[논문]아웃리거 댐퍼시스템의 고층건물 지진응답제어 성능 평가

윤성욱; 이령경; 김광일; 김현수; 강주원

doi:10.9712/kass.2016.16.1.095

아웃리거 댐퍼시스템의 고층건물 지진응답제어 성능 평가
Evaluation of Vibration Control Performance of Outrigger Damper System for Tall Buildings Subjected to Seismic Load 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.16 no.1, 2016년, pp.95 - 104

윤성욱 (영남대학교 대학원 건축학과) , 이령경 (영남대학교 대학원 건축학과) , 김광일 (영남대학교 대학원 건축학과) , 김현수 (선문대학교 건축사회환경학부) , 강주원 (영남대학교 건축학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Recently, the concept of damped outrigger system has been proposed for tall buildings. But, structural characteristics and design method of this system were not sufficiently investigated to date. In this study, the dynamic response control performance of outrigger damper has been analyzed. To this end, a simplified analysis model with outrigger damper system has been developed. Use the El Centro seismic(1940, NS) analysis was performed. Analysis results, on the top floor displacement response to the earthquake response, did not have a big effect. However, acceleration response control effect was found to be excellent. The increase of outrigger damper capacity usually results in the improved control performance. However, it is necessary to select that proper stiffness and damping values of the outrigger damper system because, the outrigger damper having large capacity is result in heavy financial burden.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

아웃리거 댐퍼시스템에 관한 연구는 전 세계적으로 아직 초기 단계에 있기 때문에 기존에 수행된 아웃리거 댐퍼시스템의 제어성능 분석이나 해석 및 설계에 관련된 연구는 많지 않다⁶⁾. 이러한 배경을 바탕으로 본 연구에서는 상용프로그램을 이용하여 지진하중을 받는 고층건물을 대상으로 아웃리거 댐퍼시스템의 지진응답 제어성능을 검토하고 그 성능을 분석하고자 한다.

제안 방법

본 연구에서는 지진하중을 받는 아웃리거 댐퍼시스템의 해석을 통하여 동적응답 제어성능을 기존 아웃리거 시스템과 비교 분석하였다. 해석을 통해 구한 최상층 최대 수평변위 응답, RMS 수평변위 응답, 최대 수평가속도 응답, RMS 수평가속도 응답을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 논문에서는 해석모델의 높이와 댐퍼 개수를 고려하여 최대 3,000kN·sec/m의 댐퍼를 모델링하여 해석을 수행하였다. 아웃리거가 설치되지 않은 NOR50모델과 아웃리거만 설치된 OR50-0모델 두 모델을 기본모델로 두고, 댐퍼의 감쇠값에 따른 동적응답 저감성능을 검토하기 위하여 [Table 2]와 같이 감쇠범위 200~3,000kN·sec/m로 하여 강성(K_d)값 500, 1,000, 1,500, 2,000kN/m에 대한 네 가지 해석모델을 사용하여 분석하였다.

대상 데이터

아웃리거 댐퍼시스템의 댐퍼 속성을 점탄성 댐퍼(Viscoelastic Damper)로 사용하였다. 점탄성 댐퍼는 부등축소와 같은 정적하중에 의한 변형이 발생할 경우 충진재가 좁은 배관을 천천히 흐르며 부가적인 응력을 발생시키지 않고, 지진이나 바람으로 인한 동적하중으로 인한 변형이 발생할 경우 좁은 배관에서 충진재의 흐름이 제어가 되어 댐퍼의 강성이 증가하며 접합부가 일체 거동을 하도록 한다.
입력 지진하중은 1940년에 캘리포니아에서 관측된 El Centro(1940, NS) 지진파를 이용하여 입력하였으며 해석모델의 X축 방향으로 가하였다. 지진하중의 입력 시 0.

데이터처리

본 연구에서는 상용프로그램(Midas Gen Ver 795)을 사용하여 해석을 수행하였으며, 해석모델에 지진하중을 입력하여 시간이력해석을 수행하였으며, 댐퍼의 감쇠(C_d)값 및 강성(K_d)값의 변화에 따라 최상층의 최대 변위 및 RMS 변위 응답, 최대 가속도 및 RMS 가속도 응답을 구하여 비교 분석하였다.

이론/모형

)로 하여 점탄성 댐퍼 속성을 입력하였다. 댐퍼 유형은 점탄성 댐퍼(Viscoelastic Damper)의 Kelvin(Voigt) Model을 사용하였으며 Kelvin Model은 아래 [Fig. 4]와 같이 선형스프링과 점성감쇠가 병렬로 연결된 모델로서 Solid Viscoelastic Device의 해석에 사용된다.

