KR100981865B1

KR100981865B1 - 막구조물의 고유진동수 측정장치

Info

Publication number: KR100981865B1
Application number: KR1020080136622A
Authority: KR
Inventors: 김영문; 유기표
Original assignee: 전북대학교산학협력단
Priority date: 2008-12-30
Filing date: 2008-12-30
Publication date: 2010-09-13
Also published as: KR20100078373A

Abstract

본 발명은 밀폐한 대공간 막구조물 모형을 이용하여 벽에서 개구부의 개폐율, 장력 등에 따라 동적특성을 확인할 수 있고, 막구조물의 고유진동수를 측정할 수 있는 막구조물의 고유진동수 측정장치에 관한 것으로서, 피측정 막구조물의 벽체를 상사한 상태로 형성된 고정플레이트부와; 피측정 막구조물의 지붕을 상사한 물성을 갖는 막을 상기 고정플레이트부의 상단에 고정하는 막고정부와; 상기 막고정부에 고정된 막에 화이트노이즈를 발생시켜 진동을 발생시키는 화이트노이즈 발생부와; 상기 화이트노이즈 발생부에 의해 진동하는 상기 막의 변위를 측정하는 변위측정부와; 상기 변위측정부에 의해 측정된 데이터를 스펙트럼분석하여 고유진동수를 측정하는 연산부;를 포함하여 이루어진다.

대공간 막구조물, 고유진동수

Description

막구조물의 고유진동수 측정장치{APPARATUS FOR MEASURING NATURAL FREQUENCY OF MEMBRANE STRUCTURE}

본 발명은 막구조물의 고유진동수를 측정하여 막의 고유진동수의 변화를 확인할 수 있는 막구조물의 고유진동수 측정장치에 관한 것이다.

건물의 모형실험에서 가장 기본은 측정된 모형의 힘들이 실물스케일 힘들과 같은 비율의 스케일이 되도록 하는 것이다. 실험에서는 건물전체에 작용하는 풍력이나 건물전체의 진동을 평가하지 않으며 안 된다.

그러나 건물전체가 들어가도록 커다란 측정부를 가진 풍동을 만드는 것은 불가능하므로 실험에서는 일반적으로 건물의 축척 모형을 이용한다. 이러한 축척모형을 사용할 경우에는 실구조물과 축적모형과의 어떠한 일정한 법칙이 필요한데 이것을 상사법칙이라고 한다. 물리적인 상태를 나타내는 방정식에 있어서 각 항의 단위는 전체적으로 같지 않으면 안 된다. 즉 모든 방정식은, 물리량을 나타내는 단위를 어떻게 취하더라도 성립하지 않으면 안 된다. 그러므로 방정식은 물리량의 단위와 무관계한, 즉 단위에 관계하지 않는 무차원의 정수 혹은 변수로 나타낼 수가 있다. 더욱이 실험에 의해 얻어진 결과의 상호관계를 알아보고자 할 때는, 물리량 그 자체가 아니고, 측정된 물리량으로부터 얻어지는 무차원량을 조사해 보는 것이 좋다. 다시 말하자면, 측정한 개개의 물리량의 크기가 다를지라도, 이러한 량으로부터 이루어지는 무차원량이 동일하다면, 같은 현상을 알 수가 있게 된다. 결국 실물과 모형에서, 현상에 관계되는 물리량으로부터 얻어지는 무차원량을 일치시키면, 모형실험에 있어서 실물과 상사된 현상을 재현할 수가 있다.

한편, 대공간 지붕을 사용하는 체육관, 비행기 창고, 극장 등 공공시설의 변동풍류장 중에 랜덤 진동이 문제된다. 일반적으로 공력진동모형을 이용하여 풍동실험을 실시하는 것은 합리성과 효용성이 있는 수단을 인증하는 것이다. 풍동실험을 실시하자면 우선 풍류장의 모의 설계를 해야 하고, 그 중에는 일련의 파라메타 상사법칙을 만족해야 한다. 한편 모든 상사법칙의 파라메타를 다 상사시킬 수 없기 때문에 대공간 지붕의 공력진동모형 설계 시 중요한 상사조건을 만족시킬 수 있는지의 실험 성공여부가 관건이 되고 있다.

