Upload
others
View
1
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation SocietyVol. 18, No. 7 pp. 720-725, 2017
https://doi.org/10.5762/KAIS.2017.18.7.720ISSN 1975-4701 / eISSN 2288-4688
720
TMD ๊ธฐ๋ฐ ์ ์ํ ์ค๋งํธ ๊ตฌ์กฐ์ ์ด์์คํ ์
๋ฉํฐํด์ ๋ ์ ์์ฑ ํ๊ฐ
๊นํ์์ ๋ฌธ๋ํ๊ต ๊ฑด์ถ์ฌํํ๊ฒฝํ๋ถ
TMD-Based Adaptive Smart Structural Control System for Multi-Hazard
Hyun-Su KimDivision of Architecture, Architectural and Civil Engineering, Sunmoon University
์ ์ฝ ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ๋ฉํฐ ํด ๋๋ฅผ ๊ณ ๋ คํ ๋น๋ฉ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์ ์ฑ ์ฌ์ฉ์ฑ์ ํ ํ๊ฐ๋ฅผ ์ํํ ๊ณ ์ง์ง ํ ํ
ํ ์ ํ ์ ์ฑ๊ณผ ์ฌ์ฉ์ฑ์ด ๋ จ๋ ๊ตฌ์กฐ ์ฑ๋ฅ์ ๊ฐ์ ํ๊ธฐ ํ์ฌ TMD ๊ธฐ๋ฐ ์ํ ์ค๋งํธ ๊ตฌ์กฐ ์ ์ด ์์คํ ์ ์ ์ ํ ๋ค. TMD ๊ธฐ๋ฐ ์ํ ์ค๋งํธ ๊ตฌ์กฐ ์ ์ด ์์คํ ์ MR ๊ฐ์ ๊ธฐ๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ๊ตฌ์ฑํ ๋ค. ๋ฉํฐ ํด ๋ ํ ์ ์์ฑํ๊ธฐ
ํ์ฌ ๋ฏธ๊ตญ์ ํ ๊ฐ์ง ์ง์ญ ๊ฐํ ์ง์ญ์ ์ ํ ํ์ฌ ํด๋น ์ง์ญ์ ํน์ฑ์ ๊ณ ๋ คํ ์ธ๊ณต ์ง์ง ํ ์ธ๊ณต ํ ํ ์
์์ฑ ํ ๋ค. ์์ฑ๋ ํ ์ ์ฌ์ฉํ์ฌ 20์ธต ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์ ์ฑ ์ฌ์ฉ์ฑ์ ๊ฒํ ํ ๋ค. ์ ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์ ์ฑ
์ฌ์ฉ์ฑ์ ๊ฐ์ ํ๊ธฐ ํ์ฌ ์ค๋งํธ TMD๋ฅผ ์ฉ ํ ๊ณ ์ฑ๋ฅ ๊ฐ์ ์ ๋๋ฅผ ํ๊ฐํ ๋ค. ์ค๋งํธ TMD๋ MR ๊ฐ์ ๊ธฐ๋ฅผ ์ด์ฉํ์ฌ ๊ตฌ์ฑํ ๋ค. ์์น ํด์ ๊ฒฐ๊ณผ ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ๋ฉํฐ ํด ๋์ ํ์ฌ ์ ์ฑ ์ฌ์ฉ์ฑ ์ธก๋ฉด์์ ๋ชจ๋ ์ค๊ณ ๊ธฐ ๊ฐ์ ๋ฒ์ด๋ฌ
๋ค. ์ค๋งํธ TMD๊ฐ ์ ์ฑ๊ณผ ์ฐ ๋๋ ์ง์ง ์๋ต๊ณผ ์ฌ์ฉ์ฑ๊ณผ ์ฐ ๋๋ ํ ์๋ต์ ๋ชจ๋ ํจ๊ณผ ์ผ๋ก ๊ฐ์ํค๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ
๋ค.
Abstract This paper evaluated the safety and serviceability of a building structure considering the multi-hazard and proposed TMD-based adaptive smart control system to improve the structural performance. To make multi-hazard loads, an artificial earthquake and artificial wind loads were generated based on representative regions of strong seismicity and strong wind in U.S.A. The safety and serviceability of a 20-story example building structure were investigated using the generated artificial loads. A smart TMD was employed to improve the safety and serviceability of the example structure and its capacity of structural performance improvement was evaluated. The smart TMD wascomprised of a MR (magnetorheological) damper. Numerical analysis showed that the example building structure could not satisfy the design limit of safety and serviceability with respect to multi-hazard. The smart TMD effectivelyreduced the seismic responses associated with the safety and wind-induce responses associated with serviceability.
Keywords : Seismic Responses, Wind-Induced Responses, Multiple Hazards, MR Damper, Vibration Control Algorithm,Dynamic Response Reduction.
