Transcript 댐퍼를이용한고층건물진동제어및설계기법

초고층연구단 연구성과 발표회
댐퍼를 이용한 고층건물 진동제어 및
설계기법
포항산업과학연구원(RIST) 책임연구원
오상훈
Research Institute of Industrial Science & Technology
초고층연구단 연구성과 발표회
댐퍼를 이용한 고층건물 제어 및 설계기법
연구필요성
- 제진구조 등은 효과적인 진동제어 위한 설계법이 정립되어 있지 못함
- 종래의 내진설계에 비해 경제성이 떨어지는 단점
- 초고층 건물의 경우 한가지 제진장치로는 효과적인 진동 제어 곤란
- 탄소성 이력댐퍼의 소성변형에 의한 에너지 흡수능력 확보와
감쇠계 댐퍼의 감쇠증가에 의한 진동제어 효과를 동시에 실현 필요
면진장치 or 제진장치
- 감쇠 및 에너지 흡수능력 극대화위한 제진장치 혼용 배치
- 철골조의 단면을 최대한 줄여 경제성을 확보할 수 있는
초고층 제진구조 시스템 제안
- 이력댐퍼 및 점탄성 댐퍼 혼용한 진동제어 설계법 제시
감쇄형
점탄성 댐퍼
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년차별 연구계획
구분
연구목표
연구내용
1차년도
- 탄소성 이력댐퍼를
이용한 접합부 의 설
계식 제안
-탄소성 이력형 댐퍼의 설계식 제안
-탄소성 이력댐퍼를 이용한 접합부 개발
-접합부의 성능평가 및 복원력 특성
2차년도
- 진동제어 위한 감쇠
계 댐퍼에 의한 설계
식 제안
-감쇠계 댐퍼를 이용한 지진응답 해석 및 분석
-복합제진시스템용 최적 감쇠형 댐퍼의 사양결정
-감쇠계 댐퍼의 설계식 제안
3차년도
-진동제어형 전단벽
식 감쇠형 댐퍼개발
-감쇠형 댐퍼 개발형상 개발
-감쇠형 댐퍼의 구조성능 평가실험
-온도의존성, 변형률속도 등을 고려한 설계식 제안
4차년도
-복합제진장치에 의
한 제진구조시스템 개
발
-탄소성이력댐퍼,감쇠형댐퍼의 복합배치시스템
-기둥이 인장력 받는 구조시스템
-초고층용 적층식 구조시스템
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1차년도 연구:기존의 탄소성 이력댐퍼 사용방법
Q (tf)
200
150
100
댐퍼 형상
50
0
0
20
40
60
80
100
-50
120
 (m m )
-100
SB036-1
Q(tonf)
-150
100
80
60
40
20
-60
-40
-20
-20
0
20
40
-40
60
 (mm)
-60
-80
-100
120
90
LOAD(tf)
60
-30
30
0
-20
-10
0
10
20
30
10
20
30
-30
-60
-90
-120
DISPLACEMENT(mm)
150
100
LOAD(tf)
50
-30
탄소성 댐퍼
0
-20
-10
0
-50
-100
-150
DISPLACEMENT(mm)
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댐퍼 형상
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탄소성 이력댐퍼 사용한 접합부
탄소성 이력댐퍼
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1차년도:댐퍼접합부 시스템
 에너지흡수요소를 응력이 큰 보단부에 설치
 보 항복형의 메커니즘 형성
 효율이 좋은 에너지 분산형 골조를 실현
볼트접합
 댐퍼를 이용한 접합부 상세
 보(유요소)+탄소성이력댐퍼(강요소)
 골조의 초기강성 확보
 지진입력에너지를 댐퍼에서 흡수
교체용이
기둥 (유요소)
댐퍼부 (강요소)
보 (유요소)
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댐퍼부의 구성




