KR20170035109A - 플러터 발현 시 주요 구조 모드 추출 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 교량의 동적 안정성을 정확하게 평가할 수 있는 플러터 발현 시 주요 구조 모드 추출 방법에 관한 것이다.
상기 플러터 발현 시 주요 구조 모드 추출 방법은 다중 모드 플러터 해석을 수행하는 단계; 플러터 해석 수행 결과, 플러터 모드를 추출하는 단계; 플러터 모드로부터 주요 구조 모드를 추출하는 단계; 그리고 주요 구조 모드만을 고려하여 플러터 해석을 다시 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.

Description

플러터 발현 시 주요 구조 모드 추출 방법{METHOD OF EXTRACTING MAIN STRUCTURAL MODE WHEN FLUTTER OCCURS}
본 발명은 플러터 발현 시 주요 구조 모드 추출 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 교량의 동적 안정성을 정확하게 평가할 수 있는 플러터 발현 시 주요 구조 모드 추출 방법에 관한 것이다.
일반적으로, 풍하중에 의한 교량 등의 동적 불안정성이 발생하는 것을 플러터 (Flutter) 현상이라고 하며, 이는 심지어 교량의 붕괴까지 유발할 수 있기에 설계 단계에서 면밀히 확인되어야 하는 항목이다. 이러한 동적 안정성은 설계 단계에서는 플러터 해석을 통해 평가하며, 최종적으로 전교모형 실험을 통해 검증한다. 플러터 해석은 실험을 통해 산정된 분석 대상의 동적 공기력을 바탕으로 구조동역학적 특성을 반영한 해석적 방법을 의미하며, 전교모형 실험은 축소모형을 제작하여 실험을 통해 검증하는 과정을 나타낸다.
이와 같은 교량의 동적 불안정성을 평가하는 데 있어 그 정확성은 교량의 구조동역학적 특성을 얼마나 정확히 반영하는지에 달려 있다. 일반적으로 바람에 의해 진동이 유발되는 교량의 구조 모드 역시 기타 다른 하중에 의한 효과와 마찬가지로 최저차 구조 모드만을 반영한다. 하지만 교량이 다경간화, 유연화됨에 따라 교량의 구조동역학적 특성이 더욱 복잡해지기 때문에 바람에 의해 진동이 유발되는 교량의 구조 모드를 산정하기는 쉽지 않다.
또한 전교모형 실험을 계획하는 데 있어 분석 대상의 플러터 발현 모드를 정확히 파악하여야만 정밀한 축소 모형 제작이 가능하며, 실험 결과에 대한 신뢰도 역시 확보 가능하다. 따라서 플러터 해석을 바탕으로 바람에 의해 진동이 유발되는 교량 구조 모드를 효율적으로 산정하고 이를 통해 교량의 동적 안정성을 정확히 평가할 수 있는 방법에 대한 연구가 필요한 실정이다.
따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 플러터 해석 시 충분히 많은 수의 구조 모드를 반영하여 해석을 수행함으로써 교량의 구조동역학적 특성을 정확히 반영할 수 있는 플러터 발현 시 주요 구조 모드 추출 방법을 제공하는 것이다.
또한, 추출된 주요 구조 모드를 이용하여 전교모형 실험을 통해 해석의 정확성을 검증함으로써 교량의 동적 안정성을 정확히 평가할 수 있는 플러터 발현 시 주요 구조 모드 추출 방법을 제공하는 것이 본 발명의 또 다른 목적이다.
본 발명의 실시 예에 따른 플러터 발현 시 주요 구조 모드 추출 방법은 다중 모드 플러터 해석을 수행하는 단계; 플러터 해석 수행 결과, 플러터 모드를 추출하는 단계; 플러터 모드로부터 주요 구조 모드를 추출하는 단계; 그리고 주요 구조 모드만을 고려하여 플러터 해석을 다시 수행하는 단계;를 포함할 수 있다.
다중 모드 플러터 해석을 수행하는 단계는 교량의 형상과 관련된 복수개의 구조 모드를 결정하고, 상기 구조 모드의 개수를 증가시키며 플러터 해석을 수행하여 플러터 해석의 결과값이 설정 오차 내일 때까지 반복하여 수행할 수 있다.
