최근 급속하게 증가하고 있는 초고층 건축물은 바람이나 지진에 의한 횡변위를 효율적으로 제어하는 기술이 매우 중요하다. 그러나 국내의 초고층 주거형 건축물에 주로 사용되는 횡력 저항 구조시스템인 아웃리거 시스템은 별도의 공간을 요구하여 시공이 어렵고 공사 기간이 오래 걸리는 등의 불리한 점들이 있다. 반면 근래에 사용되고 있는 제진 시스템은 동적 하중에 의한 진동에너지를 부가적인 제진장치에 집중시킴으로써 건물의 횡변위를 저감시키며, 댐퍼의 설치도 비교적 용이하다. 또한, 아웃리거 설치와 같은 횡변위 제어시스템은 강성증가로 인해 풍응답이 증가되어 거주자의 불편과 같은 사용성 문제가 발생하기도 하며 이는 다른 추가적인 제어방식을 요구하게 된다. 따라서 본 연구에서는 초고층 주거형 건축물에 대한 횡변위를 효과적으로 제어하면서 아웃리거시스템을 대체 또는 보완할 수 있는 새로운 방법으로써 다양한 제진장치를 적용하여 각각의 횡변위제어 성능을 검토해보았다.
최근 급속하게 증가하고 있는 초고층 건축물은 바람이나 지진에 의한 횡변위를 효율적으로 제어하는 기술이 매우 중요하다. 그러나 국내의 초고층 주거형 건축물에 주로 사용되는 횡력 저항 구조시스템인 아웃리거 시스템은 별도의 공간을 요구하여 시공이 어렵고 공사 기간이 오래 걸리는 등의 불리한 점들이 있다. 반면 근래에 사용되고 있는 제진 시스템은 동적 하중에 의한 진동에너지를 부가적인 제진장치에 집중시킴으로써 건물의 횡변위를 저감시키며, 댐퍼의 설치도 비교적 용이하다. 또한, 아웃리거 설치와 같은 횡변위 제어시스템은 강성증가로 인해 풍응답이 증가되어 거주자의 불편과 같은 사용성 문제가 발생하기도 하며 이는 다른 추가적인 제어방식을 요구하게 된다. 따라서 본 연구에서는 초고층 주거형 건축물에 대한 횡변위를 효과적으로 제어하면서 아웃리거시스템을 대체 또는 보완할 수 있는 새로운 방법으로써 다양한 제진장치를 적용하여 각각의 횡변위제어 성능을 검토해보았다.
The problem controlling lateral drift by the wind and the earthquake is very important in high rise buildings. But, outrigger system, generally used for residential tall buildings in Korea, has weak points with the occupancy of special space, the difficult construction and the long duration of works...
The problem controlling lateral drift by the wind and the earthquake is very important in high rise buildings. But, outrigger system, generally used for residential tall buildings in Korea, has weak points with the occupancy of special space, the difficult construction and the long duration of works. On the other hand, the damper reduces story drifts of building structure by absorbing vibration energy induced by the dynamic loads and the application of damper systems is relatively simple. Also, the lateral drift control system such as outrigger system may raise the wind vibration problem of serviceability like human comfort and this problem may need another vibration control devices. Accordingly, we analyze the effect of the drift control using various dampers to substitute for outrigger system as the efficient system in residential tall buildings.
The problem controlling lateral drift by the wind and the earthquake is very important in high rise buildings. But, outrigger system, generally used for residential tall buildings in Korea, has weak points with the occupancy of special space, the difficult construction and the long duration of works. On the other hand, the damper reduces story drifts of building structure by absorbing vibration energy induced by the dynamic loads and the application of damper systems is relatively simple. Also, the lateral drift control system such as outrigger system may raise the wind vibration problem of serviceability like human comfort and this problem may need another vibration control devices. Accordingly, we analyze the effect of the drift control using various dampers to substitute for outrigger system as the efficient system in residential tall buildings.
