1. 서 론
건설기술의 발달로 초고층 구조물의 건설이 가능해졌으며, 최근 들어 그 수요가 빠르게 증가하고 있다. 이러한 구조물은 기존 구조물에 비해 유연성이 크고 감쇠비가 낮아, 바람이나 지진과 같은 동적 하중에 의해 쉽게 진동이 발생하고 그 지속 시간도 길어지는 특징을 보인다. 구조물의 진동은 손상뿐 아니라 사용성과 안전성에도 영향을 미치므로, 이를 제어하기 위한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
진동 제어 기법은 크게 능동형과 수동형으로 구분된다. 능동형은 외부 동력 장치가 필요한 반면, 수동형은 그렇지 않다. 대표적인 수동형 기법으로는 기초 격리, 점성 댐퍼, 브레이싱(bracing), 텐던(tendon) 시스템, 그리고 질량댐퍼(mass damper)가 있다. 질량댐퍼는 초고층 구조물에 널리 적용되어 왔으며, TMD(Tuned Mass Damper), TLD(Tuned Liquid Damper), TLCD(Tuned Liquid Column Damper), AMD(Active Mass Damper), HMD(Hybrid Mass Damper) 등이 그 예이다. 이 중 TLD는 경제적일 뿐만 아니라, 고유진동수 조절이 용이하고 유지관리가 간단하여 널리 활용되는 장치 중 하나이다.
TLD는 액체의 슬로싱 거동을 이용하는 수동형 장치로, 초고층 건물의 제진장치로 적용된 이후 다양한 성능 평가 연구가 수행되었다[1-3]. 특히 직사각형 TLD나 TLCD는 명확한 제진 방향을 가지므로 해석 및 설계 연구가 활발히 진행되었으며[4-6], 사각형 TLD의 내부에 댐퍼[7-10]나 감쇠망[11]을 설치하여 감쇠 성능을 향상시키는 방법이 제시되었다.
반면, 원통형 TLD에 대한 연구는 상대적으로 부족하다. 원통형 TLD는 직사각형에 비해 유체 거동이 복잡하다는 단점이 있으나, 전방향 제진이 가능하다는 장점을 지니고 있어 초고층 구조물에 적용하기에 유리하다. 그러나 동일 질량 조건에서 TMD와 비교하면 상대적으로 제진 성능이 낮다는 한계를 갖는다. 따라서 본 연구에서는 원통형 TLD 내부에 댐퍼를 설치하여 감쇠 성능 향상을 실험적으로 검증하고자 한다.
2. 해석이론
2.1 TLD의 등가 모델링
구조물과 보조 시스템 사이의 경계면이 받는 힘을 가상의 질량과 가상의 감쇠로 나타내면 다음과 같이 정의된다(Fig. 1).
여기서, f(t)는 구조물과 보조시스템 사이의 계면력, mυ는 가상의 질량, cυ 는 가상의 감쇠를 의미한다. 가상 파라미터는 가진 주파수 ω와 진폭A에 따라 다음과 같이 계산된다.
구조물에 부착된 보조시스템이 선형이라면 식 (2)와 식 (3)은 정확하다. 그러나 보조시스템이 비선형일 경우, 식 (2), (3)은 근사적으로 정의된다. 본 연구에서는 TLD의 계면력이 구조물에 작용하는 전단력과 동치이므로, 가상질량과 가상감쇠는 진동대 실험에서 얻은 전단력과 변위응답으로부터 산정된다. 구조물과 TLD사이의 계면력은 등가질량으로 나타낼 수 있으며, 주파수영역 표현은 다음과 같다.
여기서, meq (ω)는 복소수 등가질량이며 다음과 같다.
여기서, m′(ω)는 추가질량, m″(ω)는 등가감쇠에 해당한다. 식 (5)는 실수와 허수 요소로 구분이 가능하다.
식 (1)로부터
식 (7)을 식(4)에 대입하고, 그 결과를 식 (7)과 비교하여, 가상의 질량과 가상의 점성은 진동수 비 Ω에 대한 간단한 함수로 나타낼 수 있다.
위의 식에서 β는 아래와 같다.
여기서, ν는 동점성계수, h는 액체의 깊이, b는 수조의 폭, S는 표면의 오염계수(surface contamination factor), ϵ는 h/a 액체의 깊이비를 의미한다. TLD가 설치된 구조물의 운동방정식은 아래와 같다.
