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문제 정의
- 기류 조건에 따른 장대 교량의 공기역학적 특성을 파악하고자 묘도-광양간 현수교 단면을 대상으로 풍동실험을 수행하였다. 본 연구의 대상이 되는 교량은 주경간장 1,545m인 세계 4위 규모의 현수교이다.
- 능동 난류 발생장치를 통해 생성된 각기 다른 난류 적분길이를 가지는 기류가 트윈박스 단면에 미치는 영향을 살펴보았다. 이때 동일한 난류 강도(약 6%)에서 난류 적분길이를 40 cm, 60 cm, 80 cm, 120 cm로 달리하여 비정상 공기력을 측정하였다.
- 본 연구에서는 가능한 긴 난류 적분길이를 발생시킬 수 있는 능동 난류 발생장치를 개발하고자 한다. 자연적인 난류는 수직방향과 아울러 수평방향 변동 성분을 가지고 있다.
- 본 연구에서는 난류 조건에 따른 트윈박스 단면의 공기역학적 특성을 파악하는데 그 목적을 두고 있다. 이를 위하여 목표한 스펙트럼, 강도, 적분길이를 동시에 만족하는 난류를 생성할 수 있는 능동 난류 발생장치를 개발하였다.
- 본 연구에서는 다양한 난류를 사용하여 난류 특성이 트윈박스 단면 교량의 공기역학적 특성에 미치는 영향을 파악하는데 연구 목적을 두었다. 이를 위하여 난류 강도, 난류 적분길이, 난류 스펙트럼을 모두 만족하는 난류를 구현하기 위한 능동 난류발생 장치를 개발하였다.
제안 방법
- 먼저 기류 제어판의 각도를 몇 단계로 나누어 고정한 상태에서 풍향을 측정하고, 이를 바탕으로 제어판 각도와 발생 풍향의 관계에 대한 근사적인 관계식(가중함수)의 초기값을 구한다. 가우시안 랜덤 신호를 이용하여 목표 스펙트럼으로부터 역푸리에 변환을 통해 변동 풍속을 생성한다. 이때 변동 풍속 생성 방법으로 웨이브 중첩법을 사용하였다.
- 격자 난류 종류를 달리하여 격자 난류 조건하에서의 플러터계수의 변화를 살펴보았다. 플러터계수를 추출하기 위한 방법으로 강제진동 실험기법(Lee, 2009)을 사용하였고, 실험 결과는 그림 7에 나타내었다.
- 공기력에 미치는 난류 적분길이의 영향을 살펴보기 위하여 능동 난류 발생장치를 이용하여 생성한 3가지 난류 T05-40, T05-75, T05-100 조건하에서 영각별 공기력의 변화를 살펴보았다. 난류 적분길이에 따른 항력, 양력, 피칭모멘트계수의 변화는 그림 6에 나타나 있다.
- 실험시 평균 풍속은 피토관과 차압계(Setra 239)를 사용하여 측정하였고, 교량 모형의 변위는 광학식 변위계(Hamamatsu C5949)를 사용하여 측정하였다. 교량 단면 모형에 작용하는 변동 공기력은 모형의 양단에 설치한 한 쌍의 6분력계(JR3, 100M40A3)를 사용하여 측정하였다.
- 이를 위하여 난류 강도, 난류 적분길이, 난류 스펙트럼을 모두 만족하는 난류를 구현하기 위한 능동 난류발생 장치를 개발하였다. 그리고 다양한 난류 특성이 트윈박스 단면의 정적 공기력, 플러터계수, 공력 어드미턴스 함수에 미치는 영향을 풍동실험을 통하여 평가하고 그 결과를 제시하였다.
- 이를 위하여 목표한 스펙트럼, 강도, 적분길이를 동시에 만족하는 난류를 생성할 수 있는 능동 난류 발생장치를 개발하였다. 그리고 이를 사용하여 난류 특성이 트윈박스의 정적 공기력, 비정상 공기력, 양력 어드미턴스 함수, 버페팅 응답에 미치는 영향을 파악하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 이렇게 생성한 풍속의 시간이력에 가중함수를 곱하여 기류 제어판의 초기 제어 신호로 사용하여 제어판을 움직인다. 그리고 초기 제어 신호를 사용하여 생성한 난류를 열선풍속계로 측정하여 풍속 스펙트럼을 구한다. 측정된 스펙트럼은 여러 가지 요인으로 의하여 목표 스펙트럼과 정확히 일치하지 않으므로 보정이 필요하다.
