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단자유도 건물에 설치된 마찰감쇠기의 등가점성감쇠비
Equivalent Viscous Damping Ratio of a Friction Damper Installed in a SDOF Building 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.23 no.2, 2010년, pp.199 - 208  

성지영 (단국대학교 건축공학과) ,  민경원 (단국대학교 건축공학과)

초록
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건물에 설치된 마찰감쇠기는 외력의 크기에 따라 정지와 운동의 상태를 반복하여 외부 입력에너지를 소산시키기 때문에 외력과 응답관계가 비선형이다. 마찰감쇠기가 설치된 단자유도 건물은 마찰감쇠기외에 점성감쇠가 동시에 존재하므로 해석적인 정해를 구하기가 어렵다. 본 연구에서는 첫째, 점성과 마찰감쇠가 있는 단자유도계 건물의 자유진동 정해를 통하여 변위응답과 가속도 응답특성을 분석하였다. 둘째, 자유진동의 경우 응답이 멈출 때까지 소산에너지식을 이용하여 등가점성감쇠비를 구하였다. 셋째, 조화가진 일 때는 수치해석을 통하여 마찰력비 $F_r$에 따른 응답 특성을 알아보았다. 넷째, 조화가진의 경우 에너지 균형식을 바탕으로 등가점성감쇠비를 유도하였다. 등가점성감쇠비는 변위응답비의 영향을 받으므로 응답을 알아야만 구할 수 있다. 건물 응답의 진동수 특성은 협소영역(narrow band)이므로 고유진동수에 의해 지배된다고 가정하여 등가점성감쇠비를 구하였다. 마지막으로, 유도한 자유진동과 조화가진의 등가점성감쇠비를 이용한 등가선형운동방정식의 해를 비선형 수치해석 한 결과와 비교하여 검증하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

A friction damper installed at a building shows nonlinear behavior since its stick and slip states are occurred repeatedly depending on the amplitude of external loadings to dissipate input energy. Friction damping is existed for the building with a friction damper. In additionally viscous one is in...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 마찰감쇠기가 설치 된 건물의 비선형운동방 정식을 파악하기 쉽도록 자유진동과 조화가진일 때의 등가점성감쇠비를 제시하였다. 우선 마찰감쇠기의 정지와 운동상태를 반복하는 특성에 따라 자유진동일 때와 조화가진일때의 변위응답과 가속도응답 특성을 살펴보았다.
  • 본 절에서는 2.4절과 3.4절에서 구한 등가점성감쇠비를 이용한 등가의 운동방정식 응답이 비선형 해석을 통해 얻은 응답과 근사하는 지를 검증하고자 한다. 등가점성감쇠비를 검증하기 위하여 마찰력 대신에 등가점성감쇠비를 대입하여 등가비선형해석을 수행하였다.
  • 본 절에서는 마찰감쇠기가 설치된 건물에 조화가진이 가해질 때 응답특성을 알아보기로 한다. 또한 마찰감쇠기의 설계를 쉽고 편리하게 하기 위하여 조화가진이 가해질 때의 마찰감쇠기가 설치된 건물의 에너지 소산 특성에 의해 등가점성감쇠비를 유도하였다.
  • 마찰감쇠기는 정지와 운동을 반복하면서 외부의 입력에너지를 소산시킨다. 자유진동에서는 외력이 존재하지 않아 한 번 정지하게 되면 더 이상 운동하지 않으므로 마찰감쇠기가 초기변위에 의해 운동을 시작한 후 정지할 때까지의 에너지 소산을 알아보고자 한다.

