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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.18 No.3 pp.93-103
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2018.18.3.93

Experimental Study of Structural Behavior of Two-Way Beam String Structures

Minhee Seo*, Seunghye Lee**, Kiyoul Baek***, Jinwoo Jeong****, Sun-Myung Kim*****, Jaehong Lee******
*Dept. of Architectural Engineering, Sejong Univ.
**Dept. of Architectural Engineering, Sejong Univ.
***POSCO E&C
****COSPi Co. Ltd
*****HANKOOK TIRE Co. Ltd
교신저자, 정회원, 세종대학교 건축공학과 교수, 공학박사 Dept. of Architectural Engineering, Sejong Univ. Tel: 02-3408-3287 Fax: 02-3408-4331 E-mail: jhlee@sejong.ac.kr
July 5, 2018 August 1, 2018 August 2, 2018

Abstract


This study showed that experimental study of inelastic nonlinear behavior of two-way beam string structures. General large span structures consisting of beam members have large moment and long cross section of area. In order to decrease these excessive moment and deflection, the two-way beam string structures composed of H-Beam, strut, and cable elements were proposed. In the two-way string beam, the cable with the prestress improves force distribution of some weight reduction. Two systems made of structural steel and cables were tested. The nonlinear behaviour of the two-way beam string structures studied by using finite element model and compared to experimental results. The displacement of the LVDT in the center of the beam correspond with the ABAQUS results. 2,200MPa cable can afford to bear breaking load than 1,860MPa cable. The two-way beam string structures is correlated to the finite element model and the experimental results. In consequence, It showed that the system with two-way cables exhibits much better structural performances than H-Beam structures and beam with cable.



양방향 하중 저항 언더 텐션 시스템의 구조 성능에 대한 실험 연구

서 민 희*, 이 승 혜**, 백 기 열***, 정 진 우****, 김 선 명*****, 이 재 홍******
*주저자, 학생회원, 세종대학교 건축공학과, 석사과정
**정회원, 세종대학교 건축공학과 조교수, 공학박사
***정회원, 포스코건설 책임연구원, 공학박사
****정회원, 코스피(주) 이사
*****정회원, 한국타이어 중앙연구소 차장, 공학박사

초록


    POSCO E&C

    1. 서론

    최근 특수 구조물 및 대공간 구조물의 수요 증대 와 국가 기반 사업의 시행 등에 따라 국내 대공간 구조물 시장이 연간 4조원을 넘어서고 있다. 소요 강재량은 약 15만 톤 규모를 가지며, 2000년 이후 대공간 구조물 시장 규모가 약 12% 이상 성장했다.

    일반적인 언더 텐션 시스템은 하중을 받은 스트 럿이 상현재에 부모멘트를 작용시키고, 케이블은 인 장력을 조절하여 처짐을 제어하는 시스템이다. 그러 나 이 시스템은 정압에 특화된 장현 구조로써 역방 향 하중에 대한 구조 안정성을 확보하기가 매우 어 렵다는 단점이 있다.

    현재 국내외 기술 개발 현황을 보면 지붕 구조 자 체의 곡률을 이용하여 면외 방향으로 작용하는 3차 원적 힘의 흐름을 면내력으로 저항하는 구조 저항 메커니즘이 있다. 대공간 구조 시스템은 트러스로 대표되는 강성 구조와, 연성 구조로 대표되는 케이 블 구조로 크게 구분할 수 있으며 최근에는 2가지 를 결합시킨 하이브리드 구조가 기술을 선도하고 있다. 대공간에 관한 국내 기술은 주로 강성 구조 개발에 집중되어 있고, 200m 이상의 초대형 공간 구조물의 경우 경제성 확보와 시공성 개선 측면에 서 하이브리드 구조 기술 개발이 필요하다.

    대공간 지붕 구조물은 보통 강성 골조 시스템이 주를 이루기 때문에 구조체의 자중 증가로 인한 경 제성 및 가시설 설치로 인한 시공성 저하를 야기시 킨다. 그러나 케이블-빔 구조는 자중 경량화가 가능 하고 이에 따른 물량 저감 및 지조립에 대한 공기 단축, 원가 절감이 가능하다. 또한, 철강 구조의 활 용이 높은 대공간 구조 분야에서 고강도 WP 강재를 적용하여 강재 수요 창출 효과를 가져올 수 있다.

