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ISSN : 1226-525X(Print)
ISSN : 2234-1099(Online)
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea Vol.24 No.4 pp.157-167
DOI : https://doi.org/10.5000/EESK.2020.24.4.157

Improvement of the Performance Based Seismic Design Method of Cable Supported Bridges with Resilient-Friction Base Isolation Systems (I- Analysis of Field Testing of Cable Supported Bridge)

Heungbae Gil1), Sun Kyu Park2), Kyoung Bong Han3), Yoon Wan Seok4)*
1)Research Fellow, Super Long Span Bridge R&D Center, Korea Expressway Corporation
2)Professor, Department of Civil Engineering, Sungkyunkwan University
3)Chief Researcher, Super Long Span Bridge R&D Center, Korea Expressway Corporation
4)Senior manager, Center for Smart Construction Technology, Korea Expressway Corporation
*Corresponding author: Yoon, Wan Seok E-mail: yws@ex.co.kr
November 18, 2020 April 13, 2020 April 27, 2020

Abstract


In this study, a field bridge test was conducted to find the dynamic properties of cable supported bridges with resilient-friction base isolation systems (R-FBI). Various ambient vibration tests were performed to estimate dynamic properties of a test bridge using trucks in a non-transportation state before opening of the bridge and by ordinary traffic loadings about one year later after opening of the bridge. The dynamic properties found from the results of the tests were compared with an analysis model. From the result of the ambient vibration tests of the cable supported bridge with R-FBI, it was confirmed that the dynamic properties were sensitive to the stiffness of the R-FBI in the bridge, and the seismic analysis model of the test bridge using the effective stiffness of the R-FBI was insufficient for reflecting the dynamic behavior of the bridge. In the case of cable supported bridges, the seismic design must follow the “Korean Highway Bridge Design Code (Limit State Design) for Cable supported bridges.” Therefore, in order to reflect the actual behavior characteristics of the R-FBI installed on cable-supported bridges, an improved seismic design procedure should be proposed.



마찰복원형 지진격리장치가 설치된 케이블교량의 성능 기반 내진설계법 개선(I-실 교량 실험 결과 분석)

길 흥배1), 박 선규2), 한 경봉3), 윤 완석4)*
1)한국도로공사 초장대교량연구단 연구위원
2)성균관대학교 건설환경시스템공학과 교수
3)한국도로공사 초장대교량연구단 수석연구원
4)한국도로공사 스마트건설사업단 차장

초록


    1. 서 론

    지진격리장치는 지진에너지 소산 효과가 뛰어나고 구조물의 고유주기 를 장주기 영역으로 이동시켜 하부구조에 전달되는 지진력을 저감시키는 역할을 하며, 주요 구조부재의 단면 감소와 시공비를 절감할 수 있고, 비교 적 저비용으로 내진성능을 향상시킬 수 있어 교량 설계 시 많이 적용하고 있 는 추세이다[1-3].

    여러 종류의 지진격리장치 중 마찰 형식을 사용한 교량은 지진응답이 지 진의 주기 특성 변화나 강도 변화에 민감하지 않으며, 마찰에 의한 감쇠효과 가 뛰어나고 타 지진격리장치 보다 변위 응답을 크게 줄일 수 있어[4], 장대 교량에 마찰형식을 많이 사용하고 있다. 마찰형식 지진격리장치 중 마찰복 원형 지진격리장치(Resilient-Friction Base Isolation systems, R-FBI)는 국내 교량용 지진격리장치로 가장 널리 쓰이는 제품으로 면진 성능과 내구 성 및 지진 후 구조물을 원위치로 복구시키는 복원 성능이 탁월한 것으로 알 려져 있다[1]. 일반 구조물 보다 높은 신뢰성을 요구하는 국내 원전 구조물 에도 마찰복원형 지진격리창치를 많이 사용하고 있어 내진 성능 및 적용성 향상에 대한 연구가 활발히 수행되고 있다[3, 5].

    마찰복원형 지진격리장치는 폴리우레탄 스프링의 강성과 불소수지판 인 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 마찰재로 구성된 교량형 지진격리장 치로 지진시 마찰거동에 의한 에너지 소산 능력과 지진후 원 위치로 복구시 키는 복원 성능을 갖고 있다. 기존 연구에 의하면, 마찰계수는 미끌림 속도 가 증가함에 따라 같이 증가하나 150 m/s 이상인 경우에는 대기 온도 및 면 압에 관계없이 거의 일정하게 유지되며, PTFE의 마찰계수는 접촉 압력이 증가함에 따라 감소하고 감소율은 미끌림 속도 및 대기 온도의 영향을 받는 것으로 나타났다[6, 7].

