[논문]진동대실험에 의한 동조액체기둥감쇠기의 동적특성

민경원; 박은천

doi:10.5050/ksnvn.2009.19.6.620

진동대실험에 의한 동조액체기둥감쇠기의 동적특성
Dynamic Characteristics of Tuned Liquid Column Dampers Using Shaking Table Test 원문보기

한국소음진동공학회논문집 = Transactions of the Korean society for noise and vibration engineering, v.19 no.6 = no.147, 2009년, pp.620 - 627

민경원 (단국대학교 건축공학과) , 박은천 (단국대학교 건축공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

Shaking table test was carried out to obtain dynamic characteristics of TLCDs with uniform and non-uniform sections for both horizontal and vertical tubes. The input to the table is harmonic acceleration with constant magnitude. The output is horizontal dynamic force which is measured by load cell installed below the TLCD. Transfer functions are experimentally obtained using the ratio of input and output. Natural frequency, the most important design factor, is compared to that by theoretical equation for TLCDs with five different water levels. System identification process is performed for experimentally obtained transfer functions to find the dynamic characteristics of head loss coefficient and effective mass of TLCDs. It is found that their magnitudes are larger for a TLCD with non-uniform section than with uniform section and natural frequencies are close to theoretical ones.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.

문제 정의

유효질량은 물 전체질량과는 달리 수평관에서 운동하는 질량으로 횡응답을 제어하는데 효과적이다. 수두손실계수는 수평관의 오리피스(orifice)로 인하여 나타나는데 이 실험에서는 오리피스 없이 물과 관의 마찰 및 수직관과 수평관의 직각 연결부에서의 물의 불규칙 흐름으로 인한 영향을 알아보기 위하여 실험에 의하여 특성을 파악하였다. TLCD의 감쇠상수항은 물의 속도에 관계된 비선형 특성을 가지고 있으나 등가선형감쇠로 치환하였다^(6,10).
이 연구의 목적은 TLCD자체의 동적특성을 실험적으로 파악하고 해석적인 전달함수식을 유도한 다음, 실험으로 구한 전달함수와의 비교를 통한 시스템 식별과정을 거쳐 주요변수의 특성을 구하여 기존의 이론값과 비교분석 하는 것이다. 이 논문에서는 TLCD의 동특성을 파악하기 위하여 진동대 위에 TLCD를 설치하여 가진을 하였다. 진동대 입력 크기인 가속도를 일정하게 유지하면서 입력주파수만 점진적으로 증가시키는 조화가진을 TLCD에 하였다.
이러한 점에서 TLCD는 물이 차 있는 관의 길이와 수직관과 수평관의 단면적 비로 고유주파수를 설계할 수 있는 다양성이 있다. 이 논문에서는 단면적 비가 일정한 것과 다른 것을 제작하여 물 높이를 변화시켜 진동대 실험을 수행하였다. Hitchcock의 연구에서도 자유진동 실험을 수행하여 고유주파수 분석을 한 바 있다^(4,5).
이 연구의 목적은 TLCD자체의 동적특성을 실험적으로 파악하고 해석적인 전달함수식을 유도한 다음, 실험으로 구한 전달함수와의 비교를 통한 시스템 식별과정을 거쳐 주요변수의 특성을 구하여 기존의 이론값과 비교분석 하는 것이다. 이 논문에서는 TLCD의 동특성을 파악하기 위하여 진동대 위에 TLCD를 설치하여 가진을 하였다.
이후 여러 연구자들에 의해 TLCD 관련연구가 수행되어 왔다^(6~11). 이들 연구는 건물의 최적 진동 제어 성능에 관한 수치해석적인 연구를 다루고 있다. 실험적인 연구도 진동제어성능의 검증에 머물러 있어 실험결과에 근거한 TLCD의 동적특성에 대한 정량적 평가는 이루어지지 않았다.