    이에 본 연구에서는 기존 언더 텐션 시스템의 하 부에 역방향 케이블을 추가로 설치하고, 케이블에 미리 인장력을 가해 보의 처짐과 부재의 크기를 줄 이는 시스템을 개발하였다. 따라서 기존 언더 텐션 시스템에서 하중에 대한 구조 안정성을 보완하기 위해 양방향 하중 저항 메커니즘 기술을 개발하고 고강도 케이블 및 고성능 압연 강재를 적용한 초경 량 시스템을 개발하였다. 또한 양방향 하중 저항 언 더 텐션 시스템에 대하여 실물 실험을 수행하였고 해석 결과와 실험 결과를 비교 분석하였다. 뿐만 아 니라 유한 요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 이용 해 케이블의 종류에 따른 구조물의 최대 처짐을 분 석하였다.

    언더 텐션 시스템에 대한 기존의 연구 동향을 살 펴보면, Geiger, Stefaniuk & Chen(1986)에 의해 처 음 제안된 케이블-돔 구조1)는 최근 몇 년 동안 혁신 성과 경량성을 가진 형태로 꾸준히 개발되었다. Motro(2003)에 의해서 제안된 케이블-스트럿 구조 는 텐세그레티 시스템의 특성을 지닌 구조로써 다 른 구조보다 유연성이 뛰어난 것을 알 수 있다2). Wang & Li(2001)의 케이블 구조 시스템은 인장과 압축의 평형을 가지고, 케이블의 장력에 따라 구조 물이 어떻게 변화하는지 연구가 진행되었다3). Broughton & Ndumbaro(1994)에 의해 하중-변위 거동이 어떻게 진행되는지에 대한 연구가 진행되었 다4). Wolkowicz, Ruth & Stahr(2007)가 제안한 케 이블-스트럿 구조는 케이블에 프리스트레스를 주어 구조물의 거동과 응력에 대해 민감도 분석을 측정 하였고, 이에 따른 매개 변수는 길이와 영축 계수를 선택하였다5). 또한 Xue & Liu(2009)에 의해 대공간 지붕 구조물에서 사용되는 언더 텐션 시스템의 구 조 최적화와 실물 실험에 관한 연구가 진행되었다6).

    국내에서는 Tran & Lee(2011)에 의해 언더 텐션 의 처짐 및 응력 계산이 가능한 언더 텐션 해석 프 로그램에 대한 연구가 진행되었다7). Park et al.(2008)에 의해 도로 상부에 휴식과 통행이 가능한 공간을 조성하여 녹지 및 휴게 공간을 확보하고, 각 구역간의 연결성 및 접근성을 높일 수 있는 장스팬 구조의 처짐 거동에 관한 연구가 진행되었다8). Tran & Lee(2010)에 의해 케이블-스트럿 시스템에 대한 수치 해석 방법이 제시되었다9). Park et al.(2008)은 포트란 프로그램을 이용하여 언더 텐션이 적용된 트러스의 구조 해석 연구를 진행하였다10). Park, Park & Lee(2009)는 언더 텐션 시스템에 대하여 유 한 요소 해석 프로그램인 ADINA를 이용하여 구조 물의 부재 응력과 최대 처짐 분석에 관한 연구를 진 행하였다11). Kim, Kim & Lee(2009)는 언더 텐션 시 스템에 대하여 실물 실험체를 제작하여 연구를 진 행하였다12). Park, Park & Lee(2009)에 의해 프리 텐션이 가해지는 언더 텐션 구조물의 거동에 대하 여 기하학적 비선형과 재료적 비선형의 연구가 진 행되었다13). Park et al.(2010)에 의해 H형강 및 PF500 단면을 적용한 언더 텐션 시스템의 전반적인 거동이 파악되었다14).

