KR101102659B1 - 풍동 시험체의 강제 가진장치 - Google Patents

풍동 시험체의 강제 가진장치 Download PDF

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김호경
김권택
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목포대학교산학협력단
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Abstract

본 발명은 풍동 시험체에 연직 진동 또는 비틈 진동이 가해진 상태에서 풍동 시험체에 작용하는 풍하중을 측정할 수 있도록 하는 풍동 시험체의 강제 가진장치에 관한 것으로서, 본 발명의 풍동 시험체의 강제 가진장치는 풍동 시험체의 양단부에 각각 외측으로 돌출된 축부재에 수직으로 연장되는 크랭크샤프트와; 모터의 구동에 의해 회전하는 구동축의 양단부에 각각 연결되는 회전판과; 상기 크랭크샤프트와 상기 회전판을 연결하는 커넥팅 로드; 및 상기 축부재에 설치되어 양력 및 모멘트를 측정하는 로드셀을 포함한다. 여기서, 상기 커넥팅 로드의 일단부는 상기 회전판의 중심으로부터 편심되어 연결되고, 상기 커넥팅 로드의 타단부는 상기 풍동 시험체에 연직 진동을 부여할 때는 상기 크랭크샤프트의 중심 단부에 연결되고, 상기 풍동 시험체에 비틈 진동을 부여할 때는 상기 크랭크샤프트의 중심 단부로부터 이격되는 크랭크샤프트의 일측에 연결된다.

Description

풍동 시험체의 강제 가진장치{APPARATUS FOR OSCILLATING MODEL OF BRIDGE FOR WIND TUNNEL}
본 발명은 풍동 시험체의 강제 가진(加振)장치에 관한 것으로서, 더욱 구체적으로는, 교량의 상부구조물 등과 같은 실험 대상구조물을 축소하여 2차원 모형으로 제작된 풍동 시험체에 대해 강제로 바람을 불어서 풍하중이 작용하는 상태를 만들고, 이러한 상태에서 풍동 시험체의 단면 플러터 계수 등을 측정하여 풍하중 작용상태에서의 대상구조물의 구조적인 거동을 파악하는 풍동 실험을 수행함에 있어서, 대상구조물이 실제로 처한 상태를 모사(simulation)하기 위하여 풍동 시험체에 비틈 진동을 가진하거나 또는 연직 진동을 가진할 수 있는 풍동 시험체의 강제 가진장치에 관한 것이다.
대상구조물에 바람이 불었을 때 대상구조물의 표면 또는 주변에 대한 공기 움직임, 및 그에 따른 대상구조물의 구조적인 거동 등을 연구하기 위하여, 대상구조물을 모사하는 풍동 시험체를 제작하고, 이러한 풍동 시험체에 인공적인 바람을 불어서 바람의 송풍으로 인한 하중 즉, 풍하중이 풍동 시험체에 작용하게 만든 후, 풍동 시험체에 발생하는 물리적인, 구조적인 작용이나 영향을 파악하는 풍동 실험을 수행하는 경우가 많다. 이러한 풍동 실험은 자동차, 항공기 등에 작용하는 공기 역학적 특성(양력, 모멘트력 등)을 연구하는데 사용될 뿐만 아니라, 교량이나 기타 건축물에 대한 풍하중의 영향 등을 연구하는데도 이용된다.
예를 들면, 교량의 교각 위에 설치되는 바닥판, 거더 등으로 이루어진 교량 상부구조물에 대해, 풍하중 작용할 경우의 단면 플러터 계수 등을 측정하여 교량 상부구조물의 풍하중에 대한 안정성, 구조적인 거동 등을 파악하기 위하여 이러한 풍동 시험이 이용된다. 특히 교량의 상부구조물은 교축에 대해 횡방향으로 즉, 상부구조물의 측면으로 풍하중이 가해질 경우, 상부구조물에는 횡방향 힘이 가해지고 비틈이 가해지기 때문에 교량의 안정성뿐만 아니라 사용성에도 큰 영향을 준다. 따라서 교량 상부구조물에 대해서는 교량의 내풍 안전성을 평가하기 위한 풍동 시험이 필수적이라고 할 수 있다.
교량 상부구조물에 대한 종래의 풍동 시험에서는, 교량의 상부구조물에 대한 모형 즉, 풍동 시험체를 바람의 강제 송풍이 이루어지는 밀폐된 통로 형태의 송풍 박스 내에 가로질러 고정 배치하고, 송풍 박스 내에서 강제 송풍을 하여 기류에 의한 풍하중이 풍동 시험체의 측면에 가해진 상태에서 풍동 시험체의 여러 가진 물리적인 거동 즉, 진동, 처짐 등의 물리량을 측정하여 구조적인 거동을 파악하게 된다.
이와 같이 풍하중에 따른 교량 상부구조물의 구조적인 거동 등을 풍동 시험체에 대한 풍동 실험을 통해 파악함에 있어서는, 풍동 시험체를 실제 교량 상부구조물의 상태와 동일한 조건에 있도록 하는 것이 매우 중요하다. 실제 교량 상부구조물의 경우에는 차량의 통행 등에 의하여, 연직방향의 상하로 움직이는 연직 진동과, 교축을 중심으로 상부구조물을 비틀게 되는 비틈 진동을 받고 있으며, 이러한 상황에서 풍하중이 가해지게 된다. 따라서 교량 상부구조물의 단면 플러터 계수 등과 같은 교량 상부구조물의 구조적인 특성과 관련된 여러 가지 구조적인 지표를 풍동 실험을 통해서 취득하기 위해서는, 풍동 시험체가 위와 같은 교량 상부구조물의 실제 상황을 반영한 상태에 놓여 있을 때 풍하중이 가해져야 하고, 이러한 상태에서 풍하중에 따른 압력, 변위, 가압력 등을 측정할 필요가 있다.
