A tilted tall building is actively constructed as landmark structures around world to date. Because lateral displacement responses of a tilted tall building occurs even by its self-weight, reduction of seismic responses is very important to ensure structural safety. In this study, a smart tuned mass damper (STMD) was applied to the example tilted tall building and its seismic response control performance was investigated. The STMD was composed of magnetorheological (MR) damper and it was installed on the top floor of the example building. Control performance of the STMD mainly depends on the control algorithn. Fuzzy logic controller (FLC) was selected as a control algorithm for the STMD. Because composing fuzzy rules and tuning membership functions of FLC are difficult task, evolutionary optimization algorithm (EOA) was used to develop the FLC. After numerical simulations, it has been seen that the STMD controlled by the EOA-optimized FLC can effectively reduce seismic responses fo the tilted tall building.

초고층 건물의 횡변위 제어를 위하여 사용되는 아웃리거를 기존의 철골 트러스 대신에 철근콘크리트 벽체로 대체할 수 있다. 철근콘크리트 아웃리거 벽체를 외부 기둥에 연결할 경우에는 축력뿐만 아니라 전단력과 모멘트가 외부 기둥에 유발될 수 있다. 본 연구에서는 아웃리거 벽체 외단부의 회전으로 인한 외부 기둥의 전단력을 수식으로 유도하고 그 값을 유한요소해석 결과와 비교하였다. 유한요소해석에서는 층별 연결보의 효과와 전단벽과 아웃리거를 보와 평면응력요소로 모델링한 효과를 분석하였다. 층별 연결보의 효과는 거의 없었으며 평면응력요소는 보요소보다 더 큰 강성을 가진 것으로 해석되었다. 아웃리거 벽체의 외단부 회전으로 인한 외부기둥의 층간 회전각과 전단력은 허용값에 비하여 상당히 작은 값이 발생하였다. 따라서 초고층 건물에 철근콘크리트로 된 아웃리거 벽체를 적용할 경우에도 외부 기둥에 유발되는 전단력과 모멘트에 대하여 별도의 검토를 할 필요는 없을 것으로 판단된다.

A base isolation system is widely used to reduce seismic responses of low-rise buildings. This system cannot be effectively applied to high-rise buildings because the initial stiffness of the high-rise building with the base isolation system maintains almost the same as the building without the base isolation system to set the yield shear force of the base isolation system larger than the design wind load. To solve this problem, the mid-story isolation system was proposed and applied to many buildings. The mid-story isolation system has two major objectives; first to reduce peak story drift and second to reduce peak drift of the isolation story. Usually, these two objectives are in conflict. In this study, a hybrid mid-story isolation system for a tall building is proposed. A MR (magnetorheological) damper was used to develop the hybrid mid-story isolation system. An existing building with mid-story isolation system, that is “Shiodome Sumitomo Building” a high rise building having a large atrium in the lower levels, was used for control performance evaluation of the hybrid mid-story isolation system. Fuzzy logic controller and genetic algorithm were used to develop the control algorithm for the hybrid mid-story isolation system. It can be seen from analytical results that the hybrid mid-story isolation system can provide better control performance than the ordinary mid-story isolation system and the design process developed in this study is useful for preliminary design of the hybrid mid-story isolation system for a tall building.

Recently, measuring instruments for SHM of structures had being developed. In general, the wireless transmission of sensor signals, compared to its wired counterpart, is preferable due to its absence of triboelectric noise and elimination of the requirement for cumbersome cable. However, the research on the tall buildings with relatively small vibration levels is insufficient. Therefore, in this paper, we used the wireless MEMS sensor and iPad to compare and analyze the vibration measurements of three tall buildings and two towers.

The purpose of this study is to accurately estimate the wind-induced responses of a tall building structure for using the estimated responses in the process of calculating the optimal force of an active control device. Kalman filter was used for the estimation process and a 3-storied model structure on a shaking table was tested for the verification of the estimation accuracy. The system matrices of the model were constructed based on the mode parameters obtained by the system identification. The estimated displacement matched up well with the measured one. Finally, the wind-induced responses of a real 39-storied building structure excited by the typhoon MUIFA were estimated.

