WO2021157797A1 - 풍력적분 풍동실험 기구 - Google Patents

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WO2021157797A1
WO2021157797A1 PCT/KR2020/010139 KR2020010139W WO2021157797A1 WO 2021157797 A1 WO2021157797 A1 WO 2021157797A1 KR 2020010139 W KR2020010139 W KR 2020010139W WO 2021157797 A1 WO2021157797 A1 WO 2021157797A1
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wind
load
structural model
wind tunnel
test apparatus
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PCT/KR2020/010139
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강토마스현구
라쉬카리여니하미드레자 알리네자드
안병욱
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서울대학교 산학협력단
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    • G01M9/02—Wind tunnels
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01M—TESTING STATIC OR DYNAMIC BALANCE OF MACHINES OR STRUCTURES; TESTING OF STRUCTURES OR APPARATUS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
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    • G01M9/06—Measuring arrangements specially adapted for aerodynamic testing
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    • G01M9/08—Aerodynamic models

Definitions

  • the present invention directly measures the air force acting on the structural model as a reaction force by a load sensor installed between the external wall and the internal support of the structural model, so that the wind load acting at an arbitrary height can be measured with an accurate value, and the external wall of the structural model It is about the wind-integrated wind tunnel test apparatus that enables accurate design of exterior materials by measuring the local load acting on the segment and can accurately calculate the load distribution for the reaction force at the base based on the correct load value.
  • Wind load is one of the main considerations along with gravity load in structural design of structures such as buildings and bridges.
  • the wind load acts as a static load mainly due to the velocity pressure applied to the outer wall in the case of a low-to-mid-rise building or a structure with a short natural cycle.
  • Such wind load is a load acting directly on a structure by the flow of wind, and airflow characteristics such as wind speed or distribution of wind speed are governed by aerodynamic characteristics by the shape of the structure.
  • the plane load generated by the aerodynamic force includes a wind load parallel to the wind direction, a wind load perpendicular to the wind direction, and a torsional wind load about a vertical axis depending on the direction.
  • measuring the wind load acting on the structure is one of the main purposes of the wind tunnel experiment.
  • the conventional wind tunnel experiment can be classified into two types, an aero elastic wind tunnel test and an aerodynamic wind tunnel test depending on the load measurement method. can
  • the aeroelastic wind tunnel test is the most accurate wind load measurement method in that air force and resonance force can be directly measured during the experimental process (FIG. 2).
  • This aeroelastic wind tunnel test structural model is produced by scaling both the exterior and internal structural systems of buildings related to aerodynamic characteristics.
  • reference numeral 20 denotes a structural model
  • reference numeral 30 denotes a structural system.
  • the structural system is sometimes attached to a flexible or rigid base plate. is made In the wind tunnel experiment using the aeroelastic structural model produced in this way, the load is directly measured from the internal structural system.
  • the aerodynamic wind tunnel experiment Unlike the aeroelastic wind tunnel experiment, in the aerodynamic wind tunnel experiment, a rigid structure model is used, and only the air force is measured through the experiment. After that, the measured air force is input into the numerical analysis model to obtain the resonance force, and post-processing is required.
  • the HFPI uses a structural model 20 in which numerous pressure taps 210 are attached to the outer wall.
  • the structural model since the pressure tap tube for wind pressure measurement must be installed inside, the structural model must be hollow and the load is calculated based on the integrated value of the wind pressure measured through the pressure tap over the affected area of the outer wall. Since there are local pressure results partially measured on the exterior wall, the calculated results can be used directly in the design of the exterior material. In addition, since the wind pressure distribution according to the height is obtained from the measurement result, it can be very usefully used in establishing a numerical analysis model for estimating the resonance force.
  • the HFPI method has a limitation in that the accuracy of the measurement value depends on the number and arrangement of the pressure taps. In general, more pressure taps need to be attached because complex airflow is formed at the corners. If the outer wall has a protrusion such as a balcony and the appearance is not smooth, the accuracy of the result is lowered and more pressure taps are required. However, since the space for arranging the pressure tap tube inside the structural model is limited, there is a limit to the location where the pressure tap is actually attached. In addition, since the reaction force at the bottom of the structure is an approximation calculated by integrating the wind pressure over the applied area, the accuracy is low.
  • the HFFB structural model uses a rigid body model similarly to the HFPI, but is different in that the bottom surface of the model is not fixed. That is, the bottom surface of the structural model is not fixed, the structural model 20 is installed on a load measuring device called a force balance device 220, and the reaction force by the air force is measured through the wind balance.
  • HFFB is very useful for a structure having a simple shape in which it is not difficult to assume a vertical distribution pattern, but it is very difficult to apply to a building having an atypical shape.
  • the experimental results cannot be directly applied to the design of the exterior material.
  • the present invention measures the wind load acting on an arbitrary height as an accurate value rather than an approximate value by directly measuring the air force acting on the wall as a reaction force instead of measuring the pressure acting on the outer wall of the structural model in order to solve the problems of the conventional wind tunnel test apparatus.
  • An object of the present invention is to provide a wind-integrated wind tunnel test apparatus capable of measuring the local load acting on a structural model outer wall segment, enabling accurate design of the exterior material, and calculating the accurate load distribution for the bottom reaction force based on the accurate load value.
  • An object of the present invention is to provide an economical wind-integrated wind-tunnel test apparatus because the load sensor can be easily reused.
