변위 의존 건마찰 비선형 흡진기의 동적 응답 및 안정성 분석

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확장요약문

비선형 흡진기(Nonlinear Energy Sink, NES)는 주구조물의 진동 에너지를 부가 구조물로 전이시켜 진동을 저감하는 수동형 진동 제어 장치이다. 선형 동조질량감쇠기(Tuned Mass Damper, TMD)가 특정 고유진동수에 동조하여 진동을 저감하는 것과 달리, NES는 비선형 특성으로 인해 특정한 선형 고유진동수에 구속되지 않으며, 적절한 가진 및 설계 조건에서 주구조물과 공진 포획(Resonance Capture)을 형성하여 진동 에너지를 효과적으로 전달하고 소산할 수 있다.

NES의 진동 저감 성능을 향상시키기 위해 에너지 소산 요소 자체를 설계 자유도로 활용하는 연구들이 진행되어 왔으며, 그중 하나로 건마찰을 이용한 NES가 있다. 건마찰 NES는 상대속도가 작은 조건에서도 미끄럼이 발생하면 에너지를 소산할 수 있으며, 쐐기형 또는 캠 형상의 접촉면 등을 통해 수직하중을 변화시킴으로써 다양한 형태의 변위 의존 마찰력을 구현할 수 있다는 특징이 있다.

이러한 건마찰 NES의 동적 응답을 해석하기 위해 기존 연구에서는 비선형 마찰력을 편의상 등가 점성감쇠로 치환하는 1차 조화파 근사 방법을 활용해 왔다. 특히 수직하중이 상대변위의 크기에 비례하는 경우, 1차 조화파 근사에서 등가 감쇠계수가 진폭에 의존하지 않는 특성은 변위 비례 마찰 감쇠기의 설계에 활용되어 왔다. 하지만 실제 건마찰 시스템에서는 고착-미끄럼(Stick-Slip) 현상 등 복잡한 비선형 거동이 발생하며, 변위 의존 수직하중을 갖는 건마찰 NES에서 이러한 거동을 1차 조화파 근사가 어느 범위까지 정확하게 예측할 수 있는지는 아직 밝혀지지 않았다.

이에 본 연구에서는 몇 가지 대표적인 수직하중 프로파일을 대상으로 1차 조화파 근사의 유효성을 평가하고, 응답 예측 오차의 주된 발생 메커니즘을 해석적으로 규명한다. 또한 기존 근사로는 표현할 수 없는 운동 방향 전환 시점의 이동과 평균 상대변위를 고려한 조화균형(Harmonic Balance) 기반 축소모델을 통해, 표류 불안정을 포함한 동적 응답과 안정성을 분석한다. 이를 바탕으로 1차 조화파 근사의 적용 가능 범위를 검토하고, 변위 의존 건마찰 NES의 수직하중 프로파일 설계 및 평가를 위한 근거를 제시한다.