[논문]마찰 슬라이딩 거동을 보이는 건물 내 중량 설비의 내진성능 향상을 위한 감쇠기 연결 방안

옥승용; 박관순; 이지호

doi:10.14346/jkosos.2020.35.1.53

마찰 슬라이딩 거동을 보이는 건물 내 중량 설비의 내진성능 향상을 위한 감쇠기 연결 방안
Damper Configuration for Seismic Performance Improvement of Heavy Facilities with Frictional Sliding Behavior inside Building 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.35 no.1, 2020년, pp.53 - 61

옥승용 (한경대학교 토목안전환경공학과) , 박관순 (동국대학교 건축공학부) , 이지호 (동국대학교 건설환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

This study proposes a new damper configuration for seismic performance improvement of heavy sliding facilities inside a building. For this purpose, we deal with two connection types of control system, and the parametric study has been performed to investigate their comparative seismic performances according to the variations of the control capacity. In order to simulate the seismic responses of the proposed system, we employed a recently-developed seismic response analysis method that can deal with the two-mass system with nonlinear frictional sliding behavior. The numerical results demonstrate that the typical method of diagonal bracing damper connection can exhibit effective control performance both on structure and the heavy sliding facilities, whereas the structure-facilities connection method does not show any control effect on both responses. On the other hand, the typical method has some limitations that it can adversely cause excessive sliding of the facilities, depending upon the frequency characteristics of structure and earthquake. On the contrary, the structure-facilities connection method is very effective in reducing the sliding displacement of the heavy facilities, even with small amount of control capacity. Thus, the following potential expectations can be inferred from these results: The typical diagonal bracing damper connection method will have some promising benefits in controlling the sliding facilities inside the building as well as the building itself, and the structure-facilities connection method can be a cost-effective way of protecting the internal heavy important facilities inside the structure already designed with sufficient seismic performance.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Four types of seismic reinforcement configurations for earthquake-excited structure with frictional sliding mass.
그림 Fig. 2. Flowchart of seismic response analysis for structure with frictional sliding mass block.
표 Table 1. Properties of structure and moving mass
그림 Fig. 3. Peak displacement variations of BDS with respect to damper capacity (C_d = αC₁).
표 Table 2. Parameter variations of control system
그림 Fig. 4. Peak displacement variations of IDS with respect to damper capacity (C_d = αC₁).
표 Table 3. Comparative responses of original system, BDS and IDS
그림 Fig. 5. Peak displacement variations of BD-SS w.r.t. control capacities (c_d = αc₁ & kd = βk₁).
그림 Fig. 6. Peak displacement variations of ID-SS w.r.t. control capacities (c_d = αc₁ & k_d = βk₁).

AI 본문요약
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문제 정의

반면, BDS 방식은 단독 적용만으로도 구조물과 이동질량체의 내진성능 향상을 동시에 꾀할 수 있으나 구조물과 지진의 동적 특성에 따라 이동질량체의 내진 성능을 보장해주지는 못하며 이를 해결하기 위해서는 많은 감쇠용량이 수반되어야 하는 방식이라 할 수 있다. 다음으로는 강성부재를 함께 적용한 복합시스템(BD-SS, ID-SS)에 대한 성능 평가 결과를 살펴보고자 한다.
따라서 이 연구에서는 각 용량을 구조물의 감쇠와 강성의 비로서 다음과 같이 cd = αc1, kd = βk1으로 정의하고, 이를 변화시켜가면서 제어성능의 변화를 살펴보고자 한다.
이 연구에서는 2차 시스템으로서 별도로 고정되지 않고 설치되어 충돌로 인한 물적⋅인적 손실을 유발할 수 있는 가구 또는 중량의 기계 설비 등을 연구 대상으로 고려하고자 하며, 이들은 이동질량체로 모델링될 수 있다.
이 연구에서는 구조물 내 미끄러지는 마찰 거동을 보이는 이동질량체의 내진성능 향상을 위한 효과적인 감쇠기 연결 방안에 대한 매개변수연구를 수행하였다. 이를 위하여 제어시스템으로는 수동형 점성감쇠기(Passive viscous damper) 및 강성과 점성감쇠의 복합 시스템(Hybrid system of stiffness member and viscous damper)을 고려하였으며, 이들이 설치되는 방식으로 기존 구조물의 층간 대각 브레이싱 방식(BDS, BD-SS)과 구조물 내 이동질량체와 구조물 사이에 설치되는 방식(IDS, ID-SS)의 2가지 연결 방안을 고려하였다.
이 연구에서는 이러한 구조물 내 존재하는 2차 시스템을 이동질량체로 모델링하고 지진응답을 저감시킬 수 있는 효과적 제진 방안을 고찰하고자 한다. 이를 위해서 구조물과 이동질량체로 구성된 이중질량시스템의 비선형 마찰 거동을 효과적으로 모사할 수 있도록 Predictor-Corrector 방법과 Newmark-β_N 방법을 접목한 지진 응답 해석 기법⁷⁾을 도입하였다.

