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문제 정의
- 따라서 본 논문에서는 국내의 연구실정 및 건설분야의 요구 측면 등을 고려해 자체기술력에 기반한 준능동 MR감쇠기를 개발하여, 다양한 조건에서의 동하중실험으로부터 개발된 MR감쇠기의 감쇠성능을 확인하고, 준능동형 제어기로써의 타당성을 검증하였다.
- 특히 이러한 MR감쇠기는 설계조건에 따라 그 성능이 상이하며, 크게 외부 인가전류의 세기, 전자석에서 발생되는 자기장의 세기 및 오리피스 구간의 갭(gap) 조건 등은 MR감쇠기의 감쇠성능에 직접적인 영향을 미치는 핵심설계요소이다. 따라서 본 논문에서는 이들 핵심설계요소 중 오리피스 구간의 갭 크기에 대한 영향을 실험적으로 평가하고자 하였으며, 개발된 MR감쇠기의 기본 개념도 다음 Fig. 1과 같다.
- 본 논문에서는 토목구조물의 스마트 제어를 위해 오리피스 갭의 크기를 달리한 두 가지 타입의 준능동 MR 감쇠기를 개발하였고, 오리피스 갭의 크기와 발생 감쇠력의 상관관계를 규명하고자 1차, 2차 동하중 실험을 수행하여 감쇠성능을 정량적으로 평가한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 건설 구조물의 효과적인 진동제어를 목적으로 스마트 제어시스템을 위한 준능동 MR감쇠기를 개발하였다. 특히 이러한 MR감쇠기는 설계조건에 따라 그 성능이 상이하며, 크게 외부 인가전류의 세기, 전자석에서 발생되는 자기장의 세기 및 오리피스 구간의 갭(gap) 조건 등은 MR감쇠기의 감쇠성능에 직접적인 영향을 미치는 핵심설계요소이다.
제안 방법
- 개발된 MR감쇠기의 동하중 실험은 가진기를 이용해 8mm/sec 속도의 1Hz 사인파를 MR감쇠기에 가하였으며, 실험결과는 인가전류 세기 별 발생된 감쇠력을 바탕으로 힘-변위 이력곡선 및 힘-인가전류 관계곡선을 획득.평가하였다.
- 다음으로 본 연구에서는 상기와 같이 힘-변위 이력곡선으로부터 나타난 인가전류에 의한 감쇠력 향상의 효과를 확인하고, 이를 바탕으로 개발된 두 가지 타입의 MR 감쇠기에 대한 최대 발생 감쇠력, 제어 가능한 힘 및 동적범위 등을 산출하고자 0.250A, 0.500A, 1.000A, 1.500A 및 2.0000A까지의 추가 전류셑을 설정하여 2차 동하중 실험을 수행하였다. 이때, 최대발생 감쇠력은 인가 전류 2.
- 5mm)이며, MR유체보충탱크, 메인 실린더 및 자기관 내에는 미국 Lord 사에서 개발한 하이드로카본 타입의 MRF-132DG로채워졌다. 또한 내경이 약 25mm로 제작된 전자석 요크에는 직경 0.6mm의 구리선을 각각 700턴 씩 조밀하게 권선하여 자기장의 형성을 유도하였다. 이렇게제작된 전자석 요크의 오리피스 길이는 약 40mm이며, 이 중 자기장의 영향을 받는 응력 길이(Stress length)는 총 20mm이다.
- 100A의 입력전류(input current) 조건 하에서 1차 동하중 실험을 수행하였고, 이로부터 힘-변위 이력곡선을 획득하였다. 또한, 개발된 MR 감쇠기의 최대 감쇠력, 제어 가능한 힘 및 동적범위를 산출하기위하여 상기 설정된 인가전류셑에 0.250A, 0.500A, 1.000A, 1.500A 및 2.0000A까지의 추가 전류셑을설정하여 2차 동하중 실험을 수행하였고, 이로부터 힘 -인가전류 관계곡선을 획득하였다. 이때 전자석의 자기장을 유도하기 위한 안정적인 전류의 공급은 0~2 Ampere의 출력범위를 갖는 Lord사의 전류공급 장치 (current driver) RD-3002-03을 이용하였으며, 또한 전자석의 자기 포화 및 풀림 현상이 원활한지 판단하기 위하여 전류 인가 on/off 상태에서의 동하중 실험을 반복 수행하였다.
