대기경계층 공탄성 실험에서 역추정된 동적 풍방향 하중 특성 = Characteristics of Dynamic Along-Wind Load Inversely Identified from Aero-elastic Model Test in Boundary-Layer Wind Tunnel

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.

국문 초록 (Abstract)

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.

참고문헌 (Reference)

1 황재승, "하중추정기법에 의한 원형 실린더 구조물의 와류하중추정" 한국풍공학회 21 (21): 203-209, 2017

2 황재승, "비고전 감쇠를 가지는 구조물의 가속도응답을 이용한 새로운 모드분리 기법" 대한건축학회 31 (31): 19-26, 2015

3 Simiu, E., "Wind effects on structures" John Wiley & Sons, Inc 1996

4 Gillijns, S., "Unbiased minimum -variance input and state estimation for linear discrete-time systems" 43 : 111-116, 2007

5 Davenport, A. G., "The Application of statistical concepts to wind loading of structures" 19 : 449-472, 1961

6 Sanchez, J., "Review of force reconstruction techniques" 333 : 2999-3018, 2014

7 Rainieri C., "Operational Modal Analysis of Civil engineering Structures: An Introduction and Guide for Application" Springer 2014

8 American Society of Civil Engineering, "Minimum Design Loads and Associated Criteria for Building and Other Structures, Standard ASCE/SEI"

9 "ISO 4354, Wind actions on structure, International Standard, Second edition"

10 Hwang, J.-S., "Estimation of modal loads using structural response" 326 : 522-539, 2009