그런데 종래의 풍동 실험에서는 교량 상부구조물을 모사하는 풍동 시험체의 양단이 고정된 상태 즉, 연직 진동도 없고 비틈 진동도 없는 상태에서 풍동 시험체에 풍하중이 작용하게 된다. 즉, 풍동 시험체의 양단을 송풍 박스의 양측 벽에 고정시킨 상태에서 강제 송풍을 하는 형태로 풍동 실험이 이루어졌던 것이다. 따라서 앞서 설명한 것처럼 연직 진동이 일어나고 있거나 비틈 진동이 일어나고 있는 상황에서 풍하중을 받는 실제 교량 상부구조물의 상태와는 다른 상황에 처한 상태에서, 교량 상부구조물의 단면 플러터 계수 등을 구하게 된다. 즉, 종래의 풍동 실험에서는 실제 교량 상부구조물이 처한 상황과 다른 상황에서 풍하중에 의한 구조적인 거동을 시험하는데 그치는 한계가 있는 것이다.
본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 구체적으로는 대상구조물을 모사하는 풍동 시험체가 강제 송풍에 의한 풍하중을 받는 상태에서 필요한 물리량을 측정하는 풍동 실험을 수행함에 있어서, 실제 대상구조물이 처한 상황과 마찬가지로 풍동 시험체가 연직 진동, 비틈 진동 등을 하고 있는 상태에서 풍하중을 받는 상황에 놓이게 함으로써, 풍동 시험체를 이용한 풍동 실험의 정확성과 신뢰성을 향상시키는 것을 목적으로 한다.
구체적으로 본 발명에서는 풍동 실험을 위하여 송풍 통로에 배치된 풍동 시험체에 연직 진동 또는 비틈 진동을 가할 수 있을 뿐만 아니라, 가진의 진폭을 조절하여 다양한 진동 조건을 제공할 수 있게 함으로써, 교량의 상부구조물을 모사하는 풍동 시험체의 경우, 단면 플러터계수 등의 중요한 구조적 지표를 더욱 높은 정확도와 신뢰도로 측정할 수 있도록 하는 것을 목적으로 한다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명에서는 대상구조물을 모사하는 풍동 시험체가 연직 진동 또는 비틈 진동을 하고 있는 상황에서 풍하중이 가해질 수 있도록, 풍동 시험체에 연직 진동을 부여하는 것(연직 가진)과 비틈 진동을 부여하는 것(비틈 가진)을 수행할 수 있는 강제 가진장치를 제공한다.
구체적으로 본 발명에서는 강제 송풍이 이루어지는 밀폐된 통로 형태의 송풍 박스 내에 가로질러 배치되는 풍동 시험체에, 직선 왕복 운동에 의한 연직 진동 또는 왕복 회전에 의한 비틈 진동을 부여하는 풍동 시험체의 강제 가진장치로서, 상기 풍동 시험체의 양단부에 각각 외측으로 돌출된 축부재로부터 수직으로 연장되는 크랭크샤프트; 모터의 구동에 의해 회전하는 구동축의 양단부에 각각 연결되는 회전판; 상기 크랭크샤프트와 상기 회전판을 연결하는 커넥팅 로드; 및 상기 축부재에 설치되어 양력 및 모멘트를 측정하는 로드셀을 포함하며, 상기 커넥팅 로드의 하단부는 상기 회전판의 중심으로부터 편심되어 상기 회전판에 연결되고, 상기 커넥팅 로드의 상단부는, 상기 풍동 시험체에 연직 진동을 부여할 때에는 상기 크랭크샤프트의 중심부에 연결되고, 상기 풍동 시험체에 비틈 진동을 부여할 때에는 상기 크랭크샤프트의 중심부로부터 이격되어 있는 크랭크샤프트의 일측에 연결되어, 상기 커넥팅 로드의 상단부가 상기 크랭크샤프트의 중심부에 연결된 상태에서 상기 회전판의 회전에 의해 커넥팅 로드의 상단부가 직선 왕복 운동함에 따라 풍동 시험체에 연직 진동이 부여되고, 상기 커넥팅 로드의 상단부가 상기 크랭크샤프트의 중심부로부터 이격되어 있는 일측에 연결된 상태에서 상기 회전판의 회전에 의해 커넥팅 로드의 상단부가 곡선 궤도로 왕복 운동함에 따라 풍동 시험체에 비틈 진동이 부여되는 것을 특징으로 하는 풍동 시험체의 강제 가진장치가 제공된다.
이러한 본 발명의 강제 가진장치에서, 상기 회전판에는, 상기 커넥팅 로드의 하단부의 편심 위치를 이동시키기 위하여, 너트의 조작에 의해 회전되는 스크류 봉; 및 커넥팅 로드의 하단부가 결합되어 있고, 상기 스크류 봉에 장착되어 상기 스크류 봉의 회전에 따라 상기 스크류 봉을 이동하여 상기 커넥팅 로드 하단부의 편심 위치를 변경시키는 슬라이딩체를 포함하는 편심량 조절부가 더 구비될 수 있다. 또한 본 발명의 강제 가진장치에서는, 상기 풍동 시험체의 연직 진동을 위한 직선 왕복 운동을 가이드하고 풍동 시험체의 축부재를 지지하기 위하여, 상기 축부재가 관통하게 되는 개방창이 형성된 가이드 프레임이 구비되어 있고; 상기 가이드 프레임에는 상기 풍동 시험체의 직선 운동 방향으로 가이드 레일이 설치되어 있으며; 상기 축부재에는, 상기 풍동 시험체의 직선 왕복 운동시에 상기 가이드 레일을 따라 슬라이딩하는 연직 플레이트가 끼워져 있는 구조가 구비될 수도 있다.