가설 설정

  • 그림 6(a)와 (c)는 안정상태 도달 시간이 짧으나 그림 6(b)와 같이 공진일 경우에는 상대적으로 길다. 이는 입력에너지가 소산에너지보다 초기의 상당시간동안 크다는 것을 의미한다.
  • 마찰감쇠기가 조화하중을 받을때 한 주기 동안 소산되는 에너지가 점성감쇠에 의한 소산에너지와 같다고 가정하여 등가점성감쇠를 쉽게 구할 수 있다. 마찰력 fd을 등가점성감쇠 계수 cd로 나타내면 다음과 같다(Chopra, 2001).
  • 가 고려되어야 한다. 마찰감쇠기의 소산에너지를 높이기 위해서는 가새의 강성이 클수록 좋고 실제 기둥 강성에 비해 가새의 강성이 크기 때문에 가새의 강성을 무한대로 가정한 모델로 수치해석을 수행하였다.
  • 5이상이 되면 마찰감쇠기의 마찰력이 증가하게 되어 원점에 도달하지 않고 건물이 멈추게 된다. 유도된 등가점성감쇠비는 마찰감쇠기가 멈출 때까지의 소산에너지가 같다는 가정 하에 적용되었다. Fs가 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
마찰력비가 0.5이상이 되면 유효한 등가점성감쇠비를 얻을 수 없는 이유는 무엇인가? 5이상이 되면 유효한 등가점성감쇠비를 얻을 수 없다. 점성감쇠만 있을 경우에는 건물에 변위를 가했을때 초기 위치에 도달하지 않고 정지하는 경우가 없기 때문이다. 하지만 감쇠기를 설치함으로써 추가될 수 있는 감쇠비는 한계가 있다.
마찰감쇠기는 무엇인가? 마찰감쇠기는 지진하중에 대하여 변위응답을 효율적으로 줄여주는 감쇠기이다. 제진성능에 대한 효율성은 정희산 등 (2009)에 의해 검증되었다.
동적하중을 받는 건물의 출력에너지는 어떻게 구분되는가? 동적하중을 받는 건물의 특성은 하중에 의한 입력에너지와 건물이 받는 출력에너지와의 관계를 분석하여 알 수 있다. 출력에너지는 건물의 운동에너지, 변형에너지와 소산에너지로 구분된다. 각각은 건물의 질량, 강성, 그리고 점성과 관련 된다.
질의응답 정보가 도움이 되었나요?

참고문헌 (15)

  1. 박지훈, 강경수 (2006) 마찰감쇠기-가새 시스템의 확률분포 기반 등가선형화에 관한 실험적 연구, 한국소음진동공학회 논문집, 16(4), pp.394-403. 

  2. 민경원, 성지영 (2010) 단자유도 건물의 지진응답제어를 위한 마찰감쇠기 설계, 한국소음진동공학회 논문집, 20(1), pp.22-28. 

  3. 정희산, 민경원 (2009) 인방보에 마찰형 감쇠기가 설치된 전단벽의 제진효과, 한국전산구조공학회 논문집, 22(1), pp.105-115. 

  4. Liang, J.W. (2005) Identifying Coulomb and Viscous Damping From Free-Vibration Acceleration Decrements, Journal of Sound and Vibration, 282, pp.1208-1220. 

  5. Den Hartog, J.P. (1931) Forced Vibrations with Combined Coulomb and Viscous Friction, Trans. ASME, 53, pp.107-115. 

  6. Park, J.H., Min, K.W., Chung, L., Lee, S.K., Kim, H.S., Moon, B.W. (2007) Equivalent Linearization of a Friction Damper-Brace System Based on the Probability Distribution of the Extremal Displacement, Engineering Structures, 29, pp.1226-1237. 

  7. Feeny, B.F., Liang, J.W. (1996) A decrement Method for the Simultaneous Estimation of Coulomb and Viscous Friction, Journal of Sound and Vibration, 195(1), pp.149-154. 

  8. Crandall, S.H., Mark, W.D. (1973) Random Vibration, Academic Press INC., New York, p.161. 

  9. Chopra, A.K. (2001) Dynamics of Structures, Prentice-Hall, U.S.A., p.844. 

  10. Rao, S.S. (1995) Mechanical Vibrations, Addison-Wesley, U.S.A., p.912. 

  11. Westermo, B., Udwadia, F. (1983) Periodic Response of a Sliding Oscillator System to Harmonic Excitation, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, 11, pp.135-146. 

  12. Hundal, M.S. (1979) Response of a Base Excited System with Coulomb Viscous Friction, Journal of Sound and Vibration, 64, pp.371-378. 

  13. Shaw, S.W. (1986) On the Dynamic Response of a System with Dry Friction, Journal of Sound and Vibration, 108, pp.305-325. 

  14. Lavan, O., Levy, R. (2006) Optimal Design of Supplemental Viscous Dampers for Linear Framed Structures, Earthquake Engineering and Structural, 35(3), pp.337-356. 

  15. Wu, Z., Liu, H., Liu, L., Yuan, D. (2007) Identification of Nonlinear Viscous Damping and Coulomb Friction from the Free Response Data, Journal of Sound and Vibration, 304, pp.407-414. 

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