가설 설정

따라서 이 연구에서는 각 용량을 구조물의 감쇠와 강성의 비로서 다음과 같이 c_d = αc₁, k_d = βk₁으로 정의하고, 이를 변화시켜가면서 제어성능의 변화를 살펴보고자 한다. 매개변수연구를 위한 구조물과 이동질량체의 물성치 및 마찰계수는 Table 1에 제시한 바와 같이 가정하였다. 또한 각 제어시스템별 제어 용량의 변동 케이스는 Table 2에 수록하였다.

제안 방법

이를 위하여 제어시스템으로는 수동형 점성감쇠기(Passive viscous damper) 및 강성과 점성감쇠의 복합 시스템(Hybrid system of stiffness member and viscous damper)을 고려하였으며, 이들이 설치되는 방식으로 기존 구조물의 층간 대각 브레이싱 방식(BDS, BD-SS)과 구조물 내 이동질량체와 구조물 사이에 설치되는 방식(IDS, ID-SS)의 2가지 연결 방안을 고려하였다. 매개변수연구로는 각 제어장치의 용량, 즉 감쇠용량과 강성량을 변화시켜가면서 제어성능의 변화를 비교 분석하였다. 이들 시스템의 내진 성능을 평가하기 위한 수치해석방법으로는 비선형 마찰 슬라이딩 거동을 모사할 수 있도록 최근 제안된 비선형 응답해석기법을 적용하였다.
먼저 구조물은 질량(m1), 감쇠(c1), 강성(k1)을 갖는 단자유도(Single Degree Of Freedom; SDOF)로 모델링하였으며, 이동질량체와 구조물 사이에는 동일한 마찰계수(μF)를 고려하였다.
이 연구에서는 제어장치를 구조물에 대각 브레이싱 형태로 연결하는 방법과 이동질량체와 구조물의 사이를 연결하는 방법 등 2가지를 고려하였다. 여기서는 점성감쇠기만을 사용한 BDS와 IDS에 대하여 각각 제어용량의 증가에 따른 제어성능의 변화 등에 대하여 수치모사 결과를 비교하였다.
일반적으로 제어시스템의 성능은 제어 용량에 비례한다. 이 연구에서 다루고자 하는 4가지 시스템의 제어 용량은 각각 감쇠 용량과 강성 용량으로 구성된다. 따라서 이 연구에서는 각 용량을 구조물의 감쇠와 강성의 비로서 다음과 같이 c_d = αc₁, k_d = βk₁으로 정의하고, 이를 변화시켜가면서 제어성능의 변화를 살펴보고자 한다.
진동저감을 위한 제진 장치로는 수동형 점성감쇠기(Passive viscous damper) 및 강성과 점성감쇠의 복합시스템(Hybrid system of stiffness member and viscous damper)을 적용하고자 하였다. 이 연구에서는 제어시스템의 효과적 제진 방안으로 두 가지 설치 방식을 고려하였으며, 각 방식에 대하여 제어 용량을 변화시켜가면서 제어 성능의 변화를 비교 분석하였다.
이 연구에서는 제어장치를 구조물에 대각 브레이싱 형태로 연결하는 방법과 이동질량체와 구조물의 사이를 연결하는 방법 등 2가지를 고려하였다. 여기서는 점성감쇠기만을 사용한 BDS와 IDS에 대하여 각각 제어용량의 증가에 따른 제어성능의 변화 등에 대하여 수치모사 결과를 비교하였다.
