[논문]다중 스마트 TMD를 이용한 대공간 아치구조물의 지진응답 제어

김현수; 강주원

doi:10.9712/kass.2016.16.1.043

[국내논문] 다중 스마트 TMD를 이용한 대공간 아치구조물의 지진응답 제어
Seismic Response Control of Spacial Arch Structures using Multiple Smart TMD 원문보기

한국공간구조학회논문집 = Journal of the Korean Association for Spatial Structures, v.16 no.1, 2016년, pp.43 - 51

Abstract ▼ AI-Helper

A novel vibration control method for vibration reduction of a spacial structure subjected to earthquake excitation was proposed in this study. Generally, spatial structures have various vibration modes involving high-order modes and their natural frequencies are closely spaced. Therefore, in order to control these modes, a spatially distributed MTMDs (Multiple TMDs) method is proposed previously. MR (Magnetorheological) damper were used to enhance the control performance of the MTMDs. Accordingly, MSTMDs (Multiple Smart TMDs) were proposed in this study. An arch structure was used as an example structure because it has primary characteristics of spatial structures and it is a comparatively simple structure. MSTMDs were applied to the example arch structure and the seismic control performance were evaluated based on the numerical simulation. Fuzzy logic control algorithm (FLC) was used to generate command voltages sent for MSTMSs and the FLC was optimized by genetic algorithm. Based on the analytical results, it has been shown that the MSTMDs effectively decreased the dynamic responses of the arch structure subjected to earthquake loads.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

이에 본 연구에서는 실제 구조물의 진동제어에 적용되어 널리 사용되고 있는 MR 감쇠기를 사용하여 구성한 MSTMD를 제안하였고 대공간 구조물에 대한 지진응답 제어성능을 검토하여 보았다. MSTMD가 설치된 아치구조물의 동적응답을 효과적으로 제어하기 위해서는 MSTMD 및 구조물의 동적응답에 따라서 MR 감쇠기의 감쇠력을 실시간으로 조절하는 것이 필요하다.
전술한 바와 같이 본 논문에서는 MSTMD의 이치구조물에 대한 지진응답 제어성능을 검토해보기 위해서 수치해석을 수행하였다. 응답의 비교 지점은 [Fig.
본 연구에서는 지진하중을 받는 아치 대공간구조 물에 대한 MSTMD의 제어성능을 검토하여 보았다. 선행연구에서는 이상적인 준능동 감쇠기를 이용한 가상의 준능동 TMD에 대한 제어성능을 검토하였지만 본 연구에서는 현재의 기술로 실제 구조물 제어에 활용되고 있는 스마트 MR 감쇠기로 구성한 스마트 TMD의 아치구조물에 대한 지진응답 제어 성능을 검토하였다.
본 연구에서는 지진하중을 받는 아치 대공간구조 물에 대한 MSTMD의 제어성능을 검토하여 보았다. 선행연구에서는 이상적인 준능동 감쇠기를 이용한 가상의 준능동 TMD에 대한 제어성능을 검토하였지만 본 연구에서는 현재의 기술로 실제 구조물 제어에 활용되고 있는 스마트 MR 감쇠기로 구성한 스마트 TMD의 아치구조물에 대한 지진응답 제어 성능을 검토하였다. MSTMD를 구성하기 위해서 현재 실제 구조물에 적용되고 있는 스마트 제어장치인 MR 감쇠기를 사용하였고 MR 감쇠기의 감쇠력을 구조물의 응답에 따라서 실시간으로 조절하기 위해서 그라운드훅 제어알고리즘을 사용하였다.

가설 설정

4]에 나타내었다. 본 연구에서는 예제 아치구조물의 감쇠비를 3%로 가정해서 수치해석을 수행하였다. 예제 구조물의 총질량은 40.

제안 방법

제어성능의 검토를 위하여 역사지진인 El Centro (1940) 및 Northridge (1994) 지진하중을 사용하였다. 또한 중약진지역의 특성을 가진 국내지반을 고려하여 국내 설계기준 (KBC2009)을 바탕으로 생성한 인공지진하중을 사용하였고 공진 조화지반가속도를 사용하여 가장 피해가 클 것으로 예상되는 공진하중에 대한 MSTMD의 성능을 검토하였다.
수치해석을 통한 다중 스마트 TMD 제어성능의 검토를 위하여 대표적인 역사지진인 El Centro (1940) 및 Northridge (1994) 지진하중을 사용하였고 중약진지역의 특성을 가진 국내지반을 고려하여 국내 설계기준(KBC2009)을 바탕으로 생성한 인공 지진하중을 사용하였다. 또한 일반적으로 공진에 의한 구조물의 피해가 가장 클 것으로 예상되기 때문에 예제구조물의 1차모드 고유진동주기와 일치하는 공진 조화지반가속도를 사용하여 MSTMD의 성능을 검토하였다. 본 연구에서 사용한 4개의 지반가속도의 시간이력을 [Fig.