์ด ๋ ผ๋ฌธ์ 2016๋ ๋ ์ ๋ถ(๊ต์ก๋ถ)์ ์ฌ์์ผ๋ก ํ๊ตญ์ฐ๊ตฌ์ฌ๋จ์ ์ง์์ ๋ฐ์ ์ํ๋ ์ฐ๊ตฌ์ (NRF-2016R1D1A1A09919159)*Corresponding Author : Hyun-Su Kim (Sunmoon Univ.)Tel: +82-41-530-2315 email: [email protected] April 24, 2017Accepted July 7, 2017
Revised May 16, 2017Published July 31, 2017
1. ์๋ก
์ต๊ทผ ๊ตญ๋ด์ธ ์ผ๋ก ํ ์ง์ง์ด๋ ํํ ํ์์ ๊ฐ
์ ๊ท๋ชจ ์์ฐ์ฌํด๊ฐ ๋น๋ฒํ๊ฒ ๋ฐ์ํ์ฌ ์ธ๋ช ํผํด
์ฌ์ฐํผํด๊ฐ ๊ฒฉํ ์ฆ๊ฐํ๊ณ ์๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๊ทผ๋์ ๋ฉํฐํด ๋(๋ค ์ฌ๋ํ ) ์ํฉ์์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์ ์ฑ ํ๊ฐ
๋ ์ค๊ณ๋ฐฉ๋ฒ์ ํ ์ฐ๊ตฌ๊ฐ ๋ค์ ์งํ๋๊ณ ์๋ ์ํฉ์ด
๋ค[1,2]. ๋ฉํฐํด ๋ ํด์์ ํ ๊ฐ๋ ์ด ์๋นํ ๋ฒ
TMD ๊ธฐ๋ฐ ์ ์ํ ์ค๋งํธ ๊ตฌ์กฐ์ ์ด์์คํ ์ ๋ฉํฐํด์ ๋ ์ ์์ฑ ํ๊ฐ
721
ํ๊ณ ์ํ๋ ๋ จ ์ฐ๊ตฌ์ ๋ฒ ๋ ๋งค์ฐ ๋๊ฒ ํผ์ณ์ ธ ์๋ค. ์ฆ, ์ด๋ค ์ฐ๊ตฌ๋ ๊ฐํ ์ง์ง์ด ๋ฐ์ํ ํ ๋ฐ์ํ ์ ์๋ ํ์ฌ๋ ํ์์ ๊ฐ์ด ๋์์ ๋ฐ์ํ๋ ์ฌ๋ํ ์ ํ
์ฐ๊ตฌ๋ฅผ ๋ฉํฐํด ๋ ํด์์ผ๋ก ์ ์ํ๊ณ ์๋ ๋ฐ๋ฉด์
๋ค๋ฅธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ๋ค๋ฅธ ์๊ฐ์ ์๋ก ์ฐ ์ด ์
์ด ํฅ์ ๋ฏธ์น๋ ์ฌ๋ํ ์ ๋ค๋ฃจ๊ณ ์๋ค. ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ํ์์ ์ฐ๊ตฌ ๊ฐ๋ ์ ๋์ ํ์ฌ ๋ฉํฐํด ๋์ ํ์ฌ
TMD ๊ธฐ๋ฐ ์ํ ์ค๋งํธ ๊ตฌ์กฐ์ ์ด์์คํ ์ ์ ์ด์ฑ๋ฅ์ ๊ฒํ ํ ๋ค.๋ฉํฐํด ๋์ ํ ์ ํ์ฐ๊ตฌ๋ฅผ ๋ณด๋ฉด ๋ถ๋ถ์ ์ฐ๊ตฌ๊ฐ
๋ค ์ฌ๋ํ ์ ํ๋ฅ ๋ก ํ๋ํ๊ฐ์ ํ ์ฐ๊ตฌ์์
์ ์ ์๋ค. ์ฆ, ์ง์งํ ํํ ๊ณผ ๊ฐ์ ๋ฉํฐํด ๋
์ ํด ์ ์ฑ๊ณผ ์ฌ์ฉ์ฑ์ ์๊ฐ์ด๋ ฅํด์์ ํตํด ๊ฒํ ํ
์ฌ๋ก๋ ์์ง ๋ง์ด ๋ณด๊ณ ๋์ง ์๊ณ ์๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์ธ๊ณต ์ง์งํ ๊ณผ ํํ ์ ์ฌ์ฉํ ์๊ฐ์ด๋ ฅํด์์
์ํํ ๋ค. ๋ฉํฐํด ๋๋ฅผ ๊ตฌ์ฑํ๋ ๊ฐ์ง์ง์ญ์ ํํ
๋ ์ง์งํ ์ ๋ฏธ๊ตญ LA ์ง์ญ์ ํน์ฑ์ ๊ธฐ๋ฐ์ผ๋ก ์์ฑํ๊ณ ๊ฐํ์ง์ญ์ ํํ๋ ํํ ์ ๋ฏธ๊ตญ ์ฐฐ์คํด ์ง์ญ์
ํน์ฑ์ ๊ธฐ๋ฐ์ผ๋ก ์์ฑํ ๋ค. TMD ๊ธฐ๋ฐ ์ํ ์ค๋งํธ ๊ตฌ์กฐ์ ์ด์์คํ (์ค๋งํธ TMD)๋ฅผ ๊ตฌ์ฑํ๊ธฐ ํ์ฌ MR ๊ฐ์ ๊ธฐ๋ฅผ ์ฌ์ฉํ ๊ณ Bouc-Wen ๋ชจ๋ธ[3]์ ์ฌ์ฉํ์ฌ ๋ชจํํํ ๋ค. ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์ ์ฑ ํ๊ฐ๋ ASCE 7-10[4]์ ๊ทผ๊ฑฐํ์ฌ ์ต ์ธต๊ฐ๋ณ ๋ก ๋จํ ๊ณ ์ฌ์ฉ์ฑ ํ๊ฐ๋
Tallin๊ณผ Ellingwood์ ์ฐ๊ตฌ๊ฒฐ๊ณผ[5]์ ๋ฐ๋ผ ์ต ๊ฐ์๋
์๋ต์ ๊ธฐ ์ผ๋ก ํ๊ฐํ ๋ค.
