[논문]점성 감쇠기를 가진 셀프 센터링 단자유도 시스템과 탄소성거동의 단자유도 시스템의 내진성능 비교에 관한 연구

김형준

점성 감쇠기를 가진 셀프 센터링 단자유도 시스템과 탄소성거동의 단자유도 시스템의 내진성능 비교에 관한 연구
Comparative Study on Seismic Performance of Viscously Damped Self-Centering SDOF Systems with Elasto-Plastic SDOF Systems 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.22 no.6 = no.109, 2010년, pp.553 - 561

초록
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본 논문은 점성 감쇠기를 가진 셀프 센터링 단자유도 시스템과 탄소성 거동을 하는 단자유도 시스템의 내진 성능을 해석적 연구를 통하여 두 시스템이 유사한 최대 변위 응답을 갖도록 하는 점성 감쇠기의 감쇠비를 근사적으로 구하는 것을 목적으로 한다. 우선, 점성 감쇠기를 가진 셀프 센터링 단자유도 시스템의 조화 반복 가력 시의 거동에 대하여 설명하고 거동을 구현할 수 있는 해석모델을 소개한 후 두개의 단자유도 시스템의 이력거동을 특징지을 수 있는 해석변수를 설정하고 20개의 역사지진을 사용하여 비선형 시간 이력 해석을 실시하였다. 대부분의 경우 약 10 ~ 15% 정도의 점성 감쇠비를 가진 셀프 센터링 단자유도 시스템이 탄소성 거동을 하는 단자유도 시스템과 유사한 평균 최대 변위 응답을 보였다. 아울러, 3개의 탄소성 거동을 하는 단자유도 시스템과 6개의 점성 감쇠기를 가진 셀프 센터링을 선택하여 두 시스템의 내진성능을 보다 자세히 조사한 결과, 점성 감쇠기를 가진 셀프 센터링 시스템이 진동이 끝난 후 잔류변형이 남지 않았을 뿐만 아니라 약 15%의 감쇠비를 가진 점성 감쇠기를 가진 셀프 센터링 시스템은 탄소성 거동의 단자유도 시스템보다 우수한 최대 변위와 가속도 응답을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The purpose of this paper is to analytically find the approximate supplement damping ratio of the viscous damper installed in self-centering (SC) single-degree-of-freedom (SDOF) systems with maximum displacements that are similar to those of elasto-plastic (EP) SDOF systems. The behavior of an SC SDOF system under harmonic cyclic loading was first described. Then an analytical model that can capture the behavior of the viscously damped SC SDOF system was introduced. Analysis parameters that characterize the hysteresis of the EP and SC SDOF systems were chosen, and nonlinear time-history analyses were performed using 20 historical accelerograms. Most of the SC SDOF systems with viscous dampers with approximately 10-15% damping ratios presented mean maximum displacement values that were similar to those of the EP SDOF systems. To investigate in detail the seismic performance of both systems, three EP SDOF systems and six corresponding SC SDOF systems were selected. The analyses showed that all the SC SDOF systems eliminated the residual displacements after the end of their shaking, and that the SC SDOF systems with 15% damping ratios performed better than the EP SDOF systems in terms of maximum displacement and acceleration response.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 비교적 최근에 제안된 점성 댐퍼를 가진 셀프센터링 시스템의 내진성능을 철골 모멘트 골조와의 성능 비교를 통하여 규명하고자 하였다. 이를 위하여 점성 댐퍼를 가진 SC SDOF 시스템의 작동 메카니즘을 기술하였으며, SC SDOF 시스템의 모델링 방법과 해석 변수를 설정한 후, 시스템이 강진 지역에 위치한 것으로 가정하여 20개의 역사 지진을 사용하여 비선형 시간 이력 해석을 수행하였다.
속도 의존형 에너지 소산장치를 SC 시스템에 적용하기 위한 해석적 기초 연구로서 본 논문은 점성댐퍼를 이용한 SC SDOF 시스템과 연성 철골 모멘트 골조를 표현하는 EP SDOF 시스템의 지진에 대한 최대 변위 응답을 비교하고, SC SDOF 시스템이 EP SDOF 시스템과 유사한 평균 최대 응답변위를 보이기 위해 요구되는 점성 댐퍼의 감쇠비를 제시하여, 다자유계 SC 시스템의 예비 설계 시 사용 가능한 기초자료를 제공하고자 한다.
는 DTH-08 지진파를 사용하여 시간 이력 해석을 통하여 얻은 EP SDOF와 SC SDOF 시스템의 최대 가속도(Maximum absolute accelera- tion)이다. 시스템의 가속도에 대하여 보다 합리적인 자료를 얻기 위해서는 20개의 지진파에 대해서 평균값을 구하여 비교하는 것이 타당하나, 본 연구의 목적이 EP SDOF 시스템과 유사한 최대변위를 가지는 SC SDOF 시스템을 구하는 것이며, 본 논문의 공간적인 제약을 고려하여 DTH-08 지진파로 인한 시스템의 가속도만 예시하였다. 해석결과 얻은 SDOF 시스템의 변위 응답을 그림 8에 나타내었다.

