교량 단면의 와류진동 및 연성 플러터 모사를 위한 2자유도 실시간 공탄성 하이브리드 실험

키워드

확장요약문

기존의 스프링 지지 풍동실험은 교량 단면의 공탄성 거동 평가에 널리 활용되지만, 구조 동특성의 정밀한 조정과 진동 중 공기력의 동시 계측에는 어려움이 있다. 본 연구에서는 이러한 한계를 보완하기 위해 실시간 공탄성 하이브리드 시뮬레이션(Real-Time Aeroelastic Hybrid Simulation, RTAHS) 시스템을 구축하고, 연직·비틂 2 자유도 실험으로 확장하였다. RTAHS 시스템은 풍동에서 단면 모형을 활용하여 직접 계측한 공기력과 구조 동특성을 구현한 수치모델을 실시간으로 연계하여 교량 단면의 공탄성 진동을 재현한다.

RTAHS 에서는 풍동 내에 거치된 모형 단부의 로드셀 계측값에서 관성력 성분을 보상하여 얻은 공기력을 운동방정식에 입력하고, 계산된 응답을 리니어 모터로 모형에 구현한다. 이를 통해 질량, 감쇠 및 강성을 수치적으로 설정하면서 공기력과 진동 응답을 동시에 확보할 수 있다. 실험의 정확성과 안정성을 확보하기 위해 구동계의 시간지연 보상기법과 가속도 계측 기반의 관성력 보상기법을 적용하였다. 또한, 관성력 보상 후의 신호에 위상지연을 최소화하는 적응형 필터(Phase-Minimized Adaptive Filter, PMA)를 적용하여 고주파 잡음의 영향을 저감하였다.

시스템의 유효성은 단계적인 풍동실험으로 검증하였다. BD05 직사각형 단면과 실교량 강박스 단면의 연직 1 자유도 실험에서 와류진동 진폭과 발생 풍속대를 스프링 지지 실험 결과와 비교하여 응답 재현성을 확인하였다. 또한, 동시에 확보한 공기력과 변위의 주파수 및 위상 관계를 분석하여 와류진동 구간의 동적 공기력 특성을 살펴보았다. 이후 비틂 1 자유도 실험에서도 와류진동 응답을 동일한 방식으로 검증하였으며, 변장비 B/D = 20 의 직사각형 단면을 대상으로 연직·비틂 2 자유도 실험을 수행하여 연성 플러터 현상을 관측하였다. 이러한 결과는 RTAHS 의 적용 범위를 개별 자유도의 와류진동에서 연성 공탄성 거동으로 확대할 수 있음을 보여준다. 개발한 시스템은 향후 공기력과 구조 응답의 상호작용 분석 및 진동 저감기술의 성능평가에 활용될 것으로 기대된다.