[논문]TPA 기법을 이용한 건물 내 설비 동하중 산정

정민기; 이성수; 김용구; 안상경; 이상엽

doi:10.5050/ksnvn.2009.19.8.773

Abstract ▼ AI-Helper

The facility equipments generate dynamic force on building floor and the force can be measured with force transducer. However, this method depends on the measuring capacity or range of sensor, or mounts installation condition of equipments. Because of this restricting condition on force measuring sy...

The facility equipments generate dynamic force on building floor and the force can be measured with force transducer. However, this method depends on the measuring capacity or range of sensor, or mounts installation condition of equipments. Because of this restricting condition on force measuring system, this paper suggests a indirect method, the TPA(transfer path analysis) method, that produces a closely approximate dynamic force of equipments. This method calculates the dynamic force by using transfer response function. Firstly, the calculated dynamic force of impact load and continuous load was respectively compared with the sensor-measured value to examine the accuracy of TPA method. After that, the dynamic force and response induced by large facility equipments - a cooling tower, AHU and a large ventilator - were calculated by TPA method and the validity of these value were examined.

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문제 정의

이 연구에서는 건물의 바닥구조에 설치되는 대형 공조기의 동하중을 간접적으로 추정하는 방법으로서 전달함수에 의해 동하중을 추정하는 TPA (transfer path analysis)기법을 제시한다. 그리고, 실제 건물에 설치된 대형 냉각탑, 공조기, 송풍기에 대한 동하중을 TPA기법으로 추정하고, 이들 장비가 작동하는 상태에서의 진동응답과 TPA기법을 활용한 추정응답을 비교하여 TPA기법의 현장 사용성을 검증한다.
그리고 현장 여건상 공조기가 운전 중에 force transducer로 동하중을 직접 측정하기가 불가능하다. 따라서 이 논문에서는 impact hammer에 의한 충격하중과 선형모터시스템 운전 시 지지점으로 전달되는 하중을 대상으로 하여 matrix inverse 기법에 의한 TPA기법의 현장 적용 타당성을 검토하였다. 실험과정에서 opeational data와 FRF는 LMS TestLab으로 측정하였으며, TPA(matrix inverse)는 LMS Cada-X Analysis 모듈에서 수행하였다⁽¹⁾.
(1) 실제 건물 내 주요 설비들에 대한 동하중 산정 및 검증하여 이 기법의 현장 적용성을 최초로 검토해 보았다.
이 논문은 삼성건설의 “진동계측 시스템 구축을 통한 바닥진동 성능확보” 과제의 일환으로 수행된 내용을 요약한 것이다.

제안 방법

이 연구에서는 건물의 바닥구조에 설치되는 대형 공조기의 동하중을 간접적으로 추정하는 방법으로서 전달함수에 의해 동하중을 추정하는 TPA (transfer path analysis)기법을 제시한다. 그리고, 실제 건물에 설치된 대형 냉각탑, 공조기, 송풍기에 대한 동하중을 TPA기법으로 추정하고, 이들 장비가 작동하는 상태에서의 진동응답과 TPA기법을 활용한 추정응답을 비교하여 TPA기법의 현장 사용성을 검증한다.
1과 같이 진동원이 다양하고, 제원 및 설치되는 위치에서의 상호작용이 복잡하여 각 진동원에서 근원적으로 발생하는 동하중을 산정하는 것은 현실적으로 불가능하다. 따라서 이 연구에서는 설비 작동 시 바닥구조의 지점에서 계측되는 진동데이터를 trouble shooting force로 정하고, TPA기법을 활용하여 설비 동하중을 산정하였다.
우선, force transducer를 선형모터시스템 하부에 설치하여, matrix inverse 기법으로 구한 지지점 4개소에 작용하는 하중과 force transducer에서 계측된 time 및 spectrum data를 비교하였다. Fig.
이상에서 matrix inverse 기법의 신뢰성을 충격하중과 연속하중을 중심으로 검토해 보았다. 충격하중에 대해서는 비교적으로 정확한 결과를 얻을 수 있었지만, 연속하중에 대해서는 측정된 operational data와 FRF의 quality⁽²⁾에 따라 측정 위치별로 산정된 동하중의 정확도가 차이가 있음을 알 수 있다.
이 장에서는 앞에서 제시한 TPA 기법에 의한 건물 내 설비 동하중 산정 방법으로 건물 내 주요 설비(냉각탑, 공조기, 송풍기)의 동하중을 산정해 보았다. 대상설비들의 자세한 사양은 Table 4에서 제시하였다.
냉각탑 스프링 마운트 하부 6개소에 동하중 산정 목적으로, 나머지 2개소에 산정하중 검증 목적으로 가속도계를 설치하고,(Fig. 8) LMS TestLab에서 측정을 수행하였다. 그리고 측정된 operational data(spectrum,△f=1/32Hz)와 FRF(△f=0.
공조기 지지점 10개소에(Fig. 12) 동하중 산정 목적으로, 나머지 1개소에 산정하중 검증 목적으로 가속도계를 설치하였으며, 측정결과는 Fig. 13에서 도시하였다.

