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문제 정의
- 본 논문에서 선택한 예제 구조물은 다이어 그리드 구조시스템에 비정형 구조물의 3대 특징의 하나인 Tilted 효과를 적용한 구조물로서 본절에서는 예제구조물의 기본적인 구조적 거동의 특성을 살펴보았다. 이를 위하여 자중을 고려하여 해석하였고 추가적으로 기울어진 방향 및 기울어진 방향에 수직인 방향으로 횡하 중을 가한 후 변형형상을 검토하여 보았다.
- 두 그래프에서 볼 수 있듯이 STMD와 TMD 의 제어 성능은 El Centro 지진 하중의 경우와 비슷한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 본 논문에서는 100층의 경사진 비정형 초고층 건물의 지진 응답 제어를 위해서 MR 감쇠기로 구성된 STMD를 제안하고 그제어성능을 검토하여 보았는데 이때 사용한 MR 감쇠기의 용량은 300kN으로서 현재의 기술로 어렵지 않게 개발이 가능하다. STMD는 구조물과 질량 감쇠기의 동적 응답에 따라서 실시간으로 제어력을 변화시킬 수 있으므로 적응성이 일반적인 수동감쇠기에 비하여 매우 뛰어난 것을 확인할 수 있었다.
- 본 연구에서는 경사진 비정형 초고층 구조물의 구조적 거동을 분석하고 동적 응답의 제어를 위한 STMD의 적용성을 검토하기 위하여 초고층 예제구조물을 선택하여 시간 이력해석을 수행하였다. 이를 위하여<그림 3>에 나타낸 10。층의 경사진 다 이어 그리드 비정형 초고층 건물을 예제 구조물로 사용하였다.
- 본 연구에서는 다이어 그리드 구조 시스템을 적용한 경사진 초고층 건물의 구조적 거동 특성을 살펴보고 이 건물에 지진 하중이 가해졌을 때 발생하는 동적 응답을 저감하기 위하여 STMD를 적용한 후 그 제어성능을 검토하였다. 이를 위하여 100층의 경사진 다이어그리드 비정형 초고층 건물을 예제구조물로 선택하고 지진 하중을 사용하여 시간 이력해석을 수행하였다.
- 본절에서는 앞에서 설명한 100층의 경사진 비정형 다이어 그리드 예제 구조물에 X방향으로 지진하중을 가한 후 발생하는 지진 응답에 대하여 STMD의 진동제어성능을 검토해 보고자 한다. STMD의 제진성능을 비교하기 위하여 예제 구조물에 추가적인 진동 제어장치를 설치하지 않은 경우와 일반적인 TMD를사용하여 제어한 경우의 응답을 함께 검토하였다.
- 즉, 그라운드 훅 제어 알고리즘의 목적은 에 나타낸 그라운드 훅 감쇠기가 발휘하는 감쇠력을에 나타낸 STMD를 구성하는 MR 감쇠기를 이용하여 제공하는 것이다.
제안 방법
- Mexico 지진하중을 이용한 제어성능에 대한 정량적인 검토는 에 나타낸 El Centro 지진 하중의 경우와 매우 유사하므로 지면관계 상 생략하였다.
- 검토해 보고자 한다. STMD의 제진성능을 비교하기 위하여 예제 구조물에 추가적인 진동 제어장치를 설치하지 않은 경우와 일반적인 TMD를사용하여 제어한 경우의 응답을 함께 검토하였다. 비교 대상TMD의 경우에는 STMD와 동일하게 500ton의 질량을 사용하였고 TMD의 주기를 예제구조물의 X방향 1차 모드 고유진동 주기와 동일하게 조율하였다.
- 9>에 나타내었다. 각각의 그래프에서 제어장치가 설치되지 않은 경우의 응답(Uncontrolled)과 TMD 및 STMD가 설치된 경우의 응답을 비교하였다. 그림을 보면 수평방향(X 방향) 지진 하중에 대하여 수평 방향 변위 응답뿐만 아니라 수직방향(Z방향) 변위응답도 무시할 수 없을 정도로 발생하는 것을 알 수 있다.
