| 연구개발개요 |
○ 바람에 의한 장대교량 또는 고층구조물의 예기치 못한 과도, 과다 진동이 발생하여 사용자, 거주자의 심리적 불안감을 고조시키고, 매스컴을 통해 이슈화되면서 재해, 재난에 대한 사회적 불안 조성, 증폭되어 국가 인프라 시설 전체의 안전성, 더 나아가 건설산업 전반에 대한 국민적 불신으로 이어지는 2차 피해를 야기하고 있음. ○ 진동의 주된 원인은 구조물 표면으로부터 풍직각방향으로 박리되는 와의 주기적 특성에 의해 유발되는 와류진동(Vortex induced vibration)이며, 과다 진동은 와의 배출진동수가 구조물의 진동수와 유사하여 발생하는 Lock-in 또는 와류공진(Vortex induced resonance)이 유력한 것으로 보고되고 있음. ○ 그 중요도를 고려하여 국가 주요 시설물, 고층구조물은 설계단계에서부터 풍동실험을 수행하고 그 과정에서 와류진동의 발생 가능성을 검토하고 있음에도 불구하고, 예기치 못한 진동이 발생하는 이유는 바람-구조물의 상호작용에 의한 공력 부감쇠(마이너스 감쇠)의 발현, 공력 부감쇠의 구조감쇠와의 연관성, 단면변화에 대한 민감도 등 와류진동이 가지고 있는 난해성과 복합성에 의해 유발된 불확정성에 기인하고 있기 때문임.○ 와류진동, 풍직각방향의 진동에 대한 연구는 근 60여 년간 많은 연구자들의 관심과 도전의 대상이었음. 1960-70년대의 주요 화두는 와류진동을 설명하기 위한 해석모델의 탐색과정이었으며, 관찰된 현상을 설명할 수 있는 모델의 정립과 모델을 구성하는 파라미터의 추정이 주로 이루어졌음.본 연구에서는 풍공학 고전적 문제이면서 미해결 문제중의 하나인 난류상태 마이너스 공력감쇠 발현 과다진동 예측 기술을 개발하여 바람에 의한 재해를 예방하고, 더욱 안전한 사회 인프라를 건설하는데 기여하고자 함.
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| 최종목표 |
본 연구개발과제의 최종 목표는 공력감쇠비 정밀추정기법을 개발하여 지표면 조도(난류강도)와 같은 자연풍 환경과 구조감쇠비에 따라 변화하는 공력 마이너스 감쇠(공력부감쇠) 특성을 파악하고, 난류상태 와류하중모형을 개발하여 구조물의 안전영향 평가시 안전 여부 판단의 주요근거와 절차를 제공함으로써 예기치 못한 과다 진동에 의한 자연재해를 미연에 예방하고, 구조물의 내풍설계 및 내풍성능개선에 보다 효과적으로 적용할 수 있는 건설기술을 개발하는 것임
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| 연구내용 및 범위 |
○ 본 연구에서 제안하는 공력감쇠비 추정과 난류상태 와류하중모델은 기술개발을 위한 개념이 정립된 착상(concept design)단계를 지나 풍동실험이나 CFD와 같은 전산 시뮬레이션을 통해 성능을 검증할 수 있는 기본실험검증단계(TRL3)의 연구개발과정에 있다고 판단되며, 본 연구기간을 통해 구조물 설계과정과 같은 유사환경에서 와류하중모델을 시범 적용할 수 있는 유사환경 신뢰성 시험단계(TRL 5)를 본 연구 종료 시 기술성숙도로 설정하였음. ○ 바람의 성상(난류강도, 지표면 조도)에 따라 공력 부감쇠가 유발되는 풍속과 진동크기는 풍동실험환경에서 검토되지만, 여전히 예기치 못한 와류진동을 발생하고 있으며, 그 원인으로써의 공력부감쇠의 예측은 난해한 문제로써 지속적인 연구가 필요한 실정임. ○ 와류진동에 대한 대부분의 연구는 와류진동현상과 그를 설명하는 해석모델에 대한 연구가 주류를 이루어 졌음. 난류상태의 세장한 구조물의 등장과 이들 구조물에서 발생하는 공력 부감쇠는 기존 와류진동모델로 설명하는데 한계를 가짐. 본 연구에서는 공력 부감쇠를 설명할 수 있는 새로운 모델로써 와류하중모델을 제안하고 이를 실험실환경에서 검증하기 위한 시작점으로 기술 성숙도 3단계를 설정하게 된 것임. ○ 바람과 구조물의 상호작용에 의해 발생하는 공력감쇠는 풍속에 따라 정감쇠 또는 부감쇠로 나타나고 있으나 이들의 생성, 급작스런 정감쇠에서 부감쇠로의 발현 메커니즘과 부감쇠 발생 풍속 및 부감쇠 최대 크기를 명쾌하게 예측하는 모델이 거의 전무한 실정임. 본 연구를 통해 구현할 첫 번째 목표 10% 이내 오차 공력감쇠비 추정법은 이를 예측하는 대안이 될 수 있을 것이라 예상되며, 주어진 연구기간동안 추정법의 신뢰도를 실험을 통해 검증함으로써 유사환경에서도 적용가능하다고 판단하여 연구 종료 단계에서 기술성숙도 5를 설정하게 되었음. ○ 난류상태 구조물에서 발생하는 와는 불규칙하여 와류진동발생 풍속대역이 등류상태 와류공진발생(Lock-in) 풍속대역에 비하여 확연히 넓고, 와가 주기적으로 박리되는 진동수 대역 또한 와류하중 모델을 산정하게 있어서 주요 인자이나 그 대역을 예측하는 것이 어려운 상태임. ○ 이러한 한계는 기존의 와류진동 연구 접근방식이 구조물 응답에 기반한 해석모델에 초점을 두고 이루어진 것에 기인하는 바가 큼. 기존에는 와류진동모델의 파라미터를 지정하고, 계측응답과 모델응답의 오차를 최소화하도록 파라미터를 설정하는데 초점을 두었기 때문에 와류하중의 본질적인 생성원인, 와류하중구성 요소하중 등에 대한 접근에 한계가 있었던 것임.
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