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제안 방법
- 3차원 대공간 구조물은 지붕 구조에 일반적으로 이용되는 형상인 리브 돔(Ribbed dome)과 래티스 돔(Latticed dome)을 설정하였으며, 추가적으로 실제 건설된 싱가포르 스포츠 허브 경기장을 해석모델로 설정하였다. 2차원 아치 구조와 리브 돔, 래티스 돔을 선정한 이유는 선행 연구7),8)를 바탕으로 기본적인 대공간 구조물에 TMD를 설치한 후 지진하중에 대한 변위 응답 특성을 파악하고자 단순화된 모델링을 선정하였다.
- TMD를 설치한 후 대공간 구조물과 특성을 비교하고자 [Fig. 3]과 같이 고층건물을 모델링하였다. 해석모델의 경간과 높이는 그림과 같으며, 30층, 40층, 50층 총 3개의 해석모델을 선정하였다.
- 9]는 1개당 TMD 질량비와 변위 응답비의 상관관계를 그래프로 정리하였다. TMD의 질량비를 0~1%로 변화시켜 가면서 구조물의 변위 응답을 검토하였다. 일반적으로 구조물에 설치되는 TMD의 질량을 크게 할수록 동적응답 제어 성능이 증가하게 된다.
- 고층건물에서는 수평방향의 지진하중에 대해서 수평방향 변위 응답 결과를 검토하였으나, 대공간 구조물은 수직방향 변위 응답에 대한 검토를 실시하였다. 그 이유는 대공간 구조물이 가지는 특성 중 하나로 수평방향의 지진하중에 대해 동적응답은 주로 수직방향으로 나타난다는 것이다.
- 앞서 언급한 바와 같이 TMD는 구조물의 진동수와 동일한 진동수를 가지도록 설계되어야 최대의 응답 저감 효과를 나타낼 수 있다. 그러므로 TMD는 최적감쇠비와 최적진동수비 식에 의해 전체구조물의 1차 고유진동수에 맞춰 설계하였다. 기본적으로 TMD 1개의 질량은 구조물 질량의 1%로 설정하고, 점진적으로 질량을 줄여가며 변위 응답을 분석하였다.
- 기본적으로 TMD 1개의 질량은 구조물 질량의 1%로 설정하고, 점진적으로 질량을 줄여가며 변위 응답을 분석하였다. 그리고 [Fig. 5]와 같이 사용한 지진하중은 해석모델별로 전체구조물의 1차 고유진동수와 동일한 공진조화하중을 가진하여 해석을 수행하였다.
- 그러므로 TMD는 최적감쇠비와 최적진동수비 식에 의해 전체구조물의 1차 고유진동수에 맞춰 설계하였다. 기본적으로 TMD 1개의 질량은 구조물 질량의 1%로 설정하고, 점진적으로 질량을 줄여가며 변위 응답을 분석하였다. 그리고 [Fig.
- 고층건물과 비교하여 대공간 구조물에 나타나는 가장 대표적인 특징은 작은 TMD 질량비에도 제어 성능이 우수하다는 점이다. 또한 구조설계 단계에서 TMD 질량비를 선정할 때는 다음과 같은 범위 내에서 선택하는 것을 제안한다. 고층건물의 경우 0.
- 본 연구에서는 대공간 구조물과 고층건물에 TMD를 설치한 후 지진하중에 대한 변위 응답을 분석하였다. 대공간 구조물의 경우 다양한 진동모드의 영향으로 복잡한 동적거동을 나타내기 때문에 일반 건축물과는 달리 하나의 TMD만 설치하여 지진응답을 효과적으로 제어할 수 없다.
- 본 연구에서는 지진하중을 받는 대공간 구조물과 고층건물에 TMD를 설치한 후 질량 변화에 따른 변위 응답을 분석하였다. 앞선 분석 결과에서 알 수 있듯이 구조물에 TMD를 설치하고 지진하중에 대해 우수한 제어 성능을 확보하기 위해서는 최적의 TMD 질량을 선정하는 것이 가장 중요한 변수이다.