- 그러나 이러한 시스템은 실제 구현이 불가능하기 때문에 본 연구에서는에 나타낸 STMD를 이용하여 가상의 그라운드 훅 시스템을 모사한다.
- 세 장비가 큰 초고층 건물은 주로 1차 모드에 의해서 전체 구조물의 거동이 지배적으로 결정되므로 1차 모드 형상에서 가장 움직임이 큰 최상층에 질량감쇠기를 설치하는 것이 일반적이다. 따라서 본 연구에서도 경사진 비정형 다이어 그리드 초고층 예제구조물의 최상층에 STMD를 설치하였고 STMD 의 고유진동 주기는 예제 구조물의 1차 모드 진동주기와 동일하게 11.80초로 조율하였다. 사용된 STMD의질량은 500ton으로 놓고 수치 해석을 수행하였다.
- 본 연구에서 제안된 STMD의 지진 응답 제어성능을 검토하기 위하여 제어하지 않은 상태의 구조물 응답과 일반적인 TMD를 적용한 경우의 응답을 비교하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 경사진 다이어 그리드 비정형 초고층 건물의 지진 응답 제어를 위하여 MR 감쇠기로 구성된 스마트TMD를 제안하였고 STMD를 효율적으로 제어하기 위하여 그라운드 훅 제어 알고리즘을 사용하였다. 본 연구에서 제안된 STMD의 지진 응답 제어성능을 검토하기 위하여 제어하지 않은 상태의 구조물 응답과 일반적인 TMD를 적용한 경우의 응답을 비교하였다.
- 식의 구성을 보면 알 수 있듯이 그라운드훅제어알고리즘은 비교적 간단한 연산으로 STMD를 제어할 수 있으므로 실시간 제어에 매우 유리하다. 본 연구에서는 이 그라운드훅 제어알고리즘을 이용하여 STMD의 구성 성분인 MR 감쇠기의 감쇠력을 조절한다.
- 본 연구에서는 지진 하중을 받는 경사진 다 이어 그리드 비정형 초고층 건물에 대한 STMD의 제진성능을 평가하기 위하여에 나타낸 바와 같이 El Centro(1940, NS)지진과 Mexico(1985, NS) 지진의 지반가속도를 동적 하중으로 사용하였고 수치해석은 Matlab과 SIMULINK를 이용해서 수행하였다.
- 본 연구에서는에 나타낸 바와 같이 일반적인 수동 TMD의 구성요소인 점성 감쇠기를 대신하여 MR 감쇠기를 사용하여 STMD를 구성하였다.
- 본 연구에서는 MR 감쇠기를 사용하여 STMD를 구성하였고 STMD를 제어하기 위하여 그라운드 훅 제어알고리즘9的을 사용하였다. 수치해석 결과 STMD를 적용한 예제 구조물의 지진 응답을 일반적인 TMD를 적용한 경우와 아무런 제어장치를 사용하지 않은 경우와 함께 비교하여 STMD의 제진성능을 검토하였다. 본 연구에서 기존에 널리 사용되고 있는 MR 감쇠기를 이용힌 - STMD 및 그라운드 훅 제어알고리즘을 적용하여 경사진 비정형 구조물에 대한 지진 응답제어의 가능성을 검토해본 결과 변위 응답의 제어에는 효과적이지만 가속도 응답의 제어에는 제어성능이 저하되는 것을 확인하였다.
- 33으로서 세장한 초고층 건물의 특성을 나타낼 것으로 판단된다. 예제 구조물을 경사진 형태로 만들기 위하여 그림에 나타낸 바와 같이 40층에서 64층까지의 구간에서 외곽의 다이어 그리드 구조 시스템을 1 층당 Im씩 X방향으로 이동시켜서 24층에 걸쳐서 총 24m를 이동시켰다. 그리고 65층에서 100층까지는 다시 정형구조물의 형태로 구성하였다.
