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문제 정의
- 따라서 최근에는 건축 및 토목 구조물의 진동제어를 위하여 수동제어 시스템이 갖고있는 신뢰성(reliability) 뿐만 아니라 능동제어 기법의 장점인 적응성(adaptability)을 확보할 수 있는 준능동 제어장치에 대한 연구가 활발히 진행 중이다.°冲) 본 연구에서는 이러한 준능동 제어장치를 이용하여 준능동 동조질량감 쇠기 (Semi-active TMD; STMD) 를 구성하고 다양한 동적 하중에 대한 STMD의 제어성능을 검토해 보고자 한다. 지금까지 몇몇의 연구자들에 의하여 준능동 제어장치로 TMD를 구성함으로써 TMD 의 성능을 개선시키고자 하는 노력이 수행되었고 그 필요성과 가능성이 제시되었다.
- 따라서 본 연구에서는 STMD의 진동제어 성능을 다양한 동적 하중에 대하여 체계적으로 비교해 보고 이를 통하여 새로운 형태의 진동제어장치로서 STMD의 활용 가능성을 검토해보고자 한다. 이를 위하여 조화하중과 임의의 동적 하중을 직접가력 및 지반진동하중의 형태로 단자유도 구조물에 가하여 STMD의 제어성능을 최적으로 동조된 수동 TMD와비교하여 보았다.
- 기존에 수행된 관련 연구의 조사에 의하면 가변 감쇠장치 및 가변강성장치 등을 이용한 준능동 TMD에 대한 연구는 몇몇 연구자들에 의하여 수행된 경우가 있으나 MR 감쇠기와 같은 스마트 감쇠기를 적용한 TMD에 대한 연구는 거의 이루어지지 않은 것을 확인할 수 있었다. 따라서 본 연구에서는 가변 감쇠장치와 함께 MR 감쇠기를 이용하여 STMD를 구성하고 그 성능을 검토하여 보았다. MR 감쇠기는 비교적 최근에 건축 및 토목 분야에 사용되기 시작한 감쇠장치로서 자기장의 세기에 따라 변하는 항복응력을 갖는 점소성 거동을 하기 때문에 이 장치를 이용한 준능동 제어는 자기장을 변화시킬 수 있는 전류 또는 전압을 조절함으로써 이루어진다.
- 본 논문에서는 다양한 형태의 동적하중이 가해지는 단자 유도 구조물에 대한 STMD의 제어성능을 검토하여 보았다. STMD를 구성하기 위해서 수동감쇠기 대신에 이상적인 가변 감쇠장치 및 MR 감쇠기의 두 가지 준능동 감쇠기를 사용하였다.
- 본 연구에서는 STMD의 제어성능을 검토해보기 위하여 그림 1에 나타낸 단자유도 구조물을 예제 구조물로 선택하여 해석을 수행하였다. 예제 구조물은 층질량 357.
- 본 절에서는 그림 17과 같이 지반진동하중 형태로 가해지는 조화하중에 대하여 TMD 및 STMD의 제어성능을 검토하여 보았다. 수치해석 결과, 주구조물의 변위시간이 력과 가속도시간이력을 그림 18과 19에 각각 나타내었다.
- 본 절에서는 그림 3과 같이 STMD가 설치된 단자 유도구조물에 동적외력이 직접 작용하였을 때 발생하는 구조물의 동적응답을 검토하여 보았다. 주구조물의 진동수와 동일한 진동수를 가지는 조화하중을 가하여 공진을 발생시켰으며 이때 TMD와 STMD의 제어성능을 비교 검토하였다.
- 본 절에서는 실제 지진하중에 대한 TMD와 STMD의 제어성능을 비교해보기 위하여 El Centro(1940, NS)지진과 Mexico(1985, NS)지진을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 그림 20은 각각의 지진에 대하여 2% 감쇠비를 사용하였을 때 얻은 응답스펙트럼을 나타낸다.
- 이때 가변 감쇠값은 식 (1)에 나타낸 skyhook 제어알고리즘에 의하여 결정된 Cgn 또는 Cmax 값으로 결정된다. 이러한 이상적인 가변 감쇠장치는 수치해석을 통해서만 구현이 가능하므로 보다 실제적인 STMD의 제어성능을 평가하기 위해서 본 절에서는 이상적인 가변 감쇠장치 대신에 MR 감쇠기를 이용하여 구성한 STMD(MR-STMD)의 제어성능을 검토해보고자 한다. 본 연구에서 사용된 MR 감쇠기는 최대 400kN의 용량을 발휘하는 감쇠기로서 passive-on 및 passive-off 상태의 MR 감쇠기 힘-변위 관계를 그림 25 에 나타내었다.