- 기류의 입사각을 바꾸기 위한 에어포일 제어판은 기구적으로 구속된 회전축에 의해 동일한 위상차를 가지고 구동하게 된다. 기류 제어판은 -35도에서 +35도의 범위에서 작동이 가능하며, 제어를 위한 소프트웨어는 NI사의 LabVIEW를 사용하여 구현하였다. AC 서보모터는 LabVIEW를 통해 직접 제어가 가능하며, 초당 1000개 데이터까지 정밀하게 작동이 가능하고 엔코더를 통해 제어상태의 확인이 가능하다.
- 기류 조건에 따른 버페팅 응답의 비교를 위해 다양한 능동 난류 조건하에서 2차원 부분모형 진동실험을 수행하였다. 모든 실험 조건(진동수, 감쇠비, 질량, 질량관성모멘트)은 동일하게 하였으며, 버페팅 응답의 효과를 효과적으로 비교하기 위하여 감쇠비는 가능한 작은 값으로 실험을 진행하였다.
- 난류 강도에 따른 응답의 변화를 살펴보기 위하여 동일한 난류 적분길이 100 cm를 가진 난류 강도 5%, 8%, 10%에 해당하는 3가지 능동 난류를 생성하였다. 실험 결과는 그림11에 나타나 있다.
- 난류 적분길이의 변화에 따른 응답을 살펴보기 위하여 약 5%의 동일한 난류 강도를 가지나 난류 적분길이를 40 m, 75 cm, 100 cm로 달리한 3가지 난류에 대하여 버페팅 응답 측정실험을 수행하였다. 난류 적분길이에 따른 버페팅 응답의 변화 실험 결과는 그림 10에 나타나 있다.
- 그런데 교량의 경우에 지배적인 버페팅 응답은 수평방향이 아니고 수직방향이다. 따라서 본 연구에서는 상대적으로 교량에 미치는 영향이 작은 수평방향 변동은 무시하고 수직방향 난류만 구현하였다.
- 먼저 기류 제어판의 각도를 몇 단계로 나누어 고정한 상태에서 풍향을 측정하고, 이를 바탕으로 제어판 각도와 발생 풍향의 관계에 대한 근사적인 관계식(가중함수)의 초기값을 구한다. 가우시안 랜덤 신호를 이용하여 목표 스펙트럼으로부터 역푸리에 변환을 통해 변동 풍속을 생성한다.
- 기류 조건에 따른 버페팅 응답의 비교를 위해 다양한 능동 난류 조건하에서 2차원 부분모형 진동실험을 수행하였다. 모든 실험 조건(진동수, 감쇠비, 질량, 질량관성모멘트)은 동일하게 하였으며, 버페팅 응답의 효과를 효과적으로 비교하기 위하여 감쇠비는 가능한 작은 값으로 실험을 진행하였다.
- 은 양력 스펙트럼이다. 본 실험에서는 하중계를 사용하여 교량 부분모형에 작용하는 변동 풍하중을 측정하고, 이를 푸리에 변환하여 양력 스펙트럼을 구하였다. 그런데 풍동 내 난류는 격자를 사용하여 생성할 수도 있고 능동장치를 사용하여 생성할 수도 있으므로 생성된 난류의 특성에 따라 공력 어드미턴스 함수는 달라질 수 있다.
- 다양한 기류 조건을 가지는 난류를 생성하기 위해 개발한 능동 난류 발생장치의 기구적인 구조는 그림 1에 나타나 있다. 본 장치는 크게 바람의 방향을 인위적으로 바꾸기 위한 에어포일 형태의 기류 제어판, 제어판을 구동하기 위한 AC서보모터 및 앰프(Mitsubishi MR-J3-70A, HF-KP738), 그리고 에어포일의 각도를 피드백 받아서 능동적으로 제어하기 위한 센서 및 제어 알고리즘 부분으로 구성되어 있다. 본 장치는 소형풍동 시험부에 직접 장착이 가능하게 하기 위해 시험부 사이즈와 동일한 폭 1 m, 높이 1.
- 5 m, 길이 6 m의 시험부를 가진 전북대학교 소형풍동에서 실시하였다. 실험시 평균 풍속은 피토관과 차압계(Setra 239)를 사용하여 측정하였고, 교량 모형의 변위는 광학식 변위계(Hamamatsu C5949)를 사용하여 측정하였다. 교량 단면 모형에 작용하는 변동 공기력은 모형의 양단에 설치한 한 쌍의 6분력계(JR3, 100M40A3)를 사용하여 측정하였다.
- 능동 난류 발생장치를 통해 생성된 각기 다른 난류 적분길이를 가지는 기류가 트윈박스 단면에 미치는 영향을 살펴보았다. 이때 동일한 난류 강도(약 6%)에서 난류 적분길이를 40 cm, 60 cm, 80 cm, 120 cm로 달리하여 비정상 공기력을 측정하였다. 플러터계수 추출 실험 결과는 그림 8에 나타나 있다.