- 검토하였다. 이를 위하여 100층의 경사진 다이어그리드 비정형 초고층 건물을 예제구조물로 선택하고 지진 하중을 사용하여 시간 이력해석을 수행하였다. 본 연구에서는 MR 감쇠기를 사용하여 STMD를 구성하였고 STMD를 제어하기 위하여 그라운드 훅 제어알고리즘9的을 사용하였다.
- 이를 위하여 자중을 고려하여 해석하였고 추가적으로 기울어진 방향 및 기울어진 방향에 수직인 방향으로 횡하 중을 가한 후 변형형상을 검토하여 보았다.
대상 데이터
- STMD의 제진성능을 비교하기 위하여 예제 구조물에 추가적인 진동 제어장치를 설치하지 않은 경우와 일반적인 TMD를사용하여 제어한 경우의 응답을 함께 검토하였다. 비교 대상TMD의 경우에는 STMD와 동일하게 500ton의 질량을 사용하였고 TMD의 주기를 예제구조물의 X방향 1차 모드 고유진동 주기와 동일하게 조율하였다. 수치 해석은 Matlab과 Simulink를 이용하여 수행하였고 모든 하중에 대해 수치해석 시 0.
- 이를 위하여<그림 3>에 나타낸 10。층의 경사진 다 이어 그리드 비정형 초고층 건물을 예제 구조물로 사용하였다. 예제 구조물의 다이어 그리드 및 테두리보를 위해서는 SS400의 강재를 사용하였고 콘크리트 코어는 30MPa으I 강도를 가지도록 모형화하였다. 본 연구에서는 구조물의 전체적인 거동을 살펴보는 것을 목적으로 하고 있기 때문에 각 부재의 단면을 선정하기 위한 설계는 수행하지 않았고 다이어그리드는 <^-1000X80, 테두리 보는 一700X700X20 의 동일한 단면을 전 층에 걸쳐서 가진다.
- 3>에 나타낸 10。층의 경사진 다 이어 그리드 비정형 초고층 건물을 예제 구조물로 사용하였다. 예제 구조물의 다이어 그리드 및 테두리보를 위해서는 SS400의 강재를 사용하였고 콘크리트 코어는 30MPa으I 강도를 가지도록 모형화하였다.
이론/모형
- MR 감쇠기를 모형화하기 위해서는 일반적으로 사용되는 Bouc-Wen 모델을 사용하였고 이 모델을 사용하여 표현되는 MR 감쇠기의 힘- 속도 관계를 에나타내었다.
- 이는 식 ⑴과 ⑵를 통해서 확인할 수 있는데 지붕층 변위 응답의 부호에 의해서 제어명령이 결정되고 가속도 응답은 이 알고리즘에서 전혀 고려되지 않고 있다. 또한 본 연구에서 사용한 변위 기반 그라운드 훅 제어 알고리즘은 제어명령을 0V와 5V의 최소치 및 최대치만을 사용함으로써 일종의 Bang-Bang 방식의 제어, 즉 on/off 제어의 형태로 나타난다. 이것은 STMD를 제어하는 명령 전압에 순간적인 변화를 주어 STMD 의 거동을 극적으로 변화시켜서 구조물의 변위를 효과적으로 제어할 수 있도록 한다.
- 이를 위하여 100층의 경사진 다이어그리드 비정형 초고층 건물을 예제구조물로 선택하고 지진 하중을 사용하여 시간 이력해석을 수행하였다. 본 연구에서는 MR 감쇠기를 사용하여 STMD를 구성하였고 STMD를 제어하기 위하여 그라운드 훅 제어알고리즘9的을 사용하였다. 수치해석 결과 STMD를 적용한 예제 구조물의 지진 응답을 일반적인 TMD를 적용한 경우와 아무런 제어장치를 사용하지 않은 경우와 함께 비교하여 STMD의 제진성능을 검토하였다.
- 본 연구에서는 STMD를 구성하는 MR 감쇠기의 감쇠력을 제어하기 위해서 전통적인 준능동 제어알고리즘인 그라운드훅(groundhook) 제어 알고리즘을 사용하였다. 이 알고리즘을 설명하기 위하여 빌딩구조물에 설치된 TMD의 이상적인 그라운드 훅 시스템을<그림 8>에 나타내었다.
