KR200452377Y1 - 대형 구조물의 제진장치 - Google Patents

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    • E04B1/00—Constructions in general; Structures which are not restricted either to walls, e.g. partitions, or floors or ceilings or roofs
    • E04B1/62—Insulation or other protection; Elements or use of specified material therefor
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Abstract

본 고안은 고층 또는 초고층 빌딩 등과 같은 기존 대형 구조물에 강풍이나 장주기의 지진에 의한 하중이 작용할 때 구조물의 안전성, 주거성 등을 효과적으로 개선할 수 있는 대형 구조물의 제진(制振)장치에 관한 것이다.
본 고안에 따른 기존 대형 구조물의 제진장치는,
상기 제어장치에 의해 상기 액티브 동흡진기의 질량 매스를 구동, 제어함으로써 기존 대형 구조물의 제진을 실시하는 것을 주요한 특징으로 한다.
제진, 동흡진기, 액티브 제어, 내진, 진동, 풍속

Description

대형 구조물의 제진장치{Vibration Control Apparatus for Large scale Building}
본 고안은 대형 구조물의 제진(制振)장치에 관한 것으로서, 특히 고층 또는 초고층 빌딩 등과 같은 기존 대형 구조물에 강풍이나 장주기의 지진에 의한 하중이 작용할 때 구조물의 안전성, 주거성 등을 효과적으로 개선할 수 있는 대형 구조물의 제진장치에 관한 것이다.
최근에는 고층, 초고층 빌딩 등과 같은 대형 구조물에 강풍이나 지진에 의한 하중이 작용할 경우, 구조물의 안전성, 주거성 등을 효과적으로 개선, 향상시키기 위하여 구조물의 설계 당시부터 진동저감을 위한 에너지 흡수장치, 매스 댐퍼(mass damper) 등과 같은 제진장치를 계획, 검토하고 있으며 실제로 많이 설치하고 있다.
에너지 흡수장치 또는 매스 댐퍼 등의 제진장치는 원리적으로 점성, 점탄성, 탄소성 또는 마찰 등을 이용하게 되는데, 패시브형(passive type), 세미 액티브형(semi-active type), 액티브형(active type) 등으로 구분할 수 있다.
통상 고층 또는 초고층 구조물은 지진 하중보다 풍하중에 의해 구조 강도가 결정되므로 강풍이 불 때의 진동저감대책이 특히 중요하다. 또한 대도시의 기존 고층, 초고층 구조물은 깊이가 약 수 킬로미터인 퇴적층 위에 위치하는 경우가 많다. 따라서 원거리에서 큰 지진이 발생하는 경우, 대도시에서는 지진 진동의 단주기 성분은 거리 감쇠로 소멸하게 되지만 지진 진동의 장주기 성분이 남아서 그 진동이 고층, 초고층 구조물에 전달되고, 그에 따라 구조물 이용자에게 불쾌한 흔들림을 주게 된다.
예를 들면, 일본의 도쿄 지진, 홋카이도의 지진, 톳토리의 지진이나 최근에 발행한 니가타현의 나카고에바다 지진 등이 발생하였을 때, 지진의 영향으로 기존의 고층, 초고층 빌딩이 몇 초간의 장주기 진동 및 공진에 의하여 거주성을 해치는 사태가 발생하였다. 이와 같이 기존의 고층, 초고층 구조물들은 강풍이 불거나 장주기의 지진이 발생할 경우에 구조물의 사용성을 해치는 진동이 발생하게 되는 문제가 있다.
새로 신축한 대형 구조물의 경우에는 지진 및 강풍에 대비한 제진장치가 많이 설치되어 있는데, 예를 들어 에너지 흡수 장치로서 질량이 수백 킬로그램 정도 되는 제진장치를 구조물 내부에 설치하는 경우가 있다. 이때, 실내 공간의 확보를 위해 구조물의 벽 안에 이러한 제진장치를 설치하게 되는데, 이를 위해서는 구조물의 개조 또는 대대적인 설치 공사가 필요하게 된다. 이러한 제진장치를 구조물의 외부에 설치할 수도 있는데, 이를 위해서는 큰 반력에 대비한 기초 공사가 충분히 이루어져야 하므로 설치 부지가 좁은 경우에는 시공이 곤란하게 되는 문제가 있다.
위에서 설명하였듯이 고층, 초고층 빌딩에서는 지진 하중보다 풍하중이 구조 강도에 더 큰 영향을 주지만, 수명이나 성능을 고려할 때 풍하중에 의한 진동 대책 으로서 제진장치가 적극적으로 사용되지는 않는다.
패시브형 제진장치로서 가동 매스는 성능면에서 볼 때 대상 구조물에 대하여 질량비 1%~3%의 질량이 필요하므로 통상 수십 톤에서 수백 톤에 이르는 중량을 가지게 된다. 또한, 거주자, 주변 환경과의 관계를 고려하여 충분한 시공 계획에 기초하여 단기간 내에 설치가 완료되어야 한다. 특히, 가동 매스는 위와 같이 큰 질량을 가지고 있기 때문에 제진장치가 설치될 바닥에 대해 충분한 보강이 이루어져야 한다. 무엇보다 중요한 점은 매우 높은 설치위치(통상은 옥상 부근)까지 제진장치를 양중해야 하므로, 이를 위해서 제진장치의 분할 조립이 안전하고도 용이하게 그리고 정밀하게 이루어지도록 하는 것이 필요하다는 것이다.
일반적으로 신설 대형 구조물의 경우, 예를 들면 강풍이 불 때의 거주성을 높이기 위한 제진장치는 구조물의 설계 단계에서 검토한다. 즉, 필요한 제진장치의 설계 사양은 대상 구조물의 설계 상태에 기초하여 결정된다. 다시 말하면 제진장치는 실제 대상 구조물의 진동 특성을 정확히 알 수 없는 시점에서 설계되는 것이다. 그렇기 때문에 제진장치가 충분한 효과를 발휘하도록 하기 위해서는 구조물이 준공된 후에 구조물의 진동 특성을 파악하는 것이 반드시 필요하며, 최종적으로는 제진장치를 설치한 후에는 실제 구조물의 진동 특성에 맞추어 제진장치를 재조정하는 것이 필요하다.
