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문제 정의
- 구조물의 동적 특성을 파악하기 위한 진동 시험은 빌딩, 교량 등 여러 종류의 구조물에 적용되어 왔지만, 부유식구조물에 적용한 사례는 거의 없다. 본 논문의 목적은 물 위에 떠 있는 강재 박스 축소모형 구조물에 대한 모달 특성, 즉 고유 진동수와 이에 상응하는 모드형상을 제시하는 것이다. 본 논문의 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 절차를 수행하였다.
- 본 논문의 목적은 부유식 강재 박스 구조물의 동적 특성을 추출하고 검증하는 것으로 강재 상판에서 모달임팩트 테스트를 수행하여 고유진동수와 모드형상을 추출하였다. 총 3개의 모드를 0∼200 Hz의 주파수 범위에서 추출하였고 그 결과를 유한요소 모델과 비교하였다.
제안 방법
- 응답 가속도계는 강재 상자 상판에 고정하여 사용하였으며, 총 45개의 노드점을 강재 상판에 표시하여 실험을 수행하였다. 45개의 주파수 응답함수 (FRF)를 고정 응답, 이동 입력 실험으로부터 계측하였다. 주파수 응답함수는 응답 가속도와 충격 해머에서 나온 시간 영역데이터를 주파수 영역으로 변환하여 생성하였으며, 각 충격 위치에서 측정된 주파수 응답함수는 3번의 충격 응답 측정치의 평균값을 사용하였다.
- 강재 박스 부유식 구조물의 유한 요소 모델은 측정된 모달 매개 변수의 비교를 위해 상용 소프트 프로그램(ABAQUS, 2001)을 사용하여 생성하였다. 강재 박스와 물 사이의 상호작용은 Z축 방향 861개의 축 스프링들 (강재 박스의 하부판에서 균등 분포)을 사용하여 모델링하였다. 계류 시스템은 Y축 방향 및 X축 방향으로 각각 2개의 축 스프링으로 모델링하였다.
- 강재 박스와 물 사이의 상호작용은 Z축 방향 861개의 축 스프링들 (강재 박스의 하부판에서 균등 분포)을 사용하여 모델링하였다. 계류 시스템은 Y축 방향 및 X축 방향으로 각각 2개의 축 스프링으로 모델링하였다. 고유진동수와 이에 상응하는 모드형상을 구하기 위하여 자유진동 해석을 수행하였으며, 그 결과를 그림 4에 나타내었다.
- 첫째, 부유식 강재 모형 구조물을 대상으로 강제 진동 시험을 수행하였다. 둘째, 계측한 데이터를 주파수 영역으로 치환하여 전달함수를 구한 후 고유진동수와 모드형상을 추출하였다. 마지막으로 유한요소 모델을 생성한 후 자유진동 해석을 통하여 고유치와 모드형상을 구하였으며, 실험에서 구한 값과 비교하여 고유진동수와 모드형상에 대한 상관관계를 분석하였다.
- 둘째, 계측한 데이터를 주파수 영역으로 치환하여 전달함수를 구한 후 고유진동수와 모드형상을 추출하였다. 마지막으로 유한요소 모델을 생성한 후 자유진동 해석을 통하여 고유치와 모드형상을 구하였으며, 실험에서 구한 값과 비교하여 고유진동수와 모드형상에 대한 상관관계를 분석하였다.
- 부유식 구조물의 진동특성을 구하기 위하여 모달 임팩트 테스트를 수행하였으며, 한 개의 가속도계를 고정점에 부착하고 해머 충격을 이동하면서 고정응답과 이동 입력충격을 계측하였다. 모달 실험을 수행하기 위해 사용 된 장치는 충격 해머, ICP 가속도계 (Kistler 8778A500), 4 채널 동적 신호 분석기 (LMS SCMV-4), 노트북 컴퓨터로 구성된다.
- 모달 실험을 수행하기 위해 사용 된 장치는 충격 해머, ICP 가속도계 (Kistler 8778A500), 4 채널 동적 신호 분석기 (LMS SCMV-4), 노트북 컴퓨터로 구성된다. 응답 가속도계는 강재 상자 상판에 고정하여 사용하였으며, 총 45개의 노드점을 강재 상판에 표시하여 실험을 수행하였다. 45개의 주파수 응답함수 (FRF)를 고정 응답, 이동 입력 실험으로부터 계측하였다.
- 주파수 응답함수에서 추출한 모드형상과 유한요소 모델에서 계산된 모드 형상을 비교하였다. 모드 사이의상관성을 분석하기 위해, Modal Assurance Criteria(MAC)을 계산하였다(Ewins, 1984).
- 본 논문의 목적을 달성하기 위하여 다음과 같은 절차를 수행하였다. 첫째, 부유식 강재 모형 구조물을 대상으로 강제 진동 시험을 수행하였다. 둘째, 계측한 데이터를 주파수 영역으로 치환하여 전달함수를 구한 후 고유진동수와 모드형상을 추출하였다.
- 총 3개의 모드를 0∼200 Hz의 주파수 범위에서 추출하였고 그 결과를 유한요소 모델과 비교하였다.