2. ํด์๋ชจ๋ธ ๋ฐ ์ค๋งํธ TMD์ ๊ตฌ์ฑ
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ๋์์ ๊ฑด์ค๋ 20์ธต ๋น๋ฉ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ๋ก ์ ํํ ๋ค. ์ ํํ ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์๋ Fig. 1์์ ๋ณด๋ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด ์ค๋งํธ TMD๋ฅผ ์ต์์ธต์ ์ค์นํ๋ค. 20์ธต ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ๊ฐ ์ธต๋ณ ์ง ์ง๋()๊ณผ ๊ธฐ๋ฅ๊ฐ
์ฑ() ์ฑ๊ฐ์ ๋ก ํ ๋๋ ๋จ๋น๋ฉ๋ชจ๋ธ์ ์ฌ์ฉํ
์ฌ ๋ชจํํํ ๋ค. ๊ฑด๋ฌผ์ ์ธต ์ง๋( )์ ร์ผ
๋ก ๋ชจ๋ ์ธต์ ๋์ผํ๊ฒ ๋์๊ณ ๊ฐ ์ธต์ ๊ฐ์ฑ( )์
ร๋ก ๋์๋ค. ํ ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ 1์ฐจ๋ชจ๋์ 2์ฐจ๋ชจ๋ ๊ฐ์ ๋น๋ฅผ 2%๋ก ๊ฐ์ ํ์ฌ Rayleigh ๊ฐ์ ๋ก ๊ฐ์ ํ๋ ฌ์ ๊ตฌ์ฑํ ๋ค. ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์ ์ฌ์ฉํ ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์ด์ฉํ์ฌ ๊ณ ์ ์นํด์ ํ ๊ฒฐ๊ณผ 5๊ฐ ์ฐจ๋ชจ๋ ๊ณ ์ ์ง๋์ฃผ๊ธฐ๋ 1.96, 0.65, 0.39, 0.28, 0.22 ๋ก ๋ํ๋ฌ๋ค.
k1
k2
k19
k20
MR damper
m1
m2
m19
m20
Fig. 1. Example structure with smart TMD
์ต์์ธต์ ์ค์น๋ ์ค๋งํธ TMD์ ์ง๋์ ์ฒด ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ ์ง๋์ 3%๋ก ์ค์ ํ ๋ค. ์ค๋งํธ TMD์ ๊ฐ์ฑ์ ์ค๋งํธ TMD์ ์ฃผ๊ธฐ๊ฐ 20์ธต ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ 1์ฐจ๋ชจ๋ ๊ณ ์ ์ง๋์ฃผ๊ธฐ์ ์ผ์นํ๋๋ก ์กฐ์จํ ๋ค. ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์ ์ฌ์ฉํ ์ค๋งํธ TMD๋ Fig. 1์ ๋ํ๋ธ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด ๊ฐ์ฑ MR ๊ฐ์ ๊ธฐ๋ก๋ง ๊ตฌ์ฑ๋์ด ์๊ณ ์ผ๋ฐ ์๋ TMD์์ ์ฌ์ฉ๋๋ ์๋ ๊ฐ์ ๊ธฐ๋ ์ฌ์ฉํ์ง ์์๋ค. ์ค๋งํธ TMD์ ์ ์ด์ฑ๋ฅ์ ์ผ๋ฐ ์ผ๋ก MR ๊ฐ์ ๊ธฐ์ ์ฉ๋์ ๋ฐ๋ผ์ ํฐ ํฅ์ ๋ฐ๊ฒ ๋๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ 50kN ์ฉ๋์
MR ๊ฐ์ ๊ธฐ ํด์๋ชจ๋ธ์ ์ฌ์ฉํ์ฌ ์ฉ๋์ ๋ณํ์ํค๋ ๋ผ๋ฉํฐ ํด์์ฐ๊ตฌ๋ฅผ ์ํํ ๊ณ ์ง์ง ํํ ์ ํ์
๊ฐ์ฅ ํจ๊ณผ ์ผ๋ก ์ ์ด์ฑ๋ฅ์ ๋ํ๋ด๋ MR ๊ฐ์ ๊ธฐ ์ฉ๋์ ๊ฒํ ํ ๋ค. 50kN MR ๊ฐ์ ๊ธฐ์ ์๋-ํ ๊ณ๋ฅผ Fig. 2์ ๋ํ๋ด์๋ค. ๊ทธ๋ฆผ์์ ๋ณผ ์ ์๋ฏ์ด MR ๊ฐ์ ๊ธฐ๋ก ๋ฌ๋๋ ์ต ์์ 5 volt์ด๊ณ ์ต์ ์์ 0 volt์ด๋ค.
-40 -20 0 20 40Velocity (cm/sec)
-75
-50
-25
0
25
50
75
MR
Fo
rce
(kN
)D
ampe
r
passive-on (5V)
passive-off (0V)
Fig. 2. Velocity-force relationship of 50kN MR damper
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ํํ ์ง์งํ ์ ๋ฐ๋ ์ค๋งํธ
TMD๋ฅผ ํจ๊ณผ ์ผ๋ก ๋ฅ๋ ์ ์ด์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ผ๋ก ๋ฆฌ ์ฌ
์ฉ๋๊ณ ์๋ ๊ทธ๋ผ์ด๋ํ (groundhook)[6]์ ์ด์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ
ํ๊ตญ์ฐํ๊ธฐ์ ํํ๋ ผ๋ฌธ์ง ์ 18๊ถ ์ 7ํธ, 2017
722
์ ์ฌ์ฉํ ๋ค. ๋ค์ํ ๋ฒ ์ ์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ ์์ ๋ณ ๊ธฐ
๋ฐ on-off ๊ทธ๋ผ์ด๋ํ ์ ์ด์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ ์ฉํ ๋ค. ๊ทธ๋ผ์ด๋ํ ์ ์ด์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ ๋น๊ต ๊ฐ๋จํ ์ฐ์ฐ์ผ๋ก ์ค๋งํธ
TMD๋ฅผ ์ด๋ ์ ๋ ํจ๊ณผ ์ผ๋ก ์ ์ดํ ์ ์๋ ๊ฒ์ผ๋ก
์๋ ค์ ธ ์๋ค[7].
