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바람에 의한 와류진동 (출처 : 핵심구조상식)
세장비가 큰 고층건물과 장대교량에 발생하는 바람에 의한 구조물의 와류진동현상에 대해 알아봄.
1. 와류진동의 소개와 정의
1) 바람의 동적 특성으로 인해 바람이 작용하는 구조체에는 풍방향 진동을 비롯하여 풍직각방향 진동, 비틀림 진동이 발생함.
2) 풍직각방향 진동과 비틀림 진동은 주로 와류진동에 의해 발생하게 됨.
3) 와류(Vortex)는 구조체에 바람이 작용했을 때 공기의 흐름이 갈라지면서 구조물의 뒷면(풍하측)에 주기적으로 생성하고 소멸하는 회오리 바람을 뜻하고 와류진동은 와류로 인하여 구조물에 발생하는 진동을 의미함.
2. 와류진동의 발생원리와 공진현상
1) 바람을 맞는 구조체에는 와류(Vortex)가 발생하는 면과 흘러나가는 면의 기압차에 의해 하중이 발생하게 되고 구조체는 풍직각방향으로 진동하게 됨.
2) 발생된 힘의 진동수가 구조물 진동수에 근접하게 되면 공진이 발생하여 구조물의 진폭이 점차 커지게 되는 현상이 생길 위험이있음.
3. 와류진동 사례
1) 초고층건물, 장대교량(케이블, 상판, 독립주탑) 등에서 발생하며, 구조물의 설계풍속보다 작은 저 풍속에서 반복된 진동에 의해 사용성과 안전성에 영향을 줌.
2) 일상 시설물로는 가로등, 신호등, 장식용 기둥, 옥외 안테나 등에서 와류진동현상을 발견할 수 있음.
3) 구조물 사고로는 미국 오하이오주 Cedar Point 공원의 놀이기구 Vertigo의 지지포스트 붕괴(2002) 사고를 들 수 있음.
4. 저감방법
1) 와류의 형성을 감소시키는 방법은 다음 표와 같이 평면의 변경, 입면의 변경으로 나눌 수 있음.
2) 초고층 건물의 경우에는 이 두가지 방법을 복합적으로 적용하여 설계함.
3) 평면 대안 및 적용 예
(1) 평면 대안
(2) 평면 적용예
4) 입면 대안 및 적용 예
(1) 입면 대안
(2) 입면 적용예
5) 기타 대안 및 적용 예
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