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문제 정의
- 본 연구에서는 전통적인 아웃리거 시스템에 추가적인 댐퍼를 설치한 아웃리거 댐퍼 시스템을 검토하였고 기존 아웃리거 시스템 대비 동적응답 제어성능을 분석하였다. 이를 위하여 상용프로그램을 이용하여 아웃리거 댐퍼 시스템이 적용된 단순화한 고층건물 모델을 사용하였고 인공풍하중을 입력하여 최상층의 최대 수평변위, RMS 수평변위, 최대 수평가속도, RMS 수평가속도 값을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 그러나 아웃리거 댐퍼 시스템은 강성과 감쇠가 복합적으로 거동하므로 쉽게 최적설계가 이루어지기 어렵다. 이러한 배경을 바탕으로 본 연구에서는 상용프로그램을 이용하여 풍하중을 받는 고층건물을 대상으로 아웃리거 시스템과 아웃리거 댐퍼 시스템의 동적응답 제어성능을 검토하고 그 성능을 분석하고자 한다.
제안 방법
- 감쇠값과 강성값에 따른 해석모델에 관한 자세한 사항은 [Table 1] 및 [Table 2]에 나타내었다. 댐퍼의 감쇠(Cd)값 및 강성(Kd)값의 변화에 따라 최상층의 최대 및 RMS 변위, 최대 및 RMS 가속도를 구하여 비교 분석하였다.
- 또한 댐퍼의 강성값의 변화에 따른 동적응답 저감성능을 검토하기 위하여 강성범위 200~3,000kN/m로 하여 감쇠값(Cd) 1,000, 1,500, 2,000, 2,500kN ∙ sec/m에 대한 네 가지 모델을 사용하여 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서는 Kaimal Spectrum을 이용하여 인공풍하중을 작성하였으며 아웃리거 댐퍼시스템의 진동제어성능을 풍방향 성분만을 고려하여 평가하였다. 인공풍하중의 작성 시 기본 풍속은 30m/s, 노풍도는 C로 하였고 0.
- 아웃리거가 설치되지 않은 NOR50 모델과 아웃리거만 설치된 OR50-0 모델 두 모델을 기본모델로 두고, 댐퍼의 감쇠값에 따른 동적응답 저감성능을 검토하기 위하여 감쇠범위 200~3,000kN ∙ sec/m로 하여 강성값(Kd) 500, 1,000, 1,500, 2,000kN/m에 대한 네 가지 해석모델을 사용하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 전통적인 아웃리거 시스템에 추가적인 댐퍼를 설치한 아웃리거 댐퍼 시스템을 검토하였고 기존 아웃리거 시스템 대비 동적응답 제어성능을 분석하였다. 이를 위하여 상용프로그램을 이용하여 아웃리거 댐퍼 시스템이 적용된 단순화한 고층건물 모델을 사용하였고 인공풍하중을 입력하여 최상층의 최대 수평변위, RMS 수평변위, 최대 수평가속도, RMS 수평가속도 값을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 Kaimal Spectrum을 이용하여 인공풍하중을 작성하였으며 아웃리거 댐퍼시스템의 진동제어성능을 풍방향 성분만을 고려하여 평가하였다. 인공풍하중의 작성 시 기본 풍속은 30m/s, 노풍도는 C로 하였고 0.1초 간격으로 1000초 동안의 풍하중을 작성하였다. 풍하중을 받는 예제구조물의 폭은 [Fig.
대상 데이터
- 초고층 건물을 위해서 매우 다양한 구조시스템이 적용되고 있지만 이 중 아웃리거 구조시스템은 상당히 효과적인 횡력저항 시스템으로 널리 활용되고 있다.1) 아웃 리거 시스템이 적용된 대표적인 해외 건물로는 ICC(International Commerce Center, 490m, 118층), JinMao Tower(420.5m, 93층) 등이 있으며, 국내의 대표적인 초고층 건물인 목동 하이페리온(254m, 69층), 동북아 무역센터(305m, 68층)에도 아웃리거 시스템이 적용되었다.2) 아웃리거 시스템에 대한 기존의 연구는 주로 최적의 설치위치 등에 대한 내용이 주를 이루고 있다.