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문제 정의
따라서 본 연구에서는 초고층 주거형 건축물에 대하여 횡 변 위를 효과적으로 제어하면서 기존에 가장 널리 사용되어온 횡력 저항 구조시스템인 아웃리거시스템을 대체 또는 보완할 수 있는 새로운 방법으로써 다양한 제진장치를 적용하여 각 시스템들의 횡변위제어 성능을 검토해보았다.
본 연구에서는 앞에서 살펴본 아웃리거의 대체 시스템으로서 제진장치의 적용가능성을 알아보고자 여기서는 그림 1과 같은 점탄성 댐퍼(Viscoelastic Damper, 이하 VE댐퍼), 탄소성 이력댐퍼, 동조질량감쇠기(Tuned Mass Damper, 이하 TMD), 상부층 면진 4가지 제진장치를 다루었다. 이 장치를 선정한 이유는 V也댐퍼의 경우 가격이 비교적 비싼 문제점이 있지만 풍과 지진하중에 대하여 모두 진동저감 능력이 우수한 것으로 평가되고, 탄소성 이력댐퍼의 경우 국내에서 제작이 쉽고 비교적 가격경쟁력이 뛰어나며 지진에 대한 에너지 소산능력이 우수한 것으로 연구문헌(금동성 등, 2002; 오상훈 등, 2005)에서 보고되고 있기 때문이다.
본 연구에서는 초고층 주거형 건축물의 횡변위를 효과적으로 제어하면서 기존에 가장 널리 사용되어 온 횡력 저항 시스템인 아웃리거시스템을 대체 또는 보완할 수 있는 새로운 방법으로써 네 가지 제진장치를 적용하여 그 성능을 검토해보았으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
가설 설정
5를 사용하였다. 건물에 설치한 제진장치가 주로 진동에너지를 흡수하는 것으로 보고 건물이 탄성 거동하는 것으로 가정하였으며, 이에 반응수정계수를 1로 두었다. 건물의 X방향으로는 Taft N69E( 1952)지진.
상부층 면진장치의 중요 설계계수는 TMD로 가정하여 Warburton의 설계식을 이용하였고 이에 대한 제어 여부를 검토하였다. 우선 상부층 질량은 TMD보다 약간 많은 질량으로서 부가질량 없이도 TMD보다 큰 질량체를 얻는 것을 알 수 있다.
5% 정도로 계산됐으며, 이는 VE댐퍼의 경우보다 다소 낮은 편에 속한다. 이 경우에 사용된 면진장치의 수는 30개이며 하부에 기둥 또는 벽체의 모서리 위치에 설치되었으며 모두 고감쇠 적층고무받침으로 가정하였다.
y 방향으로는 San Fernando N69EU971)지진을 가하였다(그림 5, 6). 적용 풍하중은 서울지역, 노풍도를 B로 가정하였으며 인공풍하중 작성에 사용된 풍스펙트럼으로 풍방향은 Kaimal spectrum, 풍직각방향은 Ohkuma와 Kanaya spectrum을 사용하였다. 변동풍속의 RMS관계(Armitt, 1976)는 이러한 풍방향 풍속과의 관계를 이용하였다(Tsukagoshi.
2001)을 이용하여 계산되었다. 해석 건물의 1차 모드 질량을 바탕으로 TMD의 질량비는 약 3%정도로 가정하였고. 이를 이용하여 구한 X방향의 강성은 12.
제안 방법
5%정도로 계산되었으며 이는 VE댐퍼의 경우보다다소 낮은 편에 속한다. TMD의 배치는 코어 상부벽체 위에 4개의 스프링-댐퍼 시스템이 질량체를 지지하는 것으로 하였다.
6이며, 건물의 입면 및 평면은 그림 2와 같다. 구조시스템은 중앙부 코어 벽체와 외주부 SRC기둥 및 철골보로 이루어졌고, 부가적인 횡력 저항 시스템으로 34층과 61층에 아웃리거와 벨트트러스를 적용하였다. 이 때, 코어의 면적비는 타워 면적의 약 22% 정도 해당된다.