    2. 언더 텐션 시스템

    2.1 일방향 하중 저항 언더 텐션 시스템

    언더 텐션 시스템은 <Fig. 1>에서 볼 수 있듯이 스트럿의 압축력이 상현재에 부모멘트를 작용시키고, 재하되는 하중이 스트럿을 통해 케이블의 인장력으 로 전달됨으로써 상현재의 모멘트를 저감시켜준다.

    이처럼 언더 텐션 시스템의 장점은 상현 부재의 경량화가 가능하고, 케이블의 인장력에 의해 부재 응력을 최소화 할 수 있다는 것이다. 또한, <Fig. 2> 와 같이 재하 하중에 따라 케이블의 인장력 조절이 가능하기 때문에 처짐량도 조절할 수 있어 최소의 단면으로 최적의 구조 효율을 발휘할 수 있다.

    2.2 양방향 하중 저항 언더 텐션 시스템

    본 연구에서는 기존 언더 텐션 시스템의 단점인 부압에 대한 구조 안정성 확보를 위해 양방향 하중 저항 메커니즘을 개발하였으며, 언더 텐션 시스템에 고성능 압연 강재 및 고강도 케이블을 적용하여 초 경량 언더 텐션 시스템을 개발하였다.

    양방향 하중 저항 언더 텐션 시스템은 기존의 상 현 압축재에 Pos-H 강재를 적용하여 원가 절감 기 술을 도입하였고, 그 결과 적용 강종의 고성능화를 가져올 수 있다. 또한 하현 인장재에 PosCABLE 86/98을 적용하여 단면 감소에 따른 물량 저감 효 과를 얻을 수 있다. 또한 역방향 하현 인장재와 현 수 구조의 구성은 부압에 저항 가능한 구조를 만들 수 있다.

    3. 언더 텐션 시스템의 실험

    3.1 실험체 제작

    실험체의 경간은 4m로 제작되었고, 보는 H형강 을 사용하였다. 스트럿은 C-형강이 사용되었으며 자 세한 단면도는 <Fig. 3>과 <Fig. 4>와 같다. 부재에 대한 자세한 단면 성질과 물성치는 <Table 1>과 <Table 2>에서 확인할 수 있다. 상부 구조는 합성용 스터드로 Built Up 형강과 데크플레이트로 이루어 져 있다. 또한, 하부 구조는 고강도 케이블인 Pos-CABLE이 이용되었다. 본 실험에 사용된 케이 블의 종류는 POSCABLE86와 POSCABLE98이고 인 장 강도는 각각 1,860MPa와 2,200MPa이다.

    케이블은 정방향 케이블에 대해 2개의 강연선을 평행하게 배치하였고, 그 사이에 역방향 케이블을 배치하였다. 상부 보 부재의 양단은 케이블과의 부 착을 위해 핀접합 구조로 설계되었다. 또한, 정방향 케이블과 역방향 케이블의 부착을 위해 양단 지지 부재와 보 부재 하단에 3개의 스트럿을 배치하였다.

    실험에 앞서 케이블의 종류에 따라 두 번에 걸쳐 실시한 재료 시험의 결과는 <Table 3>과 같고, 하중 -변위 그래프와 하중-변형률 그래프는 <Fig. 5>에서 볼 수 있다.

    3.3 실험체 설치 및 가력 계획

    본 연구에서는 양방향 하중 저항 언더 텐션 시스 템의 실물 실험체를 직접 제작하여 두 종류의 케이 블에 대해 케이블의 인장력에 따른 구조물의 처짐 과 응력을 구하였다. 또한 실제 실험 결과와 해석 프로그램을 통한 구조 해석 결과를 비교하였다. 실 험 후 결과 분석에서는 구조물의 실제 거동을 파악 하고 구조 안정성을 확보하기 위해 도로교 설계기 준에 준하여 정밀 검증을 수행하였다.

    3.3.1 세팅 계획

    본 연구에서 사용된 실험체의 세팅 계획은 <Table 4>와 같으며, 축 하중을 반복 가력하기 때 문에 충분한 강성을 지닌 반력 프레임이 사용되었 다. 실험에서 사용된 축 하중은 인장 하중 1,155kN, 압축 하중 1,780kN 용량의 엑츄에이터를 사용하였 다. 본 실험의 실험체 세팅 모습을 <Fig. 6>에 나타 내었다.