- 5]는 아웃리거의 위치를 바꿔가면서 입력된 풍하중에 대한 최상층 변위의 RMS값을 구한 그래프이다. 135m에서 최소 변위를 보여주며 이는 기존 연구8)에서 나온 아웃리거 시스템의 최적 위치인 0.525h와 근사하며, 강성값과 감쇠값에 따른 해석 모델은 135m에 아웃리거를 고정하여 모델링하였다.
- 본 연구에서는 대상 건물의 27층에 아웃리거 댐퍼 시스템을 둔 기본모델에 대하여 댐퍼의 속성은 S/W상의 General Link Properties에서 점탄성감쇠(Viscoelastic Damper)로 사용하였다. 댐퍼의 감쇠(Cd)를 입력하고 강성(Kd)은 점탄성감쇠 속성의 강성값으로 입력하였다.
- 1초 간격으로 1000초 동안의 풍하중을 작성하였다. 풍하중을 받는 예제구조물의 폭은 [Fig. 3]에 나타낸 바와 같이 35m이고 층고는 5m이므로 각 층에 집중하중의 형태로 인공풍하중데이터를 생성하였다. 본 연구에서 사용한 40층과 50층의 풍하중 시간이력 그래프를 [Fig.
이론/모형
- 본 해석에서는 풍하중을 받는 고층건물에 대한 아웃리거 댐퍼 시스템의 동적응답 제어성능을 검토하기 위하여 [Fig. 3]에 나타낸 바와 같이 아웃리거 댐퍼 해석 모델을 사용하였다. 해석모델의 일반사항은 다음과 같다.
성능/효과
- (1) 아웃리거 댐퍼는 아웃리거만 설치된 경우 보다 최대 21%의 변위제어 효과를 나타낸다. 감쇠값이 커질수록 최대 수평변위 제어 효과의 증가는 미약하며, 수평변위가 일정값에 수렴하는 양상을 나타내므로 적절한 감쇠값의 적용이 필요한 것으로 판단된다.
- (2) 아웃리거 댐퍼의 가속도응답 제어 효과는 아웃리거만 설치된 경우 대비 최대 22.9% 효과를 보였다. 작은 감쇠값에서는 상대적으로 큰 가속도응답을 보였으나 감쇠값의 증가에 따라 가속도응답 제어 효과가 증대되며 큰 감쇠값에서는 제어 효과의 증대는 미약해진다.
- (3) 아웃리거 댐퍼에서 강성값의 증가는 최대 수평변위, 수평변위 RMS, 최대 수평가속도, 수평가속도 RMS 4가지 응답에 대해 모두 응답을 증가시키는 영향을 보였다. 최상층 응답저감이 설계의 목적이라면 낮은 강성값을 선택하는 것이 경제적인 설계안이 될 것으로 판단된다.
- (4) 아웃리거 댐퍼 시스템의 고층건물에 대한 적용은 기존의 아웃리거 시스템과 비교하여 약 20% 향상된 동적응답제어 성능을 보여준다. 추후에 경제적 설계를 위한 댐퍼의 최적 감쇠 및 강성값에 대한 추가적 연구가 필요한 것으로 판단된다.
- 1]과 같이 최근에는 전통적인 아웃리거 시스템에서 외곽 기둥과 아웃리거 사이에 댐퍼를 설치하는 아웃리거 댐퍼 시스템이 제안되어 고층건물의 풍응답 제어에 사용된 바가 있다.4) 이 경우에 풍진동을 제어하는데 매우 효과적이고 물량감소로 인해 경제성도 우수하다고 평가되었고 이러한 연구는 세계적으로 선도적인 연구성과로 인정받고 있다.
- 감쇠(Cd)값 200kN ∙ sec/m에서는 가속도응답이 NOR50 모델 및 OR50-0 모델보다 ORD50-C, ORD50-D 모델이 더 크게 나타나지만 감쇠값의 증가에 따라 최상층 가속도 제어효과가 커지며 기본모델보다 더 낮은 가속도 응답을 보인다.
