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문제 정의
- 본 논문에서는 가진기와 구조물의 역전달함수를 이용하는 방법을 사용하여 지진응답을 모사하는 가진기를 설계한 후 이를 실험을 통해 검증하였다. 먼저 실제 크기의 5층 철골 구조물에 설치된 HMD를 이용하여 백색잡음 가진을 수행한 후 가속도 응답과 변위응답을 계측하여 가진 기로부터 각층 응답의 전달함수를 구하였다.
- 본 논문에서는 유은종 등이 제안한 방법 중 구조물의 역 전달함수를 이용하는 방법을 사용하여 지진응답을 모사하는 가진기를 설계한 후 이를 실험을 통해 검증하였다. 먼저 실제 크기의 5층 철골구조물에 설치된 복합형 질량 감쇠기 (Hybrid Mass Damper, HMD)를 이용하여 가진을 수행한 후 가속도 응답과 변위응답을 계측하여 가진기로부터 각층 응답의 전달함수를 구하였다.
- 본 절에서는 구조물의 탄성범위 이내에 HMD에 의해 지진 가진력이 생성되는 과정을 보여준다. %의 지반가속도와 的!의 HMD가속도 가진을 받는 如자유도 구조물의 상태 공간방정식은 다음과 같다.
제안 방법
- 따라서 유사 지진 가진시스템이 정확하게 구현되기 위해서는 HMD 의 동적특성을 보상하여야 한다."3M)본 논문에서는 백색잡음 실험을 통해 HMD의 입력 전압 신호에 대한 HMD의 절대 가속도의 전달함수와 역전달함수를 구한 후 이를 Matlab 함수를 이용하여 곡선적합하였다.
- 따라서 이론적인 FE모델을 기본모델로 하고 실험데이터에 의해 얻어진 정보를 이용하여 이 해석모델을 수정하는 FE모델 갱신기법이 개발되어왔다.(1) 본 논문에서는 상용구조해석프로그램인 ANSYS를 이용하여 FE모델을 구성한 후 실험을 통해 얻어진 정보를 이용하여 모델갱신을 수행하였다.
- 비교한 것이다. 1차 모드와 2차 모드는 모두 실측된 모델로 갱신되었고 3차 모드는 1층과 3층의 전달함수를 미루어 예측한 구간을 정하고 피크를 탐색하여 고유진동수만을 갱신하였다. 4차 모드는 辎, 3층과 1층에서 예측 구간을 정하였고, 5차 모드는 5층, 4층 그리고 1층에서 예측 구간을 정하고 고유진동수를 탐색하여 모델갱신을 수행하였다.
- 1차 모드와 2차 모드는 모두 실측된 모델로 갱신되었고 3차 모드는 1층과 3층의 전달함수를 미루어 예측한 구간을 정하고 피크를 탐색하여 고유진동수만을 갱신하였다. 4차 모드는 辎, 3층과 1층에서 예측 구간을 정하였고, 5차 모드는 5층, 4층 그리고 1층에서 예측 구간을 정하고 고유진동수를 탐색하여 모델갱신을 수행하였다.
- 心)시스템식 별의 주된 목적은 강제가진 실험시 얻어진 가진 하중과 측정 응답의 관계를 모사할 수 있는 해석 모델을 구축하는 것이다. Juange 마르코프(Markov) 파라미터와 관측기/칼만 필터를 이용한 시간영역 시스템 식별기법 및 행렬분해를 이용한 주파수 영역 식별기법을 제시하였다.(3) Dyke 등은 3층 소형구조물에 대하여 진동대와 능동질량가진기로 가진하여 각각의 가진 하중에 대한 시스템 식별을 수행한 후 모델축소기법을 적용하여 시스템 행렬을 구성하였다.
- 각층은 4개의 H형강(H-310X310X20X20) 기둥으로구성되어져 있고 5층에 설치된 HMD는 대용량 리니어 모터를 이용한 감쇠기(Linear Motor Damper; LMD)로서 코일이 고정되어 있고 영구자석과 철심이 가동되어 계자부 역할과 가동 질량(1, 500kg)의 역할을 동시에 함으로써 가진기 이외에 수동댐퍼로도 사용될 수 있도록 설계 제작 되었다.(3) H형강 기둥은 약축 및 강축 방향을 가지고 있으며 HMD는 약축방향으로 설치되었다.