성능/효과

따라서 경제적 부담이 큰, 높은 강성의 댐퍼를 사용할 필요가 없는 것으로 판단된다. 또한, 댐퍼의 감쇠값이 3,000kN·sec/m 이상부터 기존 아웃리거 시스템보다 작은 수평변위 응답을 나타내므로, 최상층 수평변위 응답 저감이 설계의 주목적이라면 보다 큰 감쇠값의 선택이 필요한 것으로 판단된다.
(2) 아웃리거 댐퍼시스템은 기존 아웃리거 시스템 대비하여 최상층 수평가속도 응답이 최대 40% 저감되는 것을 확인하였다. 지진하중을 받는 고층건물에 대하여 아웃리거 댐퍼 시스템을 적용한다면 수평가속도 응답 제어에 탁월한 효과를 기대할 수 있을 것으로 판단된다.
(3) 지진하중을 받는 고층건물의 경우 최상층 변위 응답 제어에는 댐퍼의 감쇠값이 높고 강성값이 작은 것이 유리한 것으로 판단되며, 가속도 응답의 경우 적절한 감쇠값의 선택이 효율적인 것으로 판단된다.

후속연구

(4) 추후에 경제적 설계를 위한 댐퍼의 최적 감쇠값 및 강성값에 대한 추가적 연구와 다양한 형상의 고층건물 모델에 대한 아웃리거 댐퍼시스템의 성능 해석 및 평가가 필요한 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	아웃리거 시스템의 특징은 무엇인가?	아웃리거 시스템은 전 세계적으로 초고층 구조물에 대한 가장 경제적인 구조시스템으로 각광받고 있으며 일반적으로 알려져 있는 60층 규모를 훨씬 넘어선 100층 이상의 규모에도 효과적으로 적용되고 있다2). 아웃리거 시스템은 중앙부 코어와 외부 기둥을 아웃리거라는 매우 높은 강성을 지닌 구조체로 연결하는 것으로 태풍 및 지진 등의 횡력 작용 시 이를 외부 수직 부재에 인장과 압축력으로 전달하며 횡력에 복합적으로 저항하게 된다.
	초고층 빌딩의 설계 및 시공에서 가장 중요한 요소로 결정되는 것은 무엇인가?	전 세계적으로 초고층 빌딩은 도심지의 높은 지가와 초고층이 가지는 이미지 때문에 미국 등 선진국에 이어 중국, 아랍에밀리트, 한국 등에서 경쟁적으로 건립 혹은 계획되고 있다. 이러한 초고층 빌딩의 설계 및 시공에서 가장 중요한 요소로 결정되는 것이 구조시스템이다1).
	아웃리거 시스템의 단점은 무엇인가?	아웃리거 시스템은 중앙부 코어와 외부 기둥을 아웃리거라는 매우 높은 강성을 지닌 구조체로 연결하는 것으로 태풍 및 지진 등의 횡력 작용 시 이를 외부 수직 부재에 인장과 압축력으로 전달하며 횡력에 복합적으로 저항하게 된다. 하지만 코어와 외부 기둥 간의 부등축소량 발생으로 추가적인 응력이 발생하는 등 구조시스템의 설계 및 시공에 상당한 어려움 또한 있다3).

참고문헌 (7)

Lee, C. H, Chung, K. R, Kim, S, D, "Outrigger System for Tall Buildings: State-of-the-Art, Journal of Korean Society of Steel Construction, Vol.23, No.3, pp.35-40, 2011
Kim, D. H, Chung, K. R, "Evolution of Tall Building Structural System", Journal of Architectural Institute of Korea, Vol.53, No.8, pp.18-23, 2009
Park, K. D, Kim, D. Y, Jung, D. K, Yang, D. H, "Improving Construction Quality and Conveniency by Applying Outrigger Dampers to Outrigger to Perimeter Column Joints", Journal of Architectural Institute of Korea, Vol.53, No.8, pp.30-37, 2009
Kim, B. J, Lee, S. H, Chung, L, "Design of Outrigger Damper System for Wind-Induced Vibration Control of Building Structures", Journal of The Wind Engineering Institute of Korea, Vol.15, No.4, pp.163-671, 2011
Chen, Y, McFarland, D.M, Wang, Z. Spencer Jr. B.F. and Bergman, L.A, "Analysis of tall buildings with damped outriggers", Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol. 136, No.11, pp.1435-1443, 2010

상세보기
Kim, H. S, Yoon, S. W, Kang, J. W, "Optimal Design of Outrigger Damper using Multi-objective Genetic Algorithm", Journal of the Korean Association for Spatial Structures, Vol.14, No.4, pp.97-104, 2014

원문보기 상세보기
Kim, H. K, Tae, A. R, Kim, J. K, "Investigating the Optimum Outrigger System Location of Tall Building", Proceeding of Autumn Annual Conference of the Architectural Institute of Korea Structure & Construction, Vol.30, No.1, pp.49-50, 2010

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