동조질량감쇠기의 강성변화를 통한 제어성능 향상 기법

Abstract

현대 구조물들은 여러 요인에 의하여 고층화 되고 장대화 되었으나, 구조물이 쉽게 진동하여 심각한 손상을 발생시킬 수 있게 되었다. 그리고 최근 우리나라에도 중급지진이 발생하면서 지진재해에 대한 경각심이 높아지고 있다. 또한 내진설계기준에 따라 설계된 구조물이라 할지라도 지진에 의한 구조적 손상을 피할 수 없으며, 인명의 안전 또한 위협받을 수 있을 것이다. 이에 따라 효율적인 구조물 진동 저감의 필요성이 확대되고 있고 지진과 바람으로부터 구조물을 안전하게 보전할 수 있는 제진 기술에 대한 관심이 높아지고 있다. 본 연구에서는 내진설계의 효과적인 방안으로 간주되고 있는 제진시스템 중 동조질량감쇠기에 초점을 맞추었으며, 이전의 연구를 바탕으로 Den Hartog(1956)의 최적제안식을 사용해 동조질량감쇠기의 기본설계를 수행한 후 그 효용성을 검토하였다. 그러나 최적으로 설계된 동조질량감쇠기는 여러 가지 요인으로 구조물의 1차 고유진동수의 변화가 발생해 효과적인 진동제어를 할 수 없게 된다. 따라서 설치된 동조질량감쇠기의 강성값을 조절할 수 있는 강성조절 동조질량감쇠기(Controllable Stiffness Tuned Mass Damper; CSTMD)를 제안하고 그 효율성 분석을 위해 제어성능을 검토하였다. 이를 위해서 동적증폭계수(DAF)를 정의하고, Kelly et al.(1987)에서 제안한 건물에 강성조절 동조질량감쇠기(CSTMD)를 적용하여 수치해석을 수행하였다. 구조물 강성에 대해 5%와 10%의 손상을 인위적으로 적용시킨 시스템에 조화하중이 직접 작용하였을 때 발생하는 구조물의 동적응답을 검토하였다. 그 결과 동적증폭계수의 저감과 변위 및 가속도응답의 제어율이 향상됨을 확인하였다. 따라서 손상된 구조물에 대해 강성조절 동조질량감쇠기(CSTMD)가 기존의 동조질량감쇠기(TMD)보다 더 효과적으로 진동제어를 수행함을 확인할 수 있었다. 또한, 기존 동조질량감쇠기의 질량조절 방법에 비해 강성과 감쇠의 간단한 조절방법으로 추가 시공의 어려움을 극복할 수 있을 것이다. 그리고 구조물의 손상 외에도 다른 여러 가지 요인에 의해 발생된 고유진동수의 변화에 따른 동조질량감쇠기의 최적설계가 가능할 것이며, 별도로 요구되는 장치나 추가되는 질량의 용량을 감소시킬 수 있으므로 경제적인 설계가 가능할 것으로 사료된다.