[논문]MR 엘라스토머를 이용한 기초격리 시스템에 대한 타당성 연구

장동두; 무하마드 우스만; 성승훈; 문영종; 정형조

MR 엘라스토머를 이용한 기초격리 시스템에 대한 타당성 연구
Feasibility Study of MR Elastomer-based Base Isolation System 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.21 no.6, 2008년, pp.597 - 605

장동두 (KAIST 건설 및 환경공학과) , 무하마드 우스만 (KAIST 건설 및 환경공학과) , 성승훈 (KAIST 건설 및 환경공학과) , 문영종 (삼성건설 기술연구소) , 정형조 (KAIST 건설 및 환경공학과)

초록
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본 논문에서는 지진으로부터 구조물을 효과적으로 보호하기 위하여 MR 엘라스토머(MRE)를 이용한 새로운 형태의 스마트 기초격리 시스템을 제안하고, 이에 대한 내진성능을 파악하였다. MRE는 자성물질을 포함한 실리콘 혹은 고무로써 자기장에 의해 강성이 변하는 스마트 재료이다. 기초격리 시스템은 토목 및 건축분야에서 구조물의 내진성능 향상을 위해 가장 널리 쓰이는 장치로 지반과 구조물을 격리시켜 구조물에 가해지는 입력 하중을 감소시켜주는 장치이다. 기존 수동형태의 기초격리 장치는 다양한 입력하중에 대한 적응성이 부족하고 기초격리 장치에서의 과도한 변위 등의 단점이 있는 반면, 새로 제안한 시스템은 제어 가능한 강성범위가 넓어 이를 개선할 수 있다. MRE를 이용한 기초격리 장치의 성능을 확인하기 위하여 기초격리 장치를 도입한 단층 및 5층의 건물에 대해 다양한 역사지진 하중을 이용하여 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과, 제안된 시스템은 기존 수동형태의 시스템에 비해 구조물의 응답 및 기초격리장치의 변위를 감소시키는 데 탁월한 효과가 있음을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The feasibility study of a newly proposed smart base isolation system employing magneto-rheological elastomers(MREs) has been carried out. MREs belong to a class of smart materials whose elastic modulus or stiffness can be adjusted by varying the magnitude of the magnetic field. The base isolation systems are considered as one of the most effective devices for vibration mitigation of civil engineering structures such as bridges and buildings in the event of earthquakes. The proposed base isolation system strives to enhance the performance of the conventional base isolation system by improving the robustness of the system wide stiffness range controllable of MREs, which improves the adaptability and helps in better vibration control. To validate the effectiveness of the MRE-based isolation system, an extensive numerical simulation study has been performed using both single-story and five-story building structures employing base isolated devices under several historical earthquake excitations. The results show that the proposed system outperformed the conventional system in reducing the responses of the structure in all the seismic excitations considered in the study.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 MRE를 이용한 새로운 형태의 기초격리 장치에 대한 타당성을 수치적으로 확인하고자 한다. 이를 우〕해, Gandhi and Anusonti~Inthra(2003) °] 제안한 가변깅성장치의 동적모델을 MRE의 동적모델로 활용하여 다양한 수치해석을 수행하였다.
MRE는 강성을 변화시킬 수 있는 스마트 재료로서 새로운 개념의 기초격리 장치를 가능하게 한다. 본 연구에서는 MRE를 이용한 기초격리 징치의 내진 성능을 다양한 역사지진 하중을 활용한 수치해석을 통해 검증하였다. MRE의 수학적 모델은 기존연구(Gandhi and Anusonti-Inthra, 2003)의 모델을 활용하였으며, 2자 유도 및 6자유도 구조물 모델에 대해 수치해석을 수행하였다.
본 연구에서는 구조물의 내진성능을 향상하기 위하여 기존의 수동형태의 기초격리 징치를 개선한 MRE를 이용한 기초격리 장치를 제안하였다. MRE는 강성을 변화시킬 수 있는 스마트 재료로서 새로운 개념의 기초격리 장치를 가능하게 한다.

