[논문]Tuned Mass Damper(TMD)를 이용한 구조물의 Linear Quadratic Gaussian(LQG) 하이브리드 진동제어

이진호; 이상범

문제 정의

수동적 요소가 제진의 일정부분을 담당하여, 외부에서 공급되는 에너지를 줄일 수 있고, 수동적 제 진의 단점을 능동적 요소가 보완할 수 있는 장점의 가진다. (2) 본 연구는 하이브리드 제진 방법을 이용하여 El-Centro 지진외란에 대한 건물의 진동 제어 시스템설계 및 그 효율성에 관한 연구를 목표로 한다.

가설 설정

골조에 사용된 모든 철골 보들은 H-600X200 시1x17, 그리고 각 기둥들은 H-300x300x10x15의 형강을 사용한다고 가정하였다. 지붕층 및 기준층의 고정하중은 각각 4301鴨/町 280kg/m으로 가정하였다.
인 0-평균 백색잡음 그리고。는 센서잡음으로서 강도 <9 인 0-평균 백색잡음으로 가정한다. Kalman Fil坨r 문제는 측정된 출력 y(t)로부터 상태벡터 x(t)를 최적으로 추정한 상태추정벡터 x(t)를 찾는 문제이다.
본 연구에서 적용한 제어기의 설계사양은 최상층의 횡변위(roof drift)가 건물고의 0.2% 보다 작도록 하는데 있다고 가정했다. 따라서 4층의 변위 M2.
시스템의 감쇠행렬 C(kg-sec/cm)는 감쇠비<를 3% 로 가정하여 비례 감쇠(5)로 구하였으며 다음과 같다.
사용한다고 가정하였다. 지붕층 및 기준층의 고정하중은 각각 4301鴨/町 280kg/m으로 가정하였다. 구조물의 동적 응답을 구하기 위해 Fig.