- 따라서 선행 연구7) 결과를 바탕으로 대공간 구조물에 TMD를 설치하였을 때 최적의 설치 개수를 가지고 변위 응답을 확인하였으며, 고층건물 역시 대공간 구조물에 설치한 TMD 개수와 동일하게 설정하여 연구를 수행하였다. 아울러 구조물에 설치되는 TMD 질량을 점진적으로 감소시키며 변위 응답과 질량비와의 상관관계를 검토하였다.
- 동조질량감쇠기(Tuned Mass Damper, TMD)는 가장 일반적인 형태의 수동형 질량 부가감쇠장치이며 일반적으로 질량체, 스프링 및 감쇠장치로 구성된다. 주어진 감쇠비와 진동수비에 따라 스프링의 강성과 감쇠장치의 감쇠를 조절하며, 스프링의 강성은 구조물의 해석 모델에 기초하여 대략적으로 결정된 후 실제 계측된 구조물 고유진동수에 따라 실제의 값을 조정할 수 있도록 설계된다. 사용 기간 동안 구조물의 고유진동수의 변화에 따라 스프링의 강성을 조절하기도 하지만 초기 동조된 값에서 변하지 않는 것이 일반적이다3).
- 해석모델의 경간과 높이는 그림과 같으며, 30층, 40층, 50층 총 3개의 해석모델을 선정하였다. 층수는 서로 다르게 설정하였으나 동일한 세장비를 가지도록 모델링 하였으며, 높이 및 경간에 대한 정보는 그림과 표에 함께 나타내었다. 고층건물의 제원은 [Table 2]에 나타내었다.
- 해석결과에 대한 분석은 고층건물의 변위 응답 분석을 먼저 수행하였고, 대공간 구조물에 대한 변위 응답을 분석한 후 비교하는 방식으로 나타내었다.
대상 데이터
- 1]과 같이 나타내었다. 3차원 대공간 구조물은 지붕 구조에 일반적으로 이용되는 형상인 리브 돔(Ribbed dome)과 래티스 돔(Latticed dome)을 설정하였으며, 추가적으로 실제 건설된 싱가포르 스포츠 허브 경기장을 해석모델로 설정하였다. 2차원 아치 구조와 리브 돔, 래티스 돔을 선정한 이유는 선행 연구7),8)를 바탕으로 기본적인 대공간 구조물에 TMD를 설치한 후 지진하중에 대한 변위 응답 특성을 파악하고자 단순화된 모델링을 선정하였다.
- 리브 돔과 래티스 돔은 기본적으로 1/4지점의 위치에 TMD를 설치하고, 선행 연구7),8) 결과에 따라 8개의 TMD를 설치하였다. 또한 싱가포르 스포츠 허브 경가장은 선행 연구8),9) 결과에서 지진하중에 대한 변위 응답 저감 효과가 가장 뛰어났던 해석모델을 선정하여 8개의 TMD를 설치하였다.
- 해석모델에 사용된 대공간 구조물은 2차원 아치 구조물과 3차원 돔 구조물을 설정하여 [Fig. 1]과 같이 나타내었다. 3차원 대공간 구조물은 지붕 구조에 일반적으로 이용되는 형상인 리브 돔(Ribbed dome)과 래티스 돔(Latticed dome)을 설정하였으며, 추가적으로 실제 건설된 싱가포르 스포츠 허브 경기장을 해석모델로 설정하였다.
- 3]과 같이 고층건물을 모델링하였다. 해석모델의 경간과 높이는 그림과 같으며, 30층, 40층, 50층 총 3개의 해석모델을 선정하였다. 층수는 서로 다르게 설정하였으나 동일한 세장비를 가지도록 모델링 하였으며, 높이 및 경간에 대한 정보는 그림과 표에 함께 나타내었다.
이론/모형
- 본 연구에서는 Warburton(1982)이 제안한 TMD 설계변수 최적값을 사용하였다. 식 (1)은 최적감쇠비, 식 (2)는 최적진동수비를 산정하는 방정식이다.
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