3. ๋ฉํฐํด์ ๋ ํ์ค
๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ๋ฉํฐํด ๋ ํ ์ ์์ฑํ๊ธฐ ํ์ฌ
๋ฏธ๊ตญ์ LA ์ฐฐ์คํด ์ง์ญ์ ํน์ฑ์ ์ด์ฉํ ๋ค. LA๋ ๋ฏธ๊ตญ์ ํ ์ธ ๊ฐ์ง์ง์ญ์ผ๋ก์ ์ด๋ฅผ ๋ฐํ์ผ๋ก ์ธ๊ณต์ง
์งํ ์ ์์ฑํ ๊ณ ๋ฏธ๊ตญ ๋๋ถ์ ์ฐฐ์คํด์ ํ๋ฆฌ ์ธ์
ํฅ์ ์์ฃผ ๋ฐ๋ ํ ์ธ ๊ฐํ์ง์ญ์ผ๋ก ์ด ์ง์ญ์ ํน
์ฑ์ ๋ฐํ์ผ๋ก ์ธ๊ณตํํ ์ ์์ฑํ ๋ค. ASCE 7-10[4]์ ๊ธฐ ์์ ์ ์ํ๋ LA์ ์ต ์ง์ง๊ฐ์๋(PGA; Peak Ground Acceleration)๋ 0.626g์ด๊ณ ์ฐฐ์คํด์ ์ค๊ณ๊ธฐ ํ์(Vs)์ 63m/s์ด๋ค. ๋ฉํฐํด ๋ ํ ์ง์ง
ํ ์ ASCE 7-10์ ๋ฐํ์ผ๋ก Fig. 3์ ๋ํ๋ธ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด LA์ง์ญ์ ์ค๊ณ์๋ต์คํํธ๋ผ์ ์์ฑํ ํ ํด๋น ์๋ต์คํํธ๋ผ์ ์ ๋ํ๋ด๋ ์ธ๊ณต์ง์งํ ์ SIMQKE[8]์ ์ฌ์ฉํ์ฌ ์์ฑํ ๋ค. ์์ฑ๋ ์ธ๊ณต์ง์งํ ์ ์๋ต์คํ
ํธ๋ผ์ Fig. 3์ ์ค๊ณ์๋ต์คํํธ๋ผ๊ณผ ํจ๊ป ๋ํ๋ด์๋ค.
0 1 2 3 4 5Period (sec)
0
0.4
0.8
1.2
1.6
2
Spec
tral
Acc
eler
atio
n (g
) Design Spectrum for LAArtificial EQ for LA
Fig. 3. Design and artificial EQ spectrum
์ธ๊ณต์ง์งํ ์ 0.01 ์ ์๊ฐ๊ฐ๊ฒฉ์ผ๋ก 30 ๊ธธ์ด๋ก
์์ฑํ ๊ณ ์์ฑํ ์ธ๊ณต์ง์งํ ์ ์๊ฐ์ด๋ ฅ๊ทธ๋ ๋ฅผ
Fig. 4์ ๋ํ๋ด์๋ค.
0 10 20 30Time (Sec)
-0.8
-0.4
0
0.4
0.8
Gro
und
Acc
eler
atio
n (g
)
Fig. 4. Ground acceleration of artificial EQ
๋ฉํฐํด ๋์ ๊ฐํ์ง์ญ ์ธ๊ณตํํ ์ ์์ฑํ๊ธฐ ํ
20์ธต ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์ฐฐ์คํด์ง์ญ ํ๊ท ํ์๊ทธ๋ ์ ๋ณ๋
ํ์์ ๋๋ฅ๊ฐ๋๋ฅผ ์ธต๋ณ๋ก Fig. 5์ ๋ํ๋ด์๋ค. ๊ทธ๋ฆผ์์ ๋ณด๋ ๊ฒ์ฒ๋ผ ํ๊ท ํ์์ ๊ณ ์ธต์ผ๋ก ์ฌ๋ผ๊ฐ์๋ก ๋์ด๋
๊ณ ๋ณ๋ํ์์ ๋๋ฅ๊ฐ๋๋ ๊ณ ์ธต์ผ๋ก ์ฌ๋ผ๊ฐ์๋ก ์์์ง
๋ ๊ฒ์ ์ ์ ์๋ค.
