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문제 정의
- 본 논문은 TLD의 설치에 의한 구조물의 진동저감 효과를 파악하기 위해 높이 300m 규모의 초고층 건물을 실험모델로 가정하여 건물 최상부에 TLD모델을 설치하고 건물의 최하단에 지진에 해당하는 가진력 걸어주는 방식으로 TLD 탱크내 물의 높이에 따른 제진성능과 지진파의 주파수에 따른 제진성능을 파악하고자 한다. 해석은 상용 소프트웨어인 MSC/Dytran을 이용하여 수행하였다.
- 전술한 바와 같이 정의된 유한 요소 해식 모델을 통하여 TU)의 제진 특성을 파라미터 해식을 통해 파악하고자 한다. 모델의 파라미터로는 TLD 탱크 내의 물의 높이, 가진 속도장의 주파수이다.
제안 방법
- (3) 가진 속도장의 주파수 변화에 따른 TLD의 제진 특성은 30m 높이의 수위를 가진 고정된 모델로 0.260 m/s의 진폭과 0.365 Hz 가진주파수 모델을 기준으로 수행되었다. 가진주파수가 높아질수록 구조물의 최상부의 진폭은 감소하는 경향을 나타내었으며 기준 주파수 보다 낮은 주파수에서는 진폭이 증가하게 되는데 그 증가 비율은 가진주파수가 높아질 때의 비율보다 더 큰 변화 폭을 가진다는 것이 확인되었다.
- 175%. 200%로 변화시키며 해석을 수행했다. Fig.
- 200%로 변화시키며 해석을 수행했다. Fig. 3 (b)의 입력되는 가진 속도장의 지진파는 주기가 274초로 4번의 주기를 반복하는 시간, 즉 10.96초간 강제 진동 형태로 입력한 후 자유 진동 구간에서의 영향을 중점 적으로 관찰하였으며, 각 파라미터의 변화예 따라 구조물의 진동 저감에 미치는 영향에 대하여 평가하였다. 각 파라미터가 적용된 해석 모델명을 Table 2와 같이 정리하였다.
- 모델의 파라미터로는 TLD 탱크 내의 물의 높이, 가진 속도장의 주파수이다. TLD 탱크 내의 물의 높이는 Om에서 55m까지 0.5m 단위로 증가시키며 해식을 수행했고. 가진 속도장의 주파수는 Fig.
- Tank 내의 수위에 따른 진동 저감효과를 파악하기 위한 H00W-H55W 모델들에서 진동 감쇠 정도를수치적으로 알아보기 위해 각 모델의 자유진동 구간에서 최상부인 높이 3(X)m 지점의 변위에 대해 푸리에 변환을 실시하였다 이를 통해 가장 높은 진폭을 나타내는 주파수가 0.1465 Hz근처에서 나타남을 알았고, 각 모델의 0.1465Hz대에서의 진폭을 Table 3에 나타내었다. Table 3을 통해 TLD 탱크 내의 물의 높이의 변화에 따른 진동의 진폭 감소율을 보면, 낮은 수심 모델의 경우에는 진동 저감 효과를 거의 기대하기 힘들거나 미소한 저감 효과가 나타나고 있으며, 그 중에 H30VR 모델의 경우에는 약 11.
- 건물의 초고층화에 따라 지진, 풍하중 등에 대한 진동의 제어를 위한 방법인 TLD의 효과를 전산 해석적 방법으로 평가하기위해, TLD의 설치 특성인 수위와 외부의 가진 특성인 가진 주파수를 변화시키며 TLD의제진성능을 예측해 보았으며 다음과 같은 결과를 얻을 수 있었다.
- 연성장 해식을 위해 연께 기법 중에서 계산시간에 있어 상당한 이점이 있고. 적은 수의 오일러 격자로도 충분한 해석이 가능한 ALE 연계 기법을 이용하여 구조물 연계면과 유체 연계면을 ALE 연계면으로 정의하였다 연계면 정의를 위해서 Fig.4에서와 같이 shell 요소로 정의한 TL0 탱크와 절점을 공유하고 동일한 형태의 shell 요소로 정의뇐 구조물 연계면(ALE C.S. Tank). 절점을 공유하지 않고 동일한 형태의 shell 요소로 정의된 유체 연계면(ALE C.
- Tank). 절점을 공유하지 않고 동일한 형태의 shell 요소로 정의된 유체 연계면(ALE C.S. Fluid), 그리고 오일리 요소로 정의된 유체예 대하여 모델링을 수행하였으며 W5CM개의 요소와 2W9개의 절점이 사용되었다. TLD 텡M 하부의 절점들과 건물의 춰상부에 위치한 절점들을 강체 연결로 정의하여 건물의 운동 상태를 TLD 탱크에 전달흘? 수 있도록 하였고 구조물은 라그랑지요소로 8(X)0개의 요소와 9999개의 절점으로 구성되었다.
대상 데이터
- 한다. 모델의 파라미터로는 TLD 탱크 내의 물의 높이, 가진 속도장의 주파수이다. TLD 탱크 내의 물의 높이는 Om에서 55m까지 0.
- Fluid), 그리고 오일리 요소로 정의된 유체예 대하여 모델링을 수행하였으며 W5CM개의 요소와 2W9개의 절점이 사용되었다. TLD 텡M 하부의 절점들과 건물의 춰상부에 위치한 절점들을 강체 연결로 정의하여 건물의 운동 상태를 TLD 탱크에 전달흘? 수 있도록 하였고 구조물은 라그랑지요소로 8(X)0개의 요소와 9999개의 절점으로 구성되었다. 해석예 적용한 구조물과 물탱크, 그리고 물에 대한 물성은 Table 2.
