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[국내논문] MR댐퍼 및 Lyapunov제어알고리즘을 이용한 교량 구조물의 실시간 진동제어
Real-time Vibration Control of Bridges by MR damper and Lyapunov Control Algorithm 원문보기

구조물진단학회지 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, v.14 no.4 = no.62, 2010년, pp.55 - 61  

허광희 (건양대학교 건설시스템공학과) ,  전준용 (충남대학교 토목공학과) ,  박승범 (충남대학교 토목공학과) ,  오성근 (현대건설(주) 충청지사)

초록
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본 논문에서는 구조적으로 유연한 특성을 갖는 교량 구조물을 대상으로 외력에 의해 발생되는 진동을 실시간으로 제어하고자 실험적 연구를 수행하였다. 여기서 진동제어를 위한 교량 구조물은 서해대교를 규모화 한 모형 교량 구조물을 사용하였고, 실험실 여건을 고려해 규모화 된 El-centro 지진파형으로 구조물을 가진하였다. 또한, 교량 상판 중앙지점에는 전자석이 채용된 전단형 MR 댐퍼를 설치하여 발생된 진동을 제어하도록 하였고, 동시에 변위계 및 가속도계를 설치하여 구조물의 응답(변위, 가속도)을 획득하였다. 이때 진동제어의 실험은 크게 비-제어, 수동 on/off 제어, 그리고 Lyapunov 안정도 이론에 의한 실시간 피드백 진동제어방법을 이용하여 수행하였고, 이때 진동제어의 효과는 상판 중앙지점에 대하여 비-제어 시 기준 각 실험방법 별 절대최대변위와 절대최대가속도 그리고, 인가전압의 소모량으로 평가하였다. 진동제어실험의 결과로부터, Lyapunov 제어방법은 구조물의 발생 변위 및 가속도를 효과적으로 감소시켰으며, 특히 진동제어 시 요구되는 외부 인가전압의 소비를 크게 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 최종적으로, 본 논문에서 구성한 실시간 준능동 피드백 진동제어 시스템은 구조물에 발생된 진동을 제어 관리하기 위한 적극. 효율적인 방법으로 활용될 수 있는 가능성을 제시하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper is concerned with an experimental research to random vibration control caused by external loads specially in bridges which tend to be structurally flexible. Experimenting on a reduced structure modelled on Seohae Grand Bridge, we inflicted a reduced form of El-centro wave on the model str...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 따라서 본 논문에서는 교량 구조물에 발생되는 진동을 제어하고자 Lyapunov 안정도 이론에 의한 제어알고리즘과 전단형 MR댐퍼를 결합한 실시간 준능동 피드백 진동제어 시스템을 구성하고, 랜덤하중을 받는 대상 모형 교량 구조물을 대상으로 진동제어 실험을 수행하여 구성된 시스템의 성능을 평가하였다. 또한, 수동 on/off 방식의 진동제어실험을 추가로 수행하고, 이때 획득된 구조물의 응답치(변위 및 가속도)를 비-제어 시(기본구조물 상태)의 결과와 비교하여, 각 제어방법 별 진동제어성능을 정량적으로 평가하였다.
  • 본 논문에서는 MR댐퍼와 Lyapunov제어알고리즘이 결합된 실시간 준능동 피드백 진동제어 시스템의 성능을 평가하기 위하여, 임의의 랜덤하중(El-centro 지진파)이 부여된 모형 교량 구조물을 대상으로 진동제어 실험을 수행하였다. 여기서, 진동제어실험은 비-제어, 수동 off/on 제어 그리고, Lyapunov 제어상태로 구분하여 수행하였고, 각 제어조건 별 실험결과는 절대최대변위, 절대최대가속도 그리고, 인가전압의 소모량을 바탕으로 제어성능을 비교․분석하였다.
  • 본 논문에서는 모형 교량 구조물에 발생되는 진동을 효과적으로 제어하고자 준능동 제어장치인 MR댐퍼를 이용해 다양한 제어 조건 별 진동제어실험을 수행하고, 각 제어조건 별 제어성능을 정량적으로 평가하였다. 실험을 위한 대상구조물은 서해대교의 사장교 구간을 약 1/200 크기로 규모화 하여, 전체길이 4.
  • 종국적으로 본 논문에서 구성된 시스템은 구조물에 발생된 진동을 효과적으로 제어·관리하기 위한 적극․효율적인 방법으로 활용될 수 있는 가능성을 제시하였다.
  • 이때 진동제어 시 가진력의 진동수 성분에 따라 그 효과가 달라질 수 있다. 하지만 특정 진동수 성분을 갖는 가진력 및 가진방법을 이용하여 구조물의 진동제어 효과를 판단하는 것은 현실적인 진동제어 문제에도 적합하지 않다고 판단되며, 따라서 본 논문에서는 다양한 진동수 성분을 갖는 대표적인 랜덤 가진력(El-centro 지진력)을 바탕으로 구조물의 진동제어 효과를 검증하고자 하였다. 이때, 본 논문에서 사용된 El-centro 지진력은 특정 진동의 종류 및 특성을 고려하기 위한 것이 아닌, 단지 모형 교량 구조물에 임의의 진동을 생성시키기 위한 목적·수단의 개념으로 채택한 것이며, 결과적으로는 이러한 랜덤하중을 이용해 교량 구조물의 상판 상·하 진동을 발생시켰다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
MR 유체를 활용한 준능동 제어방법은 기존 방법의 어떤 한계점을 극복하기 위하여 제안되었는가? 구조물에 발생된 진동을 제어하기 위한 기존방법은 크게 수동, 능동 제어방법으로 구분할 수 있다. 여기서, 여러 장점에도 불구하고 수동형 제어방법은 구조물에 발생되는 다양한 하중조건에 충분히 대응할 수 없어 사용성 측면에 한계가 있을 수 있고, 또한 능동형 제어방법은 초기설치비가 크고, 경우에 따라 대용량의 외부 에너지원을 필요로 하기 때문에 경제성 및 관리측면에 한계가 있을 수 있다. 이러한 기존 제어방법이 갖는 난점을 극복하기 위해 근자에는 MR 유체를 활용한 준능동 제어방법이 제안되었다.
케이블을 이용한 장경간의 사장교 혹은 현수교 구조물은 구조적으로 어떤 특성을 갖나? 최근 건설구조물은 날로 장 · 대형화 되고, 고효율화 되고 있으며, 더불어 구조물의 안전성을 확보하고 구조적 기능을 원활히 수행 할 수 있도록 성능을 개선·평가·관리하는 기술이 크게 부각되었다. 특히 케이블을 이용한 장경간의 사장교 혹은 현수교 구조물은 구조적으로 유연(flexible)한 특성을 갖기 때문에, 반복 혹은 돌발적인 동하중과 기타 외부환경적인 요인으로 발생된 불규칙한 진동에 보다 민감하게 반응한다. 결국 이러한 여러 원인으로 인한 진동은 사용자의 불안감 조성은 물론 심각한 손상 등으로 인한 구조적 성능저하를 야기 시킬 수 있어, 많은 연구자들로 하여금 이러한 유연한 건설구조물에 발생된 진동을 효과적으로 제어하고자 다양한 연구가 수행되고 있다(Kobori, 1994; Spencer, 1996; Jolly et.
구조물에 발생된 진동을 제어하기 위한 기존방법은 어떻게 구분할 수 있나? 구조물에 발생된 진동을 제어하기 위한 기존방법은 크게 수동, 능동 제어방법으로 구분할 수 있다. 여기서, 여러 장점에도 불구하고 수동형 제어방법은 구조물에 발생되는 다양한 하중조건에 충분히 대응할 수 없어 사용성 측면에 한계가 있을 수 있고, 또한 능동형 제어방법은 초기설치비가 크고, 경우에 따라 대용량의 외부 에너지원을 필요로 하기 때문에 경제성 및 관리측면에 한계가 있을 수 있다.
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참고문헌 (12)