상기 플러터 모드는 플러터 발현 풍속과 플러터 발현 시 진동 모드를 포함할수 있다.
플러터 모드로부터 주요 구조 모드를 추출하는 단계는 구조 모드의 세기가 큰 순서로 선택할 수 있다.
플러터 모드로부터 주요 구조 모드를 추출하는 단계와, 주요 구조 모드만을 고려하여 플러터 해석을 다시 수행하는 단계는 주요 구조 모드만을 고려한 플러터 해석 수행으로 얻어진 플러터 발현 풍속과, 플러터 모드 추출 단계에서 추출된 플러터 발현 풍송의 차가 설정 오차 범위 내에 있을 때까지 반복하여 수행될 수 있다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 플러터 해석 시 충분히 많은 수의 구조 모드를 반영하여 해석을 수행함으로써 교량의 구조동역학적 특성을 정확히 반영할 수 있다.
또한, 추출된 주요 구조 모드를 이용하여 전교모형 실험이나 플러터 해석을다시 수행함으로써 해석의 정확성을 검증할 수 있으므로, 교량의 동적 안정성을 정확히 평가할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플러터 발현 시 주요 구조 모드 추출 방법을 적용하기 위한 강제 가진 장치의 하나의 예이다.
도 2는 도 1의 강제 가진 장치를 블록도로 도시한 것이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플러터 발현 시 주요 구조 모드 추출 방법의 흐름도이다.
도 4는 플러터 해석 수행 결과를 도시한 그래프의 하나의 예이다.
도 5는 플러터 해석 수행 결과 구조 모드 번호와 그 크기를 도시한 그래프의 하나의 예이다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 플러터 발현 시 주요 구조 모드 추출 방법을 적용하기 위한 강제 가진 장치의 하나의 예이고, 도 2는 도 1의 강제 가진 장치를 블록도로 도시한 것이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예가 적용될 수 있는 강제 가진 장치는 모형(10), 비틀림 진동기(20), 수직 진동기(30), 풍동 장치(40), 공기력 센서(50), 변위 센서(80). 그리고 제어기(60)를 포함한다.
상기 모형(10)은 분석 대상, 예를 들어 교량 등의 형상을 축소한 것으로, 풍하중에 의한 분석 대상의 동적 응답과 매우 유사한 동적 응답을 얻을 수 있도록 설계된다.
비틀림 진동기(20)는 상기 모형(10)에 비틀림 진동을 가할 수 있도록 되어 있다. 또한, 상기 비틀림 진동기(20)는 상기 모형(10)에 가해지는 비틀림 진동의 진폭 및 주기를 조절할 수 있도록 되어 있다. 이러한 비틀림 진동기(20)는 스텝 모터와, 상기 스텝 모터의 모터축을 상기 모형(10)에 작동적으로 연결하는 연결 수단을 포함할 수 있으나 이에 한정되지는 아니한다. 상기 모형(10)에 비틀림 진동을 가할 수 있고, 상기 비틀림 진동의 진폭 및 주기를 조절할 수 있는 어떠한 장치도 비틀림 진동기(20)로 사용될 수 있다.
수직 진동기(30)는 상기 모형(10)에 수직 방향의 하중을 가할 수 있도록 되어 있고, 상기 모형(10)에 가해지는 비틀림 진동의 진폭 및 주기를 조절할 수 있도록 되어 있다. 이러한 수직 진동기(30)는, 상기 비틀림 진동기(20)와 유사하게, 스텝 모터와, 상기 스텝 모터의 회전력을 수직력으로 변환하는 방향 전환 장치와, 상기 반향 전환 장치를 상기 모형(10)에 작동적으로 연결하는 연결 수단을 포함할 수 있으나 이에 한정되지는 아니한다. 상기 모형(10)에 수직 진동을 가할 수 있고, 상기 수직 진동의 진폭 및 주기를 조절할 수 있는 어떠한 장치도 수직 진동기(20)로 사용될 수 있다.