일반적 구조물은 기하형태와 질량, 강도의 분포 상사 외에 Strouhal number와 Froude number의 일치성을 고려하고, 구조물의 동적성능에 대한 연구를 할 때 관성과 감쇠의 상사를 고려하여야 한다. 밀폐식 대공간 막구조물 지붕의 진동시 구조물 내부의 밀폐한 공간체적의 변화에 따라 건물내부의 공기압력이 변화되고, 건물내외에 압력차가 있어 구조물 강도에 하나의 탄성강도를 부가하는 것과 같다. 그 리고 구조물 주변의 벽에 문이나, 창문, 통풍구가 항상 설치되어 있어 바람이 불 때, 이런 개구부를 자주 열거나 닫으면 건물의 내부 공기 압력의 변화가 더 심해지고, 이때 막 구조물 지붕이 피스톤과 같이 수직방향으로 상하운동을 하게 되고, 심하면 대공간 막 지붕이 피로에 의해 파괴되는 일이 발생하게 된다.

본 발명은 밀폐한 대공간 막구조물 모형을 이용하여 벽에서 개구부의 개폐율, 장력 등에 따라 동적특성을 확인할 수 있고, 막구조물의 고유진동수를 측정할 수 있는 막구조물의 고유진동수 측정장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 피측정 막구조물의 벽체를 상사한 상태로 형성된 고정플레이트부와; 피측정 막구조물의 지붕을 상사한 물성을 갖는 막을 상기 고정플레이트부의 상단에 고정하는 막고정부와; 상기 막고정부에 고정된 막에 화이트노이즈를 발생시켜 진동을 발생시키는 화이트노이즈 발생부와; 상기 화이트노이즈 발생부에 의해 진동하는 상기 막의 변위를 측정하는 변위측정부와; 상기 변위측정부에 의해 측정된 데이터를 스펙트럼분석하여 고유진동수를 측정하는 연산부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 막구조물의 고유진동수 측정장치를 제공한다.

상기 막고정부는 상기 고정플레이트부의 상단에 체결부재에 의해 고정되는 고정링으로 이루어지고, 상기 막은 상기 고정플레이트부와 상기 고정링 사이에 게재되어 고정되는 것이 좋다.

그리고, 상기 고정플레이트 내에 위치하는 장력조절링과, 상기 장력조절링의 높이를 조절하여 상기 막고정부에 고정된 상기 막의 장력을 조절하는 높이조절부재 를 포함하여 이루어진 장력조절부가 구비되는 것이 바람직하다.

상기 고정플레이트에는 하나 이상의 관통구가 형성되고, 상기 고정플레이트에 형성된 관통구의 개방정도를 조절하는 개방조절부재가 구비되는 것이 바람직하다.

본 발명은 밀폐한 대공간 막구조물 모형을 이용하여 벽에서 개구부의 개폐율, 장력 등에 따라 동적특성을 확인할 수 있고, 막구조물의 고유진동수를 측정할 수 있는 효과가 있다.

이하, 본 발명의 막구조물의 고유진동수 측정장치를 실시예를 들어 상세히 설명하면 다음과 같고, 본 발명의 권리범위는 하기의 실시예에 한정되는 것은 아니다.

도 1은 본 발명의 일실시예인 막구조물의 고유진동수 측정장치를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 2는 막구조물의 고유진동수 측정장치의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이며, 도 3은 도 1의 막구조물의 고유진동수 측정장치의 종단면 상태를 개략적으로 나타내는 종단면도이다.

본 발명의 막구조물의 고유진동수 측정장치는 도 1과 같이 크게 고정플레이트부(10), 막고정부(20), 화이트노이즈 발생부, 변위측정부(40) 및 연산부(60)를 포함하여 이루어진다.