0 20 40 60 80 100Wind Velocity (m/s)
0
4
8
12
16
20
Stor
y
240 280 320 360 400Turbulence Intensity
Fig. 5. Average wind velocity and turbulence intensity along the story
์ธ๊ณตํํ ์ ์์ฑํ๊ธฐ ํ์ฌ ํด์๋ ๊ฑด๋ฌผ์ ๋์ด
ํํ ๋ฑ์ ๊ฒฐ์ ํ๋ ๊ฒ์ด ํ์ํ๋ค. ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์๋ ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์ธต๊ณ ๋ฅผ 4m๋ก ํ์ฌ ์ฒด ๊ฑด๋ฌผ์ ๋์ด๋ฅผ 80m๋ก ๋์๊ณ ํํ ์ ๋ฐ๋ ๊ฑด๋ฌผ์ ํญ์ 16m๋ก ํ ๋ค. ์ธ๊ณตํํ ์ ์์ฑํ๊ธฐ ํ ๊ธฐ๋ณธํ์์ผ๋ก๋ ์ฐฐ์คํด ์ง์ญ
์ ๊ฐ์ธ 63m/s๋ก ํ ๊ณ ๋ ธํ๋๋ C, ์๋๊ณ์๋ 1.0์ผ๋ก ํ ๋ค. ๋ฆฌ ์ฌ์ฉ๋๊ณ ์๋ Kaimal Spectrum์
TMD ๊ธฐ๋ฐ ์ ์ํ ์ค๋งํธ ๊ตฌ์กฐ์ ์ด์์คํ ์ ๋ฉํฐํด์ ๋ ์ ์์ฑ ํ๊ฐ
723
์ด์ฉํ์ฌ ์ธ๊ณตํํ ์ ์์ฑํ ๊ณ ์ธ๊ณตํํ ์ 0.1
๊ฐ๊ฒฉ์ผ๋ก 300 ๋์์ ํํ ์๊ฐ์ด๋ ฅ์ ์์ฑํ ๋ค. ์์ฑ๋ ์ธ๊ณตํํ ์ 20์ธต ์๊ฐ์ด๋ ฅ์ Fig. 6์ ๋ํ๋ด์๋ค.
0 100 200 300Time (Sec)
-350-300-250-200-150-100-50
050
100150200250300350
20th
Str
oy W
ind
Loa
d (k
N)
Fig. 6. 20th story wind load time history
4. ๋ฉํฐํด์ ๋ ์ ์ด์ฑ๋ฅ ํ๊ฐ
๋ณธ ๋ ผ๋ฌธ์์๋ ์๋ก ๋ ํน์ฑ์ด ์์ดํ ์ง์งํ
ํํ ์ ๋ฉํฐํด ๋ ํ ์ผ๋ก ์ ์ ํ๊ณ ์ด์ ํ ์ค๋ง
ํธ TMD์ ์ ์ด์ฑ๋ฅ์ ๊ฒํ ํ ๋ค. ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์ง์ง
ํ ์ด๋ ํํ ์ ํ ์ ์ฑ ์ฌ์ฉ์ฑ์ ๊ฒํ ํ๊ธฐ
ํด์๋ ์ฑ๋ฅ๊ธฐ ์ ์ค์ ํ๋ ๊ฒ์ด ํ์ํ๋ค. ์ง์งํ์ ๋ฐ๋ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์ ์ฑ์ ๊ฒํ ํ๊ธฐ ํ์ฌ ์ฌ์ฉ๋๋
์งํ๊ฐ ๋ง์ด ์์ง๋ง ๊ทธ ์์ ๋ณธ ๋ ผ๋ฌธ์์๋ ๊ฐ์ฅ ๋ฆฌ
์ฌ์ฉ๋๊ณ ์๋ ์ธต๊ฐ๋ณ (inter-story drift)๋ฅผ ์ฌ์ฉํ ๋ค. ์ง์งํ ์ ํ ์ธต๊ฐ๋ณ ์ ํ์ฉ๊ธฐ ์ ํด์๋
ASCE7-10 IBC2012 ์ค๊ณ๊ธฐ ์์ ์ธต๊ณ ์ 1.5%๋ฅผ ์ต ์ธต๊ฐ๋ณ ๋ก ์ ์ํ๊ณ ์๋ค. ์ ํ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด ๋ณธ ์ฐ๊ตฌ์์ ์ฌ์ฉํ๋ ๋น๋ฉ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์ธต๊ณ ๋ 4m์ด๊ธฐ ๋๋ฌธ์ ์ง์งํ ์ ํ ์ ์ฑ์ ๊ฒํ ํ๊ธฐ ํ ๊ธฐ ์ ์ธต๊ฐ๋ณ
0.06m์ด๋ค. ํํ ์ ํํ๊ณผ ๊ฐ์ ๊ฐํ์ผ์ง๋ผ๋ ๊ฑด
์ถ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์ ์ฑ์ ํฅ์ ๋ฏธ์น๊ธฐ ๋ณด๋ค๋ ์ฌ์ฉ์ฑ์ ๋ฌธ
์ ๋ฅผ ์ผ๊ธฐํ๋ ๊ฒฝ์ฐ๊ฐ ๋ง๋ค. ํํ ์ ๋ฐ์์ ์ง๋ํ๋
๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์ฌ์ฉ์ฑ์ ํ ์ฐ๊ตฌ๊ฐ ๋ค์ ์ํ๋์ด์๋ค. ๋ณธ ๋ ผ๋ฌธ์์๋ Tallin๊ณผ Ellingwood[5]๊ฐ ์ ์ํ ์ฌ๋ฆฌ ์
์ ๊ณผ ์ผ์ ์ธ ์์ ์ ํ ์ ์๋ ๊ธฐ ์ธ 0.04g (0.39m/s2)๋ฅผ ์ค๊ณ๊ธฐ ์ผ๋ก ์ ํํ ๋ค.์ค๋งํธ TMD์ ์ํ ๋ฉํฐํด ๋ ์ ์ด์ฑ๋ฅ์ ํ๊ฐํ