  • the present invention is a hollow structural model; an internal support provided inside the structural model; and a load sensor that is installed outside the inner support and is in close contact with the inner surface of the structural model to measure air force acting on the structural model. It provides a wind-integrated wind tunnel test apparatus, characterized in that it consists of.
  • the present invention according to another preferred embodiment provides a wind-integrated wind tunnel test apparatus, characterized in that the outer wall of the structural model is divided into a plurality of segments.
  • the present invention according to another preferred embodiment provides a wind-integrated wind tunnel testing apparatus, characterized in that a sealing material is provided between the segments.
  • the present invention according to another preferred embodiment provides a wind-integrated wind tunnel test apparatus, characterized in that the inner support is a rigid core.
  • the present invention according to another preferred embodiment provides a wind-integrated wind tunnel test apparatus, characterized in that the internal support is an equivalent dynamic model of the structural system of the structure.
  • the air force acting on the structural model can be directly measured as a reaction force by the load sensor installed between the outer wall and the internal support of the structural model. It is possible to provide a wind-integrated wind tunnel testing apparatus.
  • the load sensor and the internal support are simply assembled in the structural model, they can be disassembled and reused after the experiment, making it economical and eco-friendly by reducing waste.
  • the local load acting on each segment can be calculated, making it possible to design an accurate exterior material. possible.
  • 1 is a view showing a plane load by air force.
  • FIG. 2 is a view showing an aeroelastic structural model for a wind tunnel experiment.
  • Figure 4 is a perspective view showing the wind-integrated wind tunnel test apparatus of the present invention.
  • Figure 5 is an elevational cross-sectional view showing the present invention wind-integrated wind tunnel test apparatus.
  • Figure 6 is a plan cross-sectional view showing the present invention wind-integrated wind tunnel test apparatus.
  • FIG. 7 is a view showing the normal reaction force and shear force measured by the present invention.
  • FIG. 8 is an elevational cross-sectional view showing a wind tunnel test apparatus for a structural model equipped with a parapet.
  • FIG. 9 is a plan sectional view showing a wind tunnel test apparatus for a structural model equipped with various elevation shapes.
  • FIG. 10 is a plan cross-sectional view showing a wind tunnel test apparatus of various planar shapes.
  • FIG. 11 is an elevational cross-sectional view showing a wind tunnel test apparatus for a bridge.
  • Fig. 12 is a view showing cases of dividing an outer wall of a structural model
  • FIG. 13 is a view showing an embodiment in which a sealing material is provided in a triangular planar structural model
  • the wind-integrated wind tunnel test apparatus of the present invention includes a hollow structural model; an internal support provided inside the structural model; and a load sensor that is installed outside the inner support and is in close contact with the inner surface of the structural model to measure air force acting on the structural model. It is characterized in that it is composed of
  • FIG. 4 is a perspective view showing the wind-integrated wind tunnel testing apparatus of the present invention
  • FIG. 5 is an elevational cross-sectional view showing the wind-integrated wind tunnel testing apparatus of the present invention
  • FIG. 7 is a view showing the vertical reaction force and shear force measured by the present invention
  • FIG. 8 is an elevational cross-sectional view showing the wind tunnel testing apparatus for the structural model equipped with parapets
  • FIG. 9 is a plan sectional view showing the wind tunnel testing apparatus for the structural model equipped with various elevation shapes
  • FIG. It is a plan sectional view showing a wind tunnel testing apparatus in a planar form
  • FIG. 11 is an elevational cross-sectional view showing a wind tunnel testing apparatus for a bridge.
  • the present invention wind-integrated wind tunnel test apparatus is a hollow structural model (2); an internal support (3) provided inside the structural model (2); and a load sensor (4) that is installed outside the inner support (3) and is in close contact with the inner surface of the structural model (2) to measure the air force acting on the structural model (2); It is characterized in that it is composed of
  • the present invention is to solve the problems of the conventional wind tunnel test apparatus, and instead of measuring the pressure acting on the outer wall of the structural model (2), the air force acting on the wall is directly measured as a reaction force. This is to provide a wind-integrated wind tunnel test apparatus that can measure ⁇ as an accurate value rather than an approximate value.
  • the present invention can measure the local load acting on the outer wall segment 21 of the structural model 2, so it is possible to accurately design the exterior material, and it is possible to accurately calculate the load distribution for the bottom reaction force based on the accurate load value.
  • the reusability of the sensor 4 is easy to provide an economical wind-integrated wind tunnel test instrument.
  • the present invention wind-integrated wind tunnel test apparatus is configured to include a structural model (2), an internal support (3) and a load sensor (4).
  • the structural model 2 is a hollow model in which the outer shell of an actual structure is scaled.
  • the inner support (3) is provided inside the structural model (2).
  • the inner support 3 may use various types of supports such as truss, hollow or solid.
  • the load sensor 4 is installed on the outside of the internal support 3 , is in close contact with the inner surface of the structural model 2 , and measures the air force acting on the structural model 2 .
  • the load sensor (4) is installed between the outer wall of the structural model (2) and the inner support (3). Accordingly, the load acting on the outer wall of the structural model (2) is measured through the load sensor (4).
  • the load sensor 4 can be used by selecting various sensors such as a strain gauge, a load cell, a piezoelectric gauge, and a pressure gauge.
  • the measured value of the load sensor 4 is the same as the load applied by the air force.