이러한 구조에서, 상기 연직 플레이트에는 상기 풍동 시험체의 비틈 진동시 상기 가이드 레일 상의 상기 연직 플레이트의 이동을 제한하는 제1 스토퍼가 구비될 수 있고, 또한 상기 크랭크샤프트에는, 상기 풍동 시험체의 연직 진동시 상기 크랭크샤프트의 회전을 제한도록 상기 연직 플레이트와 결합되는 제2 스토퍼가 구비될 수도 있다.
이러한 본 발명에서, 상기 가이드 프레임은, 송풍 박스의 양측 벽에 회전 가능하게 설치되며 지지 프레임을 구비한 원형 프레임에 장착되어 있고; 상기 원형 프레임의 외주면에는 기어부가 형성되어 있으며; 상기 기어부에는 모터)에 의해 회전하는 스크류가 맞물려 있어 상기 모터의 구동에 의해 상기 스크류가 회전하게 되면 상기 원형 프레임이 회전하여, 가이드 프레임에 의해 가이드하는 상기 풍동 시험체의 연직 진동을 위한 직선 왕복 운동의 각도가 변화되는 구성을 가질 수 있다. 이 경우, 상기 원형 프레임은, 그 원형 둘레를 따라 소정 간격으로 배치된 롤러(16)에 의해 지지될 수 있다.
본 발명에 따른 풍동 시험체의 강제 가진장치를 이용하게 되면, 풍동 실험을 수행할 때, 풍동 시험체에 연직 진동과 비틈 진동을 선택적으로 제공할 수 있고, 가진의 진폭 및 주기를 다양하게 조절할 수 있어 다양한 실험 조건하에서 신뢰성이 높은 풍동 실험을 수행할 수 있으며, 특히, 교량 상부구조물에 대한 풍동 시험체에 대해서는 실제 교량 상부구조물의 상황을 반영한 단면 플러터계수를 신뢰성있게 측정할 수 있는 효과를 발휘하게 된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 강제 가진장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 강제 가진장치의 부분 확대도이다.
도 3은 도 1의 강제 가진장치의 측면도이다.
도 4는 도 3의 A부분 확대도이다.
도 5는 도 3의 B부분 확대도이다.
도 6은 연직 가진 모드시 커넥팅 로드와 크랭크샤프트의 연결 관계를 나타낸 도면이다.
도 7은 도 3에 대응되는 측면도로서, 본 발명의 강제 가진장치에서 원형 프레임이 소정 각도로 회전되어 있으며, 그에 따라 풍동 시험체의 연직 진동 방향이 기울어진 실시예의 측면도이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 풍동 시험체의 강제 가진장치(이하, "강제 가진장치"라고 약칭한다)의 개략적인 사시도이고, 도 2는 도 1에 도시된 강제 가진장치의 부분 확대도이며, 도 3은 도 1에 도시된 강제 가진장치의 측면도이다.
본 발명에 따른 풍동 시험체의 강제 가진장치(100)는, 투명한 판재로 이루어지고 바람의 강제 송풍이 이루어지는 밀폐된 통로 형태의 송풍 박스(20)(도 1에서는 이점쇄선으로 도시된 부재) 내에 가로질러 배치되는 풍동 시험체(30)가 연직 진동 또는 비틈 진동 상태에서 강제 송풍에 의한 풍하중을 받도록 풍동 시험체(30)에 연직 진동 또는 비틈 진동을 부여하는 가진장치이다.
도 1 내지 도 3에 도시된 실시예에서, 상기 풍동 시험체(30)는 교량의 상부구조물 즉, 교량의 바닥판을 모사하는 두께와 폭을 가지며 일방향으로 긴 플레이트 형상으로 이루어져 있으며, 송풍 박스(20) 내에 가로질러 배치된다. 본 발명에 따른 강제 가진장치(100)는, 풍동 시험체(30)의 양단에 구비되는 축부재(31)를 포함하는데, 상기 축부재(31)는 풍동 시험체(30)의 양단부로부터 돌출되어 송풍 박스(20)의 양측벽에 형성된 개구부(22)를 통과하여 송풍 박스(20)의 외부로 각각 연장되어 있다. 도면에 도시된 것처럼 상기 개구부(22)는 후술하는 것처럼 축부재(31)가 직선 왕복 운동할 할 수 있도록 축부재(31)의 직선 왕복운동 방향으로 길게 장공형태로 형성될 수 있으며, 후술하는 것처럼 축부재(31)가 경사진 상태로 직선 왕복 운동하는 경우를 대비하여 원형으로 형성될 수도 있다.