상기 고정플레이트부(10)는 피측정 막구조물의 벽체를 상사법칙에 의해 상사한 형태 및 구조로 이루어진다. 즉, 돔형태의 지붕구조의 stadium 구조물의 벽체를 상사하게 되면 도 1 및 도 3과 같이 상기 고정플레이트부(10)는 원통형 형상으로 형성되고, 이와 같이 상기 고정플레이트부(10)의 형상 및 구조는 피측정 막구조물의 벽체의 형상 및 구조에 의해 결정된다.

그리고 상기 고정플레이트부(10)에는 하나 이상의 관통구(110)가 형성되는 것이 바람직하다. 이는 피측정 막구조물의 지붕이 폐쇄형이라도 대상 건물이 보통 경기장, 박람회장 등이 때문에 사람들의 빈번하게 왕래함에 따라 막 내부에 항상 일정한 압력이 존재하지 않기 때문이다. 대공간 구조물의 경우 다른 구조물과 다르게 측면에 많은 출입문이 많이 설치되어 있다.

또한 상기 고정플레이트부(10)에 내경이 상이한 관통구(110)를 여러개 형성한 후 상기 관통구(110)의 개방정도(공극률)를 조절하여 상기 막의 자유진동수 변화를 측정할 수 있음은 물론이다.

한편, 도면에 도시하지 않았으나, 피측정 막구조물의 구조에 따라 상기 고정플레이트부(10)에 형성된 관통구(110)의 개방정도를 조절할 수 있는 개방조절부재가 구비되는 것이 바람직하다.

그리고 상기 막고정부(20)는 피측정 막구조물의 지붕을 상사법칙에 의해 상사한 막을 상기 고정플레이트부(10)에 고정하기 위한 것으로서, 상기 고정플레이트 부(10)의 상단에 체결부재(210)에 의해 고정되는 고정링(20)으로 이루어진다. 그리고 상기 막은 상기 고정링(20)과 상기 고정플레이트부(10) 사이에 게재되어 고정된다.

한편, 상기 막에 장력을 부여하기 위해 상기 막의 장력을 조절할 수 있는 장력조절부(50)를 구비하는 것이 바람직하다. 상기 장력조절부(50)는 상기 고정플레이트 내에 위치하는 장력조절링(510)과, 상기 장력조절링(510)의 높이를 조절하여 상기 막고정부(20)에 고정된 상기 막의 장력을 조절하는 높이조절부재로 이루어진다. 상기 높이조절부재는 상기 고정플레이트부(10)에 등간격으로 형성된 세로방향의 슬릿(530)에 삽입된 상태로 상기 장력조절링(510)이 안착되는 높이조절바(522)와, 상기 높이조절바(522)를 승강시켜 상기 장력조절링(510)에 의해 상기 막의 장력을 조절하는 높이조절나사(526)를 포함하여 이루어진다.

도 4는 장력조절부에 의해 막에 장력이 부여된 상태를 나타내는 도면이다.

상기 높이조절나사(526)는 상기 고정플레이트부(10)에 형성된 슬릿(530)의 하측에 구비되고 나사공이 형성된 고정편(524)에 나사결합된다. 상기 높이조절나사(526)를 시계방향으로 회전시키면 상기 높이조절나사(526)는 상기 고정편(524)을 기준으로 상승하게 되고, 이에 따라 상기 높이조절바(522) 및 상기 장력조절링(510)은 상승하게 되고 이에 따라 도 4와 같이 상기 막에 일정한 장력이 부여되도록 조절할 수 있다.

한편 상기 막의 장력을 정밀하게 조절하기 위해 상기 고정플레이트부(10)에 등간격으로 상기 막의 장력을 측정하기 위한 다이얼게이지(70)를 설치하는 것이 바 람직하다.

상기 다이얼게이지(70)를 확인하면서 상기 장력조절부(50)로 상기 막의 장력을 조절하면 간편하게 상기 막의 장력을 조절할 수 있다.

