[논문]개폐식 대공간 구조물의 감쇠장치 적용 및 최적설계에 관한 연구

정보라; 김시욱; 김치경

doi:10.7734/coseik.2020.33.6.351

문제 정의

본 연구는 개폐식 대공간 구조물의 지진하중에 대한 동적 응답을 줄이기 위한 목적으로 파라메트릭 설계 기법을 적용하여 동조 질량 감쇠기(TMD : Tuned Mass Damper)를 설치하였다. 기존에 감쇠장치 모델링 시 엔지니어가 일일이 구조물의 절점을 찾아 모델링했던 문제점을 해결하고자 감쇠장치의 설치 위치를 자동 탐색하는 컴포넌트를 개발하였다.
본 연구에서는 개폐식 대공간 구조물의 지진하중에 대한 동적 응답을 줄이기 위한 목적으로 감쇠장치의 설치 위치를 자동탐색하는 컴포넌트를 개발하였다. 감쇠장치의 설치 위치를 결정하는 설계 변수는 설치 위치, 개수, 질량비이며, 지붕이 열리고 닫힌 상태 모두 고려하였다.
본 컴포넌트 개발의 최종 목표는 인공지능 알고리즘을 이용하여 개폐식 대공간 구조물의 지붕의 열린 상태와 닫힌 상태를 모두 고려하여 효과적 구조물의 동적응답을 제어할 수 있는 TMD의 위치와 용량을 찾는 것이 최종 목표이다. 이에 따라 개발된 컴포넌트 크게 3가지로 분류되며 다음과 같다.
, 2019)에서 스포츠 경기장 및 다목적 체육시설인 대공간 구조물의 지진응답 제어에 관한 연구가 진행되었다. 연구내용을 살펴보면 지진하중으로 인한 과도한 진동이 발생하여 지붕에 설치된 각종 장비 및 시설물 등이 낙하하여 인명피해가 발생할 가능성이 높다고 보고 구조물에 감쇠장치를 모델링하여 동적응답을 저감시키는 연구였다. 이와 같이 장 스팬의 철골지붕구조는 경량이고, 유연한 변형이 가능하며 낮은 감쇠비 및 고유 주파수를 나타내는 특성을 가지고 있어서 풍하중이나 지진 하중이 가해지면 진동하기 쉽다.

