Earticle

스펙트럼 모드해석에 기반한 풍방향 동적해석법은 1960년대에 정립된 이후, 이론적인 식에 의해서 응답을 평가할 수 있는 장점 때문에 세계 많은 나라에서 풍하중 기준으로 사용되고 있다. 이론식은 변동풍속 스펙트럼으로부터 모달풍하중 스펙트럼을 유도하고 스펙트럼해석에 의한 변동응답을 이용하여 구조물의 내풍성능을 평가할 수 있었다. 모달 풍하중 스펙트럼은 이론적 전개를 용이하게 하기 위하여 풍력계수, 난류강도, 코-코히어런스 등과 같은 바람의 성상을 단순화하여 유도된 것으로 그에 대한 타당성을 검토할 필요가 있다. 본 연구에서는 대기 경계층 풍동에서 공탄성 실험을 수행하고 하중 추정법을 이용하여 풍방향 동적하중을 구하였으며, 이를 이론적인 모달 풍하중 스펙트럼과 비교하였다. 공탄성 실험으로부터 계측된 가속도 응답에 상태공간 모드분해법을 적용하여 모달응답을 구하고 그로부터 풍방향 모달하중을 역추정하고 이론적 모달풍하중과 비교하여 그 특성을 분석하였다. 특히 풍속스펙트럼으로부터 모달 풍하중스펙트럼으로의 변환과정에서 요구되는 공력어드미턴스의 특성을 이론적 어드미턴스와 비교분석하였다. 분석결과 추정된 풍방향 동적하중 스펙트럼은 최상층 풍속에 따라 이론적 풍하중 스펙트럼의 크기가 다소 다르게 반영되어 나타났으나 진동수 특성은 매우 유사한 것을 확인할 수 있었다. 본 연구기법과 과정을 자연풍을 받는 구조물의 실계측 응답에 적용하면 자연환경상태의 풍하중을 분석하고 그에 기반하여 풍하중 모델을 정립하는데 활용 가능할 것으로 사료된다.

The dynamic along-wind response based on spectral modal analysis has been adopted as a wind load standard in many countries over the world due to the advantage of evaluating the dynamic response by the simple theoretical formula since it has been established in the 1960s. In theoretical evaluation process, the modal wind load spectrum was derived from the spectral density of longitudinal velocity fluctuation, and the spectral modal analysis is performed for the wind-resistant performance. Since the modal wind load spectrum is derived by simplifying wind characteristics such as drag coefficient, turbulence intensity, co-coherence, etc. to facilitate the theoretical development, it is necessary to examine the validity of the simplification. In this study, the aero-elastic model test was performed in the atmospheric boundary layer wind tunnel, and the modal response was separated from the acceleration responses measured from the model test by applying the state space mode decomposition technique. And then modal load was estimated in order to compare with the theoretical modal wind load. Especially, the characteristics of aerodynamic admittance used for the conversion from spectral density of wind velocity to modal wind load spectrum are mainly analyzed and compared with theoretical aerodynamic admittance. From the results, it is shown that the spectrum of estimated dynamic wind load is slightly different with the theoretical wind load spectrum according to the top wind velocity, but the overall spectral characteristics is similar in the frequency signature. Applying the process in this study to the measured response of a structure under natural wind, it can be used for estimating the wind load in the natural environment condition and establishing a wind load model based on in-situ data.

본 연구에서는, Karman 스펙트럼을 적용하여 풍방향 풍하중을 생성하고, 생성된 풍하중이 작용하는 구조물의 동적 거동을 해석하는 프로그램을 개발한다. Karman 스펙트럼과 평균풍속으로 풍압 스펙트럼을 생성하여 Shinozuka가 제안한 정상확률과정에 적용하여 진동수의 함수를 시간에 따른 값으로 변환하여 풍하중을 생성한다. 다자유도 구조물의 진동해석은 고유치 해석을 통해 구조물의 고유주기와 고유진동 모드를 구하고, 구조물의 감쇠를 Rayleigh 감쇠로 가정하여 임의의 규정된 모든 감쇠비에 대응하는 감쇠행렬을 산정한다. Newmark-β법을 이용한 수치해석방법을 적용하여 시간에 따른 구조물의 응답을 구한다. 또한, 기본풍속 40m/s 지역의 지표면조도구분과 건물높이를 변수로 하여 구조물의 동적 거동을 해석하여 건물높이와 변위 및 가속도와의 관계를 분석한다.

The random dynamic forces experienced by structure due to wind are caused primarily by the turbulence in the approaching flow and motion of the structure. In the paper, fluctuating wind velocity for time history analysis is simulated by a single variate single dimensional random process using Karman spectrum about along-wind direction. This paper analyzed and obtained the dynamic response for structures modeled as many degrees of freedom system - the multistory shear building. The method for evaluating the damping matrix corresponds to any set of specified modal damping ratio. The numerical results, obtained by the Newmark-β method, show the time-history responses and trends of maximum accelerations and displacements by applying various stiffnesses and dampings to the isolator. In the paper, dynamic reponse characteristics including surface roughness and building height will be discussed.