제안 방법

LQG 제어시스템의 설계파라미터인 제어 게인 행렬 G와 필터 게인 행렬 丑를 산정하기 위한 제어 가중행렬 R, 상태가중행렬 Q, 센서잡음강도 0및 외란 강도 가중행렬 드는 시행착오를 거쳐 다음과 같이 선정되었다.
TMD의 제원은 상술한 설계절차에 따라 1차 모드에 동조되도록 설계하였다. TMD의 질량은 질량비 四 를 0.
동조되도록 설계하였다. TMD의 질량은 질량비 四 를 0.이로 하여 1차 모드질량 329.0kg-sec2/cm 의 1%인 3.29kg-sec2/cm로 설계하였고 스프링 상수는 최적 동조의 이론에 의해 272.62kk/cm로, 감쇠계수는 최적 감쇠의 이론에 의해 3.65kksec/cm로 설계되었다.
7cm가 되도록 상태변수들을 제어해보았다. 구조물에 인가되는 외란입력으로 23초 동안 0.1초로 분할된 El-Centro 지진의 남-북성분 디지털 기록을 적용하였다. 지진의 최대지반 가속도는 약 0.
지붕층 및 기준층의 고정하중은 각각 4301鴨/町 280kg/m으로 가정하였다. 구조물의 동적 응답을 구하기 위해 Fig. 2와 같이 집중 질량 시스템 (lumped mass system) 으로 모델링하였다. 여기서 为 와 _c는 횡력에 대한 구조물의 스프링 상수 및 감쇠계수이다.
시스템에 가해지는 외력은 El-Centro 로써 지반가속도를 적절히 스케일 조정하였다. 구조물의 응답을 제어하기 위하여 하이브리드 제어제어의 효율성을 조사하기 위해 제어 대상에 TMD 를 설치한 수동 제어와 비제어된 경우를 시뮬레이션을 통해 비교하고, TMD가 설치된 수동 제어와 여기에 LQG 능동제어도 함께 적용된 하이브리드 제어의 응답 특성도 비교하였다. 또한 TMD를 이용하지 않고 4 층에 직접 제어입력을 가하는 순수 능동 경우와 하이브리드 경우에 대해서도 그 결과를 비교해 보았다.
그리고 四는 구조물의 질량과 TMD의 질량비이며 감쇠가 미미하므로 무시하면 식 ⑺와 식 (8)에서 알 수 있듯이 수동적 제진 성능은 오로지 제진대상과 TMD 의 질량비 四에 의해서 정해진다는 것을 알 수 있다. 그러나 하나의 TMD는 시스템의 1차 모드에만 동조되므로 고차 모드의 영향에 대처할 수 없는 문제점이 있어 능동 제어기를 부가해 보았다.
8과 같이 TMD가 제진대상에 설치된 하이브리드 제어시스템에 관한 새로운 상태 공간방정식을 유도해보았다. 그리고 TMD를구조물의 1차 모드에 동조시키기 위해 모드해석법을 수행하여 질량행렬 M, 감쇠행렬 C 및 강성행렬 A를 각 모드별 질량행렬, 감쇠행렬, 강성행렬로 변환하여 1차 모드에 관련된 값들을 산정하였다.
2% 보다 작도록 하는데 있다고 가정했다. 따라서 4층의 변위 M2.7cm가 되도록 상태변수들을 제어해보았다. 구조물에 인가되는 외란입력으로 23초 동안 0.
구조물의 응답을 제어하기 위하여 하이브리드 제어제어의 효율성을 조사하기 위해 제어 대상에 TMD 를 설치한 수동 제어와 비제어된 경우를 시뮬레이션을 통해 비교하고, TMD가 설치된 수동 제어와 여기에 LQG 능동제어도 함께 적용된 하이브리드 제어의 응답 특성도 비교하였다. 또한 TMD를 이용하지 않고 4 층에 직접 제어입력을 가하는 순수 능동 경우와 하이브리드 경우에 대해서도 그 결과를 비교해 보았다.
먼저, Fig. 8과 같이 TMD가 제진대상에 설치된 하이브리드 제어시스템에 관한 새로운 상태 공간방정식을 유도해보았다. 그리고 TMD를구조물의 1차 모드에 동조시키기 위해 모드해석법을 수행하여 질량행렬 M, 감쇠행렬 C 및 강성행렬 A를 각 모드별 질량행렬, 감쇠행렬, 강성행렬로 변환하여 1차 모드에 관련된 값들을 산정하였다.
본 연구를 통해 TMD, LQG 제어알고리즘 및 Kalman Filter를 적용한 하이브리드 제진효과와 타당성를 조사해 본 결과, 다음과 같이 결론을 지을 수 있었다.
수동 제진시스템인 TMD는 진동에 가장 큰 영향을 주는 1차 모드만을 제어대상으로 하여 1차 모드에 관련된 유효모드질량을 찾아 다음과 같은 정점이론을 이용하여 설계되었다. Fig.
구했다. 시스템에 가해지는 외력은 El-Centro 로써 지반가속도를 적절히 스케일 조정하였다. 구조물의 응답을 제어하기 위하여 하이브리드 제어제어의 효율성을 조사하기 위해 제어 대상에 TMD 를 설치한 수동 제어와 비제어된 경우를 시뮬레이션을 통해 비교하고, TMD가 설치된 수동 제어와 여기에 LQG 능동제어도 함께 적용된 하이브리드 제어의 응답 특성도 비교하였다.
1초로 분할된 El-Centro 지진의 남-북성분 디지털 기록을 적용하였다. 지진의 최대지반 가속도는 약 0.35g 이므로 건물의 자중 549 ton 에 의해 산정된 정적 밑면 전단력을 기준으로 하여 지진 입력 데이터를 0.709배로 스케일 조정하였다.

대상 데이터

본 연구의 제진 대상은 4층의 철골구조물로서, 구조물의 동특성을 정의하기 위해 4개의 자유도를 가진 집중 질량 시스템으로 단순화하고 질량, 강성 및 감쇠 행렬들을 구했다. 시스템에 가해지는 외력은 El-Centro 로써 지반가속도를 적절히 스케일 조정하였다.
연구 대상으로 선정한 구조물(4)은 4층짜리 전형적인 철골프레임 구조로써 기준층의 구조평면도 및 단면도를 Fig. 1 및 Fig. 2와 같이 가정한다.

이론/모형

된다. 이와 같은 제약에 대한 대안으로 관측기를 이용하여 출력 피드백 제어시스템을 설계하는 Kalman Filter 제어 알고리즘을 적용하였다. 다음과 같은 시스템의 상태공간방정식을 정의해보자.

