본 연구에서는 KBC2022의 풍직각방향 변동풍하중 스펙트럼을 이용하여 풍직각방향 풍하중을 생성하고 생성된 풍직각방향 풍하 중이 작용하는 구조물의 비탄성 동적거동을 해석하는 프로그램을 개발하고자 한다. 풍응답은 일차 모드가 탁월하고 소성화에 의한 진동의 변화는 작고, 풍방향 진동과 풍직각방향 진동은 독립적이며, 비틀림 진동의 영향은 작다고 가정한다. 적용 구조물을 수평방향 의 단자유도 모델로 가정하고, 구조물의 질량을 집중질량으로 치환하여 상부에 작용시킨다. 비탄성 해석을 위한 이력모델은 이선형 모델을 적용한다. 강성비()와 항복점비()를 변수로 비탄성 동적응답을 분석한 결과 강성비가 일정한 경우에 항복점비가 증가할수 록 최대변위비는 감소하다가 최소값을 나타내고 증가하는 것으로 나타났다. 강성비가 0.5이상인 경우 최대변위비가 1이하가 되는 항 복점비가 존재하며, 이는 비탄성 내풍설계시 비탄성 거동을 허용하더라도 탄성설계된 건물보다 최대 변형이 감소함을 나타낸다.

현재 건축구조기준(KBC 2016)에서는 형상비 3이하의 건물의 풍직각방향 풍하중을 풍방향 풍하중에 계수를 곱하여 약산식으로 산정하고 있다. 하지만 풍직각방향 풍하중 수직분포 형태가 풍방향 풍하중과 다르며, 형상비가 3이하이지만 유연구조물에 속해 공진 성분을 고려해야 되는 경우 풍방향 풍하중과 다른 파워스펙트럼 밀도 함수로 인해 차이가 발생할 수 있다. 따라서 이 연구에서는 Tokyo Polytechnic University에서 제공하는 풍동실험 데이터베이스로부터 형상비 1에서 3사이 중층건물에 작용하는 풍직각방향 풍하중을 KBC 2016과 비교하였고, 이에 기반하여 중층건물의 풍직각방향 풍하중 산정식을 제시하였다.

이 연구에서는 국내 설계기준인 KBC 2016, 미국 기준 ASCE 7-16, 국제 표준 ISO 4354:2012의 풍직각방향 및 비틀림 풍하중을 비교 분석하였다. 고층건물 설계를 위한 상세 산정식과 그 적용 기준, 풍하중 하중조합 등을 비교하였다. KBC는 ISO와 유사한 유도과정을 가지지만, 풍직각방향 풍하중 산정 시 사용된 풍동실험 데이터의 차이로 인해, 변장비가 큰 경우 와류 재부착에 의한 파워 스펙트럼의 2차 피크를 ISO가 약간 크게 산정하고 구조물과의 공진으로 인해 ISO가 하중을 60% 정도 크게 산정한다. KBC와 ISO의 고층건물에서의 비틀림 풍하중은 동일하다. ASCE는 고층건물을 위한 상세식을 제시하지 않지만, 중저층 건물에서는 풍방향 하중에 비례하는 하중조합 형태로 반영한다. KBC와 ISO에서도 ASCE 처럼 중저층 건물에서 편심에 의한 비틀림 풍하중을 반영할 필요가 있다.

공력감쇠는 와류에 의한 풍직각방향의 응답을 평가하는데 매우 유용한 인자로 인식되어 왔다. 그러나 기존의 공력감쇠 산정 방식은 구조물 응답에 기반한 시스템 식별기술을 적용하는 것으로 와류하중속에 포함되어 있는 공력감쇠의 역할과 특성을 파악하는 데 한계를 가지고 있었다. 본 연구에서는 하중식별기술을 적용하여 와류하중을 직접적으로 구함으로써 와류하중을 구성하는 요소와 유발요인을 평가하고자 하였다. 이를 위하여 대기 경계층에서 원형 실린더 모델에 대한 공탄성 실험을 수행하여 풍직각방향 와류하중 을 추정하였으며 그로부터 공력감쇠의 특성을 분석하였다. 분석결과, 와류하중은 구조물 모달속도가 공력감쇠에 의해 풍하중으로 전 환되는 모달속도하중과 변동풍속에 의해 형성되는 순수 와류하중으로 구성되는 것으로 나타났다. 공력감쇠는 최상층 평균풍속에 의한 와류방출진동수가 구조물의 고유진동수에 근접하면서 부감쇠를 가지며 그 결과 총 감쇠가 작아져 응답증폭현상을 유발하는 것으로 파악되었다. 본 연구결과에 기초하면, 난류상태에서 와류하중 특성이 반영된 와류하중모델 구축이 가능할 것으로 사료되며, 구조물 풍직 각방향 진동을 보다 효과적으로 파악하는데 활용될 수 있을 것으로 사료된다.

본 연구에서는 풍진동 제어를 위해 39층 테크노마트 건물에 능동형 질량 감쇠기를 적용하기 위한 수치해석적 연구를 수행하였다. 먼저, 태풍 풍응답 계측 및 풍동실험을 통해 테크노마트 단변방향 진동에 대한 사용성 개선이 필요함을 확인하였다. AMD에 요구되는 스트로크 확보를 위한 건물의 여유 공간, 설치 위치, 허용 무게 등을 알아보고 제진장치 배치 및 사양을 결정하였다. 그리고 테크노마트의 최상거주층인 39층 단변방향을 대상으로 한 1자유도 해석모델에 대해 선형제어방법인 속도피드백, LQR, LQG 알고리즘과 비선형제어방법인 Bnag-bang 알고리즘을 적용하는 해석연구를 수행하였다. 해석결과 제어 전·후의 최대가속도는 11.83cm/s2에서 4.19cm/s2으로, 진동감지확률은 90%에서 50%이하로 감소하여 Bang-bang 제어알고리즘을 적용할 경우 제어성능이 가장 좋은 것을 확인하였으며 각각의 알고리즘으로 구현된 AMD의 최대 스트로크가 모두 허용범위 수준을 만족하는 결과가 나왔다. 또한, 실제 AMD의 안정적은 작동을 위해 요구되는 원점보정 신호 방안을 제안하여, 제한된 스트로크 내에서 제진장치를 안정적으로 운행할 수 있음을 확인 하였다.