๊ธฐ ํ์ฌ MR ๊ฐ์ ๊ธฐ์ ์ฉ๋์ ๋ณํ์ํค๋ฉด์ ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์ต ์ธต๊ฐ๋ณ ๋ฅผ ๊ฒํ ํ์ฌ Fig. 7์ ๋ํ๋ด์๋ค. ๊ทธ
๋ฆผ์ ๋ณด๋ฉด MR ๊ฐ์ ๊ธฐ์ ์ฉ๋์ด ์ปค์ง์๋ก ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์ต ์ธต๊ฐ๋ณ ๊ฐ ํฐ ํญ์ผ๋ก ๊ฐ์ํ๋ค๊ฐ ์ฝ 6,500kN์ดํ๋ถํฐ๋ ์ฆ๊ฐํ๋ ๊ฒ์ ์ ์ ์๋ค. ๊ทธ๋ฆผ์์ ๋ณด๋ฏ์ด ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์ ์ดํ์ง ์์ ๊ฒฝ์ฐ์๋ 0.06m๋ณด๋ค ๋ ํฐ ์ต ์ธต๊ฐ๋ณ ๋ฅผ ๋ํ๋ด๋ฏ๋ก ์ค๊ณ๊ธฐ ์ ๋ง์กฑํ์ง ๋ชปํ๋ค. ์ผ๋ฐ ์ธ ์๋ TMD๋ฅผ ์ฌ์ฉํ ๊ฒฝ์ฐ์๋ ์ต ์ธต๊ฐ๋ณ
๋ฅผ 0.0412๊น์ง ์ผ ์ ์์ผ๋ฏ๋ก ์ค๊ณ๊ธฐ ์ ๋ง์กฑ์ํฌ
์ ์์๊ณ ์ค๋งํธ TMD๋ฅผ ์ฌ์ฉํ ๊ฒฝ์ฐ์๋ MR ๊ฐ์ ๊ธฐ์ ์ฉ๋์ด 6,500kN์ธ ๊ฒฝ์ฐ์ 0.0289m๊น์ง ํญ ์ผ ์ ์์๋ค. ์ด๊ฒ์ ์๋ TMD์ ์๋ต์ ์ฝ 30% ๋ ์ผ ์ ์์์ ์๋ฏธํ๋ค.
0 5000 10000 15000MR Damper Capacity (kN)
0.02
0.03
0.04
0.05
0.06
0.07
Max
imum
Sto
ry D
rift (
m)
Design LimitUncontrolledPassive TMDSmart TMD
Fig. 7. Maximum story drift due to earthquake
๋ฉํฐํด ๋ ํํ ์ ํ ์ค๋งํธ TMD์ ์ ์ด์ฑ๋ฅ์ ๊ฒํ ํ๊ธฐ ํด์ MR ๊ฐ์ ๊ธฐ์ ์ฉ๋์ ๋ณํ์ํค๋ฉด์ ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ 20์ธต ์ต ๊ฐ์๋๋ฅผ Fig. 8์ ๋ํ๋ด์๋ค. ๊ทธ๋ฆผ์์ ๋ณผ ์ ์๋ฏ์ด MR ๊ฐ์ ๊ธฐ์ ์ฉ๋์ ์ฆ๊ฐ์ํด์ ๋ฐ๋ผ์ 20์ธต ์ต ๊ฐ์๋๋ 100kN๊น์ง ๊ฒฉํ ๊ฐ์ํ๋ค๊ฐ ๊ทธ ์ดํ ๋ค์ ์ฆ๊ฐํ ๋ค. ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ ์ ์ด
ํ์ง ์์ ๊ฒฝ์ฐ์ ์ต ๊ฐ์๋์๋ต์ 0.62m/s2์ผ๋ก ์ฌ์ฉ
์ฑ ๊ธฐ ์ธ 0.39m/s2๋ฅผ ํฌ๊ฒ ๊ณผํ ๋ค. ์ค๋งํธ TMD๋ฅผ ์ฌ์ฉํ ๊ฒฝ์ฐ์ MR ๊ฐ์ ๊ธฐ ์ฉ๋์ด ์ฝ 100kN ์ผ ๋ 0.30m/s2์ผ๋ก ์ค๊ณ๊ธฐ ์ ํจ๊ณผ ์ผ๋ก ๋ง์กฑ์์ผฐ๋ค. 20์ธต ์ต ๊ฐ์๋์๋ต์ ๊ฒฝ์ฐ์๋ ์๋ TMD๋ฅผ ์ฌ์ฉํ ๊ฒฝ์ฐ์๋ 0.32m/s2๋ฅผ ๋ํ๋์ผ๋ก์จ ๋งค์ฐ ํจ๊ณผ ์ผ๋ก ์ ์ดํ
์ ์์์ ํ์ธํ ๋ค. ์ต ์ธต๊ฐ๋ณ ๋ ์ค๋งํธ TMD์ ์ ์ด์ฑ๋ฅ์ด ์๋ TMD์ ๋นํ์ฌ ์๋ฑํ ๋ฐ์ด๋ฌ์ผ๋ ์ต ๊ฐ์๋์๋ต์ ์์ด์๋ ํฐ ์ฐจ์ด๋ฅผ ๋ํ๋ด์ง ์์๋ค.
ํ๊ตญ์ฐํ๊ธฐ์ ํํ๋ ผ๋ฌธ์ง ์ 18๊ถ ์ 7ํธ, 2017
724
0 100 200 300 400 500MR Damper Capacity (kN)
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
Max
imum
20t
h S
tory
Acc
eler
atio
n (m
/s2 )
Design LimitUncontrolledPassive TMDSmart TMD
Fig. 8. Maximum acceleration due to wind
์ค๋งํธ TMD์ MR ๊ฐ์ ๊ธฐ์ ์ฉ๋์ด 6,500kN์ธ ๊ฒฝ์ฐ์ ํ์ฌ ๊ฐ์ฅ ํฐ ์ธต๊ฐ๋ณ ๊ฐ ๋ฐ์ํ๋ 1์ธต์ ์ธต๊ฐ๋ณ ์๊ฐ์ด๋ ฅ๊ณผ 20์ธต ๋ณ ์๊ฐ์ด๋ ฅ์ Figs. 9์ 10์ ๋ํ๋ด์๋ค.
