교량 풍하중 거동

교량 풍하중 거동의 정의

교량 풍하중 거동은 바람이 교량에 작용하는 정적 힘과 변형·진동이 얽힌 응답이다.

바람이 일정하게 밀면 정적 변형이, 흔들리며 불면 진동이 생긴다.

두 현상은 따로 일어나지 않는다. 변형된 단면이 다시 바람 힘을 바꾸기 때문이다.

정적 풍하중과 동적 풍하중

풍하중은 정적 풍하중과 동적 풍하중으로 나눈다.

정적 풍하중은 평균 풍속이 만드는 항력, 양력, 비틀림 모멘트다.

동적 풍하중은 난류 변동과 구조물 운동에 의한 자기 유도 힘이다.

힘은 풍속의 제곱에 비례하므로 풍속 변화가 하중에 크게 반영된다.

와류방출 주파수

앞 문제의 정답은 4배다. 힘이 풍속의 제곱에 비례하기 때문이다.

와류가 교대로 떨어지는 주파수는 Strouhal 관계식으로 근사한다.

방출 주파수는 풍속에 비례하고 단면 대표 폭에 반비례한다.

예를 들어 U=20m/s, D=0.5m이면 f_s는 St×20/0.5 Hz다.

이 값이 구조물 고유진동수와 가까우면 공진을 검토해야 한다.

동적 현상 비교

동적 거동은 공기력이 생기는 원리에 따라 세 가지 현상으로 나눈다.

와류진동은 와류 주파수가 고유진동수와 일치할 때 공진으로 생긴다.

갤로핑은 단면 형상에 의한 음의 공기력 기울기 때문에 풍속이 커질수록 진폭이 커진다.

플러터는 비틀림과 휨이 연성되어 한계풍속을 넘으면 발산하는 자려 진동이다.

플러터는 발산하므로 가장 위험하다. 와류진동은 고유진동수 관리가 핵심이다.

타코마 교량 사례

1940년 타코마 교량은 처음에 와류진동이 붕괴 원인으로 제시되었다.

와류 주파수가 교량 고유진동수와 맞지 않아 와류는 원인에서 기각되었다.

실제 파괴는 바람 힘과 변위가 되먹임되는 공탄성 플러터로 확인되었다.

앞 문제의 정답은 플러터다. 와류방출을 붕괴의 직접 원인이라 쓰면 안 된다.

내풍 검토 절차

내풍 검토는 재현기간에 따라 설계풍속을 정하는 것부터 시작한다.

다음으로 정적 풍하중을 산정하고 휨·비틀림 고유진동수를 구한다.

그다음 와류진동, 갤로핑, 플러터의 임계풍속을 설계풍속과 비교한다.

임계풍속이 설계풍속보다 낮으면 축소모형으로 풍동실험을 한다.

형상 변경이나 제진장치, 공력 보조장치를 적용하고 다시 검토한다.

핵심 정리

풍하중은 정적 성분과 동적 성분으로 나뉘며 두 성분을 함께 본다.

와류방출은 고유진동수와 일치할 때 공진으로, 플러터는 한계풍속을 넘을 때 발산한다.

장대교량 내풍 설계는 풍동실험과 수치해석을 병행해 설계 단계에서 검증한다.