- 강성값이 증가함에 따라 가속도응답은 증가하는 양상을 나타내고 있다. 감쇠값이 클수록 가속도응답 제어에 더 효과적이며, 최대 22.9%의 가속도응답 제어 효과가 있는 것으로 나타났다. 감쇠값의 증가에 따라 가속도 응답저감 효과는 증가하나 응답저감 효과의 증가치는 점점 감소하므로 적절한 감쇠값의 선택이 경제적인 것으로 판단된다.
- 9]를 살펴보면, 모든 모델이 강성에 관계없이 감쇠값의 증가에 따라 가속도응답 제어효과가 증대된다. 그러나 일정 감쇠값 이상에서는 가속도응답 제어 효과의 증가가 미소하게 증가되므로 적절한 감쇠값을 사용하는 것이 효율적일 것으로 판단된다.
- 기본모델에 대한 해석 결과, 아웃리거가 설치되지 않은 NOR50 모델 대비 아웃리거만 설치된 OR50-0 모델이 최대 수평변위에 대하여 21.8%, 수평변위 RMS에 대하여 4.7%, 최대 수평가속도에 대하여 1.2%, 수평가속도 RMS에 대하여 1.2%의 응답 저감 효과를 나타내었다.
- 7]에 나타난 그래프 양상을 보았을 때, 감쇠(Cd)값의 증가에 관계없이 강성(Kd)값의 증가는 수평변위를 증가시키는 영향을 보였다. 또한, 감쇠(Cd)값의 증가는 강성(Kd)값에 관계없이 수평변위 제어에 효과가 있는 것으로 판단된다. 아웃리거 댐퍼의 설치는 감쇠(Cd)값에 따라 아웃리거만 설치된 모델 대비 최대 21%까지 변위응답제어의 효과를 볼 수 있는 것으로 판단된다.
- 6]은 OR50-0 모델을 기준으로 최상층 최대 변위에 대한 비를 나타낸 그래프이다. 아웃리거가 설치되지 않은 NOR50 모델 대비 아웃리거만 설치된 OR50-0 모델은 21%의 변위제어 성능이 향상되었다. 최소값은 ORD50-A 모델의 감쇠(Cd)값이 3,000kN ∙ sec/m일 때 0.
- 이를 살펴보면 감쇠(Cd)값이 가장 낮은 200kN ∙ sec/m일 때 ORD50-C, ORD50-D 모델이 아웃리거만 설치된 OR50-0 모델보다 미소하게 큰 변위 RMS를 나타내었으나, 감쇠값의 증가에 따라 점차적으로 변위 RMS가 크게 줄어드는 경향을 나타내었다.
- 최소값은 ORD50-A 모델의 감쇠(Cd)값이 3,000kN ∙ sec/m일 때 0.522로 아웃리거만 설치된 OR50-0 모델보다 19.7% 응답저감 효과를 보인다.
- 그래프 양상을 살펴보면 아웃리거 댐퍼가 설치된 4개의 모델 모두 강성값의 증가에 따라 최대 변위가 일정 비율로 증가하는 양상을 나타내고 있으며, 아웃리거 댐퍼가 설치된 모델 중 감쇠값이 가장 낮은 ORD50-E 모델이 가장 큰 최대변위를 나타내고 감쇠값의 증가에 따라 낮은 최대변위 응답을 나타내고 있다. 최소값은 강성값 200kN/m에서 ORD50-H 모델이 0.800으로 아웃리거만 설치된 OR50-0 모델 대비 20%의 최대변위 응답저감 효과를 보인다.
후속연구
- Chen 등7)은 아웃리거 댐퍼 시스템이 설치된 고층건물의 해석기법을 제안하였고 이를 바탕으로 아웃리거 댐퍼의 최적설치 위치 및 적정용량을 설계할 수 있는 디자인 커브를 제안하였다. 이 연구는 해석적 방법으로 접근하여 일반 엔지니어가 연구결과에 쉽게 접근할 수 있는 장점이 있지만 다양한 형태의 아웃리거 시스템에 적용하기에는 제한점이 존재한다.
- (4) 아웃리거 댐퍼 시스템의 고층건물에 대한 적용은 기존의 아웃리거 시스템과 비교하여 약 20% 향상된 동적응답제어 성능을 보여준다. 추후에 경제적 설계를 위한 댐퍼의 최적 감쇠 및 강성값에 대한 추가적 연구가 필요한 것으로 판단된다.
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