0 10 20 30Time (sec)
-0.08
-0.04
0
0.04
0.08
Sto
ry D
rift (
m)
UncontrolledTMDSTMD
Allowable=0.06m
Allowable=0.06m
Fig. 9. Story drift time histories at 1st story
0 10 20 30Time (sec)
-0.8
-0.4
0
0.4
0.8
20th
Sto
ry D
ispl
acem
ent (
m)
UncontrolledTMDSTMD
Fig. 10. 20th story displacement time histories
์ค๋งํธ TMD๋ 1์ธต ์ธต๊ฐ๋ณ ์ 20์ธต ๋ณ ๋ฅผ ๋งค
์ฐ ํจ๊ณผ ์ผ๋ก ์ ์ดํ ์ ์์๋ค. ์ค๋งํธ TMD๋ ์๋ TMD์ ๋นํ์ฌ ์ฐ์ํ ์ง์ง์๋ต ์ ์ด์ฑ๋ฅ์ ๋ํ๋ด์๊ณ ์ฝ 20 ์ดํ์์ ๋ํ๋๋ ์๋ต์ด ๊ณผ๋ํ ๋ถ๋ถ์ ์
์ด์ ์ ์ด์ฑ๋ฅ์ ์ฐจ์ด๊ฐ ๋ ์ปค์ง๋ ๊ฒ์ ํ์ธํ ์ ์์
๋ค. ํํ ์ ํด์๋ 100kN์ MR ๊ฐ์ ๊ธฐ๋ก ๊ตฌ์ฑ๋ ์ค๋งํธ TMD์ ์๋ TMD ๋ชจ๋ ๊ฐ์๋์๋ต์ ํจ๊ณผ ์ผ
๋ก ์ ์ดํ์ฌ ์ค๊ณ ๊ธฐ ๊ฐ ์ดํ๋ก ํ์ํค๋ ๊ฒ์ ํ์ธ
ํ ์ ์์๋ค. ๊ทธ๋ฆผ์์ ๋ณผ ์ ์๋ฏ์ด ์ค๋งํธ TMD์ ๊ฐ์๋ ์ ์ด์ฑ๋ฅ์ด ์๋ TMD์ ๋นํด์๋ ์ฐ์ํ์ง๋ง ๊ทธ ์ฐจ์ด๋ ๋ณ๋ก ํฌ์ง ์์๋ค.
0 100 200 300Time (sec)
-0.8
-0.4
0
0.4
0.820
th S
tory
Acc
eler
atio
n (m
/s2 )
UncontrolledTMDSTMD
Allowable=0.39m/s2
Allowable=0.39m/s2
Fig. 11. 20th story acceleration time histories
ํํ ์ด ๊ฐํด์ง๋ ์ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์์ ๊ธฐ 30 ๋์์
MR ๊ฐ์ ๊ธฐ ๋ณ ์ ๊ฐ์ ๋ ฅ๊ฐ์ ๊ณ๋ฅผ Fig. 12์ ๋ํ๋ด์๋ค. ๊ทธ๋ฆผ์์ ๋ณด๋ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด ์ผ๋ฐ ์ธ ๊ฐ์ ๊ธฐ์ ์ด๋ ฅ
๊ณก์ ๊ณผ ๋ค๋ฅธ ์ด์ ๋ ๊ทธ๋ผ์ด๋ํ ์ ์ด์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ ์ฌ์ฉํ
์ฌ ์ค๋งํธ TMD๋ฅผ ์ ์ดํ ๊ธฐ ๋๋ฌธ์ด๋ค.
-0.12 -0.08 -0.04 0 0.04 0.08 0.12MR Damper Stroke (m)
-150
-100
-50
0
50
100
150
MR
Dam
per F
orce
(kN
)
Fig. 12. MR force-displacement relationship of groundhook algorithm
TMD ๊ธฐ๋ฐ ์ ์ํ ์ค๋งํธ ๊ตฌ์กฐ์ ์ด์์คํ ์ ๋ฉํฐํด์ ๋ ์ ์์ฑ ํ๊ฐ
725
์์์ ๊ฒํ ํ ๋ฐ์ ๊ฐ์ด ์ค๋งํธ TMD๋ ์ง์ง๊ณผ ํํ ์ ๋ฉํฐํด ๋์ ํด์ ๋ชจ๋ ํจ๊ณผ ์ผ๋ก ์ ์ด์ฑ๋ฅ
์ ๋ํ๋ผ ์ ์์๋ค. ๊ทธ๋ฌ๋ ๋ฉํฐํด ๋๋ก ๊ณ ๋ คํ๊ณ ์
๋ Charleston์ ํํ ๊ณผ LA์ ์ง์งํ ์ ํ ์ต
์ ์ฑ๋ฅ์ ๋ํ๋ด๋ MR ๊ฐ์ ๊ธฐ์ ๊ฐ์ ๋ ฅ์ด ์์ดํจ์ ์ ์ ์๋ค. ๋ฐ๋ผ์ ๋ฉํฐํด ๋ ํ ์ ์ข ๋ฅ์ ๋ฐ๋ผ์
MR ๊ฐ์ ๊ธฐ์ ๊ฐ์ ๋ ฅ์ ํจ๊ณผ ์ผ๋ก ์กฐ ํ ์ ์๋ ์
์ด์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ์ ๊ฐ๋ฐ์ด ํ์ํ๋ค๊ณ ๋จ๋๋ค.