가설 설정

고유주파수는 이론식과 큰 차이가 없는 것으로 나타났다. 감쇠상수를 선형점성감쇠상수로 가정하고 실험으로 구한 전달함수를 시스템 식별을 하여 수두손실계수를 구하였다. 유효길이가 증가할수록 수두손실계수가 감소하는 경향을 보이나 차이는 크지 않았다.
물과 관과의 마찰, 수직관과 수평관이 꺾이는 엘보우(elbow)에서 불규칙한 물 흐름 등으로 인하여 나타나는 현상이다. 이 논문에서는 식 (6)에 있는 감쇠상수를 선형점성감쇠상수 l c 로 가정하고 실험으로 구한 전달함수를 시스템 식별을 하여 구하였다. 수두손실계수는 식 (5)를 이용하여 유도하였다.

제안 방법

진동대 입력 크기인 가속도를 일정하게 유지하면서 입력주파수만 점진적으로 증가시키는 조화가진을 TLCD에 하였다. TLCD 하부에 전단형 로드셀을 설치하여 출력인 동하중을 계측하였다. 출력 대 입력의 비인 전달함수를 입력주파수 별로 구하여 시스템 식별 작업을 수행하였다.
수두손실계수는 수평관의 오리피스(orifice)로 인하여 나타나는데 이 실험에서는 오리피스 없이 물과 관의 마찰 및 수직관과 수평관의 직각 연결부에서의 물의 불규칙 흐름으로 인한 영향을 알아보기 위하여 실험에 의하여 특성을 파악하였다. TLCD의 감쇠상수항은 물의 속도에 관계된 비선형 특성을 가지고 있으나 등가선형감쇠로 치환하였다^(6,10). 파고계(wave height meter)로 수위를 계측하여 등가선형감쇠상수를 유도하고 수두손실계수를 구하였다.
TLCD의 고유주파수는 전달함수의 최대값이 나타나는 곳으로 알아내어 이론식인 식 (3)에서 구한 고유주파수와 비교하였다. Fig.
TLCD의 동적특성 파악하기 위하여 지그 상부에 설치된 실험체를 일축 진동대에 의해 가진하였다. 그리고, 전단형 로드셀을 진동대와 TLCD 사이에 부착하였으며, 진동대의 동적특성을 모니터하기 위해 가속도 센서를 진동대에 부착하였다.
이 연구의 목적은 TLCD자체의 동적특성을 실험적으로 파악하고 해석적인 전달함수식을 유도한 다음, 실험으로 구한 전달함수와의 비교를 통한 시스템 식별과정을 거쳐 주요변수의 특성을 구하여 기존의 이론값과 비교분석 하는 것이다. 이 논문에서는 TLCD의 동특성을 파악하기 위하여 진동대 위에 TLCD를 설치하여 가진을 하였다. 진동대 입력 크기인 가속도를 일정하게 유지하면서 입력주파수만 점진적으로 증가시키는 조화가진을 TLCD에 하였다.
3과 같이 TLCD는 투명 아크릴로 제작하였으며 진동대 사이에 설치판인 지그(jig)와 힘을 계측하는 로드셀이 있다. TLCD의 주요 설계변수인 고유주파수, 수두손실계수 및 유효질량을 정량적으로 평가하기 위하여 진동대와 TLCD 사이에 전단형 로드셀을 설치하였다. TLCD 운동에 의한 수평 방향의 힘이 계측된다.
진동대 입력 크기인 가속도를 일정하게 유지하면서 입력주파수만 점진적으로 증가시키는 조화가진을 TLCD에 하였다. TLCD하부에 전단형 로드셀(shear type load cell)을 설치하여 출력인 동하중을 계측하였다. 출력 대 입력의 비인 전달함수를 입력주파수 별로 구하여 시스템 식별 작업을 수행하였다.
TLCD 운동에 의한 수평 방향의 힘이 계측된다. 가속도계가 진동대에 설치되어 입력가속도를 계측하였다. 수직관에 파고계를 설치하여 물의 수위를 측정하였다.
