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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.18 No.4 pp.41-48
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2018.18.4.41

Performance Evaluation of Wind Response Control of High-Rise Buildings by Damping and Stiffness of Outrigger Damper System

Kwang-Seob Park*, Yun-Tae Kim**
*Boru E&C
**Boru E&C

Tel: 053-742-6411 Fax: 053-742-6413 E-mail: parkks@borueng.co.kr
June 29, 2018 July 4, 2018 July 4, 2018

Abstract


Recently, the concept of an outrigger damper system with a damper added to the existing outrigger system has been developed and applied for dynamic response control of high-rise buildings. However, the study on the structural characteristics and design method of Outrigger damper system is in the early stages. In this study, a 50 story high - rise building was designed and an outrigger damper system with viscoelastic damper was applied for wind response control. The time history analysis was performed by using the kaimal spectrum to create an artificial wind load for a total of 1,000 seconds at 0.1 second intervals. Analysis of the top horizontal maximum displacement response and acceleration response shows that outrigger damper systems are up to 28.33% and 49.26% more effective than conventional outrigger systems, respectively. Also, it is confirmed that the increase of damping ratio of dampers is effective for dynamic response control. However, since increasing the damping capacity increases the economic burden, it is necessary to select the appropriate stiffness and damping value of the outrigger damper system.



아웃리거 댐퍼시스템의 감쇠와 강성에 따른 고층 건물 풍응답 제어 성능 평가

박 광섭*, 김 윤태**
*교신저자, 정회원, (주)보루 이사
**정회원, (주)보루 대표이사

초록


    1. 서론

    건물이 고층화 또는 세장화 될수록 연직 방향의 하중보다 수평 방향 하중의 영향을 많이 받게 되며, 지진 하중보다는 낮은 주파수로 장시간 작용하는 풍하중에 더 취약하므로 고층 건물의 동적 응답을 제어하기 위해 높은 횡방향 강성이 요구된다1). 최근 아웃리거 시스템의 외곽 기둥과 아웃리거 사이에 감쇠 성능을 가진 댐퍼를 설치한 아웃리거 댐퍼 시스템이 개발되어 고층 건물의 풍응답 제어 목적 으로 적용된 바 있다2). 아웃리거 댐퍼 개념도를 <Fig. 1>에 나타내었다. 아웃리거 댐퍼시스템은 부 등 축소량 저감 이외에도 물량 감소를 통한 경제성 까지 갖춘 효과적인 횡력 저항 시스템으로 평가 받고 있다3).

    설계 단계에서부터 아웃리거 댐퍼시스템이 고려 된 필리핀의 The St Francis Shangri-La Place는 가 속도 응답 저감을 통한 구조적 안정성 확보와 거주 성 개선으로 아웃리거 댐퍼를 통한 동적 응답 제어 의 대표적인 사례로 인정받고 있다. 그러나 실제 적 용 사례의 증가에도 불구하고 아웃리거 댐퍼시스템 에 대한 주된 연구는 최적 위치 탐색 등 기초 단계 에 머물러 있다5). 아웃리거 댐퍼시스템의 적용성과 활용도를 높이기 위하여 본 논문에서는 아웃리거 댐퍼의 감쇠(Cd )값과 강성(Kd )값에 따른 고층 건 물의 풍하중에 대한 동적 응답 특성을 분석하고자 한다.

    2. 해석 모델과 분석 방법

    2.1 해석 모델 개요

    해석 모델은 35✕34m의 동일한 구조 평면을 가 지며, <Fig. 2>와 같이 전체 층수 50층, 총 높이는 250m로 1:7의 세장비를 갖도록 모델링하였다. 아 웃리거가 설치되지 않은 기본 해석 모델에서 최상 층 최대 수평 변위 응답은 X방향 0.624m, Y방향 0.784m로 나타났다. 해석 모델의 일반 사항은 <Table 1>에 나타내었다.

    건물의 높이를 고려하여 아웃리거는 2개층으로 계획하였으며, 위치는 McNabb & Muvdi(1975)가 제안한 아웃리거 2개층 최적 위치인 0.312h와 0.685h 즉, 16층과 35층에 구성하였다6). 평판의 형태 를 가진 16개의 아웃리거가 중앙부 코어와 외곽 기 둥을 연결하도록 모델링하였다. 점탄성 댐퍼는 아웃 리거의 상단 및 하단부 절점에 설치하여 총 2개층 32개로 구성하였으며 <Fig. 3>에 나타내었다.

