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문제 정의
- 이러한 관점에서 본 소음 및 진동 해석은 시설동의 주요 소음원인 유체기계 설비가 설치된 지상층의 송풍 기실, 압축기실과 지하 펌프실에서 각 유체기계 주위로 발생되는 소음을 예측하여 실제 근무 환경에 미치는 영향을 알아보기 위함이고 진동 해석의 경우 최대 변형이 발생하는 고유진동수를 예측하고 구조물이 고유 진동수를 피하도록 설계되었는지 확인하기 위함이다. 또한 이렇게 해석된 결과를 토대로 보완점 및 안정성에 대한 신뢰성을 검토해 보고자 한다.
- 이러한 관점에서 본 소음 및 진동 해석은 시설동의 주요 소음원인 유체기계 설비가 설치된 지상층의 송풍 기실, 압축기실과 지하 펌프실에서 각 유체기계 주위로 발생되는 소음을 예측하여 실제 근무 환경에 미치는 영향을 알아보기 위함이고 진동 해석의 경우 최대 변형이 발생하는 고유진동수를 예측하고 구조물이 고유 진동수를 피하도록 설계되었는지 확인하기 위함이다. 또한 이렇게 해석된 결과를 토대로 보완점 및 안정성에 대한 신뢰성을 검토해 보고자 한다. 산업화에 따라 건축물은 점점 고층과 대형화를 선호 하면서, 화재로 인한 인적․물적 손실은 매년 증가하고 있다.
- 또한 진동해석 관련 판정 기준은 최대 변형이 발생하는 구조물의 Mode 형상에서의 고유진동수에 따른 변형이 어느 정도인지, 그리고 송풍기실, 압축기실, 펌프실의 고유진동수가 공진을 일으키지 않게 설계되었는가에 대해서 판단하였다.
- 구조물의 고유진동수를 구하는 것을 말한다. 즉, Mass나 Stiffness 등을 조절하여 각각의 구조물의 진동 특성을 결정하는 것이다. 또한 각 고유진동수에서의 동적 거동을 파악하여야 한다.
- 최근 쾌적한 산업 환경을 추구하는 경향이 증가되면서 산업 시설에 발생하는 다양한 소음 및 진동으로 인한 인체 및 주위 환경에 악영향에 대한 점차 관심도가 많다. 이러한 산업 시설에서의 소음과 진동을 예측하고 추후 일어나는 사고 및 소음의 저감 대책을 강구하는 것이 본 연구의 목적이다.
가설 설정
- 선형 탄성재료 거동으로 가정하며 소변형 이론, 비선형은 포함되지 않는다.
- 식에서 확인 되듯이 Dampping 관련 항이 없고 외력은 작용하지 않는 것으로 가정한다. 또한 모드 형상값 {Øi}은 절대적인 값이 아니라 상대적인 값이다.
- 지상의 경우 압축기실과 송풍기실이 같이 붙어 있는 것으로 가정했다. 따라서 이번 해석에서는 각각의 룸에 대한 소음분포를 각 유체기계의 위치에 소음 소스를 mapping하고 전체적인 내부 공간에서의 소음 분포를 알아보았다.
제안 방법
- 그리고 공간해석을 위해 송풍기실, 압축기실의 유체기계 위치에 소음원을 mapping 시켜 공간에 대한 소음의 분포를 나타내었다.
- 두 번째로는 부지 경계선에서의 주택에 영향을 미치는 소음 해석을 위해 시설동에서 나오는 소음의 확산 정도를 예측하였다.
- 먼저 첫 번째 단계인 유체기계 해석의 경우, 모델링및 해석 툴로 단품인 송풍기, 압축기, 펌프 모델링에는 Ansys BladeGen으로 모델링을 하였고 Turbogrid를 통한 유체기계 전용 Grid Generator을 이용하였다. 그리고 Solver로는 유체기계 수치해석에 특화되어 있는 ANSYS-CFX를 사용하여 결과를 도출하였다.
