지진하중을 받는 다층 건물에 설치된 마찰감쇠기 설계

성지영,민경원,Seong, Ji-Young,Min, Kyung-Won 한국전산구조공학회 2011 한국전산구조공학회논문집 Vol.24 No.4

In this study, a simplified design procedure for friction dampers of a multi-story structure in order to reduce seismic response is proposed. To get insight for control effect of the structure with friction dampers is difficult, because of a nonlinear characteristic by a friction damper. Since a control force of a friction damper is influenced by coupling velocity between floors, adjoining modes are coupled. Thus structural response are derived by assuming steady-state response in resonance. As it is impossible that an exact solution is obtained for seismic load, first, a closed form solution can be achieved under harmonic vibration. Second, to convert a three-story building into a single-degree-of-freedom(SDOF) structure, modal analysis is performed. Third, an equivalent damping ratio is derived with utilizing closed form solution. And response reducing factor is proposed by it. Finally, friction force of a damper is designed for using response reducing factor, and then designed dampers are verified for seven seismic data. The nonlinear analysis results confirm the validity of the proposed procedure. 본 논문은 지진응답을 제어하기 위해 다층 건물에 설치된 마찰감쇠기의 간단한 설계절차를 제안하였다. 마찰감쇠기는 비선형성이 강하므로 마찰감쇠기가 설치된 건물의 제어효과를 파악하는 것은 어렵다. 마찰감쇠기의 제어력은 층간속도에 영향을 받으므로, 인접한 모드가 서로 연계된다. 따라서 응답은 공진일 때 안정상태응답으로 가정하여 유도하였다. 첫째로 지진하중에 대한 정해응답을 구하는 것은 불가능하므로 조화가진을 받을 때의 근사해를 유도하였다. 둘째, 다층 건물을 단자유도로 변환하기 위해서 모드해석이 수행되었다. 셋째, 근사해를 이용하여 등가감쇠비를 유도하였다. 그리고 등가감쇠비를 이용하여 응답감소계수를 제안하였다. 마지막으로, 마찰감쇠기의 마찰력을 응답감소계수에 의해 설계하고 설계된 감쇠기를 7개의 지진파를 통해 검증하였다. 비선형해석 결과가 제안된 절차의 유효성을 확인하였다.

점성과 마찰형 감쇠를 가지는 동조질량감쇠기의 설계 최적화

박창윤,이상현,황재승,이용훈 한국풍공학회 2018 한국풍공학회지 Vol.22 No.2

본 연구의 목적은 마찰력의 크기에 따른 동조질량감쇠기(Tuned mass damper, 이하 TMD)의 성능변화를 조사하고, 이에 기초 하여 TMD의 최적 설계 파라미터를 결정하는 것이다. 일반적인 TMD 설계는 레일의 마찰력을 최소화하는 것을 전제로, 진동수비와 감 쇠비의 최적값이 제시되어 있다. 본 연구에서는 선형점성, 마찰력, 그리고 점성과 마찰을 동시에 가지는 TMD에 대하여 조화하중과 랜덤하중을 사용한 수치해석을 통해 최적진동수비와 최적감쇠비의 변화를 조사하였다. 마찰력의 경우에도 점성감쇠와 같이 특정 크기까지는 제어효율이 증가하나, 특정 값 이상에서는 TMD 성능이 급격히 저하되는 특성을 가진다. 점성감쇠와 마찰력이 동시에 존재하는 경우, 마찰력이 증가함에 따라 최적감쇠비가 감소하였으며, 마찰력의 크기를 반드시 고려하여 최적감쇠비를 결정해야한다. 풍하중을 받는 76층 벤치마크 구조물에 설치된 TMD에 대한 설계를 통해 제안된 최적 파라미터가 제어성능을 향상시키는 데 있어 유효함을 확인하였다. The purpose of the study is to investigate the performance variation of a tuned mass damper(TMD) with frictional force and to determine optimum design parameters of the TMD. In previous study, optimal values of frequency ratio and damping ratio of the TMD have been suggested under assumption that the frictional force is minimized. In this study, the changes of optimum frequency ratio and damping ratio were investigated by numerical analysis using harmonic and random loads. General linear viscous damping, friction, and viscous-friction mixed models were considered. The frictional damping could enhance the control efficiency of the TMD until the frictional force reached an optimal value, such as the effect of the viscous damping, but the performance deteriorated sharply beyond the optimal value. When both the viscous and the friction damping existed, the optimum damping ratio decreased with increasing the friction. This implies that the optimum damping ratio should be determined by considering the magnitude of the friction. The TMD was designed using the proposed optimized parameters for the 76-story benchmark structure subject to wind load, and it was confirmed that the TMD could effectively improve the control performance.