아웃리거의 대체 변위제어 장치로서 앞에서 살펴본 제진장치들의 성능 평가를 위해서 건물에 적용가능하도록 제진장치의 크기를 결정하였다. 해석에 필요한 댐퍼의 층강성은 건물의 층강성(그림 4)을 기준으로 표 1과 같이 5가지로 구분하여 설계에 반영하였으며.
해석에 필요한 댐퍼의 층강성은 건물의 층강성(그림 4)을 기준으로 표 1과 같이 5가지로 구분하여 설계에 반영하였으며. 이 때 구분된 층에서 가장 큰 강성을 가지는 층을 대표강성으로 설정하였다.
제진장치와 아웃리거의 성능을 비교하기 위해서 아웃리거 설치 전 구조물의 응답을 기준으로 정하고. 아웃리거 설치 유무에 따른 구조물의 응답을 살펴보았으며 그림 3에 나타냈다.
01 上, 财 X층 층고)를 만족해야 하므로 30%정도로 설정하였다. 제진장치의 감쇠비는 30% 의 변위제어 효과를 얻기 위해서 그림 5와 그림 6의 감쇠비에 따른 가속도와 변위 응답스펙트럼을 참고하여 건물의 감쇠비가 15%정도 되도록 제진장치의 추가 감쇠비를 10% 정도로 설정하였으며, 이를 그림 5와 6에 도시하였다.
성능 평가를 위해서 건물에 적용가능하도록 제진장치의 크기를 결정하였다. 해석에 필요한 댐퍼의 층강성은 건물의 층강성(그림 4)을 기준으로 표 1과 같이 5가지로 구분하여 설계에 반영하였으며. 이 때 구분된 층에서 가장 큰 강성을 가지는 층을 대표강성으로 설정하였다.
대상 데이터
제진장치 설치에 따른 구조물의 횡변위제어 성능 평가를 위해 국내 초고층 주거형 건축물 중 66층 규모의 S사 T 건물을 선정하였다. 해석 건물의 높이는 232.
선정하였다. 해석 건물의 높이는 232.3m이고, 세장비는 6.6이며, 건물의 입면 및 평면은 그림 2와 같다. 구조시스템은 중앙부 코어 벽체와 외주부 SRC기둥 및 철골보로 이루어졌고, 부가적인 횡력 저항 시스템으로 34층과 61층에 아웃리거와 벨트트러스를 적용하였다.
이론/모형
TMD의 중요 설계계수는 다수의 연구자들이 제시한 설계 방법 중 Warburton의 설계식 (Hanson 등. 2001)을 이용하여 계산되었다. 해석 건물의 1차 모드 질량을 바탕으로 TMD의 질량비는 약 3%정도로 가정하였고.
지진하중은 지반가속도 조정방법(김태호 등, 2007)을 이용하여 조정하였고 설계스펙트럼은 지진구역 1, 지반종별 Sc, 중요도 계수 1.5를 사용하였다. 건물에 설치한 제진장치가 주로 진동에너지를 흡수하는 것으로 보고 건물이 탄성 거동하는 것으로 가정하였으며, 이에 반응수정계수를 1로 두었다.
성능/효과
1) VE댐퍼와 탄소성 이력댐퍼 모두 지진하중에 대해서 큰 저감효과가 나타난 반면 풍하중에 대해서는 다른 결과를 나타냈다. V也댐퍼는 진동성분이 큰 풍직각방향(y) 에 대한 응답에는 저감 효과를 보였으나 풍방향응답은 오히려 증폭되었다.
2) 초고층 건물의 경우에는 휨변형거동이 커 가새 부착형 댐퍼가 설계변위(층간변위)만큼 작동하지 못하는 문제가 발생하였다. 이에 초고층 건물에 적합한 가새형 댐퍼의 설계기법 등이 개발되어야 할 것으로 판단된다.