- 2에 보인 오리피스 구간의 갭을 1mm와 2mm로 각각 설정하였으며, 이러한 독립식 전자석 시스템의 설계 시 고려된 사항으로는 전자석 부분이 MR 유체 내에 온전히 위치될 수 있도록 하여 전자석에서 발생하는 자기장의 영향이 MR 유체에만 작용할 수 있도록 하였고, 발생된 자기의 유출을 피하고자 오리피스의 외부 덮개는 비자 성체인 알루미늄을 적용하였다. 또한, 전자석 요크(yoke)는 자기의 포화 및 풀림 작용이 원활하도록 저탄소강 (Low-carbon steel)으로 적용하였다. 이러한 전자석 시스템의 설계조건을 고려해 개발된 준능동 MR 감쇠기의 상세 설계제원은 다음 Table 1과 같다.
- 본 연구에서는 Fig. 2에 보인 오리피스 구간의 갭을 1mm와 2mm로 각각 설정하였으며, 이러한 독립식 전자석 시스템의 설계 시 고려된 사항으로는 전자석 부분이 MR 유체 내에 온전히 위치될 수 있도록 하여 전자석에서 발생하는 자기장의 영향이 MR 유체에만 작용할 수 있도록 하였고, 발생된 자기의 유출을 피하고자 오리피스의 외부 덮개는 비자 성체인 알루미늄을 적용하였다. 또한, 전자석 요크(yoke)는 자기의 포화 및 풀림 작용이 원활하도록 저탄소강 (Low-carbon steel)으로 적용하였다.
- 000A 시의 발생 감쇠력의 비율로써 나타낼 수 있다. 본 연구에서는 이러한 2 차 동하중 실험으로부터 힘-인가전류 관계곡선을 획득하였으며, 이러한 관계곡선은 다음 Fig. 6과 같다.
- 여기서, 본 연구에서 개발된 MR감쇠기는 장치의 전체 길이를 줄이면서 효과적으로 감쇠용량을 조절하고자 Fig. 1과 같이 전자석 시스템 부분을 메인 실린더 부분에서 분리시킨 독립식 전자석 시스템을 채용하였다. 이러한 독립식 전자석 시스템의 채용은 감쇠기의 전체 길이를 조절할 수 있어 교량의 하부 및 구조물의 협소구역에도 효과적으로 설치가 가능할 뿐만 아니라, 독립식 전자석의 실린더 외부에 다중적용으로부터 감쇠용량의 확장에도 유리한 장점이 있다.
- 평가하였다. 여기서, 인가전류 세기에 따른 MR 감쇠기의 감쇠성능에 대한 변화추이를 평가하고자 실내실험의 여건 상 0.000A, 0.025A, 0.050A, 0.075A 및 0.100A의 입력전류(input current) 조건 하에서 1차 동하중 실험을 수행하였고, 이로부터 힘-변위 이력곡선을 획득하였다. 또한, 개발된 MR 감쇠기의 최대 감쇠력, 제어 가능한 힘 및 동적범위를 산출하기위하여 상기 설정된 인가전류셑에 0.
- 0000A까지의 추가 전류셑을설정하여 2차 동하중 실험을 수행하였고, 이로부터 힘 -인가전류 관계곡선을 획득하였다. 이때 전자석의 자기장을 유도하기 위한 안정적인 전류의 공급은 0~2 Ampere의 출력범위를 갖는 Lord사의 전류공급 장치 (current driver) RD-3002-03을 이용하였으며, 또한 전자석의 자기 포화 및 풀림 현상이 원활한지 판단하기 위하여 전류 인가 on/off 상태에서의 동하중 실험을 반복 수행하였다. 마지막으로 가진기로 인가할파형의 종류, 가진 속도 및 정량적인 인가전류 세기의조절(Control)을 위해서 dspace CP-1103을 사용하였다.