철근콘크리트 전단벽-모멘트골조 형식 건물에 대한 마찰형 감쇠기 설치방식 비교연구

박지훈,김길환 한국지진공학회 2008 한국지진공학회논문집 Vol.12 No.2

본 연구에서는 전단벽-모멘트골조 시스템으로서 전단벽이 주로 횡력을 부담하는 철근콘크리트 건물을 대상으로 다양한 설치형식과 마찰력의 총량 및 분포를 갖는 마찰형 감쇠기의 제진보강 효과를 수치해석을 통해 비교 분석하였다. 감쇠기의 설치형식으로서 전단벽에 인접한 대각가새형, 벽체가 없는 골조를 보강하는 대각가새형 및 벽체 단부를 보강하는 수직경계요소형을 고려하였다. 하중기준 강화로 설계용보다 크게 증가한 지진하중에 대해 건물의 재료비선형성을 고려한 비선형시간이력해석을 수행하여 에너지소산, 횡하중 및 부재손상도 측면에서 마찰형 감쇠기의 제진성능을 비교 분석하였다. 기준마찰력의 30% 수준의 총마찰력을 갖는 벽체보강 대각가새형 설치형식이 전반적으로 가장 우수한 제진성능을 보이며,이 경우에 마찰력 배분방식은 중요하지 않았다. 또한 일부층에 집중설치함으로써 전층설치에 약간 못미치는 제진성능을 얻을 수 있었다. In this study, seismic control performance of friction dampers installed in a reinforced concrete shear wall-moment frame system, of which main lateral force resisting system is a shear wall, is investigated. Three configurations of friction dampers are investigated. One is a diagonal brace type reinforcing the shear wall directly, another is a diagonal brace type reinforcing the moment frame without the shear wall, and the other one is a vertical boundary element type installed at both ends of the shear wall. In addition, various levels of the total friction force and its distribution methods are examined. Time history analysis considering material nonlinearity is conducted for seismic loads increased by the enhanced design code compared to the initial design loads, and energy dissipation, lateral loads and structural member damages are analyzed. As a result, the shear wall-reinforcing diagonal brace type with the total friction force of 30 % of the reference friction force gives the best performance on the whole, and the distribution methods of the friction force do not have remarkable difference in effects. Also, concentrated installation in adjacent four stories shows just a little compromised control performance compared to the entire story installation.

비탄성 지진응답 제어를 위한 ATC-55에 기반한 마찰감쇠기 설계절차

김형섭,민경원,이상현,박지훈 한국지진공학회 2005 한국지진공학회논문집 Vol.9 No.1

본 논문의 목적은 탄성과 비탄성 구조물의 지진응답제어를 위한 마찰감쇠기의 설계절차를 제시하는 것이다. ATC-40과 ATC-55를 이용하여 비탄성 구조물의 등가선형감쇠비와 등가선형주기를 구하였고, 이에 기초하여 목표 성능을 만족하기 위한 마찰감쇠기의 최대마찰력을 결정하는 식을 제시하였다. 이 식은 항복 전후 강성비와 요구되는 탄성강도에 대한 항복강도비, 그리고 구조물의 주기에 따라 비선형 수치해석과 오차가 발생한다. 수식에 의해 산출한 최대마찰력과 비선형 수치 해석에 의해 산출된 값과의 오차를 줄이기 위하여, 최소 제곱법을 사용하여 오차 보정식을 제시하였다. 수치해석결과는 제안된 보정식을 사용하면 탄성 및 비탄성 지진응답제어를 위한 마찰감쇠기의 설계를 합리적으로 수행할 수 있음을 보여준다 The purpose of this paper is to present a design procedure of a friction damper for controlling elastic and inelastic responses of building structures under earthquake excitation. The equivalent damping and period increased by the friction damper are estimated using ATC-40 and ATC-55 procedures which provide equivalent linear system for bilinear one, and then a design formula to achieve target performance response level by the friction damper is presented. It is identified that there exists error between the responses obtained by this formula and by performing nonlinear analysis and the features of the error vary according to the hardening ratio, yield strength ratio, and structural period. Equations for compensating the error are proposed based on the least square method, and the results from numerical analysis indicate that the error is significantly reduced. The proposed formula can be used without much error for designing a friction damper for retrofitting a structure showing elastic or inelastic behavior.

