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문제 정의
- 따라서 본 연구의 목적은 실물크기의 30m 동특성 타워 철골구조물에 수동형 제진장치인 납-고무 제진 장치(Lead Rubber Damper: 이하 LRD)를 적용하여 장치의 성능 및 외부 하중에 대한 구조물의 응답을 평가하고자 하는 것이다. 개발된 LRD의 실제 구조물 적용을 위하여 실험용 LRD를 제작하고 테스트용 철골구조물에 설치하여 진동저감성능을 평가하였다.
- 본 연구에서는 지진에 대비한 기술로 면진기술을 이용한 새로운 제진장치인 LRD를 개발하였다. 기존의 면진장치로 가장 많이 사용하는 납면진장치(Lead Rubber Bearing: 이하 LRB)는 적층고무 중심에 납심을 설치한 구조로 그 구성이 단순하지만 면진에서 요구되는 구조물의 장주기화와 복원력, 감쇠력 그리고 지지력 모두를 충족시킬 수 있는 장치이다.
제안 방법
- 동특성 타워에 LRD 설치 전과 후의 1차 공진주파수 및 감쇠비를 구하기 위하여 조화하중 실험을 수행하였다. LRD 설치 전 동특성 타워의 고유진동수로 예상되는 0.55Hz와 설치 후 고유진동수로 예상되는 0.6Hz를 모두 포함시켜 LRD 설치 전과 후에 동일한 방법으로 5F에 설치된 가진기에 Sin Sweep 신호를 0.49Hz에서 0.63Hz까지 0.01Hz단위로 증가시켜 가진테스트를 실시하였다.
- 수동형 납-고무 제진장치와 토글가새를 접목하여 30m 동특성타워 철골 실구조물에 외부하중에 대한 동특성 실험을 수행하였다. 가진실험은 LRD 설치 전과 후의 가진 신호 및 층별 가속도를 측정하였으며, 이에 따른 주파수 응답함수를 측정하였다. 조화가진 신호는 5F에 설치된 가진기에 Sin Sweep 신호를 0.
- 가진은 구조물이 정상상태(Steady-State)에 도달하도록 5층에 설치된 가진기로 60초 동안 가진한 후 구동을 정지시키고 자유진동상태에서 여진이 끝날 때까지 시간이력을 측정하였다.
- 따라서 본 연구의 목적은 실물크기의 30m 동특성 타워 철골구조물에 수동형 제진장치인 납-고무 제진 장치(Lead Rubber Damper: 이하 LRD)를 적용하여 장치의 성능 및 외부 하중에 대한 구조물의 응답을 평가하고자 하는 것이다. 개발된 LRD의 실제 구조물 적용을 위하여 실험용 LRD를 제작하고 테스트용 철골구조물에 설치하여 진동저감성능을 평가하였다. 평가방법은 동특성 철골구조물의 주요부위에 센서를 설치하고, LRD의 설치 전과 후로 구분하여 철골구조물 5층의 가진기를 이용하여 조화하중을 주어 구조물 동특성변화를 확인하였다.
- 구조물의 층간변위를 토글가새시스템으로 변위량을 증폭시켜 LRD에 전달함으로써 상대적으로 작은 용량으로 제어할 수 있는 기법을 적용하였다.
- 동특성 타워에 LRD 설치 전과 후의 1차 공진주파수 및 감쇠비를 구하기 위하여 조화하중 실험을 수행하였다. LRD 설치 전 동특성 타워의 고유진동수로 예상되는 0.
- 동특성 타워에 LRD 설치 전과 후의 조화가진 실험을 통하여 동특성 타워의 동적응답을 확인하였다. 그 결과를 바탕으로 공진주파수의 감쇠비를 측정하여 결과를 Fig.
- 수동형 납-고무 제진장치와 토글가새를 접목하여 30m 동특성타워 철골 실구조물에 외부하중에 대한 동특성 실험을 수행하였다. 가진실험은 LRD 설치 전과 후의 가진 신호 및 층별 가속도를 측정하였으며, 이에 따른 주파수 응답함수를 측정하였다.