제안 방법

점성 감쇠기를 가진 SC SDOF 시스템은 그림 5에서 표현한 바와 같이 이선형 탄성 거동을 하는 스프링 요소와 선형 점성 댐퍼를 나타내는 데시팟(Dashpot) 요소를 병렬 배치하여 구현하였다. EP SDOF시스템과 SC SDOF시스템의 내진성능 비교를 위하여 다양한 성능지표를 사용할 수 있지만, 본 연구에서는 절점의 최대 변위를 시스템의 내진 성능을 비교하는 지표로 사용한다. 이를 보다 효과적으로 수행하기 위하여 식 (9)의 평균 최대 변위 비, Λ_D를 사용하여 두 시스템의 내진성능을 비교하였다.
두 개의 상이한 이력곡선을 가진 시스템의 내진 성능을 보다 자세히 비교하기 위하여, 우선 세 개의 다른 Tn과 η값을 가진 EP SDOF 시스템을 선정하였다.
보다 자세하게 SC SDOF와 EP SDOF시스템의 내진성능을 비교하기 위하여 6개의 SDOF시스템을 선택하고 시간이력 거동과 최대변위응답, 최대 잔류변형, 최대 가속도 응답을 비교하였다. 모든 SC SDOF 시스템에서는 잔류변형이 발생하지 않았으며, 15%의 점성 감쇠비를 가진 SC SDOF 시스템에는 최대 변위 응답과 최대 가속도 응답측면에서 EP SDOF 시스템보다 우수한 내진 성능(Λ_{D, DTJ08}과 Λ_{A, DTH08}이 1.
본 논문에서는 그림 5의 EP와 SC SDOF 시스템의 이력 거동을 바탕으로 해석변수를 표 1과 같이 산정하였다. EP SDOF 시스템을 정의하기 위해서 초기 강성, 초기 강성에 대한 항복 후 강성의 비 α와 항복 강도가 필요하며 SC SDOF 시스템에서는 추가적으로 점성 감쇠기에 의해서 부가되는 감쇠비 ξ_V가 이력곡선을 정의하는데 필요하다.
본 연구에서는 SC SDOF 시스템의 항복강도 Fy, SC가 EP SDOF 시스템의 항복 강도 Fy, EP 보다 클 경우, 구조물을 구성하는 횡력 지지 부재의 단면이 과도하게 커진다는 점을 고려하여 1.00을 δ의 상한계로, 0.50을 δ의 하한계로 설정하였다.
본 연구에서는 두 시스템의 직접적인 비교를 위하여 EP SDOF 시스템에서는 α = 0.05로 가정한 반면, α가 0.20보다 클 때, 목표 변위에 도달하기 전에 SC SDOF 시스템을 구성하는 주요 골조 부재, 기둥이나 보에서 소성힌지가 발생하여 시스템의 원점 복원 능력이 상실될 수 있다는 점을 고려하여 SC SDOF 시스템의 α의 범위를 0.05-0.20로 정하였다.
본 연구에서는 두 시스템의 초기 강성과 질량을 해석변수로 선택하기 보다는 식 (2)와 같이 초기 강성과 시스템의 초기 강성에 의해서 결정되는 탄성주기를 해석변수로 선택하였다. ASCE/SEI 7(2005)의 EP SDOF 시스템과 같이 거동하는 것으로 가정할 수 있는 철골 모멘트 골조의 개략적인 주기 T_α는 아래 계산식에 따라