Vortex-induced vibration and instability vibration of tall buildings are very important fluid-structure interaction phenomenon, and many fundamental questions concerning the influence of body movement on the unsteady aerodynamic force remain unanswered. For tall buildings, there are two experimental methods to investigate the characteristics of unsteady aerodynamic forces, one is forced vibration method and the other is free vibration method. In the present paper, a free vibration method was used to investigate the unsteady aerodynamic force on tall building whose aspect ratio is 9 under boundary layer simulating city area. Wind pressures on surfaces and tip displacements were measured simultaneously, and the characteristics of tip displacements and generalized forces were discussed. It was found that variation of across-wind displacements showed different trend between the case when wind speed increases and wind speed decreases, and the fluctuating generalize forces in across-wind direction of vibrating model are larger than that of static model near the resonant wind speed and approach to the static value. And for higher wind speed range, there were two peaks in across-wind power spectra of generalize forces of vibrating model, which means that two frequency components are predominant in unsteady aerodynamic forces.

본 연구에서는 초고층건축물의 풍진동 모니터링을 위한 시스템식별기법의 현장적용성을 평가하였다. 실제 아웃리거-벨트월 을 횡력저항 시스템으로 가지는 실제 63층 RC구조물을 대상으로 상시 및 강풍시 응답을 모니터링하였으며, 진동수영역분해(FDD), 랜덤감소(RDT)기법, 부분공간시스템식별(SSI)법을 사용하여 진동특성을 식별하였다. 건물의 평면이 정방형이고, 두 개의 횡방향 모드의 진동수는 매우 유사하였다. 모든 식별기법에서 태풍과 같이 강한 외력이 존재할 경우 뿐만 아니라 상시미진동 에서도 구조물의 모드 특성을 식별할 수 있었다. 현장에서의 적용성 평가결과, 계산속도는 FDD가 가장 빨랐으며, RDT가 가장 간단한 프로그래밍 절차를 가지고 있음을 확인하였다.

본 논문에서는 변위응답 및 가속도 응답의 저감 효과에 있어서, 유리한 형상인 180° 나선형(Helical 180°) 초고층건물을 대상으로 풍진동실험을 수행하여 나선형 초고층건물의 공력불안정 진동 특성 및 공력감쇠 특성을 조사하였고, 정방형 초고층 건물의 결과와 비교분석 하였다. 본 연구에서의 공력감쇠율은 RD법(random decrement technique)을 이용하여 평가하였다. RD법에 의해 평가된 공력감쇠율은 기존문헌 및 준정상가정이론 결과와 비교·검증하였다. 실험결과, 공력진동 실험결과 180° 나선형모형의 풍직각방향에 대한 공력불안정 진동은 발생하지 않는 것이 확인되었다. 정방형과 180° 나선형 형상에 대한 공력감쇠율을 살펴보면, X방향에 대한 공력감쇠율은 무차원 풍속이 증가와 비례하여 점진적으로 증가하는 경향이 나타났다. 반면, Y방향에 대한 공력감쇠율은 정방형모형과 매우 다른 양상이 나타나는 것을 알 수 있었다.

본 연구에서는 파라매트릭 모델링 기법을 통해 다양한 대안을 고려할 수 있도록 개발된 StrAuto(이하 전산플랫폼)을 이용하여 감쇠장치에 따른 감쇠비 증가 효과와 풍하중 저감효과를 평가하였다. 비정형 초고층구조물의 수많은 구조시스템 대안선정을 지원하는 전산플랫폼은 설계자 또는 엔지니어에게 초기 대안을 결정하는데 있어 유용한 도구가 된다. 감쇠장치의 용량 및 추가 요구감쇠비의 크기를 산정하는 과정에서 중요한 원 구조물의 감쇠비에 대한 추정은 풍하중에 대한 실계측 자료를 기반으로 수행된 국내외 관련 연구의 결과를 사용하였다. 감쇠장치는 층간 설치형 수동형 감쇠장치와 질량형 능동형 감쇠장치 두 가지 유형을 고려하였다. 감쇠장치에 의해 추가되는 감쇠비는 FEMA에서 제안한 식을 이용하여 등가 정적 해석을 수행하여 산정하였다. 전산 플랫폼 내부에 감쇠장치의 용량을 최적화하는 알고리즘을 내장함으로써 최적의 감쇠장치 설계안을 자동적으로 도출할 수 있다. 감쇠장치 설치에 따른 물량저감 효과는 풍하중 저감계수로 평가될 수 있으며, 455m 높이의 초고층구조물을 대상으로 제안한 방법의 유효성을 검증하였다. 제안한 방법을 사용하여 비선형 시간이력 해석을 통해 얻어진 지붕층 변위와 층별 전단력을 근사적으로 추정할 수 있음을 확인하였다.