여기서, Fex 는 외부에서 작용하는 힘, FTLD =-mυ ( )는 TLD가 구조물에 가하는 힘이다. 등가 TMD에 대한 운동 방정식은 아래와 같다.
식 (11)에서 이므로 식 (11)을 식 (12)에 대입하면 식 (12)와 같이 되며, 식 (11)을 식 (13)과 같이 치환한다.
식 (12)와 식 (13)을 matrix함수로 나타내면 식 (14)와 같다.
이는 구조물과 TLD를 2DOF 시스템으로 정식화한 결과이며, 앞서 정의 한 m′(ω), m″(ω)와의 대응 관계를 통해 주파수영역・시간영역 해석이 일관되게 연결된다.
2.2 원통형 TLD의 모드 특성과 감쇠 메커니즘
Fujino and Wakahara[12]은 다양한 탱크 형상을 대상으로 슬로싱 특성을 비교하였으며, 그 결과는 Fig. 2에 나타내었다. 연구 결과, 직사각형 탱크에서는 1차 횡방향 모드가 지배적인 반면, 원통형 탱크에서는 축대칭 모드와 비대칭 모드가 동시에 존재하여 전방향 제진 효과를 제공하는 것으로 확인 되었다. 또한 환형 탱크(annular tank)는 내부 및 외부 벽면의 상호작용으로 인해 독특한 에너지 소산 특성을 보이는 것으로 보고되었다.
한편, Fujino and Wakahara[12]의 실험 결과(Fig. 3)에 따르면 원통형 TLD의 비선형 슬로싱 응답이 뚜렷하게 관찰되었다. 특히 바닥면에서는 유동이 충분히 발생하지 않아 감쇠 효과가 제한적인 반면, 벽면 부근에서는 강한 유속이 형성되어 감쇠 성능이 효과적으로 발휘되는 것으로 나타났다.
3. 모형 구조물과 원통형 TLD 개요
3.1 모형 구조물의 개요
실험에 사용된 모형 구조물은 길이 83 cm, 깊이 30 cm, 폭 30 cm의 강체 구조로 제작되었으며, 총 질량은 약 7.5 kg이다. 구조물의 최상단에는 원통형 TLD가 설치될 수 있도록 평판을 마련하였다. 구조물의 동적 응답을 재현하기 위해 전기식 진동대(shaking table)를 사용하였으며, 전체 실험 구성은 Fig. 4에 나타내었다.
응답 계측에는 레이저 변위계(ZX-LD300L, 온도보정형)를 사용하여 구조물 상부의 변위를 측정하였고, 가속도계(AS-1GB, KYOWA)를 구조물과 TLD에 각각 부착하여 진동 응답을 동시에 측정하였다. 이러한 장치를 통해 구조물의 변위, 가속도, 그리고 TLD와의 상호작용력을 정밀하게 계측하 였다.
3.2 원통형 TLD의 구성 및 댐퍼 설치 방법
원통형 TLD는 Fig. 5와 같이 3단 구조로 제작하였으며, 모형 구조물의 최상단 중앙부에 설치하였다(Fig. 6). TLD의 제작에는 투명 아크릴판과 아크릴관을 사용하였으며, 각 부재는 아크릴 전용 접착제를 이용해 완전한 일체화가 이루어지도록 부착하였다. 또한, 수위 조절 및 유지관리를 위해 분리형 구조로 설계하였으며, 구조물과의 연결은 내수성 실리콘을 사용하여 완전히 밀착시켰다.
본 연구에서 사용된 원통형 TLD의 주요 제원은 Table 1에 나타내었다. 탱크의 전체 높이는 188 mm, 수심은 5.6 mm이며, 내부 유체의 질량은 약 41.4 g이다. 또한, TLD와 구조물의 총 질량 대비 유체 질량비(mass ratio) 는 0.55%로 설정하였다(Table 1).
조화가진(harmonic excitation)에 의한 응답이 정상상태(steady-state)에 도달할 때까지 충분히 가진한 후, Fig. 7과 같은 가속도 응답곡선을 취득 하였으며 이를 이용하여 동적 증폭비(Dynamic Magnification Factor, DMF)를 산정하였다(Fig. 11).