제안 방법
- 그들은 이 연구를 통하여 STMD가 구조물의 큰 응답을 제어하는데 매우 효과적이며 본질적으로 수동 TMD에 비하여 더 우수한 제어성능을 발휘한다고 하였다. Hidaka 등㈣은 가변 감쇠장치를 이용한 STMD를 구성하여 제어성능을 실험적으로 검토하였다. 이 연구는 STMD 의 제어성능을 실험적으로 연구한 몇 안 되는 연구의 하나이다.
- 이러한 off-tuning 상태에서의 TMD와 STMD의 제어성능을 검토해보는 것은 실제 구조물에 이러한 제어장치를 적용했을 경우에 제어장치의 견실성을 판단하는데 주요한 근거가 된다. Off-tuning에 따른 TMD와 STMD의 제어성능의 변화를 검토해보기 위하여 본 연구에서는 주구조물의 질량을 원래의 값을 기준으로 -30%에서 30%까지 10% 간격으로 증감하였고 공진 조화하중을 가하여 수치해석을 수행하였다. 이때 구조물에 설치된 TMD와 STMD의 특성치는 일정하게 유지하였다.
- 그들의 연구를 통하여 STMD의 적응성이 뛰어나다는 것을 실험적으로 알 수 있었다. Pinkaew와 Fujino岡는 조화 하중이 가해지는 단자유도 구조물을 사용하여 가변 감쇠 장치를 이용하여 구성한 STMD의 제어성능을 검토하였다. STMD의 감쇠력은 최적제어이론을 이용하여 조절하였다.
- STMD를 구성하기 위해서 수동감쇠기 대신에 이상적인 가변 감쇠장치 및 MR 감쇠기의 두 가지 준능동 감쇠기를 사용하였다. 구조물의 응답에 따라서 STMD의 감쇠력을 적절히 조절하기 위하여 skyhook 제어알고리즘을 사용하였다.
- 이러한 STMD 의 가능성에 대한 연구는 Hrovat 등(1))에 의해서 최초로 연구되었다. 그들의 연구에서는 밸브를 이용하여 유압의 흐름을 조절하는 가변 감쇠기를 사용하여 준능동 TMD를구성하였고 수동 TMD 및 AMD와 함께 고층건물의 풍 응답 제어성능을 비교, 검토하였다. 수치해석 결과를 보면 STMD의 제어성능이 TMD의 제어성능에 비하여 월등한 것을 확인할 수 있다.
- 이러한 현상은 TMD의 성능을 떨어뜨리거나 오히려 주 구조물에 피해를 일으킬 가능성도 있으므로 off-tuninge TMD 를 실제 구조물에 적용할 때 고려해야할 중요한 문제점 중에 하나이다. 따라서 본 연구에서는 off-tuning0! 발생할 때 TMD와 STMD의 제어성능 변화를 비교하여 그 견실성 (robustness)을 검토 하여 보았다. 기존에 수행된 관련 연구의 조사에 의하면 가변 감쇠장치 및 가변강성장치 등을 이용한 준능동 TMD에 대한 연구는 몇몇 연구자들에 의하여 수행된 경우가 있으나 MR 감쇠기와 같은 스마트 감쇠기를 적용한 TMD에 대한 연구는 거의 이루어지지 않은 것을 확인할 수 있었다.
- 03의 값을 이용하였다. 본 논문에서는 그림 1의 단자유도 예제 구조물에 조화하중 또는 임의 동적하중을 지반진동하중과 직접가력 형태의 하중으로 가하여 TMD 및 STMD 제어성능을 검토하였다.
- 이와 같은 4가지 조건을 정리하여 변위기반 skyhook 제어 알고리즘을 식으로 나타내면 식 (1)과 같다. 본 연구에서는 이 skyhook 제어알고리즘을 이용하여 STMD의 구성성분인 준능동 감쇠기의 감쇠력을 조절한다.
- 본 절에서는 식 (2)에 나타낸 방법으로 계산한 인공 풍하중(11)을 이용하여 STMD의 제어성능을 검토하였다. 식 (2)에서 p = 107xl03A:ff/o]31 co 는 주구조물의 고유진동수를 나타낸다.
- 이렇게 구한 인공 풍하중을 그림 10에 나타내었다. 실제 풍하중은 백색파와 같이 보다 다양한 주파 수성분을 가지지만 본 연구에서는 풍하중에 대한 구조물의 정확한 거동을 분석하는 것이 주 목적이 아니라 진동 제어성능을 상대적으로 비교하는 것이 목적이므로 그림 10 의 단순화한 인공풍하중을 사용하였다.
- 앞 절까지는 가변 감쇠장치를 이용하여 구성한 STMD의 단자 유도 구조물에 대한 제어성능을 검토하여 보았다. 이때 가변 감쇠값은 식 (1)에 나타낸 skyhook 제어알고리즘에 의하여 결정된 Cgn 또는 Cmax 값으로 결정된다.
