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문제 정의
- 본 논문에서는 Gable type, Barrel type, Stadium type 3가지의 해석모델에 대해 분석하였다.
제안 방법
- <Fig. 3> 과 같이 해석모델 중심부에 위치한 아치 트러스 1/4 지점에서의 수직 및 수평방향 변위응답을 분석하였다. 지진응답에 대한 제어 성능을 검토하고자 <Fig.
- 지진응답에 대한 제어 성능을 검토하고자 <Fig. 4>와 같이 구조물의 고유진동주기를 이용한 공진조화하중과 역사지진하중인 El Centro(1940) 및 Kobe(1995) 지진하중을 모두 X, Y방향으로 가진하여 다양한 하중에 대해 분석하였다.
- TMD 설치 개수에 따른 변위응답 분석을 바탕으로 Gable type과 Barrel type은 변위응답 저감 효과가 가장 뛰어난 8개를 설치한 경우를 분석하였고, Stadium type은 변위응답 저감효과가 가장 뛰어난 6개 및 8개를설치한 경우를 함께 분석하였다. 변위응답이 가장 큰 공진조화하중의 변위응답비를 기준으로 가장 뛰어난 변위응답 저감효과를 나타낸 설치 개수의 Case를 선정하여 설치 위치에 따른 응답을 비교 분석하였다.
- 따라서 본 연구에서는 실제 대공간 구조물의 특징 및 형상에 따라 대표적인 6가지 해석모델을 설정하였다3-6). TMD의 개당 질량을 전체 구조물 질량의 1%로 설정하고, 4개부터 16개까지 개수를 늘려가며 고려할 수 있는 위치에 다양하게 설치한 후 지진응답 저감효과가 뛰어난 최적 설치 개수와 위치를 찾고자 한다.
- 또한 모두 같다. 공진조화하중에 대한 변위응답을 기준으로 비교하였으며, 두 해석모델에서 가장 뛰어난 변위응답 저감효과를 보인 Case8-11과 Case8-6을 각각 기준으로 선정하였다. 첫 번째로 아치 트러스의 1/8, 1/4, 3/8 지점에 설치하였을 경우에 따른 변위응답과 두번째로 중심과 가장자리 그리고 일정 간격에 따라 설치하는 것의 변위응답 저감효과를 비교 분석하였다.
- 1>과 같이 단순 일반화한 모델이며, 제원은 <Table 1>과 같다. 그림과 같이 해석모델 중심부에 위치한 아치 트러스 1/4 지점에서의 수직 및 수평방향 변위응답을 분석하였다.
- 두 번째로 Gable type과 Barrel type에서 중심과 가장자리 그리고 일정 간격을 두고 균형을 맞추어 설치하는 것의 변위응답 저감효과를 비교 분석하였다. Gable type은 Case8-11, Barrel type은 Case8-6의 변위 응답이 가장 뛰어난 Case를 기준으로 선정하였다.
- 할 중요한 요소이다. 따라서 본 연구에서는 실제 대공간 구조물의 특징 및 형상에 따라 대표적인 6가지 해석모델을 설정하였다3-6). TMD의 개당 질량을 전체 구조물 질량의 1%로 설정하고, 4개부터 16개까지 개수를 늘려가며 고려할 수 있는 위치에 다양하게 설치한 후 지진응답 저감효과가 뛰어난 최적 설치 개수와 위치를 찾고자 한다.
- 먼저 Case6-5와 Case6-12를 비교하여 아치 트러스의 1/8, 1/4 지점 즉 중앙과 가장자리 중 어느 위치에 설치하는 것이 응답저감 효과가 뛰어난지 분석하고, 그 다음 Case6-8, Case6-9, Case6-10, Case6-11, Case6-12를 비교하여 균형 있게 간격을 두어 설치하는 것, 한 곳에 집중하여 설치하는 것, 그리고 장변방향, 단변 방향, 대각방향 중 어느 위치에 설치하는 것이 변위 응답 저감효과가 뛰어난지 분석하고자 한다.
- TMD 설치 개수에 따른 변위응답 분석을 바탕으로 Gable type과 Barrel type은 변위응답 저감 효과가 가장 뛰어난 8개를 설치한 경우를 분석하였고, Stadium type은 변위응답 저감효과가 가장 뛰어난 6개 및 8개를설치한 경우를 함께 분석하였다. 변위응답이 가장 큰 공진조화하중의 변위응답비를 기준으로 가장 뛰어난 변위응답 저감효과를 나타낸 설치 개수의 Case를 선정하여 설치 위치에 따른 응답을 비교 분석하였다.
