동조액체감쇠기 분산 설치를 통한 다자유도 구조물의 지진응답 제어

Abstract

컴퓨터 프로그램이 발전함에 따라 구조물의 수직부재는 점차 세장해지고 건물의 높이는 높아졌다. 이에 따라 구조물은 바람이나 지진과 같은 횡력에 영향을 더욱 크게 받게 되었다. 횡력에 저항하기 위해서 수직단면을 크게 하는 것은 평면의 효율적인 이용이나 경제성에 어긋난다. 따라서 이러한 횡력에 효율적으로 저항할 수 있는 에너지 소산장치의 개발의 필요성이 대두되었다. 동조액체감쇠기는 에너지 소산장치의 하나로써, 탱크의 일정량의 물을 담아 건물에 힘이 가해져 움직임이 발생하였을 때, 탱크 안의 물이 관성력으로 인해 출렁임을 시작하여, 경계층의 마찰력으로 에너지를 소산하는 장치이다. 동조액체감쇠기는 동조질량감쇠기에 비해 그 성능이 뛰어나고 설치 및 유지가 간편하다. 특히 풍진동 제어에는 뛰어난 성능을 나타내었다 그러나 지진에 대해서는 진동 제어 성능이 나타나지 않는다. 이는 동조액체감쇠기의 특성에 기인한 것으로 한 개의 동조액체감쇠기에서 한 개의 마찰력만을 생성해내기 때문에 지진과 같은 복잡한 하중형태에 대해서는 그 성능이 불분명하다. 분산형 동조액체감쇠기는 이러한 기존 동조액체감쇠기의 단점을 보완한 것으로 여러 자유도에 분산설치된 동조액체감쇠기가 각기 다른 움직임을 보임으로써 각기 다른 마찰력을 생성해내어 지진과 같은 복잡한 하중에 대해 그 성능을 나타낼 것으로 생각한다. 이를 증명하기 위해 Yu 모델을 이용한 수치해석을 하였다. Yu 모델은 진폭에 따라 변하는 동조액체감쇠기의 비선형적 특성을 반영한 모델이다. 해석을 위해 대상구조물은 고유진동주기 1초, 2초, 5초를 고려하였으며, 자유도는 각각 5, 10, 20 자유도를 고려하였다. 해석결과 각 자유도에 분산시킨 분산형 동조액체감쇠기의 지진하중에 대한 최적 동조비는 기존 동조액체감쇠기와는 다르게 1.0이 아닌 그보다 작은 값을 나타내었는데, 그 값은 건물의 진동고유주기와 지진지역에 따라 다르게 나타났다. 또한 분산된 동조액체감쇠기는 설치된 자유도가 많을 수록 그 성능이 고르고 뛰어나게 나타났다. 설치된 자유도가 5자유도 일때보다 10자유도일때, 그 성능이 좋은 것으로 나타났으며, 10자유도와 20자유도는 큰 차이가 나타나질 않았다. 셋째로 동조액체감쇠기와 구조물의 질량비가 커질수록 그 진동감쇠효과는 커졌는데, 그 효율은 감소하였다. 따라서 동조액체감쇠기를 무조건 많이 설치하기 보다는 적절한 목표를 설정하고 그에 맞춰 질량비를 결정하여야 할 것이다. 마지막으로 동조액체감쇠기는 조화하중에도 진동제어효과가 있는 것으로 나타났다. 비록 단일 동조액체감쇠기보다는 그 성능이 적게 나타났지만, 기존 집중해서 설치하는 동조액체감쇠기보다는 각 층에 분산시킴으로써, 그 크기를 축소하여 보다 범용성 높게 사용될 수 있을 것으로 생각한다.