- 수행해야 한다. 그러나 진동대를 이용하여 실물 크기 구조물을 가진하는 일은 매우 어려우며 일반적 실물 크기의 구조물의 축소모델을 제작하여 진동대실험을 수행한다. 유은종 등⑺은 선형가진기에 의한 구조물의 응답의 역 전달함수와 실제 지진하중에 의한 응답과 가진기에의한 응답의 시간이력 오차를 최소화하도록 하는 방법을 이용하여 구조물의 지진응답을 모사하는 선형 가진시스템을 설계하였다.
- 01 초로 설정하였으며, 이는 대상구조물이 매우 유연하여고차모드 주파수가 6Hz미만이고 Nyquist 주파수 50Hz가 관심 영역의 주파수대역을 포함하고 있음을 고려할 때 합리적임을 알 수 있다. 그러나 현장의 상태에 따라 발생하는 관심 주파수대역 이외의 노이즈를 제거하기 위해 데이터 취득 시 가속도계 앰프에서 제공하는 30Hz 저주파 통과 필터를 적용하였으며 다시 신호 컨디셔너에서 25Hz Butterworth 아날로그 저주파 통과 필터를 사용한 후 RSE(Reference Single Ended) 접지방식으로 데이터를 취득하였다.
- 전달함수로부터 얻어진 모드 정보에 기초하여 상용프로그램을 사용하여 얻어진 수치해석 FE모델을 갱신하였다. 그리고 갱신된 모델에 기초하여 실제 지진하중에 대한 응답을 해석적으로 얻었으며, 이 지진 응답 중 특정 목표응답을 모사하도록 HMD 입력신호를 생성한 후 가진하였다. 최종적으로 수치적으로 얻어진 각층 지진응답과 실험을 통해 얻어진 값을 비교하여 본 논문에서 제시된 방법의 유효성을 검증하였다.
- 전달함수로부터 얻어진 모드 정보에 기초하여 상용프로그램을 사용하여 얻어진 수치해석 FE모델을 갱신하였다. 그리고 갱신된 모델에 기초하여 실제 지진하중에 대한 응답을 해석적으로 얻었으며, 이 지진 응답 중 특정 목표응답을 모사하도록 HMD 입력신호를 생성한 후 가진하였다. 최종적으로 수치적으로 얻어진 각층 지진응답과 실험을 통해 얻어진 값을 비교하여 본 논문에서 제시된 방법의 유효성을 검증하였다.
- 이를 실험을 통해 검증하였다. 먼저 실제 크기의 5층 철골 구조물에 설치된 HMD를 이용하여 백색잡음 가진을 수행한 후 가속도 응답과 변위응답을 계측하여 가진 기로부터 각층 응답의 전달함수를 구하였다. 전달함수로부터 얻어진 모드 정보에 기초하여 상용프로그램을 사용하여 얻어진 수치해석 FE모델을 갱신하였다.
- 먼저 실제 크기의 5층 철골구조물에 설치된 복합형 질량 감쇠기 (Hybrid Mass Damper, HMD)를 이용하여 가진을 수행한 후 가속도 응답과 변위응답을 계측하여 가진기로부터 각층 응답의 전달함수를 구하였다. 전달함수로부터 얻어진 모드 정보에 기초하여 상용프로그램을 사용하여 얻어진 수치해석 FE모델을 갱신하였다.
- 둘째, 다수의 현장상태의 조건을 포함하여 실험이 수행되어 구조물의 내진성능 효과의 검증과 구조물 건전도에 필요한 진동기술의 이용가능성을 평가할 수 있는 매우 가치 있는 데이터를 획득할 수 있다. 세 번째, 본 논문에서 제안하는 의사 지진실험법은 상층에 설치된 HMD를 가진하여 지진을 모사하는 실험으로 실 규모의 건축구조물의 내진성능 평가를 위해 대형 진동대를 제작할 필요가 없는 장점이 있다.
- 수치해석은 실험을 통해 갱신된 FE모델에 지반가속도 가진을 하여 얻은 결과이고, HMD가진은 5층 가속도 응답을 목표응답으로 설정하고 수행되었다. 수치해석 값과 실험값은 1층 가속도 이력을 제외하면 대체적으로 잘 일치한다.
- 실험 데이터를 이용한 시스템식별은 노이즈가 최소화되고 구조물의 모드 특성을 충분하게 포함하고 있을 때 의미가 있는 모델을 산정한다. 그러나 현장계측시스템에서는 센서 수의 제한과 고치■모드의 가진의 어려움, 외부전원 사용에 따른 전기 노이즈, 그리고 접지 등의 문제점 때문에 현장계측 신호만을 사용하여 신뢰성 있는 모델을 구성하기에는 많은 어려움이 있다.
