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풍동현상에 대해서 명확히 설명해 놓은 자료가 없어서, 나름 정리해보았다.
와류 진동 (Vortex Shedding)
구조물에 바람이 작용하게되면 구조물 후면에 공기흐름의 박리(Separation)가 일어나면서 와류 발생
발생된 와류는 주기적으로 생성, 소멸되면서 유체 운동방향에 90도의 각을 이루면 주기적인 힘을 작용.
진폭이 커지면 와류 발생을 방해하므로 구조물의 진동이 감소하게 됨
버펫팅 (Buffeting)
자연풍은 시간에 따라 풍속과 풍향이 변하는 난류인데, 물체가 이러한 돌풍·난기류에 의한 충격으로 발생하는 구조물의 응답.
혹은, 풍상측(앞쪽) 구조물로 인해 발생한 공기의 소용돌이 때문에 풍하측(뒤쪽) 구조물에 발생하는 불규칙한 진동.
예를 들면 항공기에서는 꼬리 날개에서 일어나며, 교각 혹은 주탑 등에서 발생
Buffeting is a high-frequency instability, caused by airflow separation or shock wave oscillations from one object striking another.
The most common form of buffeting is turbulent airflow over a wing (i.e. during a stall or wind gusts) striking the wing or horizontal tail. Buffeting is not usually considered self perpetuating with positive feedback, nor is it considered to be precisely cyclic or harmonic - though it may be repetitive.
플러터 (Flutter)
풍하중의 에너지가, 구조계와의 상호작용을 일으켜 구조계가 불안정해지는 현상 (진폭이 커지며 파괴에 이름).
비행기를 예로, 공기 흐름에 의해 날개가 진동을 하는데, 이 날개 진동이 다시 주변 공기의 흐름에 영향을 미쳐, 주변 공기의 흐름이 다시 변함. 바뀐 공기 흐름은 다시 날개를 진동시키며 반복적인 상호작용 발생.
플러터가 일어나는 요인 중에서 가장 중요한 것은 풍속과 단면 형상. 즉, 플러터는 특정 풍속에서, 특정 날개 모양에서 발생.
Flutter is only possible if you have similar structural and aerodynamic frequencies. One without the other would produce much lower amplitudes. Flutter happens when the eigenfrequencies of two oscillations move close together so their motions can reinforce themselves mutually.
플러터 관련 영상
Tacoma Bridge Collapse: The Wobbliest Bridge in the World? (1940) | British Pathé - YouTube
버펫팅 vs 플러터
플러터는 구조물과 바람의 고유주기가 유사하여, 공진현상처럼 진폭이 점점 커지는 발산 진동.
The flutter analysis is generally conducted by complex eigenvalue analysis, whereas the buffeting response is typically estimated using a mode-by-mode approach that ignores the aerodynamic coupling among modes.
If the surface does not exhibit an increasing amplitude, as it is naturally damped at the frequency of the excitation force, it is called buffet.
Conversely, if the surface is not naturally damped at the frequency of the excitation force, its amplitude of oscillation will continue to grow, and likely structurally fail, catastrophically, it is called flutter.
갤로핑 (Galloping)
말에 탄 사람이 상하로 심하게 흔들리는 모습을 표현하는 영어 단어에서 유래된 말로, 교량 혹은 케이블이 바람에 의해 상하방향으로 심하게 흔들리는 발산 진동을 의미한다
Galloping - Galloping is transverse oscillations of some structures due to the development of aerodynamic forces which are in phase with the motion. It is characterized by the progressively increasing amplitude of transverse vibration with increase of wind speed. Non circular cross section are more susceptible to this type of oscillation
풍우진동 (Rain-Wind induced Vibration)
케이블 등 경사진 원주에 빗물의 흐름으로 인해 발생하는 진동
바람에 의한 동적 거동
강제진동
와류진동 (Vortex-Shedding)
버펫팅 (Buffeting)
발산진동 (자발진동)
갤로핑 (Galloping)
수직 플러터
비틀림 플러터 (Torsional Flutter)
합성 플러터 (Coupling Flutter)
기타
풍우진동 (Rain-Wind induced Vibration)
내풍대책
구조역학적 대책
- 풍하중에 대한 구조체 저항 증가
- 질량증가 (질량 추가)
- 강성 증가 (진동수 조절)
- 감쇠 증가 (구조물 자체의 감쇠 증가, 댐퍼 / TMD 등 설치)
공기역학적 대책
- 단면 형상 변경
- 기류 제어 (Fairing, Flap, Spoiler 등 설치)
케이블 내풍/진동 제어 대책
- 공기역학적 대책 : 케이블 표면에 나선형 필렛, 딤플 등 설치
- 감쇠량 증가 대책 : 케이블 댐퍼 설치
- 고유진동수 변화 대책 : 보조케이블 설치
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