식 (6)~(9)에서 알 수 있듯이, BDS와 BD-SS에서는 제어력이 Stick phase와 Sliding phase에서 모두 작용하되 구조물에만 작용하며, BDS와 BD-SS에서는 제어력이 구조물과 이동질량체에 동시에 양방향으로 작용하되 Sliding phase에서만 작용하게 된다. 이러한 작용 메커니즘의 차이가 제어 성능에 미치는 영향을 살펴보기 위하여 제어 용량에 따른 매개변수연구를 수행하였다.
이 연구에서는 구조물 내 미끄러지는 마찰 거동을 보이는 이동질량체의 내진성능 향상을 위한 효과적인 감쇠기 연결 방안에 대한 매개변수연구를 수행하였다. 이를 위하여 제어시스템으로는 수동형 점성감쇠기(Passive viscous damper) 및 강성과 점성감쇠의 복합 시스템(Hybrid system of stiffness member and viscous damper)을 고려하였으며, 이들이 설치되는 방식으로 기존 구조물의 층간 대각 브레이싱 방식(BDS, BD-SS)과 구조물 내 이동질량체와 구조물 사이에 설치되는 방식(IDS, ID-SS)의 2가지 연결 방안을 고려하였다. 매개변수연구로는 각 제어장치의 용량, 즉 감쇠용량과 강성량을 변화시켜가면서 제어성능의 변화를 비교 분석하였다.
제어 용량별 각 방식의 제어 효과를 살펴보기 위하여 제어 장치를 설치하지 않은 원 구조물(OUS; Original Uncontrolled System)의 응답과 감쇠용량을 α = 1.0, 즉 cd = αc1 = c1만큼 설치한 BDS 및 IDS의 응답을 비교하여 Table 3에 수록하였다.
이를 위해서 구조물과 이동질량체로 구성된 이중질량시스템의 비선형 마찰 거동을 효과적으로 모사할 수 있도록 Predictor-Corrector 방법과 Newmark-β_N 방법을 접목한 지진 응답 해석 기법⁷⁾을 도입하였다. 진동저감을 위한 제진 장치로는 수동형 점성감쇠기(Passive viscous damper) 및 강성과 점성감쇠의 복합시스템(Hybrid system of stiffness member and viscous damper)을 적용하고자 하였다. 이 연구에서는 제어시스템의 효과적 제진 방안으로 두 가지 설치 방식을 고려하였으며, 각 방식에 대하여 제어 용량을 변화시켜가면서 제어 성능의 변화를 비교 분석하였다.
제어시스템을 구조물에만 설치하는 방식은 구조물의 진동 제어를 통하여 구조물 내 이동질량체의 2차 진동을 저감시키고자 하는 방식이며, 구조물과 이동질량체 사이에 제어시스템을 설치하는 방식은 구조물과 이동질량체를 제어장치로 연계시키고 그 상호 작용 효과를 이용하여 진동을 저감시키고자 하는 방식이다. 한편, 이 연구에서는 제어장치의 유형으로 수동형 감쇠기 및 강성과 감쇠의 복합 시스템을 고려하고자 하므로 총 4가지 시스템이 연구 대상이 되며, 편의상 BDS(Bracing Damper System), IDS(Interactive Damper System), BD-SS(Bracing Damper-Stiffness System), ID-SS(Interactive Damper-Stiffness System)로 표기하고자 한다.
또한 각 제어시스템별 제어 용량의 변동 케이스는 Table 2에 수록하였다. 후속 절에서는 각 계수들의 변동에 따른 제어성능의 변화를 제어시스템의 유형별(BDS vs IDS, BD-SS vs ID-SS)로 비교 도시하였다.