- 계산된 소음원 소스를 사업장 내부 소음해석을 위해 송풍기실, 공기 압축기실, 지하 펌프실의 유체기계에 위치에 Source 경계조건으로 소음원 Mapping을 통한 공간에서의 음파의 분포에 따른 경향을 해석하였다. 공간의 volume mesh 작업을 위해서 ANSYS-MESH툴을 이용하여 격자 형성을 진행하였다.
- 계산된 소음원 소스를 사업장 내부 소음해석을 위해 송풍기실, 공기 압축기실, 지하 펌프실의 유체기계에 위치에 Source 경계조건으로 소음원 Mapping을 통한 공간에서의 음파의 분포에 따른 경향을 해석하였다. 공간의 volume mesh 작업을 위해서 ANSYS-MESH툴을 이용하여 격자 형성을 진행하였다.
- 진동해석의 경우 Ansys Mechanical의 Modal Analysis를 이용하여 6개의 Mode 형상에 대해 최대변형이 일어나는 고유진동수를 예측하였다.
- 보다 정확한 예측을 위해서 실측에 가깝게 모델링을 실시하였고 벽면의 조건과 흡음재 등의 물성치는 기존의 다양한 연구에서 실험으로 증명된 경험치 값을 해석 경계 조건으로 사용하였다.
- 계산된 소음 소스를 송풍기실, 압축기실, 펌프실의 유체기계가 있는 위치에 소음원 mapping을 통해서 두 번째 공간에 대한 소음 해석을 진행한다. 각층별 Ansys Mechanical의 Modal해석을 통해 각 Mode별 변형이 가장 심하게 일어나는 고유진동수를 예측하였다.
- 계산된 소음 소스를 송풍기실, 압축기실, 펌프실의 유체기계가 있는 위치에 소음원 mapping을 통해서 두 번째 공간에 대한 소음 해석을 진행한다. 각층별 Ansys Mechanical의 Modal해석을 통해 각 Mode별 변형이 가장 심하게 일어나는 고유진동수를 예측하였다.
- 시설동으로부터 발생하는 소음이 부지경계선에서 주택에 얼마나 영향을 미치는지에 대해 음압해석을 통한 소음도를 예측하였다.
- 해석 결과가 국내 산업 시설에 대한 소음 규제를 만족하는지에 대해 비교 확인한다.
- 해석 결과에 대한 평가 기준은 산업안전보건법에 따른 옥내 작업장 작업환경 소음 배출 허용 기준에서 제안하는 다음 표를 만족하는지 확인한다.
- 소음 해석을 위한 2D CAD 모델을 3D화하는 과정의Tool은 Pro-Engineer Wildfire 4.0을 이용하여 모델링 하였다. [Figure 1],[Figure 3],[Figure 5]에 건물 내부 위치 설명을 적어 놓기는 했으나 실제 해석에서 사용되는 부분은 [Figure 1]와 같이 소음이 퍼져나가는 공간이다.
- 모델에 따라 약간의 차이는 있으나 평균 약 2만개의 노드와 엘리먼트로구성된 정렬격자를 사용하였다. 또한 해석결과에 영향을 주지 않는 범위 내에서 최대한 격자모델을 단순화하였다.
- 진동해석은 Ansys 13.0, Mechanical의 Modal Analysis를 이용해서 Mode shape을 6차 모드까지 진행하였다. 구조물의 크기에 비해 얇은 벽면을 표현하기가 효율적인 Tetra Mesh로 작업하였고 Node 수는 약 6만개, Element 기준으로 약 4만개 정도로 CAE 모델을 생성하였다.
- 지상의 경우 압축기실과 송풍기실이 같이 붙어 있는 것으로 가정했다. 따라서 이번 해석에서는 각각의 룸에 대한 소음분포를 각 유체기계의 위치에 소음 소스를 mapping하고 전체적인 내부 공간에서의 소음 분포를 알아보았다. 따라서 각 룸의 유체기계인 송풍기와 압축기의 소음 소스를 먼저 계산해야 한다.