아울러, 지진 발생으로 인해 발생할 수 있는 비구조물의 손상 정도 및 거주자들의 거주성에 대한 기초자료로 이용될 수 있는 최대 가속도에 대한 내진 성능 비교 지표 ΛA,DTH08을 식 (10)과 같이 도입하였다.
비선형 시간 이력 해석을 위하여 비선형 동적해석 전용 프로그램인 RUAUMOKO(Carr, 2005)에서 지원하는 Newmark constant average acceleration 알고리즘을 사용하였다. 안정적인 결과 값을 도출하기 위하여 해석 시간 간격을 0.005초로 하였으며, 시스템의 자유 진동과 잔류변형 값을 얻기 위하여 지반 진동이 끝난 후에 10초 이상 해석을 지속하였다. 점성 감쇠기를 가진 SC SDOF 시스템은 그림 5에서 표현한 바와 같이 이선형 탄성 거동을 하는 스프링 요소와 선형 점성 댐퍼를 나타내는 데시팟(Dashpot) 요소를 병렬 배치하여 구현하였다.
본 연구에서는 비교적 최근에 제안된 점성 댐퍼를 가진 셀프센터링 시스템의 내진성능을 철골 모멘트 골조와의 성능 비교를 통하여 규명하고자 하였다. 이를 위하여 점성 댐퍼를 가진 SC SDOF 시스템의 작동 메카니즘을 기술하였으며, SC SDOF 시스템의 모델링 방법과 해석 변수를 설정한 후, 시스템이 강진 지역에 위치한 것으로 가정하여 20개의 역사 지진을 사용하여 비선형 시간 이력 해석을 수행하였다.
005초로 하였으며, 시스템의 자유 진동과 잔류변형 값을 얻기 위하여 지반 진동이 끝난 후에 10초 이상 해석을 지속하였다. 점성 감쇠기를 가진 SC SDOF 시스템은 그림 5에서 표현한 바와 같이 이선형 탄성 거동을 하는 스프링 요소와 선형 점성 댐퍼를 나타내는 데시팟(Dashpot) 요소를 병렬 배치하여 구현하였다. EP SDOF시스템과 SC SDOF시스템의 내진성능 비교를 위하여 다양한 성능지표를 사용할 수 있지만, 본 연구에서는 절점의 최대 변위를 시스템의 내진 성능을 비교하는 지표로 사용한다.

대상 데이터

각 EP SDOF 시스템과 SC SDOF 시스템의 내진 성능을 비교하기 위하여 5%와 15%의 ξV값을 가지는 SC SDOF 시스템(δ= 0.80과 α= 0.10)을 선정하였으며 지진파는 P.G.A.= 0.468g인 DTH-08을 사용였다.
본 연구에서는 미국 캘리포니아 주 로스앤젤레스지역에서 발생한 가능한 지진 데이터 20개 (Somerville 등, 1997)를 해석을 위한 입력 지진파로 사용하였으며, ASCE/SEI 7(2005)에서 정하고 있는 DBE (Design Based Earthquakes) 레벨의 설계 스펙트럼(Design spectrum)과 맞도록 스케일 펙터 1.1을 적용하였다.