또한, 대부분의 경우 제진장치의 사양이 설계시와 구조물 준공 후에 서로 달라지므로 제진장치의 재제작 및 추가 설치 공사가 필요할 수도 있다. 따라서 제진장치의 설계 단계에서부터 미리 제진장치의 조정 범위를 예상하고, 실제 조정 내용 이 예상한 범위를 벗어나는 경우에는 추가로 제진장치를 수정하거나 개량하고, 추가 부품을 준비해야 하는 등이 필요하게 되는데, 이러한 것은 결국 비경제적인 요소가 된다.
또한 패시브형 제진장치의 경우에는, 장치를 장착한 후 대상 구조물의 부가 감쇠비는 약 7% 정도이며, 이 경우 가속도 저감율은 1/2.65가 된다. 구조물의 진동 특성을 모르고 제진장치의 최적 감쇠나 최적 진동을 결정할 수 없기 때문에 성능적으로는 불안하다.
구조물의 최고층 부근에 제진장치를 설치하는 것은, 위에서 설명한 것처럼 신설 구조물의 경우 통상 구조물의 기둥, 보 등의 시공시에 사용하는 중공업용 기기를 사용하게 되지만, 대부분은 기둥, 보의 크기나 대형 설비 기계로 결정되는 중공업용 기기의 능력 및 현장 환경에 의해 장치의 설계 그 자체가 제한된다.
또한, 기존의 초고층 구조물의 경우에는 특별한 중공업용 기기를 사용해야 하므로, 분할 방법이나 조립 및 단기간 공사 완료를 위한 방안과 시공기술이 필요하게 된다. 이와 같이 성능적인 측면에서의 문제, 현장 시공 측면에서의 문제, 구조물 보강 측면에서의 문제 등과 같은 다양한 기술적인 또는 기타 여러 문제가 있기 때문에 적절한 제진 대책을 세우기 어렵게 되고, 이러한 이유로 실제 제진장치나 제진 방법이 적용된 사례가 거의 없다. 　
위에서 살펴본 것처럼, 신축 구조물이 아닌 이미 설치되어 있던 기존 대형 구조물, 특히 높이 60m 이상의 고층, 초고층 건물의 경우에는 강풍이 불거나 장주기의 지진이나 진동에 대비한 진동 저감 대책이 적용된 예가 없다. 따라서 현존하 는 많은 초고층 구조물은 풍하중이나 지진 등과 관련하여 많은 문제와 위험을 가지고 있는 실정이다. 즉, 기존의 초고층 빌딩에 대해서는 위에서 살펴본 것처럼 강풍이 불거나 또는 최근에 문제가 되고 있는 장주기의 지진 또는 진동에 대비한 대책이 확립되어 있지 않고 거주성의 개선을 위한 진동 저감 대책도 적용되어 있지 아니한 실정인 것이다.
종래의 기술로서 일본 특개평7-26784호에는, 건물에 대해서 상대 이동 가능한 소정 중량의 부가 질량체를 엑츄에이터에 의해 구동시켜 건물에 제어력을 주는 액티브 동흡진기(動吸振器)를, 건물의 상층부와 중층부에 각각 설치하여 이 상층부와 하층부의 상대운동을 센서에 의해 검출하고, 상층부와 중층부의 액티브 동흡진기의 상대운동에 비례한 역위상의 제어 신호를 입력함으로써 건물의 제진을 실시하도록 구성한 액티브 동흡진기에 의한 제진방법이 제안되고 있다.
이러한 종래기술에 의한 제진방법에서는 액티브 동흡진기를 이용하고 있지만, 기존 건물의 바람 등에 대한 진동 응답성의 해석, 액티브 동흡진기의 설계, 제작, 반입, 조립 성능 시험 등의 일련의 과정까지는 고려하고 있지 않다는 한계가 있다.
본 고안이 해결하려고 하는 과제는, 강풍이 불 때 또는 장주기 지진 내지 진동이 발생할 때 거주성을 해치는 흔들림이 생기는 기존 대형 구조물에 대해, 그 현상을 적확하게 파악하여 효과적으로 진동 저감을 도모할 수 있도록 하는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 고안에서는 기존 대형 구조물의 설치되고 질량 매스를 이용하는 액티브 동흡진기와, 상기 액티브 동흡진기의 질량 매스를 구동 제어하는 제어장치를 포함하는 구성을 가지고 있어, 기존 대형 구조물에 강풍이 불거나 장주기 지진이 작용하였을 때 제진을 하는 기존 대형 구조물의 제진장치로서, 상기 액티브 동흡진기는, 바닥면에 설치되는 기초 지지대와, 상기 기초 지지대상에 설치된 X방향 발판과, 상기 X방향 발판 상에 배치되어 있는 평행한 X방향 레일과, 상기 X방향 발판 상에 배치된 2대의 X방향 모터와, 상기 X방향 모터에 의해 X방향 발판 상에서 X방향으로 왕복 구동되는 X방향 질량 매스와, 상기 X방향 레일의 윗쪽에서 Y방향을 따라서 배치되는 Y방향 발판과, 상기 Y방향 발판 상에 배치되어 있는 평행한 Y방향 레일과, 상기 Y방향 발판 상에 배치한 1대의 Y방향 모터와, 상기 Y방향 레일 상에 Y방향으로 이동 가능하게 배치되어 Y방향 모터에 의해 Y방향으로 왕복 구동되는 Y방향 질량 매스와, 가속도 센서를 가지고 있고; 상기 제어장치는, 상기 가속도 센서의 검출신호와 미리 설정된 LQ 제어이론 또는 로보스트 제어이론의 알고리즘에 기하여, X방향 및 Y방향의 제어신호를 생성하는 제어부와, X방향의 제어신호에 기하여 X방향 모터를 왕복 구동시키는 X방향 구동부와, Y방향의 제어신호에 기하여 Y방향 모터를 구동하는 Y방향 구동부를 구비하고, 피드백 제어에 의해 액티브 동흡진기의 X방향 질량 매스와 Y방향 질량 매스를 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 기존 대형 구조물의 제진장치가 제공된다.