5. ๊ฒฐ๋ก
๋ณธ ๋ ผ๋ฌธ์์๋ ๋ฉํฐํด ๋ ํ ์ ํ TMD ๊ธฐ๋ฐ ์ํ ์ค๋งํธ ๊ตฌ์กฐ์ ์ด์์คํ ์ ์ ์ด์ฑ๋ฅ์ ๊ฒํ ํด ๋ณด
์๋ค. ๊ฐ์ง์ง์ญ๊ณผ ๊ฐํ์ง์ญ์ ํน์ฑ์ ๋ฐํ์ผ๋ก ์ธ๊ณต์ง์ง ํํ ์ ์์ฑํ์ฌ ์์นํด์์ ์ํํ ๊ณ ์ ์ฑ
์ฌ์ฉ์ฑ์ ํ๊ฐํ ๋ค. ์ค๋งํธ TMD๋ฅผ ๊ตฌ์ฑํ๋ MR ๊ฐ์ ๊ธฐ์ ์ฉ๋์ ๋ณํ์ํค๋ ๋ผ๋ฉํฐ ์ฐ๊ตฌ๋ฅผ ์ํํ ๋ค. ํด์๊ฒฐ๊ณผ ์ค๋งํธ TMD๋ ์ง์ง ํํ ์ผ๋ก ๊ตฌ์ฑ๋ ๋ฉ
ํฐํด ๋์ ํด์ ์ ์ฑ ์ฌ์ฉ์ฑ์ ํ ์ค๊ณ๊ธฐ ์
์ถฉ๋ถํ ๋ง์กฑ์ํฌ ์ ์๋ ์ฐ์ํ ์ ์ด์ฑ๋ฅ์ ๋ํ๋ด๋
๊ฒ์ ํ์ธํ ๋ค. ์ง์งํ ํํ ์ ํด์ ์ต ์
์ ์ด์ฑ๋ฅ์ ๋ํ๋ด๋ MR ๊ฐ์ ๊ธฐ์ ์ฉ๋์ด ๋ค๋ฅด๋ฏ๋ก ์ฌ ๊ตฌ์กฐ๋ฌผ์ด ๋ฐ๊ณ ์๋ ๋ฉํฐํด ๋ ํ ์ ํน์ฑ์ ์ค์
๊ฐ์ผ๋ก ์ ํ์ฌ ์ต ์ MR ๊ฐ์ ๋ ฅ์ผ๋ก ์กฐ ํ ์ ์
๋ ์ ์ด์๊ณ ๋ฆฌ์ฆ ๊ฐ๋ฐ์ ํ ์ฐ๊ตฌ๊ฐ ์ถํ ์ด๋ฃจ์ด์ง ๊ณ
ํ์ด๋ค.
References
[1] D. Duthinh, E., Simiu, โSafety of structures in strong winds and earthquakes: multihazard considerations,โ ASCE Journal of structural engineering, vol. 136, no. 3, pp. 330-333, 2009.DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0000108
[2] C. Crosti, D. Duthinh, E. Simiu, โRisk consistency and synergy in multihazard design,โ ASCE Journal of Structural Engineering, vol. 137, no. 8, pp. 844-849, 2010.DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)ST.1943-541X.0000335
[3] R. H. Sues, S. T. Mau, Y. K. Wen, โSystem identification of degrading hysteretic restoring forcesโ, Journal of Engineering Mechanics, ASCE, vol. 114, no. 5, pp. 833-846, 1988.DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9399(1988)114:5(833)
[4] ASCE, Minimum design loads for buildings and other structures, ASCE/SEI 7-05/-10, Reston, VA, US.
[5] A. Tallin, B. Ellingwood, โWind induced lateral-torsional motion of buildings,โ ASCE Journal of Structural Engineering. vol. 111, no. 10, pp. 2197-2213, 1985.DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9445(1985)111:10(2197)
[6] J. H. Koo, Using magneto-rheological dampers in semiactive tuned vibration absorbers to control structural vibrations, Ph. D. Dissertation, Virginia Polytechnic Institute and State University, USA, 2003.
[7] H. S. Kim, J. W. Kang, โSeismic response control of spacial arch structures using multiple smart TMD,โ Journal of Korean Association for Spatial Structures, vol. 16, no. 1, pp. 43-51, 2016.DOI: https://doi.org/10.9712/KASS.2016.16.1.043
[8] D. A. Gasparini, E. H. Vanmarcke, "Simulated earthquake motions compatible with prescribed response spectra", Civil Engineering Research Report R76-4, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, USA, 1976.
๊น ํ ์(Hyun-Su Kim) [์ ํ์]
โข2002๋ 8์ : ์ฑ๊ท ํ๊ต ๊ฑด์ถ๊ณต
ํ๊ณผ (๊ณต์๋ฐ์ฌ)โข2004๋ 12์ : Texas A&M
University, Department of Civil Engineering (๋ฐ์ฌํ ์ฐ๊ตฌ์)
โข2008๋ 3์ ~ ์ฌ : ์ ๋ฌธ ํ๊ต
๊ฑด์ถ์ฌํํ๊ฒฝํ๋ถ ๋ถ๊ต์
< ์ฌ๋ถ์ผ>๊ตฌ์กฐํด์, ์ง๋์ ์ด, ์ต ์ค๊ณ