데이터처리

이를 보다 효과적으로 수행하기 위하여 식 (9)의 평균 최대 변위 비, ΛD를 사용하여 두 시스템의 내진성능을 비교하였다.

이론/모형

비선형 시간 이력 해석을 위하여 비선형 동적해석 전용 프로그램인 RUAUMOKO(Carr, 2005)에서 지원하는 Newmark constant average acceleration 알고리즘을 사용하였다. 안정적인 결과 값을 도출하기 위하여 해석 시간 간격을 0.

성능/효과

EP SDOF 시스템과 달리 모든 SC SDOF 시스템에서는 잔류변형이 완전히 제거되어 원점에 복원됨을 그림을 통하여 알 수 있으며, 표 4를 통하여 최대 변위를 기준으로 볼 때 15% 점성 감쇠비를 가지는 모든 SC SDOF 시스템은 EP SDOF 시스템보다 우수한 내진 성능을 가지는 것으로 판단된다. 하지만, 가속도에 대해서는 5% 점성 감쇠비만으로도 EP SDOF 시스템과 유사하거나 우수한 성능을 발휘하는 것으로 나타났다.
SC SDOF 시스템이 EP SDOF 시스템보다 작거나 같은 수준의 평균 최대 변위를 보이기 위해서는, 대부분의 경우 5%에서 10%사이의 점성 댐퍼에 의한 추가 감쇠가 필요하지만, δ와 α가 작으며 초기 강성이 큰 (즉 주기가 짧은) SC SDOF 시스템에서는 10% 이상의 추가적인 감쇠가 필요한 것으로 나타났다.
그리고 주기가 0.5초 이하로 짧고, 항복 후 강성비 α가 0.10이하이며, δ =0.67과 0.50인 SC SDOF 시스템에서는 EP SDOF 시스템과 유사하거나 우수한 평균 최대 변위 응답을 가지기 위해서는 15%의 추가 감쇠비가 필요하며, 그 이외의 SC SDOF 시스템에서는 이를 위하여 약 10%의 추가 감쇠비가 필요한 것으로 관찰되었다.
모든 SC SDOF 시스템에서는 잔류변형이 발생하지 않았으며, 15%의 점성 감쇠비를 가진 SC SDOF 시스템에는 최대 변위 응답과 최대 가속도 응답측면에서 EP SDOF 시스템보다 우수한 내진 성능(ΛD, DTJ08과 ΛA, DTH08이 1.0 이하)을 보였다.
이와 유사하게 η값이 작으며 주기가 긴 시스템에서도 ΛD값이 증가하는 경향을 보이므로, 10층 이상의 고층 건물 설계에서 EP SDOF 시스템과 유사한 내진 성능을 보유한 SC골조를 가지기 위해서는 점성댐퍼로 인한 추가 감쇠비가 커야 하는 것으로 관찰되었다.
전체적으로 δ가 작아질수록 - SC SDOF 시스템의 항복 강도가 EP SDOF 시스템의 항복 강도에 비하여 작을수록 - ΛD가 증가 했다.
주기가 0.5초 이하로 짧고, 항복 후 강성비 α가 0.10이하이며, δ=0.67과 0.50인 SC SDOF 시스템을 제외한 모든 SC SDOF 시스템에서 점성 감쇠기의 ξV가 0.10이상이면 EP SDOF 시스템과 유사하거나 작은 평균 최대 변위응답을 보였다.
전체적으로 δ가 작아질수록 - SC SDOF 시스템의 항복 강도가 EP SDOF 시스템의 항복 강도에 비하여 작을수록 - Λ_D가 증가 했다. 즉, SC SDOF 시스템의 평균 최대변위가 EP SDOF 시스템의 평균 최대변위에 비해 커졌다. 이런 경향은 η값이 크고 SC SDOF 시스템의 항복 후 강성비 α가 작으며 주기가 짧은 시스템에서 두드러졌다.
EP SDOF 시스템과 달리 모든 SC SDOF 시스템에서는 잔류변형이 완전히 제거되어 원점에 복원됨을 그림을 통하여 알 수 있으며, 표 4를 통하여 최대 변위를 기준으로 볼 때 15% 점성 감쇠비를 가지는 모든 SC SDOF 시스템은 EP SDOF 시스템보다 우수한 내진 성능을 가지는 것으로 판단된다. 하지만, 가속도에 대해서는 5% 점성 감쇠비만으로도 EP SDOF 시스템과 유사하거나 우수한 성능을 발휘하는 것으로 나타났다.
항복 후 강성비 α가 증가할수록 ΛD가 감소하는 경향을 보였는데, 이런 경향은 주기가 짧아질수록 두드러졌다.