  • the load due to the air force is expressed as the sum of the loads acting on each exterior wall.
  • a plurality of the load sensors 4 may be appropriately disposed on each side of the structural model 2 to measure the load and moment.
  • the conventional HFPI method can measure only the force in the direction perpendicular to the wall surface, and cannot calculate the force in the parallel direction, that is, the shear force.
  • the inner support 3 and the outer wall of the structural model 2 are spaced apart from each other. Therefore, the load sensor 4 can be fixed by the inner support 3 and the connector 5 so that the load sensor 4 can be closely attached to the inner surface of the outer wall of the structural model 2 .
  • the connector 5 should have sufficient rigidity to prevent measurement errors due to deformation due to axial force and shear force.
  • the connector 5 can be configured in various forms such as a plate or a rod.
  • the connector 5 is preferably configured to be adjustable in length so as to respond to a change in the distance between the inner support 3 and the outer wall of the structural model 2 .
  • the shape of the outer wall is not important, and it is possible to accurately calculate the load through the load sensor 4 for any structure shape.
  • the results of the existing aerodynamic wind tunnel test require numerical analysis for post-processing after the experiment, so it is very important to obtain the vertical distribution according to the height.
  • the existing HFFB method was able to measure the reaction force caused by the wind load only on the bottom of the model.
  • the present invention can accurately measure the load acting on an arbitrary height, it can be very usefully utilized in numerical analysis.
  • the HFPI test result is greatly affected by the number of pressure taps installed on the outer wall surface of the structural model. And in order to more accurately measure the load acting on a part with a complex external shape, such as a corner, protrusion, or depression, a pressure tap must be installed in that part, and these experimental results are also approximate values.
  • the present invention can measure an accurate load rather than an approximate value using only a few load sensors 4 .
  • the present invention when only the load sensor 4 is added, the accuracy in calculating the load distribution through the interpolation method can be greatly improved.
  • the present invention models a relatively small number of measured loads, so that the amount of analysis calculation is greatly reduced, which is efficient.
  • the present invention is based on a simple concept, it is widely applicable to various structures such as closed structures, partially open structures, cooling towers, silos, and chimneys (refer to FIGS. 10 (a) to (c)).
  • the present invention can measure the load acting on the upper and lower ends of the bridge surface individually.
  • FIG. 12 is a view showing cases of dividing an outer wall of a structural model.
  • the outer wall of the structural model 2 may be divided into a plurality of segments 21 .
  • the outer wall of the structural model 2 may be divided into several segments 21 so that the total load acting on the outer wall of the structural model 2 can be accurately measured.
  • the number of the outer wall segments 21 can be determined according to the complexity of the building exterior, the type of the load sensor 4 used, the precision of the required measurement value, and the like.
  • the outer wall segment 21 may be formed by dividing the same outer wall surface into a plurality as shown in FIG. 4 , and is preferably configured to be divided for each layer of the structure.
  • outer wall segment 21 may be divided based on each side of the planar structural model 2 as shown in FIG. 12 , or only a part of the planar edge may be divided.
  • the load data measured in each outer wall segment 21 of the structural model 2 is very accurate, and the amount of load data is small compared to the conventional method. Therefore, it is easy to convert to a numerical analysis model, and it is very easy to perform an analysis of an integrated model that integrates numerical analysis and experimental results.
  • FIG. 13 is a view showing an embodiment in which a sealing material is provided in a triangular planar structural model.
  • a sealing material 22 may be provided between the segments 21 .
  • a sealing material 22 may be provided to fill between adjacent segments 21 so that gaps between the outer wall segments 21 of the structural model 2 do not affect the airflow.
  • the sealing material 22 is flexible enough so that the wall movement is smooth enough that the load sensor 4 can measure the load acting on the outer wall segment 21 of the structural model 2 .
  • the position of the sealing material 22 may be determined in consideration of the size of the outer wall segment 21 of the structural model 2 , workability, the type of the sealing material 22 , and the like.
  • the inner support 3 may be composed of a rigid core.
  • the inner support 3 is formed of a rigid core.
  • the air force acting on the outer wall of the structural model (2) is directly measured by the load sensor (4). Then, the resonance force is calculated by inputting the measured air force into the numerical analysis model and post-processing it.
  • the internal support 3 may be configured as an equivalent dynamic model of the structural system of the structure.
  • the inner support 3 may be formed as an equivalent dynamic model instead of a rigid support.
  • the present invention is easy to apply the aeroelastic model because there is almost no spatial constraint inside the structural model (2).
  • the inner support 3 is formed as an equivalent dynamic model, it is possible to directly measure the air force and resonance force through the equivalent dynamic model without separately calculating the air force and resonance force.
  • the wind-integrated wind tunnel test apparatus of the present invention can directly measure the air force acting on the structural model as a reaction force by a load sensor installed between the outer wall and the internal support of the structural model, it is possible to accurately measure the load through the load sensor for any structure shape. It has potential for industrial application in that it can be calculated.

