진동 기계 기초 설계법을 정리했습니다. 진동이 있는, 회전하는 기계를 지지하는 철근 콘크리트, 철골, pile 설계할 때 적용할 수 있는 방법입니다. 사하중, 활하중에 대한 해석을 기본으로 하고, 진동 기계 기초는 추가적으로 해야할 해석들이 있습니다. 예로, 구조물 고유치해석(모드해석)을 통한 공진 해석, 동탄성 계수를 적용한 파일 지지력 산정 등이 있겠습니다. 또 정적 변위가 아니라 진폭을 고려해야 합니다. 이 글은 진동 기계 해석 및 설계 시, 꼭 확인해야할 사항들을 정리했습니다.
목차
진동 기계 기초 해석 방법
진동해석을 수행하기 위해 먼저 해야할 것은 진동기계 특성을 파악하는 겁니다. 기계, 설비 하중적 특성을 먼저 알아야 이를 지탱하는 구조물을 제대로 설계할 수 있겠습니다. 그러면 동적 하중을 갖고 있는 기계의 어떤 자료를 확인해야할까요? 설비 확인 리스트는 아래와 같습니다.
진동 기계 기초 확인 3가지
아래 사항들은 정적 기계 자료에서 더 필요한 자료들입니다. 정적 해석을 기본으로 하고 동적 해석을 하기 위한 추가적인 자료이니 참고하시기 바랍니다. 각 리스트에 대한 설명은 아래에 계속해드립니다.
- 허용 진폭, 속도, 가속도
- 기계 진동수
- 동적 하중
1) 기계 허용 진폭, 속도, 가속도
기계 및 설비마다 허용할 수 있는 진폭, 속도, 가속도가 있습니다. 기계 제공 회사로부터 허용값을 받을 수 있는데요, 받지 못하는 경우도 많습니다. 이 경우, KDS 11 50 30 진동기계기초 설계기준을 따르면 됩니다. 진동기계기초 설계기준에서 제시하는 허용 진폭은 충격형, 고속회전형 기계기초로 구분합니다. 이때 기계 충격 무게와 회전 속도에 따라 허용진폭을 구분하는데, 허용 진폭 기준은 아래와 같습니다.
① 충격형 기계기초 허용진폭
② 회전형 기계기초 허용진폭
③ 기계진동기초 수평, 수직 허용변위
기계진동 성격에 따라 위의 표를 적용해도 되지만, 기계 진동수가 없는 경우 아래 그래프를 이용하면 좀 더 상세히 알 수 있습니다. 먼저, 기계 진동수 rpm 을 확인하고 기계 성능 수준을 파악하면, 수직변위에 대한 진폭을 확인할 수 있습니다. 기계 성능 수준을 인체에 미치는 영향 또는 구조물에 미치는 수준으로 결정하면 되겠습니다. 참고로 위의 표는 인체에 위험 불쾌감을 주는 수준으로 결정된 자료라고 보시면 됩니다.
여기서, 수평 변위는 A,B,C,D,E 영역으로 구분하는데, 각 영역은 구조물 성능을 기준하였고 아래와 같습니다.
- A : 구조물 정상 거동 또는 설치 초기의 일반적인 상태
- B : 가벼운 결함으로 구조물 보수는 필요치 않은 상태
- C : 구조물 결함으로 10일 이내 보수 필요한 상태
- D : 구조물 파괴 임박한 상태로 급히 보수하여 추가 파괴를 방지해야하는 상태
- E : 구조물 위험 상태로 설비 작동을 즉각 중단해야하는 상태
2) 기계 가진동수
기계 설비 진동수를 파악해야 하는데요, 설비 제작사로부터 접수해야 합니다. 이때 주의해야할 것은 기계 진동수는 일반적인 상황인 상시 뿐 아니라, 돌발상황인 emergency 에 발생할 수 있는 기계 진동수를 확인 해야 합니다.
즉, 설비는 상시 조건도 있지만, 비상시와 같이 돌발상황이 발생할 수 있기 때문입니다. 또한, 성능 최대치에 대한 진동수도 확인하시기 바랍니다.
3) 동적 하중
설비 dynamic load(동적 하중)을 확인해야 합니다. 이때 주의할 것은 동적 하중의 emergency condition 에서의 최대값을 파악해야 합니다. 또한, 각 case의 하중 조합을 알아야 합니다. 다시 말해, 각 emergency case 이더라도 모든 최대 하중이 한번에 일어나는 것은 아닐겁니다. 설비 진동 하중 조합에 대한 이해가 필요하다는 뜻입니다.
진동기계 기초 파일지지력
진동 기초 허용지지력
기초 허용지지력 산정하는 방식은 정적 해석과 같습니다. 하지만, 지반 또는 파일 허용 지지력에 대한 적용 범위는 조금 다릅니다. 즉, 정적 해석으로 산정할 수 있는 허용지지력의 80% 이상되지 않도록 설계해야 합니다. 이는 구조물 기초 설계기준에 의한 설계 방법으로 허용 지지력이 1000kN이라면 800kN 이하로 반력이 발생하도록 설계하라는 의미가 되겠습니다.
단, 기계 진동이 심한 경우, 허용지지력 50%까지 제한하는 기준도 있으니 참고하시기 바랍니다.
동적 스프링 계수
반력 산정할때 반력 계수 또는 스프링 계수를 고려하게 될텐데요, 이때 계수값이 정적 스프링 계수가 아니라 동적 스프링 계수를 입력해서 해석해야한다는 것입니다. 설비 기초 정적해석은 당연히 정적 스프링 계수로 입력되어 계산됩니다. 하지만 동적 해석인 고유치 해석, 공진 해석, 진폭을 산정할때는 동적 스프링 계수를 입력해야 합니다.
동적 스프링 계수는 non-pile의 경우 지반 동적 스프링 계수, pile 기초는 pile 동적 스프링 계수로 산정합니다. 동적 스프링 계수 산정하는 방법은 다음 글로 이어서 작성하도록 하겠습니다.
목차로 이동이상으로 진동 기계 기초 해석 및 설계하는 방법에 대해 적어봤습니다. 도움이 되셨기를 바랍니다. 감사합니다.