- 연구 대상 모델은 국내의 초고층 건물에 해당하는 높이 300m 규모의 구조물이다. 전체적인 모습은 Fig.
- 2 (b)와 (c)에는 최상부에 설치되어 있는 TLD와 건물자체의 형상 및 크기가 나타나 있다. 지진파는 El Centro(1940년) 지진의 데이터 중에서 지배적인 잉향을 미치는 지진파의 주기와 진폭 값인 주기 2.74 s, 진폭 0.260 m/s을 추출하여 Fig. 3과 같은 속도파형을 입력지진파로 사용하였으며, 지진파는 구조물의 최하단에 Fig. 2의 X방향에 대하여 작용시켰다.
데이터처리
- 해석은 상용 소프트웨어인 MSC/Dytran을 이용하여 수행하였다.
이론/모형
- 식 (1)의 운동방정식의 시간 적분은 대류항의 존재로 인해 수치해석 시 많은 어려움이 따른다. 여기서 대류항 처리를 위해 이단계 분리기법(two phase operator split)이 사용됐으며, 이 방법은 먼저 라그랑지 단계가 수행된다. 참조좌표계는 물질좌표계와 일치하게 되고, 따라서 식 (1)에서 상대속도는 0이 된다.
성능/효과
- (1) TLD 탱크 내의 물의 높이는 TLD의 제진 특성에 지배적인 영향을 미치는 파라미터로 이 파라미터의 변화에 따른 진동의 진폭 감소율을 통하여 영향을 평가하였으며 낮은 수심 모델의 경우, 주어진 가진 주파수에서 진동 저감 효과를 거의 기대하기 힘들거나 미소한 저감 효과가 나타났다. 하지만 높은 수심 모델의 경우, 대부분 진동 저감 효과가 나타났으며 H40VR 모델의 경우 24.
- 머지 모델들은 자유진동구간 전체에 대하여 수위에 따른 파라페트릭 해식결과 분석과 같은 방식으로 결과를 정리한 것이 Table 4에 나타나 있다. H30VR 모델을 기준으로 볼 때 가진 속도장의 주파 수비율에 따라 각 모델의 진동은 반비례 관계를 가지고 있는 것으로 나타났다. 건물이 고층이 될수록 낮은 가진 주파수에서 더 큰 변위량을 가질 수 있으며, 가진 주파수가 높아질수록 최상층의 진폭은 작아진다는 것을 알 수 있다.
- 62%의 진동 저감 효과를 나타낸다. H30W 모델보다 높은 수심 모델에서는 거의 대부분 진동 저감 효과가 나타나고 있고, H40W 모델이 24.05%의 가장 큰 진동 저감효과가 나타내었고, H40VR 모델보다 높은 수심 모델의 경우 n 효과가 감소하여 H55VR 모델의 경우 감쇠효과가 미미한 것을 확인할 수 있었다.
- 365 Hz 가진주파수 모델을 기준으로 수행되었다. 가진주파수가 높아질수록 구조물의 최상부의 진폭은 감소하는 경향을 나타내었으며 기준 주파수 보다 낮은 주파수에서는 진폭이 증가하게 되는데 그 증가 비율은 가진주파수가 높아질 때의 비율보다 더 큰 변화 폭을 가진다는 것이 확인되었다.
- H30VR 모델을 기준으로 볼 때 가진 속도장의 주파 수비율에 따라 각 모델의 진동은 반비례 관계를 가지고 있는 것으로 나타났다. 건물이 고층이 될수록 낮은 가진 주파수에서 더 큰 변위량을 가질 수 있으며, 가진 주파수가 높아질수록 최상층의 진폭은 작아진다는 것을 알 수 있다. 또한 주파수가 낮아질수록 진폭의 변화폭은 점점 더 증가함을 알 수 있다.
- 진동 저감 효과를 거의 기대하기 힘들거나 미소한 저감 효과가 나타났다. 하지만 높은 수심 모델의 경우, 대부분 진동 저감 효과가 나타났으며 H40VR 모델의 경우 24.05%의 가장 큰 진동 저감효과가 나타났고, H40VR 모델보다 높은 수심 모델에서는 효과가 감소하는 것을 확인하였다.
후속연구
- 또한 구조물의 높이와 강성, 질량에 따른 TLD설계 변수와 감쇠성능의 상관관계를 파악하는 것도 중요한 연구 방향이 될 것으로 보인다.
- 이러한 결과를 뒷받침하기 위해 가진 주파수대 별 수위 변화모델을 해하는 실험이 차후 진행되어, 가진 주파수 대 별로 진동감쇠에 효과적인 수위를 파악하고 그 경향을 분석하는 작업이 필요할 것으로 보인다. 또한 구조물의 높이와 강성, 질량에 따른 TLD설계 변수와 감쇠성능의 상관관계를 파악하는 것도 중요한 연구 방향이 될 것으로 보인다.
- 또한 주파수가 낮아질수록 진폭의 변화폭은 점점 더 증가함을 알 수 있다. 하지만 이 실험에서 각 가진 주파수 별로 수위가 0인, TLD가 설치되지 않았을 때의 결과와의 차이를 서로 비교해보고 진폭 감소 정도를 파악하는 실험이 차후 필요할 것으로 보인다.
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