- 한다. 이를 위하여 조화하중과 임의의 동적 하중을 직접가력 및 지반진동하중의 형태로 단자유도 구조물에 가하여 STMD의 제어성능을 최적으로 동조된 수동 TMD와비교하여 보았다. 처음에 TMD가 설치될 때 제어대상인 주 구조물과 상호작용을 효과적으로 하도록 최적의 동조을 하였다 하더라도 시간이 지남에 따라서 주구조물의 질량이나 강성이 변화하게 되어 처음에 계획한 TMD의 제어성능이 효과적으로 발휘할 수 없게 되는 경우가 많다(off-tuEng).
- 동적응답을 검토하여 보았다. 주구조물의 진동수와 동일한 진동수를 가지는 조화하중을 가하여 공진을 발생시켰으며 이때 TMD와 STMD의 제어성능을 비교 검토하였다. 그림 3에 나타낸 STMD의 질량(m2)과 강성(k2)은 최적 TMD 의 값과 같으며 econtrollable 값은 식 (1)에 의해서 결정된다.
대상 데이터
- 이러한 이상적인 가변 감쇠장치는 수치해석을 통해서만 구현이 가능하므로 보다 실제적인 STMD의 제어성능을 평가하기 위해서 본 절에서는 이상적인 가변 감쇠장치 대신에 MR 감쇠기를 이용하여 구성한 STMD(MR-STMD)의 제어성능을 검토해보고자 한다. 본 연구에서 사용된 MR 감쇠기는 최대 400kN의 용량을 발휘하는 감쇠기로서 passive-on 및 passive-off 상태의 MR 감쇠기 힘-변위 관계를 그림 25 에 나타내었다. MR 감쇠기를 모형화하기 위해서 일반적으로 사용되는 modified Bouc-Wen 모델岡을 수치해석 모델로 사용하였다.
- MR 감쇠기의 감쇠력은 감쇠기로 전달되는 명령전압에 의해서 결정된다. 본 연구에서 사용한 MR 감쇠기는 0V의 전압이 전달될 때 passive-off의 상태가 되고 IV의 전압에서 passive-on 상태가 된다. 따라서 식 (1) 의 skyhook 제어 알고리즘에서 c controllable 이 Cgn이 되는 경우에는 MR 감쇠기에 0V 의 명령전압이 전달되고 Gum가 되는 경우에는 IV의 전압이 보내어 진다.
- 수행하였다. 예제 구조물은 층질량 357.24kNsec2/m 및 층강성 654.98MN/m의 특성을 가지는 20층 빌딩구조물을 단자유도로 단순화한 것이다. 단자유도 구조물의 고유진동 주기와 질량은 각각 20층 구조물의 1차 모드 고유진동 주기와 유효질량인 1.
이론/모형
- 본 연구에서 사용된 MR 감쇠기는 최대 400kN의 용량을 발휘하는 감쇠기로서 passive-on 및 passive-off 상태의 MR 감쇠기 힘-변위 관계를 그림 25 에 나타내었다. MR 감쇠기를 모형화하기 위해서 일반적으로 사용되는 modified Bouc-Wen 모델岡을 수치해석 모델로 사용하였다. MR 감쇠기의 감쇠력은 감쇠기로 전달되는 명령전압에 의해서 결정된다.
- Pinkaew와 Fujino岡는 조화 하중이 가해지는 단자유도 구조물을 사용하여 가변 감쇠 장치를 이용하여 구성한 STMD의 제어성능을 검토하였다. STMD의 감쇠력은 최적제어이론을 이용하여 조절하였다. 그들은 수치해석을 통하여 STMD의 제어성능이 정상 상태에서 TMD에 비하여 매우 우수한 것을 보여주었고 STMD가 천이상태 응답에 그다지 효과적이지 못한 이유를 설명하였다.
- STMD를 구성하기 위해서 수동감쇠기 대신에 이상적인 가변 감쇠장치 및 MR 감쇠기의 두 가지 준능동 감쇠기를 사용하였다. 구조물의 응답에 따라서 STMD의 감쇠력을 적절히 조절하기 위하여 skyhook 제어알고리즘을 사용하였다. 수치해석결과 조화하중에 대한 STMD의 제어성능은 TMD에 비하여 천이상태의 응답은 약 20%, 정상 상태 응답은 약 70% 정도를 줄일 수 있었다.
- 단자유도 구조물의 동적응답을 최소화하기 위한 수동 TMD의 최적설계 파라미터에 대한 연구는 많은 연구자들에 의하여 수행되었다. 그 중에서 본 논문에서는 표 1에 나타낸 바와 같이 Warbuton(16)의 연구에서 밝힌 직접가력하중 및 지반진동하중에 대한 TMD 최적값을 사용하였다. 표 1에 나타낸 식에서 μ는 주구조물에 대한 TMD의질량비(m2/ml)를 의미하며 본 연구에서는 0.