- 본 연구에서는 다양한 난류를 사용하여 난류 특성이 트윈박스 단면 교량의 공기역학적 특성에 미치는 영향을 파악하는데 연구 목적을 두었다. 이를 위하여 난류 강도, 난류 적분길이, 난류 스펙트럼을 모두 만족하는 난류를 구현하기 위한 능동 난류발생 장치를 개발하였다. 그리고 다양한 난류 특성이 트윈박스 단면의 정적 공기력, 플러터계수, 공력 어드미턴스 함수에 미치는 영향을 풍동실험을 통하여 평가하고 그 결과를 제시하였다.
- 본 연구에서는 난류 조건에 따른 트윈박스 단면의 공기역학적 특성을 파악하는데 그 목적을 두고 있다. 이를 위하여 목표한 스펙트럼, 강도, 적분길이를 동시에 만족하는 난류를 생성할 수 있는 능동 난류 발생장치를 개발하였다. 그리고 이를 사용하여 난류 특성이 트윈박스의 정적 공기력, 비정상 공기력, 양력 어드미턴스 함수, 버페팅 응답에 미치는 영향을 파악하였다.
- 전북대 소형풍동에서 격자 및 능동 난류 발생장치를 사용하여 생성한 난류는 Dantec사의 열선 풍속계(X-type Probe: 55R51)를 이용하여 측정하였다. 이때 초당 6000개의 데이터를 100초간 측정하였다.
대상 데이터
- 5 m로 구성하였다. 기류제어를 위한 에어포일 제어판은 폭 0.9 m, 코드길이 0.25 m, 그리고 에어포일 제어판 사이의 간격은 0.15 m이다.
- 기류 조건에 따른 장대 교량의 공기역학적 특성을 파악하고자 묘도-광양간 현수교 단면을 대상으로 풍동실험을 수행하였다. 본 연구의 대상이 되는 교량은 주경간장 1,545m인 세계 4위 규모의 현수교이다. 교량 단면 폭은 29.
- 본 장치는 크게 바람의 방향을 인위적으로 바꾸기 위한 에어포일 형태의 기류 제어판, 제어판을 구동하기 위한 AC서보모터 및 앰프(Mitsubishi MR-J3-70A, HF-KP738), 그리고 에어포일의 각도를 피드백 받아서 능동적으로 제어하기 위한 센서 및 제어 알고리즘 부분으로 구성되어 있다. 본 장치는 소형풍동 시험부에 직접 장착이 가능하게 하기 위해 시험부 사이즈와 동일한 폭 1 m, 높이 1.5 m로 구성하였다. 기류제어를 위한 에어포일 제어판은 폭 0.
- 전북대 소형풍동에서 격자 및 능동 난류 발생장치를 사용하여 생성한 난류는 Dantec사의 열선 풍속계(X-type Probe: 55R51)를 이용하여 측정하였다. 이때 초당 6000개의 데이터를 100초간 측정하였다. 격자 및 능동 난류 시뮬레이션을 통해 생성된 난류의 특성은 표 1에 정리하였다.
- 풍동실험은 폭 1 m, 높이 1.5 m, 길이 6 m의 시험부를 가진 전북대학교 소형풍동에서 실시하였다. 실험시 평균 풍속은 피토관과 차압계(Setra 239)를 사용하여 측정하였고, 교량 모형의 변위는 광학식 변위계(Hamamatsu C5949)를 사용하여 측정하였다.
이론/모형
- 본 연구에서는 식 (3)에 나타난 von Karman의 수직방향의 스펙트럼을 목표로 하여 난류를 생성하였다. 그림 3에서는 목표 난류를 생성하기 위한 흐름도를 보여주고 있다.
- 본 연구에서는 평균 풍속, 난류 강도 그리고 난류 적분길이로 쉽게 표현이 가능한 von Karman 스펙트럼을 사용하였다.
- 가우시안 랜덤 신호를 이용하여 목표 스펙트럼으로부터 역푸리에 변환을 통해 변동 풍속을 생성한다. 이때 변동 풍속 생성 방법으로 웨이브 중첩법을 사용하였다. 이렇게 생성한 풍속의 시간이력에 가중함수를 곱하여 기류 제어판의 초기 제어 신호로 사용하여 제어판을 움직인다.
- 격자 난류 종류를 달리하여 격자 난류 조건하에서의 플러터계수의 변화를 살펴보았다. 플러터계수를 추출하기 위한 방법으로 강제진동 실험기법(Lee, 2009)을 사용하였고, 실험 결과는 그림 7에 나타내었다. 격자 난류의 경우에 난류 강도와 난류 적분길이가 클수록 플러터계수의 절대값이 작아지는 것으로 나타났다.