- 그러나 진동대를 이용하여 실물 크기 구조물을 가진하는 일은 매우 어려우며 일반적 실물 크기의 구조물의 축소모델을 제작하여 진동대실험을 수행한다. 유은종 등⑺은 선형가진기에 의한 구조물의 응답의 역 전달함수와 실제 지진하중에 의한 응답과 가진기에의한 응답의 시간이력 오차를 최소화하도록 하는 방법을 이용하여 구조물의 지진응답을 모사하는 선형 가진시스템을 설계하였다. 그러나 이 결과는 수치해석을 통해서 얻어진 것이며, 이 방법을 실제 구조물에 적용하는 경우 몇 가지 제약조건을 가진다.
- 먼저 실제 크기의 5층 철골구조물에 설치된 복합형 질량 감쇠기 (Hybrid Mass Damper, HMD)를 이용하여 가진을 수행한 후 가속도 응답과 변위응답을 계측하여 가진기로부터 각층 응답의 전달함수를 구하였다. 전달함수로부터 얻어진 모드 정보에 기초하여 상용프로그램을 사용하여 얻어진 수치해석 FE모델을 갱신하였다. 그리고 갱신된 모델에 기초하여 실제 지진하중에 대한 응답을 해석적으로 얻었으며, 이 지진 응답 중 특정 목표응답을 모사하도록 HMD 입력신호를 생성한 후 가진하였다.
- 현장 계측 및 실험 시스템은 그림 3 및 4와 같으며 한 대의 랩탑PC를 이용하여 가진과 계측을 동시에 수행하는 폐 루프로 구성하여 가진 및 계측시스템의 레이턴시(Latency) 를 최소화 하였다. 여기서 레이턴시란 데이터 한 샘플을 전송하기 전에 대기하는 시간 또는 수집할 때 대기하는 시간을 말하며 컴퓨터를 이용하는 모든 시스템은 이러한 레이턴시가 존재한다.
대상 데이터
- 즉 두 대의 가진 및 계측시스템을 구성하는개루프 시스템과 비교했을 때 각각의 시스템의 레이턴시 가서로 일치하지 않아서 발생할 수 있는 전체시간 지연 오차를 폐루프 시스템을 구축함으로써 가진신호 내보낼 때의 시간 지연과 계측신호를 수집할 때의 시간지연을 내부적으로 최소화 할 수 있다. 계측시스템에서 2~5층의 가속도계는 PCB사 모델명 393B12와 HMD밎 옥상층의 가속도계는 KYOWA사 AS-2GB를 사용하였고 가속도계 앰프는 PCB Monitran과 KYOWA DPM-711B를 사용하였다. 데이터 케이블 연결 시스템은 BNC 동축케이블 25m와 50m를 사용하였다.
- 대상 실험구조물은 그림 1, 2와 같이 실물규모의 5층 철골 구조물이고 층고 6m, 슬래브 6mX6m, 층질량 20, 000kg을 가진다. 각층은 4개의 H형강(H-310X310X20X20) 기둥으로구성되어져 있고 5층에 설치된 HMD는 대용량 리니어 모터를 이용한 감쇠기(Linear Motor Damper; LMD)로서 코일이 고정되어 있고 영구자석과 철심이 가동되어 계자부 역할과 가동 질량(1, 500kg)의 역할을 동시에 함으로써 가진기 이외에 수동댐퍼로도 사용될 수 있도록 설계 제작 되었다.
- 계측시스템에서 2~5층의 가속도계는 PCB사 모델명 393B12와 HMD밎 옥상층의 가속도계는 KYOWA사 AS-2GB를 사용하였고 가속도계 앰프는 PCB Monitran과 KYOWA DPM-711B를 사용하였다. 데이터 케이블 연결 시스템은 BNC 동축케이블 25m와 50m를 사용하였다. 데이터수집시스템은 NI DAQCard-6036E의 16bit AD/DA보드를 사용하였고, 신호컨디셔너 NT SCC-2345 에 입력 모듈 LP02과 FP01, 출력모듈 AO10을 통해 AD/DA 보드와 연결하였다.
- 데이터 케이블 연결 시스템은 BNC 동축케이블 25m와 50m를 사용하였다. 데이터수집시스템은 NI DAQCard-6036E의 16bit AD/DA보드를 사용하였고, 신호컨디셔너 NT SCC-2345 에 입력 모듈 LP02과 FP01, 출력모듈 AO10을 통해 AD/DA 보드와 연결하였다. 가진 시스템에서 계측신호와 가진신호는 모두 전압신호이며 가진신호는 HMD의 인버터를 통해 전압 신호에 해당하는 추력을 발생시켜 HMD의 질량체에 전달한다.