이론/모형

매개변수연구로는 각 제어장치의 용량, 즉 감쇠용량과 강성량을 변화시켜가면서 제어성능의 변화를 비교 분석하였다. 이들 시스템의 내진 성능을 평가하기 위한 수치해석방법으로는 비선형 마찰 슬라이딩 거동을 모사할 수 있도록 최근 제안된 비선형 응답해석기법을 적용하였다.
이를 위해서 구조물과 이동질량체로 구성된 이중질량시스템의 비선형 마찰 거동을 효과적으로 모사할 수 있도록 Predictor-Corrector 방법과 Newmark-βN 방법을 접목한 지진 응답 해석 기법7)을 도입하였다.
이처럼 상호 연계된 미분방정식의 수치 해석 방법으로 박관순 등7)이 제시한 Predictor-Corrector 방법과 Newmark-βN 방법을 접목한 지진 응답 해석 기법을 도입하였다.

성능/효과

3 & 4를 비교하면, 상대변위(Δx)에 있어서 BDS는 α > 5 이상의 감쇠용량이 적용되어서 큰 저감 효과를 가지는 반면, IDS는 약 α≈1 정도의 감쇠 용량으로도 상대변위(Δx)에 충분한 저감 효과를 발휘하고 있음을 확인할 수 있다.
그러나 감쇠 용량이 증가할수록 이동질량체의 변위뿐만 아니라 미끄러지는 변위(Δx)도 감소하므로 간접적인 제어 효과가 있음을 확인할 수 있다.
대상 구조물에 대한 수치 해석 결과로부터 BDS 및 BD-SS 방식은 감쇠 용량을 증가시킴에 따라 구조물뿐만 아니라 구조물 내 미끄러지는 중량 설비에 대해서도 효과적인 제어성능을 발휘할 수 있음을 확인하였다. 다만, 구조물 및 가진 특성에 따라 작은 감쇠 용량에서는 오히려 과도한 미끄러짐이 발생할 수도 있는 한계를 보였다.
수평축은 감쇠용량의 증가(c_d = αc₁)를 나타내며, 수직축은 지진 가진에 따른 최대 변위 응답을 나타낸다. 먼저 이 방식은 구조물에 직접적으로 설치되므로 진동 제어 효과가 구조물에 보다 크게 작용하고 있음을 확인할 수 있다. 즉, 세 지진에서 공통적으로 구조물의 최대 변위(x₁)가 이동질량체의 최대 변위(x₂)보다 작게 발생하고 있다.
4는 IDS 방식의 지진 응답 해석 결과를 도시한 결과이다. 이 방식에서는 구조물의 변위와 이동질량체의 변위는 거의 유사한 수준을 보이고 있으며 제어 효과는 단지 구조물과 이동질량체간 상대변위에 집중적으로 발휘되고 있음을 확인할 수 있다. 특히, 이들 최대 변위 수준은 세 지진에 대하여 약 15.
3 & 4를 비교하면, 상대변위(Δx)에 있어서 BDS는 α > 5 이상의 감쇠용량이 적용되어서 큰 저감 효과를 가지는 반면, IDS는 약 α≈1 정도의 감쇠 용량으로도 상대변위(Δx)에 충분한 저감 효과를 발휘하고 있음을 확인할 수 있다. 이러한 결과로부터 BDS 방식과 IDS 방식간 제어 메카니즘의 차이 및 장단점을 확인할 수 있다.
그러나 감쇠 용량이 증가할수록 이동질량체의 변위뿐만 아니라 미끄러지는 변위(Δx)도 감소하므로 간접적인 제어 효과가 있음을 확인할 수 있다. 즉, 전체적으로 감쇠 용량이 증가함에 따라 최대 변위 응답은 뚜렷하게 감소하는 경향을 보이고 있음을 확인할 수 있다. 한편, Fig.
또한, BD-SS 방식에서는 강성 부재의 증가가 오히려 응답을 증폭시키는 역효과를 유발할 수도 있어 적절한 강성량에 대한 고려가 필요하였다. 한편, IDS 및 ID-SS 방식은 작은 용량으로도 구조물 내 중량 설비의 미끄러지는 응답을 매우 효과적으로 감소시켰으나 구조물 자체의 응답을 줄이는 데에는 거의 효과가 없었다. 즉, IDS 및 ID-SS 방식은 구조물 내부의 2차 시스템에만 효과적인 방식이라 할 수 있으며 큰 용량을 필요로 하지 않는다는 장점을 가진다.
한편, IDS는 두 응답에의 제어 효과는 매우 미비하지만 작은 감쇠 용량으로도 상대변위, 즉 이동질량체의 미끄러지는 응답(Δx)에는 큰 제어 효과를 발휘하고 있음을 확인할 수 있다.