풍동 장치(40)는 상기 모형(10)에 원하는 속도 및 구성의 바람이 불도록 하는 장치이다.
한편, 상기 비틀림 진동기(20), 수직 진동기(30) 및 풍동 장치(40)는 그 작동이 독립적으로 제어될 수 있다. 즉, 상기 모형(10)에는 비틀림 진동, 수직 진동 및/또는 바람이 개별적으로 가해지거나 함께 가해질 수 있다. 또한, 상기 비틀림 진동기(20), 수직 진동기(30) 및 풍동 장치(40)는 당업자에게 널리 알려져 있으므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.
공기력 센서(50)는 상기 모형(10)의 공기력을 검출하도록 되어 있다. 상기 공기력은 적어도 양력과 피칭 모멘트를 포함한다. 상기 공기력 센서(50)로는 로드 셀이 사용될 수 있으나, 이에 한정되지 아니한다. 또한, 상기 공기력 센서(50)의 개수 및 장착 위치는 도면에 도시된 것에 한정되지 아니한다.
변위 센서(80)는 상기 모형(10)의 변위를 검출하도록 되어 있다.
제어기(60)는 상기 공기력 센서(50) 및 변위 센서(80)에 전기적으로 연결되어 공기력 센서(50)에서 검출된 공기력에 대한 정보와 변위 센서(80)에서 측정한 변위에 대한 정보를 수신한다. 또한, 상기 제어기(60)는 수신한 공기력과 변위에 대한 정보를 기초로 플러터 계수 또는 플러터 모드를 추출할 수 있다.
도 2에 도시된 바와 같이, 사용자가 원하는 비틀림 진동의 주기 및 진폭, 수직 진동의 주기 및 진폭, 그리고 바람의 속도 및 구성을 입력하면, 비틀림 진동기(20), 수직 진동기(30) 및 풍동 장치(40)는 비틀림 진동, 수직 진동 및 바람을 모형(10)에 가하게 된다. 여기서, 사용자는 제어기(60)를 통하거나 또는 직접 비틀림 진동의 주기 및 진폭, 수직 진동의 주기 및 진폭, 그리고 바람의 속도 및 구성을 입력할 수 있다.
비틀림 진동, 수직 진동 및 바람이 모형(10)에 가해지면, 모형(10)의 공기력은 공기력 센서(50)에서 검출하고 모형(10)의 변위는 변위 센서(80)에서 검출한다.
검출된 공기력 및 변위는 제어기(60)에 전송되고, 제어기(60)에서는 검출된 공기력과 변위를 분석하여 플러터 계수 또는 플러터 모드를 추출하게 된다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 플러터 발현 시 주요 구조 모드 추출 방법의 흐름도이다.
도 3에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 플러터 발현 시 주요 구조 모드 추출 방법은 다중 모드 플러터 해석을 수행(S100)함으로써 시작된다. 여기서, 다중 모드 플러터 해석은 충분히 많은 수의 구조 모드를 반영한 플러터 해석을 의미하고, 구조 모드는 교량의 단면 형상과 관련된 기본 구조들을 의미한다. 교량의 구조동역학적 특성은 교량의 단면 형상과 관련이 있으며, 하나 이상의 기본 구조(즉, 구조 모드)의 구조동역학적 특성이 중첩되어 발현된다.
따라서, S100 단계는 교량의 형상과 관련된 복수개의 구조 모드를 결정하고, 상기 구조 모드의 개수를 하나씩 증가시키며 플러터 해석을 수행하며, 구조 모드의 개수가 증가하여도 플러터 해석의 결과값이 거의 변화하지 않을 때까지 반복하여 수행한다.
다중 모드 플러터 해석을 수행하면, 플러터 모드를 추출할 수 있다(S200). 여기서, 플러터 모드는 플러터 발현 풍속 및 플러터 발현 시 진동 모드가 추출된다. 도 4에 도시된 바와 같이, 다중 모드 플러터 해석을 수행하면, 유풍 시 감쇠가 풍속에 따라 계산되게 된다. 도 4에서 유풍 시 감쇠가 0이 되는 순간의 풍속(500)이 플러터 발현 풍속이 된다.