- 본 논문에서는 실제 대공간 구조물의 특징 및 형상에 따라 일반화한 6가지의 해석모델 중 Gable type, Barrel type, Stadium type 3가지 해석모델에 4개부터 16개 까지의 TMD를 설치하고 개당 질량을 전체 구조물 질량의 1%로 설정하여 설치 개수 및 위치 변화에 따른 지진 응답 저감효과를 분석하였다.
- 본 연구에서는 상부 구조물에 설치되는 TMD의 설치 개수 및 위치에 따른 변위응답 특성을 분석하기 위해 상용 구조해석 프로그램인 Midas Gen을 사용하여 실제 대공간 구조물의 특징 및 형상을 바탕으로 6가지 일반화 해석모델을 3차원 대공간 구조물로 모델링하였다. 본 논문에서는 Gable type, Barrel type, Stadium type 3가지의 해석모델에 대해 분석하였다.
- 첫 번째로 Gable type과 Barrel type에서 Case8-1, Case8-6, Case8-11을 비교하여 아치 트러스의 3/8, 1/4, 1/8 지점 중 변위응답 저감효과가 가장 뛰어난 위치를 찾고자 하였다. <Fig.
- 공진조화하중에 대한 변위응답을 기준으로 비교하였으며, 두 해석모델에서 가장 뛰어난 변위응답 저감효과를 보인 Case8-11과 Case8-6을 각각 기준으로 선정하였다. 첫 번째로 아치 트러스의 1/8, 1/4, 3/8 지점에 설치하였을 경우에 따른 변위응답과 두번째로 중심과 가장자리 그리고 일정 간격에 따라 설치하는 것의 변위응답 저감효과를 비교 분석하였다.
- 해석모델에 TMD를 4개부터 16개까지 설치한 경우의 변위응답 분석 시 설치 가능 위치를 고려하여 Gable type과 Barrel type은 아치 트러스의 1/8, 1/4, 3/8 지점, Stadium type은 1/8, 1/4 지점에 개수에 따라 설치하였다. TMD 설치 개수에 따른 변위응답 분석을 바탕으로 Gable type과 Barrel type은 변위응답 저감 효과가 가장 뛰어난 8개를 설치한 경우를 분석하였고, Stadium type은 변위응답 저감효과가 가장 뛰어난 6개 및 8개를설치한 경우를 함께 분석하였다.
대상 데이터
- Gable type은 Case8-11, Barrel type은 Case8-6의 변위 응답이 가장 뛰어난 Case를 기준으로 선정하였다.
- 11>은 6개의 TMD를 설치한 Stadium type 해석모델의 설치 위치를 나타낸 것이다. Stadium type은 TMD를 6개 설치한 경우 가장 뛰어난 변위응답 저감효과를 보였고, 6개를 설치하였을 때 공진조화하중에 대하여 가장 뛰어난 변위응답 저감효과를 보이는 Case6-12 를 기준으로 선정하였다.
성능/효과
- 4개와 6개를 설치하였을 때 변위 응답 저감효과가 8개를 설치한 경우보다 상대적으로 떨어졌다. 10개 이상을 설치하였을 경우 8개를 설치한 하였을 때보다 변위응답 저감에 큰 차이를 보이지 않았으며, 효과가 더 뛰어난 Case도 나타나지 않았다. 오히려 개수가 증가함에 따라 효과가 조금씩 떨어지는 경우도 존재한다.
- 4개의 TMD를 설치하였을 때 El Centro 지진에 대하여 약 20~22%, Kobe 지진에 대하여 약 26~34%의 감소율을 보인다. 6개 이상을 설치하였을 때는 Case 6-5와 같이 한 곳에 집중적으로 설치되어 변위응답 저감효과가 떨어지는 것을 제외하고 El Centro 지진에 대하여 약 77~95%, Kobe 지진에 대하여 약 82~94%의 감소율을 보인다.
- Gable type 해석모델에서 3/8 지점에 TMD를 설치한 경우인 Case8-1은 약 93%, 1/4 지점에 설치한 Case8-6은 약 91%, 그리고 1/8 지점에 설치한 Case8-11은 약 94%의 감소율을 보이며 1/8 지점에 설치한 경우 변위응답 저감효과가 가장 뛰어났다.
- Gable type과 Barrel type의 TMD 설치 개수에 따른 응답 분석 결과, 8개를 설치하였을 때 변위응답 저감효과가 가장 크게 나타났다. 4개와 6개를 설치하였을 때 변위 응답 저감효과가 8개를 설치한 경우보다 상대적으로 떨어졌다.