가설 설정

여기에서 A負)는 MRE의 기본강성으로 본 연구에서는 kb 와 같은 값으로 가정하였다. 総i(a(t))는 입력 전류 u(t)에 따라 가변되는 강성값이다.

제안 방법

6자유도 구조물 모델을 대상으로 MRE를 이용한 기초격리 시스템의 성능을 기존 수동형태의 기초격리 시스템과 비교하여 평가하였다. 그림 16~그림 19는 각 층 레벨에 서의 층간 변위와 절대가속도의 최대값을 보여준다.
MRE를 이용한 기초격리장치의 내진성능을 확인하기 위한 가진 하중으로 다음의 5가지 지반가속도를 이용하였다. 먼저 White noise 지반가속도에 대해 최적의 가중치 값들을 구하고 다음으로 4종류의 역사지진을 이용하여 내진성능을 검증하였다.
White noise에 대한 해석을 통해 얻어진 가중치 값들을 이용하여 다양한 주파수의 조화하중에 대해 MRE 를 이용한 기초격리 시스템의 지반가속도 주파수에 대한 제진 특성을 확인하였다. 그림 10에서 확인할 수 있듯이 지반가속도가 일정한 주파수의 조화하중으로 가해질 경우, 기초격리 장치의 변위는 전 주파수에 대해 감소하지만, 구조물의 상대 변위나 가속도는 0.
먼저 White noise 지반가속도에 대해 최적의 가중치 값들을 구하고 다음으로 4종류의 역사지진을 이용하여 내진성능을 검증하였다.
먼저 White noise를 이용하여 최적의 가중치 값들을 산정하였다. 그 결과, 그림 9에서 볼 수 있듯이 White Noise 가진 시 MRE를 이용한 기초격리 시스템은 기존 수동 형태에 비해 기초격리 장치의 변위는 36%, 구조물의 상대변위는 54%, 구조물의 가속도는 44%로 감소시켰다.
본 논문에서 MRE는 제어가능한 반능동 장치로 고려하였다. 다시 말해 외부 입력 전류를 통해 자성을 변화시켜 MRE 내부에 있는 자성입자들의 재배열을 통해 강성을 변화시킬 수 있는 장치이다.
대한 타당성을 수치적으로 확인하고자 한다. 이를 우〕해, Gandhi and Anusonti~Inthra(2003) °] 제안한 가변깅성장치의 동적모델을 MRE의 동적모델로 활용하여 다양한 수치해석을 수행하였다. 입력 하중은 대표적인 4개의 역사지진 (El Centro, Hachinohe, Kobe, Northridge지진)이며, 대상 구조물은 단층 및 5층의 건물이다.
3초이고 감쇠비는 2%이다. 이를 이용하여 5층 구조물을 구조물의 전 질량과 1차 모드의 동특성을 갖는 단층 구조물로 모델링하여 기본 1차 모드만의 영향을 파악하고자 하였다. 2자유도(구조물 1자유도, 기초격리 장치 1자 유도) 구조모델은 그림 2와 같으며 구조 특성은 표 2와 같다.

대상 데이터

대상구조물은 앞에서 모델링한 2자유도 및 6자유도 구조물 모델을 대상으로 하였다.
본 논문에서는 Kelly 등(1987)에서 주어진 5층짜리 건물을 그림 3과 같은 6자유도(구조물 5자유도, 기초격리 장치 1자유도) 전단 건물로 모델링하였다. 각 층의 구조물 물성치는 표 1과 같다.
이를 우〕해, Gandhi and Anusonti~Inthra(2003) °] 제안한 가변깅성장치의 동적모델을 MRE의 동적모델로 활용하여 다양한 수치해석을 수행하였다. 입력 하중은 대표적인 4개의 역사지진 (El Centro, Hachinohe, Kobe, Northridge지진)이며, 대상 구조물은 단층 및 5층의 건물이다.