    교량의 지진시 거동특성을 명확히 파악하기 위해서는 지진격리장치가 설치된 교량의 동특성 값을 실험적으로 산정하는 것이 매우 중요하다[8]. 그러나 마찰복원형 지진격리장치를 적용한 사장교에 대해 자유진동실험 을 실시하여 교량 위치별 가속도 계측을 통해 실제 거동 특성을 파악하고 이를 고려한 합리적인 내진설계 절차를 제시하는 연구는 미흡한 실정이다.

    이에 본 논문에서는 마찰복원형 지진격리장치가 설치된 케이블교량의 동특성을 파악하기 위한 실교량 실험을 2차례 실시하여 실험결과로부터 얻 어진 대상교량의 탄성거동 상태에서의 동특성 값을 해석모델과 비교·분석 하였다.

    2. 실험 대상 케이블교량 및 지진격리장치 배치 현황

    본 논문에서는 부산외곽순환 고속도로상에 있는 비대칭 1주탑 콘크리 트 사장교인 □□대교를 대상으로 현장 실험을 수행하였다. 대상 교량은 2011년 설계되고, 2018년 개통되어 현재 공용중인 교량이며, 설계 시기상 2015년 제정된 도로교설계기준(한계상태설계법) 케이블교량편[9]의 성 능기반 내진설계법이 아닌 이전 설계기준을 준용한 결정론적 내진설계가 적용된 교량이다. 대상 교량은 접속교를 포함한 총 연장이 1,440 m인 12경 간 FCM 교량이며, 주요 교량 제원은 Table 1 및 Fig. 1과 같다. 본 논문에서 수행한 현장실험 대상 케이블교량에 설치된 지진격리장치는 교대와 전체 10개의 교각에 총 50개의 마찰복원형 지진격리장치를 설치하였으며, 세부 제원 및 배치 현황은 Table 2 및 Fig. 1과 같다.

    3. 개통 전‧ 후 현장 재하 실험

    이전의 많은 연구에서 케이블교량을 대상으로 차량에 의한 충격하중, 상 시 교통하중, 풍하중 등에 의한 자유진동실험(ambient vibration test)을 수 행하여 고유주기, 모드형상, 감쇠비 등의 교량 동특성을 파악하였고, 차량 하중과 풍하중에 의한 자유진동실험은 교량의 동특성을 파악하는데 유용 한 것으로 나타났다[10].

    본 연구에서는 우선 개통 전 비공용 상태에서 자유진동 데이터를 측정할 수 있도록 차량충격하중에 의한 강제 자유진동실험을 1차로 실시하였고, 약 1년이 경과한 교량 개통 후 차량 공용 상태에서 상시 자유진동실험을 2 차로 추가 실시하였다.

    3.1 교량 개통 전 1차 강제 자유진동실험

    대상 교량의 실험은 1차적으로 개통 전 비공용 상태에서 교량의 동특성 값을 파악하기 위해 접속교를 포함한 전체 교량에 가속도계를 설치하고, 트 럭에 의한 충격 하중을 재하시켜 강제 자유진동 실험을 실시하였다. 이러한 실험법은 Fig. 2와 같이 제3보스포러스교량의 동특성 파악 등의 실험에 사 용되었고 본 논문에서도 이를 참조하여 강제 자유진동실험을 실시하였다. 전체적인 실험 절차 및 방법은 Fig. 3과 같다.

    접속교를 포함한 전체 교량의 동적 특성을 파악하기 위해, 사장교 및 접 속교의 중앙지점에 가속도계를 설치하고 구간을 2개소로 나누어 각 구간별 로 트럭하중을 재하시켜 계측신호를 획득하였으며 100 Hz Sampling Rate 로 약 1시간 가량의 데이터를 지속적으로 저장하였다.

    계측센서는 1축 가속도계 10개를 이용하여 Fig. 6과 같이 1구간에 10개, 2구간에 9개를 설치하였으며, 데이터를 획득하기 위한 동적 데이터 로거는 각 구간에 2대를 설치하였다. 재하차량은 150 kN 덤프트럭 2대를 사용하 였으며, 재하차량의 제원 및 축 중량은 Table 3과 같다.

    차량 재하 실험은 Fig. 4와 같이 ① 덤프차량 주행 실험(속도 30 km/h, 50 km/h), ② 덤프차량 교축방향 충격 강제 자유진동실험, ③ 덤프차량 교 축직각방향 충격 강제 자유진동실험으로 구분하여 시행하였다.