3) TMD와 상부층 면진 경우’ 지진과 풍하중 모두에 대하여 저감 효과를 가지는 것으로 나타났다. TMD는 실 구조물과의 동조여부에 따른 효율문제가 있으며 최상층에 과도한 질량체를 두기 위한 구조적 고려 및 경제적인 측면에서도 상당히 고가로 평가되고 있다는 점에서 유의하여야 할 것으로 생각된다.
또한. 거주성 평가 검토를 위한 풍가속도응답의 경우 X방향은 상부에서 크지는 않지만 응답이 증대되는 현상이 발생하여 댐퍼가 제대로 작동하지 않는 반면 풍직각하중이 작용한 y방향은 풍응답이 줄어들어 상대변위 발생을 통한 강성 및 감쇠효과가 있음을 알 수 있었다.
아웃리거 설치 유무에 따른 구조물의 응답을 살펴보았으며 그림 3에 나타냈다. 건물의 동적 해석에 사용된 모드 수는 20개이며, 누적 참여율은 각 방향에 대하여 각각 92.7%, 92.6%, 93.3%로 모드해석에 필요한 모드의 수를 충분히 반영하고 있다. X 방향의 주기는 아웃리거 설치 전 8.
TMD의 경우, 지진하중에 의한 층전단력과 층간변위는 그림 11에서 보는 바와 같이 앞서 설명한 제진장치들과 마찬가지로 응답 저감효과를 보여주었으나 층간변위의 저감율은 다소 떨어지는 것으로 나타났다. 그러나 풍하중에 의한 가속도응답은 VE댐퍼나탄소성 이력댐퍼와는 달리 X, y 모든 방향에서 응답이 크게 줄어드는 양상을 보였다. 이는 TMD가 지진하중뿐만 아니라 풍하중에 대해서도 크게 응답을 줄여 경제적인 설계 또한 가능하게 하고 있음을 알 수 있었다.
우선 상부층 질량은 TMD보다 약간 많은 질량으로서 부가질량 없이도 TMD보다 큰 질량체를 얻는 것을 알 수 있다. 이 경우 질량비는 2.
4초로 y방향의 주가차가더 작게 발생하여 그림 5의 가속도 응답스펙트럼에서 보는 바와 같이 감쇠의 영향이 크게 작용한 것으로 보인다. 즉, 아웃리거 설치 전 구조물과 댐퍼가 설치된 구조물간의 주기 차가 작은 저층의 구조물일수록 댐핑효과가 더 크게 발생하여 구조물의 층전단력을 크게 절감시켜준다는 것을 확인할 수 있다. 또한.
최 대풍가속도의 경우에는 TMD와 상부층 면진장치의 제어 성능이 우수함을 확인할 수 있었다.
풍가속도 응답은 탄소성 이력댐퍼가 풍하중에 항복하지 않도록 설계하기 때문에 아웃리거와 마찬가지로 강성의 영향으로 X, y 모든 방향에서 풍진동에 오히려 불리한 것으로 나타났다. 표 2에 정리한 바와 같이 VE댐퍼의 최대 풍가속도 응답이 탄소성 이력댐퍼보다는 작게 발생하므로, 탄소성 이력댐퍼가 지진과 풍하중 모두를 제어하는데 VE댐퍼에 비해 다소 불리한 성능을 보임을 확인할 수 있었다.
표 3과 같이 앞서 살펴본 제진장치들의 제어 성능을 비교해보면, 최대층간변위의 경우 4가지 장치 모두에서 응답 저감효과가 있음을 확인 할 수 있었고, 그 중 특히 通댐퍼와 상부층 면진장치의 효율이 뛰어남을 알 수 있었다. 최 대풍가속도의 경우에는 TMD와 상부층 면진장치의 제어 성능이 우수함을 확인할 수 있었다.