TLCD의 동적특성 파악하기 위하여 지그 상부에 설치된 실험체를 일축 진동대에 의해 가진하였다. 그리고, 전단형 로드셀을 진동대와 TLCD 사이에 부착하였으며, 진동대의 동적특성을 모니터하기 위해 가속도 센서를 진동대에 부착하였다. 데이터 수집과 디지털 제어는 실시간 디지털 신호 처리기(DSP)를 통해 수행되었다.
진동수를 변화시키면서 일정한 크기의 가속도를 가지는 조화하중신호로 진동대를 가진하여 진동대 가속도와 TLCD에 의한 제어력을 계측하였다. 물높이를 5가지, 즉 128 mm부터 170 mm까지 변화시켜 TLCD의 특성을 분석하였다. 높이변화를 Table 1과 같이 식 (2)의 유효길이로 변환하여 나타내었다.
가속도계가 진동대에 설치되어 입력가속도를 계측하였다. 수직관에 파고계를 설치하여 물의 수위를 측정하였다.
이 논문에서는 수직관 및 수평관의 단면적 비가 일정한 TLCD와 다른 TLCD를 제작하여 물높이를 변화시켜가며 진동대 실험을 수행하였다. TLCD의 동특성을 파악하기 위하여 진동대 위에 TLCD를 설치하여 가진을 하였다.
이 연구에서는 식 (6)과 같은 해석적인 전달함수를 이용하여 LCVA의 동적특성을 정량적으로 평가하였다. 식 (6)을 이용하여 시스템식별을 수행하기 위해서, 수조 내부 물의 전체질량 m_l과 추가적인 질량 m_a는 측정값을 이용하였으며 ω_l은 실험적인 전달함수로부터 구한 피크점에서의 진동수를 사용하였다.
수직관의 물의 질량은 중력가속도에 의하여 복원운동을 하며 수평관의 물의 질량은 수평진동으로 건물에 동조시켜 제어력에 참여하나 일부가 식 (4)에서 유효질량인 m_e로 참여하여 제어력을 발휘한다. 전달함수의 식별과정을 통해 유효질량을 구하였다. Fig.
출력 대 입력의 비인 전달함수를 입력주파수 별로 구하여 시스템 식별 작업을 수행하였다. 중요한 동특성인 고유주파수, 수두손실계수와 유효질량을 구하여 분석하였다. 유효질량은 물 전체질량과는 달리 수평관에서 운동하는 질량으로 횡응답을 제어하는데 효과적이다.
이 논문에서는 TLCD의 동특성을 파악하기 위하여 진동대 위에 TLCD를 설치하여 가진을 하였다. 진동대 입력 크기인 가속도를 일정하게 유지하면서 입력주파수만 점진적으로 증가시키는 조화가진을 TLCD에 하였다. TLCD하부에 전단형 로드셀(shear type load cell)을 설치하여 출력인 동하중을 계측하였다.
2와 같이 수직관 및 수평관의 단면이 동일한 TLCD와 다른 TLCD를 제작하였다. 진동대의 성능 등을 고려하여 TLCD의 크기를 정하였다. Fig.
진동수를 변화시키면서 일정한 크기의 가속도를 가지는 조화하중신호로 진동대를 가진하여 진동대 가속도와 TLCD에 의한 제어력을 계측하였다. 물높이를 5가지, 즉 128 mm부터 170 mm까지 변화시켜 TLCD의 특성을 분석하였다.
TLCD하부에 전단형 로드셀(shear type load cell)을 설치하여 출력인 동하중을 계측하였다. 출력 대 입력의 비인 전달함수를 입력주파수 별로 구하여 시스템 식별 작업을 수행하였다. 중요한 동특성인 고유주파수, 수두손실계수와 유효질량을 구하여 분석하였다.
TLCD의 감쇠상수항은 물의 속도에 관계된 비선형 특성을 가지고 있으나 등가선형감쇠로 치환하였다^(6,10). 파고계(wave height meter)로 수위를 계측하여 등가선형감쇠상수를 유도하고 수두손실계수를 구하였다.

