선형(線形) 변단면(變斷面) I-형(型) 부재(部材)의 자유진동(自由振動)

Free Vibrations of Linearly Tapered I-Beams

선형변단면(線形變斷面) I-형(型) 부재(部材)의 3차원(次元) 공간(空間)에서의 고유진동해석(固有振動解析)을 위하여 회전관성(回轉慣性)도 포함하는 컨시스턴트 질량행렬(質量行列)을 유도하였다. 유도과정(誘導過程)에서 정확한 형상함수(形狀函數)를 사용했다. 일반적으로 많이 사용되는 변단면부재(變斷面部材)의 경사(傾斜)는 매우 작으므로 '정형식(整形式)'으로 표현된 행렬(行列)을 사용하여 변단면(變斷面) 부재(部材)를 포함하는 구조물(構造物)을 해석할 때에 신빙성 없는 결과를 얻게 된다. 이러한 수치적(數値的) 오류(誤謬)를 피하기 위하여 '급수식(級數式)'을 유도했다. 변단면(變斷面) 부재(部材)의 구조물(構造物)을 해석하기 위하여 본 연구에서 유도된 질량행렬(質量行列)을 사용하여 구한 고유진동수(固有振動數)와 변단면(變斷面) 부재(部材)를 균일단면(均一斷面)의 탑형태(塔形態)로 표현하여 ANSYS에서 구한 고유진동수(固有振動數)를 비교하여 본 연구 결과 효율성과 정확성이 증진된 것을 확인하였다. 본 연구에서 유도된 질량행렬(質量行列)은 변단면(變斷面) 부재(部材)와 균일단면(均一斷面) 부재(部材)의 자유진동해석(自由振動解析)에 사용할 수 있다.

The closed forms of consistent mass matrix with rotational inertia matrix are developed for free vibration analysis in space sutructures containing linearly tapered members with cross section of thin-walled I-sections. The exact displacement functions are used for formulating mass matrices. The very small slopes of the tapered member are used in usual practice, such that the series expansion forms of these are also developed to avoid numerical failure in vibration analysis. Significant improvements of accuracy and efficiency of free vibation analysis are achieved by using the mass matrices developed in this study. Frequencies of free vibation of tapered members are compared with solutions based upon stepped representation of beam element in the ANSYS. The mass matrices presented in this study can be used for the free vibration analysis of tapered and prismatic members.