4개의 댐퍼가 보플랜지 상하부에 위치
4개의 종판에 의해서 기둥으로 응력전달
보이음판에 의해서 보의 응력전달
웨브접합판에 댐퍼부 보의 웨브만 용접(기둥변형 방지)
댐퍼
웨브접합판
종판
댐퍼부
보
보이음판
댐퍼연결 작업
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댐퍼접합부 실험체 일람
 목적-정적반복가력에 의한 역학적 거동 파악
실험체
종판
댐퍼 두께
[mm]
스트럿 폭
[mm]
스트럿
갯수
형상비
(Bs/Hs)
No.1
AVP
20
14
16
0.35
No.2
AVP
20
20
14
0.50
No.3
AVP
20
26
12
0.65
No.4
HVP
20
14
16
0.35
No.5
HVP
20
26
12
0.65
No.6
AVP
12
20
14
0.50
No.7
AVP
16
20
14
0.50
No.8
AVP
12
14
16
0.35
No.9
AVP
16
14
16
0.35
 AVP: 종판이 플랜지를 중심으로 상하대칭
 HVP: 종판의 끝을 보플랜지 바깥면에 일치(슬래브 타설시의 시공성 고려)
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실험체 도면 Ⅰ
(입면 & 평면도)


6@80
6@80
백바
PL-25-9t
560

5
R3


6@80
50
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실험체 도면 Ⅱ
(댐퍼)
10
10
14 20 14 20 14 20 14 20 14 20 14 20 14 20 14 20 14 20 14 20 14 20 14 20 14 20 14 20 14 20 14
8
110
R1
0
8




No.1
No.4
No.8
No.9
형상비=0.35
 No.2
 No.6
 No.7
형상비=0.50
 No.3
 No.5
형상비=0.65
560
10
10
110
R1
0
20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20 20
560
110
R1
0
4
4
10 26 20 26 20 26 20 26 20 26 20 26 20 26 20 26 20 26 20 26 20 26 20 26 10
560
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실험체 셋팅도
Pin Sopport
1300
400
475
450
Pin Support
Actuator
Lateral Support
1300
1700
Damper
R-H-612x202x13x23
(Beam)
B-H-450x450x22x32
(Column)
3500
1000
 가력 장치도
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측정방법
(LVDT & Strain Gauge)
 Strain gauge
 댐퍼 상대변형
42
41
40
61
62
39
63
38
 패널존 변형
53
48
43
54
49
44
55
50
45
56
51
46
57
52
47
 접합부연직변형
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댐퍼 접합부 실험결과
실험체
No.1
No.2
No.3
No.4
No.5
No.6
No.7
No.8
No.9
Qy
[tf]
δy
[cm]
Qmax
[tf]
δmax
[cm]
14.9
2.7
27.1
113.8
12.2
2.2
23.05
77.0
27.1
4.5
39.01
122.2
24.1
4.0
28.25
117.8
27.2
3.8
43.82
148.1
26.5
3.7
39.73
107.5
16.6
3.1
26.78
117.0
14.5
2.7
24.29
129.3
21.3
3.6
37.37
195.3
21.3
3.6
33.77
171.0
10.2
1.9
20.47
120.0
9.7
1.8
18.85
91.6
15.5
2.7
23.93
81.5
13.2
2.3
21.04
57.8
7.8
1.5
15.38
120.5
4.7
0.9
13.02
83.6
11.0
2.1
18.58
75.3
8.9
1.7
16.44
60.4
Ki
[tf/cm]
5.5
6.0
7.2
5.4
5.9
5.4
5.7
5.2
5.3
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초고층연구단 연구성과 발표회
하중-변형관계 Ⅰ
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하중-변형관계 Ⅱ




접합부를 구성하고 있는 요소중 변형은 대부분 댐퍼가 부담하는 것을 확인
슬릿플레이트두께& 형상비의 증가⇒ 내력 및 강성이 증가
종판 크기에 의한 영향 ⇒ 댐퍼에서 대부분 변형하므로 거의 무시
No.5 (HVP 종판) ⇒ 종판의 휨거동
 종판에 대해서 인장뿐 아니라 휨거동도 검토할 필요성
슬릿플레이트 두께 & 형상비의 조절로 댐퍼의 강성 및 내력 조절 가능
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파괴상황
댐퍼의 전단변형
웨브접합판의 변형
⇒기둥플랜지 변형방지
댐퍼 슬릿의 균열발생
댐퍼의 파단
보이음부의 변형
⇒보이음부의 디테일 개선필요
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변형도 분포
Strain ε [μ]
100000
Damper
댐퍼 - 에너지 흡수
요소로서 큰 변형도
50000
0
-50000
0
0.4
0.8
1.2
Cumulative Rotation Angle Σ｜θ｜ [rad.]
Strain ε [μ]
10000
Beam Flange
5000
보 플랜지 - 주구조
체로서 거의 탄성거동
0
-5000
0
0.4
0.8
1.2
Cumulative Rotation Angle Σ｜θ｜ [rad.]
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최대골격부 회전각 (sθmax)
형상비가 증가할수록 변형능력이 증가
슬릿플레이트 두께가 얇을수록 변형능력 증가
No.7 & No.9는 댐퍼 한개소에 파단이 집중⇒변형능력의 감소
최대골격부 회전각-대체로 0.04rad. 이거나 이상임
플레이트의 두께나 형상비에 상관없이 대체로 안정적인 변형능력
Bauschinger part
0.08
0.06
0.04
0.02
0
No
.1
No
.2
No
.3
No
.4
No
.5
No
.6
No
.7
No
.8
No
.9
Skeleton part
Maximum Skeleton Rotation
sθmax [rad.]




