions should be considered when evaluating the integrity of bridge piers through natural frequency analysis.