감쇠 성능을 향상시키기 위해 TLD 내부에 크기가 서로 다른 두 종류의 댐퍼를 추가 설치하였다. 댐퍼는 직경 3.4 mm의 밀봉된 플라스틱 스트로우(Straw)와 직경 1.4 mm의 금속 막대(steel rod)로 제작하였다(Fig. 9). 스트로우 댐퍼는 내부로 물이 침투하지 않도록 양단을 실리콘으로 밀봉하였으며, 쇠막대 댐퍼는 동일한 길이와 형상을 유지하도록 가공하여 유동 저항 비교의 기준으로 사용하였다. 또한, 실험의 일관성을 확보하기 위해 동일한 형상의 원통형 탱크를 적용하였으며, 댐퍼의 크기・개수 및 설치 위치(벽면・바 닥면)에 따른 제진 성능을 비교하기 위해 배열 조건을 달리한 총 11가지 형태의 TLD 시편을 제작하였다(Fig. 10). 이들을 대상으로 진동대 실험(shaking table test)을 수행하여 댐퍼의 재질, 크기, 개수, 및 설치 위치 변화가 TLD의 감쇠 성능에 미치는 영향을 분석하였다(Fig. 8).
Fig. 10은 본 연구에서 사용된 원통형 TLD의 댐퍼 부착 형상을 나타낸다. 댐퍼의 부착 위치에 따라 벽면 부착형(W-type)과 바닥 부착형(B-type)으로 구분하였으며, 각 형상 내에서 댐퍼의 개수 및 배열 형태(W2, W4, W6, W8 등)를 달리하였다. 각 형상에 대한 구체적인 명칭 및 구성은 Table 2에 정리하였다.
3.3 감쇠비 산정
Fig. 11에 나타난 DMF(Dynamic Magnification Factor)곡선으로부터 구조물의 감쇠비를 산정하였다. 감쇠비 ζ는 공진 주파수와 반응폭 주파수의 차이로부터 식 (15)와 같이 계산된다.
여기서, fs는 공진 진폭이 가 되는 주파수, fa는 고유주파수이다. 이 방법으로 산출된 구조물의 감쇠비는약 0.0086으로 평가되었다. 또한 TLD의 고유주파수는 식 (16)으로 계산된다.
여기서, h는 수심, R은 탱크 반경이다. 본 연구에서 사용된 원통형 TLD는 직경 60 mm, 두께 2 mm로 제작되었으며, 실험 수심 조건은 이론적 산출값 과 일치하도록 설정하였다. 이를 통해 설계 의도와 실험 장치의 타당성을 확보하였다.
4. TLD를 이용한 진동제어
4.1 TLD 설치에 따른 구조물 응답 특성
TLD를 설치한 후의 구조물 응답은 상부 질량체에 부착된 가속도계를 이용하여 측정하였다. Fig. 11는 시간영역에서의 구조물 가속도 응답을 나타낸 것으로, TLD 설치 전후의 차이를 비교하였다. 응답 진폭이 전반적으로 감소하였으며(Fig. 12), 특히 공진 주파수 부근에서 감쇠 효과가 두드러지게 나타났다. 이는 TLD가 구조물의 동적 에너지를 효과적으로 소산시킨 결과로 해석된다.
Table 3의 결과에 따르면, 구조물의 고유진동수는 TLD 부착 전 2.40 Hz에서 부착 후 2.38 Hz로 소폭 감소하였다. 이는 복소수 등가질량 모델에서 실수부(m′(ω))가 구조물의 유효 강성을 저하시킨 결과로 해석된다. 또한, 감쇠비는 0.0086 → 0.0110으로 약 27.9% 증가하였으며, 이는 허수부 (m″(ω))의 증가로 인한 에너지 소산 향상 효과를 의미한다.
Fig. 13은 이에 대응하는 주파수영역의 동적 증폭비(Dynamic Magnification Factor, DMF)곡선을 보여준다. 공진 주파수 부근에서 DMF의 최대값이 76.4 → 57.5로 약 24.7% 감소하였으며, 이는 유효 감쇠비의 증가에 따른 응답 억제 효과를 명확히 입증한다.
