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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 실물 크기의 3차원 고층건물을 대상으로 댐퍼의 감쇠와 강성값을 조절하여 아웃리거 댐퍼 시스템과 기존의 아웃리거 시스템의 지진응답 제어성능을 비교하여 검토하였다.
- 본 연구에서는 고층건물에 대한 아웃리거 댐퍼시스템의 지진응답 제어성능을 검토하기 위해 [Fig. 2]와 같이 실물 크기의 해석 모델을 설계하였다. 구조평면은 28m×24m이며, 구조물은 외곽기둥과 전단벽 코어를 연결하는 아웃리거 벽체로 이루어져있다.
제안 방법
- 또한 댐퍼의 강성 값의 변화에 따른 최상층 최대 수평변위 및 수평가속도 변화를 검토하기 위하여 [Table 3]과 같이 강성범위 2,000 ~ 220,000kN/m로 하여 감쇠(Cd)값 10,000kN·sec/m, 20,000kN·sec/m인 모델을 사용하여 해석을 수행하였다.
- )값 10,000kN·sec/m, 20,000kN·sec/m인 모델을 사용하여 해석을 수행하였다. 모든 해석은 X방향과 Y방향을 고려하여 분석하였다.
- 본 논문에서는 아웃리거가 설치되지 않은 NOR 모델과 아웃리거만 설치된 OR 모델을 기본 모델로 두고, 댐퍼의 감쇠 값에 따른 최상층 최대 수평변위 및 수평가속도 변화를 검토하기 위하여 [Table 2]와 같이 감쇠범위 2,000 ~ 46,000kN·sec/m로 하여 강성(Kd)값 10,000kN/m, 20,000kN/m인 해석모델을 사용하여 분석하였다.
- 본 연구에서는 상용 프로그램을 이용하여 실물 크기의 고층건물을 모델링 하고, 엘센트로 지진하중을 입력하여 아웃리거 댐퍼 시스템과 기존의 아웃리거 시스템의 동적응답 제어성능을 비교 분석 하였다. 해석은 X방향과 Y방향으로 계획하였고, 최상층 최대 수평변위 응답과 최대 수평가속도 응답을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- )에 따른 X방향과 Y방향의 최상층 최대 수평변위 응답을 [Table 10, 11]에 나타내었다. 수평변위 응답의 경우 정확한 해석을 위해 강성값의 범위를 2,000 ~ 220,000kN / m까지 비교하였다.
- . 점탄성 댐퍼의 감쇠(Cd)값 과 강성(Kd)값을 조절하여 구조물 최상층의 X방향과 Y방향의 최대 변위 및 최대 가속도 응답을 구하여 비교 분석하였다. 점탄성 댐퍼의 힘-변형 관계식은 식 (1)과 같고, 식을 직접 풀어 댐퍼에 작용하는 힘을 구 할 수 있다.
- 본 연구에서는 상용 프로그램을 이용하여 실물 크기의 고층건물을 모델링 하고, 엘센트로 지진하중을 입력하여 아웃리거 댐퍼 시스템과 기존의 아웃리거 시스템의 동적응답 제어성능을 비교 분석 하였다. 해석은 X방향과 Y방향으로 계획하였고, 최상층 최대 수평변위 응답과 최대 수평가속도 응답을 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
- 구조평면은 28m×24m이며, 구조물은 외곽기둥과 전단벽 코어를 연결하는 아웃리거 벽체로 이루어져있다.
- 구조평면은 28m×24m이며, 구조물은 외곽기둥과 전단벽 코어를 연결하는 아웃리거 벽체로 이루어져있다. 아웃리거의 설치 위치는 기존 연구7)에서 나온 아웃리거 시스템의 최적 위치인 0.525h며, 27층에 고정하여 모델링하였다.