- 본 연구에서는 STMD를 구성하는 준능동 감쇠기의 감쇠력을 제어하기 위해서 전통적인 준능동 제어 알고리즘인 skyhook 제어 알고리즘(功을 사용하였다. 이 알고리즘을 설명하기 위하여 그림 2(a)에 가상적인 2자유도의 skyhook 모델을 나타내었다.
- MR 감쇠기는 비선형성이 매우 강한 제어장치로서 전달되는 명령 전압에 따라서 강성 및 감쇠가 동시에 변하게 되므로 구조물의 동적 응답을 제어할 효과적인 제어알고리즘을 결정하는 것이 매우 중요하다. 본 연구에서는 STMD에 사용된 준능동 감쇠기의 감쇠력을 구조물의 응답에 따라 실시간으로 조절하기 위하여 변위기반 skyhook 제어알고리즘을 이용하였다. 다양한 수치해석결과 여러가지 동적하중에 대해서 STMD 가 TMD보다 우수한 제어성능을 발휘하는 것을 알 수 있었다.
성능/효과
- 즉, 주구조물에 공진을 일으켜서 구조물에 큰 피해를 일으킬 수 있는 하중에 대해서는 STMD가 TMD 보다 매우 우월한 제어성능을 발휘 하였고 그렇지 않고 다양한 진동수성분을 가지고 있는 동적하중에 대해서는 거의 비슷하거나 조금 더 우수한 제어성능을 발휘하였다. MR 감쇠기를 이용한 MR-STMD의 제어성능도 이상적인 가변 감쇠장치를 이용한 STMD와 비슷한 제어성능을 발휘하는 것을 확인할 수 있었다. MR-STMD는 가력기와같은 능동제어장치를 사용한 ATMD보다 설치 및 운용에 드는 비용이 저렴하고 안정성이 뛰어나며 일반적인 수동 TMD에 비해서는 그 제어성능이 매우 뛰어나다.
- TMD를 사용할 경우에는 제어하지 않았을 경우에 비하여 구조물의 최대변위를 80%로, 그리고 RMS 변위는 60%로 줄일 수 있다. STMD를 사용하였을 경우에는 TMD를 사용하였을 때에 비하여 최대 변위는 6%, RMS 변위는 19%를 더욱 줄일 수 있었다. 이러한 차이는 공진 조화하중을 가하였을 때와 비교하면 상당히 작은 것을 알 수 있다.
- 즉, IW는 특정한 진동수를 가지는 조화 하중에 대해서 매우 효과적인 제어장치라는 것을 확인할 수 있다. STM们를 설치하였을 때 구조물의 응답을 살펴보면 구조물의 최대응답은 TMD에 비하여 약 18% 정도 더 줄일 수 있고 睥 응답은 TW를 사용했을 때에 비하여 약 73% 이상을 더 줄일 수 있는 것을 알 수 있다. 그래프 및 표에서 볼 수 있듯이 조화하중에 대해서는 SM를 사용했을 때가 TW를 사용했을 때보다 항상 더 우수한 제어성능을 발휘하는 것을 확인할 수 있고 특히 천이상태보다 정상 상태의 응답을 더욱 효과적으로 줄일 수 있다는 것을 알 수 있다.
- TMD와 STMD를 사용할 경우에는 제어하지 않았을 때에 비하여 구조물의 응답을 크게 줄일 수 있음을 알 수 있다. TMD를 사용할 경우에는 제어하지 않았을 경우에 비하여 구조물의 최대변위를 80%로, 그리고 RMS 변위는 60%로 줄일 수 있다.
- 이러한 MR-STMD가 설치된 단자유도 구조물에 조화하중을 가한 경우 구조물의 동적응답을 TMD와 비교하여 그림 26, 27 및 표 13, 14에 나타내었다. 가변 감쇠장치를 이용한 STMD 의 결과인 표3, 4와 비교해보면 구조물의 최대 변위 및 최대 가속도는 거의 비슷한 수준의 제어성능을 나타내는데 비하여 RMS 응답은 변위 및 가속도 모두 약 25%정도 더 증가하였다. 이것은 MR 감쇠기가 passive-off 상태일 때의 감쇠력이 값에 의해서 결정되는 가변 감쇠 장치의 최소 감쇠력보다 크기 때문에 TMD에 의한 불리한 외력 이주구조물로 전달되는 것을 적절하게 차단하지 못하기 때문인 것으로 판단된다.
- 그들은 3층 예제구조물의 최상층에 개발한 STMD를설치하고 적응형 신경망 알고리즘(adaptive neural network algorithm)을 사용하여 가변 감쇠장치를 제어하였다. 그들의 연구를 통하여 STMD의 적응성이 뛰어나다는 것을 실험적으로 알 수 있었다. Pinkaew와 Fujino岡는 조화 하중이 가해지는 단자유도 구조물을 사용하여 가변 감쇠 장치를 이용하여 구성한 STMD의 제어성능을 검토하였다.