대상 데이터

폴리우레탄 매트 위의 콘크리트 베드 위에 공조기가 설치되어 있는 현장이다. 충격하중재하는 8개 측정위치 중 4개소(AH16:0005~0008)에 가하였다. 자세한 측정위치는 Fig.
연속하중에 대한 적용성 검토는 force transducer로 건물 내 설비 동하중 계측이 어려워 Fig. 6과 같이 mover가 연속적으로 수평운동을 하는 선형모터 시스템을 대상으로 하였다.

데이터처리

따라서 이 논문에서는 impact hammer에 의한 충격하중과 선형모터시스템 운전 시 지지점으로 전달되는 하중을 대상으로 하여 matrix inverse 기법에 의한 TPA기법의 현장 적용 타당성을 검토하였다. 실험과정에서 opeational data와 FRF는 LMS TestLab으로 측정하였으며, TPA(matrix inverse)는 LMS Cada-X Analysis 모듈에서 수행하였다⁽¹⁾.
10에서 제시하였다. 산정된 동하중에 대한 검증은 하중산정에 사용된 측정위치인 Slab:0001, Slab:0002 2개소를 대상으로 Fig. 11과 같이 측정응답과 계산응답을 비교하였다. Table 5에서 OA값을 비교한 것으로 두 값의 차이가 2 dB 이내로 나타났다.
(2) TPA 기법을 이용하여 계산된 충격하중과 실제 측정데이터와 비교하여 신뢰성 검증하였으며, 시간영역에서 3 % 이내의 오차 범위 내에서 예측되었다.

이론/모형

2와 같다. TPA기법에는 matrix inverse기법 또는 mount stiffness기법이 사용될 수 있는데 이 연구에서는 matrix inverse기법을 사용한다.
건물 내 설비들의 경우 하중전달 경로가 다양하여 mount stiffness 기법을 적용하기 어려우므로, 이 논문에서는 matrix inverse 기법만 고려하였다.
충격하중에 대한 검토는 force transducer와 matrix inverse기법으로 구한 time data에 대하여 수행되었다. 4점에 대한 충격하중의 측정값과 계산값은 Fig.
TPA 추정 과정은 LMS Cada-X TPA 모듈에서 matrix inverse방법으로 수행하였으며, 산정된 동하중을 Fig. 10에서 제시하였다. 산정된 동하중에 대한 검증은 하중산정에 사용된 측정위치인 Slab:0001, Slab:0002 2개소를 대상으로 Fig.