변동마찰형 TMD를 이용한 초장주기 구조물의 진동제어

황재승,임종환,이승우,김윤석 한국풍공학회 2011 한국풍공학회지 Vol.15 No.1

Tuned mass damper has been used to enhance the wind performance of a structure by reducing the wind induced vibration, and recently applied to the super long period structures such as high rise buildings and long suspension bridges. In comparison with the conventional TMD, it is usually required that the applicable TMD to the super long period structure need a very long design stroke for the sake of the long period movement of the mass of TMD. For that reason, the design stroke of TMD should be carefully determined considering the available space for TMD and the size of mechanical components of TMD. In this study, a new type TMD, which has variable friction along the stroke, is provided to reduce the design stroke of TMD effectively with the equivalent control performance to a conventional TMD. Numerical analysis for the very slender pylon with a super long period was performed to evaluate the effect of the variable friction on the control performance of TMD. Through the numerical analysis, it is proved that the proposed TMD system in this study has an equivalent control effect and reduce the design stroke of TMD dramatically compared to the conventional TMD system. 풍하중에 의해 발생된 진동을 저감함으로써 구조물의 내풍성능을 개선하기 위하여 동조질량감쇠기가 많이 사용되어 왔으며, 초고층 초장대 구조물과 같이 매우 큰 주기를 가지는 구조물에도 그 적용방안이 확대되고 있다. 구조물이 가지는 초장주기 특성에 의해 TMD의 거동 또한 초장주기 특성을 보유하게 되고 구조물 진동변위의 수 배에 이르는 질량 이송거리가 요구된다. TMD의 이송거리가 매우 커짐에 따라 TMD 설치공간을 초과할 뿐만 아니라 TMD를 구성하는 스프링, 가이드 레일과 같은 부품의 제조가 불가능하게 될 수 있다. 본 연구에서는 구조물의 제어성능을 유지하면서 이송거리(stroke)를 효과적으로 줄일 수 있는 새로운 타입의 TMD를 제안하고 이들이 구조물의 진동제어성능에 미치는 영향을 평가하였다. 제안하는 TMD는 이송거리에 따라 마찰력이 조정되는 장치로써 이송거리가 증가함에 따라 마찰력을 인위적으로 조절하여 최대 이송거리를 줄이는 시스템으로 이러한 변동마찰에 따른 구조물의 제어성능, 이송거리 저감을 초장주기 독립주탑을 대상으로 수치해석을 수행하엿다. 해석결과 본 연구에서 제안된 변동마찰형 TMD는 기존의 선형 TMD에 비해 이송거리를 크게 줄이면서 진동저감효과는 유사한 것으로 나타났다.