대상 데이터
- 부유식 구조물의 진동특성을 구하기 위하여 모달 임팩트 테스트를 수행하였으며, 한 개의 가속도계를 고정점에 부착하고 해머 충격을 이동하면서 고정응답과 이동 입력충격을 계측하였다. 모달 실험을 수행하기 위해 사용 된 장치는 충격 해머, ICP 가속도계 (Kistler 8778A500), 4 채널 동적 신호 분석기 (LMS SCMV-4), 노트북 컴퓨터로 구성된다. 응답 가속도계는 강재 상자 상판에 고정하여 사용하였으며, 총 45개의 노드점을 강재 상판에 표시하여 실험을 수행하였다.
- 그림 1은 수조의 물위에 떠 있는 구조물(강재 박스) 전경을 나타낸다. 수조의 크기는 1.5m (길이) * 1m(폭) * 0.5m (높이)이다. 실험체인 강재박스는 내부가 비어 있는 육면체로 상부판, 하부판, 4개의 측면판으로 구성된 6개의 강재판으로 이루어져 있다.
- 5m (높이)이다. 실험체인 강재박스는 내부가 비어 있는 육면체로 상부판, 하부판, 4개의 측면판으로 구성된 6개의 강재판으로 이루어져 있다. 모든 판들의 두께는 0.
- 9891로 첫 번째 실험모드와 거의 일치하지만 상대적으로 고유진동수 값에 비교적 큰 차이가 발생하였다. 첫 번째 실험 모드의 공진 주파수는 129.3 Hz 이고, 첫 번째 유한요소 모델의 고유진동수는 118. 06 Hz 이다.
데이터처리
- 계측한 주파수 응답함수로부터 모드분석 프로그램인 ME'scope Version 5.0(2009)를 사용하여 고유진동수와 모드형상을 추출하였다.
- 계류 시스템은 Y축 방향 및 X축 방향으로 각각 2개의 축 스프링으로 모델링하였다. 고유진동수와 이에 상응하는 모드형상을 구하기 위하여 자유진동 해석을 수행하였으며, 그 결과를 그림 4에 나타내었다. 그림 4는 강재 박스의 상부판의 모드형상을 나타낸다.
- 45개의 주파수 응답함수 (FRF)를 고정 응답, 이동 입력 실험으로부터 계측하였다. 주파수 응답함수는 응답 가속도와 충격 해머에서 나온 시간 영역데이터를 주파수 영역으로 변환하여 생성하였으며, 각 충격 위치에서 측정된 주파수 응답함수는 3번의 충격 응답 측정치의 평균값을 사용하였다. 계측한 주파수 응답함수로부터 모드분석 프로그램인 ME'scope Version 5.
이론/모형
- 강재 박스 부유식 구조물의 유한 요소 모델은 측정된 모달 매개 변수의 비교를 위해 상용 소프트 프로그램(ABAQUS, 2001)을 사용하여 생성하였다. 강재 박스와 물 사이의 상호작용은 Z축 방향 861개의 축 스프링들 (강재 박스의 하부판에서 균등 분포)을 사용하여 모델링하였다.
- 주파수 응답함수에서 추출한 모드형상과 유한요소 모델에서 계산된 모드 형상을 비교하였다. 모드 사이의상관성을 분석하기 위해, Modal Assurance Criteria(MAC)을 계산하였다(Ewins, 1984). 표 1에 45개의 자유도를 사용하여 유한요소 모델과 실험 모드형상 간의 MAC 수치들을 수록하였다.
- 0(2009)를 사용하여 고유진동수와 모드형상을 추출하였다. 이때 모드형상은 피크 피킹 방법(Ewins, 1984)을 적용하여 추출하였으며, 그림 3에 나타내었다.
성능/효과
- 첫째, 부유식 구조물의 동적 특성인 고유진동수와 모드형상은 유한요소 모델과 연계하여 실험적으로 구할 수 있다. 둘째, 본 연구에서 추출한 3개의 실험 모드형상을 해석 모델과 비교하여 MAC 값을 구한 결과 3개의 모드 모두 높은 상관성을 보여준다. 셋째, 실제 대형 부유식 구조물의 진동 특성을 추출하기 위하여 상시진동 측정 방법 및 모드 분석 기법이 개발되어야 하며, 구조물과물 사이의 상호작용을 충분히 설명할 수 있는 유한 요소 모델의 정확성을 향상시키기 위한 노력이 요구된다.
- 본 연구에서 얻은 결과는 다음과 같다. 첫째, 부유식 구조물의 동적 특성인 고유진동수와 모드형상은 유한요소 모델과 연계하여 실험적으로 구할 수 있다. 둘째, 본 연구에서 추출한 3개의 실험 모드형상을 해석 모델과 비교하여 MAC 값을 구한 결과 3개의 모드 모두 높은 상관성을 보여준다.
후속연구
- 둘째, 본 연구에서 추출한 3개의 실험 모드형상을 해석 모델과 비교하여 MAC 값을 구한 결과 3개의 모드 모두 높은 상관성을 보여준다. 셋째, 실제 대형 부유식 구조물의 진동 특성을 추출하기 위하여 상시진동 측정 방법 및 모드 분석 기법이 개발되어야 하며, 구조물과물 사이의 상호작용을 충분히 설명할 수 있는 유한 요소 모델의 정확성을 향상시키기 위한 노력이 요구된다.
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