- STM们를 설치하였을 때 구조물의 응답을 살펴보면 구조물의 최대응답은 TMD에 비하여 약 18% 정도 더 줄일 수 있고 睥 응답은 TW를 사용했을 때에 비하여 약 73% 이상을 더 줄일 수 있는 것을 알 수 있다. 그래프 및 표에서 볼 수 있듯이 조화하중에 대해서는 SM를 사용했을 때가 TW를 사용했을 때보다 항상 더 우수한 제어성능을 발휘하는 것을 확인할 수 있고 특히 천이상태보다 정상 상태의 응답을 더욱 효과적으로 줄일 수 있다는 것을 알 수 있다.
- 다양한 수치해석결과 여러가지 동적하중에 대해서 STMD 가 TMD보다 우수한 제어성능을 발휘하는 것을 알 수 있었다. 그러나 동적하중의 종류 및 특성에 따라서 그 효율성은 크게 달라지는 것을 확인할 수 있었다.
- TMD와 STMD의 제어성능 차이는 변위의 결과와 거의 비슷하다. 그러나 본 연구에서 사용된 TMD는 주구조물의 가속도가 아니라 변위를 최소화하기 위하여 최적화를 했기 때문에 변위 응답의 그래프처럼 두 공진 피크값이 비슷하지 않고 오른쪽 피크값이 왼쪽값에 비해서 상당히 큰 것을 알 수 있다. 만약 TMD의 진동수 및 감쇠비를 가속도응답을 최소화시키기 위한 값으로 최적화 한다면 두 공진 피크값이 변위응답의 결과와 같이 거의 비슷하게 나타날 것이다.
- 즉, 최대 가속도에 대해서는 STMD가 TMD보다 매우 뛰어난 견실성을 보이고 RMS 가속도는 두 제어장치의 견실성이 거의 비슷하거나 STMD 가 조금 더 우월하다. 다만 전술한 바와 같이 본 연구에서 사용하는 TMD는 예제구조물의 가속도가 아니라 변위를 최소로 하기위하여 최적화되었기 때문에 원래의 구조물인 질량의 변화가 0%일때의 최대 가속도응답이 최소값이 아닌 것을 알 수 있다.
- 본 연구에서는 STMD에 사용된 준능동 감쇠기의 감쇠력을 구조물의 응답에 따라 실시간으로 조절하기 위하여 변위기반 skyhook 제어알고리즘을 이용하였다. 다양한 수치해석결과 여러가지 동적하중에 대해서 STMD 가 TMD보다 우수한 제어성능을 발휘하는 것을 알 수 있었다. 그러나 동적하중의 종류 및 특성에 따라서 그 효율성은 크게 달라지는 것을 확인할 수 있었다.
- 및 RMS 변위응답을 나타내었다. 두 가지 응답 모두 조화 하중과 주구조물의 진동수비가 약 0.85-1.15 사이에 있을 경우에는 STMD의 제어성능이 TMD의 제어성능에 비하여 매우 우수하고 그 이외의 구간에서는 STMD와 TMD 의 제어성능이 거의 차이가 없는 것을 확인할 수 있다. 따라서 구조물에 피해를 일으킬 가능성이 큰 공진대역의 진동수를 갖는 하중에 대해서 STMD가 TMD에 비하여 매우 뛰어난 제어성능을 발휘하고 그 이외의 하중에 대해서도 최소한 TMD와 비슷한 수준의 제어성능을 나타낼 것이다.
- 정상 상태의 구조물 응답은 준능동 감쇠기의 에너지 소산 기능만으로 충분히 감소시킬 수 있지만 천이상태의 구조물 응답을 저감시키기 위해서는 능동제어장치처럼 추가적인 외부의 에너지가 필요하게 된다(15). 따라서 STMD가 RMS 변위 응답을 TMD에 비하여 매우 탁월하게 줄일 수 있는 반면에 최대응답은 약 20% 내외 정도 줄일 수 있는 것을 볼 수 있다. 그림 8과 9는 조화하중의 진동수 변화에 따른 구조물의 최대 및 RMS 가속도응답을 나타낸다.
- 15 사이에 있을 경우에는 STMD의 제어성능이 TMD의 제어성능에 비하여 매우 우수하고 그 이외의 구간에서는 STMD와 TMD 의 제어성능이 거의 차이가 없는 것을 확인할 수 있다. 따라서 구조물에 피해를 일으킬 가능성이 큰 공진대역의 진동수를 갖는 하중에 대해서 STMD가 TMD에 비하여 매우 뛰어난 제어성능을 발휘하고 그 이외의 하중에 대해서도 최소한 TMD와 비슷한 수준의 제어성능을 나타낼 것이다. 이러한 STMD의 제어성능과 비슷한 성능을 TM8를 사용하여 얻기 위해서는 TMD의 질량을 증가시켜야 가능하다.