데이터처리

MRE를 이용한 기초격리 시스템의 내진성능을 검증하기 위하여 MATLAB을 이용하여 수치해석을 수행하였다. 대상구조물은 앞에서 모델링한 2자유도 및 6자유도 구조물 모델을 대상으로 하였다.

이론/모형

본 연구에서는 MRE를 이용한 기초격리 징치의 내진 성능을 다양한 역사지진 하중을 활용한 수치해석을 통해 검증하였다. MRE의 수학적 모델은 기존연구(Gandhi and Anusonti-Inthra, 2003)의 모델을 활용하였으며, 2자 유도 및 6자유도 구조물 모델에 대해 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과, MRE를 이용한 기초격리 장치는 기존의 수동형태의 기초격리 장치에 비해 구조물의 응답 뿐 아니라 기초격리 장치의 변위까지 탁월하게 감소시킬 수 있음을 확인하였다.
본 논문에서 사용한 제어 알고리즘은 가장 일반적인 최적제어 설계기법인 LQR(Linear Quadratic Regulator) 제어기법이다(Soong, 1990). 다음 식 ⑻과 같이 주어진 상태 공간 방정식을 고려하자.

성능/효과

입력 지진하중에 따라 15%에서 최대 40% 이상 기초격리장치의 변형을 감소시킴을 알 수 있다. 2자 유도 구조물 모델의 경우와 마찬가지로, Kobe지진에 대해서는 다른 지진에 비해서 MRE의 제어성능이 상대적으로 떨어지는 것으로 나타났다. 그 이유는 2자유도 모델의 경우와 마찬가지로, 개별 지진하중의 탁월주파수 범위의 차이와 제어 알고리즘에서 최적 가중치 값의 차이에서 연유하는 것으로 보인다.
2자유도 모델과 6자유도 모델의 해석 결과를 비교해보면, 먼저 기초변위(즉 기초격리장치의 변형)값이 모든 입력 하중에 대해서 유사하게 나왔고, 이를 통해 제어 설계의 초기 단계에는 단순한 모델을 사용해도 별 문제가 없음을 확인하였다. 또한, 그림 15와 20을 통해 알 수 있듯이, 전체적인 제진 성능의 경향도 모델과 상관없이 유사하게 나타났다.
그 결과, 그림 9에서 볼 수 있듯이 White Noise 가진 시 MRE를 이용한 기초격리 시스템은 기존 수동 형태에 비해 기초격리 장치의 변위는 36%, 구조물의 상대변위는 54%, 구조물의 가속도는 44%로 감소시켰다.
그림 15에서는 구조물의 응답의 최대값을 수동형 기초격리 장치의 경우로 정규화하여 결과를 도시하였다. 그림에서 알 수 있듯이, 모든 경우에 대해서 수동 형태보다 성능이 우수했으며, 특히 구조물의 가속도와 기초 변위가 응답 감소가 구조물의 변위의 응답 감소보다 전체적으로 크게 나타났다. 또한, Hachnohe 지진의 경우가 MRE-기반 기초격리 시스템의 성능이 가장 우수했으며 (69%~59% 감소).
그림 16~그림 19는 각 층 레벨에 서의 층간 변위와 절대가속도의 최대값을 보여준다. 그림에서 확인할 수 있듯이, MRE를 이용한 기초격리 시스템이 기존 수동형태의 시스템에 비해 다양한 지진하중 입력 하에서 구조물의 응답을 감소시키는데 탁월하였다. 또한, 층가속도가 모든 층에 걸쳐 일정하게 작은 값을 유지하고 있고, 층간 변위도 1 ~3mm범위에서 층 별로 큰 차이가 나지 않은 것으로 보아 기초격리 시스템이 적절하게 설계된 것으로 보여진다.
수치해석 결과, MRE를 이용한 기초격리 장치는 기존의 수동형태의 기초격리 장치에 비해 구조물의 응답 뿐 아니라 기초격리 장치의 변위까지 탁월하게 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 다양한 역사지진 하중에 대해 고른 내진 성능을 보여줌으로써 강인성을 가지고 있음을 보여주었다.
감소시키는데 탁월하였다. 또한 동시에 기초격리 장치의 변위도 크게 감소시키고 있음을 확인하였다. 그림 15에서는 구조물의 응답의 최대값을 수동형 기초격리 장치의 경우로 정규화하여 결과를 도시하였다.
그림에서 알 수 있듯이, 모든 경우에 대해서 수동 형태보다 성능이 우수했으며, 특히 구조물의 가속도와 기초 변위가 응답 감소가 구조물의 변위의 응답 감소보다 전체적으로 크게 나타났다. 또한, Hachnohe 지진의 경우가 MRE-기반 기초격리 시스템의 성능이 가장 우수했으며 (69%~59% 감소). 반면에 Kobe 지진의 경우가 상대적으로 응답 감소가 가장 적었다(25%~13% 감소).
그림에서 확인할 수 있듯이, MRE를 이용한 기초격리 시스템이 기존 수동형태의 시스템에 비해 다양한 지진하중 입력 하에서 구조물의 응답을 감소시키는데 탁월하였다. 또한, 층가속도가 모든 층에 걸쳐 일정하게 작은 값을 유지하고 있고, 층간 변위도 1 ~3mm범위에서 층 별로 큰 차이가 나지 않은 것으로 보아 기초격리 시스템이 적절하게 설계된 것으로 보여진다. El Centro 및 Kobe지진의 경우보다 Hachinohe 및 Northridge지진에서 MRE 시스템의 성능의 우수성이 보다 분명하게 나타나고 있다.
MRE의 수학적 모델은 기존연구(Gandhi and Anusonti-Inthra, 2003)의 모델을 활용하였으며, 2자 유도 및 6자유도 구조물 모델에 대해 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과, MRE를 이용한 기초격리 장치는 기존의 수동형태의 기초격리 장치에 비해 구조물의 응답 뿐 아니라 기초격리 장치의 변위까지 탁월하게 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 또한 다양한 역사지진 하중에 대해 고른 내진 성능을 보여줌으로써 강인성을 가지고 있음을 보여주었다.
또한, 그림 15와 20을 통해 알 수 있듯이, 전체적인 제진 성능의 경향도 모델과 상관없이 유사하게 나타났다. 즉, 2자유도 모델과 마찬가지로 6자유도 모델에서도 MRE 시스템은 기초격리 장치의 변형을 추가적으로 감소시켜 줌과 동시에 층간 변위와 층 가속도와 같은 구조물의 응답을 감소시킴을 확인하였다.