- 이러한 독립식 전자석 시스템의 채용은 감쇠기의 전체 길이를 조절할 수 있어 교량의 하부 및 구조물의 협소구역에도 효과적으로 설치가 가능할 뿐만 아니라, 독립식 전자석의 실린더 외부에 다중적용으로부터 감쇠용량의 확장에도 유리한 장점이 있다. 이러한 개념을 도입해 개발된 MR감쇠기는 오리피스 구간의 갭 크기를 달리 설정하여 그 효과를 평가하고자 하였으며, 오리피스 구간의 갭 크기를 1mm로 설정하였을 경우에 대한 전자석 시스템의 상세도는 다음 Fig. 2와 같다.
- 검증.평가하고자 다양한 인가전류 조건을 고려해 동하중 실험을 수행하였다. 동하중 실험은 다음 Fig.
대상 데이터
- 0inch의 가진기(VTS-600)를 이용하였다. 데이터의 획득은 동적 데이터로거인 DRA- 107A를 이용하였으며, 0.01초의 샘플링 주기로 실험데이터를 획득.분석하였다.
- 발생 감쇠력의 측정은 최대 5kN 용량의 인.압축형 Load cell(DBBP-500)을이용하였으며, 발생 변위의 측정은 전체 스트로크 길이가 50mm인 변위계(CDP-50)를 이용하였다.
이론/모형
- 이때 전자석의 자기장을 유도하기 위한 안정적인 전류의 공급은 0~2 Ampere의 출력범위를 갖는 Lord사의 전류공급 장치 (current driver) RD-3002-03을 이용하였으며, 또한 전자석의 자기 포화 및 풀림 현상이 원활한지 판단하기 위하여 전류 인가 on/off 상태에서의 동하중 실험을 반복 수행하였다. 마지막으로 가진기로 인가할파형의 종류, 가진 속도 및 정량적인 인가전류 세기의조절(Control)을 위해서 dspace CP-1103을 사용하였다. 이상의 다양한 실험조건으로부터 획득된 갭 크기별 힘-변위 이력곡선은 다음 Fig.
성능/효과
- 5(b)는 Fig. 5(a)보다 발생 감쇠력의 상승폭이 크게 향상됨을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 본 연구에서 평가하고자 한 오리피스 갭의 크기에 대한 영향으로써, 결국 오리피스 갭의 크기가 작아짐에 따라 MR 유체의 전단항복응력이 증가되고, 이는 동일한 세기의 전류를 인가한 경우 더 큰 효율 즉 향상된 감쇠력을 발생시킬 수 있음을 의미한다.
- Fig. 5(a) 및 (b)로부터 개발된 두 가지 타입의 MR 감쇠기는 모두 인가전류의 세기를 증가시킴에 따라 발생 감쇠력이 함께 상승함을 확인할 수 있다. 이로부터, 본 연구에서 개발된 MR 감쇠기는 인가전류의 세기에 따라 발생 감쇠력을 효과적으로 조절이 가능함을 확인되었다.
- 1) 개발된 두 가지 타입의 MR 감쇠기는 우선, 갭 2mm 의 경우 최소 감쇠력 및 최대 감쇠력이 400N 및 1400N으로 제어 가능한 힘은 약 1000N이고, 이때 산출된 동적범위는 3 정도를 보였다. 이로부터 개발된 2000급 MR 감쇠기는 설계용량을 충분히 만족시키지는 못하였지만, 준능동형 MR 감쇠기로써 활용될 수 있는 가능성을 제시하였다.
- 2) 다음으로, 갭 1mm의 경우 최소 감쇠력 및 최대 감쇠력이 430N 및 4300N으로 제어 가능한 힘은 약 4000N이고, 이때 산출된 동적범위는 10 정도를 보였다. 이로부터 4000N급 MR감쇠기는 설계용량을 충분히 만족시키는 결과를 보였다.
- 3) 이상으로부터 본 논문에서 개발한 두 가지 타입의 MR 감쇠기는 만족할 만한 결과를 보였고, 특히 오리피스 구간의 갭 설정은 발생 감쇠력과 직접적인 상관관계가 있음이 확인 되었으며, 향후 개발된 MR감쇠기에 대하여 인가전류셑 및 코일턴수 등의 추가핵심 설계요소를 효과적으로 고려함으로써 건설구조물의 스마트 제어를 위해 유용하게 활용될 수있는 가능성을 제시하였다.