또한, 다중 모드 플러터 해석을 수행하면, 도 5에 도시된 바와 같이 구조물에 발생하는 진동 모드(즉, 구조 모드 번호와 그 번호에 해당하는 구조 모드가 전체 플러터에 관계하는 세기)가 구해진다.
그 후, 주요 구조 모드를 추출한다(S300). 즉, 도 5의 그래프에서 플러터 발현 시 구조 모드의 세기를 기초로 주요 구조 모드(600)를 추출한다. 도 5에서는 구조 모드 세기가 큰 두 개의 구조 모드를 주요 구조 모드로 선택하는 것을 예시하였으나, 이에 한정되지 아니한다.
그 후, 주요 구조 모드만을 고려하여 플러터 해석을 다시 수행하여 앞에서 구한 플러터 발현 풍속과 비교한다. 이를 통하여 추출된 구조 모드의 정확성을 검증한다(S400). S300 단계에서 주요 구조 모드가 추출되었으면, 추출된 주요 구조 모드만을 고려하여 플러터 해석을 다시 수행한다. 그 결과, 앞에서 구한 플러터 발현 풍속과 주요 구조 모드만을 고려한 플러터 발현 풍속이 설정 오차 범위 내에 있으면, S300 단계에서 추출된 구조 모드를 주요 구조 모드로 확정한다. 이와는 달리, S300 단계에서 추출된 주요 구조 모드만을 고려한 플러터 발현 풍속이 S200 단계에서 구한 플러터 발현 풍속과 차이가 크면, 다음 세기의 구조 모드를 주요 구조 모드로 추가하여 플러터 해석을 다시 수행한다.
상기 S300 단계와 S400 단계를 계속 반복함으로써(즉, S200 단계에서 구한 플러터 발현 풍속과 S300 단계에서 추출된 주요 구조 모드만을 고려한 플러터 발현 풍속의 차가 설정 오차 범위 내일 때까지) 주요 구조 모드를 추출할 수 있다.
한편, S100 단계와 S400 단계에서 플러터 해석을 수행한다고 함은 구조 모드들을 조합하여 설정된 프로그램을 실행하거나 구조 모드들의 조합으로 모형을 만들어 도 1 내지 도 2에 도시된 가진 장치를 이용하여 실험을 수행하는 것을 모두 포함할 수 있다.
이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

Claims (5)

  1. 다중 모드 플러터 해석을 수행하는 단계;
    플러터 해석 수행 결과, 플러터 모드를 추출하는 단계;
    플러터 모드로부터 주요 구조 모드를 추출하는 단계; 그리고
    주요 구조 모드만을 고려하여 플러터 해석을 다시 수행하는 단계;
    를 포함하는 플러터 발현 시 주요 구조 모드 추출 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    다중 모드 플러터 해석을 수행하는 단계는 교량의 형상과 관련된 복수개의 구조 모드를 결정하고, 상기 구조 모드의 개수를 증가시키며 플러터 해석을 수행하여 플러터 해석의 결과값이 설정 오차 내일 때까지 반복하여 수행하는 것을 특징으로 하는 플러터 발현 시 주요 구조 모드 추출 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 플러터 모드는 플러터 발현 풍속과 플러터 발현 시 진동 모드를 포함하는 것을 특징으로 하는 플러터 발현 시 주요 구조 모드 추출 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    플러터 모드로부터 주요 구조 모드를 추출하는 단계는 구조 모드의 세기가 큰 순서로 선택하는 것을 특징으로 하는 플러터 발현 시 주요 구조 모드 추출 방법.
  5. 제4항에 있어서,
    플러터 모드로부터 주요 구조 모드를 추출하는 단계와, 주요 구조 모드만을 고려하여 플러터 해석을 다시 수행하는 단계는 주요 구조 모드만을 고려한 플러터 해석 수행으로 얻어진 플러터 발현 풍속과, 플러터 모드 추출 단계에서 추출된 플러터 발현 풍송의 차가 설정 오차 범위 내에 있을 때까지 반복하여 수행되는 것을 특징으로 하는 플러터 발현 시 주요 구조 모드 추출 방법.
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