최근 급증하고 있는 초고층 건축물에서 풍진동 제어 기술은 구조적인 안전을 위해서 뿐만 아니라 진동으로 인한 거주성 훼손을 방지할 수 있기 때문에 초고층 구조 엔지니어에게 초유의 관심분야로 지목받고 있다. 본 연구에서는 풍진동 제어 기술의 하나로 현재 대부분의 초고층 건축물에 적용되고 있는 아웃리거 시스템에 댐퍼를 설치한 아웃리거 댐퍼 시스템에 대하여 최적설계와 변수연구를 수행하였다. 해석을 위해 수채해석 모델과 상용 구조해석 프로그램(이하 상용 S/W)을 사용한 모델이 사용되었으며 모델의 ...
최근 급증하고 있는 초고층 건축물에서 풍진동 제어 기술은 구조적인 안전을 위해서 뿐만 아니라 진동으로 인한 거주성 훼손을 방지할 수 있기 때문에 초고층 구조 엔지니어에게 초유의 관심분야로 지목받고 있다. 본 연구에서는 풍진동 제어 기술의 하나로 현재 대부분의 초고층 건축물에 적용되고 있는 아웃리거 시스템에 댐퍼를 설치한 아웃리거 댐퍼 시스템에 대하여 최적설계와 변수연구를 수행하였다. 해석을 위해 수채해석 모델과 상용 구조해석 프로그램(이하 상용 S/W)을 사용한 모델이 사용되었으며 모델의 시간이력해석을 수행하여 아웃리거 댐퍼 시스템의 성능을 평가하였다. 구체적인 연구의 내용은 다음과 같다. (1) 시스템을 단순화하고 아웃리거 댐퍼의 거동 특성을 반영하도록 상태방정식을 작성하여 수치해석용 축소모델을 설계하였으며, 상용 S/W를 사용하여 동일한 해석 결과를 도출할 수 있는 S/W 해석모델을 설계하였다. 상태방정식을 사용한 수치모델에서는 관성모멘트를 고려한 모델도 설계하였다. 관성모멘트를 고려할 경우 질량이나 부재 길이에 따라 응답이 감소하기도 하고 증가하기도 하기 때문에 응답의 차이는 비교적 작으나 보다 정확한 설계를 위해서는 관성모멘트를 고려한 설계가 필요하다. (2) 상용 S/W를 사용하여 아웃리거 댐퍼의 최적 위치 및 용량을 결정하기 위한 다층구조 모델을 설계하였다. 댐퍼가 없는 아웃리거 시스템에서는 댐퍼로 인한 감쇠의 참여가 없기 때문에 오직 강성에 의해 외력에 저항하는데 이 때 아웃리거의 최적 위치는 기존 연구와 동일하게 지상 약 0.55h(h : 구조물의 높이) 위치로 확인하였다. 그리고 댐퍼가 설치된 아웃리거 댐퍼 시스템에서 강성이 고려되지 않고 오직 댐퍼의 감쇠에 의한 최적 위치는 최상층인 것으로 나타났다. 다만 중간 이상의 층에서는 댐퍼의 높이에 따른 성능 변화가 크지 않기 때문에 강성과 감쇠가 복합적으로 운동에 참여하는 실제 구조물의 경우 최적의 위치가 최상층이 아닌 다른 층에 존재할 수 있다고 판단했다. 댐퍼의 용량은 구조물의 전도모멘트와 댐퍼의 감쇠에 의한 전도모멘트의 비율로 결정하도록 하였다. 모멘트 비율에 따라 댐퍼의 용량을 설정하여 수치모델과 상용 S/W 모델의 해석을 수행한 결과 기존 댐퍼가 없는 일반 아웃리거 시스템과 비교할 때 이와 비슷하거나 보다 우수한 제어 성능을 갖도록 댐퍼 용량을 결정할 수 있었으며, 가속도 응답의 경우 아웃리거 댐퍼 시스템이 기존 아웃리거 시스템보다 매우 효과적인 것을 확인할 수 있었다. (3) 실물크기 초고층 모델을 설계하여 수치모델과 상용 S/W모델에서 나타난 아웃리거 댐퍼 시스템의 특성을 검증하고 실제 구조물에 적용할 경우 발생될 수 있는 해석상의 문제를 검토하였다. 합리적인 하중 입력을 위해 기존 연구의 교차파워스펙트럼밀도를 활용한 풍하중 시간이력 산정 방법을 사용하여 바람의 특성이 반영된 풍하중 시간이력을 생성하여 예제 모델에 적용하였다. 예제 모델의 시간이력 해석을 수행한 결과 기존 댐퍼가 없는 아웃리거 시스템에 비하여 아웃리거 댐퍼는 응답의 증폭이 큰 구간에서 효과적으로 진동을 제어하는 것을 알 수 있었으며 아웃리거 층에서 아웃리거 댐퍼 위치를 제외한 다른 접합부는 모멘트 접합이기 때문에 구조물은 강성과 감쇠가 복합적으로 거동하면서 지상 0.6h 부근에서 최소 변위 응답을 보였다. 그리고 가속도 응답에 유리하기 위해서는 0.65h 이상의 높이가 적합할 것으로 판단된다.