- 또한 진동 소음의 경우 송풍기실과 압축기실이 같이 붙어 있어 동시에 해석을 진행하였다.
- 또한 해석 결과에 영향을 주지 않는 범위 내에서 시설의 단순 룸은 제외시키고 소음원인 유체기계에 대한 모델링은 계산의 효율성을 위하여 모델을 단순화하였다. 또한 산업환경에 영향을 끼칠 수 있는 공간만 단순화하여 진행하였다.
- 또한 해석 결과에 영향을 주지 않는 범위 내에서 시설의 단순 룸은 제외시키고 소음원인 유체기계에 대한 모델링은 계산의 효율성을 위하여 모델을 단순화하였다. 또한 산업환경에 영향을 끼칠 수 있는 공간만 단순화하여 진행하였다.
- 그리고 높이 1m, 2m 지점, 압축기 및 송풍기 위치 및 유체기계로부터 1.5m, 3m 떨어진 지점에 대한 Acoustic Pressure로 추출하여 실효 음압과 기준 음압의 차이를 이용하여 음압 레벨을 계산했다.
- 지상층의 진동해석 또한 Ansys Mechanical의 Modal Analysis를 이용해서 모든 진동수 범위 내에서 Mode shape을 6차 모드까지 진행하였다. 산업단지 구조물의 크기에 비해 얇은 벽면의 표현하기 위해서 보다 효율적인 Tetra Mesh로 작업하였고 Node 수는 약 9만개, Element 기준으로 약 6만개를 이용하여 CAE 해석 모델을 생성하였다.
- 지상층의 진동해석 또한 Ansys Mechanical의 Modal Analysis를 이용해서 모든 진동수 범위 내에서 Mode shape을 6차 모드까지 진행하였다. 산업단지 구조물의 크기에 비해 얇은 벽면의 표현하기 위해서 보다 효율적인 Tetra Mesh로 작업하였고 Node 수는 약 9만개, Element 기준으로 약 6만개를 이용하여 CAE 해석 모델을 생성하였다.
- 본 시설의 경우 소음 및 진동해석 관련하여 지하 펌프실, 지상 송풍기실, 압축기실을 기준으로 해석을 진행하였고 부지 경계선에서의 소음 또한 예측하였다.
- 소음 해석은 크게 두 단계로 진행 되었다. 터보팬 형태로 구성된 송풍기, 펌프, 스크류팬으로 구성된 압축기 같은 유체기계의 경우 유동에 대한 소음이 크게 작용할 것으로 사료되어 먼저 송풍기, 펌프, 압축기에서 발생하는 소음을 상용툴인 CFX Turbomachinery를 통해 예측 결과를 추출해 낸다.
대상 데이터
- 해석대상인 송풍기와 압축기가 유체기계이므로 유체기계에 특화된 툴인 CFX의 Turbomachinery를 이용하여 송풍기실, 압축기실, 펌프실의 기본 소음을 예측한다.
- [Figure 2]에서 모델링된 Geometry를 ANSYS -MESH를 이용하여 격자 생성을 하였고 계산의 효율성을 위해 Tetra mesh를 사용하였다. 모델에 따라 약간의 차이는 있으나 평균 약 2만개의 노드와 엘리먼트로구성된 정렬격자를 사용하였다.
- [Figure 2]에서 모델링된 Geometry를 ANSYS -MESH를 이용하여 격자 생성을 하였고 계산의 효율성을 위해 Tetra mesh를 사용하였다. 모델에 따라 약간의 차이는 있으나 평균 약 2만개의 노드와 엘리먼트로구성된 정렬격자를 사용하였다. 또한 해석결과에 영향을 주지 않는 범위 내에서 최대한 격자모델을 단순화하였다.
- 0, Mechanical의 Modal Analysis를 이용해서 Mode shape을 6차 모드까지 진행하였다. 구조물의 크기에 비해 얇은 벽면을 표현하기가 효율적인 Tetra Mesh로 작업하였고 Node 수는 약 6만개, Element 기준으로 약 4만개 정도로 CAE 모델을 생성하였다.