탄소성 이력댐퍼의 경우, 해석 건물의 지진하중에 대한 층 전단력, 층간변위 및 풍하중에 대한 가속도 응답을 그림 10에 나타냈으며, 층전단력 및 층간변위 모두 VE댐퍼와 유사한 결과를 보였다. 풍가속도 응답은 탄소성 이력댐퍼가 풍하중에 항복하지 않도록 설계하기 때문에 아웃리거와 마찬가지로 강성의 영향으로 X, y 모든 방향에서 풍진동에 오히려 불리한 것으로 나타났다. 표 2에 정리한 바와 같이 VE댐퍼의 최대 풍가속도 응답이 탄소성 이력댐퍼보다는 작게 발생하므로, 탄소성 이력댐퍼가 지진과 풍하중 모두를 제어하는데 VE댐퍼에 비해 다소 불리한 성능을 보임을 확인할 수 있었다.
이것은 큰 질량을 가진 TMD의 제어효과가 얼마만큼 진동제어에 효과적인지를 보여주는 것으로 현실적으로 원 구조물 상부에 질량을 추가하는 것 대신에 건물 자체를 면진시키는 것의 효율성을 보여주는 좋은 예이다. 풍하중에 대한 가속도응답도 풍방향 및풍직각방향 모두에서 10%이상의 제어효과를 보여 지진 및 풍하중 모두에 대하여 장점을 가짐을 보여주고 있다. 그러나 지진과 풍하중에 대하여 면진층 상부층의 응답이 크다는 문제가 있으며 실용화를 위해서는 이에 대한 해결이 필요하다.
그림 7에 나타냈다. 해석 결과를 살펴보면, X 방향의 층 전단력 감소는 거의 없고 층간변위는 현저히 감소하는 것으로 나타났다. 이러한 결과는 그림 5와 6의 스펙트럼을 통하여 파악할 수 있는데 장주기 대역에서 감쇠기의 적용이 변위 응답에 더 효율적임을 알 수 있다.
후속연구
이는 TMD가 지진하중뿐만 아니라 풍하중에 대해서도 크게 응답을 줄여 경제적인 설계 또한 가능하게 하고 있음을 알 수 있었다. 여기서, 풍가속도응답에좀 더 좋은 효과를 기대하기 위해서는 TMD의 질량을 추가하거나 추가적인 변수분석을 통한 설계가 필요할 것으로 생각된다.
V也댐퍼는 진동성분이 큰 풍직각방향(y) 에 대한 응답에는 저감 효과를 보였으나 풍방향응답은 오히려 증폭되었다. 탄소성 이력댐퍼는 두방향 모두의 응답이 증폭되어 이 장치들이 가지는 강성이 풍응답저감에는 바람직하지 않은 것으로 판단되며, 이에 따라 초고층 건축물에 이력댐퍼를 설치할 경우에는 풍하중 제어가 가능한 기구를 병행하여 적용하는 것을 고려해야 할 것으로 생각된다.
참고문헌 (12)
강경수 (1997) 동적 횡하중을 받는 고층건물의 횡변위제어를 위한 동조질량감쇠기의 최적설계에 관한 연구, 서울대학교 박사학위논문
금동성, 윤명호 (2002) 이력형 강재댐퍼를 사용한 200m급 초고층 건물의 성능설계 사례 소개, 한국강구조학회지, 14(3), pp.134-141
김대곤, 이동근, 정재은, 남궁계홍 (2001) 정형 및 비정형 건물에 대한 비선형 면진장치의 적용, 한국지진공학회 논문집, 5(1), pp.37-44
CTBUH (1995) Structural Systems For Tall Buildings, McGraw-Hill
Hanson, R.D., Soong T.T. (2001) Seismic Design with Supplemental Energy Dissipation Devices, MNO-8, Earthquake Engineering Research Institute, California, pp.23-34
Tsukagoshi H., Tamura Y., Sasaki A., Kanai H. (1993) Response analyses on along-wind and across-wind vibrations of tall buildings in time domain, Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics, 45&46, pp.497-506
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