    2.2 모델링 및 분석 방법

    본 연구에서는 상용 프로그램인 Midas Gen Ver. 860을 사용하여 초고층 건물의 풍응답을 해석하였 다. 풍하중을 받는 해석 모델의 형상과 크기를 고려 하여 난류 강도를 산정하였으며, Kaimal spectrum 을 통해 각 층마다 작용하는 인공 풍하중을 작성 및 입력하여 시간 이력 해석을 수행하였다. <Table 2> 는 10층별 각 지점에 입력한 인공 풍하중의 평균값 을 나타낸 것이다. Table 3

    아웃리거 접합부 절점에 생성된 댐퍼는 점성 물 질로 채워진 내부 충진재가 에너지를 흡수하여 풍 에너지를 소산시키는 점탄성 댐퍼(Visco elastic damper)로, 선형 스프링과 점성 감쇠가 병렬로 연 결된 Kelvin model을 사용하였다. 아웃리거 댐퍼시 스템의 감쇠(Cd)값과 강성(Kd )값에 따른 동적 응답 제어 성능을 검토하기 위하여 아웃리거가 설치되지 않은 NOR모델과 아웃리거만 설치된 OR모델을 기 준 모델로 설정하였다.

    감쇠(Cd )값의 변화에 따른 풍응답 제어 성능을 알 아보기 위하여 댐퍼의 감쇠(Cd )값이 10,000~ 46,000kN*sec/m까지 4,000kN*sec/m 간격으로 변 화할 때 강성(Kd )값이 20,000kN/m인 ORD-AX, ORD-AY모델과, 40,000kN/m인 ORD-BX, ORD-BY 모델을 구성하였다. 강성(Kd)값의 변화에 따른 풍응 답 제어 성능을 알아보기 위하여 댐퍼의 강성(Kd )값 이 10,000~46,000kN/m까지 4,000kN/m간격으로 변화할 때 감쇠(Cd )값이 20,000kN*sec/m인 ORD-CX, ORD-CY모델과, 40,000kN*sec/m인 ORD-DX, ORD-DY모델을 구성하였다. 강성(Kd )값과 감쇠 (Cd )값을 조절하여 최상층 최대 수평 변위 응답과 최상층 최대 수평 가속도 응답을 비교 분석하였다.

    3. 동적 응답 분석

    3.1 기본 해석 모델 동적 응답 검토

    아웃리거 댐퍼의 감쇠(Cd )값과 강성(Kd )값의 변화 에 따른 풍응답 제어 성능을 알아보기 위하여 아웃 리거가 설치되지 않은 NOR모델과, 아웃리거만 설 치된 OR모델을 기본 모델로 설정하였다. 인공 풍하 중을 층별 각 절점에 입력하여 1,000초 동안 시간 이력 해석을 수행하였다. 기본 모델에 대한 최상층 최대 수평 변위 응답과 최대 수평 가속도 응답을 <Table 5, 6>에 나타내었다. Table 4

    2가지 기본 모델의 응답을 분석한 결과, 아웃리거 만 설치된 OR모델에서의 최상층 최대 수평 변위 응 답은 아웃리거가 설치되지 않은 NOR모델에서의 응답 대비 X방향과 Y방향에서 각각 16.13%, 24.36% 의 저감이 나타났으며, 최상층 최대 수평 가속도 응 답의 경우 각각 4.58%, 4.26%의 저감을 확인하였다.

    3.2 감쇠값에 따른 최상층 최대 수평 변위 응답

    아웃리거 댐퍼의 강성(Kd )값이 각각 20,000kN/m 와 40,000kN/m으로 일정할 때 감쇠(Cd )값의 변화 에 따른 X방향과 Y방향의 최상층 최대 수평 변위 응답을 <Table 7, 8>에 나타내었다.