- Fig. 6과 같이, 인가전류를 최대 2.000A 까지 점진적으로 증가시켜 수행된 2차 동하중 실험의 결과, 두 가지 타입의 MR감쇠기 모두 감쇠력의 상승효과를 명확히 확인할 수 있었다. 여기서, 갭 2mm의 2000N 급 MR감쇠기는 최소 감쇠력이 약 400N 정도이며, 최대 감쇠력은 약 1400N 정도를 보였다.
- 5에서와 동일한 결과를 보임으로써 잔류자기의 영향으로 인한 발생 감쇠력 변화는 나타나지 않음이 확인되었다. 단, 여기서 주의해야 할 점은 이와 같이 오리피스 갭의 크기가 작아짐에 따라 발생 감쇠력이 향상될 지라도, 그 크기가 너무 미소한 경우에는 전자석의 자기가 완전히 풀린 상태임에도 불구하고 MR 유체 내 포함되어 있는 미소 철입자가 오리피스 구간 내에 집중되어 막힘 (plugging)현상을 초래할 수 있고, 결과적으로는 감쇠 장치로서의 기능을 상실할 수도 있다. 따라서 이러한 점을 MR 감쇠기 설계.
- 여기서, Carlson 등은 연구 문헌을 통해 준능동형 MR감쇠기의 동적범위는 1부터 최대 20까지를 제시하고 있으며, 이는 MR유체의 재료적인 요인, MR감쇠기가 적용된 환경적인 요인 그리고, 장치의 구조 등에 의한 기계적 요인들로부터 MR 감쇠기의 동적범위가 20보다 낮게 산출됨을 시사하고 있다. 따라서, 본 논문에서 개발한 두 가지 타입의 MR 감쇠기는 준능동 제어기로서의 타당성을 확인하였다.
- 여기서, 갭 2mm의 2000N 급 MR감쇠기는 최소 감쇠력이 약 400N 정도이며, 최대 감쇠력은 약 1400N 정도를 보였다. 또한, 갭 1mm의 4000급 MR감쇠기는 최소 감쇠력이 약 450N 이고, 최대 감쇠력은 약 4300N 정도를 보였다. 이상의 결과로부터 개발된 감쇠기의 제어 가능한 힘은 갭 2mm의 경우 약 1000N 정도이고, 갭 1mm 의 경우 약 4000N 정도임을 확인하였다.
- 이상의 결과로부터 개발된 감쇠기의 제어 가능한 힘은 갭 2mm의 경우 약 1000N 정도이고, 갭 1mm 의 경우 약 4000N 정도임을 확인하였다. 마지막으로 이들 최대 및 최소 감쇠력의 상대적인 비율을 계산한 결과 갭 2mm의 경우 동적범위가 약 3 정도를 보였으며, 갭 1mm 의 경우에는 동적범위가 약 10정도를 보였다. 여기서 갭 2mm의 경우가 갭 1mm의 경우보다 동적범위가 비교적 낮게 산출된 것은 인가전류셑에 의해 자기장의 세기는 증가하더라도 오리피스 갭이 커짐에 따라 MR유체의 항복전단응력이 감소하여 나타난 결과로 판단된다.
- 이상의 1차 동하중 실험결과로부터 개발된 두 가지 타입의 MR 감쇠기는 모두 인가전류에 의해 그 동적 성능이 좌우됨이 명확히 확인되었고, 또한 오리피스 구간의 갭 설정이 MR 감쇠기의 발생 감쇠력에 직접적으로 관계됨을 알 수 있었다. 마지막으로, 전자석의 원활한 자기 포화 및 풀림현상을 판단하고자 수행된 전류인가셑의 반복적용 실험에서는 Fig. 5에서와 동일한 결과를 보임으로써 잔류자기의 영향으로 인한 발생 감쇠력 변화는 나타나지 않음이 확인되었다. 단, 여기서 주의해야 할 점은 이와 같이 오리피스 갭의 크기가 작아짐에 따라 발생 감쇠력이 향상될 지라도, 그 크기가 너무 미소한 경우에는 전자석의 자기가 완전히 풀린 상태임에도 불구하고 MR 유체 내 포함되어 있는 미소 철입자가 오리피스 구간 내에 집중되어 막힘 (plugging)현상을 초래할 수 있고, 결과적으로는 감쇠 장치로서의 기능을 상실할 수도 있다.