- 특히 주구조물의 최대변위에 대한 STMD의 제어성능은 off-tuning이 발생하여도 거의 변화가 없지만 TMD의 제어성능은 대폭 저감되었다. 따라서 실제 구조물에 STMD의 적용성 및 신뢰성이 TMD 이상으로 뛰어나다고 판단된다. 지진하중에 대한 STMD의 제어성능도 TMD에 비하여 우수한 결과를 보이지만 주 구조물에 직접 가력되는 하중보다는 그 성능의 차이가 줄어들었다.
- 주구조물의 질량의 변화에 따라서 RMS 변 위가 변화하는 기울기를 살펴보면 질량이 감소할 때보다 증가할 때 기울기가 더 작은 것을 알 수 있다. 따라서 주 구조 물질량의 감소보다 증가로 인한 off-tuning에 STMD가 더 잘 적응할 수 있는 것을 확인할 수 있다. 그림 15와 16의 질량의 변화에 따른 가속도 응답의 변화도 변위 응답의 변화와 비슷한 경향을 보인다.
- 2초의 주기성분이 탁월한 것을 알 수 있다. 본 연구에서 사용한 예제구조물의 고유진동 주기는 1.91 초 이므로 El Centro 지진보다는 Mexico 지진에 의해서 더 큰 영향을 받을 것으로 예상할 수 있다.
- 그들의 연구에서는 밸브를 이용하여 유압의 흐름을 조절하는 가변 감쇠기를 사용하여 준능동 TMD를구성하였고 수동 TMD 및 AMD와 함께 고층건물의 풍 응답 제어성능을 비교, 검토하였다. 수치해석 결과를 보면 STMD의 제어성능이 TMD의 제어성능에 비하여 월등한 것을 확인할 수 있다. 그러나 이 연구에서는 TMD의 강성 및 감쇠가 최적의 상태로 동조되지 않았기 때문에 STMD의성능을 과대평가한 것으로 판단된다.
- 구조물의 응답에 따라서 STMD의 감쇠력을 적절히 조절하기 위하여 skyhook 제어알고리즘을 사용하였다. 수치해석결과 조화하중에 대한 STMD의 제어성능은 TMD에 비하여 천이상태의 응답은 약 20%, 정상 상태 응답은 약 70% 정도를 줄일 수 있었다. 특히 STMD는 주구조물의 공진대역에서 TMD에 비하여 탁월한 진동저감효과를 나타내므로 공진에 의해서 발생하게 되는 구조물의 과도한 동적응답을 매우 효과적으로 제어할 수 있을 것으로 판단된다.
- 그림 18의 변위시간이력을 통해서 STMD의 제어성능을 검토해보면 천이상태에서는 TMD의 제어성능과 비슷하거나 약간 더 우월한 결과를 나타내지만 두 번의 맥놀이 현상을 거친 후 나타나는 정상상태의 응답은 TMD에비하여 월등히 작은 것을 확인할 수 있다. 이것을 표 7을 통하여 수치적으로 확인하자면 천이상태에서 발생하게 되는 구조물의 최대응답은 STMD를 사용하면 TMD를 사용할 때에 비하여 약 19% 정도 더 줄일 수 있음을 알 수 있다. 이에 비하여 RMS 응답은 TMD를 설치하였을 때의 응답보다 77% 정도의 비율로 대폭 더 줄일 수 있다.
- 특히 STMD는 주구조물의 공진대역에서 TMD에 비하여 탁월한 진동저감효과를 나타내므로 공진에 의해서 발생하게 되는 구조물의 과도한 동적응답을 매우 효과적으로 제어할 수 있을 것으로 판단된다. 주구조물의 질량변화에 따른 off-tuning에 의한 제어성능의 변화를 검토해 본 결과 STMD가 TMD보다 제어성능의 견실성이 더욱 뛰어난 것을 확인할 수 있었다. 특히 주구조물의 최대변위에 대한 STMD의 제어성능은 off-tuning이 발생하여도 거의 변화가 없지만 TMD의 제어성능은 대폭 저감되었다.
- 그러나 TMD를 사용한 경우에는 주구조물 질량의 증감에 따라서 최대변위가 급격히 증가하는 것을 볼 수 있다. 즉 TMD와 STMD의제어성능의 차이가 off-tuning이 크게 발생할수록 더욱 커지므로 구조물의 최대 변위를 제어하는데 있어서 STMD 가 TMD보다 더욱 견실한 제어성능을 나타내는 것을 알 수 있다. 그림 14의 RMS 변위의 변화를 보면 STMD 제어성능의 견실성이 최대변위 보다는 좋지 않지만 TMD와비교했을 때에는 비슷하거나 조금 더 우월한 것을 확인할 수 있다.