    먼저 X방향 최상층 최대 수평 변위 응답은 ORD-AX모델과 ORD-BX모델 모두 감쇠값이 46,000kN*sec/m일 때 0.40m, 0.43m의 최소 변위 응답이 나타났다. Y방향 최상층 수평 변위 응답 또 한 ORD-AY, ORD-BY모델 모두 감쇠값이 46,000kN*sec/m일 때 0.43m, 0.44m의 최소 변위 응답이 나타났다. <Fig. 4, 5>는 OR모델의 변위 응 답 대비 감쇠값 변화에 따른 X, Y방향의 최상층 최 대 수평 변위 응답을 비로 나타낸 그래프이다.

    <Fig. 4>의 X방향 수평 변위 응답비 그래프를 보 면 ORD-BX모델의 변위 응답은 감쇠값이 10,000kN*sec/m일 때 NOR모델의 수평 변위 응답 보다 크게 나타났으며, 감쇠값 26,000kN*sec/m이 후부터 OR모델 대비 응답이 감소하여 최대 18.87% 까지 응답 저감하였다. ORD-AX모델은 감쇠값 14,000kN*sec/m까지 OR모델보다 큰 응답이 나타 났으나 감쇠값의 증가에 따라 OR모델 대비 최대 24.53%의 수평 변위 응답 저감을 확인하였다. ORD-AX모델과 ORD-BX모델의 강성값 차에 따른 초기 응답차는 7.55%에서 11.32%까지 증가하였으 나, 감쇠값 46,000KN*sec/m에서 5.66%까지 응답차 가 감소하였다. <Fig. 5>의 Y방향 변위 응답에서는 최대 28.33%의 변위 응답 저감을 확인하였으며, AY 모델과 BY모델의 강성값 차에 따른 변위 응답차는 6.67%에서 1.67%로 감소하였다. 감쇠값이 증가함에 따라 X방향과 Y방향 수평 변위 응답 및 강성값 차 에 따른 두 모델의 응답차는 모두 감소하였다.

    3.3 강성값에 따른 최상층 최대 수평 변위 응답

    아웃리거 댐퍼의 감쇠(Cd )값이 일정할 때 강성 (Kd)값의 변화에 따른 X방향과 Y방향의 최상층 최 대 수평 변위 응답을 <Table 9, 10>에 나타내었다.

    X방향에서 최소 변위 응답은 ORD-CX모델과 ORD-DX모델 모두 강성값이 10,000kN/m일 때 각 각 0.49m, 0.41m의 최소 변위 응답이 나타났다. Y 방향에서 최소 변위 응답 또한 ORD-CY모델과 ORD-DY모델에서 강성(Kd)값이 10,000kN/m일 때 각각 0.48m, 0.43m의 최소 변위 응답이 나타났다. <Fig. 6, 7>은 OR모델 대비 각각 다른 감쇠값을 갖 는 댐퍼 모델의 강성값 변화에 따른 최상층 최대 수 평 변위 응답을 비로 나타낸 것이다.

    <Fig. 6>에 나타난 X방향의 수평 변위 응답비 그 래프를 보면 강성값 10,000kN/m에서 최대 22.64% 의 응답 저감이 나타나고, ORD-CX모델에서 강성값 26,000kN/m 이후 OR모델의 수평 변위 응답보다 증가하는 것을 확인하였다. CX모델과 DX모델의 응 답차는 15.09%에서 증가하여 강성값 26,000kN/m 이후 20.75%로 일정하게 유지되었다. <Fig. 7>의 Y 방향 수평 변위 응답비 그래프 역시 강성값 10,000kN/m에서 최대 28.33%의 응답 저감을 확인 하였다. 강성값이 증가함에 따라 두 모델의 응답차 는 강성값 18,000~22,000kN/m에서 8.33%에서 6.67%로 감소하였으나 그 이후 다시 증가하여 13.33%의 응답차를 확인하였다. X방향과 Y방향 변 위 응답 모두 강성값이 증가함에 따라 최상층 최대 수평 변위 응답이 증가하였으며, 감쇠값 차에 따른 응답차 또한 증가하는 양상을 띠었다. Table 10

    3.4 감쇠값에 따른 최상층 최대 가속도 응답

    아웃리거 댐퍼의 강성(Kd)값이 일정할 때 감쇠 (Cd )값에 따른 X방향과 Y방향의 최상층 최대 수평 가속도 응답을 <Table 11, 12>에 나타내었다.