성능/효과
- 1. 난류 적분길이가 정적 공기력에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다. 정적 공기력은 시간에 따른 평균이므로 시간적으로 변화하는 난류 특성이 영향을 끼치지 못한다.
- 2. 격자 및 능동 난류하에서 난류 적분길이에 따라 일부 플러터계수 값에 약간의 변화가 있었다. 하지만 그 변화가 크지 않기에 전반적으로 난류 적분길이가 플러터계수에 미치는 영향은 미미하다고 판단된다.
- 3. 난류 적분길이가 커질수록 저주파 영역에서의 양력 어드미턴스 함수도 비례하여 커지는 것으로 나타났다. 그러나 축척을 고려한 자연적인 난류의 적분길이에 도달하면 양력 어드미턴스 함수가 변화없이 거의 일정한 것으로 나타났다.
- 4. 격자 난류에서 측정한 양력 어드미턴스 함수는 저주파 영역에서 낮은 값을 보였고, 난류 적분길이가 아주 짧은 경우에는 고주파 영역에서도 값이 낮은 것으로 나타났다. 따라서 격자 난류를 사용하여 측정한 공력 어드미턴스 함수는 실제와 상당한 차이가 있을 수 있으므로 주의해야 한다.
- 5. 난류 적분길이가 길어질수록 트윈박스의 수직 버페팅 응답이 약간 감소하는 경향을 보였다. 이는 적분길이가 길어짐에 따라 양력 어드미턴스 함수가 약간 낮아지는 것과 일맥상통하며, 버페팅 응답중 저주파의 백그라운드 성분이 증가했기 때문으로 판단된다.
- 플러터계수를 추출하기 위한 방법으로 강제진동 실험기법(Lee, 2009)을 사용하였고, 실험 결과는 그림 7에 나타내었다. 격자 난류의 경우에 난류 강도와 난류 적분길이가 클수록 플러터계수의 절대값이 작아지는 것으로 나타났다. 이는 난류가 바람과 교량의 상호작용을 억제하기 때문으로 판단된다.
- 난류 적분길이가 커질수록 저주파 영역에서의 양력 어드미턴스 함수도 비례하여 커지는 것으로 나타났다. 그러나 축척을 고려한 자연적인 난류의 적분길이에 도달하면 양력 어드미턴스 함수가 변화없이 거의 일정한 것으로 나타났다.
- 본 연구에서 생성한 능동 난류의 경우에 난류 강도와 난류 적분길이가 목표치와 잘 일치하고 있다. 그리고 난류 적분길이도 최대 1.4 m까지 생성이 가능함을 확인하였다. 그림 4에서는 생성된 난류의 시간이력 데이터와 파워스펙트럼을 각각 나타냈는데, 측정된 풍속 스펙트럼은 에너지의 손실 없이 모든 주파수 영역에서 목표 스펙트럼과 잘 일치하였다.
- 실험 결과는 그림11에 나타나 있다. 버페팅 응답은 난류 강도와 감쇠비에 큰 영향을 받는 것으로 알려져 있으며, 본 실험 결과에서도 난류 강도에 따라 RMS 응답이 약 2배 가까이 달라지는 것으로 나타났다.
- 난류 적분길이에 따른 항력, 양력, 피칭모멘트계수의 변화는 그림 6에 나타나 있다. 실험 결과를 보면, 난류 적분길이가 정적 공기력에 미치는 영향은 미미한 것으로 나타났다.
- 실험 결과를 보면, 난류 적분길이가 커짐에 따라 수직 버페팅 응답은 약간 더 작아지는 경향을 보였다.
- 하지만 본 연구에서 그것을 뛰어 넘는 다양한 적분길이에 대해서 양력 스펙트럼을 구한 결과를 보면, 적분길이가 일정 이상이 되면 저주파 영역에서 양력 어드미턴스 함수가 거의 일정한 것으로 나타났다. 축척 1:70을 고려하면 풍동내 난류 길이는 대략 40 cm~70 cm가 되며, 이 범위를 넘어선 난류 적분길이는 양력 어드미턴스에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다. 고주파 영역을 비교해보면 적분길이가 길어지면 양력 어드미턴스 함수가 약간 낮아진다.
- 그런데 Larose(1998)는 스파이어 난류를 사용했기 때문에 최대 24 cm의 난류 적분길이 밖에 구현하지 못했다. 하지만 본 연구에서 그것을 뛰어 넘는 다양한 적분길이에 대해서 양력 스펙트럼을 구한 결과를 보면, 적분길이가 일정 이상이 되면 저주파 영역에서 양력 어드미턴스 함수가 거의 일정한 것으로 나타났다. 축척 1:70을 고려하면 풍동내 난류 길이는 대략 40 cm~70 cm가 되며, 이 범위를 넘어선 난류 적분길이는 양력 어드미턴스에 거의 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
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