- 이러한 단자유도 구조물에 TMD를 설치하였을 때는 표 3과 4에 나타낸 것과 같이 제어를 하지 않았을 때의 응답을 약 75%이상 줄일 수 있는 것을 볼 수 있다. 즉, IW는 특정한 진동수를 가지는 조화 하중에 대해서 매우 효과적인 제어장치라는 것을 확인할 수 있다. STM们를 설치하였을 때 구조물의 응답을 살펴보면 구조물의 최대응답은 TMD에 비하여 약 18% 정도 더 줄일 수 있고 睥 응답은 TW를 사용했을 때에 비하여 약 73% 이상을 더 줄일 수 있는 것을 알 수 있다.
- 그러나 지진하중의 주진동수 성분이 구조물의 공진진 동수대역에 존재하여 주구조물에 큰 동적응답을 발생시킬 경우에는 TMD와 STMD의 제어성능의 차이가 크게 벌어 졌다. 즉, 주구조물에 공진을 일으켜서 구조물에 큰 피해를 일으킬 수 있는 하중에 대해서는 STMD가 TMD 보다 매우 우월한 제어성능을 발휘 하였고 그렇지 않고 다양한 진동수성분을 가지고 있는 동적하중에 대해서는 거의 비슷하거나 조금 더 우수한 제어성능을 발휘하였다. MR 감쇠기를 이용한 MR-STMD의 제어성능도 이상적인 가변 감쇠장치를 이용한 STMD와 비슷한 제어성능을 발휘하는 것을 확인할 수 있었다.
- 그림 15와 16의 질량의 변화에 따른 가속도 응답의 변화도 변위 응답의 변화와 비슷한 경향을 보인다. 즉, 최대 가속도에 대해서는 STMD가 TMD보다 매우 뛰어난 견실성을 보이고 RMS 가속도는 두 제어장치의 견실성이 거의 비슷하거나 STMD 가 조금 더 우월하다. 다만 전술한 바와 같이 본 연구에서 사용하는 TMD는 예제구조물의 가속도가 아니라 변위를 최소로 하기위하여 최적화되었기 때문에 원래의 구조물인 질량의 변화가 0%일때의 최대 가속도응답이 최소값이 아닌 것을 알 수 있다.
- 따라서 실제 구조물에 STMD의 적용성 및 신뢰성이 TMD 이상으로 뛰어나다고 판단된다. 지진하중에 대한 STMD의 제어성능도 TMD에 비하여 우수한 결과를 보이지만 주 구조물에 직접 가력되는 하중보다는 그 성능의 차이가 줄어들었다. 그러나 지진하중의 주진동수 성분이 구조물의 공진진 동수대역에 존재하여 주구조물에 큰 동적응답을 발생시킬 경우에는 TMD와 STMD의 제어성능의 차이가 크게 벌어 졌다.
- 주구조물의 질량변화에 따른 off-tuning에 의한 제어성능의 변화를 검토해 본 결과 STMD가 TMD보다 제어성능의 견실성이 더욱 뛰어난 것을 확인할 수 있었다. 특히 주구조물의 최대변위에 대한 STMD의 제어성능은 off-tuning이 발생하여도 거의 변화가 없지만 TMD의 제어성능은 대폭 저감되었다. 따라서 실제 구조물에 STMD의 적용성 및 신뢰성이 TMD 이상으로 뛰어나다고 판단된다.
- 이 때 TMD와 STMD의 최대 변위 및 RMS 변위에 대한 제어성능의 차이는 각각 30% 및 38%로 El Centro 지진하중에 비하여 STMD가 더욱 효과적으로 제어성능을 발휘한다. 특히, 지진이 발생했을 때 거주자의 심리적 안정성에 큰 영향을 미치는 RMS 가속도의 경우에는 제어를 하지 않았을 때보다 STMD를 사용할 때 약 70%의 개선된 제어성능을 보여준다. 이것은 Mexico 지진하중의 주진동수 성분이 주 구조물의 공진대역에 걸쳐서 존재하기 때문에 STMD 가 TMD보다 우월한 제어성능을 보여준다.
- 해석결과를 보면 MR-STMD가 4.1 장에 나타낸 가변 감쇠장치를 사용한 STMD와 비교해서 비슷하거나 약간 좋지 않은 제어성능을 나타내는 것을 알 수 있다. 그러나 TMD를 사용한 구조물의 응답에 비해서는 여전히 월등히 작은 응답을 나타낸다.