  1. 윤경조, 박은천, 이헌재, 문석준, 민경원, 정형조, 이상현, "준 능동 MR감쇠기가 설치된 실물크기 구조물의 분산제어 알고리즘 성능평가", 한국소음진동공학회, 제18권 제2호, 2008, pp.255-262. 

  2. Brogan, W. L. "Modern Control Theory", Prentice Hall, Englewood Cliffs, New Jersey, 1991. 

  3. Dyke, S. J., Spencer Jr, B. F., Sain, M. K. and Carlson, J. D. "An Experimental Study of MR Dampers for Seismic Protection", Smart Materials and Structures: Special Issue on Large Civil Structures 7, 1998, pp.693-703. 

  4. Dyke, S, J., Caicedo, J. M., Turan, G., Bergman, L. A. and Hague, S. "Phase I Benchmark Control Problem for Seismic Response of Cable-Stayed Bridges", Journal of Structural Engineering, Vol.129, No. 7, 2003, pp.857-872. 

  5. Heo G. H., Lee W. S., Jeon J. R. and Lee D. G. "An Experimental Comparative Study of Smart Damping System for Vibration Mitigation", CANSMART 2005 Proceedings: International Workshop Smart Materials & Structures, Tronto, Ontario, Canada, 13-14 October, 2005(a), pp.133-140. 

  6. Heo, G. H., Lee, G. and Choi, M. Y. "Magneto-Rheological fluid damper for Smart Semi-Active Control System", The 1st International Conference on Advanced Nondestructive Evaluation, 2005(b), pp.234. 

  7. Jolly M. R., Bender J. W. and Carlson J. D. "Properties and Applications of Commercial Magnetorheological Fluid", Journal of Intelligent Material Systems and Structures, Vol. 10(1), 2000. 

  8. Kobori, T. "Future Direction on Research and Development of Seismic Response Controlled Structure", Proceedings of the First World Conference on Structural Control, Los Angeles, California, Vol. 1, 1994, pp.Panel:19-31. 

  9. Leitmann, G. "Semiactive Control for Vibration Attenuation", Journal of Intelligent Material System and Structures(5), 1994, pp.841-846. 

  10. Spencer Jr, B. F. "Recent Trends in Vibration Control in the U.S.A.", Proceedings of the 3rd International Conference on Motion and Vibration Control, September 1-6, Chiba, Japan, Vol. II K1-K6, 1996. 

  11. Spencer Jr, B. F., Dyke, S. J. and Carlson, J. D. "Phenomenologcal Model for Magnetorheological Dampers", Journal of Engineering Mechanics, ASCE, Vol. 123, No. 3, 1997, pp.230-238. 

  12. Soong, T. T. "Active Structural Control Theory and Practice", Lognman Scientific and Technica, Essex England, 1989. 

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