성능/효과

1) TMD만으로 제진한 경우, 최대변위가 5.44cm로 제어되어 하이브리드 제진 시스템에 동력이 공급되지 않는 비상시에도 상당한 제진이 가능하다고 판단되었다.
2) TMD를 이용한 제진은 1차 모드에만 동조됨에 따라 고차모드에 대한 영향을 적절히 대처할 수 없으므로 능동 제진을 추가 보완한 LQG 하이브 리드 제 진법을 이용하면 변위를 더욱 효과적으로 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다.
3) LQG 하이브리드 제진은 4층에 직접 제어입력을 가한 LQ 능동 제어보다 50%가 적은 제어입력으로도 비슷한 제진성능을 가지는 것을 알 수 있었다. 따라서 순수 능동 제진 방식이 안고 있는 과대한 에너지의 사용이란 문제점을 해결하기 위한 한방 편으로 LQG 하이브리드 제어 기법이 적용될 수 있다고 판단되었다.
63cm로 비슷하게 설계사양을 만족하고 있다. 그러나 제어 입력은 능동 제진만 한 경우의 45ton 보다 하이브리드 제진을 하였을 때 23ton으로서 약 50%정도감소되어 하이브리드 제진의 제어 효율이 능동 제진에비해 우수함을 확인할 수 있었다.

후속연구

이상으로 본 연구의 결론을 서술하였고, 연구의 결과를 실험적으로 검증하는 것을 향후 과제로 남긴다.

내보내기 구분	파일저장 인쇄 메일전송
구성항목	기본정보 상세정보 관리번호, 논문명, 저널/프로시딩명, 저자 , 발행년, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, 발행기관 관리번호, 논문명, 대등논문명, 저자 , 저널/프로시딩명, 발행기관, 발행년, 발행언어, 권, 호, 시작페이지, 끝페이지, ISBN, ISSN, 주제분야, 키워드, 초록(한글), 초록(영문), 저자(소속기관)
저장형식	Text(ASCII format) Excel format RefWorks Direct Export RIS format (for Reference Manager, ProCite, EndNote), Scholar's Aids, Mendeley
메일정보	받는사람 (필수) @ 보내는사람 (선택) @ 제목 내용 KISTI 검색결과 이메일 서비스
안내	총 건의 자료가 검색되었습니다. 다운받으실 자료의 인덱스를 입력하세요. (1-10,000) 검색결과의 순서대로 최대 10,000건 까지 다운로드가 가능합니다. 데이타가 많을 경우 속도가 느려질 수 있습니다.(최대 2~3분 소요) 다운로드 파일은 UTF-8 형태로 저장됩니다. 파일의 내용이 제대로 보이지 않을실 때는 웹브라우저 상단의 보기 -> 인코딩 -> 자동선택 여부를 확인하십시오. ~ Text(ASCII format) Excel format

연합인증

Tuned Mass Damper(TMD)를 이용한 구조물의 Linear Quadratic Gaussian(LQG) 하이브리드 진동제어
LQG Hybrid Vibration Control of a Structure Using TMD 원문보기

초록
AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (11)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

연합인증

Tuned Mass Damper(TMD)를 이용한 구조물의 Linear Quadratic Gaussian(LQG) 하이브리드 진동제어 LQG Hybrid Vibration Control of a Structure Using TMD 원문보기

초록 용어보기논문에서 용어와 풀이말을 자동 추출한 결과로, 시범 서비스 중입니다. AI-Helper

Abstract ▼ AI-Helper

주제어

AI 본문요약 엑셀 다운로드 AI-Helper

문제 정의

가설 설정

제안 방법

대상 데이터

이론/모형

성능/효과

후속연구

참고문헌 (11)

이 논문을 인용한 문헌

저자의 다른 논문 :

이진호 (4) 이상범 (30)

관련 콘텐츠

원문 보기

원문 URL 링크

이 논문과 함께 이용한 콘텐츠

AI-Helper ※ AI-Helper는 오픈소스 모델을 사용합니다.

선택된 텍스트

Tuned Mass Damper(TMD)를 이용한 구조물의 Linear Quadratic Gaussian(LQG) 하이브리드 진동제어
LQG Hybrid Vibration Control of a Structure Using TMD 원문보기

초록
AI-Helper

AI 본문요약
AI-Helper