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Abstract

본 발명은 구조모형의 외벽과 내부지지대 사이에 설치되는 하중센서에 의해 구조모형에 작용하는 공기력을 직접 반력으로 측정하여 임의의 높이에 작용하는 풍하중을 정확한 값으로 측정할 수 있고, 구조모형의 외벽 세그먼트에 작용하는 국부 하중 측정으로 정확한 외장재 설계가 가능하며, 정확한 하중값을 기초로 밑면 반력에 대한 정확한 하중 분포 산정이 가능한 풍력적분 풍동실험 기구에 대한 것이다. 본 발명 풍력적분 풍동실험 기구는 속이 빈 구조모형; 상기 구조모형의 내부에 구비되는 내부지지대; 및 상기 내부지지대의 외부에 설치되는 것으로, 상기 구조모형의 내측면에 밀착되어 구조모형에 작용하는 공기력을 측정하는 하중센서; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

풍력적분 풍동실험 기구
본 발명은 구조모형의 외벽과 내부지지대 사이에 설치되는 하중센서에 의해 구조모형에 작용하는 공기력을 직접 반력으로 측정하여 임의의 높이에 작용하는 풍하중을 정확한 값으로 측정할 수 있고, 구조모형의 외벽 세그먼트에 작용하는 국부 하중 측정으로 정확한 외장재 설계가 가능하며, 정확한 하중값을 기초로 밑면 반력에 대한 정확한 하중 분포 산정이 가능한 풍력적분 풍동실험 기구에 대한 것이다.
풍하중은 건물, 교량 등 구조물의 구조 설계에서 중력하중과 함께 주된 고려사항 중 하나이다.
풍하중은 중저층 건물이나 고유주기가 짧은 구조물의 경우, 주로 외벽에 가해지는 속도압에 의한 정적하중으로 작용한다. 이러한 풍하중은 바람의 흐름에 의해 구조물에 직접적으로 작용하는 하중이며, 풍속이나 풍속의 분포와 같은 기류 특성은 구조물의 형상에 의한 공기역학적 특징에 지배된다. 도 1에 도시된 바와 같이, 공기력(aerodynamic force)에 의해 발생하는 평면상 하중은 방향에 따라 풍향과 평행한 풍방향 풍하중, 직교하는 풍직각방향 풍하중, 그리고 수직축에 대한 비틀림 풍하중이 있다.
공기력 외에도 고유주기가 1초 이상인 비교적 장주기 구조물은 속도압의 동적 특성에 의한 추가적인 하중인 공진력(resonant forces)이 구조물에 발생한다.
대부분의 현행 구조기준은 정해진 풍속 범위 내에서 단순한 형상 및 치수를 갖는 구조물에 대한 설계 절차만을 제시하고 있다. 하지만 실제 구조물은 구조기준의 제한을 벗어나는 경우가 많기 때문에, 풍하중 산정을 위해 풍동실험이 불가피하다.
이와 같이 구조물에 작용하는 풍하중을 측정하는 것이 풍동실험의 주된 목적 중 하나인데, 종래 풍동실험은 하중 측정 방식에 따라 공탄성(aero elastic) 풍동실험과 공기역학적(aerodynamic) 풍동실험 두 가지로 분류할 수 있다.
공탄성 풍동실험은 실험 과정에서 공기력과 공진력이 바로 측정될 수 있다는 점에서 가장 정확한 풍하중 측정 방식이다(도 2). 이러한 공탄성 풍동실험 구조모형은 공기역학적 특성과 관련된 건물 외형과 내부의 구조시스템을 모두 스케일링하여 제작한다. 도 2에서 도면부호 20은 구조모형이고, 도면부호 30은 구조시스템을 나타낸다.
또한, 추가로 지반과 구조물의 상호 작용을 고려하기 위해 유연 또는 강체인 기초판에 구조시스템을 부착하기도 하며, 구조모형의 외벽은 슬래브의 강성에 따라 유연 혹은 강체 연결로 구조시스템에 부착하는 방식으로 만들어진다. 이렇게 제작된 공탄성 구조모형을 이용한 풍동실험에서는 내부 구조시스템으로부터 하중이 직접 측정된다.
그러나 구조모형 제작 과정에서 구조물의 외형을 스케일링하는 것은 비교적 용이한 반면, 구조시스템의 경우 질량, 강성, 감쇠의 세 가지 요소를 반드시 포함하여야 한다. 그런데 이 중 감쇠를 적정 수준으로 스케일링하여 실제와 동일하게 구현하는 것은 매우 까다롭다.
따라서 실제 건물 모형 제작시 통상적으로 구조시스템은 몇 가지 동적 모드만을 고려하는 시스템으로 단순화되는 문제가 있다.
공기역학적 풍동실험은 공탄성 풍동실험과 달리 강체 구조모형이 사용되고, 실험을 통해 공기력만이 측정되며, 이후 측정된 공기력을 수치 해석 모델에 입력하여 공진력을 얻는 후처리가 필요하다.
공기역학적 풍동실험에서 공기력 측정 방식에는 풍압실험(High frequency pressure integrate, HFPI)과 풍력실험(High frequency force balance, HFFB)의 두 가지가 주로 사용된다.
도 3의 (a)에 도시된 바와 같이, HFPI는 외벽에 수많은 압력탭(210)이 부착된 구조모형(20)을 사용한다. 이때, 풍압 측정을 위한 압력탭 튜브를 내부에 설치해야 하므로 구조모형은 속이 빈 중공 형태여야 하며, 하중은 압력탭을 통해 측정된 풍압을 외벽의 영향 면적에 대해 적분한 값을 바탕으로 산정된다. 외벽에서 부분적으로 측정된 국부압(local pressure) 결과가 있으므로, 산정된 결과값을 외장재 설계에 직접 사용할 수 있다. 또한, 측정 결과로부터 높이에 따른 풍압 분포가 얻어지므로, 공진력을 산정하기 위한 수치 해석 모델 수립에 매우 유용하게 사용될 수 있다.