성능/효과

측정 동하중과 산정된 동하중 사이의 차이는 1.6~10.7 % 이며, 충격하중의 검토결과보다 약간 차이가 큰 것으로 검토되었다.
(3) TPA 기법을 이용한 실제 건물 내 주요 설비에 대한 동하중 산정 및 검증결과 측정 응답과 계산 응답이 3 dB 이내의 오차로 정확하게 예측할 수 있었다. 따라서, 이 기법을 이용하여 실제 현장에서 충분히 적용이 가능하였다.
(4) 건물 내 설비 동하중 이외에 파일 항타, 보행하중, 일반 산업체에서 발생 가능한 진동문제에도 효과적으로 해결할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TPA 기법을 이용하여 건물 내 설비 동하중을 산정하는 소개하고 산정 기법의 신뢰성 및 현장 적용을 검토한 결과는?	(1) 실제 건물 내 주요 설비들에 대한 동하중 산정 및 검증하여 이 기법의 현장 적용성을 최초로 검토해 보았다. (2) TPA 기법을 이용하여 계산된 충격하중과 실제 측정데이터와 비교하여 신뢰성 검증하였으며, 시간영역에서 3 % 이내의 오차 범위 내에서 예측되었다. (3) TPA 기법을 이용한 실제 건물 내 주요 설비에 대한 동하중 산정 및 검증결과 측정 응답과 계산 응답이 3 dB 이내의 오차로 정확하게 예측할 수 있었다. 따라서, 이 기법을 이용하여 실제 현장에서 충분히 적용이 가능하였다. (4) 건물 내 설비 동하중 이외에 파일 항타, 보행하중, 일반 산업체에서 발생 가능한 진동문제에도 효과적으로 해결할 수 있다.
	건물 바닥의 중량이 경량화 되는 추세가 불러일으킨 특성은?	최근에는 건물내부 공간의 효용성을 높이기 위하여 건물 바닥 구조시스템이 장스팬화 되고, 고강도 강재, 경량 콘크리트 등 새롭게 개발된 경량자재 사용이 보편화되면서 건물 바닥의 중량이 경량화 되는 추세이다. 이러한 시스템의 변화는 바닥 구조시스템의 고유진동수와 감쇠성능을 저하시키고, 동적강성을 감소시켜 동하중 작용 시 진동응답이 증가하는 특성을 가져왔다. 이러한 진동응답의 증대는 사용자의 거주환경을 악화시키고 필연적으로 진동민원을 유발하게 되므로, 설계단계에서부터 건물 바닥구조에 대한 체계적인 진동검토시스템이 요구된다.
	건물 바닥의 중량이 경량화 되는 추세인 이유는?	최근에는 건물내부 공간의 효용성을 높이기 위하여 건물 바닥 구조시스템이 장스팬화 되고, 고강도 강재, 경량 콘크리트 등 새롭게 개발된 경량자재 사용이 보편화되면서 건물 바닥의 중량이 경량화 되는 추세이다. 이러한 시스템의 변화는 바닥 구조시스템의 고유진동수와 감쇠성능을 저하시키고, 동적강성을 감소시켜 동하중 작용 시 진동응답이 증가하는 특성을 가져왔다.

참고문헌 (7)

LMS TestLab, Cada-X User's Manual
Ewins, D. J., 2000, Modal Testing : Theory, Practice and Application Research Studies Press LTD
Bendat, J. S. and Piersol, A. G., 2000, Random Data : Analysis & Measurement Procedures, Wiley
Liu, J.-J., Ma, C.-K., Kung, I.-C. and lin, D.-C., 2000, "Input Force Estimation of a Cantilever Plate by Using a System Identification Technique," Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering Vol. 190, Issue 11-12, pp. 1309-1322

상세보기
Allen, M. S. and Carne, T. G., 2008, "Delayed, Multi-step Inverse Structural Filter for Robust Force Udentification," Mechanical Systems and Signal Processing, Vol. 22, Issue 5, pp. 1036-1054

상세보기
Lee, H.-J., 1994, "Prediction of Dynamic Behavior in Concrete Slab by Transfer Function Method," Master Thesis, Yonsei University
Kim, S.-H., Kim, J.-H. and Lee, H.-K., 1992, "Prediction of the Exciting Force of Machine and the Vibration Response of Floor Using Transfer Function Method," Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 2 No. 4, pp. 273-280

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