대상 데이터

본 논문에서는 선행연구¹²⁾에서 사용한 트러스 아치구조물을 공간 예제구조물로 사용하였고 [Fig.1]에 나타내었다. 예제 트러스 아치의 경간은 60m, 높이는 8m이며 트러스 아치의 춤은 2m이다.
본 논문에서는 MSTMD를 구성하기 위해서 현재 건축 및 토목구조물 제어에 실제 활용되고 있는 스마트 제어장치인 MR 감쇠기를 사용하였다. 이때 [Fig.

이론/모형

MSTMD가 설치된 아치구조물의 동적응답을 효과적으로 제어하기 위해서는 MSTMD 및 구조물의 동적응답에 따라서 MR 감쇠기의 감쇠력을 실시간으로 조절하는 것이 필요하다. 이를 위하여 본 연구에서는 계산이 단순하면서도 효과적인 제어성능을 나타내는 것으로 알려진 그라운드훅(groundhook)¹³⁾제어알고리즘을 사용하였다. 제어성능의 검토를 위하여 역사지진인 El Centro (1940) 및 Northridge (1994) 지진하중을 사용하였다.
이를 위하여 본 연구에서는 계산이 단순하면서도 효과적인 제어성능을 나타내는 것으로 알려진 그라운드훅(groundhook)¹³⁾제어알고리즘을 사용하였다. 제어성능의 검토를 위하여 역사지진인 El Centro (1940) 및 Northridge (1994) 지진하중을 사용하였다. 또한 중약진지역의 특성을 가진 국내지반을 고려하여 국내 설계기준 (KBC2009)을 바탕으로 생성한 인공지진하중을 사용하였고 공진 조화지반가속도를 사용하여 가장 피해가 클 것으로 예상되는 공진하중에 대한 MSTMD의 성능을 검토하였다.
본 논문에서 제안하는 MSTMD의 제어성능을 비교검토하기 위하여 일반적으로 사용하는 MTMD를사용하였고 이를 [Fig. 4]에 나타내었다.
수치해석을 통한 다중 스마트 TMD 제어성능의 검토를 위하여 대표적인 역사지진인 El Centro (1940) 및 Northridge (1994) 지진하중을 사용하였고 중약진지역의 특성을 가진 국내지반을 고려하여 국내 설계기준(KBC2009)을 바탕으로 생성한 인공 지진하중을 사용하였다. 또한 일반적으로 공진에 의한 구조물의 피해가 가장 클 것으로 예상되기 때문에 예제구조물의 1차모드 고유진동주기와 일치하는 공진 조화지반가속도를 사용하여 MSTMD의 성능을 검토하였다.
인공 지반운동성분을 생성하기 위해 국내 건축구 조설계기준(KBC2009)을 바탕으로 설계응답 가속도 스펙트럼을 작성하였고 이를 잘 표현할 수 있는 인공지진을 생성하여 수치해석에 사용하였다. 설계응답 가속도스펙트럼 작성시 지역계수는 0.
5]에 나타낸 바와 같이 일반 MTMD를 구성 하는 수동 감쇠기를 대신하여 MR 감쇠기를 사용하였다. MR 감쇠기를 모형화하기 위해서는 일반적으로 사용되는 Bouc-Wen 모델¹⁶⁾을 사용하였다. 본 연구에서는 약 300 N의 최대 감쇠력을 가지는 MR 감쇠기를 [Fig.
본 논문에서 제안된 MSTMD를 제어하기 위해서 준능동 제어알고리즘으로 널리 사용되고 있는 그라운드훅(groundhook)¹³⁾제어알고리즘을 사용하였다. 지금까지 그라운드훅 제어알고리즘이 여러 가지 형탤로 제안되어 왔는데 그중에서 변위기반 on-off 그라운드훅 제어알고리즘을 적용하였다.
제어알고리즘을 사용하였다. 지금까지 그라운드훅 제어알고리즘이 여러 가지 형탤로 제안되어 왔는데 그중에서 변위기반 on-off 그라운드훅 제어알고리즘을 적용하였다. 그라운드훅 제어알고리즘이 모사하는 이상적인 시스템은 [Fig.
선행연구에서는 이상적인 준능동 감쇠기를 이용한 가상의 준능동 TMD에 대한 제어성능을 검토하였지만 본 연구에서는 현재의 기술로 실제 구조물 제어에 활용되고 있는 스마트 MR 감쇠기로 구성한 스마트 TMD의 아치구조물에 대한 지진응답 제어 성능을 검토하였다. MSTMD를 구성하기 위해서 현재 실제 구조물에 적용되고 있는 스마트 제어장치인 MR 감쇠기를 사용하였고 MR 감쇠기의 감쇠력을 구조물의 응답에 따라서 실시간으로 조절하기 위해서 그라운드훅 제어알고리즘을 사용하였다. 지진하중으로는 공진 조화지반가속도와 El Centro, Northridge 지진하중 및 KBC2009를 바탕으로 생성한 인공지진하중을 사용하였다.