- 해석모델의 일반 사항은 [Table 1]과 같다. 해석에 사용된 지진하중은 캘리포니아 임페리얼 밸리에서 1940년에 관측된 엘센트로(1940, NS) 지진파를 사용하였다. 지진하중은 해석모델의 X축과 Y축 방향으로 입력하였다.
데이터처리
- 엘센트로 지진하중을 입력하여 시간이력 해석을 수행 하였으며, 사용한 소프트웨어는 상용 프로그램(Midas Gen Ver 795)이다. 아웃리거 댐퍼 시스템은 점탄성 댐퍼(Viscoelastic damper)를 사용하였으며, 댐퍼의 유형은 선형 스프링과 점성 감쇠가 병렬로 연결 된 Kelvin (Voigt) Model이다.
이론/모형
- 엘센트로 지진하중을 입력하여 시간이력 해석을 수행 하였으며, 사용한 소프트웨어는 상용 프로그램(Midas Gen Ver 795)이다. 아웃리거 댐퍼 시스템은 점탄성 댐퍼(Viscoelastic damper)를 사용하였으며, 댐퍼의 유형은 선형 스프링과 점성 감쇠가 병렬로 연결 된 Kelvin (Voigt) Model이다.
성능/효과
- 1. 해석결과 X방향과 Y방향 모두 아웃리거 댐퍼의 감쇠값의 변화에 따라 최상층 수평변위 응답 저감에 탁월한 효과를 나타내었다. 강성값의 변화에 따라서는 초반에 변위가 감소하다가 일정구간을 지나게 되면 오히려 증가하게 되는 것을 확인하였다.
- 따라서 최상층 수평변위 응답 저감을 위해서는 경제적 부담이 되는 높은 강성의 댐퍼를 사용할 필요가 없는 것으로 판단된다. 2. 가속도 응답의 경우 감쇠값의 변화에 따라 아웃리거 댐퍼시스템은 기존 아웃리거 시스템에 비해 수평가속도 응답을 최대 20% 저감시키는 것을 확인하였다. 하지만 강성값의 변화에 따른 아웃리거 댐퍼의 가속도 응답의 경우 가속도 증가율은 미소했으나 기존의 아웃리거 시스템에 비해 응답을 오히려 증가시키는 것을 확인하였다.
- 3. 따라서 아웃리거 댐퍼시스템을 이용하여 고층건물의 동적하중응답을 효과적으로 제어하기 위해서는 최대 변위 응답 제어 시 댐퍼의 강성값은 낮고 감쇠값은 높은 것이 효율적인 것으로 판단되며, 가속도 응답의 경우 적절한 감쇠값을 선택하여 건물을 설계하는 것이 경제적일 것이라 판단된다.
- ORD-AX, ORD-AY, ORD-BX, ORD-BY 모델 모두 감쇠값 2,000 ∼ 18,000kN·sec/ m까지는 OR 모델보다 높은 가속도 응답을 보였으나 감쇠값의 증가에 따라 기존 아웃리거 모델의 가속도 응답보다 줄어드는 것을 알 수 있다.
- X와 Y방향 모두 강성값의 증가에 따라 가속도 응답이 크게 증가하는 것을 알 수 있다. ORD-CX, ORD-CY 모델보다 감쇠값이 더 높은 ORD-DX, ORD-DY 모델에서 최소 가속도 응답이 나타났다. [Fig.
- 549m로 가장 작은 응답이 일어나는 것을 알 수 있다. ORD-CX, ORD-CY, ORD-DX, ORD-DY 모델 모두 강성값을 증가 시킬수록 최상층 최소 변위 응답값 보다 증가하는 것을 알 수 있다.
- 감쇠값이 46,000kN·sec/ m일 때 강성값이 더 작은 ORD-AX, ORD-AY 모델에서 최소 가속도 응답이 나타났다.