대상 데이터

)와 같은 수동형 감쇠기가 지진 및 바람과 같은 동적하중에 대한 구조적 안전성을 확보와 사용성 증대를 목적으로 개발되어왔다. TMD와 TLCD가 실제 건물에 적용되었으며 제어성능도 입증되었다^(1,2). 질량체, 감쇠 및 스프링으로 구성된 TMD는 스프링의 강성을 조절하여 건물의 고유주파수에 동조시킴으로써 동적응답을 감소시키기 때문에, 동조가 용이하고 설치공간이 적게 소요된다는 장점을 가지고 있으나 질량체, 감쇠 및 스프링 시스템을 유지하기 위한 관리가 필요하다.
데이터 수집 보드는 측정된 가속도 및 로드셀 데이터를 측정하여 아날로그-디지털 변환하는 기능과 디지털-아날로그 변환하는 기능을 수행한다. 데이터 수집은 25 Hz 저주파수 통과 필터를 통과한 AD/DA보드인 NI PCI-6052E로 수집되는 시스템으로 이루어졌다. 모든 계측 및 가진은 Matlab Simulink의 real-time windows target으로 수행되었다^(12~14).

데이터처리

이러한 최적화 문제는 최소자승법(least square method)에 기반한 Matlab의 내장함수 ‘fmincon’을 사용하여 구성할 수 있으며, 식별결과를 Fig. 4 및 5에 나타내어 계측한 값과 비교하였다.

이론/모형

데이터 수집은 25 Hz 저주파수 통과 필터를 통과한 AD/DA보드인 NI PCI-6052E로 수집되는 시스템으로 이루어졌다. 모든 계측 및 가진은 Matlab Simulink의 real-time windows target으로 수행되었다^(12~14).

성능/효과

4 및 5에 나타내어 계측한 값과 비교하였다. 두 결과가 매우 잘 일치하는 것으로부터, 식 (6)으로 표현된 해석적인 전달함수로 TLCD 실험체의 실제적인 동적거동을 정확하게 예측할 수 있다는 것을 알 수 있다.
수직관과 수평관의 단면적 비가 각각 0.41 및 1.0인 두 종류의 TLCD에 대해서 실험을 수행하여, 유효질량과 관계된 TLCD의 설계파라미터가 기존의 이론값과 오차가 큰 것으로 나타났다. 추후 연구로서 여러 단면적 비를 가지는 TLCD에 대한 실험을 수행하여 실험식을 제시하고, 건물의 진동제어성능에 미치는 영향을 평가할 필요가 있다.
9는 유효길이에 따른 각각의 유효질량을 나타낸다. 이 연구에 사용된 non-uniform과 uniform TLCD의 이론적인 유효질량은 각각 2.0 kg과 2.5 kg이지만, 두 경우 모두 이론값을 상회하는 것으로 나타났다. 유효길이가 증가할수록 유효질량은 감소하는 경향을 보인다.
유효길이가 증가할수록 유효질량은 감소하는 경향을 보인다. 이 연구에서는 물의 수위를 증가시켜 유효길이를 증가시켰으며, 물의 수위에 비례하여 수직관의 물에 의한 복원력이 증가하여 제어력에 참여하는 유효질량을 감소시키는 것으로 판단된다.

후속연구

0인 두 종류의 TLCD에 대해서 실험을 수행하여, 유효질량과 관계된 TLCD의 설계파라미터가 기존의 이론값과 오차가 큰 것으로 나타났다. 추후 연구로서 여러 단면적 비를 가지는 TLCD에 대한 실험을 수행하여 실험식을 제시하고, 건물의 진동제어성능에 미치는 영향을 평가할 필요가 있다. 또한 TLCD의 감쇠항이 응답의 속도에 관계된 비선형 특성을 나타내기 때문에 입력크기 변화에 따른 영향분석이 요구된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TMD의 장점은?	TMD와 TLCD가 실제 건물에 적용되었으며 제어성능도 입증되었다(1,2). 질량체, 감쇠 및 스프링으로 구성된 TMD는 스프링의 강성을 조절하여 건물의 고유주파수에 동조시킴으로써 동적응답을 감소시키기 때문에, 동조가 용이하고 설치공간이 적게 소요된다는 장점을 가지고 있으나 질량체, 감쇠 및 스프링 시스템을 유지하기 위한 관리가 필요하다. 대표적인 액체형 감쇠기의 하나인 U형태의 TLCD는 수직관 및 수평관의 기하학적 크기 및 내부 물의 수위를 조절하여 건물의 고유주파수에 동조시킨다.
	수동형 감쇠기의 개발목적은?	) 및 동조액체기둥감쇠기(tuned liquid column damper, 이하 TLCD라 칭함.)와 같은 수동형 감쇠기가 지진 및 바람과 같은 동적하중에 대한 구조적 안전성을 확보와 사용성 증대를 목적으로 개발되어왔다. TMD와 TLCD가 실제 건물에 적용되었으며 제어성능도 입증되었다(1,2).
	TLCD의 장점은?	대표적인 액체형 감쇠기의 하나인 U형태의 TLCD는 수직관 및 수평관의 기하학적 크기 및 내부 물의 수위를 조절하여 건물의 고유주파수에 동조시킨다. 따라서, 설치 및 유지관리가 용이하고 감쇠기를 위한 추가적인 설비가 필요 없이 옥상층의 고가수조를 직접 액체형 댐퍼로 활용할 수 있다는 장점이 있다. TLCD는 일반적으로 수평관과 수직관의 단면이 동일한 감쇠기를 칭한다(3).