건축구조물의 층전단력 분포에 기초한 마찰감쇠기의 최적설계

이상현,민경원,박지훈,이루지 한국지진공학회 2005 한국지진공학회논문집 Vol.9 No.6

본 연구에서는 지진하중을 받는 탄성구조물을 대상으로 층전단력 분포에 기초한 마찰감쇠기의 설계방법을 제시하였다. 먼저 마찰감쇠기의 슬립하중(slip-load)을 정규화하는 방법 별로 단자유도 시스템의 수치해석을 수행하고 비교하였다. 이를 통해 슬립하중과 가새 강성의 영향을 파악하였으며, 설치용 가새와 원구조물의 최적강성비를 찾았다. 다음으로는 다양한 고유주기와 층수를 갖는 구조물을 대상으로 수치해석을 통해 마찰감쇠기의 설치 층수와 위치의 결정방법 및 슬립하중의 분배 방법을 도출하였다. 이 과정에서 설치 층수가 포함된 성능지수를 사용하여 슬립하중의 총합으로부터 최적의 설치 층수를 도출하는 경험식을 제시하였다. 마지막으로 실제 지진하중을 사용한 수치해석을 통해 기존의 최적설계 방법과 비교하여 제안된 방법의 우수성을 입증하였다. In this study, a seismic design methodology for friction dampers based on the story shear force distribution of an elastic building structure is proposed. First, using two normalization methods for the slip-load of a friction damper, numerical analyses of various single-degree-of-freedom systems are peformed. From those analyses, the effect of the slip-load and the brace stiffness was investigated and the optimal silliness ratio of the brace versus original structure was found. Second, from the numerical analysis for five multi-story building structures with different natural frequency and the number of story, reasonable decision method for the total number of installation floor, location of installation and distribution of the slip-loads are drawn. In addition, an empirical equation on the optimal number of installation floor is proposed. Finally, the superiority of the proposed method compared to the existing design method is verified from the numerical analysis using real earthquake data.

지진하중을 받는 구조물의 성능에 기초한 마찰감쇠기 설계

민경원,김형섭 한국지진공학회 2003 한국지진공학회논문집 Vol.7 No.6

이 논문의 주된 목적은 지진을 받는 구조물의 비탄성 거동을 제어하기 위해 Coulomb 마찰감쇠기의 제어성능을 산출하는 것이다. 능력스펙트럼법을 이용하여 다양한 건물의 내진성능이 평가되나, 만약 평가된 성능수준이 목표수준에 미치지 못할 때는 추가적인 감쇠비를 산출하게 된다. 추가적인 감쇠비를 얻기 위한 마찰감쇠기의 리더 마찰력은 등가 점성 감쇠의 개념을 사용하여 산정된다. 이와 같이 제안된 방법의 효과를 증명하기 위해, 다양한 주기와 항복 후 강성비를 가진 단자유도 구조물들에 대하여 수치해석을 수행하였다. The main objective of this paper is to evaluate the control performance of a coulomb friction damper(CFD) for controlling the inelastic behavior of seismically excited structures, The seismic performances of various buildings are evaluated using capacity spectrum method(CSM), and the additional dampings are calculated If the evaluated performance levels of the buildings are below the target level. Maximum friction force of the CFD to achieve additional damping is provided using the concept of equivalent viscous damping, Numerical simulations for single degree of freedom(SDOF) systems with various structural periods and post yield stiffness ratios demonstrate the effectiveness of the proposed procedure.

MR 감쇠기와 FPS를 이용한 하이브리드 면진장치의 수치해석적 연구

김현수 한국지진공학회 2005 한국지진공학회논문집 Vol.9 No.2

본 연구에서는 하이브리드 면진장치가 설치된 단자유도 구조물의 동적거동을 예측할 수 있는 수치해석모델을 제안한다. 하이브리드 면진장치는 MR 감쇠기와 마찰진자시스템(FPS)으로 구성된다. MR감쇠기의 동적거동을 모형화하기 위하여 뉴로-퍼지 모델을 사용한다. 다양한 변위, 속도, 전압의 조합을 사용하여 MR 감쇠기의 성능실험을 수행한 후 얻어진 데이터를 이용하여 MR 감쇠기 뉴로-퍼지 모델을 ANFIS로 학습시킨다. FPS의 모형화는 본 연구에서 유도한 비선형 모델식에 근거하여 뉴로-퍼지 모형화방법을 사용하여 이루어진다. 본 연구에서는 MR 감쇠기로 전달되는 제어전압을 조절하기 위하여 퍼지논리제어기를 사용한다. 다양한 지진하중을 사용한 진동대 실험을 통하여 얻은 실험체의 동적응답과와 뉴로-퍼지 모형화방법을 사용한 수치해석의 결과를 비교한다. 뉴로-퍼지 모델을 사용하여 MR 감쇠기와 FPS를 모형화해서 수치해석을 수행한 결과 하이브리드 면진장치의 동적거동을 매우 정확하게 예측할 수 있었다. Numerical analysis model is proposed to predict the dynamic behavior of a single-degree-of-freedom structure that is equipped with hybrid base isolation system. Hybrid base isolation system is composed of friction pendulum systems (FPS) and a magnetorheological (MR) damper. A neuro-fuzzy model is used to represent dynamic behavior of the MR damper. Fuzzy model of the MR damper is trained by ANFIS (Adaptive Neuro-Fuzzy Inference System) using various displacement, velocity, and voltage combinations that are obtained from a series of performance tests. Modelling of the FPS is carried out with a nonlinear analytical equation that is derived in this study and neuro-fuzzy training. Fuzzy logic controller is employed to control the command voltage that is sent to MR damper. The dynamic responses of experimental structure subjected to various earthquake excitations are compared with numerically simulated results using neuro-fuzzy modeling method. Numerical simulation using neuro-fuzzy models of the MR damper and FPS predict response of the hybrid base isolation system very well.