상기 축부재(31)는 풍동 시험체(30)의 긴 플레이트 형상에 맞추어 풍동 시험체(30)의 내부를 관통하여 길게 배치될 수도 있고, 필요에 따라서는 풍동 시험체(30)의 양측 단부에 별도로 결합되는 형태(예를 들면, 봉형상의 부재가 풍동 시험체(30)의 양측 단부에 각각 끼워지는 형태)로 구비될 수도 있다. 각각의 축부재(31)의 외측 단부에는 상기 축부재(31)와 수직하게 연장되며 소정 길이를 가지는 크랭크샤프트(32)가 결합되어 있다. 후술하는 것처럼, 축부재(31)가 이동 플레이트(70)를 관통한 후, 관통된 축부재(31)의 단부에 크랭크샤프트(32)의 중심부(321)가 일체로 결합되는 것이다. 이와 같이 풍동 시험체(30)와 축부재(31)와 크랭크샤프트(32)는 일체를 이루고 있으므로, 회전이나 직선 운동하는 등의 크랭크샤프트(32)의 움직임에 따라 축부재(31)와 풍동 시험체(30)도 함께 회전, 직선 운동의 형태로 움직이게 된다. 축부재(31)에는 송풍 박스(20) 내에서 송풍되는 바람에 의해 풍동 시험체(30)에 작용하는 양력, 모멘트력 등을 측정하기 위한 로드셀(33)이 장착된다.
본 발명에 따른 강제 가진장치(100)에는 상기 풍동 시험체(30)에 연직 진동 또는 비틈 진동을 가하기 위한 구동부(40)가 구비되는데, 도면에 도시된 실시예에서, 상기 구동부(40)는 송풍 박스(20)의 양측 벽체 하부에 구비되어 있다. 상기 구동부(40)는, 구동 모터(42) 및 상기 구동 모터(42)의 회전 방향과 속도를 변경하는 기어 박스(44)를 포함한다. 상기 기어 박스(44)의 양측에는 구동축(46)이 각각 연결되고, 구동축(46)의 각 단부에는 회전판(48)이 고정 설치된다. 상기 구동축(46)은 풍동 시험체(30)와 나란하게 송풍 박스(20)를 가로질러 배치된다.
회전판(48)은, 풍동 시험체(30)의 양단부에 구비된 크랭크샤프트(32)의 아래쪽에 위치하며, 도 3에 도시된 바와 같이, 회전판(48)의 중심과 풍동 시험체(30)의 축부재(31)의 중심은 수직방향으로 서로 일직선상에 위치하게 된다.
크랭크샤프트(32)와 회전판(48)은 커넥팅 로드(50)에 의해 연결된다. 즉, 커넥팅 로드(50)의 하단부는 회전판(48)의 중심으로부터 편심된 위치에 연결되고, 커넥팅 로드(50)의 상단부는 강제 가진장치(100)의 연직 가진 모드(연직 진동을 부여하는 모드) 또는 비틈 가진 모드(비틈 진동을 부여하는 모드)에 따라 크랭크샤프트(32)의 중심부(321)에 연결되거나 크랭크샤프트(32)의 말단부(322)에 연결된다. 도 1 내지 도 3에서는 풍동 시험체의 비틈 운동 모드인 경우를 나타낸 것으로서, 커넥팅 로드(50)의 상단부가 크랭크샤프트(32)의 말단부(322)에 연결된 것이다.
송풍 박스(20)의 양측 벽체에는 각각 막대부재로 이루어진 기초 프레임(10)이 설치되고, 상기 기초 프레임(10)의 외부로는 회전 가능하게 원형 프레임(12)이 설치된다. 원형 프레임(12) 위에는 풍동 시험체(30)의 양단을 지지하는 사다리형의 지지 프레임(14)이 고정된다. 원형 프레임(12)의 외주면 중 하부 일부에는 기어부(122)가 형성되어 있으며, 상기 기어부(122)에는 스크류(60)가 맞물려 있다. 스크류(60)는 동축으로 연결되는 모터(62)에 의해 회전한다. 따라서, 모터(62)의 구동에 의해 스크류(60)가 회전하면, 스크류(60)에 맞물린 기어부(122)에 의해 원형 프레임(12)이 소정 각도만큼 회전하게 된다. 후술하는 것처럼 풍동 시험체(30)에 대해 연직 진동을 부여하여, 풍동 시험체(30)가 직선 왕복 운동하도록 만들 때, 이러한 원형 프레임(12)의 회전 각도를 조절함으로써, 풍동 시험체(30)가 직선 왕복 운동하여 연직 진동하는 방향이 지면에 대해 수직한 방향이 되지 않고 기울어지도록 할 수 있다. 이에 대해서는 후술한다. 상기 원형 프레임(12)은 기초 프레임(10)에 설치되는 지지 롤러(16)에 의해 더욱 원활하게 회전할 수 있다.
도 4는 도 3의 A부분 확대도이고, 도 5는 도 3의 B부분 확대도이다.
도 4를 참고하면, 지지 프레임(14) 상에는 풍동 시험체(30)의 연직 진동을 허용하기 위해 직선 운동 방향으로 길게 개방창(162)이 형성된 가이드 프레임(160)이 고정 설치된다. 도면에 도시된 실시예에서는 수직한 프레임 부재와 수평한 프레임 부재에 의해 사다리형으로 이루어진 지지 프레임(14)에서 수평한 프레임 부재에 걸쳐서 상기 가이드 프레임(160)이 설치되어 있다.