제안 방법

컴포넌트를 개발하였다. 감쇠장치의 설치 위치를 결정하는 설계 변수는 설치 위치, 개수, 질량비이며, 지붕이 열리고 닫힌 상태 모두 고려하였다.
설치하였다. 기존에 감쇠장치 모델링 시 엔지니어가 일일이 구조물의 절점을 찾아 모델링했던 문제점을 해결하고자 감쇠장치의 설치 위치를 자동 탐색하는 컴포넌트를 개발하였다. 이는 구조물의 동적 응답을 실시간으로 확인할 수 있을 뿐만 아니라 감쇠 장치의 최적 위치를 찾을 수 있다.
네 번째, TMD의 제어 방향(X, Y, Z)을 벡터로 입력받는다. 다섯 번째, 최적 파라메터 산정식을 통해 나온 TMD의 강성 및 감쇠 값을 자동 산정하여 입력한다. 여섯 번째, 응답을 검토할 지진하중을 입력한다.
첫째로 파라메트릭 구조 모델 컴포넌트들을 이용해 파라 메트릭 한 방식으로 구축된 구조 모델을 작성한다. 둘째, 작성된 구조모델을 외부의 구조해석 패키지를 제어하는 API 컴포넌트에 연결해 해석 솔버와 연동하여 자동화된 구조해석을 수행하고 그 결과를 추출한다. 셋째, 전달된 해석 결과를 평가하고 그에 근거하여 구조 모델 대안을 자동 생성한 다음 이를 다시 해석 솔버와 실시간 연동해 성능을 확인함으로써 유전자 알고리즘에 기반을 둔 자동 최적화를 수행한다.
파라메트릭 구조설계 프로세스를 정립하였다. 세 번째, 개발한 컴포넌트들을 기술하고 네 번째, 예제건물을 통한 개발기술의 적용 및 검증하는 단계를 거쳤으며 마지막으로 결론과 추후 연구방향을 기술하였다.
둘째, 작성된 구조모델을 외부의 구조해석 패키지를 제어하는 API 컴포넌트에 연결해 해석 솔버와 연동하여 자동화된 구조해석을 수행하고 그 결과를 추출한다. 셋째, 전달된 해석 결과를 평가하고 그에 근거하여 구조 모델 대안을 자동 생성한 다음 이를 다시 해석 솔버와 실시간 연동해 성능을 확인함으로써 유전자 알고리즘에 기반을 둔 자동 최적화를 수행한다. 이와 같이 작성된 모델은 다양한 설계변수의 변형을 통해 수많은 대안 생성이 가능하며, 여러 대안의 자동 검토를 통해 최적의 성능을 가지는 구조 모델을 효율적으로 찾아낼 수 있다(Choi et al.
, 2018)에서 제시한 개폐식 대공간 건축물의 구조설계 프로세스를 바탕으로 개폐식 대공간 건축물의 파라메트릭 최적설계를 위해 필요한 기능들을 정리하면 다음과 같다. 여기서 3)항에 해당하는 구조물의 진동제어를 위한 감쇠 장치 모델링부분을 추가 개발하여 기능들을 고도화하였다 (Fig. 1).
일곱 번째, TMD 질량비에 따른 여러 대안을 생성한 후 결과값에 따라 결정하게 된다. 여덟 번째, 위와 같은 프로세스로 개폐지붕의 열리고 닫히는 상태에 따라 해석을 수행한다.
연구개발에 사용된 디자인 도구는 3차원 자유 형상 모델러로 널리 알려진 라이노(Rhino3D) 및 파라메트릭 디자인 도구인 그라스하퍼(Grasshopper)를 기반으로 개발되었다. 라이노는 대공간 구조물의 3D 형상을 모델링하고 표현하기 위한 3D 그래픽 커널로서 형상 설계를 위하여 가장 많이 사용하는 소프트웨어 중 하나이다.
7). 첫 번째 파라메트릭 구조설계 프로세스에 따라 1차 구조물 해석을 수행한다. 이때 구조물의 진동수, 감쇠비, 그리고 대상하중선정 및 그에 따른 성능수준 결정하게 된다.
있다. 첫째로 파라메트릭 구조 모델 컴포넌트들을 이용해 파라 메트릭 한 방식으로 구축된 구조 모델을 작성한다. 둘째, 작성된 구조모델을 외부의 구조해석 패키지를 제어하는 API 컴포넌트에 연결해 해석 솔버와 연동하여 자동화된 구조해석을 수행하고 그 결과를 추출한다.
중요하다. 파라메트릭 설계의 강점을 살려 기존의 기술적 한계를 극복하고 최단시간에 수천 개 구조시스템 대안 생성 및 비교검토가 가능한 기술을 개발하였다.

대상 데이터

개발한 감쇠장치모듈의 검증을 위해 사용된 예제건물은 선행 (Kim et al., 2019b)으로 수행했던 O’dome으로 최대높이 57.46m, 직경 405m의 규모로 되어있다. 주 골조는 강관으로 된 삼각형 입체 트러스로 구성되어 있으며, 지붕을 포함한 구조물의 면은 막 구조물(PTFE)로 구조형식을 이룬다.
설계 변수는 앞서 언급했듯이 TMD의 설치 위치, 개수, 질량비이며, 지붕이 열리고 닫힌 상태 모두 고려하였을 때 총 234 개의 대안(Table 2)에 대한 해석 값을 얻을 수 있었다. 해석 결과 파일은 Fig.
해석을 수행한다. 예제건물에서는 El Centro(1940, 180Deg) 지진하중을 사용하였으며, 해석 후 사용자가 원하는 절점의 최대 변위(X, Y, Z방향), 가속도 데이터들을 추출하여 확인할 수 있다.

이론/모형

TMD 적용 유무에 따른 구조물 응답을 평가하기 위해 미설치한 모델은 선형해석을 통해 응답을 평가하고, 설치한 해석모델에는 시간이력 해석법(Time History Analysis)으로 수행하였다.
된다. 컴포넌트의 입력데이터는 1차 구조해석 후 나온 구조물의 총 질량과 진동수 · TMD의 질량비이며, 출력데이터는 앞서 소개한 Warburton(1982)이 제안한 식을 통해 자동 계산된 TMD의 최적 강성, 감쇠값이 된다(Fig. 4).