이러한 제진장치를 이용하여 기존 대형 구조물의 제진방법에서는, 기존 대형 구조물의 풍속, 풍향, 바람에 수반하는 진동의 가속도를 측정함으로써 기존 대형 구조물의 현상을 측정하는 단계와, 기존 대형 구조물의 해석 모델을 설정하는 단계와, 기존 대형 구조물에 관한 이론적인 풍하중을 작성하는 단계와, 측정된 풍속, 풍향, 바람에 수반하는 진동의 가속도, 그리고 작성된 해석 모델에 근거하여 기존 대형 구조물에 관한 고유치를 해석하는 단계와, 고유치의 해석 결과와 이론적인 풍하중에 근거하여 기존 대형 구조물의 모형을 사용한 풍동시험을 실시함으로써 기존 대형 구조물의 풍응답 가속도를 추정하는 단계와, 추정된 응답 가속도에 근거하여 액티브 동흡진기 및 제어장치의 사양을 결정하고, 질량 매스를 이용한 액티브 동흡진기와, 현대 제어 이론에 근거하는 소프트웨어를 포함하는 제어장치를 설계하여 제작하는 단계와, 제작된 액티브 동흡진기 및 제어장치의 성능 확인 시험을 실시하는 단계와, 제작된 액티브 동흡진기 및 제어장치를 기존 대형 구조물의 설치 현장에 반입하는 단계와, 설치 현장에서 액티브 동흡진기 및 제어장치의 설치와 조정을 실시하는 단계와, 설치된 액티브 동흡진기 및 제어장치의 현장 성능 시험을 실시하는 단계를 포함하여, 전기 제어장치에 의해 액티브 동흡진기의 질량 매스를 구동 제어함으로써 기존 대형 구조물의 제진을 실시하게 된다.
위와 같은 제진방법에서는 풍속 풍향계, 가속도계에 의한 풍속, 풍향, 가속도의 측정, 기존 대형 구조물의 설치 현장의 바닥에 대한 3차원 유한요소법을 이용한 해석에 근거하는 바닥보강, 기존 대형 구조물의 설치 현장의 바닥에 2대의 액티브 동흡진기와 피드백 제어를 실시하는 제어장치의 설치 등의 과정을 적용할 수 있다.
또한, 위와 같은 본 고안에 있어서, 고유치의 해석 결과와 이론적인 바람 하중에 근거하여 기존 대형 구조물의 모형을 사용한 풍동시험을 실시하고, 이 풍동시험을 통해 추정한 응답 가속도에 의해서 액티브 동흡진기 및 제어장치의 사양을 결정하여 제작할 수도 있으며, 상기 제어장치는 피드백 제어를 실시할 수 있도록 제작할 수도 있다.
　 본 고안에 의하면, 기존 대형 구조물에 대하여 강풍이나 장주기의 지진 등에 수반하는 진동을 효과적으로 충분히 저감함으로써, 기존 대형 구조물의 거주성 개선할 수 있게 된다. 　
본 고안은, 강풍이 불거나 또는 장주기의 지진 또는 진동에 의하여 거주성을 해치는 정도의 흔들림이 발생하게 되는 기존 대형 구조물에 대해 그 현상을 적확하게 파악하여 효과적으로 진동을 저감시킬 수 있는 제진장치에 대한 것이다.
다음에서는 첨부도면을 참조하여 본 고안의 실시예에 따른 기존 대형 구조물의 제진방법과 제진장치를 상세히 설명한다.
강풍이 불거나 또는 장주기의 지진 또는 진동 등이 발생하는 경우에 고층, 초고층 구조물 등의 기존 대형 구조물의 거주성을 효과적으로 향상시키기 위한 대책으로서, 본 고안에 따른 기존 대형 구조물의 제진장치 및 제진방법에서는 대상 구조물에 큰 부가 감쇠를 부여하는 시스템을 채택하였다.
기존 대형 구조물의 예로서 일반적인 기존 고층, 초고층 빌딩을 상정했을 경우, 액티브 매스 댐퍼 또는 액티브 동흡진기(動吸振器)(Active Mass Damper/ 이하, "AMD"라고도 약칭한다)를 제진장치로 사용하여 효과적으로 강풍, 지진 등에 의한 진동을 저감하기 위해서 필요한 사항은 대체로 아래와 같다.
(1) 구조물의 사용상태 즉, 영업 중이거나 거주 중인 상태를 전제로 한 시공 방법의 구축(특히, 시공방법을 구축할 때, 납기, 진동, 소음에 대해서도 고려한다);
(2) 구조물의 진동 특성 파악(기존 구조물에 대한 가진 시험, 또는 상시 미동 측정을 통하여 구조물의 진동 질량, 진동수, 감쇠비 등을 측정한다 - 이러한 물리량의 실측치에 의하여 구조물의 진동 특성을 파악한다);
(3) 파악된 구조물의 진동 특성 결과에 근거하여 풍동 시험을 실시함과 동시에, 계산에 의하여 제진장치를 설치한 후의 결과를 추정;
(4) 상기 (3)의 단계를 통해 얻을 수 있던 결과에 근거하여 제진장치의 사양 확정, 장치 설계(경제적인 설계) 및 장치 제작을 수행;
(5) 현장에서의 보강을 위한 해석 기술과 보강 방법의 검토;
(6) 현장에서 제진장치의 반입, 양중 등의 계획;
(7) 현장시공;
(8) 효과 확인 시험.
기존 초고층 빌딩 등에 대해 진동 대책이 수립되어 있지 아니한 이유는, 구조물 바닥의 보강 공사, 보강 부재의 반입, 장치의 양중, 설치(조립) 등 제약 조건이 많은 것에 기인한다고 생각된다. 따라서 이러한 기존 초고층 빌딩 등의 구조물에 제진장치를 설치하여 사용하려면, 위에서 언급한 것과 같은 여러 작업이 필요한 것이다.
다음에서는 본 고안에 따른 제진방법 및 제진장치의 일 실시예에 대해 구체적으로 설명한다. 본 실시예에서는 도 1에 도시된 것처럼 아래와 같은 순차적인 단계 S1A 내지 S10에 의해 기존 대형 구조물에 대한 진동 저감 대책을 실현하게 된다. 구체적으로 본 실시예에 의한 기존 대형 구조물의 제진방법은 아래와 같은 단계를 포함한다.