그러나 HFPI 방식은 압력탭의 개수와 배열에 의해 측정치의 정확도가 좌우되는 한계가 있다. 일반적으로 코너 부분에서는 복잡한 기류가 형성되기 때문에 더 많은 압력탭이 부착되어야 하며, 만약 외벽에 발코니 등과 같이 돌출부가 있어 외형이 매끄럽지 않은 경우 결과의 정확도가 낮아지고 더 많은 압력탭이 필요하다. 그런데 구조모형 내부에 압력탭 튜브를 배치할 수 있는 공간이 한정되어 있기 때문에, 실제 압력탭 부착 개소에 한계가 있다. 뿐만 아니라 구조물 밑면 반력은 풍압을 작용 면적에 대해 적분하여 산정하는 근사값이기 때문에 정확도가 낮은 편이다.
도 3의 (b)에 도시된 바와 같이, HFFB 구조모형은 HFPI와 유사하게 강체 모형이 사용되지만, 모형의 밑면이 고정되지 않는 점에서 차이가 있다. 즉, 구조모형의 밑면이 고정되지 않고, 풍력천칭(220, Force Balance device)이라는 하중 측정 장치상에 구조모형(20)이 설치되어 공기력에 의한 반력이 풍력천칭을 통해 측정된다.
따라서 풍동실험 결과에 의해 밑면 반력만이 측정되고, 높이에 따른 하중 분포는 산출되지 않기 때문에 후처리를 위한 수치 해석시 하중의 연직 분포는 공학적 판단에 의해 가정된다.
이에 따라 연직 분포 패턴 가정이 어렵지 않은 단순한 형상을 갖는 구조물은 HFFB가 매우 유용하지만, 비정형적인 형상을 갖는 건물에는 적용이 매우 까다롭다. 또한, 외벽의 국부압 결과를 얻을 수 없기 때문에, 실험 결과를 외장재 설계에 바로 적용할 수 없다.
본 발명은 종래 풍동실험 기구들의 문제점을 해결하기 위하여 구조모형 외벽에 작용하는 압력을 측정하는 대신 벽체에서 작용하는 공기력을 직접 반력으로 측정함으로써 임의의 높이에 작용하는 풍하중을 근사값이 아닌 정확한 값으로 측정할 수 있는 풍력적분 풍동실험 기구를 제공하고자 한다.
본 발명은 구조모형 외벽 세그먼트에 작용하는 국부 하중 측정이 가능하여 정확한 외장재 설계가 가능하고, 정확한 하중값에 기초하여 밑면 반력에 대한 정확한 하중 분포를 산정 가능한 풍력적분 풍동실험 기구를 제공하고자 한다.
본 발명은 하중센서의 재사용이 용이하여 경제적인 풍력적분 풍동실험 기구를 제공하고자 한다.
바람직한 실시예에 따른 본 발명은 속이 빈 구조모형; 상기 구조모형의 내부에 구비되는 내부지지대; 및 상기 내부지지대의 외부에 설치되는 것으로, 상기 구조모형의 내측면에 밀착되어 구조모형에 작용하는 공기력을 측정하는 하중센서; 로 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력적분 풍동실험 기구를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 구조모형의 외벽은 복수의 세그먼트로 분할되는 것을 특징으로 하는 풍력적분 풍동실험 기구를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 세그먼트의 사이에는 실링재가 구비되는 것을 특징으로 하는 풍력적분 풍동실험 기구를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 내부지지대는 강체 코어인 것을 특징으로 하는 풍력적분 풍동실험 기구를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 내부지지대는 구조물의 구조시스템의 등가 동적 모델인 것을 특징으로 하는 풍력적분 풍동실험 기구를 제공한다.
본 발명에 따르면 구조모형의 외벽과 내부지지대 사이에 설치되는 하중센서에 의해 구조모형에 작용하는 공기력을 직접 반력으로 측정 가능하므로, 임의의 높이에 작용하는 풍하중을 근사값이 아닌 정확한 값으로 측정할 수 있는 풍력적분 풍동실험 기구를 제공할 수 있다.
따라서 어떠한 구조물 형상에 대해서도 하중센서를 통해 정확한 하중을 산정할 수 있다. 특히, 몇 개의 하중센서만을 이용하여 정확한 하중을 측정할 수 있으며, 하중센서만 추가하면 보간법을 통한 하중 분포 산정시 정확도를 높일 수 있다.
또한, 임의의 높이에 작용하는 하중을 정확히 측정할 수 있으므로 수치 해석시 유용하게 활용 가능하다.
아울러 구조모형에 하중센서와 내부지지대가 단순 조립되는 형태이므로, 실험 이후 분해하여 재사용 가능하여 경제적이며, 폐기물 감소로 친환경적이다.
뿐만 아니라 구조모형의 외벽을 복수의 세그먼트로 분할 구성하는 경우, 각 세그먼트에 작용하는 국부 하중을 산정할 수 있어 정확한 외장재 설계가 가능하고, 정확한 하중값에 기초하여 밑면 반력에 대한 정확한 하중 분포 산정이 가능하다.
도 1은 공기력에 의한 평면 하중을 나타내는 도면.
도 2는 풍동실험을 위한 공탄성 구조모형을 나타내는 도면.