상기 가이드 프레임(160)의 외면 양측에는 상기 개방창(162)의 길이 방향으로 연장된 가이드 레일(164)이 구비된다. 상기 가이드 레일(164)에는 이동 플레이트(70)가 상하로 슬라이딩할 수 있게 장착된다. 도면에 도시된 실시예에서는 가이드 레일(164)은 한 쌍으로 구비되어 개방창(162)의 양측에 구비되어 있다. 상기 풍동 시험체(30)의 축부재(31)에는 이동 플레이트(70)가 결합되는데, 크랭크샤프트(32)가 회전할 때 그와 연결된 축부재(31)도 회전할 수 있도록, 상기 축부재(31)는 이동 플레이트(70)를 관통하게 된다. 즉, 축부재(31)가 이동 플레이트(70)를 관통한 후, 축부재(31)의 단부에 크랭크샤프트(32)가 결합되는 것이다.
연직 가진 모드에서는 이동 플레이트(70)가 상기 가이드 레일(164)을 따라 슬라이딩하게 되는데 비하여, 비틈 가진 모드에서는 이동 플레이트(70)가 가이드 레일(164)을 따라 슬라이딩하지 않아야 한다. 이를 위하여 이동 플레이트(70)에는 가이드 레일(164) 상의 슬라이딩을 제한하는 제1 스토퍼(72)가 장착된다. 즉, 제1 스토퍼(72)는 이동 플레이트(70)상에서 볼트와 같이 풀거나 죔으로써, 이동 플레이트(70)가 가이드 레일(164)을 따라 이동하는 것을 제한하거나 또는 허용한다. 특히, 도 4는 비틈 가진 모드를 나타내는데, 이동 플레이트(70)의 이동을 제한하기 위해 제1 스토퍼(72)를 죄어 이동 플레이트(70)를 가이드 레일(164) 상에 고정된 상태를 보여준다.
도 5를 참고하면, 회전판(48)에는 커넥팅 로드(50)의 하단부의 편심 위치를 조절하는 편심량 조절부(80)가 구비된다. 편심량 조절부(80)는 회전판(48)의 중심을 사이에 서로 대향 배치되는 한 쌍의 지지대(82), 및 상기 지지대(82)에 끼워져 상기 지지대(82)에 의해 회전가능하게 지지된 상태로 회전판(48)의 중심을 지나는 지름 위치에 배치되는 막대 형상의 스크류 봉(84)을 포함한다. 스크류 봉(84)에는 슬라이딩체(86)가 끼워진다. 스크류 봉(84)을 용이하게 회전시킬 수 있도록 스크류 봉(84)의 일단에는 회전손잡이(841)가 구비될 수 있다. 작업자가 회전손잡이(841)를 돌려 스크류 봉(84)을 회전시키게 되면, 슬라이딩체(86)는 스크류 봉(84)의 회전에 따라 스크류 봉(84)을 타고 슬라이딩한다. 또한, 회전판(48)에는 스크류 봉(84)과 나란하게 구비될 수도 있다.
후술하는 것처럼, 상기 슬라이딩체(86)에는 커넥팅 로드(50)의 하단부가 회전가능하게 결합되는데, 위와 같이 슬라이딩체(86)가 스크류 봉(84) 위에서 회전판(48)의 중심으로부터 편심을 가지는 위치에 위치함으로써, 회전판(48)이 회전할 때, 커넥팅 로드(50)의 하단부가 원형 궤도를 따라 움직이게 되며, 그에 따라 커넥팅 로드(50)의 상단부가 직선운동하게 된다(도면에서는 승하강하게 된다).
상기 편심량 조절부(80)는 풍동 시험체(30)의 연직 진동시의 진폭(커넥팅 로드(50)의 상단부가 직선 왕복 운동하는 진폭)을 증감시키게 되며, 풍동 시험체(30)가 비틈 진동할 때 풍동 시험체(30)가 회전되는 진폭의 각도를 조절하게 되는 것인데, 연직 운동시의 진폭은 ㅁ50mm까지 조절할 수 있으며, 0.2mm 비율로 조절할 수 있다. 비틈 운동시의 진폭 각도는 ㅁ30도까지 조절할 수 있으며, 0.2도 비율로 조절가능하다.
도 6은 연직 가진 모드시 커넥팅 로드(50)와 크랭크샤프트(32)의 연결 관계를 나타낸 도 4에 대응되는 도면이다.
도 6을 참고하면, 풍동 시험체(30)의 연직 가진 모드시에는 커넥팅 로드(50)의 상단부가 크랭크샤프트(32)의 중심부(321)에 연결된다. 축부재(31)가 크랭크샤프트(32)와 일체로 된 상태에서 크랭크샤프트(32)로부터 더 도출된 축부재(31)의 외측 단부가 상기 크랭크샤프트(32)의 중심부(321)에 해당할 수도 있고, 이와 달리 크랭크샤프트(32)의 외면에서 축부재(31)의 위치에 별도로 돌출 설치된 부분이 중심부(321)에 해당할 수도 있다. 이와 같이 커넥팅 로드(50)의 상단부가 크랭크샤프트(32)의 중심부(321)에 연결될 때 제1 스토퍼(72)는 풀려 있는 상태이며, 따라서 이동 플레이트(70)는 가이드 레일(164)을 따라 직선으로 왕복 운동할 수 있는 상태가 된다. 또한, 연직 가진 모드시에는 크랭크샤프트(32)의 회전을 방지하기 위해, 제2 스토퍼(74)가 구비될 수 있다. 제2 스토퍼(74)는 제1 스토퍼(72)와 유사하게 볼트와 같이 풀거나 죔으로써, 이동 플레이트(70) 상의 크랭크샤프트(32)의 회전을 제한하는 구성을 가질 수 있다.
지금까지, 본 발명의 강제 가진장치(100)에 대한 구성을 살펴보았으며, 이하에서는 풍동의 강제 가진장치(100)의 작동에 대하여 살펴본다.