In this study, we propose an innovative lateral force distribution building system between tall buildings by utilizing the difference of moment of inertia, as the alternative design for highly integrated city area. Considering a tri-axial symmetric conditions and boundary conditions for the three-dimensional building structure system, a two-dimensional model is composed. In the proposed indeterminate structural model, important design variables are determined for obtaining minimum horizontal deflections, reactions and bending moments at the ground level of the buildings. Regarding a case of the provided two spatial structures connected to 4 buildings, the optimum location of middle located spatial structure is 45% from the top of the building, which minimize the end moments at the bottom of the buildings. In the considered verification examples, reduced drifts at the top location of the building systems are validated against static wind pressure loads and static earthquake loads. The suggested hybrid building system will improve the safety and reliability of the system due to the added internal truss-dome structures in terms of more than 30% reduced drift and vibration through the development of convergence of tall buildings and spatial structures.

본 논문에서는 FSI해석을 이용하여 비정형 초고층 빌딩의 풍응답 특성을 연구하였다. 해석모델은 Twist모델이며, 뒤틀림 각도와 풍가속도의 상관관계에 대해 연구 중점을 두었다. 먼저 단방향 해석을 수행하여 100년 재현주기 풍속에 대한 최대 횡 변위를 구하고, 제한조건을 만족하는 탄성계수를 산출한다. 그리고 양방향 해석을 수행, 시간이력해석을 통해 산출된 탄성계수와 임의의 밀도를 가지는 풍가속도를 예측하게 된다. 정방형 모델은 높이 400m, 변장비 1:1, 세장비 8로 설정, 뒤틀림 모델은 0도에서 90도까지 15도 간격으로, 90도에서 360도까지 90도 간격으로 비틀어 회전시켰다. 형상에 따른 풍가속도 예측결과, 정방형 모델이 뒤틀림 모델보다 크게 산출되어 풍진동 영향에 더 민감한 것을 검증하였다.

비정형 초고층 구조물은 골조 직교성이 해제되고, 형상이 복잡해 기존 설계방식보다 많은 문제점이 발생된다. 비정형성으로 인한 문제점은 설계안을 지속적으로 변경시켜 프로젝트의 효율성을 저하시킨다. 또한 해외프로젝트의 경우 해당업체 간혹은 해당국가 간 의견차로 국내보다 더욱 많은 변경상황이 발생되고 있다. 따라서 지속적인 변경상황에 전산플랫폼을 사용할 경우 효율적으로 설계변경업무에 대처할 수 있다. 파라메트릭 기반의 전산플랫폼인 StrAuto를 이용할 경우 최적의 구조 설계대안을 신속히 선정할 수 있다. 특히 StrAuto는 비선형 내진성능평가를 위한 해석 툴 간의 신속한 모델링 연동도 효율적으로 가능하다. 그래서 본 연구에서는 지진하중 변경에 따른 전산플랫폼을 이용한 내진성능평가 프로세스를 현재 구조설계가 진행 중인 몽골지역 최고층 빌딩 프로젝트에 적용하고 검증하려 한다.

본 논문에서는 풍동 내에 설치된 고층 건축물 모형의 정면의 양 모서리에 코너 기류제어기를 설치하고, 코너 기류제어기의 회전 속도와 자유흐름 속도의 비인 풍속비에 따라 건축물 표면의 압력이 어떻게 변화하는지를 조사하였다. 코너 기류제어기가 풍상측에 설치되었을 때 정압을 받는 풍상면인 정면의 평균 풍압 및 최대 풍압은 풍속비에 따라 거의 변화가 없었으나, 부압이 발생하는 풍하면인 배면 및 측면의 최소 풍압은 풍속비가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보여 주었다. 특히 풍하면인 배면에서 최소 풍압의 감소량은 측면에 비해서 더 컸으며, 풍속비가 0.98일 때 배면에서의 최소 풍압의 감소량은 약 36%로 크게 발생하였다. 또한 코너 기류제어기가 풍상측에 설치되었을 때 부압이 발생하는 풍하면인 배면 및 측면의 평균 풍압 및 rms 풍압도 풍속비가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보여 주었다. 특히 풍하면인 배면에서 평균 풍압 및 rms 풍압의 감소량은 측면에 비해서 더 컸으며, 풍속비가 0.98일 때 배면에서의 평균 풍압 및 rms 풍압의 감소량은 각각 약 34% 및 37%로 크게 발생하였다.