    데이터 계측 센서별 설치 위치 및 설치 방향은 Tables 4-5와 같다. 현장 계측은 데이터로거 2대로 나누어 수행하였으며, 계측 시작 전 두 대의 로거 의 시간 동기화를 진행한 이후에 현장 실험을 시작하였다.

    3.2 교량 개통 후 2차 상시 자유진동실험

    본 논문에서는 1차 강제 자유진동실험 후 약 1년이 경과된 교량 개통 상 태에서 통행차량에 의한 상시 자유진동실험을 추가적으로 실시하였다. 2차 실험은 교량의 개통 전‧ 후 동적특성을 비교하기 위하여 Figs. 5-6와 같이 1 차 실험과 유사한 위치에 가속도계를 설치하여 데이터를 측정하였으며, 실 험 방법 및 절차 등은 유사하게 시행하였다. 가속도 계측센서의 세부 설치 현황(방향, 위치)은 Tables 6-8과 같다.

    4. 실험 결과 및 분석

    4.1 대상 교량 개통 전‧후 실혐 결과 비교

    대상 교량의 동특성을 파악하기 위하여 개통 전‧ 후 2차에 걸친 실험을 실시하였고, Figs. 7-9와 같이 계측된 데이터를 바탕으로 FFT분석 등을 통 해 대상 케이블교량의 고유진동수 및 케이블장력을 산정하였다. 주요 모드 에 대한 고유주기 산정 및 케이블 장력 결과는 Tables 9-10과 같다.

    Table 9에서 확인할 수 있듯이 2차 공용중 상시 자유진동실험에서는 교 량의 교축방항(X) 2차 모드는 노이즈로 인해 결과를 산정할 수 없었으며, 이는 상시진동에 의한 교량의 응답이 다른 모드에 비해 상대적으로 작다는 것을 의미한다. 그러나 기타 다른 모드의 경우 실험결과에서 확인할 수 있듯 이 교량의 개통 전‧ 후 고유진동수는 차이가 없었다.

    Table 10에서 확인할 수 있듯이 케이블 장력의 경우 포장 타설 전 도입 장력과 개통후 측정 장력의 비교 결과 약 0.04%~9.4% 정도 증가 되었음을 알 수 있었다. 이는 포장 타설과 공용 하중에 의한 장력의 증가가 정상적으 로 이루어 졌음을 의미한다.

    일반적으로 사장교의 경우 시공 전‧ 후 케이블 장력의 조정이 반드시 필 요하다. 설계시 요구되는 긴장력과 시공시 형상관리를 위해 현장에서 조정 하는 긴장력과는 현실적으로 차이가 발생할 수밖에 없으며, 이는 설계나 시공시 형상 관리를 위하여 요구되었던 장력 목표치가 제대로 도입되었는 지 반드시 확인할 필요가 있음을 의미한다. 본 실험 대상 교량과 같은 사장 교의 경우 지진 해석시 케이블 장력에 의한 교량 단면의 초기 응력상태가 중요하며, 해석모델의 정확도를 향상시키고 지진시 거동을 예측하기 위해 서는 실교량 실험에 의한 케이블 장력 변화값을 파악하는 것이 매우 중요 하다.

    4.2 해석 결과 비교

    대상 교량의 실험 결과와 해석 결과를 비교하기 위하여 본 논문에서는 Fig. 12의 최초 설계 시 해석 모델을 사용하였으며, 본 대상 교량의 실시설 계 시 지진격리장치 해석 모델은 Fig. 10과 같은 유효강성(K eff)을 적용하 였다.

    마찰복원형 지진격리장치의 수평강성으로 유효강성(K eff)을 적용한 기 존 지진해석 모델의 고유주기는 Table 11 및 Fig. 13에서 보는 바와 같이 현 장실험결과와 최대 70% 이상 차이가 있는 것으로 나타났다.

    마찰복원형 지진격리장치는 항복 후 비선형 거동을 하는데[12], 품질시 험 결과를 살펴보면 PTFE 마찰면 미끌림 발생 전과 발생 후의 수평강성의 차이가 매우 크다는 것을 알 수 있다. 마찰면 미끌림이 발생하기 전에는 초 기강성이 매우 크며, 미끌림 후의 하중-변위 이력곡선은 거의 수평에 가까 워 2차강성은 1차강성 대비 매우 작은 값을 갖는다. 본 실험 대상 케이블교 량에 설치되어 있는 마찰복원형 지진격리장치(용량 25,000 kN)의 품질시 험·검사성적서상의 하중-변위 이력곡선은 Fig. 11과 같으며, 대상 교량에 설치된 다른 위치 및 규격의 마찰복원형 지진격리장치들도 유사한 결과로 확인되었다.