- 평가방법은 동특성 철골구조물의 주요부위에 센서를 설치하고, LRD의 설치 전과 후로 구분하여 철골구조물 5층의 가진기를 이용하여 조화하중을 주어 구조물 동특성변화를 확인하였다. 실험을 통해 얻은 주파수 응답함수로부터 LRD의 유무에 따른 구조물의 고유진동수와 감쇠비의 변화를 분석하였다. 또한 구조해석 프로그램인 마이다스를 사용하여 실험결과와 비교하였다.
- 기존의 면진장치로 가장 많이 사용하는 납면진장치(Lead Rubber Bearing: 이하 LRB)는 적층고무 중심에 납심을 설치한 구조로 그 구성이 단순하지만 면진에서 요구되는 구조물의 장주기화와 복원력, 감쇠력 그리고 지지력 모두를 충족시킬 수 있는 장치이다. 이러한 LRB를 응용하여 새롭게 구성한 LRD는 적층고무와 납의 거동을 최적화하기 위하여 납심을 여러 개로 분리하여 설치하였으며 제진장치가 축방향 변형시 적절한 전단거동을 발휘하도록 이중전단연결구조(Double Shear)로 제작하였다.
- 가진실험은 LRD 설치 전과 후의 가진 신호 및 층별 가속도를 측정하였으며, 이에 따른 주파수 응답함수를 측정하였다. 조화가진 신호는 5F에 설치된 가진기에 Sin Sweep 신호를 0.49Hz에서 0.63Hz까지 0.01Hz단위로 증가시켜 가진테스트를 실시하였다.
- 개발된 LRD의 실제 구조물 적용을 위하여 실험용 LRD를 제작하고 테스트용 철골구조물에 설치하여 진동저감성능을 평가하였다. 평가방법은 동특성 철골구조물의 주요부위에 센서를 설치하고, LRD의 설치 전과 후로 구분하여 철골구조물 5층의 가진기를 이용하여 조화하중을 주어 구조물 동특성변화를 확인하였다. 실험을 통해 얻은 주파수 응답함수로부터 LRD의 유무에 따른 구조물의 고유진동수와 감쇠비의 변화를 분석하였다.
대상 데이터
- 실험에 사용된 LRD는 실제구조물과 달리 소요용량이 적으므로 아래의 Fig. 3과 같이 실험용 LRD를 동특성타워에 적용할 수 있도록 축소 설계하여 제작하였다.
- 5와 같이 가속도계를 설치하였다. 주파수 전달함수를 얻기 위해 가진 신호를 동시에 기록하였고 조화하중 가진은 동특성 타워 5층에 설치되어 있는 리니어 모터를 이용하였다.
데이터처리
- 실험을 통해 얻은 주파수 응답함수로부터 LRD의 유무에 따른 구조물의 고유진동수와 감쇠비의 변화를 분석하였다. 또한 구조해석 프로그램인 마이다스를 사용하여 실험결과와 비교하였다.
성능/효과
- LRD 설치 전 동특성 타워의 5층의 가진기를 이용하여 0.49Hz에서 0.63Hz까지 60초의 동일시간 동안 같은 크기(가진기 입력기준 2V)로 가진한 결과, Fig. 8과 같이 각 층의 진동 가속도 및 변위가 가장 크게 나타난 주파수 대역은 0.55Hz로 확인되었다. 이때 5층의 1회 왕복 시 최대 발생변위는 약 8.
- 2cm로 약 40%증가 한 것으로 확인 할 수 있었다. LRD 설치 전과 후 각각의 공진 주파수 대역에서는 설치 전 5F에서 8.4cm의 변위가 발생한 반면 설치 후 8.2cm로 약 0.2cm의 변위가 감소한 것을 확인할 수 있었다.