- 본 연구에서 개발된 두 가지 타입의 MR감쇠기는감쇠성능 및 준능동 제어장치로써의 타당성을 검증.평가하고자 다양한 인가전류 조건을 고려해 동하중 실험을 수행하였다.
- 이렇게제작된 전자석 요크의 오리피스 길이는 약 40mm이며, 이 중 자기장의 영향을 받는 응력 길이(Stress length)는 총 20mm이다. 여기서, 오리피스 구간의갭 크기의 설정을 달리한 결과로부터 전자석의 내경이 76mm와 78mm로 설계되었음을 확인할 수 있다. 이상의 제원으로부터 개발된 준능동 MR 감쇠기는 다음 Fig.
- 5(a)보다 발생 감쇠력의 상승폭이 크게 향상됨을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 본 연구에서 평가하고자 한 오리피스 갭의 크기에 대한 영향으로써, 결국 오리피스 갭의 크기가 작아짐에 따라 MR 유체의 전단항복응력이 증가되고, 이는 동일한 세기의 전류를 인가한 경우 더 큰 효율 즉 향상된 감쇠력을 발생시킬 수 있음을 의미한다. 이상의 1차 동하중 실험결과로부터 개발된 두 가지 타입의 MR 감쇠기는 모두 인가전류에 의해 그 동적 성능이 좌우됨이 명확히 확인되었고, 또한 오리피스 구간의 갭 설정이 MR 감쇠기의 발생 감쇠력에 직접적으로 관계됨을 알 수 있었다.
- 이로부터 개발된 2000급 MR 감쇠기는 설계용량을 충분히 만족시키지는 못하였지만, 준능동형 MR 감쇠기로써 활용될 수 있는 가능성을 제시하였다.
- 5(a) 및 (b)로부터 개발된 두 가지 타입의 MR 감쇠기는 모두 인가전류의 세기를 증가시킴에 따라 발생 감쇠력이 함께 상승함을 확인할 수 있다. 이로부터, 본 연구에서 개발된 MR 감쇠기는 인가전류의 세기에 따라 발생 감쇠력을 효과적으로 조절이 가능함을 확인되었다. 이때, Fig.
- 이러한 결과는 본 연구에서 평가하고자 한 오리피스 갭의 크기에 대한 영향으로써, 결국 오리피스 갭의 크기가 작아짐에 따라 MR 유체의 전단항복응력이 증가되고, 이는 동일한 세기의 전류를 인가한 경우 더 큰 효율 즉 향상된 감쇠력을 발생시킬 수 있음을 의미한다. 이상의 1차 동하중 실험결과로부터 개발된 두 가지 타입의 MR 감쇠기는 모두 인가전류에 의해 그 동적 성능이 좌우됨이 명확히 확인되었고, 또한 오리피스 구간의 갭 설정이 MR 감쇠기의 발생 감쇠력에 직접적으로 관계됨을 알 수 있었다. 마지막으로, 전자석의 원활한 자기 포화 및 풀림현상을 판단하고자 수행된 전류인가셑의 반복적용 실험에서는 Fig.
- 또한, 갭 1mm의 4000급 MR감쇠기는 최소 감쇠력이 약 450N 이고, 최대 감쇠력은 약 4300N 정도를 보였다. 이상의 결과로부터 개발된 감쇠기의 제어 가능한 힘은 갭 2mm의 경우 약 1000N 정도이고, 갭 1mm 의 경우 약 4000N 정도임을 확인하였다. 마지막으로 이들 최대 및 최소 감쇠력의 상대적인 비율을 계산한 결과 갭 2mm의 경우 동적범위가 약 3 정도를 보였으며, 갭 1mm 의 경우에는 동적범위가 약 10정도를 보였다.
후속연구
- 향후 연구 과제로는 다양한 입력하중을 바탕으로 감쇠기의 성능을 객관적으로 평가하고, 또한 적합한 동적모델 및 제어알고리즘을 개발하여 본 논문에서 개발된 MR감쇠기를 구조물의 진동제어에 적용할 수 있도록 단계적인 연구를 수행할 계획이다.
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