성능/효과

2]에 나타내었다. 모드별 진동주기를 보면 구조물의 지진응답에 많은 영향을 미치는 저차모드의 주기가 일반적인 지진하중의 지반가속도 스펙트럼이 매우 커지는 1초 이내에 존재하는 것을 알 수 있다. 따라서 지진하중에 대하여 대공간 아치구조물의 동적응답이 작지 않게 발생하리라는 것을 예측할 수 있다.
따라서 MTMD의 경우에는 대체적으로 제어성능이 우수하지만 지반운동의 특성에 따라서 제어효과가 크게 저감될 수도 있는 것을 알 수 있다. MSTMD의 경우에는 모든 지반운동 및 모든 방향의 응답에 대해서 MTMD보다 우수한 제어성능을 나타내었다.
9-12]에 나타내었다. 앞서 표에서 보았듯이 공진 조화지반가속도에 대해서는 비교하는 응답의 위치나 방향에 관계없이 MTMD와 MSTMD가 매우 효과적으로 아치구조물의 응답을 저감시킬 수 있는 것을 확인할 수 있다. 시간이력 그래프를 보면 특히 천이상태를 지나 정상상태에 도달하면 구조물 응답의 차이가 분명하게 드러나는데 평균적으로 MTMD는 제어하지 않은 상태의 응답을 약 80%줄일 수 있고 MSTMD는 MTMD에 의해서 제어된 구조물의 동적 변위응답을 약 60% 더 줄일 수 있었다.
앞서 표에서 보았듯이 공진 조화지반가속도에 대해서는 비교하는 응답의 위치나 방향에 관계없이 MTMD와 MSTMD가 매우 효과적으로 아치구조물의 응답을 저감시킬 수 있는 것을 확인할 수 있다. 시간이력 그래프를 보면 특히 천이상태를 지나 정상상태에 도달하면 구조물 응답의 차이가 분명하게 드러나는데 평균적으로 MTMD는 제어하지 않은 상태의 응답을 약 80%줄일 수 있고 MSTMD는 MTMD에 의해서 제어된 구조물의 동적 변위응답을 약 60% 더 줄일 수 있었다. 따라서 대공간 구조물에 큰 피해가 발생할 수 있는 공진상태가 발생할 때 MTMD와 MSTMD는 매우 우수한 제어성능을 발휘하고 특히 MSTMD는 수동 MTMD에 비해서 2배 이상의 개선된 성능을 나타내는 것을 알 수 있다.
시간이력 그래프를 보면 특히 천이상태를 지나 정상상태에 도달하면 구조물 응답의 차이가 분명하게 드러나는데 평균적으로 MTMD는 제어하지 않은 상태의 응답을 약 80%줄일 수 있고 MSTMD는 MTMD에 의해서 제어된 구조물의 동적 변위응답을 약 60% 더 줄일 수 있었다. 따라서 대공간 구조물에 큰 피해가 발생할 수 있는 공진상태가 발생할 때 MTMD와 MSTMD는 매우 우수한 제어성능을 발휘하고 특히 MSTMD는 수동 MTMD에 비해서 2배 이상의 개선된 성능을 나타내는 것을 알 수 있다. El Centro 지진하중에 대해서는 MTMD와 MSTMD 모두 제어효과가 있지만 그다지 탁월한 성능은 나타내지 못하고 있다.
수치해석결과 조화지반가속도를 아치 구조물에 가하여 공진이 발생했을 때 MTMD 및 MSTMD는 구조물의 동적응답을 매우 효과적으로 줄일 수 있었다. 특히 MSTMD는 수동 MTMD에 비교하여 정상상태에서 2배 이상의 개선된 제어성능을 나타내었다.
따라서 공진 등으로 인하여 구조물에 큰 응답이 예상되는 지진하중에 대하여 MSTMD가 보다 효과적인 제어성능을 나타낼 것으로 기대된다. 또한 강진지역의 지진뿐만 아니라 우리나라와 같은 중약진 지역의 지진하중에 대해서도 MSTMD가 아치구조물의 지진응답 제어에 매우 효과적인 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 MSTMD는 아치구조물의 동적변위가 가장 큰 수직방향으로 설치되었지만 수직방향 뿐만 아니라 수평방향 동적응답도 매우 효과적으로 저감시킬 수 있었다.
또한 강진지역의 지진뿐만 아니라 우리나라와 같은 중약진 지역의 지진하중에 대해서도 MSTMD가 아치구조물의 지진응답 제어에 매우 효과적인 것을 확인할 수 있었다. 본 연구에서 MSTMD는 아치구조물의 동적변위가 가장 큰 수직방향으로 설치되었지만 수직방향 뿐만 아니라 수평방향 동적응답도 매우 효과적으로 저감시킬 수 있었다. 본 연구결과 MR 감쇠기로 구성된 MSTMD의 아치구조물 진동제어에 대한 적용성 및 효용성을 확인할 수 있었다.
본 연구에서 MSTMD는 아치구조물의 동적변위가 가장 큰 수직방향으로 설치되었지만 수직방향 뿐만 아니라 수평방향 동적응답도 매우 효과적으로 저감시킬 수 있었다. 본 연구결과 MR 감쇠기로 구성된 MSTMD의 아치구조물 진동제어에 대한 적용성 및 효용성을 확인할 수 있었다. 본연구에서는 MSTMD를 제어하기 위해서 전통적인 그라운드훅 제어알고리즘을 사용하였지만 제어성능의 개선을 위하여 추후에는 대공간 구조물의 특성을 고려한 보다 효율적인 준능동 제어알고리즘을 개발할 계획이다.