최근 급증하고 있는 초고층 건축물에서 풍진동 제어 기술은 구조적인 안전을 위해서 뿐만 아니라 진동으로 인한 거주성 훼손을 방지할 수 있기 때문에 초고층 구조 엔지니어에게 초유의 관심분야로 지목받고 있다. 본 연구에서는 풍진동 제어 기술의 하나로 현재 대부분의 초고층 건축물에 적용되고 있는 아웃리거 시스템에 댐퍼를 설치한 아웃리거 댐퍼 시스템에 대하여 최적설계와 변수연구를 수행하였다. 해석을 위해 수채해석 모델과 상용 구조해석 프로그램(이하 상용 S/W)을 사용한 모델이 사용되었으며 모델의 시간이력해석을 수행하여 아웃리거 댐퍼 시스템의 성능을 평가하였다. 구체적인 연구의 내용은 다음과 같다. (1) 시스템을 단순화하고 아웃리거 댐퍼의 거동 특성을 반영하도록 상태방정식을 작성하여 수치해석용 축소모델을 설계하였으며, 상용 S/W를 사용하여 동일한 해석 결과를 도출할 수 있는 S/W 해석모델을 설계하였다. 상태방정식을 사용한 수치모델에서는 관성모멘트를 고려한 모델도 설계하였다. 관성모멘트를 고려할 경우 질량이나 부재 길이에 따라 응답이 감소하기도 하고 증가하기도 하기 때문에 응답의 차이는 비교적 작으나 보다 정확한 설계를 위해서는 관성모멘트를 고려한 설계가 필요하다. (2) 상용 S/W를 사용하여 아웃리거 댐퍼의 최적 위치 및 용량을 결정하기 위한 다층구조 모델을 설계하였다. 댐퍼가 없는 아웃리거 시스템에서는 댐퍼로 인한 감쇠의 참여가 없기 때문에 오직 강성에 의해 외력에 저항하는데 이 때 아웃리거의 최적 위치는 기존 연구와 동일하게 지상 약 0.55h(h : 구조물의 높이) 위치로 확인하였다. 그리고 댐퍼가 설치된 아웃리거 댐퍼 시스템에서 강성이 고려되지 않고 오직 댐퍼의 감쇠에 의한 최적 위치는 최상층인 것으로 나타났다. 다만 중간 이상의 층에서는 댐퍼의 높이에 따른 성능 변화가 크지 않기 때문에 강성과 감쇠가 복합적으로 운동에 참여하는 실제 구조물의 경우 최적의 위치가 최상층이 아닌 다른 층에 존재할 수 있다고 판단했다. 댐퍼의 용량은 구조물의 전도모멘트와 댐퍼의 감쇠에 의한 전도모멘트의 비율로 결정하도록 하였다. 모멘트 비율에 따라 댐퍼의 용량을 설정하여 수치모델과 상용 S/W 모델의 해석을 수행한 결과 기존 댐퍼가 없는 일반 아웃리거 시스템과 비교할 때 이와 비슷하거나 보다 우수한 제어 성능을 갖도록 댐퍼 용량을 결정할 수 있었으며, 가속도 응답의 경우 아웃리거 댐퍼 시스템이 기존 아웃리거 시스템보다 매우 효과적인 것을 확인할 수 있었다. (3) 실물크기 초고층 모델을 설계하여 수치모델과 상용 S/W모델에서 나타난 아웃리거 댐퍼 시스템의 특성을 검증하고 실제 구조물에 적용할 경우 발생될 수 있는 해석상의 문제를 검토하였다. 합리적인 하중 입력을 위해 기존 연구의 교차파워스펙트럼밀도를 활용한 풍하중 시간이력 산정 방법을 사용하여 바람의 특성이 반영된 풍하중 시간이력을 생성하여 예제 모델에 적용하였다. 예제 모델의 시간이력 해석을 수행한 결과 기존 댐퍼가 없는 아웃리거 시스템에 비하여 아웃리거 댐퍼는 응답의 증폭이 큰 구간에서 효과적으로 진동을 제어하는 것을 알 수 있었으며 아웃리거 층에서 아웃리거 댐퍼 위치를 제외한 다른 접합부는 모멘트 접합이기 때문에 구조물은 강성과 감쇠가 복합적으로 거동하면서 지상 0.6h 부근에서 최소 변위 응답을 보였다. 그리고 가속도 응답에 유리하기 위해서는 0.65h 이상의 높이가 적합할 것으로 판단된다.