<비틈 가진 모드의 작동>
비틈 가진 모드는 축부재(31)를 중심으로 풍동 시험체(30)를 소정 각도로 반복하여 왕복하여 회전시키는 것이다. 즉, 소정 각도로 시계방향으로 회전하고 다시 반시계 방향으로 회전하는 것을 반복하게 만드는 것이다. 이러한 비틈 가진 모드에서는, 도 3에 도시된 것처럼 커넥팅 로드(50)의 상단부가 크랭크샤프트(32)의 말단부(322)에 연결되고, 제1 스토퍼(72)에 의해 이동 플레이트(70)의 이동이 고정된다.
먼저, 구동 모터(42)가 작동하면 구동축(46)이 회전한다. 기어 박스(44)를 조절함으로써 구동축(46)의 회전방향 및 속도를 변경시킬 수 있다. 구동축(460이 회전하게 되면, 구동축(46)의 양단부에 구비된 송풍 박스(20)의 양측 벽에 각각 구비된 회전판(48)이 동시에 회전한다. 회전판(48)이 회전하면, 상기 회전판(48)의 중심에서 편심되어 연결된 커넥팅 로드(50)의 하단부가 회전판(48)의 중심에 대하여 편심을 가지고 회전을 하게 된다. 즉, 커넥팅 로드(50)의 하단부가 원형의 궤도를 그리면서 회전을 하게 되는 것이다.
커넥팅 로드(50) 하단부의 이러한 편심 회전은 커넥팅 로드(50)의 상단부와 연결된 크랭크샤프트(32)의 회전 왕복 운동으로 변환된다. 즉, 커넥팅 로드(50)의 하단부가 회전하여 상승하면 커넥팅 로드(50)의 상단부는 곡선 궤도를 따라 상승하게 되고, 그에 따라 크랭크샤프트(32)의 말단부(322)도 상승하면서 회전하는데, 커넥팅 로드(50)의 하단부가 회전 궤도를 이루는 원의 정점을 지나게 되면, 커넥팅 로드(50)의 상단부는 곡선 궤도를 따라 하강하게 되고, 크랭크샤프트(32)의 말단부(322) 역시 다시 하강하는 방향으로 회전하게 된다. 이러한 방식으로 커넥팅 로드(50)의 상단부가 곡선 궤도를 따라 왕복운동하게 되고, 그에 따라 크랭크샤프트(32)의 말단부(322) 역시 곡선 궤도로 왕복하여 움직이게 되어, 크랭크샤프트(32)의 중심부(321)가 소정 각도로 왕복하여 반복 회전 운동하게 된다. 이에 따라 크랭크샤프트(32)와 일체로 결합된 축부재(31)도 회전 운동하게 되고, 풍동 시험체(30)에는 비틈 진동이 발생하게 된다. 이와 같이 송풍 박스(20)를 가로질러 배치된 풍동 시험체(30)는 비틈 진동하는 상태에 있게 되고, 이렇게 풍동 시험체(30)가 비틈 진동하고 있는 상태에서 송풍 박스(20)에서 강제 송풍이 이루어져 풍동 시험체(30)에 풍하중이 작용한다. 이 때, 로드셀(33)은 비틈 가진 운동하는 풍동 시험체(30)에 풍하중이 작용하는 상태에서, 풍동 시험체(30)에 대한 양력, 모멘트력 등을 측정한다. 이를 통해 단면 플러터계수 산정을 위한 물리적인 데이터를 취득할 수 있게 되는 것이다.
<연직 가진 모드의 작동>
연직 가진 모드는 풍동 시험체(30)를 개방창(162)에 따라 반복적으로 직선 왕복 이동시켜는 것이다. 이러한 연직 가진 모드에서는, 제2 스토퍼(74)에 의해 크랭크샤프트(32)가 이동 플레이트(70)에 고정되므로, 크랭크샤프트(32)가 중심부(321)를 기준으로 회전하는 것이 방지된다. 그리고 커넥팅 로드(50)의 상단부는 크랭크샤프트(32)의 중심부(321)에 연결된다.
이러한 구성을 통해서 연직 가진 모드에서는, 커넥팅 로드(50) 하단부의 편심 회전이, 이동 플레이트(70)의 직선 왕복운동으로 변형된다. 즉, 커넥팅 로드(50)의 하단부는 회전판(48)에서 편심을 가지고 위치하고 있으므로, 회전판(48)이 회전하면 커넥팅 로드(50)의 하단부는 회전판(48)의 중심을 원형 궤도의 중심으로 삼아 원형 궤도로 회전하면서 그 높이가 승하강된다. 크랭크샤프트(32)의 중심부(321)와 연결된 커넥팅 로드(50)의 상단부는, 커넥팅 로드(50)의 하단부가 승하강할 때, 단지 개방창(162)을 따라 직선 왕복 이동만이 가능하게 된다(도면에 도시된 상태에서는 상,하로 왕복 이동하는 것만이 가능함). 커넥팅 로드(50)의 상단부는 크랭크샤프트(32)의 중심부(321)에 연결되어 있고, 크랭크샤프트(32)와 이동 플레이트(70)가 서로 고정되어 있으므로, 이와 같이 커넥팅 로드(50)의 상단부가 직선 왕복 운동하게 되면, 이동 플레이트(70)도 가이드 레일(164)을 따라 직선방향으로 왕복하여 슬라이딩하게 되고, 그에 따라 풍동 시험체(30)는 연직 진동하게 되는 것이다.