후속연구

MRE를 이용한 기초격리장치의 실제 적용성을 확인하기 위하여 MRE 재료에 대한 특성실험 및 수치해석을 통한 정확한 수학적 모델링이 필요하며 또한 이를 활용한 수치해석 및 실제 MRE 재료를 이용한 실험적 연구가 필요하다. 이에 대한 추가적인 연구를 현재 진행 중에 있다.
4Hz 근처에서 이루어져 있고 반면에 Kobe지진의 가장 주된 주파수성분은 1Hz이상에서 존재하기 때문으로 보인다. 또한 본 수치해석에서 사용한 가중치값들은 각각의 역사 지진하중에 대해서는 최적이 아닌 영향으로 판단되며, 만약 개별하중에 대해서 가중치값을 최적화시킨다면 보다 우수한 제진성능을 얻을 수 있을 것이다. 하지만, 실제로는 대상 구조물에 가해질 외부 하중을 미리 알 수 없으므로 임의의 White noise를 이용하여 가중치값을 결정하는 것이 타당하다.
이에 대한 추가적인 연구를 현재 진행 중에 있다. 또한, 제안 시스템의 타당성을 좀 더 분명하게 검증하기 위해서는 일반 탄성 받침 (rubber bearing) 보다 성능이 우수한 LRB 또는 FPS 와의 성능 비교도 수행되어야 한다.

참고문헌 (20)

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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