- 비교 대상TMD의 경우에는 STMD와 동일하게 500ton의 질량을 사용하였고 TMD의 주기를 예제구조물의 X방향 1차 모드 고유진동 주기와 동일하게 조율하였다. 수치 해석은 Matlab과 Simulink를 이용하여 수행하였고 모든 하중에 대해 수치해석 시 0.001 초의 시간 간격을 사용하였다.
- 퍼지제어 알고리즘은 복잡하고 불확실하며 애매한 조건 아래서 적용되어야 하는 시스템에 매우 적합하다. 특히 고유의 견실성과 비선형(nonlinearity) 및 불확실성(uncertainty)을 쉽게 다룰 수 있는 능력 때문에 본 연구에서 사용한 STMD의 핵심 구성요소인 MR 감쇠기를 제어하기 위하여 퍼지제어 알고리즘을 사용할 것이다. 이러한 퍼지제어 알고리즘은 전문가의 지식에 기반하여 개발할 수도 있지만 최적의 성능을 발휘하는 제어기를 개발하는 일은 적합한 퍼지 소속함수(membership function) 를 선택하고 퍼지제어 규칙을 찾아내기 위하여 수많은 반복과 시행착오 과정을 거쳐야 하므로 시간이 많이 소요되는 쉽지 않은 작업이다.
성능/효과
- 1.경사진 다이어 그리드 비정형 초고층 건물은 자중에 의해서 수직 변위 뿐만 아니라 횡방향 변위도 상당량 발생한다. 이러한 자 중에 의한 횡 방향 응답과 횡하 중에 의한 횡 방향 응답이 누적되면 구조물의 안정성에 큰 영향을 미칠 수있으므로 경사진 초고층 건물의 횡방향 응답 제어는 신중하게 고려되어야 한다.
- 2.비정형 초고층 건물이 기울어진 방향에 대해 수직으로 가해지는 횡하 중에 의해서는 횡방향응답뿐만 아니라 비틀림 응답이 발생하는 것을 확인하였다. 따라서 경사진 초고층 건물을 설계할 때 비틀림 응답에 대한 고려도 반드시 이루어져 야한다.
- 3.본 연구를 통하여 경사진 다이어 그리드 비정형 초고층 건물에 대한 스마트TMD의 제진성능을 평가해 본 결과 일반적인 수동 TMD에 비하여 매우 우수한 지진 응답 제어 성능을 나타내는 것을 확인하였다.
- 4.본 연구에서 사용한 STMD의 지진응답 제어성능이 변위응답에 비하여 가속도응답에 대해서 좋지 않은 결과를 나타내었는데 이것은 본 연구에서 사용된 제어 알고리즘이 변위 기반의 그라운드 훅 제어알고리즘으로서 Bang-Bang 제어를 수행하기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 추후에는 가속도 응답의 제어에 대해서도 효과적으로 적용할 수 있는 퍼지제어 알고리즘을 사용한 연구를 수행할 계획이며 이를 개발할 때가속도응답과 변위응답제어를 위한 동시최적화기법을 사용할 계획이다.
- 본 논문에서는 100층의 경사진 비정형 초고층 건물의 지진 응답 제어를 위해서 MR 감쇠기로 구성된 STMD를 제안하고 그제어성능을 검토하여 보았는데 이때 사용한 MR 감쇠기의 용량은 300kN으로서 현재의 기술로 어렵지 않게 개발이 가능하다. STMD는 구조물과 질량 감쇠기의 동적 응답에 따라서 실시간으로 제어력을 변화시킬 수 있으므로 적응성이 일반적인 수동감쇠기에 비하여 매우 뛰어난 것을 확인할 수 있었다. 큰 규모의 지진 등에 의해서 구조물이 손상되어 MR 감쇠기로 전달되는 전원이 차단되는 경우에도 MR 감쇠기는 passive-off 상태의 점성감쇠기처럼 거동을 하기 때문에 본 연구에서 사용한 STMD는 일반적 인수동 TMD와 같은 안정성을 보여준다.