    X방향에서 ORD-AX모델과 ORD-BX모델 모두 감쇠값이 46,000kN*sec/m일 때 1.35m/sec2, 1.43m/sec2의 최소 가속도 응답이 나타났다. Y방향 역시 ORD-AY모델과 ORD-BY모델 모두 감쇠값이 46,000kN*sec/m일 때 1.37m/sec2, 1.42m/sec2의 최 소 가속도 응답이 나타났다. 감쇠값 변화에 따른 최 상층 최대 수평 가속도 응답을 OR모델을 기준으로 하여 비로 나타낸 값을 <Fig. 8, 9>에 나타내었다.

    <Fig. 8>의 X방향 최상층 가속도 응답비 그래프 를 살펴보면 OR모델 대비 각각 최대 41.05%와 37.55%의 가속도 응답 저감을 하였다. <Fig. 9>의 Y 방향 최상층 가속도 응답비 그래프를 보면 OR모델 대비 각각 최대 49.26%, 47.41%의 가속도 응답 저 감을 하였다. 감쇠값 초기 구간에서 강성값의 차에 따른 X방향, Y방향 가속도 응답의 차는 최대 8.3%, 3.7%였으며, 감쇠값이 증가함에 따라 응답차가 3.49%, 1.48%까지 감소하는 것으로 보아 최상층 최 대 수평 가속도 응답의 경우 강성값보다 감쇠값 조 절에 의한 응답 저감이 효과적인 것으로 판단된다.

    3.5 강성값에 따른 최상층 최대 가속도 응답

    아웃리거 댐퍼의 감쇠(Cd )값이 각각 20,000kN*sec/m 와 40,000kN*sec/m으로 일정할 때 강성(Kd )값에 따 른 X방향과 Y방향의 최상층 최대 수평 가속도 응답 을 <Table 13, 14>에 나타내었다.

    X방향에서 가속도 응답은 ORD-CX모델과 ORD-X모델 모두 강성값이 10,000kN/m일 때 1.6m/sec2, 1.35m/sec2의 최소 가속도 응답이 나타 났다. Y방향에서는 ORD-CY모델과 ORD-DY모델 모두 강성값이 10,000kN/m일 때 각각 1.59m/sec2, 1.37m/sec2의 최소 가속도 응답이 나타났다.

    <Fig. 10>은 OR모델을 기준으로 댐퍼 모델의 강 성(Kd )값에 따른 X방향 최상층 최대 수평 가속도 응답을 비로 나타낸 그래프이다. OR모델 대비 각각 최대 30.13%, 41.05%의 수평 가속도 응답 저감을 확인하였다. <Fig. 11>은 Y방향 최상층 최대 수평 가속도 응답비 그래프로 ORD모델 대비 각각 최대 41.11%, 49.26%의 응답 저감을 확인하였다. X방향 과 Y방향 모두 강성의 영향이 적은 초기 구간에서 최대 가속도 응답 저감을 보인 후, 강성값이 증가함 에 따라 가속도 응답이 증가하는 양상을 보였다. 강 성값이 증가함에 따른 감쇠값 차에 따른 X방향 가 속도 응답차는 10.92%에서 12.23%로 증가하였으나 최종 응답차는 10.04%로 초기 응답차와 유사하게 나타났다. Y방향 가속도 응답차는 8.15%에서 7.78%으로 저감하여 비교적 일정하게 유지되었다.

    4. 결론

    본 연구에서는 초고층 건물에서 아웃리거 댐퍼시 스템의 풍하중에 대한 동적 응답 제어 성능을 검토 하고자 상용 프로그램(Midas Gen Ver 860)을 사용 하여 50층 규모의 건물을 모델링하였고, 풍응답 제 어 성능을 비교하기 위해 댐퍼의 특성인 감쇠값과 강성값을 변수로 하여 구조 해석을 실시하였다. X 방향과 Y방향의 최상층 최대 수평 변위 응답과 가 속도 응답을 비교 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

    • 1) 아웃리거 댐퍼의 감쇠값 변화에 따른 변위 응 답과 가속도 응답을 분석한 결과, 감쇠값 영향이 적 은 초기 구간에서 X방향 최상층 최대 수평 변위 응 답이 OR모델의 수평 변위 응답을 초과한 구간을 제 외한 모든 영역에서 감쇠값이 증가함에 따라 최대 28.33%, 49.26%의 변위 및 가속도 응답이 감소하였 다.