- 기존 대형 구조물의 현상 측정단계(S1A);
- 구조물의 해석 모델 작성단계(S1B);
- 풍하중의 작성단계(S1C);
- 고유치 해석단계(S2);
- 풍하중에 대한 구조물 응답의 해석단계(S3);
- 제진장치의 설계단계(S4);
- 제진장치의 제작단계(S5);
- 제진장치의 공장 시험단계(S6);
- 제진장치의 해체, 반입단계(S7);
- 제진장치의 현장 설치, 조정단계(S8);
- 제진장치의 현장 성능 확인 시험단계(S9); 및
- 제진장치의 유지 관리단계(S10).
다음에서는 상기한 각 단계에 대하여 구체적으로 설명한다.
우선, 기존 대형 구조물의 현상 측정을 실행한다(S1A). 즉, 기존 대형 구조물(1)이 처해있는 상황을 측정하는 것이다. 예를 들면, 도 2에 도시된 것처럼 건물 옥상의 헬리포트 계단 위에, 예를 들면 3.5m 높이의 위치에 풍속 풍향계(2)를 설치하여 기존 대형 구조물(1)에 대한 최대순간풍속, 평균풍속(예를 들면 10분 동안의 평균풍속) 및 풍향(각도)을 측정한다.
실제 측정 결과가 도 3 및 도 4에 도시되어 있다. 도 3은 풍속 풍향계(2)에 의해 측정한 17시간 동안의 최대순간풍속(m/s) 및 평균풍속(10분 동안의 평균풍속)(m/s)의 측정 결과를 보여주고 있다. 도 4는 이와 마찬가지로 17시간 동안의 풍향 측정 결과를 보여주고 있으며, 풍속 풍향계(2)에 의해 상술한 경우와 같이 17시간에 걸쳐서 계측한 풍향 데이터(10분마다 집계)를 보여주고 있다.
기존 대형 구조물(1)의 예로서 옥상탑의 오른쪽 측정점 2개소 및 중앙부에 도 5, 도 6 및 도 7에 도시된 것처럼 총 3개의 가속도계(3)를 설치하여 기존 대형 구조물(1)의 X방향, Y방향 및 비틀림 방향에 대해 각각의 진동에 수반하는 가속도를 측정한다.
도면에 도시하지는 않지만 가속도계(3) 이외에 컷오프(cutoff) 주파수 5Hz의 로우 패스 필터(lowpass filter) 및 데이터 로거를 사용하게 되는데, 이들 장치로는 저주파수 대역의 미진동 측정이 가능한 사양의 장치가 선정되는 것이 바람직하다.
가속도계(3)를 사용하여 측정한 대형 구조물(1)의 바람에 의한 진동에 수반하는 X방향, Y방향 및 비틀림 방향의 각각의 가속도 데이터가 도 8 및 도 9에 도시되어 있다. 도 8은 평균풍속(10분 동안의 평균풍속)(m/s)에 대응하는 기존 대형 구조물(1)에서의 700초(sec) 동안의 중앙 비틀림 X방향, 모퉁이 X방향, 및 모퉁이 Y방향의 가속도의 시간 이력을 나타내고 있다. 도 9는 기존 대형 구조물(1)에서 최대풍속(최대순간풍속)(m/s)에 대응하는 700초(sec) 동안의 중앙 비틀림 X방향, 모퉁이 X방향, 및 모퉁이 Y방향의 가속도의 시간 이력을 나타내고 있다.　
후술하는 거주성 평가는 통상의 재현 기간으로서 1년간의 최대 가속도를 이용하게 되므로, 적어도 1년간의 관측이 필요하다. 도 10은 도시하지 않는 스펙트럼 애널라이저를 이용하여 해석한 기존 대형 구조물(1)의 X방향, Y방향 및 비틀림 방향의 4 종류(케이스 1 내지 케이스 4)의 진동 주파수 데이터를 나타내는 것이고, 도 11은 도 10에 표시된 케이스 1의 경우에 대해 기존 대형 구조물(1)의 중앙 X방향, 모퉁이 X방향 및 모퉁이 Y방향의 주파수 진폭 특성을 나타내는 것이다.
기존 대형 구조물의 현상 측정단계(S1A)에 후속하여, 기존 대형 구조물(1)의 해석 모델을 작성한다(S1B). 즉, 도 12에 도시된 것처럼 기존 대형 구조물(1)의 역학적인 해석 모델을 설정하는 것이다. 이 해석 모델은, X, Y방향의 병진 일차 모드와 뒤틀림 일차 모드로 이루어진 3자유도계의 해석 모델이 된다. 즉, 기존 대형 구조물(1)에 도 12에 도시된 것처럼 구조물의 평면 2개소에 2개의 AMD가 위치하는 것으로 하고, 각각의 AMD에 X, Y방향의 2개 방향으로 힘이 작용하는 것으로 모델을 설정한다. X, Y 방향으로 힘이 작용하게 되면 결과적으로 구조물(1)에 비틀림 힘이 작용하는 모델이 만들어진다. 위와 같은 형태로 기존 대형 구조물(1)의 해석을 위한 개념적인 해석 모델을 설정하게 되는 것이다.
다음으로, 위와 같이 설정된 기존 대형 구조물(1)의 해석을 위한 개념적인 모델에 작용하게 될 풍하중을 결정한다(S1C).
위와 같은 풍하중은 학회에서 정한 규정이나 시방서 등에 근거하여 결정하게 되는데, 구체적으로는 아래와 같은 사항을 검토함으로써 각각 풍하중의 이론적인 값을 결정하게 된다.
- 기준 풍속의 결정;
- 조도 구분(粗度 區分)의 선정;
- 연직 방향 분포 계수의 결정;
- 재현 기간의 결정;
- 재현 기간 환산 계수의 산정;
- 설계 풍속의 산정;
- 설계 속도압의 산정;
- 풍력 계수의 결정;
- 가스트 영향 계수의 결정; 및
- 풍하중의 산정.