참고문헌 (14)

Soong, T. T. and Dargush, G. F., 1997, “Passive Energy Dissipation Systems in Structural Engineering,” John Wiley & Sons
Heo, J. S., Park, E. C., Lee, S. H., Lee, S. K., Kim, H. J., Cho, B. H., Jo, J. S., Kim, D. Y. and Min, K. W., 2008, “A Tuned Liquid Mass Damper(TLMD) for Controlling Bi-directional Responses of a Building Structure,” Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Vol. 18, No. 3, pp. 345-355

원문보기 상세보기
Sakai, F., Takaeda, S. and Tamaki, T., 1989, “Tunes Liquid Column Damper-new Type Device for Suppression of Building Vibration,” Proc. International Conference on High-rise Building, pp. 926-931
Hitchcock, P. A., Kwok, K. C. S., Watkins, R. and Samali, D. B., 1997, "Characteristic of Liquid Column Vibrations Absorbers(TLCD)- I" Engineering Structures, Vol. 19, pp. 126-134

상세보기
Hitchcock, P. A., Kwok, K. C. S., Watkins, R. and Samali, D. B., 1997, “Characteristic of Liquid Column Vibrations Absorbers(TLCD)-II,” Engineering Structures, Vol. 19, pp. 135-144

상세보기
Gao, H., Kwok, K. C. S. and Samali, B., 1997, “Optimization of Tuned Liquid Column Dampers,” Engineering Structures, Vol. 19, pp. 476-486

상세보기
Chang, C. C. and Hsu, C. T., 1998, “Control Performance of Liquid Column Vibration Absorbers,” Engineering Structures, Vol. 20, pp. 580-586

상세보기
Balendra, T., Wang, C. M. and Rakesh G., 1998, “Effectiveness of TLCD on Various Structural Systems,” Engineering Structures, Vol. 21, pp. 291-305
Yalla, S. K., 2001, “Liquid Dampers for Mitigation of Structural Response,” Theoretical Development and Experimental Validation, Ph.D. Thesis, University of Notre Dame
Wu, J. C., Shin, M. H., Lin, Y. Y. and Shen, Y. C., 2005, “Design Guidelines for Tuned Liquid Column Damper for Structures Responding to Wind,” Engineering Structures, Vol. 27, pp. 1893-1905

상세보기
Heo, J. S., Park, E., Lee, S. K., Lee, S. H., Kim, H. J., Jo, J. S., Cho, B. H., Joo, S.-J. and Min, K. W., 2008, “Performance Test of a Tuned Liquid Mass Damper Installed in a Real-scaled Structure,” Journal of the Computational Structurel Engineering Institute of Korea, Vol. 21, No. 2, pp. 161-168
The Math Works, 1999, Optimization Toolbox User's Guide, The MathWorks
The Math Works, Inc, 2007, Simulink Reference, MATLAB ${\circledR}$ SIMULINK ${\circledR}$
The Math Works, Inc, 2007, Real-time Windows Target 3 User's Guide, MATLAB ${\circledR}$ SIMULINK ${\circledR}$

저자의 다른 논문 :

LOADING...

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].

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