후속연구

또한, 이 논문의 목적인 EP와 SC SDOF 시스템의 내진성능에 대한 비교를 위하여 두 시스템의 항복하중에 대한 추가적인 해석변수가 필요하다. 본 연구에서는 식 (8)과 같이 EP SDOF 시스템의 항복 강도 F_{y, EP}에 대한 SC SDOF 시스템의 항복 강도 Fy_{, SC}의 비를 δ로 정의하고 해석 변수로 산정하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	본 연구에서 점성 댐퍼를 가진 셀프센터링 시스템의 내진성능을 SC SDOF 시스템 시뮬레이션을 통해 알아본 결과는?	예상한 바와 같이, EP SDOF 시스템과 달리 SC SDOF 시스템에서는 잔류변형이 완전 제거되었다. 그리고 주기가 0.5초 이하로 짧고, 항복 후 강성비 α가 0.10이하이며, δ =0.67과 0.50인 SC SDOF 시스템에서는 EP SDOF 시스템과 유사하거나 우수한 평균 최대 변위 응답을 가지기 위해서는 15%의 추가 감쇠비가 필요하며, 그 이외의 SC SDOF 시스템에서는 이를 위하여 약 10%의 추가 감쇠비가 필요한 것으로 관찰되었다.
	점성 댐퍼 사용의 시초는 무엇인가?	항공 산업 등에서 충격이나 진동을 제어하기 위하여 사용되기 시작한 점성 댐퍼는 뛰어난 에너지 흡수 능력으로 인하여 최근에는 구조물의 진동 제어에 이르기 까지 그 적용성이 확대되고 있다. 그림 2는 Kim (2007)에서 제안한 점성 댐퍼를 사용한 SC SDOF 시스템을 표현한 것으로 좌측 골조에는 SC 시스템거동을 특징짓는 이선형 탄성 거동(Bi-linear elastic behavior, 그림 3 참조)을 하도록 포스트 텐션닝 기법을 적용한 반면, 이웃하는 골조에는 시스템에 에너지 소산 능력을 부가하기 위하여 가새 형태의 선형 점성 댐퍼를 설치하였다.
	마찰 댐퍼나 강재를 이용한 이력 댐퍼를 에너지 소산장치로 사용한 셀프 센터링 시스템의 장단점은 무엇인가?	마찰 댐퍼나 강재를 이용한 이력 댐퍼를 에너지 소산장치로 사용한 셀프 센터링 시스템은 잔류변형을 효과적으로 제어하는 장점이 있지만, 비구조체의 손상과 거주성에 영향을 주는 가속도 응답에서는 기존의 모멘트 골조 시스템과 거의 유사한 경향을 보여 지진으로 인한 비구조체의 손상과 거주성능의 향상을 기대할 수 없다. 이런 문제를 해결하기 위하여 Kim (2007)에서는 점성 댐퍼 (Viscous dampers)와 같은 속도 의존형 에너지 소산장치(Velocity dependent energy dissipative devices)를 사용한 셀프 센터링 시스템을 제안하였으나, 아직까지 이에 대한 해석적, 실험적 연구가 미미한 상태이다.

참고문헌 (11)

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상세보기
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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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