진동해석이란? 사례 분석 및 컨설팅 정보

진동해석이란 무엇일까요?

 

우리가 일상생활이나 산업 전반에서 경험할 수 있는 진동은 어떤것일까요?

 

해당 글을 통해 진동해석과 안전성 판단의 핵심 Key를 확인하십시오.

 

 

진동해석이란?

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안녕하세요? 이엔지베이 입니다.

 

주기적인 진동에 노출된 기계구조물의 안전성을 판단하기 위한 방법으로 구조해석의 한 분야인 진동해석(Vibration Analysis)을 수행할 수 있습니다.

 

진동해석은 동역학 해석의 한 분야로 반복적인 떨림에 의해 진동하는 구조물의 안정성을 판단하기 위해 사용되며 모달해석(Modal Analysis)을 기본으로, 해석 케이스에 따라 하모닉응답해석(Harmonic Response Analysis), 랜덤 진동(Random Vibration), 스펙트럼 응답(Response Spectrum)으로 세분화 됩니다.

 

분석하고자 하는 구조물의 외력 성분을 분석하여 가장 합리적인 해석 방법을 선정하고 신뢰성 높은 결과물을 출력해 내는 것이 중요합니다.

 

우리는 왜 진동해석을 수행해야 할까요, 진동해석의 중요성은 몇 가지 사례를 보면 여실히 드러납니다.

 

다리의 붕괴 원인은 공진으로 많이 알려져 있으나 실제로는 공탄성(Aeroelastic Flutter)이 원인으로 추정됨

 

1940년 11월 7일 미국의 Tacoma Narrows Bridge가 42mph의 풍 하중에 의해 붕괴되는 사건이 발생합니다.

 

붕괴 원인으로 지목된 것이 바로 진동에 의한 것인데요, 당시 분석 결과로는 공진에 의한 파괴로 알려졌지만 실제로는 공탄성(Aeroelastic Flutter)이 원인인 것으로 추정되고 있습니다.

 

또한 공진 문제는 우리의 일상생활 속에도 존재합니다.

 

성수동 주상복합 진동, '공진' 가능성

 

성수동의 한 주상복합 건물이 특정 주파수를 유발한 아이돌의 군무에 건물이 흘렸다는 주장 역시 공진에 대한 공학적 근거에 기인합니다. 이처럼 사소한 진동이 비상식적인 결과를 초래할 수 있는 것이 진동 문제이므로 우리가 구조물을 개발할 때 간과해선 안되는 요소가 바로 진동인 것입니다.

 

진동문제가 꼭 공진만의 문제일까요? 단순히 볼트 체결된 기계구조물일지라도 반복되는 진동으로 인해 볼트가 풀어질 수 있고 그로 인해 사고가 발생하게 됩니다.

 

또한 진동으로 발생하는 반복적인 하중이 아무리 미미할지라도 수년에 걸쳐 발생된다면 구조물은 피로파괴될 수 있습니다.

 

해당 문제는 피로(Fatigue) 문제에 대한 이야기일 태지만, 피로 문제를 풀기 앞서 선행돼야할 기본적인 분석이 바로 진동 분석일 것입니다.

 

아래는 진동이 발생되고 있는 파이프 구조물의 체결에 대한 진동해석 사례를 나타냅니다. 일상생활의 환경에서 발생하는 다양한 진동 문제를 구조해석을 통해 분석하고 사고를 방지할 수 있습니다.

 

 

 

모달해석을 통해 해당 구조물의 고유진동수(Natural Frequency)와 고유모드를 산출해 냅니다.

 

위 사진처럼 산출된 고유진동수와 동일한 진동수가 외부에서 가진 될 경우 해당 구조물은 공진하게 됩니다.

 

따라서 모달해석을 통해 공진을 회피하는 설계가 가능합니다(모달시험 결괏값이 존재한다면 신뢰성을 더욱 높일 수 있습니다).

 

또한, 산출된 정보들을 바탕으로 하모닉응답해석을 진행하면 주파수응답 함수를 얻어낼 수 있습니다.

 

주파수응답 함수를 이용하면 특정 진동수에서의 구조물의 동적 특성을 파악할 수 있는 매우 유용한 결과물을 산출할 수 있습니다.

 

가령, 해당 구조물이 120 Hz로 가진 될 때 구조물의 변형(Deformation), 응력(Stress), 반력(Reaction Force) 등 다양한 물리적 데이터를 산출할 수 있고 해당 결과물들을 활용하여 구조적 안전성을 파악할 수 있게 됩니다.

 

 

 

 

정리)

 

1. 진동해석은 동적해석의 한 분야이며 모달해석, 하모닉응답해석, 랜덤진동해석, 스펙트럼응답해석으로 분류할 수 있다.

 

2. 진동해석은 크게 2가지의 범주로 진행되는데 첫째는 공진 회피 목적의 해석(모달해석)이 있고, 둘째는 진동에 의해 발생하는 변형, 응력과 같은 물리적 거동으로 인한 구조적 안전성을 판단(하모닉 응답, 랜덤진동, 스펙트럼응답) 하는 것이 있다.

 

 

이상으로 진동해석에 대한 기본적인 과정에 대해 알아보았습니다. 별도로 제공되는 정보들을 통해 진동에 대한 세부적인 해석 정보를 확인하실 수 있습니다.

 

이엔지베이는 고객님이 겪고 개신 공학적 문제점에 대해 귀 기울이고 최적의 솔루션을 제공해 드리기 위해 끊임없이 노력하고 있습니다.

 

감사합니다.

 

 

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