    본 대상 교량의 실험 결과를 확인하면 저차 모드의 고유주기값이 해석값 보다 상대적으로 낮아 교량 전체 강성이 해석값보다 큰 것을 실험적으로 확 인할 수 있었다. 그리고 Fig. 15(a)에서 확인할 수 있듯이 교량의 교축, 교축 직각, 중력 방향 및 주탑의 저차 모드 순서 및 형상도 실험값과 해석값이 상 이함을 확인할 수 있다. 이는 실내 품질실험과 같이 마찰복원형 지진격리장 치가 PTFE 마찰면 미끌림이 발생하기 전에는 초기강성이 매우 커 무한강 성(K, 고정단)처럼 거동하는 것으로 판단할 수 있다. 이 점에 착안하여 마 찰복원형 지진격리장치의 수평강성을 초기 강성(K u) 및 고정단(무한강성, K)으로 적용하여 Fig. 14와 같이 해석모델을 수정하였다. 그 결과 Fig. 15(b)에서 확인 할 수 있듯이 수정된 해석모델의 모드 형상 및 순서가 실험 값과 유사함을 알 수 있다.

    기존 지진해석 모델에서 지진격리장치의 수평강성을 초기강성(K u) 및 무한강성(고정단, K)으로 변경하여 해석한 주요 모드의 고유주기를 현장 실험결과와 비교해 보았다. 비교 결과 Table 11에서 보는 바와 같이 지진격 리장치의 강성을 조정한 지진해석 모델이 기존 지진해석 모델보다 현장실 험결과와 매우 유사함을 확인할 수 있다. 즉, 마찰복원형 지진격리장치 수 평강성으로 초기강성(K u)과 무한강성(K)을 적용한 해석모델의 모드별 고유주기는 당초 해석모델(K eff적용) 대비 정확도가 적게는 약 10%에서 많게는 65% 더 일치하였다.

    또한 Table 11에서 확인할 수 있듯이, 마찰복원형 지진격리장치의 수평 강성으로 초기강성(K u)과 무한강성(K)으로 적용한 두 해석모델은 거의 유사한 고유주기를 갖는다.

    위의 분석 결과로부터 마찰복원형 지진격리장치의 유효강성(K eff)을 적용한 모델은 지진 시 교량 거동에 영향을 미치는 모드 및 고유주기를 정확 히 반영하지 못하는 것을 알 수 있다. 그리고 지진격리장치 마찰면의 미끌림 이 발생하기 전에는 초기강성(K u) 이나 무한강성(K)을 적용한 해석모델 이 실험결과와 비슷한 거동을 보이므로 마찰복원형 지진격리장치는 항복 전 즉, 마찰면의 미끌림이 발생하기 전에는 고정단 처럼 거동한다는 사실을 실험적으로 확인하였다. 이는 실험 대상 교량의 경우 마찰복원형 지진격리 장치는 마찰면의 미끌림이 발생하지 않는 항복강도 미만의 지진세기가 가 해지는 경우에는 고정단처럼 작동하고, 마찰면의 미끌림이 발생하는 항복 강도 이상의 지진세기가 가해지는 경우에만 비선형 이력거동을 한다[12] 는 사실을 의미한다.

    일반적으로 마찰복원형 지진격리장치에 작용하는 수평력이 항복강도 이하일 때에는 PTFE 마찰면의 미끌림이 발생하지 않아 유효강성(K eff)보 다 매우 큰 수평강성인 1차강성(K u)으로 수평력에 저항하고, 마찰복원형 지진격리장치에 작용하는 수평력이 항복강도에 도달하거나 초과하는 경우 에는 1차강성(K u)으로 수평력에 저항하다가 미끌림이 발생하면서 지진격 리장치의 변위가 증가하고 지진에너지를 소산시킨다. 그러므로, 일반적으 로 장주기 거동을 보이는 케이블교량의 경우 다중모드스펙트럼해석법을 적용할 때 교량의 고유주기에 민감할 수 있으므로 내진 설계시 이에 대한 고 려가 필요할 것으로 판단된다. 위와 같은 마찰복원형 지진격리장치의 거동 특성을 고려하지 않고 케이블교량 내진설계 단계에서 일률적으로 유효강 성(K eff)을 적용하는 다중모드스펙트럼해석법을 이용하면 내진성능수준 별 목표성능 확보 여부를 잘못 판단할 수 있으므로 마찰복원형 지진격리장 치의 거동특성을 반영한 내진설계 절차가 필요하다.