- LRD 설치전 해석결과는 0.47Hz로 실험결과의 0.55Hz에 비하여 약 15% 정도 낮게 나타났으며, 또한 LRD 설치후 해석결과는 0.55Hz로 실험결과의 0.62Hz에 비하여 역시 약 11% 정도 낮게 측정되었다. 이는 LRD의 고무재질이 온도의존성 때문으로 실제 실험이 영하의 날씨에 진행되어 고무의 전단강성이 커져 LRD 설치 전과 후의 고유진동수가 구조 해석에 비하여 다소 크게 나타난 것으로 사료된다.
- LRD의 진동 감쇠성능을 확인하기 위하여 각각의 주파수에 따른 변위를 비교한 결과 LRD가 설치된 1층의 직 상층인 2층의 변위에서는 Fig. 13과 같이 전체 주파수 대역에서 확연한 감소를 확인 할 수 있었으나 2층을 제외한 상층부에서는 Fig. 14와 같이 LRD 설치 후 상대적으로 저주파수대역인 0.49Hz~0.58Hz에서는 변위감소 효과를 전 층에서 알 수 있 었다. 그러나 설치 후 동특성 타워의 고유진동수인 0.
- 감쇠비를 측정하여 비교한 결과 LRD 설치 전 동특성타워의 공진주파수인 0.55Hz에서의 감쇠비는 0.8%에서 1.5%로 약 1.9배 증가한 것을 알 수 있으며, LRD 설치 후 동특성 타워의 공진주파수 대역인 0.62Hz에서는 LRD 설치 전 0.9%에서 2.1%로 2.3배 증가 한 것을 확인하였다. 이로서 공진주파수 대역에서의 감쇠비가 댐퍼 설치 전 약 0.
- 그 결과 LRD 설치전 1차 공진주파수는 0.55 Hz였고, 설치후 1차 공진주파수는 0.62Hz임을 확인 할 수 있었다. 또한 LRD 설치 후의 구조해석과 실험결과가 각각 0.
- 3cm이었다. 따라서 LRD 설치 전 철골구조물의 1차 공진주파수는 0.55Hz인 것을 확인할 수 있었다.
- 또한 LRD 설치 후에 동특성 타워를 설치 전과 동일한 방법으로 가진한 결과, Fig. 10과 같이 각 층의 진동 가속도 및 변위가 가장 크게 나타난 주파수 대역은 0.62Hz로 확인되었으며 이때 5F의 발생변위는 약 8.2cm를 나타내었다. 또한 0.
- 3배 증가 한 것을 확인하였다. 이로서 공진주파수 대역에서의 감쇠비가 댐퍼 설치 전 약 0.9%였으나 댐퍼 설치 후 약 2.1% 수준으로 증가 한 것을 확인할 수 있었다.
- 이를 통해 LRD 설치 후 동특성 타워의 1차 공진 주파수는 0.62Hz인 것을 알 수 있었으며 설치 전에 비하여 약 1.3배 공진 주파수가 증가하였다.
- 12에 나타내었다. 측정결과 LRD 설치 전의 1차 공진 주파수인 0.55Hz에서의 변위는 5F에서 8.4cm에서 3.1cm로 약 37%수준으로 낮게 나타났으며, LRD 설치 후의 공진 주파수 인 0.62Hz에서는 3.3cm에서 8.2cm로 약 40%증가 한 것으로 확인 할 수 있었다. LRD 설치 전과 후 각각의 공진 주파수 대역에서는 설치 전 5F에서 8.
후속연구
- 따라서 추가적으로 고무재질의 온도의존성을 포함한 구조해석이 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구를 통하여 실 구조물의 내진 및 내풍 설계시 구조물에 적용하기 위한 설치용 토글가새시스템의 설계를 가능하게 하였으며 또한 외부하중이 작용하는 동특성타워에 토글가새시스템을 설치함으로써 구조물의 진동응답을 효과적으로 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
- 62Hz로 다소 차이를 보였다. 이는 고무재질의 온도의존성에 따른 결과로 보이며 향후 온도의 영향을 포함한 연구가 수행될 것이다.
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