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에너지 흡수능력
Q
골
격
부
바
우
싱
거
부
제
하
부


ep (s /y)
Q


ep (s /y)
Qy

0
0
강
도
저
하
시
작
점
uW
uW/(Qyy)
Q-δ relationship

s
y
Q 
S
0
Skeleton part

uW
B
uW
s
suW
s/(Q
yy)

s



uW
B
B/(Q
yy)
Bauschinger part
 댐퍼 두께가 얇을수록, 형상비가 증
가할수록 에너지가 크게 나타남
 최대골격부 곡선과 같은 결과
 No.5는 종판의 휨변형에 의해서 상
태적으로 큰 에너지 흡수함
Absorbed Energy [tf.m]
40
30
BWP
+
SWP
+
20
10
0
-10
-20
-30
BWP
-
SWP
-
-40
No.1 No.2 No.3 No.4 No.5 No.6 No.7 No.8 No.9
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댐퍼의 항복내력 및 강성
 항복내력
d
Py  n  min b Py , s Py 
r
t  b  y
2
d
Py 
P
r
중심선
H
r
2H '
2 t  b  y

s Py 
3
3
P
a) Slit Plate
중심축
tan α =B/H'
r
 항복변형
H HT

1.5Py H T  H '  2
   2.6
d  y b   s  
nEtB  B 

δy
r
B
b) Damper부
r2/HT
I
H'=H+2r2/HT
H
r2/HT
J
B
c) Damper의 단순화
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실험치와 제안식의 비교
2.5
Q/Q y
2
*
1
* (Qu/Qy )
고장력강
* 1연강
HT28-1
2
* (Qu/Qy ) HT28-2
1
SM28-1
SM28-2
SM24-1
K p2=1/125
1
K p1=1/25
1
1
20
0
*2ep max/2=(b/a)/2
-1
40
60
HT28-1
HT28-2
 |s |/ y
*1epmax/2=(b/a)/2
실험결과
예측치
근사식
SM24-1
-2
ep
SM28-2
SM28-1
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Q(ton)
접합부의 실험치와 예측치의 비교
실험치
60
40
예측치
20
-80
-60
-40
-20
0
20
40
60
80
δ (mm)
-20
-40
-60
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고찰
 댐퍼의 에너지 분담율
 에너지 평가의 단순화를 위해, 댐퍼와 보의 탄성변형에 의한 에너지의 두부분
으로 가정
 접합부 대부분의 에너지를 댐퍼에 의한 에너지 흡수
 No.2 & No.3 – 보이음부의 변형에 의한 변위임 (보의 소성변위량이 아님)
40
Damper
Beam
30
20
10
0
N
o.
1
N
o.
2
N
o.
3
N
o.
4
N
o.
5
N
o.
6
N
o.
7
N
o.
8
N
o.
9
Absorbed Energy [tf.m]
50
 댐퍼의 에너지 분담율
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결론
 실험체는 에너지 흡수능력이 뛰어난 접합부로서의 가능성을 나타
냈다.
 각 실험체의 초기강성, 내력 및 변형능력은 안정된 값
: 복원력 특성이 양호한 댐퍼에 의해 접합부의 거동이 종국상태
 접합부의 이력거동은 방추형의 형상을 나타냈고, 댐퍼의 파단에
의해서 최대내력이 결정될 때까지 안정된 에너지 흡수능력 발휘
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