그리고 상기 화이트노이즈 발생부는 상기 막고정부(20)에 의해 고정된 막에 화이트노이즈를 발생시켜 진동을 발생시키기 위한 것으로서, 화이트노이즈의 주파수를 발생시키는 주파수 발생기(310)와, 상기 주파수 발생기(310)에 의해 발생된 화이트노이즈를 증폭시키는 증폭부(320)와, 상기 증폭부(320)에 의해 증폭된 화이트노이즈를 상기 막상에 발생시키는 스피커부(330)로 이루어진다. 상기 스피커부(330)에 의해 상기 막고정부(20)에 의해 고정된 막에 진동이 발생된다.

상기 화이트노이즈 발생부에 의해 진동하는 상기 막(1)의 변위는 상기 고정플레이부(10) 내에 고정설치된 변위측정부(40)에 의해 측정된다.

상기 변위측정부(40)로서는 레이저 변위계를 이용하는 것이 바람직하나, 크게 한정되는 것은 아니다. 상기 변위측정부(40)로서 복수의 레이저 변위계를 사용하게 되면 더욱 정밀하게 상기 막의 고유진동수를 측정할 수 있을 뿐만 아니라 상기 화이트노즈 발생부의 진동 mode shape에 따라 대칭과 반대칭 진동을 쉽게 판단할 수 있다.

상기 연산부(60)는 상기 변위측정부(40)에 의해 측정된 데이터를 스펙트럼분 석하여 고유진동수를 측정하고, 고유진동수 측정방법은 당업자가 용이하게 실시할 수 있으므로 상세한 설명은 생략한다. 그리고 고유진동수에 대한 정현파를 주파수 발생부로 발생시키면 상기 막의 모우드 현상을 찾을 수 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예인 막구조물의 고유진동수 측정장치를 개략적으로 나타내는 도면이고,

도 2는 막구조물의 고유진동수 측정장치의 구성을 개략적으로 나타내는 블록도이며,

도 3은 도 1의 막구조물의 고유진동수 측정장치의 종단면 상태를 개략적으로 나타내는 종단면도이다.

Claims

피측정 막구조물의 벽체를 상사한 상태로 형성된 고정플레이트부와; 피측정 막구조물의 지붕을 상사한 물성을 갖는 막을 상기 고정플레이트부의 상단에 고정하는 막고정부와; 상기 막고정부에 고정된 막에 화이트노이즈를 발생시켜 진동을 발생시키는 화이트노이즈 발생부와; 상기 화이트노이즈 발생부에 의해 진동하는 상기 막의 변위를 측정하는 변위측정부와; 상기 변위측정부에 의해 측정된 데이터를 스펙트럼분석하여 고유진동수를 측정하는 연산부;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 막구조물의 고유진동수 측정장치.
제1항에 있어서, 상기 막고정부는 상기 고정플레이트부의 상단에 체결부재에 의해 고정되는 고정링으로 이루어지고, 상기 막은 상기 고정플레이트부와 상기 고정링 사이에 게재되어 고정되는 것을 특징으로 하는 막구조물의 고유진동수 측정장치.
제2항에 있어서, 상기 고정플레이트 내에 위치하는 장력조절링과, 상기 장력조절링의 높이를 조절하여 상기 막고정부에 고정된 상기 막의 장력을 조절하는 높이조절부재를 포함하여 이루어진 장력조절부가 구비되는 것을 특징으로 하는 막구 조물의 고유진동수 측정장치.
제1항에 있어서, 상기 변위측정부는 레이저 변위계인 것을 특징으로 하는 막구조물의 고유진동수 측정장치.
제1항에 있어서, 상기 고정플레이트에는 하나 이상의 관통구가 형성되는 것을 특징으로 하는 막구조물의 고유진동수 측정장치.
제5항에 있어서, 상기 고정플레이트에 형성된 관통구의 개방정도를 조절하는 개방조절부재가 구비되는 것을 특징으로 하는 막구조물의 고유진동수 측정장치.