근래에 들어와서 3T (Twisted, Tapered, Tilted)로 대별되는 비정형 초고층 건축물이 다수 계획되고 있다. 이러한 비정형 초고층 건물을 위해서 구조적인 효율성 및 조형성 때문에 다이어그리드 구조시스템이 현재까지 가장 널리 사용되고 있는 구조시스템 중의 하나이다. 건축적인 조형미 등의 이유로 경사진 비정형 초고층 건물에 대한 계획안이 다수 발표되고 있으며 다수의 구조물들이 다이어그리드 구조시스템을 활용하고 있다. 경사진 비정형 초고층 건물은 횡하중뿐만 아니라 자중에 의해서도 횡방향 변위가 발생한다. 따라서 정형적인 초고층 건물보다 횡방향 응답을 저감시카는 젓이 더 중요한 문제로 대두된다. 본 연구에서는 경사진 다이어그리드 비정형 초고층 건물의 지진응답을 저감시키기 위하여 스마트 TMD를 적용하였고 그 제어성능을 평가하였다. 스마트 TMD를 구성하기 위하여 MR 감쇠기를 사용하였으며 스마트 TMD는 그라운드훅 제어알고리즘을 사용하여 제어하였다. 100 층의 예제구조물에 대하여 제어를 하지 않은 경우와, 일반적인 TMD를 사용한 경우, 그리고 스마트 TMD를 사용하여 제어한 경우를 비교 검토하였다. 수지해석결과 스마트 TMD가 변위 응답 제어에는 우수한 성능을 나타냈지만 가속도응답제어에는 효과적이지 못했다.

비정형 초고층건물을 위한 구조시스템 중에서 다이어그리드 구조시스템은 구조적인 효율성 및 조형성 때문에 널리 사용되고 있다. 근래에는 초고층건물을 위한 구조시스템으로 메가부재의 조합을 통하여 횡방향 강성을 효과적으로 발휘할 수 있는 메가프레임 시스템이 널리 사용되고 있다. 두 가지 구조시스템의 장점을 혼합한 다이어그리드 메가프레임 구조시스템은 미래형 초고층건물에 적용될 유망한 구조시스템으로 평가받고 있다. 그러나 이러한 다이어그리드 메가프레임 구조시스템을 적용한 건물의 거동을 예측하기 위해서는 매우 많은 수의 절점과 요소로 이루어진 유한요소 모델을 해석해야 하므로 상당한 양의 해석시간과 엔지니어의 노력이 필요하게 된다. 따라서 본 연구에서는 다이어그리드 메가프레임시스템을 적용한 초고층건물의 거동을 효율적으로 해석할 수 있는 기법을 제안하여 다이어그리드 메가프레임 초고층건물의 해석과 설계에 소요되는 시간과 노력을 줄이고자 한다. 이를 위하여 다이어그리드 메가프레임의 특정을 활용한 효율적인 모형화기법과 행렬응축기법을 사용하여 해석에 사용되는 자유도수를 최소화한 해석기법을 제안하였다. 예제구조물의 해석을 수행하여 본 연구에서 제안된 해석방법과 일반적인 해석방법에 의한 결과와 비교함으로써 제안된 방법의 효율성과 정확성을 검증하였다.