- 백색잡음은 필터링 되지 않은 신호로써 410초 동안 가진하는 시간데이터를 구성하였다. 데이터의 시간간격을 작게 할 경우 레이턴시가 미소하게 존재하나 샘플수가 증가할수록 이러한 미소한 시간이 누적되면서 최종적으로 전체 시간 영역에서 시간지연 오차가 크게 발생한다.
- 지진하중실험은 El Centro(1940, NS성분)와 Hachinohe (1968, NS성분) 지진데이터를 사용하였으며 HMD의 신호 제한에 맞추어 0.05g로 스케일을 줄여 사용하였다.
데이터처리
- 실험을 통해 실측한 모드넥타와 수치해석모델의 모드벡타는 전층에서 계측이 가능하여 추출이 가능한 2차 모드까지만 비교 고려되었다. 충분한 가진이 이루어지지 않아 실측이 어려운 3-5차 모드는 5개 층의 전달함수 중 2개 층 이상이 동일한 피크를 보이는 값을 고유진동수로 설정하여 고유진동수만을 갱신하였으며 모드넥타는 해석모델의 값을 사용하였다.
- 그리고 갱신된 모델에 기초하여 실제 지진하중에 대한 응답을 해석적으로 얻었으며, 이 지진 응답 중 특정 목표응답을 모사하도록 HMD 입력신호를 생성한 후 가진하였다. 최종적으로 수치적으로 얻어진 각층 지진응답과 실험을 통해 얻어진 값을 비교하여 본 논문에서 제시된 방법의 유효성을 검증하였다.
이론/모형
- 3)그러나 이 Juang 및 Dyke등과 같은 일반적인 시스템식별기법을 통해 얻어진 모델은 입력과 출력의 관계를 모사할 뿐 모델 자체가 질량, 점성, 강성과 같은 물리적 의미를 가지지 못한다. 강경수 등。)은 시간 영역 시스템식별기법을 통해 얻어진 시스템 행렬로부터 Alvin 등⑹이 제안한 CBSI(Common Based-normalized System Identification)기법을 이용하여 물리적 의미를 가지는 유한요소(Finite Element, FE)모델을 추출하였다.
- 모델갱신기 법은 모드데이터를 이용하여 등방성, 접합부 연결, 모델의 한정성과 같은 구속조건을 만족하면서 질량 행렬 또는 강성행렬의 변화를 최소화하는 직접모델갱신법的m 을 이용하였다. 해석모델의 질량행렬이 정확하다고 가정하면 갱신할 강성행렬이 측정된 모드벡터를 생산할 수 있고, 대칭행렬이라는 두 가지 구속조건을 적용할 수 있다.
성능/효과
- 각층은 4개의 H형강(H-310X310X20X20) 기둥으로구성되어져 있고 5층에 설치된 HMD는 대용량 리니어 모터를 이용한 감쇠기(Linear Motor Damper; LMD)로서 코일이 고정되어 있고 영구자석과 철심이 가동되어 계자부 역할과 가동 질량(1, 500kg)의 역할을 동시에 함으로써 가진기 이외에 수동댐퍼로도 사용될 수 있도록 설계 제작 되었다.(3) H형강 기둥은 약축 및 강축 방향을 가지고 있으며 HMD는 약축방향으로 설치되었다. 그림 2(b)는 실험 구조물의 가속도 전달함수를 나타내며 1차모드 주파수가 0.
- (3) Dyke 등은 3층 소형구조물에 대하여 진동대와 능동질량가진기로 가진하여 각각의 가진 하중에 대한 시스템 식별을 수행한 후 모델축소기법을 적용하여 시스템 행렬을 구성하였다.3)그러나 이 Juang 및 Dyke등과 같은 일반적인 시스템식별기법을 통해 얻어진 모델은 입력과 출력의 관계를 모사할 뿐 모델 자체가 질량, 점성, 강성과 같은 물리적 의미를 가지지 못한다. 강경수 등。)은 시간 영역 시스템식별기법을 통해 얻어진 시스템 행렬로부터 Alvin 등⑹이 제안한 CBSI(Common Based-normalized System Identification)기법을 이용하여 물리적 의미를 가지는 유한요소(Finite Element, FE)모델을 추출하였다.
- 보여준다. FE모델과 실험결과는 대체적으로 일치하며, 1차모드와 2차모드 특성을 비교적 정확히 반영하고 있음을 알 수 있다.