여기서, 기준 풍속, 조도 구분, 연직 방향 분포 계수, 재현 기간, 재현 기간 환산 계수 등에 대해서는, 건물의 종류와 위치, 건물의 용도 등에 따라 해당 건물에 적용될 기준이 되는 값들이 각종 연구 학회 또는 시방서 규정에서 제시되어 있다. 본 고안에서는 제진장치를 설치할 대상이 되는 기존 대형 구조물(1)에 대하여 이미 제시되어 있는 일반적인 공지의 기준에 근거하여 위와 같은 과정을 통하여 풍하중을 연산하여 결정하게 되는 것이다.
풍하중을 결정하는 단계에 후속하여 기존 대형 구조물(1)의 고유치 해석을 실시한다(S2).　즉, 상술한 단계 S1A로 실측한 기존 대형 구조물(1)의 풍속, 풍향 및 가속도의 각각의 측정 데이터와 단계 S1B에서 작성한 해석 모델을 사용하여 기존 대형 구조물(1)의 고유치를 연산하게 되는 것이다. 기존 대형 구조물(1)의 고유치 해석을 수행할 때, AMD의 일차 등가 매스, 일차 고유치, 등가 감쇠 가정, 1 질점계의 모델로의 치환(풍하중의 경우) 등에 대해 검토하게 된다. 해석 모델에 데이터를 적용하여 고유치를 해석하는 방법 자체는 공지된 것이며, 본 고안에서는 공지의 고유치 해석 방법을 이용하여 기존 대형 구조물(1)의 고유치를 연산하게 된다.
다음으로 기존 대형 구조물(1)의 건물 바람 응답 해석을 실시함으로써, 풍하중에 의한 기존 대형 구조물(1)의 응답 가속도를 추정한다(S3).　구체적으로, 제진 대상이 되는 기존 대형 구조물(1)의 축소 모형을 제작하여, 이 축소 모형에 대해 풍동 실험을 실시하여 응답 해석을 위한 데이터(최대순간풍속, 평균풍속, 풍향 등)를 측정하고, 이 측정된 데이터를 공지의 방법으로 연산하여 모형 구조물에 대한 응답 가속도를 측정한다. 상술한 단계 S2를 통해 해석한 고유치의 데이터와 측정된 모형 구조물의 응답 가속도를 이용하여 응답 해석을 수행함으로써, 기존 대형 구조물(1)의 응답 가속도의 추정값을 연산하여 구하게 된다. 이 때, 10분간 평균풍속, 최대순간 풍속, 1년 기대치, 5년 기대치, 50년 기대치, 100년 기대치 등을 고려하여 응답 가속도의 추정값을 구한다. 이와 같이, 실물 축소 모형에 대한 풍동 시험을 실시하게 되면 더욱 정밀한 예측 값을 얻을 수 있어 정확한 평가가 가능해진다. 여기서 고유치의 데이터와 측정된 모형 구조물의 응답 가속도를 이용하여 응답 해석을 수행하는 방법 자체 즉, 응답 해석 방법 자체는 공지된 것이므로 이에 대한 상세한 설명은 생략한다.
다음 단계로서 기존의 대형 구조물(1)에 설치하는 AMD, 제어장치 등에 대한 장치 사양을 결정한다. 후속하여 AMD 및 제어장치를 설계한다(S4). 즉, 위에서 설명한 바와 같이 AMD 및 제어장치의 장치 사양을 결정한 후, 아래와 같은 점을 고려하면서 계획 도면, 제작 도면의 작성, 설치 장소의 스페이스 검토 등을 실시하여 AMD 및 제어장치를 설계하여 제진장치를 설계하는 것이다.
구체적으로, AMD의 질량 매스 크기를 정하게 되는데, AMD의 질량 매스 크기 는 제어 대상이 되는 1차 진동 모드의 일반화 질량이 건물 질량의 1/3 정도라고 가정하면, 1차 진동 모드의 일반화 질량에 대해서 대략 0.6%정도의 부가 추가질량으로 추정하게 된다.
또한 질량 매스의 스트로크 크기 및 제어계에 대해서도 검토한다. 질량 매스에 대한 제어력은 추 질량의 대략 10%정도가 평균으로 여겨진다. 제어계의 설계에 관해서는, 아래와 같이 수학식 1의 운동 방정식, 수학식 2의 특성식, 운동 방정식을 상태방정식으로 변환한 식, 최적 일반화 데이터를 얻기 위한 피드백 제어계 등에 대하여 고려한다.　
Figure 112008071828378-utm00001
위의 수학식 1은 1 자유도계의 주 진동계에 AMD를 부착한 경우의 운동방정식으로서, F는 제어력을 의미하고, W는 풍하중에 의한 외력을 의미한다. x는 변위를 의미하며, M은 질량, C는 감쇠비, K는 강성을 의미한다.
Figure 112008071828378-utm00002
상기 수학식 2는 특성식으로서, 매스 댐퍼의 특성을 실험에서 구하여 상태방정식에 반영하여 수학식 2를 고려한다. 여기서 a1, a2, b1, b2, d2는 각각 전달계수이고, v는 속도제어신호의 전압이며, x는 변위이다.
후속하여 제진장치(4)를 구성하는 2대의 AMD(11)와 제어장치(12)를 제작하여 제진장치(4)를 제작한다(S5). 이 경우, 필요한 전기용량, 구조 강도, 가동시의 소음 등을 고려한다. 상기 AMD(11), 제어장치(12)에 대해서는 도 13 내지 도 16을 참조하여 다음에서 구체적으로 설명한다.
도 13 내지 도 15에 도시된 것처럼 AMD(11)는, 바닥면에 설치되는 기초 지지대(20)와, 상기 기초 지지대(20)상에 설치된 X방향 발판(21)과, 상기 X방향 발판(21)상에 배치되어 있으며 평행한 구성의 X방향 레일(22)과, 상기 X방향 발판(21) 상에 배치된 2대의 X방향 모터(23)와, 상기 X방향 모터(23)에 의해 X방향 발판(21) 상에서 X방향으로 왕복 구동되는 X방향 질량 매스(24)와, 상기 X방향 레일(22)의 윗쪽에서 Y방향을 따라서 배치되는 Y방향 발판(25)과, 상기 Y방향 발 판(25) 상에 배치되어 있으며 평행한 구성의 Y방향 레일(26)과, 상기 Y방향 발판(25) 상에 배치한 1대의 Y방향 모터(27)와, 상기 Y방향 레일(26) 상에 Y방향으로 이동 가능하게 배치되어 Y방향 모터(27)에 의해 Y방향으로 왕복 구동되는 Y방향 질량 매스(28)와, 가속도 센서(29)를 가지고 있다.　