- Stadium type의 TMD 설치 개수에 따른 응답 분석 결과, Gable type, Barrel type 해석모델과는 다르게 6개를 설치하였을 때 변위응답 저감효과가 가장 크게 나타났다. 4개를 설치하였을 때 변위응답 저감이 6개를 설치한 경우보다 상대적으로 크게 떨어졌고, 8개 이상을 설치하였을 경우 6개를 설치하였을 때보다 변위응답 저감효과가 떨어진다.
- 6개를 설치하였을 때 변위응답이 증가하는 경우는 발생하지 않았으나 6개 설치하였을 때 공진조화하중에 대하여 변위 응답 저감효과가 가장 뛰어난 Case6-10이 8개 이상을 설치하였을 때의 저감효과가 가장 떨어지는 Case8-5보다 저감효과가 떨어지는 모습이 나타난다. 가장 뛰어난 변위 응답 저감효과를 보이는 8개의 TMD를 설치한 Case8-6 은 공진조화하중, El Centro 지진, Kobe 지진하중에 대하여 약 83~87%의 감소율을 보이며 매우 뛰어난 변위 응답 저감효과를 보였다. 마지막으로 10개 이상을 설치한 경우 3가지 지진하중 모두에 대한 변위응답 저감효과는 전체적으로 비슷한 모습을 보이나 8개를 설치했을 때와 비교해 더 뛰어난 변위응답 저감효과를 보여주는 Case는 없다.
- 이처럼 4개의 TMD를 설치하였을 때 변위 응답 저감효과가 6개 이상을 설치한 Case와 비교해 현저히 떨어지는 모습을 보인다. 가장 뛰어난 변위응답 저감효과를 보이는 6개를 설치한 Case6-12는 공진조화하중, El Centro, Kobe 지진하중에 대하여 약 42%, 94%, 95%의 감소율을 보이며 전반적으로 공진조화하중에 대한 변위응답 저감효과가 떨어지는 Stadium type 해석모델에서 가장 뛰어난 변위응답 저감효과를 보인다. 8개 이상을 설치하였을 때 3가지 지진하중 모두에 대해 6개를 설치하였을 때와 전체적으로 비슷한 모습을 보이나 더 뛰어난 변위응답 저감효과를 보여주는 Case는 없다.
- 공진조화하중 역시 Case8-10, Case10-5를 제외하고 전체적으로 뛰어난 저감효과를 보인다. 가장 뛰어난 변위응답 저감효과를 보이는 경우는 8개의 TMD를 설치한 Case8-11로 공진조화하중, El Centro 지진, Kobe 지진하중에 대하여 약 94~99%의 감소율을 보이며 매우 뛰어난 변위응답 저감효과를 보였다. 마지막으로 10개 이상을 설치한 경우 8개를 설치했을 때와 비교해 더 뛰어난 변위응답 저감효과를 보여주는 Case는 없다.
- 구조물의 중심에서 가장자리로 넓혀가면서 설치한 위치 중 변위응답 저감효과가 가장 뛰어난 TMD 설치 위치 분석 결과, Gable type과 Barrel type 해석모델 모두가 장 자리에 집중적으로 설치하는 것이 변위응답 저감효과가 가장 뛰어났다. 두 해석모델의 설치 위치에 따른 변위 응답 저감효과에 크게 영향을 주는 것은 구조물 전체에서 중심과 가장자리 그리고 같은 간격으로 균형 있게 설치하는 부분이 더 중요하다고 판단된다.
- 뛰어났다. 두 번째로 해석모델의 단변방향에 균형 있게 간격을두어 설치한 경우인 Case6-8은 약 42%, 대각방향에 균형 있게 같은 간격을 두어 설치한 경우인 Case6-9는 약 38%, Case6-11은 약 31%, 장변방향에 집중적으로 설치한 경우인 Case6-10은 약 29%, 그리고 단변방향에 집중적으로 설치한 경우인 Case6-12는 약 42% 감소율을 보이며 위치에 따라 눈에 띄는 차이를 보인다. 따라서 Stadium type 해석모델은 1/8 지점, 즉 중심보다 가장자리에 가깝게 TMD를 설치하였을 때와 단변방향에 집중적으로 설치하는 것이 변위응답 저감효과가 가장 우수하게 나타났다.
- 두 번째로 해석모델의 단변방향에 균형 있게 간격을두어 설치한 경우인 Case6-8은 약 42%, 대각방향에 균형 있게 같은 간격을 두어 설치한 경우인 Case6-9는 약 38%, Case6-11은 약 31%, 장변방향에 집중적으로 설치한 경우인 Case6-10은 약 29%, 그리고 단변방향에 집중적으로 설치한 경우인 Case6-12는 약 42% 감소율을 보이며 위치에 따라 눈에 띄는 차이를 보인다. 따라서 Stadium type 해석모델은 1/8 지점, 즉 중심보다 가장자리에 가깝게 TMD를 설치하였을 때와 단변방향에 집중적으로 설치하는 것이 변위응답 저감효과가 가장 우수하게 나타났다. 아치 트러스의 1/8 지점에 설치하는 것과 1/4 지점에 설치하는 것의 감소율은 41% 로 눈에 띄게 큰 차이를 보였으며, 단변방향과 장변방향에 설치하는 것은 약 13%의 감소율 차이를 보였다.