In recent years, construction of super tall buildings which has higher aspect ratio and thus are vulnerable to extreme wind loads has been rapidly increasing worldwide. Because the wind-induced response induces structural damage and makes the resident feel discomfort, structural engineers suggest va...
In recent years, construction of super tall buildings which has higher aspect ratio and thus are vulnerable to extreme wind loads has been rapidly increasing worldwide. Because the wind-induced response induces structural damage and makes the resident feel discomfort, structural engineers suggest various techniques to mitigate wind-induced acceleration and displacement. Outrigger system is one of the most popular structural systems which have been used in the design of super tall buildings constructed in recent year. In this study, a parametric studies and optimal design were peformed to investigate the performance of outrigger-damper system for wind-induced vibration control. The detailed findings through the investigation are as follows. (1) Simplified numerical analysis model based on state equation formulation was presented in order to evaluate the performance of the outrigger damper system and its validity was checked through the comparison with the results obtained by using general structural analysis program. The effect of the rotational inertia moment of the outrigger was considered in the numerical model. The fact that the rotational inertia moment can slightly increase or decrease structural responses depending on element's length or mass, indicates that the rotational inertia moment should be considered for obtaining more accurate analysis results. (2) Numerical analyses were performed for determining optimal location of outrigger damper and the capacity of damper. When the damping was not added and only the stiffness was considered in the outrigger system, the optimal location of the outrigger is about 0.55h(h : height of building) from the ground, which is similar result to that by previous studies. In a case that only damping was considered without the stiffness of exterior columns, the optimal location of the outrigger system was close to the top of the building. When both the stiffness and damping were considered, the optimal location was between the top and the 0.55h height position. The damper capacity was determined by the ratio of the overturning moment induced by the damper to that of the original structure without the damper. Numerical analysis results showed that the outrigger damper system provides better control performance than typical outrigger system especially in reducing acceleration response. (3) Through application of the outrigger-damper system to a actual scale tall building, the performance of the outrigger-damper system was evaluated and the design procedure presented by previous simplified model was verified. Wind load time histories were generated based on a cross-power spectral density function presented by previous study. Outrigger-damper system could mitigate the amplified structural response more effectively than usual outrigger system. The optimal position of the outrigger-damper system was about 0.6h height in reducing the top floor displacement and about 0.65h height in reducing the top floor acceleration.
In recent years, construction of super tall buildings which has higher aspect ratio and thus are vulnerable to extreme wind loads has been rapidly increasing worldwide. Because the wind-induced response induces structural damage and makes the resident feel discomfort, structural engineers suggest various techniques to mitigate wind-induced acceleration and displacement. Outrigger system is one of the most popular structural systems which have been used in the design of super tall buildings constructed in recent year. In this study, a parametric studies and optimal design were peformed to investigate the performance of outrigger-damper system for wind-induced vibration control. The detailed findings through the investigation are as follows. (1) Simplified numerical analysis model based on state equation formulation was presented in order to evaluate the performance of the outrigger damper system and its validity was checked through the comparison with the results obtained by using general structural analysis program. The effect of the rotational inertia moment of the outrigger was considered in the numerical model. The fact that the rotational inertia moment can slightly increase or decrease structural responses depending on element's length or mass, indicates that the rotational inertia moment should be considered for obtaining more accurate analysis results. (2) Numerical analyses were performed for determining optimal location of outrigger damper and the capacity of damper. When the damping was not added and only the stiffness was considered in the outrigger system, the optimal location of the outrigger is about 0.55h(h : height of building) from the ground, which is similar result to that by previous studies. In a case that only damping was considered without the stiffness of exterior columns, the optimal location of the outrigger system was close to the top of the building. When both the stiffness and damping were considered, the optimal location was between the top and the 0.55h height position. The damper capacity was determined by the ratio of the overturning moment induced by the damper to that of the original structure without the damper. Numerical analysis results showed that the outrigger damper system provides better control performance than typical outrigger system especially in reducing acceleration response. (3) Through application of the outrigger-damper system to a actual scale tall building, the performance of the outrigger-damper system was evaluated and the design procedure presented by previous simplified model was verified. Wind load time histories were generated based on a cross-power spectral density function presented by previous study. Outrigger-damper system could mitigate the amplified structural response more effectively than usual outrigger system. The optimal position of the outrigger-damper system was about 0.6h height in reducing the top floor displacement and about 0.65h height in reducing the top floor acceleration.
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