도 3의 (a)와 (b)는 각각 HFPI와 HFFB의 공기역학적 구조모형을 나타내는 도면.
도 4는 본 발명 풍력적분 풍동실험 기구를 도시하는 사시도.
도 5는 본 발명 풍력적분 풍동실험 기구를 도시하는 입단면도.
도 6은 본 발명 풍력적분 풍동실험 기구를 도시하는 평단면도.
도 7은 본 발명에 의해 측정되는 수직 반력 및 전단력을 나타내는 도면.
도 8은 파라펫이 구비된 구조모형에 대한 풍동실험 기구를 도시하는 입단면도.
도 9는 다양한 입면 형상이 구비된 구조모형에 대한 풍동실험 기구를 도시하는 평단면도.
도 10은 다양한 평면 형태의 풍동실험 기구를 도시하는 평단면도.
도 11은 교량용 풍동실험 기구를 도시하는 입단면도.
도 12는 구조모형의 외벽 분할 사례들을 도시하는 도면.
도 13은 삼각형 평면 구조모형에 실링재가 구비된 실시예를 도시하는 도면.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 풍력적분 풍동실험 기구는 속이 빈 구조모형; 상기 구조모형의 내부에 구비되는 내부지지대; 및 상기 내부지지대의 외부에 설치되는 것으로, 상기 구조모형의 내측면에 밀착되어 구조모형에 작용하는 공기력을 측정하는 하중센서; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명 풍력적분 풍동실험 기구를 도시하는 사시도이고, 도 5는 본 발명 풍력적분 풍동실험 기구를 도시하는 입단면도이며, 도 6은 본 발명 풍력적분 풍동실험 기구를 도시하는 평단면도이다. 도 7은 본 발명에 의해 측정되는 수직 반력 및 전단력을 나타내는 도면이다. 그리고 도 8은 파라펫이 구비된 구조모형에 대한 풍동실험 기구를 도시하는 입단면도이고, 도 9는 다양한 입면 형상이 구비된 구조모형에 대한 풍동실험 기구를 도시하는 평단면도이며, 도 10은 다양한 평면 형태의 풍동실험 기구를 도시하는 평단면도이고, 도 11은 교량용 풍동실험 기구를 도시하는 입단면도이다.
도 4 내지 도 6 등에 도시된 바와 같이, 본 발명 풍력적분 풍동실험 기구는 속이 빈 구조모형(2); 상기 구조모형(2)의 내부에 구비되는 내부지지대(3); 및 상기 내부지지대(3)의 외부에 설치되는 것으로, 상기 구조모형(2)의 내측면에 밀착되어 구조모형(2)에 작용하는 공기력을 측정하는 하중센서(4); 로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 종래 풍동실험 기구들이 갖고 있는 문제점을 해결하기 위한 것으로, 구조모형(2)의 외벽에 작용하는 압력을 측정하는 대신 벽체에서 작용하는 공기력을 직접 반력으로 측정함으로써 임의의 높이에 작용하는 풍하중을 근사값이 아닌 정확한 값으로 측정할 수 있는 풍력적분 풍동실험 기구를 제공하기 위한 것이다.
아울러 본 발명은 구조모형(2)의 외벽 세그먼트(21)에 작용하는 국부 하중 측정이 가능하여 외장재를 정확하게 설계 가능하고, 정확한 하중값에 기초하여 밑면 반력에 대한 정확한 하중 분포 산정이 가능하며, 하중센서(4)의 재사용이 용이하여 경제적인 풍력적분 풍동실험 기구를 제공한다.
본 발명 풍력적분 풍동실험 기구는 구조모형(2), 내부지지대(3) 및 하중센서(4)를 포함하여 구성된다.
상기 구조모형(2)은 실제 구조물의 외피를 스케일링한 속이 빈 모형이다.
상기 내부지지대(3)는 구조모형(2)의 내부에 구비된다.
상기 내부지지대(3)는 트러스, 중공 또는 밀실(solid) 등 다양한 형태의 지지대를 사용 가능하다.
상기 하중센서(4)는 내부지지대(3)의 외부에 설치되는 것으로, 상기 구조모형(2)의 내측면에 밀착되어 구조모형(2)에 작용하는 공기력을 측정한다.
상기 하중센서(4)는 구조모형(2)의 외벽과 내부지지대(3)의 사이에 설치된다. 이에 따라 상기 구조모형(2)의 외벽에 작용하는 하중은 하중센서(4)를 통해 측정된다.
상기 하중센서(4)는 변형률계, 로드셀, 압전계, 압력계 등 다양한 센서를 선택하여 사용 가능하다.
상기 하중센서(4)의 측정값은 공기력에 의해 작용하는 하중과 동일하다.
공기력에 의한 하중은 각 외벽에 작용하는 하중의 합력으로 나타낸다.
상기 하중센서(4)는 하중과 모멘트를 측정할 수 있도록 구조모형(2)의 각 면마다 복수 개를 적절히 배치할 수 있다.
상기 하중센서(4)에 의해 공기력을 직접 측정하므로 근사값이 아닌 정확한 값으로 측정 가능하다.
도 7의 (a)는 구조모형(2)에 작용하는 기류를 도시한다.
본 발명의 경우, 도 7의 (b)에서와 같이 벽체면에 수직한 수직 반력을 측정할 수 있으며, 도 7의 (c)에서와 같이 수직 반력 및 전단력 측정도 가능하다.
