모달 해석(Modal Analysis)의 종류

모달 해석이라는 말은 여러가지 의미로 사용이 되고 있습니다. 하지만 가장 많이 사용되는 의미로는 진동문제에 대한 고유의 진동수를 해석하는 것을 말하지요. 즉 구조물의 동적 특성을 연구하는 학문입니다. 모달 해석은 모드 해석(Mode Analysis)로도 불리고 있습니다. 

그럼 왜 모달 분석이 필요한 것일까요?

지난 몇십년 동안 전세계적으로 큰 인명 혹은 재산상 피해를 발생시킨 다리 붕괴 사건이 여럿 발생하였습니다. 이는 수십억 달러의 손실은 분명 수백명의 생명을 앗아가기도 하였습니다. 이와 같은 사고는 좀 더 나은 디자인, 검증, 모니터링을 통해서 교량에서의 구조를 잘 설계 했다면 피해갈 수 있었습니다.

이러한 이유로 모달 분석은 모니터링 시스템 기업 및 교량 설계 기업의 R&D 부서로 부터 많은 관심을 받게 됩니다. 이러한 솔루션을 제공하기 위해서 NI는 온라인 모니터링 실헙 테스트는 물론 모달 분석에 대한 솔루션도 제공을 하고 있습니다. 

아래의 글은 하드웨어 구조 뿐 아니라 모달 파라미터에 대한 추출을 위해 사용되는 특정 모달 파라미터 추출 알고리즘에 대해서 설명을 할 것입니다. 

엔지니어들은 모달 분석을 통해서 다이나믹 프로퍼티와 같은 구조물의 모달 파라미터를 추출할 수 있습니다. 고유 주파수, 댐핑 비율, Mode Shape를 포함하는 모달 파라미터는 강제 가진(Forced Excitation)에 대한 구조물의 이동과 반응을 나타낼 뿐 아니라, 주위의 여기(Ambient Excitation)에 대한 분석을 하는데 기초적인 요소로 사용됩니다. 이러한 모달 파라미터를 이해하고 있는 것은 구조 엔지니어가 주변 조건에 대한 디자인 뿐 아니라 디자인에 대한 유효성 검사를 처리하는데도 도움을 주게 됩니다.

오늘날, 모달 분석은 2개의 타입으로 구분되어 시행이 됩니다. 그중 하나는 Experimental Model Analysis(EMA)라 불리며, 다른 하나는 Operation Modal Analysis(OMA)라 불립니다. 

EMA는 오늘날 모달 분석에서 가장 많이 사용되는 방법으로 Hammer를 이용하여 엔지니어가 분석을 하는 전통적인 방법입니다. 이 방법을 통해서 엔지니어는 전달 함수를 계산하여 구조물의 동적 특성을 추출하는 특정 모달 파라미터 추출 알고리즘을 사용하게 됩니다. EMA는 디자인 검증 및 유한 요소 분석(Finite Element Analysis) 검증에 대해 효율적이지만, 다리와 같은 큰 구조물에서 오랜 기간 모니터링을 사용하기에는 적합하지 않았습니다. 이러한 이유로 OMA가 주목을 받게 됩니다.  

OMA는 구조에 대한 엄격한 동작을 고려하여, 모달 파라미터를 모니터링하는데 집중을 하여 실패에 대한 경고를 전달할 수 있는 데이터에 대한 트렌트를 볼 수 있게 합니다. OMA 방식을 사용하게 되면 구조 엔지니어는 심각한 고장에 대한 사전 방지가 가능하며, 이를 위해서 다리의 상태를 모니터링할 수 있습니다. 

이 글에서는 모달 해석의 종류에 대해서 알아보았습니다. 다음 글에서는 좀 더 상세한 내용을 살펴보도록 하겠습니다.

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