후속연구

특히 MSTMD는 수동 MTMD에 비교하여 정상상태에서 2배 이상의 개선된 제어성능을 나타내었다. 따라서 공진 등으로 인하여 구조물에 큰 응답이 예상되는 지진하중에 대하여 MSTMD가 보다 효과적인 제어성능을 나타낼 것으로 기대된다. 또한 강진지역의 지진뿐만 아니라 우리나라와 같은 중약진 지역의 지진하중에 대해서도 MSTMD가 아치구조물의 지진응답 제어에 매우 효과적인 것을 확인할 수 있었다.
본 연구결과 MR 감쇠기로 구성된 MSTMD의 아치구조물 진동제어에 대한 적용성 및 효용성을 확인할 수 있었다. 본연구에서는 MSTMD를 제어하기 위해서 전통적인 그라운드훅 제어알고리즘을 사용하였지만 제어성능의 개선을 위하여 추후에는 대공간 구조물의 특성을 고려한 보다 효율적인 준능동 제어알고리즘을 개발할 계획이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	TMD의 설치위치는?	구조물의 동적응답을 제어하기 위해서 동조질량 감쇠기를 설치할 때 설치위치를 선정하는 것이 가장 중요한 일이다. TMD의 설치위치는 동적하중에 의한 진폭이 가장 큰 위치를 선택하는 것이 일반적이다. 이를 파악하기 위해서 예제 아치구조물의 주요 저차모드 형상을 보면 1차 모드형상은 역대칭모드를 나타내고 2차 및 3차 모드형상은 대칭모드를 나타내는 것을 볼 수 있다.
	진동제어 장치를 활용하여 지진응답을 저감시키는 것에 대한 필요성이 제기되는 이유는?	따라서 지진이 발생한 지역에서 피난처 및 구호활동을 위한 장소로서 체육관이나 강당 같은 대공간 구조시스템이 적용된 건축물이 사용되고 있다. 그러나 강진지역에서 보고된 대공간 구조물의 피해사례를 살펴보면 구조물 자체의 국부적인 손상뿐만 아니라 천장이나 조명 등과 같은 지붕구조물에 매달린 물체의 낙하로 인하여 지진 후 응급 피난 대피소로서 사용되지 못하는 사례가 종종 나타나고 있다 1,2) . 따라서 고강성 및 상대적으로 작은 자중으로 인하여 지진하중에 대해서 비교적 안전하다고 평가받는 대공간 구조물에 대해서도 진동제어 장치를 활용하여 지진응답을 저감시키는 것에 대한 필요성이 제기되고 있다 3) .
	대공간 구조물이 골조건물에 비해 지진에 안전한 이유는?	일반적으로 대공간 구조물은 매우 우수한 하중전달성능을 가지고 있기 때문에 골조형식의 일반적인 빌딩구조물에 비해서 경량화가 가능하다. 이에 따라서 강한 지진하중에 대해서도 일반적으로 대공간 구조물이 골조건물에 비해서 보다 안전한 것으로 알려져 왔다.

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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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