이와 같이 송풍 박스(20)를 가로질러 배치된 풍동 시험체(30)가 연직 진동하는 상태에서, 송풍 박스(20)에서 강제 송풍이 이루어져 풍동 시험체(30)에 풍하중이 작용한다. 이 때, 로드셀(33)은 연직 진동하는 풍동 시험체(30)에 풍하중이 작용할 때, 풍동 시험체(30)에 대한 양력, 모멘트력 등을 측정한다. 이를 통해 단면 플러터계수 산정을 위한 물리적인 데이터를 취득할 수 있게 되는 것이다.
<연직 가진 모드에서의 연직 진동 방향의 변화>
도 1 내지 도 6에 도시된 실시예에서, 풍동 시험체(30)의 연직 진동 방향은 지면에 수직한 방향이다. 즉, 도 1 내지 도 6에 도시된 실시예에서는, 가이드 레일(164)과 개방창(162)이 모두 수직한 방향으로 길게 배치되어 있으므로, 회전판(48)이 회전할 때 이동 플레이트(70)는 가이드 레일(164)을 따라 수직한 방향으로 상,하 왕복하여 슬라이딩하고, 풍동 시험체(30)도 상,하 방향으로 연직 진동하게 되는 것이다. 그러나 실제 교량 상부구조물의 경우, 진동하는 방향이 기울어질 수도 있다. 이를 위하여 본 발명의 강제 가진장치(100)는 앞서 설명한, 회전 가능한 원형 프레임(12) 구조를 가지고 있다.
도 7은 도 3에 대응되는 측면도로서, 원형 프레임(12)이 소정 각도로 회전되어 있으며, 그에 따라 풍동 시험체(30)의 연직 진동 방향이 기울어진 실시예를 도시하고 있다.
앞서 설명한 것처럼 상기 풍동 시험체(30)의 연직 진동을 위한 직선 왕복 운동을 가이드하는 가이드 프레임(160)은, 송풍 박스(20)의 양측 벽에 회전 가능하게 설치되며 지지 프레임(14)을 구비한 원형 프레임(12)에 장착되어 있다. 상기 원형 프레임(12)의 외주면에 형성된 기어부(122)와, 모터(62)에 의해 회전하는 스크류(60)가 맞물려 있으므로, 모터(62)가 구동하여 스크류(60)가 회전하게 되면, 도 7에 도시된 것처럼 원형 프레임(12)이 소정 각도만큼 회전하게 된다. 그에 따라 원형 프레임(12)에 구비된 지지 프레임(14)에 설치된 가이드 프레임(160)도 함께 기울어지게 된다. 따라서 가이드 프레임(160)에 구비된 가이드 레일(164) 및 개방창(162)도 기울어지게 되어, 이동 플레이트(70)가 가이드 레일(164)을 따라 기울어진 방향으로 왕복하여 슬라이딩하고, 풍동 시험체(30)도 그에 따라 기울어진 방향으로 왕복하여 직선 운동으로 연직 진동하게 된다. 즉, 상기 풍동 시험체(30)의 연직 진동을 위한 직선 왕복 운동의 각도가 변화되어, 원형 프레임(12)이 회전한 각도만큼 기울어져서 연직 진동하게 되는 것이다.
풍동 시험체(30)가 위와 같이 기울어진 방향으로 왕복 직선 운동하여 연직 진동할 수 있도록, 풍동 시험체(30)의 축부재(31)가 관통하게 되는 송풍 박스(20)에 형성된 개구부(22)는 원형으로 이루어지되, 축부재(31)가 직선 왕복 운동하는 경로를 제외한 부분은 폐쇄하여 풍동 시험체(30)가 왕복 직선 운동하는 경로 즉, 축부재(31)가 직선 왕복 운동하는 경로만 길게 장공으로 만들어지도록 할 수 있다. 예를 들면, 개구부(22)를 원형으로 만들고, 축부재(31)가 직선 왕복 운동하는 경로를 제외한 부분에는 송풍 박스(20)의 벽체 표면에 판재 등을 덧대서 막아서 축부재(31)가 직선 왕복 운동하는 경로만 길게 장공 형태로 만드는 것이다.
한편, 앞서 설명한 것처럼, 원형 프레임(12)의 회전 각도는 모터(62)의 구동을 제어하여 필요에 따라 조절할 수 있으며, 그에 따라 풍동 시험체(30)의 연직 진동이 기울어진 방향도 조절할 수 있게 되어, 다양한 조건하에서 풍동 실험이 이루어질 수 있게 된다.
이와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 풍동의 강제 가진장치(100)는 비틈 가진 모드 및 연직 가진 모드를 선택하여 풍동 시험체(30)에 다양한 형태의 진동을 부여할 수 있어, 풍동 시험체(30)가 실제 대상구조물이 존재하는 상황과 동일한 상황에 위치한 상태에서 풍동 실험을 할 수 있게 되며, 그에 따라 풍동 시험체(30)의 단면 플러터계수 등과 같은 여러 가진 측정값을 더욱 신뢰성있게 측정할 수 있게 되는 효과가 발휘된다.