- 따라서 경사진 초고층 건물에 횡방향 하중이 가해질 경우 수직 방향 동 적응답도 반드시 검토해야 하는 것을 알 수 있다. 그림을 보면 El Centro 지진하중이 예제 초고층 구조물에 가해질 때 발생하는 수평 및 수직 방향 응답을 제어하지 않은 경우에 비하여 TMD를 사용한 경우 매우 효과적으로 줄일 수 있는 것을 확인할 수 있다. 특히 STMD는 일반적인 수동 TMD에 비해서 더욱 개선된 진동제어성능을 나타내는 것을 알 수 있다.
- 두 그래프에서 볼 수 있듯이 STMD와 TMD 의 제어 성능은 El Centro 지진 하중의 경우와 비슷한 경향을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 본 논문에서는 100층의 경사진 비정형 초고층 건물의 지진 응답 제어를 위해서 MR 감쇠기로 구성된 STMD를 제안하고 그제어성능을 검토하여 보았는데 이때 사용한 MR 감쇠기의 용량은 300kN으로서 현재의 기술로 어렵지 않게 개발이 가능하다.
- 수치해석 결과 STMD를 적용한 예제 구조물의 지진 응답을 일반적인 TMD를 적용한 경우와 아무런 제어장치를 사용하지 않은 경우와 함께 비교하여 STMD의 제진성능을 검토하였다. 본 연구에서 기존에 널리 사용되고 있는 MR 감쇠기를 이용힌 - STMD 및 그라운드 훅 제어알고리즘을 적용하여 경사진 비정형 구조물에 대한 지진 응답제어의 가능성을 검토해본 결과 변위 응답의 제어에는 효과적이지만 가속도 응답의 제어에는 제어성능이 저하되는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해서 드러난 이러한 문제점은 변위 기반의 제어알고리즘에 의한 것으로 판단되며 추후 연구를 통하여 해결할 계획이다.
- 15m의 지붕층 변위가 발생하고 TMD를 사용한 경우에는 이 응답을 L05m로 줄일 수 있다. 본 연구에서 제안한 STMD를 적용한 경우에는 지붕층의 최대치 변위 응답이 0.79m 발생하고 이는 일반적인 TMD 를 사용한 경우에 비하여 구조물의 응답을 약 25% 더 줄이는 결과를 나타낸다. X방향 RMS 응답의 경우에는 TMD에 비하여 STMD의 제진 성능이 40% 이상 더 향상되는 것을 알 수 있고 수직 방향 변위 응답도 비슷한 경향을 보이는 것을 확인할 수 있다.
- 예제 구조물은 한 층의 높이가 4m이므로 건물의 전체 높이는 400m이고 폭은 48m이므로 세장비가 8.33으로서 세장한 초고층 건물의 특성을 나타낼 것으로 판단된다. 예제 구조물을 경사진 형태로 만들기 위하여 그림에 나타낸 바와 같이 40층에서 64층까지의 구간에서 외곽의 다이어 그리드 구조 시스템을 1 층당 Im씩 X방향으로 이동시켜서 24층에 걸쳐서 총 24m를 이동시켰다.
- STMD는 구조물과 질량 감쇠기의 동적 응답에 따라서 실시간으로 제어력을 변화시킬 수 있으므로 적응성이 일반적인 수동감쇠기에 비하여 매우 뛰어난 것을 확인할 수 있었다. 큰 규모의 지진 등에 의해서 구조물이 손상되어 MR 감쇠기로 전달되는 전원이 차단되는 경우에도 MR 감쇠기는 passive-off 상태의 점성감쇠기처럼 거동을 하기 때문에 본 연구에서 사용한 STMD는 일반적 인수동 TMD와 같은 안정성을 보여준다. Mexico 지진하중을 이용한 제어성능에 대한 정량적인 검토는 <표 1>에 나타낸 El Centro 지진 하중의 경우와 매우 유사하므로 지면관계 상 생략하였다.