- 따라서 Stadium type 해석모델은 6개의 TMD를 설치하였을 때 가장 큰 변위응답 저감효과를 나타냈다. 또한 6개를 설치한 경우의 변위응답 저감효과가 전체적으로 뛰어났기 때문에 설치 개수의 증가는 오히려 응답 제어 효과를 감소시키는 양상을 나타내었다. Stadium type 은 다른 해석 모델들과는 다르게 중심에 빈 공간이 있어 설치 개수가 증가하거나 중심에 집중시켜 설치한다면 상부 구조물에 하중 부담이 늘어나 구조물의 진동 제어에 불리한 영향으로 작용하는 것으로 판단된다.
- 따라서 Stadium type 해석모델은 1/8 지점, 즉 중심보다 가장자리에 가깝게 TMD를 설치하였을 때와 단변방향에 집중적으로 설치하는 것이 변위응답 저감효과가 가장 우수하게 나타났다. 아치 트러스의 1/8 지점에 설치하는 것과 1/4 지점에 설치하는 것의 감소율은 41% 로 눈에 띄게 큰 차이를 보였으며, 단변방향과 장변방향에 설치하는 것은 약 13%의 감소율 차이를 보였다. 해석 모델과 같이 중심에 빈 공간이 있는 경우 1/4 지점에 집중적으로 TMD를 설치한다면 TMD 자중에 의한 구조물의 부담도 무시할 수 없다고 판단된다.
- 아치 트러스의 3/8, 1/4, 1/8 지점에 설치하는 경우 중 변위응답 저감효과가 가장 뛰어난 TMD 설치 위치분석 결과, Gable type 해석모델은 1/8 지점, Barrel type 해석모델은 1/4 지점에 설치하였을 때 변위 응답 저감효과가 가장 뛰어났다. 아치 트러스의 1/8, 1/4, 3/4 지점에 설치하는 것은 서로 3~4%의 근소한 감소율 차이를 보인다.
- 10개 이상을 설치할 경우 공진 조화 하중을 가력하였을 때 변위응답이 오히려 증가하는 양상을 보인다. 이를 바탕으로 6개를 설치하였을 때의 설치 위치 변화에 따른 응답 분석 결과, 아치 트러스의 1/8 지점, 즉 중심보다 가장자리에 가깝게 TMD를 설치하였을 때와 단병방향에 집중적으로 설치하는 것이 변위 응답 저감효과가 가장 우수하게 나타났다. 해석모델과 같이 중심에 빈 공간이 있는 경우 1/4 지점에 집중적으로 TMD를 설치한다면 자중에 의한 구조물의 부담도 무시할 수 없다고 판단된다.
- 오히려 개수가 증가함에 따라 효과가 조금씩 떨어지는 경우도 존재한다. 이를 바탕으로 8개를 설치하였을 때의 설치 위치 변화에 따른 응답 분석 결과, Gable type은 아치 트러스의 1/8 지점, Barrel type은 1/4 지점에 설치하고 중심보다 가장자리에 집중적으로 설치하였을 때 변위 응답 저감효과가 가장 뛰어났다.
- 첫 번째로 1/4 지점에 TMD를 설치한 경우인 Case6-5는 공진조화하중에 대하여 약 1%, 1/8 지점에 설치한 Case6-12는 약 42%의 감소율을 보이며 1/8 지점에 설치할 때 변위응답 저감효과가 훨씬 뛰어났다. 두 번째로 해석모델의 단변방향에 균형 있게 간격을두어 설치한 경우인 Case6-8은 약 42%, 대각방향에 균형 있게 같은 간격을 두어 설치한 경우인 Case6-9는 약 38%, Case6-11은 약 31%, 장변방향에 집중적으로 설치한 경우인 Case6-10은 약 29%, 그리고 단변방향에 집중적으로 설치한 경우인 Case6-12는 약 42% 감소율을 보이며 위치에 따라 눈에 띄는 차이를 보인다.
후속연구
- 향후 6가지 단순 일반화 해석모델에 변위응답 저감 효과가 가장 큰 개수의 TMD를 최적 위치에 설치하여 각각의 TMD 질량을 동일한 비율로 변화시키면서 TMD의 질량에 따른 변위 응답 결과를 분석하는 연구를 추가적으로 진행할 예정이다.
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