상기 AMD(11)로는 예를 들면 액티브 방식을 들 수 있다. 또, 모터 제어가 액티브 방식으로 되어 있다면 이에 한정되지 아니하며, 패시브 기구(스프링 요소, 감쇄요소)를 조합한 하이브리드 방식도 가능하다.
도 16에 도시된 것처럼 제어장치(12)는, 가속도 센서(29)의 검출 신호를 디지털 신호로 변환하는 A/D 변환기(31)와, 제어 소프트웨어(현대 제어 이론에 근거하는 소프트웨어)를 탑재하고 있는 메모리(32)와, 상기 가속도 센서(29)의 검출 신호와 상기 제어 소프트웨어에 의하여 X방향 및 Y방향의 제어 신호를 생성하는 제어부(30)와, 상기 X방향의 제어 신호에 근거하여 2대의 X방향 모터(23)를 왕복 구동하는 X방향 구동부(33)와, 상기 Y방향의 제어 신호에 근거하여 Y방향 모터(26)를 구동하는 Y방향 구동부(34)를 구비하고 있다.
이러한 것을 위한 기술로는 다음과 같은 기술을 제시할 수 있다.
1.　제어 대상 구조물이 강풍 등의 외란에 응답한다(진동 해석 기술);
2.　계측 장치인 가속도 센서가 이 응답을 계측한다(일반적으로는 응답의 일부, 경우에 따라서는 외란도 응답과 함께 계측한다)(계측 기술);
3.　이 정보가 제어장치로 전송된다;
4.　제어장치는 수신한 정보를 이용하여 메모리에 저장되어 있는 제어 소프트웨어의 알고리즘(LQ 제어, 로보스트 제어 등의 공지된 현대 제어 이론에 근거하는 알고리즘)에 따라 X방향 구동부 또는 Y방향 구동부에 제어 지령을 보낸다(피드백 제어 기술);
5.　그에 따라 X방향 구동부 또는 Y방향 구동부가 구동하여 제어를 위한 액션을 AMD에게 가하게 된다(즉, AMD의 X방향 질량 매스와 Y방향 질량 매스를 제어하게 된다)(기동 기술).
여기서, 현대 제어 이론은, 제어계 상태 방정식으로 기술하여 2차 형식에서 나타내진 평가 함수를 최소로 하는 상태 피드백 게인을 결정하는 제어계 설계 이론이며, LQ 제어 이론이라고 한다. 이 LQ 제어 이론을 사용하려면 제어 대상의 내부 구조가 해명될 필요가 있다. 최적 레귤레이터 이론을 적용하기 위해서는 제어 시스템 전체가 선형인 수학 모델에 표현되는 것이 전제가 된다.
구체적으로는 다음과 같은 사항들이 필요하다.
- 제어 대상의 내부를 명확하게 하는 대상 구조물의 운동 방정식, 가동 질량의 운동 방정식;
- 상태 피드백할 수 있는 센서의 배치;
- 중량감 계수의 설계 파라미터로서의 위치 부여.
예를 들면, 아래에 예시된 수치와 같은 사항들의 검토가 필요한 것이다.
대상 구조물의 절대 가속도의 피드백 계수　　0.35 tonf/kine;
AMD의 스트로크(stroke) 변위의 피드백 계수　　0.02 tonf/cm
AMD의 스트로크 속도의 피드백 계수　　0.001 tonf/kine
최적 레귤레이터 이론은, 현대 제어 이론의 기본인 레귤레이터 문제로서 취급할 수가 있다. 즉, 레귤레이터란, 외란에 의해 평형점으로부터 어긋난 출력 신호를 신속하게 원점으로 귀환시키는 피드백 제어 시스템이며, 상태 피드백 제어와 출력 피드백 제어의 두 가지 방법이 존재한다.　위와 같은 LQ제어 이론, 최적 레귤레이터 이론 및 피드백 제어의 두 가지 방법 자체는 이미 공지된 것이므로 추가적인 설명은 생략한다.
또한, 로보스트 제어(예를 들면, "H∞제어" 등)는, 고전적인 제어와 최적 레귤레이터 제어가 융합된 기술이며, 다입력 다출력계, 시간 영역과 주파수 영역, 평가 함수의 설정, 제어 대상의 모델화 오차 평가 등의 여러 가지 점으로써 지극히 이론적이며 유용한 제어 기술로서 활용된다. 이러한 로보스트 제어 역시 그 자체는 공지된 것이므로 추가적인 설명은 생략한다.
후속하여 각종 측정 기기류를 이용하여, 제작된 AMD(11), 제어장치(12)의 공장 시험을 실시하여(S6), 그 성능 및 가동시의 소음 체크를 실시하고 시험 요령을 작성한다.
그 다음에, AMD(11)를 해체하여 기존 대형 구조물(1)에 반입하게 되는데(S7), 반입에 앞서 기존 대형 구조물(1)의 설치 장소의 바닥보강이 필요한지의 여부를 검토한다. 바닥보강 공사가 필요한 경우에는, 3차원 유한요소법(Finite Element Method)을 활용한 보강 방식 등을 검토하여 구체적인 보강 방식을 결정한다.
도 17에는 기존 대형 구조물(1)의 기존 바닥(40)에 대한 바닥보강의 일례가 도시되어 있다. 도면에 도시된 것처럼 H형강을 우물 정자의 형태로 만들어 보강바닥(41)으로 삼고, 상기 보강바닥(41)을 스팬 10m의 벽(42, 43, 44, 45) 간에 양단 고정한다. 위와 같은 실시예를 이용하여 실험을 함에 있어서, 하중 조건은 대들보 중앙 부분에 30톤의 정하중이 걸리는 것으로 했다. 이 경우의 응력과 처짐 측정 결과는 각각 750 kgf/cm2 및 8 mm였다.
상기 기존 대형 구조물(1)의 기존 바닥(40)에 대해서 직접 바닥보강하는 방안도 물론 가능하다. 본 고안에 있어서 기존 대형 구조물의 기존 바닥(40)을 보강하는 방법은 위에 예시한 것에 한정되지 아니하며 다양한 방법을 채택할 수 있다.