- 해석결과 X방향과 Y방향 모두 아웃리거 댐퍼의 감쇠값의 변화에 따라 최상층 수평변위 응답 저감에 탁월한 효과를 나타내었다. 강성값의 변화에 따라서는 초반에 변위가 감소하다가 일정구간을 지나게 되면 오히려 증가하게 되는 것을 확인하였다. 따라서 최상층 수평변위 응답 저감을 위해서는 경제적 부담이 되는 높은 강성의 댐퍼를 사용할 필요가 없는 것으로 판단된다.
- Y방향에서는 ORD-CY, ORD-DY 모델 모두 가속도응답의 증가율은 낮지만 OR 모델에 비해 ORD–CY 모델의 가속도 응답이 최대 12% 높게 나타나는 것을 볼 수 있다. 강성값이 증가함에 따라 ORD-CX, ORD-CY, ORD-DX, ORD-DY 모델 모두 가속도 응답이 증가 하는 것을 볼 수 있다. 또한 감쇠값이 큰 ORD-DX, ORD-DY 모델이 ORD-CX, ORD-CY 모델에 비해 가속도응답 제어에 효과적인 것을 알 수 있다.
- 구조물의 X방향에 대한 [Fig. 4]를 보면 감쇠값 2,000 ∼ 22,000kN·sec/ m의 범위에서는 강성값이 큰 모델이 변위 응답을 줄이는데 효과적이였고, 22,000 ∼ 46,000kN·sec/ m의 범위에서는 반대로 강성 값이 작은 모델이 더욱 효과적이였다.
- 기본모델의 동적응답 해석 결과, 아웃리거가 설치되지 않은 NOR 모델 대비 아웃리거만 설치된 OR 모델이 최대 수평변위 응답에 대하여 X방향은 12.9%, Y방향은 4.6%의 응답을 저감시키는 것을 알 수 있고, 최대 수평가속도 응답에 대해서는 X방향 10.6%, Y방향 24.7%로 아웃리거 댐퍼 설치 시 Y방향 가속도 응답을 저감시키는 것에 매우 효과적이였다.
- 강성값이 증가함에 따라 ORD-CX, ORD-CY, ORD-DX, ORD-DY 모델 모두 가속도 응답이 증가 하는 것을 볼 수 있다. 또한 감쇠값이 큰 ORD-DX, ORD-DY 모델이 ORD-CX, ORD-CY 모델에 비해 가속도응답 제어에 효과적인 것을 알 수 있다.
- )에 따른 X방향과 Y방향의 최상층 최대 수평변위 응답을 [Table 6, 7]에 나타내었다. 아웃리거가 설치되지 않은 NOR 모델에 비해 아웃리거만 설치된 OR 모델은 변위 응답을 13% 감소시키는 것을 알 수 있다.
- 가속도 응답의 경우 감쇠값의 변화에 따라 아웃리거 댐퍼시스템은 기존 아웃리거 시스템에 비해 수평가속도 응답을 최대 20% 저감시키는 것을 확인하였다. 하지만 강성값의 변화에 따른 아웃리거 댐퍼의 가속도 응답의 경우 가속도 증가율은 미소했으나 기존의 아웃리거 시스템에 비해 응답을 오히려 증가시키는 것을 확인하였다.
후속연구
- 4. 추후에 다양한 형상의 고층건물 모델과 지진하중 이외의 동적하중을 가한 아웃리거 댐퍼시스템의 성능 해석 및 비틀림 거동에 대한 연구와 댐퍼의 성능과 경제성을 동시에 고려하여 최적의 감쇠값, 강성값을 가지는 댐퍼설계를 위한 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
- 기존의 아웃리거 구조물은 구조물 자체의 강성값에 의존하여 동적응답을 저감 시킬 수 있었다. 또한 추가적인 감쇠를 사용한 댐퍼 시스템의 경우 감쇠만을 고려하게 되어 비교적 명료하게 연구가 수행 될 수 있었다. 그러나 아웃리거 댐퍼 시스템은 감쇠와 강성이 복합적으로 거동하는 특성을 가지고 있어 최적설계를 하는 것이 어렵다.
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