후속연구
- 전술한 바와 같이 본 연구에서 사용한 가변 감쇠장치는 구조물의 응답에 따라서 즉각적으로 감쇠값이 변하는 이상화된 제어장치로서 수치해석을 통해서만 구현이 가능하다. 따라서 MR 감쇠기를 이용해서 구성한 MR-STMD에 대한 연구를 통하여 기존의 수동 TMD 보다 효과적이고 견실한 제어성능을 나타내는 새로운 형태의 준능동 TMD의 실제 개발 및 활용 가능성을 제시할 수 있을 것으로 판단된다. 심각한 지진하중으로 구조물에 피해가 발생하여 전원이 차단되는 등의 이유로 MR-STMD가제대로 작동하지 못한다고 할지라도 MR 감쇠기는 passive off 상태의 수동감쇠기 역할을 하므로 여전히 수동 TMD로서의 역할을 수행할 수 있다.
- 심각한 지진하중으로 구조물에 피해가 발생하여 전원이 차단되는 등의 이유로 MR-STMD가제대로 작동하지 못한다고 할지라도 MR 감쇠기는 passive off 상태의 수동감쇠기 역할을 하므로 여전히 수동 TMD로서의 역할을 수행할 수 있다. 따라서 MR-STMD를 이용하면 일반적인 수동 TMD 수준의 안정성을 확보하면서도 TMD 보다 월등한 제어성능을 발휘할 수 있으므로 구조물제어에 매우 효과적으로 활용될 수 있을 것이다.
- 그림 28, 29 및 표 15, 16에 나타낸 인공풍하중에 대한 제어성능도 가변 감쇠장치를 사용한 STMD와 거의 비슷하거나 조금 떨어지는 제어성능을 나타낸다. 따라서 passive-on 상태의 감쇠력은 더 크고 passive-off 상태의 감쇠력은 더 작은 우수한 성능의 MR 감쇠기가 개발된다면 MR-STMD의 제어성능이 이상적인 STMD의 성능에 근접하는 결과를 나타낼 것으로 기대할 수 있다.
- 또한 스마트 면진장치와 같이 MR 감쇠기를 기존의 다른 제어장치와 혼합하여 사용하는 하이브리드 제어장치에 관한 연구도 활발히 진행 중에 있다. 따라서 추후 연구를 통하여 MR 감쇠기를 이용한 STMD의제어성능을 실험적으로 검증한다면 구조물의 진동제어에 효과적으로 활용될 수 있는 새로운 하이브리드 제어장치로서 활용될 가능성이 매우 크다고 판단된다. 본 연구에서는 MR-STMD를 제어하기 위하여 변위기반 skyhook 알고리즘을 사용하였는데 MR 감쇠기는 비선형성이 매우 강한 장치로서 보다 효과적인 제어알고리즘을 개발하는 것이 필요하다고 판단된다.
- 5%에 불과한 것을 알 수 있다. 따라서 풍하중에 대한 구조물의 사용성 증가를 목적으로 진동제어를 하고자 한다면 STMD가 TMD의 효과적인 대안이 될 수 있다고 판단된다.
- 본 연구에서는 MR-STMD를 제어하기 위하여 변위기반 skyhook 알고리즘을 사용하였는데 MR 감쇠기는 비선형성이 매우 강한 장치로서 보다 효과적인 제어알고리즘을 개발하는 것이 필요하다고 판단된다. 또한 단자유도 뿐만 아니라 다자유도구조물에 대한 STMD의 제어성능 평가가 추후에 이루어져야 할 것이다.
- 따라서 추후 연구를 통하여 MR 감쇠기를 이용한 STMD의제어성능을 실험적으로 검증한다면 구조물의 진동제어에 효과적으로 활용될 수 있는 새로운 하이브리드 제어장치로서 활용될 가능성이 매우 크다고 판단된다. 본 연구에서는 MR-STMD를 제어하기 위하여 변위기반 skyhook 알고리즘을 사용하였는데 MR 감쇠기는 비선형성이 매우 강한 장치로서 보다 효과적인 제어알고리즘을 개발하는 것이 필요하다고 판단된다. 또한 단자유도 뿐만 아니라 다자유도구조물에 대한 STMD의 제어성능 평가가 추후에 이루어져야 할 것이다.
- 수치해석결과 조화하중에 대한 STMD의 제어성능은 TMD에 비하여 천이상태의 응답은 약 20%, 정상 상태 응답은 약 70% 정도를 줄일 수 있었다. 특히 STMD는 주구조물의 공진대역에서 TMD에 비하여 탁월한 진동저감효과를 나타내므로 공진에 의해서 발생하게 되는 구조물의 과도한 동적응답을 매우 효과적으로 제어할 수 있을 것으로 판단된다. 주구조물의 질량변화에 따른 off-tuning에 의한 제어성능의 변화를 검토해 본 결과 STMD가 TMD보다 제어성능의 견실성이 더욱 뛰어난 것을 확인할 수 있었다.
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