- 구조물의 벽면 및 바닥의 Material은 콘크리트를 사용하였고 관련 Property는 [Table 2]에서 제시한 것과 같이 벽면 경계 조건으로 사용하였다.
- 구조물의 벽면 및 바닥의 Material은 콘크리트를 사용하였고 관련 Property는 [Table 4]에서 제시한 것과 같이 벽면 경계 조건으로 사용하였다.
- 계산의 효율성을 위해 Tetra mesh를 사용하였다. 평균 약 4.5만개의 노드 및 3만개의 엘리먼트로 구성된 정렬격자를 사용하였다.
- 계산의 효율성을 위해 Tetra mesh를 사용하였다. 평균 약 12만 개의 노드 및 8만개의 엘리먼트로 구성된 정렬격자를 사용하였다. 또한 해석 결과에 영향을 주지 않는 범위내에서 시설동의 모형은 단순화하였다
데이터처리
- 먼저 첫 번째 단계인 유체기계 해석의 경우, 모델링및 해석 툴로 단품인 송풍기, 압축기, 펌프 모델링에는 Ansys BladeGen으로 모델링을 하였고 Turbogrid를 통한 유체기계 전용 Grid Generator을 이용하였다. 그리고 Solver로는 유체기계 수치해석에 특화되어 있는 ANSYS-CFX를 사용하여 결과를 도출하였다.
- 두 번째 진행 단계인 부지경계에서의 소음해석에 대해서도 부지 경계에 대한 전체에 공간에 대한 Mesh 작업 또한 ANSYS-Mesh툴을 이용하였고 시설동에서 발생하는 소음이 미치는 영향을 음압을 해석하는 방법으로 ANSYS-CFX를 통한 해석을 진행하였다.
- 해석은 유체 기계 해석에 평판이 좋은 범용 해석 툴인 Ansys CFX를 사용하여 계산을 진행하였다. 계산된 결과는 Acoustic Pressure로 추출하였고 이 계산된 실효 음압을 통해 음압 레벨을 구할 수 있다.
- 해석은 유체 기계 해석에 평판이 좋은 범용 해석 툴인 Ansys CFX를 사용하여 계산을 진행하였다. 계산된 결과는 Acoustic Pressure로 추출하였고 이 계산된 실효 음압을 통해 음압 레벨을 구할 수 있다.
- 지상층 해석 또한 유체 기계 해석에 특화된 범용 해석 software인 Ansys CFX를 사용하여 해석을 진행하였다.
- 부지 경계선 소음 해석 또한 범용 해석 software인 Ansys CFX를 사용하여 해석을 진행하였다.
이론/모형
- [Figure 2]에서 모델링된 Geometry를 ANSYS -MESH를 이용하여 격자 생성을 하였고 계산의 효율성을 위해 Tetra mesh를 사용하였다. 모델에 따라 약간의 차이는 있으나 평균 약 2만개의 노드와 엘리먼트로구성된 정렬격자를 사용하였다.
- 지상층의 압축기실과 송풍기실에 대한 소음해석을 위한 모델링 도면 또한 Pro-Engineer Wildfire 4.0을 이용하여 진행하였고 그 외 해석 시 추가로 필요한 부분은 Ansys Design Modeler를 겸해서 사용했다. 격자 생성도 역시 Ansys-Mesh를 이용하였다.
- 지상층의 압축기실과 송풍기실에 대한 소음해석을 위한 모델링 도면 또한 Pro-Engineer Wildfire 4.0을 이용하여 진행하였고 그 외 해석 시 추가로 필요한 부분은 Ansys Design Modeler를 겸해서 사용했다. 격자 생성도 역시 Ansys-Mesh를 이용하였다.
- 0을 이용하여 진행하였고 그 외 해석 시 추가로 필요한 부분은 Ansys Design Modeler를 겸해서 사용했다. 격자 생성도 Ansys-Mesh를 이용하였다.