    3.3.2 게이지 및 변위계 배치도

    스트레인게이지는 하중 작용 시 기둥의 각 부위 에서의 응력을 측정하기 위해 보 부재의 상단과 하 단에 총 8개를 부착하였다. 로드셀은 정방향 케이블 과 역방향 케이블의 끝단에 설치하였고 구조물의 안쪽 케이블에는 EM센서를 설치하였으며 스트럿 하단에는 LVDT를 설치하였다. 변위계와 게이지의 정확한 위치는 <Fig. 7>에서 확인할 수 있다.

    본 실험에 앞서 실험체에 적용한 하중 이력 그래 프를 케이블의 종류에 따라 <Fig. 8>에 나타내었다. 사용된 케이블의 종류는 PsosCABLE86인 1,860MPa 케이블과 PosCABLE98인 2,200MPa 케 이블이다. 1,860MPa 케이블은 하중 이력을 초기 변위 제어 20mm에서부터 40mm, 60mm, 80mm, 100mm까지 증가시켜 나가고, 동일 변위에 대하여 각 2회씩 정방향과 역방향으로 번갈아 가며 가력하 였다. 2,200MPa 케이블의 하중 이력은 초기 변위 제어 10mm에서부터 20mm, 40mm, 60mm, 80mm, 100mm까지 증가시켜 나가고, 1,860MPa과 마찬가 지로 각 2회씩 정방향과 역방향으로 번갈아 가면서 가력하였다. 실험 결과, 두 종류 케이블 모두 변위 제어 100mm에 도달했을 때 케이블의 파단이 일어 났다.

    4. 실험 결과 및 해석

    본 연구에서는 두 종류의 케이블에 대하여 실험 을 진행하였다. 첫 번째 실험은 PsosCABLE86인 1,860MPa 케이블이 사용되었고, 두 번째 실험은 PosCABLE98인 2,200MPa 케이블이 사용되었다. 가 력을 하기 전 케이블에 프리 텐션을 주었는데, 도로 교 기준에 따라 두 케이블 파단 하중인 260kN과 330kN의 안전율을 고려하여 정방향 케이블에는 10%를 주었고 역방향 케이블에는 14%를 주었다.

    4.1 1,860MPa 케이블 실험체

    4.1.1 실험 종료 상황

    1,860MPa 케이블 실험체의 실험 결과, 변위 제어 40mm인 약 370kN 구간에서 보의 좌굴이 발생하였 다. <Fig. 9>와 같이 변위 제어 100mm인 약 460kN 구간에서 케이블이 파단하면서 하중이 감소하였다. 실험체의 최대 하중은 522.26kN이었다.

    4.1.2 강성 평가

    <Fig. 10>은 첫 번째 실험체 결과와 실험 모델 및 H형강의 비선형 해석 프로그램 결과를 비교한 그래 프이다. 실험체 결과와 실험 모델의 거동은 선형 구 간에서 거의 일치하는 모습을 보였다. 또한 실험체 결과와 H형강의 비선형 해석 결과를 비교했을 때 실험체가 정압과 부압에서 모두 우수한 강성을 보 였다. 그래프에서 볼 수 있듯이 정압에서는 H형강 에 비해 약 3배의 강성 증가 효과를 보였고, 부압에 서는 H형강에 비해 약 2배의 강성 증가 효과를 보 였다.

    4.1.3 케이블

    케이블의 최대 하중은 재료 시험 결과에 따라 정 하였다. <Fig. 11>과 <Fig. 12>에서 첫 번째 실험체 의 케이블은 상부 보가 항복되는 시점에서 최대 하 중을 넘지 않기 때문에 안전한 것으로 확인할 수 있 다. 파단까지 정방향 케이블의 내력 여유가 역방향 케이블의 내력 여유보다 적음을 알 수 있다.