- 그리고 갱신된 모델에 기초하여 실제 지진하중에 대한 응답을 해석적으로 얻었으며, 이 지진응답 중 특정 목표응답을 모사하도록 HMD 입력신호를 생성한 후 가진하였다. 갱신된 FE 모델을 사용한 지반가속도 가진 해석결과와 HMD가진을 통해 얻어진 각 층 응답의 시간이력과 주파수 특성은 대체적으로 일치하는 경향을 가짐을 확인하였으며, 이를 통해 본 논문에서 제시된 방법의 유효성을 검증하였다.
- 데이터의 시간간격을 작게 할 경우 레이턴시가 미소하게 존재하나 샘플수가 증가할수록 이러한 미소한 시간이 누적되면서 최종적으로 전체 시간 영역에서 시간지연 오차가 크게 발생한다. 따라서 데이터처리의 용이성과 레이턴시를 최소화하기 위해 시간간격을 0.01 초로 설정하였으며, 이는 대상구조물이 매우 유연하여고차모드 주파수가 6Hz미만이고 Nyquist 주파수 50Hz가 관심 영역의 주파수대역을 포함하고 있음을 고려할 때 합리적임을 알 수 있다. 그러나 현장의 상태에 따라 발생하는 관심 주파수대역 이외의 노이즈를 제거하기 위해 데이터 취득 시 가속도계 앰프에서 제공하는 30Hz 저주파 통과 필터를 적용하였으며 다시 신호 컨디셔너에서 25Hz Butterworth 아날로그 저주파 통과 필터를 사용한 후 RSE(Reference Single Ended) 접지방식으로 데이터를 취득하였다.
- 여기서 레이턴시란 데이터 한 샘플을 전송하기 전에 대기하는 시간 또는 수집할 때 대기하는 시간을 말하며 컴퓨터를 이용하는 모든 시스템은 이러한 레이턴시가 존재한다. 즉 두 대의 가진 및 계측시스템을 구성하는개루프 시스템과 비교했을 때 각각의 시스템의 레이턴시 가서로 일치하지 않아서 발생할 수 있는 전체시간 지연 오차를 폐루프 시스템을 구축함으로써 가진신호 내보낼 때의 시간 지연과 계측신호를 수집할 때의 시간지연을 내부적으로 최소화 할 수 있다. 계측시스템에서 2~5층의 가속도계는 PCB사 모델명 393B12와 HMD밎 옥상층의 가속도계는 KYOWA사 AS-2GB를 사용하였고 가속도계 앰프는 PCB Monitran과 KYOWA DPM-711B를 사용하였다.
- 다음과 같은 공학적 중요성을 가진다. 첫째, 구조물은 실제 규모로 실험이 수행되어 실험실에서 유발되는 많은 인공적인 구속조건에서 자유롭다. 둘째, 다수의 현장상태의 조건을 포함하여 실험이 수행되어 구조물의 내진성능 효과의 검증과 구조물 건전도에 필요한 진동기술의 이용가능성을 평가할 수 있는 매우 가치 있는 데이터를 획득할 수 있다.
후속연구
- 첫째, 구조물은 실제 규모로 실험이 수행되어 실험실에서 유발되는 많은 인공적인 구속조건에서 자유롭다. 둘째, 다수의 현장상태의 조건을 포함하여 실험이 수행되어 구조물의 내진성능 효과의 검증과 구조물 건전도에 필요한 진동기술의 이용가능성을 평가할 수 있는 매우 가치 있는 데이터를 획득할 수 있다. 세 번째, 본 논문에서 제안하는 의사 지진실험법은 상층에 설치된 HMD를 가진하여 지진을 모사하는 실험으로 실 규모의 건축구조물의 내진성능 평가를 위해 대형 진동대를 제작할 필요가 없는 장점이 있다.
- 최종적으로 구조물이 해석모델에 기초하기 때문에 시스템 식별기법을 이용한 시스템행렬을 구성하는 과정이 전체적인 연구에 추가적으로 포함되어야 한다. 따라서 이러한 제약조건하에서 제안된 의사지진 진동실험의 유효성을 실험적으로 검증할 필요가 있다.
- 셋째로 현장 실험은 실험 장비 및 설치문제 등의 이유로 주요 요소의 거동이 발생하는 부분에 충분히 밀도 있게 센서를 부착하기에 어려운 점이 있다. 최종적으로 구조물이 해석모델에 기초하기 때문에 시스템 식별기법을 이용한 시스템행렬을 구성하는 과정이 전체적인 연구에 추가적으로 포함되어야 한다. 따라서 이러한 제약조건하에서 제안된 의사지진 진동실험의 유효성을 실험적으로 검증할 필요가 있다.
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