성능/효과
- 내부 소음의 허용기준 90dB는 법적 허용기준일뿐 최종 목표는 아니다. 따라서 설계된 시설의 경우 근무자의 쾌적한 소음환경을 조성하기 위해 송풍기실, 압축 기실, 펌프실 인접 위치에서 일반적인 유체기계 배출소음 정도인 85dB 이하로 예측되면 평가에 만족하는 것으로 하였다.
- 그리고 부지 경계선에서의 소음은 쾌적한 주거환경에 대한 기준 소음인 45dB 이하로 예측되면 평가에 만족하는 것으로 하였다.
- 초기 평가 기준에서 제안한 옥내 안전 기준인 90dB보다 상당히 작고, 본 연구에서 제안한 85 dB 보다도 작은 음압 레벨을 가져 작업자가 1일 8시간 근무하는데 소음에 의한 부정적인 영향은 없을 것으로 사료된다.
- 초기 평가 기준에서 제안한 옥내 안전 기준인 90dB보다 상당히 작고, 본 연구에서 제안한 85 dB 보다도 작은 음압 레벨을 가져 작업자가 1일 8시간 근무하는데 소음에 의한 부정적인 영향은 없을 것으로 사료된다.
- 높이 2m 분포에서 또한 초기 평가 기준에서 제안한 옥내 안전 기준인 1일 8시간 근무에 90dB 보다 상당히 작고, 본 연구에서 제안한 85 dB 보다도 작은 음압 레벨이어서 작업자가 1일 8시간 근무하는 데는 소음에 의한 부정적인 영향이 없을 것으로 사료된다.
- 결과적으로 지하층의 경우 펌프에 의한 소음의 영향은 실제 일반적인 시설동의 소음 수준보다 낮은 수준의 소음으로 나타났다.
- 초기 평가 기준에서 제안한 옥내 안전 기준인 90dB보다 상당히 작고, 본 연구에서 제안한 85dB 보다도 작은 음압 레벨을 가기고 있어서 작업자가 1일 8시간 근무하는데는 소음에 의한 부정적인 영향이 없을 것으로 사료된다.
- 높이 2m 분포에서 또한 초기 평가 기준에서 제안한 옥내 안전 기준인 1일 8시간 근무에 90dB보다 상당히 작고, 본 연구에서 제안한 85dB보다도 작은 음압 레벨을 가져 작업자가 1일 8시간 근무하는데 소음에 의한 부정적인 영향은 없을 것으로 사료된다.
- 결과적으로 압축기실의 경우 압축기에 의한 소음의 영향은 실제 일반적인 옥내 사무실 정도 수준보다 조금 높은 수준의 소음으로 나타났다.
- 결과적으로 지상층의 경우 송풍기에 의한 소음의 영향은 실제 일반적인 옥내 사무실 정도 수준보다 조금 높고 시설동에 비해 상당히 낮은 수준의 소음으로 나타났다.
- 010m의 변형이 생긴다. 결과적으로 거리에 따른 감쇠영향과 일반적인 송풍기실 및 압축기실의 진동수를 생각하면 충분히 안전한 구조 조건으로 예상된다.
- 또한 진동 해석의 경우에는 지하 펌프실의 경우 6번째 고유진동수를 가지는 6차 모드에서, 지상 압축실 및 송풍기실의 경우 6번째 고유진동수를 가지는 6차 모드에서 최대 변형이 일어나는 것으로 예측되었다. 구조물 설치시 진동방지 패드 및 스프링과 충분한 흡음재로 소음 및 진동을 방지 가능하고 또한 구조물의 크기에 비교해 상당히 작은 변형량과 거리에 따른 감쇠영향과 일반적인 펌프, 송풍기 및 압축기의 진동수를 고려할 때 충분히 안전한 구조 조건으로 예상된다.
후속연구
- 또한 진동 방지 패드, 스프링 및 소음 흡음재를 사용하면 더욱 쾌적한 환경이 조성될 것으로 사료된다.
- 또한 진동 방지 패드, 스프링 및 소음 흡음재의 사용하여 더욱 쾌적한 환경이 조성될 것으로 사료된다.
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