    4.2 2,200MPa 케이블 실험체

    4.2.1 실험 종료 상황

    2,200MPa 케이블 실험체의 실험 결과, <Fig. 13> 과 같이 변위 제어 40mm인 약 390kN 구간에서 보 의 좌굴이 발생되었다. 변위 제어 120mm인 약 390kN 구간에서 케이블이 파단하면서 하중이 감소 하였다. 실험체의 최대 하중은 516.22kN이었다.

    4.2.2 강성 평가

    <Fig. 14>는 두 번째 실험체 결과와 실험 모델 및 H형강의 비선형 해석 프로그램 결과를 비교한 그래 프이다. 실험체 결과와 실험 모델의 거동은 선형 구 간에서 거의 일치하는 모습을 보였다. 또한 실험체 결과와 H형강의 비선형 해석 결과를 비교했을 때 실험체가 정압과 부압에서 모두 우수한 강성을 보 였다. 그래프에서 볼 수 있듯이 정압에서는 H형강 에 비해 약 3배의 강성 증가 효과를 보였고, 부압에 서는 H형강에 비해 약 2배의 강성 증가 효과를 보 였다.

    그러나 정압과 부압의 강성 평가를 비교해보면 첫 번째 실험 결과와 두 번째 실험 결과 모두 약간 의 차이를 보였다. 그 이유는 정압에서는 스트럿이 압축을 받지만 부압에서는 스트럿이 인장을 받기 때문에 발생하는 매커니즘의 차이라는 결론을 내 렸다.

    4.2.3 케이블

    <Fig. 15>와 <Fig. 16>에서 두 번째 실험체의 케 이블은 상부 보가 항복되는 시점에서 최대 하중을 넘지 않기 때문에 안전한 것으로 확인할 수 있다. 파단까지 정방향 케이블의 내력 여유가 역방향 케 이블의 내력 여유보다 적음을 알 수 있다. 두 실험 체의 케이블 그래프를 비교한 결과, 1,860MPa 케이 블이 2,200MPa 케이블보다 파단 강도까지의 내력 여유가 더 많은 것을 알 수 있다.

    5. ABAQUS 정밀 해석

    5.1 실험 후 현안

    본 연구에서는 <Fig. 17>에서 볼 수 있듯이 양방 향 하중 저항 언더 텐션 시스템의 결과 및 분석에 대하여 신뢰성 검토를 진행하였다. 이를 위해 유한 요소 해석 프로그램인 ABAQUS를 이용하여 양방 향 하중 저항 언더 텐션 시스템의 정밀 해석을 진행 하였다. 이에 따라 실물 실험의 LVDT 변위 값과 ABAQUS 비선형 해석의 결과 값을 그래프로 나타 내 비교하고, 케이블의 재료 비선형 시뮬레이션을 분석한다.

    5.2 ABAQUS 해석을 위한 가정

    본 연구에서는 유한 요소 해석 프로그램인 ABAQUS가 사용되었으며, ABAQUS 2017(6.14) 버전이 사용되었다. 비선형 해석 수행을 하는데 있어 케이블과 보 부재의 연결을 해결하기 위해 <Fig. 18>과 같이 쉘 요소 27,441개가 입력되었다. 또한 시뮬레이션을 최대한 줄이기 위해 25,158개의 노드가 입력되었다. 모델링은 <Fig. 19>에서 볼 수 있듯이 케이블이 체결된 상태를 초기 형상으로 하 였고, 구조물의 형상이 대칭을 이루고 있기 때문에 Half 모델링으로 해석하였다. 모델링의 경계 조건에 서 오른쪽 기둥 아래 부분은 고정단으로 두었고, 힌 지단은 Kinematic coupling constraint를 이용하여 기둥과 보 사이를 연결하였다.

    5.2.1 케이블의 모델링

    케이블은 <Fig. 20>과 같이 서로 용접되어 있지 않으므로 케이블에 힘이 걸리지 않을 때는 바깥쪽 으로 움직인다. 따라서 ABAQUS 비선형 해석을 할 때 이 부분을 해결하기 위해 케이블 끝단에 Rigid plate를 부착하여 케이블에 힘이 걸리지 않을 때 모 델이 자유단으로 거동하도록 모델링 하였다.