송전철탑의 풍진동 저감을 위한 강성 및 감쇠 성능향상

노지은,이상현,이용훈 한국풍공학회 2017 한국풍공학회지 Vol.21 No.4

Most existing electric transmission towers are located at mountains and exposed to sudden turbulence load, which causes gust effects amplifying the tower's dynamic load. However, the transmission towers were not designed by directly considering the dynamic load amplification, and a number of them were designed by using equivalent static loads. Accordingly, increase of section area and reduction of buckling length have been widely used as one of retrofitting methods in perspective of reducing static responses. In a case of actual dynamic loading condition, reinforcing device for increasing damping performance can be considered as an alternative retrofit method. In this paper, dynamic model of the transmission tower was constructed and nonlinear time history analysis was conducted. Wind loads were obtained by wind tunnel test and friction dampers were used for increasing both the stiffness and damping of the towers. Numerical results showed that the optimal yield loads of the friction dampers were about 5-10% of the axial load of the lowest main post. And the element force of the main post and support reaction could be significantly reduced by application of toggle-type friction damper and stiffness reinforcement. 대부분의 기존 송전철탑은 산악지형에 위치하여 강풍에 노출되어 있으며 이러한 강풍은 송전철탑에 동적하중의 증폭을 유도한다. 그러나 송전철탑은 일반적으로 이러한 동적하중을 직접 고려하지 않고, 단순히 등가정적하중을 사용하여 설계된다. 따라서 기존의 송전철탑 보강방법으로는 정적응답을 줄이는 관점에서 단면 증대나 좌굴길이 감소 등의 방법이 사용되었다. 실제 동적하중조건의 경우, 감쇠성능을 증가시킬 수 있는 보강기구가 보강방안의 대안으로 고려될 수 있다. 본 연구에서는 송전철탑의 동적모델을 구축하였고, 비선형 시간이력해석을 수행하였다. 풍하중은 풍동실험을 통해 구하였으며, 마찰감쇠기가 강성과 감쇠를 동시에 증가시키기 위해 적용되었다. 수치해석 결과는 마찰감쇠기의 최적 항복강도가 최하단 주주재가 부담했던 축하중의 5-10% 임을 보여준다. 토글형 마찰감쇠기와 강성보강을 동시에 수행함으로써 주주재의 부재력과 기초에 전달되는 하중을 크게 저감시킬 수 있었다.

전단벽식 구조의 휨거동을 이용한 마찰감쇠기의 제어성능

정희산(Chung, Hee-San),문병욱(Moon, Byoung-Wook),박지훈(Park, Ji-Hun),이성경(Lee, Sung-Kyung),민경원(Min, Kyung-Won),변지석(Byeon, Ji-Seok) 한국소음진동공학회 2008 한국소음진동공학회 논문집 Vol.18 No.8

High-rise apartments of shear wall system are governed by flexural behavior like a cantilever beam. Installation of the damper-brace system in a structure governed by flexural behavior is not suitable. Because of relatively high lateral stiffness of the shear wall, a load is not concentrate on the brace and the brace cannot perform a role as a damping device. In this paper, a friction damper applying flexibility of shear wall is proposed in order to reduce the deformation of a structure. To evaluate performance of the proposed friction damper, nonlinear time history analysis is executed by SeismoStruct analysis program and MVLEM(multi vertical linear element model) be used for simulating flexural behavior of the shear wall. It is found that control performance of the proposed friction damper is superior to one of a coupled wall with rigid beam. In conclusion, this study verified that the optimal control performance of the proposed friction damper is equal to 45 % of the maximum shear force inducing in middle-floor beam with rigid beam.