종래 HFPI 방식은 벽체면에 수직한 방향의 힘만 측정할 수 있고, 평행한 방향의 힘, 즉 전단력을 산정할 수 없었다.
본 발명에서는 상기 하중센서(4)로 전단력 측정이 가능한 센서를 사용할 경우, 구조모형(2)에 작용하는 전단력 산정이 가능하다(도 7).
상기 내부지지대(3)와 구조모형(2)의 외벽은 상호 이격되어 있다. 그러므로 상기 하중센서(4)가 구조모형(2)의 외벽 내측면에 밀착될 수 있도록 하중센서(4)는 내부지지대(3)와 연결구(5)에 의해 고정할 수 있다.
상기 연결구(5)는 축력과 전단력에 의한 변형에 따른 계측 오차를 방지하기 위하여 충분한 강성을 가져야 한다.
상기 연결구(5)는 판이나 막대 등 다양한 형태로 구성 가능하다.
상기 연결구(5)는 내부지지대(3)와 구조모형(2) 외벽 사이의 간격 변화에 대응할 수 있도록 길이 조절이 가능하게 구성함이 바람직하다.
종래 HFPI는 구조모형의 내부 공간이 한정되어 있고, 사용 가능한 압력탭 튜브 개수에 제약이 있으며, 압력탭 설치를 위한 풍압공의 개수도 제한적이다. 그리고 복잡한 외형의 구조물에서는 풍압공의 영향 면적을 산정하는 것이 쉽지 않았다.
반면, 본 발명은 외벽의 형태가 중요하지 않으며, 어떠한 구조물 형상에 대해서도 하중센서(4)를 통해 정확한 하중을 산정할 수 있다.
즉, 도 8과 같이 파라펫(23)이 구비된 경우나 도 9와 같이 다양한 입면 형상인 경우에도 각 구조모형에 대한 풍동실험 기구를 통해 정확한 하중 산정이 가능하다.
또한, 기존 공기역학적 풍동실험 결과는 실험 후 후처리를 위한 수치 해석이 필요하므로, 높이에 따른 연직 분포를 구하는 것이 매우 중요하다. 그런데 기존 HFFB 방식은 풍하중에 의한 반력을 모형의 밑면에서만 측정할 수 있었다.
반면, 본 발명은 임의의 높이에 작용하는 하중을 정확히 측정할 수 있기 때문에 수치 해석시 매우 유용하게 활용 가능하다.
아울러 전술한 바와 같이, HFPI 실험 결과는 구조모형의 외벽면에 설치된 압력탭의 개수에 크게 영향을 받는다. 그리고 모서리나 돌출부, 함몰부 등 외형이 복잡한 부위에 작용하는 하중을 더 정확히 측정하기 위해서는 해당 부분에 압력탭이 반드시 설치되어야 하는데, 이러한 실험 결과 역시 근사값이다.
반면, 본 발명은 단 몇 개의 하중센서(4)만을 이용하여 근사값이 아닌 정확한 하중을 측정할 수 있다.
즉, 내부 공간 제약으로 압력탭 추가에 한계가 있어 하중 분포의 정확도를 높이기 어려운 HFPI 방식과 달리, 본 발명은 하중센서(4)만 추가하면 보간법을 통한 하중 분포 산정시 정확도를 크게 높일 수 있다.
더욱이 수치 해석 모델 수립시 수많은 압력탭을 통해 측정된 결과값을 모델링하는 HFPI 방식과 달리, 본 발명은 상대적으로 적은 수의 측정 하중을 모델링하게 되므로 해석 연산량이 대폭 저감되어 효율적이다.
본 발명은 단순한 개념에 기반하고 있어 밀폐형 구조물은 물론 부분 개방형 구조물, 냉각탑이나 사일로, 굴뚝 등 다양한 구조물에 널리 적용 가능하다(도 10의 (a) 내지 (c) 참조).
또한, 건물뿐 아니라 도 11과 같이 교량 구조물에도 적용 가능하다.
교량면의 상하단에 작용하는 하중은 기존 방식들에서는 측정이 까다로운 반면, 본 발명은 교량면 상하단에 작용하는 하중을 개별적으로 측정 가능하다.
한편, HFPI는 하나의 구조모형에 사용된 압력탭과 압력탭 튜브를 실험 이후 재활용하는 것이 불가능하다.
반면, 본 발명은 구조모형(2)에 하중센서(4)와 내부지지대(3)가 단순 조립되기 때문에 실험 이후 이들 부재를 다시 분해하여 여러 번 재사용 가능하여 경제적이며, 폐기물 감소로 친환경적이다.
도 12는 구조모형의 외벽 분할 사례들을 도시하는 도면이다.
도 4, 도 12 등에 도시된 바와 같이, 상기 구조모형(2)의 외벽은 복수의 세그먼트(21)로 분할될 수 있다.
상기 구조모형(2)의 외벽에 작용하는 총 하중이 정확하게 측정될 수 있도록 구조모형(2)의 외벽은 여러 개의 세그먼트(21)로 분할할 수 있다.
이러한 외벽 세그먼트(21)의 개수는 건물 외형의 복잡한 정도, 사용되는 하중센서(4)의 종류, 요구되는 측정값의 정밀도 등에 따라 결정 가능하다.
상기 외벽 세그먼트(21)는 도 4와 같이 동일 외벽면을 복수 개로 분할하여 형성할 수 있으며, 구조물의 각 층마다 분할되도록 구성되는 것이 바람직하다.