    5.3 비선형 해석 결과

    5.3.1 1,860MPa 케이블 실험체

    <Fig. 21>은 2,200MPa 케이블 실험체의 하중 변 위 곡선을 나타낸 그래프이다. 양방향 하중 저항 언 더 텐션 시스템의 보 중앙 LVDT 변위 값과 ABAQUS 비선형 해석의 결과 값을 비교하였다. 그 결과, 양방향 하중 저항 언더 텐션 시스템 실험의 그래프 양상이 ABAQUS 비선형 해석의 그래프 양 상과 거의 일치하는 것을 알 수 있다.

    5.3.2 2,200MPa 케이블 실험체

    <Fig. 22>는 3,200MPa 케이블 실험체의 하중 변 위 곡선을 나타낸 그래프이다. 양방향 하중 저항 언 더 텐션 시스템의 보 중앙 LVDT 변위 값과 ABAQUS 비선형 해석의 결과 값을 비교하였다. 그 결과, 앞서 1,860MPa 케이블의 그래프와 마찬가지 로 양방향 하중 저항 언더 텐션 시스템 실험의 그래 프 양상과 ABAQUS 비선형 해석의 그래프 양상이 거의 일치하는 것을 알 수 있다. 그러나 그래프를 자세히 보면 정압 부분에서 그래프 거동이 약간의 차이를 보였는데, 이는 ABAQUS 비선형 해석에서 케이블 물성치의 변화를 주면 그래프의 거동이 조 금 더 일치할 것으로 예상되었다.

    6. 결론

    • 1) 본 연구에서는 일반 H형강과 양방향 하중 저 항 언더 텐션 시스템의 거동을 비교하였으며, 양방 향 하중 저항 언더 텐션 시스템이 정압 및 부압에 서 모두 우수한 강성을 보였다. 정압에서는 H형강 에 비해 약 3배의 강성 증가 효과를 보였고, 부압에 서는 H형강에 비해 약 2배의 강성 증가 효과를 보 였다.

    • 2) 상부의 H형강이 항복되는 시점의 하중 상태에 서 케이블은 파단 강도를 넘지 않아 안전한 것으로 확인되었다. 파단까지 정방향 케이블의 내력 여유가 역방향 케이블의 내력 여유보다 적은 것을 알 수 있 었다.

    • 3) 보 중앙의 LVDT의 변위와 ABAQUS 결과 값 을 비교하여 그래프로 나타냈을 때, 두 그래프의 거 동이 서로 잘 일치하였다. 정압과 부압의 구조물에 서 거동의 차이를 보이는 이유는 메커니즘이 상이 하기 때문이라고 판단하였다.

    • 4) ABAQUS 프로그램을 통한 비선형 해석 결과 에서 그래프의 거동이 약간의 차이를 보였는데, 이 부분에 관해서는 케이블의 재료적 특성을 고려한 정밀 설계가 필요하다고 사료된다. 또한 본 연구에 서 가정한 모델 외 다양한 언더 텐션 케이블의 적용 모델을 연구하여 효율적인 구조 시스템을 결정할 수 있는 연구가 필요할 것으로 사료된다.

    감사의 글

    본 논문은 포스코건설의 연구 용역에 의해 지원되 었습니다.

    Figure

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    Beam string model

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    Structural behavior of beam string structures

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    Section view of two-way beam string

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    Plan view of two-way beam string

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    Tensile strength test results

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    Experimental details laboratory

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    Layout of strain gauge and LVDT

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    Load history curve

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    Rupture of string

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    Experiment-1 of load-displacement curve

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    Experiment-1 of main cable curve

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    Experiment-1 of wind cable curve

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    Buckling of beam

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    Experiment-2 of load-displacement curve

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    Experiment-2 of main cable curve

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    Experiment-2 of wind cable curve

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    Two-way beam string FE model using ABAQUS

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    Strut model

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    Pinned connection

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    Unstressed cable

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    Load-displacement curve of PosCABLE86 (1,860MPa)

    KASS-18-93_F22.gif

    Load-displacement curve of PosCABLE98 (2,200MPa)

    Table

    Sectional properties

    Material properties

    Tensile strength test of cable

    Tensile strength test of cable

    Reference

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