후속절차로서, AMD(11) 및 제어장치(12)의 현장 설치, 조정을 실시한다(S8).　이 경우에는, AMD(11)의 현지 반입 및 양중 전에 기계 가공품 등의 정밀도를 확보한 다음, 조립 방법, 분할 방법, 양중방법을 적절히 선택하여 사용한다. 기본적으로는 가설 크레인을 설치하여 양중한다. 높이 110 m정도까지의 초고층 빌딩에서는 지상 주행 크레인 등의 이용도 생각할 수 있다. 필요에 따라서는 양중용 각종 공구 등도 사용하고, 가설, 조립 치구를 활용한 조립 공사, 레벨링 등을 시공상의 품질관리를 충분히 실시하면서 실행한다.
이와 같은 과정을 통해, 도 18에 도시된 것처럼 기존 대형 구조물(1)에 AMD(11)과 제어장치(12)를 설치한다. 도면에 도시된 실시예에서는 2대의 AMD(11)와 1대의 제어장치(12)가 설치되어 있다.
후속하여, 제어장치의 현장 성능 확인 시험을 실시한다(S9). 즉, 도면에 도시된 실시예에서는 설치한 2대의 AMD(11)와 제어장치(12)의 현장 성능 확인 시험을 실시하게 되는 것이다. 이 경우, AMD(11)를 이용한 가진 시험에 의한 실제의 기존 대형 구조물(1)의 진동 특성을 측정하여 그 결과를 기록하고 시험 요령을 작성한다.
다음으로, 설치한 AMD(11)와 제어장치(12)에 대해서 유지 관리를 위한 교환 부품 리스트 작성하고 유지 관리 계약 체결 등을 실시한다(S10).
도 19에는 재현 기간 1년의 바람에 대하여 AMD(11)를 설치하지 않는 경우의 기존 대형 구조물(1)의 응답 가속도(풍향 270도, 1200초)의 측정 데이터가 도시되어 있고, 도 20에는 AMD(11)를 설치했을 경우의 기존 대형 구조물(1)의 응답 가속도(풍향 270도, 1200초)의 측정 데이터가 도시되어 있다. 도 21에는 기존 대형 구조물(1)의 거주 성능 지침인 X방향, Y방향 및 비틀림 방향의 주파수 가속도 특성이 도시되어 있다.
본 실시예에 의한 기존 대형 구조물(1)의 제진장치에 의하면, AMD(11)의 질량은 작지만 성능이 좋다. 따라서, 바닥 보강 공사, 장치의 이동 조립 등이 용이 하고, 단기간에 고정밀도로 기존 고층, 초고층 구조물과 같은 기존 대형 구조물(1)에 대해 강풍 등에 수반하는 진동 저감을 이룰 수 있어 거주성 개선을 실현할 수 있게 된다. 　즉, 본 고안에 따른 실시예에 의하면, 제진장치(4)로서 패시브 제진장치가 아니라, AMD(11)(액티브 매스 댐퍼/액티브 동흡진기)를 사용하여 기존 대형 구조물(1)의 강풍 등에 수반하는 진동 저감을 실현할 수 있게 되는 것이다.
또한, 본 실시예에 따르면 제진장치(4)를 구성하는 AMD(11)는, 질량비(=가동 매스/진동 질량)가 0.6%정도이므로, 패시브 제진장치와 비교하여 질량이 1/2 내지 1/6 정도이다. 더 나아가 부가 감쇠는 16%에서 20%로서 크고, 가속도 저감율도 1/3.9 내지 1/4.5가 되어, 큰 진동 저감 효과를 얻을 수 있는 이점이 있다.
더욱이, 본 실시예에 따르면 AMD(11)는, 기존 대형 구조물(1)의 현상 측정으로서의 풍속 풍향계(2), 가속도계(3)를 이용한 풍속, 풍향, 바람에 수반하는 진동의 가속도의 측정 결과와 기존 대형 구조물(1)의 해석 모델에 근거해 기존 대형 구조물(1)에 관한 일차 등가 매스, 일차 고유치, 등가 감쇠 등의 고유치를 해석하고 이 고유치의 해석 결과인 이론적인 풍하중에 근거하여 기존 대형 구조물(1)의 모형을 사용한 풍동 시험을 실시하여 추정한 응답 가속도에 의해 사양을 결정함으로써 제작된 것이다. 따라서 실제의 기존 대형 구조물(1)의 강풍 등에 수반하는 진동 특성을 반영시킨 고성능의 진동 저감 기능을 발휘하는 것이다.
본 고안은, 상술한 고층, 초고층 빌딩 등의 구조물 이외에, 철도, 도로를 위한 교량, 전력 송전용 등의 철탑, 각종 타워와 같은 구조물에도 광범위하게 응용 가능하다.
도 1은 본 고안의 실시예와 관련되는 기존 대형 구조물의 제진장치를 구축하기 위한 처리의 흐름을 나타내는 플로우차트(flow chart)이다.
도 2는 본 실시예와 관련되는 기존 대형 구조물의 제진장치를 구축하기 위해서 풍속, 풍향을 측정하는 풍속 풍향계의 설치 상태를 나타내는 개략도이다.
도 3은 본 실시예와 관련되는 기존 대형 구조물의 제진장치에서, 풍속 풍향계에 의해 측정한 풍속 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 실시예와 관련되는 기존 대형 구조물의 제진장치에서, 풍속 풍향계에 의해 측정한 풍향 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 5는 본 실시예와 관련되는 기존 대형 구조물의 제진장치를 구축하기 위해서 가속도를 측정하는 가속도계의 설치 상태를 나타내는 평면도이다.
도 6은 본 실시예와 관련되는 기존 대형 구조물의 제진장치의 X방향, Y방향의 가속도를 측정하는 2개의 가속도계를 나타낸다.
도 7은 본 실시예와 관련되는 기존 대형 구조물의 제진장치의 가속도를 측정하는 기존 대형 구조물의 중앙에 배치하는 속도계를 나타낸다.