대형구조물 설계 건설시 가장 큰 제한 조건은 모든 건설재료에는 치수의 한계가 있다. 따라서 본 논문 에서는 고전 보 이론에 의하여 단순 지지된 비등방성 슬래브의 처짐값을 구한 후 그 값을 비교 하였고, 특별 직교이방성 판 이론에 의하여 콘크리트와 샌드위치 교량의 물성을 비교하여 그 결과에 따른 처짐비와 강성값을 비교하였다. 경계조건은 임의의 경계조건을 갖는 판에 대한 해석해가 없기 때문에 부득이하게 네변이 모두 단순지지 되었을 경 우로 해석을 하였고 복합재료의 인장강도는 콘크리트나 강재보다 훨씬 높으므로 비교대상은 처짐으로 하였다. 즉, 철근 콘크리트와 동일하거나 작은 처짐을 일으키는 몇 가지 샌드위치판을 선택하여 고려하였다.

본 연구에서는 풍동실험을 통해 인접건축물의 다양한 높이비, 위치와 풍향에 따른 고층건축물에 작용하는 피크풍압계수에 대하여 조사하였다. 그리고 피크풍압계수는 Cook and Mayne의 제안식을 이용하여 산출하였다. 실험결과는 우선적으로, 인접건축물의 유무에 따른 최대 및 최소풍압계수의 분포도를 통해 비교 분석하였다. 풍동실험결과 풍향 135도에서 인접건축물의 높이비가 Hr ≥1.5이고, (Sx, Sy)=(1.5B,0)에 위치할 때, 대상건축물의 정면에 작용하는 최소 풍압계가 단독건축물에 작용하는 최소풍압계수(-3.5)에 비해 전반적으로 크게 나타났으며, 최소풍압계수의 최소값은 정면의 최상부 코너 부근에서 -4.7(Hr=1.5), -5.7(Hr=2.0)으로 나타났다. 본 연구의 결과는 CFD 해석 결과의 정당성 입증과 두동 이상으로 이루어진 고층건축물의 초기설계단계에서 상호간섭효과로 인한 외장재용 풍하중을 대략적으로 평가하는데 유용하게 사용할 수 있을 것이다.

풍하중을 받는 구조물은 해석의 편의상 층당 3개의 자유도를 가지는 해석모델을 사용한다. 구조물의 입면 형상이 비정형이 되고, 평면내 구조재의 배치가 층에 따라 변경이 되면 각층의 질량중심과 강성중심의 차이에 의해서 병진방향상호간 또는 병진방향과 비틀림 방향이 상호연관되어 이에 따른 각 방향의 고유모드가 연계된 진동특성을 가지게된다. 본 연구에서는 풍하중에 의한 구조물의 응답에 가장 큰 영향을 미치는 저차의 3개의 병진-비틀림 모드가 연계된 구조물의 진동을 저감하기위한 능동제어기법에 대하여 다룬다. 이를 위하여 풍동실험으로부터 구한 각 방향 밑면 전도모멘트와 비틀림모멘트가 연계모드에 작용하는 모달풍하중으로 치환된 운동방정식을 유도하고, 운동방정식에 기반한 상태방정식을 통하여 제어력을 산정한다. 제어력 포화를 고려하여 위상분할 제어알고리듬과 H∞ 제어알고리듬이 합성된 새로운 제어알고리듬을 제안하였으며, 풍동실험을 수행한바 있는 대상구조물에 대해 수치시뮬레이션을 수행한 결과 기존 제어알고리듬인 LQR에 비해 대등한 제어효과를 가지면서 제어력의 크기를 줄일 수 있는 것을 검증하였다.

본 연구에서는 풍진동제어를 위한 제어기 설계에 있어서 시스템식별에 기반한 모델의 차수 축소가 미치는 영향을 검토하였다. 실제 제어기 설계에 있어서 구조해석 모델이 이용될 수 없고 시스템식별이라는 중간과정을 거쳐서 얻어진 모델이 적용됨을 반영하여 원모델을 대상으로 풍하중에 대한 시간이력해석을 수행하고 이를 기초로 시스템식별을 수행하였다. 시스템식별을 통해 얻어진 상태방정식 모델에 모델축소 기법을 적용하였으며, 시스템식별에서 발생하는 측정잡음이 측정잡음이 모델의 정확도와 제어효과에 미치는 영향을 함께 검토하였다. 또한 모델축소 기법을 적용하여 얻어진 다양한 차수의 모델을 대상으로 제어기를 설계하고 성능을 비교함으로써 모델 차수가 제어효과에 미치는 영향을 검토하였다.