4.2 TLD 내부 댐퍼 설치에 따른 감쇠 성능 비교
4.2.1 댐퍼 위치에 따른 감쇠 특성
TLD 내부에 댐퍼를 설치한 경우의 감쇠비 향상 정도를 Table 4에 정리 하였다. 댐퍼의 설치 위치에 따른 제진 효율성을 비교한 결과, 벽면 부착형(W-type)의 경우 감쇠비가 전반적으로 증가한 반면, 바닥면 부착형(B-type)의 경우 오히려 진동이 다소 증가하는 경향을 보였다. 이는 원통형 TLD의 1차 슬로싱 모드가 주로 벽면을 따라 발달하기 때문이며, 벽면에서의 점성 손실이 감쇠비 향상에 효과적으로 기여한 결과로 해석된다.
또한 Table 4에서 확인되듯이, 벽면 부착형의 댐퍼 개수가 증가할수록 감쇠비는 일정 구간까지 증가하다가 W4I2 형상 이후에는 오히려 감소하는 경향을 나타냈다. 이는 댐퍼의 과도한 설치로 인해 유동 왜곡(flow distortion)과 국부 와류(local vortex)가 발생하여 오히려 에너지 소산 효율이 저하된 것으로 판단된다.
4.2.2 댐퍼 크기에 따른 감쇠 특성
댐퍼의 크기에 따른 감쇠 성능 변화를 분석하기 위해 직경이 서로 다른 두 종류의 댐퍼(3.4 mm, 1.4 mm)를 동일한 형상(W4I2) 조건에서 비교하였다. Table 5는 댐퍼 크기별 최대 DMF(Dynamic Magnification Factor)와 감쇠율 변화를 나타낸다.
Table 5에 따르면, 댐퍼가 없는 경우 대비 큰 댐퍼(직경 3.4 mm)는 DMF가 약 4.0% 감소, 작은 댐퍼(직경 1.4 mm)는 약 9.2% 감소하여 감쇠 효율이 더 높게 나타났다. 이는 작은 댐퍼의 경우 유체 흐름에 대한 점성저항이 커져 에너지 소산이 효과적으로 증가한 결과로 판단된다.
반면, 댐퍼 직경이 지나치게 작은 경우에는 자유수면 인근 유동이 부분적으로 차단되어 비선형 슬로싱 거동이 발생하는 한계가 있으며, 과도하게 큰 댐퍼는 유체의 유효질량이 감소하여 감쇠 효율이 오히려 저하된다.
5. 결 론
본 연구에서는 원통형 TLD의 제진 성능을 향상시키기 위해 내부에 댐퍼를 설치하고, 그 효과를 진동대 실험을 통해 검증하였다. 실험은 댐퍼의 위치, 개수, 형상 및 크기를 변수로 수행하였으며, 이를 통해 원통형 TLD의 감쇠 메커니즘을 정량적으로 규명하였다. 그 결과, 댐퍼의 설치 위치와 배치 형태뿐만 아니라 크기 또한 감쇠 성능에 중요한 영향을 미쳤으며, 특히 벽면 중심의 복합 배치와 소형 댐퍼의 조합에서 가장 우수한 제진 효과가 확인되었다. 본 연구에서 얻은 주요 결론은 다음과 같다.
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1) 댐퍼 개수 증가에 따른 감쇠 효과는 일정 구간까지는 뚜렷하게 증가하였으나, 과도하게 설치한 경우 자유수면의 비선형 거동으로 인해 오히려 감소하였다.
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2) 댐퍼를 벽면에만 설치하는 것보다 벽면과 내부를 병행한 경우 감쇠비 증가폭이 더 컸으며, 이는 원통형 TLD의 1차 슬로싱 유동이 벽면을 따라 발달하기 때문으로 해석된다.
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3) 여러 배치 중 W4I2 형상에서 감쇠비가 0.0134로 증가하여 일반 원통형 TLD 대비 약 21.9%의 성능 향상을 보였으며,특히 작은 크기의 댐퍼는 큰 댐퍼보다 유체 흐름에 대한 점성저항이 커 감쇠 효율이 더 높게 나타났다. 이는 복소수 등가질량 모델의 허수부 증가와 정성적으로 일치하였다.
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4) 실험에서 확인된 고유진동수의 소폭 감소(2.40 Hz → 2.38 Hz)는 등 가질량의 실수부가 유효 강성을 저하시킨 결과로 판단된다.


