도 8은 본 실시예와 관련되는 기존 대형 구조물의 10분 평균풍속 700초에 걸치는 X방향(센터), X방향(모서리), Y방향(모서리)의 각 진동 가속도 데이터의 추이를 나타내는 그래프이다.
도 9는 본 실시예와 관련되는 기존 대형 구조물의 순간풍속 700초에 걸치는 X방향(센터), X방향(모서리), Y방향(모서리)의 각 진동 가속도 데이터의 추이를 나 타내는 그래프이다.
도 10은 본 실시예와 관련되는 기존 대형 구조물의 X방향, Y방향 및 비틀림 방향의 4 종류(케이스 1 내지 케이스 4)의 진동 주파수 데이터를 나타내는 표이다.
도 11은 본 실시예와 관련되는 기존 대형 구조물에 있어서의 그림 10에 나타내는 케이스 1의 경우의 중앙 X방향, 모서리 X방향 및 모서리 Y방향의 주파수 진폭 특성을 나타내는 그래프이다.
도 12는 본 실시예와 관련되는 기존 대형 구조물의 제진장치의 역학적인 해석 모델을 나타내는 설명도이다.
도 13은 본 실시예와 관련되는 기존 대형 구조물의 제진장치를 구성하는 AMD의 평면도이다.
도 14는 본 실시예와 관련되는 기존 대형 구조물의 제진장치를 구성하는 AMD의 정면도이다.
도 15는 본 실시예와 관련되는 기존 대형 구조물의 제진장치를 구성하는 AMD의 측면도이다.
도 16은 본 실시예와 관련되는 기존 대형 구조물의 제진장치를 구성하는 제어장치의 구성을 나타내는 블록도이다.
도 17은 본 실시예와 관련되는 기존 대형 구조물의 제진장치 있어서 기존바닥에 대한 바닥 보강의 모양을 나타내는 개략 평면도이다.
도 18은 본 실시예와 관련되는 기존 대형 구조물의 제진장치에 있어서의 AMD, 및 제어장치의 설치 모양을 나타내는 평면도이다.
도 19는 본 실시예와 관련되는 기존 대형 구조물의 제진장치에 있어서 재현 기간 1년의 바람에 대한 AMD를 설치하지 않는 경우의 대형 구조물의 응답 가속도(풍향 270도, 1200초)의 측정 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 20은 본 실시예와 관련되는 기존 대형 구조물의 제진장치에 있어서의 재현 기간 1년의 바람에 대한 AMD를 설치했을 경우의 대형 구조물의 응답 가속도(풍향 270도：1200초)의 측정 데이터를 나타내는 그래프이다.
도 21은 본 실시예와 관련되는 기존 대형 구조물의 제진장치에 있어서의 거주 성능 지침인 X방향, Y방향 및 비틀림 방향의 주파수 가속도 특성을 나타내는 그래프이다.
(도면 부호에 대한 설명)
　　1　기존 대형 구조물 　2　풍속 풍향계
　　3　가속도계 　4　제진장치
　11　AMD 　12　제어장치
　20　기초 지지대 21　X방향 발판
　22　X방향 레일 23　X방향 모터
　24　X방향 질량 매스 25　Y방향 발판
　26　Y방향 레일 　27　Y방향 모터
　28　Y방향 질량 매스 　29　가속도 센서
　30　제어부 　31　A/D변환기
　32　메모리 33　X방향 구동부
　34　Y방향 구동부 　40　기존바닥
　41　보강바닥 　42　벽
　43　벽 　44　벽
　45　벽

Claims (3)

  1. 기존 대형 구조물의 설치되고 질량 매스를 이용하는 액티브 동흡진기와, 상기 액티브 동흡진기의 질량 매스를 구동 제어하는 제어장치를 포함하는 구성을 가지고 있어, 기존 대형 구조물에 강풍이 불거나 장주기 지진이 작용하였을 때 제진을 하는 기존 대형 구조물의 제진장치로서,
    상기 액티브 동흡진기는,
    바닥면에 설치되는 기초 지지대와, 상기 기초 지지대상에 설치된 X방향 발판과, 상기 X방향 발판 상에 배치되어 있는 평행한 X방향 레일과, 상기 X방향 발 판 상에 배치된 2대의 X방향 모터와, 상기 X방향 모터에 의해 X방향 발판 상에서 X방향으로 왕복 구동되는 X방향 질량 매스와, 상기 X방향 레일의 윗쪽에서 Y방향을 따라서 배치되는 Y방향 발판과, 상기 Y방향 발판 상에 배치되어 있는 평행한 Y방향 레일과, 상기 Y방향 발판 상에 배치한 1대의 Y방향 모터와, 상기 Y방향 레일 상에 Y방향으로 이동 가능하게 배치되어 Y방향 모터에 의해 Y방향으로 왕복 구동되는 Y방향 질량 매스와, 가속도 센서를 가지고 있고; 　
    상기 제어장치는,
    상기 가속도 센서의 검출신호와 미리 설정된 LQ 제어이론 또는 로보스트 제어이론의 알고리즘에 기하여, X방향 및 Y방향의 제어신호를 생성하는 제어부와, X방향의 제어신호에 기하여 X방향 모터를 왕복 구동시키는 X방향 구동부와, Y방향의 제어신호에 기하여 Y방향 모터를 구동하는 Y방향 구동부를 구비하고, 피드백 제어 에 의해 액티브 동흡진기의 X방향 질량 매스와 Y방향 질량 매스를 각각 제어하는 것을 특징으로 하는 기존 대형 구조물의 제진장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 액티브 동흡진기는 2개의 질량 매스를 가지고 있으며, 상기 제어장치는 상기 액티브 동흡진기의 2개의 질량 매스를 각각 구동 제어하는 것을 특징으로 하는 기존 대형 구조물의 제진장치.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 X방향 질량 매스와 Y방향 질량 매스는, 기존 대형 구조물의 풍속, 풍향, 바람에 수반한 진동 가속도의 측정 결과를 전제로 하여, 기존 대형 구조물의 건물질량의 1/3 정도의 값을 제어대상으로 하는 1차 진동 모드의 일반화 질량으로 가정하고, 그 일반화 질량의 0.6%의 질량으로 설정되는 것을 특징으로 하는 기존 대형 구조물의 제진장치.
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