10: 기초 프레임 12: 원형 프레임
14: 지지 프레임 16: 지지 롤러
20: 투명 차폐 박스 30: 모형
31: 축부재 32: 크랭크샤프트
33: 로드셀 40: 구동부
42: 구동 모터 44: 기어 박스
46: 구동축 48: 회전판
50: 커넥팅 로드 70: 연직 플레이트
72: 제1 스토퍼 74: 제2 스토퍼
80: 편심량 조절부 82: 지지대
84: 스크류 봉 86: 슬라이딩체
160: 가이드 프레임 100: 강제 가진장치

Claims (7)

  1. 강제 송풍이 이루어지는 밀폐된 통로 형태의 송풍 박스(20) 내에 가로질러 배치되는 풍동 시험체(30)에, 직선 왕복 운동에 의한 연직 진동 또는 왕복 회전에 의한 비틈 진동을 부여하는 풍동 시험체의 강제 가진장치(100)로서,
    상기 풍동 시험체(30)의 양단부에 각각 외측으로 돌출된 축부재(31)로부터 수직으로 연장되는 크랭크샤프트(32);
    모터(42)의 구동에 의해 회전하는 구동축(46)의 양단부에 각각 연결되는 회전판(48);
    상기 크랭크샤프트(32)와 상기 회전판(48)을 연결하는 커넥팅 로드(50); 및
    상기 축부재(31)에 설치되어 양력 및 모멘트를 측정하는 로드셀(33)을 포함하며,
    상기 커넥팅 로드(50)의 하단부는 상기 회전판(48)의 중심으로부터 편심되어 상기 회전판(48)에 연결되고,
    상기 커넥팅 로드(50)의 상단부는, 상기 풍동 시험체(30)에 연직 진동을 부여할 때에는 상기 크랭크샤프트(32)의 중심부에 연결되고, 상기 풍동 시험체(30)에 비틈 진동을 부여할 때에는 상기 크랭크샤프트(32)의 중심부로부터 이격되어 있는 크랭크샤프트(32)의 일측에 연결되어,
    상기 커넥팅 로드(50)의 상단부가 상기 크랭크샤프트(32)의 중심부에 연결된 상태에서 상기 회전판(48)의 회전에 의해 커넥팅 로드(50)의 상단부가 직선 왕복 운동함에 따라 풍동 시험체(30)에 연직 진동이 부여되고, 상기 커넥팅 로드(50)의 상단부가 상기 크랭크샤프트(32)의 중심부로부터 이격되어 있는 일측에 연결된 상태에서 상기 회전판(48)의 회전에 의해 커넥팅 로드(50)의 상단부가 곡선 궤도로 왕복 운동함에 따라 풍동 시험체(30)에 비틈 진동이 부여되는 것을 특징으로 하는 풍동 시험체의 강제 가진장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 회전판(48)에는 상기 커넥팅 로드(50)의 하단부의 편심 위치를 이동시키기 위하여,
    너트(841)의 조작에 의해 회전되는 스크류 봉(84); 및
    커넥팅 로드(50)의 하단부가 결합되어 있고, 상기 스크류 봉(84)에 장착되어 상기 스크류 봉(84)의 회전에 따라 상기 스크류 봉(84)을 이동하여 상기 커넥팅 로드(50) 하단부의 편심 위치를 변경시키는 슬라이딩체(86)를 포함하는 편심량 조절부가 더 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 풍동 시험체의 강제 가진장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 풍동 시험체(30)의 연직 진동을 위한 직선 왕복 운동을 가이드하고 풍동 시험체(30)의 축부재(31)를 지지하기 위하여, 상기 축부재(31)가 관통하게 되는 개방창(162)이 형성된 가이드 프레임(160)이 구비되어 있고;
    상기 가이드 프레임(160)에는 상기 풍동 시험체(30)의 직선 운동 방향으로 가이드 레일(164)이 설치되어 있으며;
    상기 축부재(31)에는, 상기 풍동 시험체(30)의 직선 왕복 운동시에 상기 가이드 레일(164)을 따라 슬라이딩하는 연직 플레이트(70)가 끼워져 있는 것을 특징으로 하는 풍동 시험체의 강제 가진장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 연직 플레이트(70)에는 상기 풍동 시험체(30)의 비틈 진동시 상기 가이드 레일(164) 상의 상기 연직 플레이트(70)의 이동을 제한하는 제1 스토퍼(72)가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 풍동 시험체의 강제 가진장치.
  5. 제3항에 있어서,
    상기 크랭크샤프트(32)에는, 상기 풍동 시험체(30)의 연직 진동시 상기 크랭크샤프트(32)의 회전을 제한도록 상기 연직 플레이트(70)와 결합되는 제2 스토퍼(74)가 구비되어 있는 것을 특징으로 하는 풍동 시험체의 강제 가진장치.
  6. 제3항에 있어서,
    상기 가이드 프레임(160)은, 송풍 박스(20)의 양측 벽에 회전 가능하게 설치되며 지지 프레임(14)을 구비한 원형 프레임(12)에 장착되어 있고;
    상기 원형 프레임(12)의 외주면에는 기어부(122)가 형성되어 있으며;
    상기 기어부(122)에는 모터(62)에 의해 회전하는 스크류(60)가 맞물려 있어 상기 모터(62)의 구동에 의해 상기 스크류(60)가 회전하게 되면 상기 원형 프레임(12)이 회전하여, 가이드 프레임(160)에 의해 가이드하는 상기 풍동 시험체(30)의 연직 진동을 위한 직선 왕복 운동의 각도가 변화되는 구성을 가지는 것을 특징으로 하는 풍동 시험체의 강제 가진장치.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 원형 프레임(12)은, 그 원형 둘레를 따라 소정 간격으로 배치된 롤러(16)에 의해 지지되어 있는 것을 특징으로 하는 풍동 시험체의 강제 가진장치.
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