후속연구
- 이러한 퍼지제어 알고리즘은 전문가의 지식에 기반하여 개발할 수도 있지만 최적의 성능을 발휘하는 제어기를 개발하는 일은 적합한 퍼지 소속함수(membership function) 를 선택하고 퍼지제어 규칙을 찾아내기 위하여 수많은 반복과 시행착오 과정을 거쳐야 하므로 시간이 많이 소요되는 쉽지 않은 작업이다. 따라서 추후 연구에서는 최적화 알고리즘을 적용하여 퍼지제어 알고리즘을 개발할 것이다. 이러한 방법으로 적절한 퍼지제어 알고리즘이 개발된다면 본 연구에서 사용된 변위 기반의 그라운드 훅 제어알고리즘이 Bang-Bang 제어를 수행하기 때문에 효과적인 제어가 힘들었던 가속도 응답에 대한 제어가 보다 효과적으로 가능할 것이다.
- 본 연구에서 사용한 STMD의 지진응답 제어성능이 변위응답에 비하여 가속도응답에 대해서 좋지 않은 결과를 나타내었는데 이것은 본 연구에서 사용된 제어 알고리즘이 변위 기반의 그라운드 훅 제어알고리즘으로서 Bang-Bang 제어를 수행하기 때문인 것으로 판단된다. 따라서 추후에는 가속도 응답의 제어에 대해서도 효과적으로 적용할 수 있는 퍼지제어 알고리즘을 사용한 연구를 수행할 계획이며 이를 개발할 때가속도응답과 변위응답제어를 위한 동시최적화기법을 사용할 계획이다.
- 따라서 경사진 비정형 초고층 구조물의 변위 응답 뿐만 아니라 가속도 응답도 동시에 효과적으로 제어하기 위해서는 0V에서 5V사이의 명령 전압을 실시간으로 적절하게 결정할 수 있는 보다 효과적인 제어 알고리즘이 필요하다고 판단된다. 보다 개선된 제어 알고리즘에 대한 연구는 추후 계속해서 연구를 수행할 계획이다. 추후 연구에서는 비선형성이 강한 MR 감쇠기를 효과적으로 제어하기 위해서 퍼지제어 알고리즘을 사용할 계획이다.
- 또한 경 사진 방향과 수직한 방향으로 작용하는 횡하중에 대해서는 횡방향 응답뿐만 아니라 비틀림도 발생하므로 이에 대한 고려도 이루어져야한다. 본 논문에서는 구조물의 경사진 방향에 대한 응답을 우선 다루고 있고 경사진 방향에 수직한 응답에 대해서는 추후 계속해서 연구를 진행할 계획이다
- 본 연구에서 기존에 널리 사용되고 있는 MR 감쇠기를 이용힌 - STMD 및 그라운드 훅 제어알고리즘을 적용하여 경사진 비정형 구조물에 대한 지진 응답제어의 가능성을 검토해본 결과 변위 응답의 제어에는 효과적이지만 가속도 응답의 제어에는 제어성능이 저하되는 것을 확인하였다. 본 연구를 통해서 드러난 이러한 문제점은 변위 기반의 제어알고리즘에 의한 것으로 판단되며 추후 연구를 통하여 해결할 계획이다.
- 따라서 추후 연구에서는 최적화 알고리즘을 적용하여 퍼지제어 알고리즘을 개발할 것이다. 이러한 방법으로 적절한 퍼지제어 알고리즘이 개발된다면 본 연구에서 사용된 변위 기반의 그라운드 훅 제어알고리즘이 Bang-Bang 제어를 수행하기 때문에 효과적인 제어가 힘들었던 가속도 응답에 대한 제어가 보다 효과적으로 가능할 것이다.
- 보다 개선된 제어 알고리즘에 대한 연구는 추후 계속해서 연구를 수행할 계획이다. 추후 연구에서는 비선형성이 강한 MR 감쇠기를 효과적으로 제어하기 위해서 퍼지제어 알고리즘을 사용할 계획이다. 퍼지제어 알고리즘은 복잡하고 불확실하며 애매한 조건 아래서 적용되어야 하는 시스템에 매우 적합하다.
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