    본 논문에서는 Fig. 6(3rd Stage)과 같이 실험 대상 교량의 구조거동에 서 중요한 부분을 담당하는 사장교 케이블에 대한 개통 전‧ 후 장력 변화도 측정하였다. 일반적으로 사장교의 경우 설계시 요구되는 긴장력과 시공시 형상관리를 위해 현장에서 조정하는 긴장력과는 현실적으로 차이가 발생 하며, 장력 목표치의 달성 여부를 확인하는 것이 중요하다. 또한 해석모델 의 정확도를 향상시키고 지진시 거동을 합리적으로 예측하기 위해서도 실 교량 실험에 의한 케이블 장력 변화값을 파악하여야 한다. Table 12는 교량 개통 전‧ 후 측정된 장력과 형상관리시 최종 장력조정을 수행한 이후의 해 석값과 비교한 결과이다. 개통후 실측 장력값이 최종 해석값 대비 95~106% 내로 비교적 유사하게 나타나고 있음을 알 수 있으며, 향후 지속적인 사장 케이블의 장력 관리를 위한 초기치로 사용될 수 있을 것이다.

    5. 결 론

    본 논문에서는 마찰복원형 지진격리장치가 설치된 케이블교량의 동적 특성을 파악하기 위한 실교량 실험을 실시하였다. 우선 개통 전 비공용 상태 에서 자유진동 데이터를 측정할 수 있는 차량충격실험 등을 포함한 다양한 현장 실험을 실시하였다. 그리고 약 1년이 경과한 교량 개통 후 차량 공용 상 태에서 상시 자유진동실험을 실시하였다. 그리고 실험결과로 얻어진 대상 교량의 동적특성값을 해석모델과 비교하였다. 분석 결과 마찰복원형 지진 격리장치의 해석상 강성값이 교량 전체의 동적 특성에 민감한 영향을 미치 는 것을 확인하였다.

    실교량 실험을 통하여 산정된 교량의 동적 특성값이 유효강성(K eff)을 적용한 당초 지진해석 모델과 상이하고, 지진격리장치의 수평강성으로 초 기강성(K u) 또는 고정단(K)으로 수정한 해석 모델과 유사하게 나타났다. 케이블교량 내진설계 시 유효강성(K eff) 적용은 교량 거동 특성을 제대로 반영하지 못하며, 교량에 설치된 마찰복원형 지진격리장치는 마찰면의 미 끌림을 유발시키지 않는 지진세기에 대해서는 고정단처럼 작동한다는 사 실을 실험적으로 확인하였다.

    특히 케이블교량의 경우는 도로교설계기준(한계상태설계법) 케이블교 량편[9]에 준용하여 설계해야 한다. 이를 위해서는 성능수준에 따른 해석모 델을 별도로 고려하거나, 지진의 시간이력에 따른 비선형 마찰해석으로 성 능수준별 마찰의 발생 유무를 확인하고 검토하는 것이 바람직하다고 판단 된다. 본 논문의 실험 결과는 향후 내진성능평가를 위한 해석모델의 개선 등 에도 활용될 수 있을 것이다.

    Figure

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    Span Configuration and R-FBI layout of the test bridge

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    Vehicle impact free vibration test of 3rd Bosphorus Br. [11]

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    Procedure of dynamic characteristic identification test

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    1st ambient vibration test using vehicles (trucks)

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    2nd ambient vibration test by ordinary traffic loadings and cable impact vibration test to estimate cable tension

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    Location and type of measurement sensor installation

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    Time History and FFT result data of 1st ambient vibration test

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    Time History and FFT result data of 2nd ambient vibration test

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    Cable tension force result by Impact vibration test

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    Effective stiffness of resilient friction base isolation system

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    Hysteresis curve of the R-FBI (quality test result of specimen)

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    Analysis model for the test bridge

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    Mode shape and natural period of design analysis model for the test bridge (Using effective stiffness [K eff])

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    Mode shape and natural period of revised analysis model for the test bridge (Using initial stiffness [K u])

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    Analysis model comparison for test data consistent

    Table

    Test bridge specifications

    Parameters of R-FBI installed in the test bridge

    Specifications of test truck

    Collection of 1st stage dynamic data on 1st test

    Collection of 2nd stage dynamic data on 1st test

    Collection of 1st stage dynamic data on 2nd test

    Collection of 2nd stage dynamic data on 2nd test

    Collection of 3rd stage dynamic data on 2nd Test

    Natural period of the test bridge (unit : sec)

    Tension force of stay cables

    Comparison of natural period of field test results and seismic analysis models using different lateral stiffness of the R-FBI [unit : sec, ( ) : analysis model / field test]

    Cable tension force

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