후속연구

이 연구에서는 구조물의 물성치와 마찰계수 등을 하나의 값으로 가정하였으나, 추후 고유 주파수 및 감쇠비 그리고 마찰계수의 변동에 따른 제어시스템의 응답저감 효과의 민감도 분석 연구를 후속 연구로 고려할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지진 발생에 의한 피해는 어떻게 나누어지는가?	한편, 지진 발생에 의한 피해는 구조물의 붕괴 등과 같은 1차 피해와 이로 인하여 유발되는 2차 피해로 나뉜다. 비록 내진 설계 및 내진 보강을 통하여 구조물 자체의 붕괴는 예방하더라도 지진에 의하여 발생한 진동은 구조물 내의 다양한 설비 또는 장비의 충돌을 유발함으로써 2차 피해를 야기할 수 있다.
	진동저감을 위한 제진 장치로 무엇을 적용하였나?	이를 위해서 구조물과 이동질량체로 구성된 이중질량시스템의 비선형 마찰 거동을 효과적으로 모사할 수 있도록 Predictor-Corrector 방법과 Newmark-βN 방법을 접목한 지진 응답 해석 기법7)을 도입하였다. 진동저감을 위한 제진 장치로는 수동형 점성감쇠기(Passive viscous damper) 및 강성과 점성감쇠의 복합시스템(Hybrid system of stiffness member and viscous damper)을 적용하고자 하였다. 이 연구에서는 제어시스템의 효과적 제진 방안으로 두 가지 설치 방식을 고려하였으며, 각 방식에 대하여 제어 용량을 변화시켜가면서 제어 성능의 변화를 비교 분석하였다.
	충돌로 인한 물적⋅인적 손실을 유발할 수 있는 가구 또는 중량의 기계 설비의 예시는 무엇인가?	이 연구에서는 2차 시스템으로서 별도로 고정되지 않고 설치되어 충돌로 인한 물적⋅인적 손실을 유발할 수 있는 가구 또는 중량의 기계 설비 등을 연구 대상으로 고려하고자 하며, 이들은 이동질량체로 모델링될 수 있다. 예를 들어, 병원 내에서는 중량의 의료 장비가 구조물 내벽 또는 사람과 충돌할 수 있으며, 아파트, 학교 또는 물류센터 등 대부분의 구조물 내에도 지진으로 인하여 충돌할 수 있는 설비가 존재한다.

참고문헌 (7)

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상세보기
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T.-H. Lee, M. Kato, T. Matsumiya, K. Suita and M. Nakashima, "Seismic Performance Evaluation of Non- Structural Components: Drywall Partitions", Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 36, No. 3, pp. 367-382, 2007.

상세보기
K.-S. Park, S.-Y. Ok and J. Lee, "Seismic Response Analysis of Two-Mass Rack System Considering Frictional Behavior", Journal of Computational Structural Engineering Institute of Korea, Vol. 31, No. 6, pp. 347-352, 2018.

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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