아울러 상기 외벽 세그먼트(21)는 도 12에서와 같이 평면상 구조모형(2)의 각 면을 기준으로 분할할 수도 있고, 평면상 모서리 일부만 분할할 수도 있다.
도 12의 (a)와 (b)는 구조모형의 외벽 분할 사례들을 도시하는 도면으로, 각각 4분할과 2분할된 실시예이다.
이에 따라 각 외벽 세그먼트(21)에 작용하는 국부 하중을 산정할 수 있어 정확한 외장재 설계가 가능하다.
본 발명은 구조모형(2)의 각 외벽 세그먼트(21)에서 측정된 하중데이터가 매우 정확하고, 기존 방식에 비해 하중데이터의 양이 적다. 그렇기 때문에 수치 해석 모델로의 전환이 용이하여, 수치 해석과 실험 결과를 통합한 통합 모델의 해석 수행시 매우 용이하다.
건물 높이에 따른 외벽 세그먼트(21)의 수가 건물 층수와 일치하지 않는 경우, 하중의 연직 분포를 얻기 위해 HFPI 방식에서와 같이 보간법 적용이 필요하다.
이때, HFPI 방식이 근사값에 기초하는 것과 달리 본 발명은 정확한 측정값을 통해 보간되므로 더 정확한 하중의 연직 분포를 얻을 수 있다.
도 13은 삼각형 평면 구조모형에 실링재가 구비된 실시예를 도시하는 도면이다.
도 12 및 도 13에 도시된 바와 같이, 상기 세그먼트(21)의 사이에는 실링재(22)가 구비될 수 있다.
상기 구조모형(2)의 외벽 세그먼트(21) 사이의 틈이 기류에 영향을 주지 않도록 이웃하는 세그먼트(21) 사이를 채우기 위한 실링재(22)가 구비될 수 있다.
상기 실링재(22)는 하중센서(4)가 구조모형(2)의 외벽 세그먼트(21)에 작용하는 하중을 측정할 수 있을 만큼 벽체 움직임이 원활하도록 충분히 유연한 것을 사용한다.
상기 실링재(22)의 위치는 구조모형(2)의 외벽 세그먼트(21) 크기, 작업성, 실링재(22)의 종류 등을 고려하여 결정할 수 있다.
한편, 상기 내부지지대(3)는 강체 코어로 구성할 수 있다.
상기 구조모형(2)에 작용하는 공기력만을 측정하고자 하는 경우, 내부지지대(3)는 강체 코어(rigid core)로 형성한다.
이 경우 구조모형(2)의 외벽에 작용하는 공기력은 하중센서(4)에서 직접 측정된다. 이후 측정된 공기력을 수치 해석 모델에 입력하여 후처리 함으로써 공진력을 산출한다.
상기 내부지지대(3)는 구조물의 구조시스템의 등가 동적 모델로 구성할 수 있다.
공탄성 풍동실험에서의 구조모형과 같이 공기력과 공진력을 모두 측정하기 위해 공탄성 구조모형이 필요한 경우, 상기 내부지지대(3)는 강체 지지대 대신 등가 동적 모델로 형성할 수 있다.
HFPI 모형은 내부에 수많은 압력 측정 튜브가 설치되기 때문에, 공탄성 모형을 만들기 위해 내부에 구조물의 구조시스템을 스케일링하여 모델링한 등가 동적 모델(equivalent dynamic model)을 설치하는 것이 공간상 문제로 거의 불가능하다.
반면, 본 발명은 구조모형(2)의 내부에 공간적 제약이 거의 없기 때문에 공탄성 모형 적용이 용이하다.
상기 내부지지대(3)를 등가 동적 모델로 형성하면, 공기력과 공진력을 별도로 계산할 필요 없이 등가 동적 모델을 통해 직접 측정 가능하다.
본 발명의 풍력적분 풍동실험 기구는 구조모형의 외벽과 내부지지대 사이에 설치되는 하중센서에 의해 구조모형에 작용하는 공기력을 직접 반력으로 측정 가능하므로, 어떠한 구조물 형상에 대해서도 하중센서를 통해 정확한 하중을 산정할 수 있다는 점에서 산업상 이용 가능성이 있다.

Claims (5)

  1. 속이 빈 구조모형(2);
    상기 구조모형(2)의 내부에 구비되는 내부지지대(3); 및
    상기 내부지지대(3)의 외부에 설치되는 것으로, 상기 구조모형(2)의 내측면에 밀착되어 구조모형(2)에 작용하는 공기력을 측정하는 하중센서(4); 로 구성되는 것을 특징으로 하는 풍력적분 풍동실험 기구.
  2. 제1항에서,
    상기 구조모형(2)의 외벽은 복수의 세그먼트(21)로 분할되는 것을 특징으로 하는 풍력적분 풍동실험 기구.
  3. 제2항에서,
    상기 세그먼트(21)의 사이에는 실링재(22)가 구비되는 것을 특징으로 하는 풍력적분 풍동실험 기구.
  4. 제1항에서,
    상기 내부지지대(3)는 강체 코어인 것을 특징으로 하는 풍력적분 풍동실험 기구.
  5. 제1항에서,
    상기 내부지지대(3)는 구조물의 구조시스템의 등가 동적 모델인 것을 특징으로 하는 풍력적분 풍동실험 기구.
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