성능/효과

1)본 기술을 통해 감쇠장치를 모델링하고, 대안을 생성할 때 소요되는 시간 절감 가능하다.
2)지붕면의 개폐형, 폐쇄형 대안들을 비교평가해 본 결과 국부적으로 TMD를 설치한 대안보다 대칭적으로 분산 배치하였을 경우 더 효과적으로 구조물을 제어할 수 있다.
3)구조물 진동제어의 저감에 대한 영향은 TMD의 질량비, 개수 및 설치 위치의 영향을 받는다.
8와 같은 프로세스로 반복문을 수행하여 엑셀 형태로 자동 저장된다. 결과값을 엑셀로 저장하기 때문에 엑셀에서 제공하는 그래프 및 분류기능을 자유롭게 사용할 수 있으며 엑셀의 각 기능들도 API를 통해 제어하며 컴포넌트로 만들어 추후 용이하게 사용할 수 있도록 메뉴를 추가하는 것 또한 가능하다.
질량이 8%일 때 효과적인 것으로 판단된다. 또한 TMD 개수 및 위치 측면에서는 폐쇄형, 개폐형일 때 모두 6, 8개 TMD 를 설치했을 때 제어율이 높을 것으로 나타났다.
, 2019) 와 비교해보면 폭 400m, 최대높이 95m의 철골트러스로 구성된 돔형 수평슬라이딩 시스템에 같은 지진하중에 대해 해석한 결과 TMD를 8개를 설치하였을 때 변위 응답 저감 효과가 가장 크게 나타났다. 또한 TMD의 설치 개수와 설치 위치를 동일하게 하였을 때는 변위 응답 저감 효과가 큰 것은 TMD 전체 질량비가 6%일 때였으므로 본 논문의 결과와 비슷한 경향을 나타낸다는 것을 알 수 있었다.
예제 건물의 대안을 생성하여 결과를 검토해 본 결과 TMD 의 질량이 8%일 때 효과적인 것으로 판단된다. 또한 TMD 개수 및 위치 측면에서는 폐쇄형, 개폐형일 때 모두 6, 8개 TMD 를 설치했을 때 제어율이 높을 것으로 나타났다.
추가적으로 해석결과를 통해 TMD 개수 및 위치 측면에서는 지붕 폐쇄형, 개폐형 모두 6, 8개 TMD를 설치했을 때 제어율이 높을 것으로 나타났다. 이 결과를 선행 연구(Lee et al., 2019) 와 비교해보면 폭 400m, 최대높이 95m의 철골트러스로 구성된 돔형 수평슬라이딩 시스템에 같은 지진하중에 대해 해석한 결과 TMD를 8개를 설치하였을 때 변위 응답 저감 효과가 가장 크게 나타났다. 또한 TMD의 설치 개수와 설치 위치를 동일하게 하였을 때는 변위 응답 저감 효과가 큰 것은 TMD 전체 질량비가 6%일 때였으므로 본 논문의 결과와 비슷한 경향을 나타낸다는 것을 알 수 있었다.
12를 보면 감쇠 장치 추가로 인해 원안대비 줄어드는 가속도를 확인할 수 있었다. 추가적으로 해석결과를 통해 TMD 개수 및 위치 측면에서는 지붕 폐쇄형, 개폐형 모두 6, 8개 TMD를 설치했을 때 제어율이 높을 것으로 나타났다. 이 결과를 선행 연구(Lee et al.

후속연구

4)추후 연구로 여러 형태의 구조물에 본 기술을 적용하여 검토해 볼 필요가 있다.
개발 컴포넌트를 통해 여러 대안을 생성하여 구조물의 처짐, 가속도 등 동적응답을 비교해 봄으로써 구조물의 감쇠 장치 최적의 위치를 찾을 수 있을 있다.
이는 구조물의 동적 응답을 실시간으로 확인할 수 있을 뿐만 아니라 감쇠 장치의 최적 위치를 찾을 수 있다. 또한 여러 대안을 생성하여 감쇠 장치 질량의 최적값을 찾아주며, 지붕의 열린 상태와 닫힌 상태에 모두 효과적으로 적용될 수 있는 설계안을 찾을 수 있다. 동조질량감쇠기는 설치하는 위치와 질량에 따라서 성능이 천차만별이며, 동조를 제대로 시키지 않았을 경우에는 오히려 지진하중의 증폭을 초래한다.

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