    • 2) 아웃리거 댐퍼의 강성값에 따른 변위 응답과 가속도 응답을 분석한 결과, OR모델 대비 최대 28.33%, 49.26%의 변위 및 가속도 응답 저감을 확 인하였다. 그러나 강성값이 증가함에 따라 응답이 증가하는 양상이 나타났으며, 강성값 영향이 증대되 는 중후반 구간에서 X방향 최상층 최대 수평 변위 응답이 OR모델의 수평 변위 응답을 초과하였다.

    • 3) 강성값 차에 따른 변위 및 가속도 응답차는 최 대 11.32%, 8.3%로 나타났으며, 감쇠값이 증가함에 따라 강성값 차에 따른 변위 응답과 가속도 응답의 차가 감소하였다. 감쇠값 차에 따른 변위 및 가속도 의 응답차는 최대 20.75%, 12.23%로 강성값 차에 따른 응답차보다 비교적 크게 나타났다.

    • 4) 응답 결과를 분석한 결과, 댐퍼의 강성(Kd)값 과 감쇠(Cd)값이 최소 1:1.5의 비를 가지게 되면 20% 이상의 변위 응답 저감, 1:2의 비를 가지게 되 면 30% 이상의 가속도 응답 저감이 가능한 것으로 나타났다.

    따라서 아웃리거 댐퍼시스템을 이용한 고층 건물 의 풍응답 제어 시 댐퍼의 강성값은 낮추고 감쇠값 은 상대적으로 증가시키는 것이 효과적이지만 댐퍼 의 감쇠 용량 증가에 따른 비용 증가를 고려하여 강 성값에 따른 적정한 비의 감쇠값을 선정하는 것이 경제적일 것으로 판단된다.

    본 논문에서는 실제 건물이 아닌 임의의 해석 모 델을 사용하여 실험을 진행하였다. 실질적인 결과값 을 얻기 위해서는 실제 건물을 모델화하여 해석을 진행하는 것이 필요하다고 판단된다. 또한 2016년 이후 국내에서도 지진 활동이 빈번하게 발생함에 따라 다양한 지진 하중에 대한 동적 응답 특성 분석 및 댐퍼의 최적값 탐색 등 추가적인 연구가 진행되 어야 할 것으로 판단된다.

    Figure

    KASS-18-41_F1.gif

    Outrigger damper4)

    KASS-18-41_F2.gif

    Analytical model

    KASS-18-41_F3.gif

    Outrigger damper locations

    KASS-18-41_F4.gif

    X Dir. maximum displacement ratio based on the damping value

    KASS-18-41_F5.gif

    Y Dir. maximum displacement ratio based on the damping value

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    X Dir. maximum displacement ratio based on the stiffness value

    KASS-18-41_F7.gif

    Y Dir. maximum displacement ratio based on the stiffness value

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    X Dir. maximum acceleration ratio based on the damping value

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    Y Dir. maximum acceleration ratio based on the damping value

    KASS-18-41_F10.gif

    X Dir. maximum acceleration ratio based on the stiffness value

    KASS-18-41_F11.gif

    Y Dir. maximum acceleration ratio based on the stiffness value

    Table

    Specification of analytical model

    Wind load (Unit : kN)

    Analysis model with changes in damping value

    Analysis model with changes in stiffness value

    X & Y Dir. the top floor maximum horizontal displacement response

    X & Y Dir. the top floor maximum horizontal acceleration response

    X Dir. maximum displacement based on the damping value (Unit : m)

    Dir. maximum displacement based on the damping value (Unit : m)

    X Dir. maximum displacement based on the stiffness value (Unit : m)

    Y Dir. maximum displacement based on the stiffness value (Unit : m)

    X Dir. maximum acceleration based on the damping value (Unit : m/sec2)

    Y Dir. maximum acceleration based on the damping value (Unit : m/sec2)

    X Dir. maximum acceleration based on the stiffness value (Unit : m/sec2)

    Y Dir. maximum acceleration based on the stiffness value (Unit : m/sec2)

    Reference

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