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문제 정의
- 또한, 구조물의 성능과 구속조건을 고려하지 않은 상태에서 상대적으로 구조물의 성능(관성력, 댐핑력, 강성력 등)보다 용량이 큰 MRdamper를 부착할 경우 구조물의 거동에 영향을 줄 수 있으며, 이러한 영향은 오히려 구조물의 거동을 증폭시켜 구조물에 피해를 줄 수 있다. 따라서 구조물의 성능에 따른 MR-damper의 최적 제어력을 산정하여 제시하고자 한다. 최적제어력을 산정하기 위해서 2-Span 거동제어모사시스템을 개발하고 simulation을 통하여 성능을 검증하고, 이 모델을 이용하여 MRdamper의 제어력을 계산하였다.
- 본 논문의 주요 목적 중의 하나가 구조물의 내력에 비례하여 어느 정도 용량의 MR-damper를 사용할 때 적절한 제어가 이루어지는가를 평가하기 위한 연구이다. 따라서 이와 같은 조건을 MR-damper의 최적 제어조건이라 정의하고, 모형구조물의 내력(관성력, 댐핑력, 강성력 등) 조건을 질량항목으로 제시하고 구조물의 질량 증가에 따른 MR-damper의 제어력을 계측하여 성능을 평가 하였다.
- 본 연구에서는 제어하고자 하는 구조물의 성능에 적합한 MR-damper의 제어력을 제시하기 위하여 연구를 수행하였다. 연구수행을 위하여 제작된 2-span 교량과 MR-damper의 모델링을 위하여, 구조물에 MR-damper가 부착되지 않은 상태에서의 shaking table test와 MR-damper 성능 실험을 진행하였으며, 각 모델링 결과를 포함한 거동모사시스템을 구성하였다.
제안 방법
- 2) 총 11개의 case로 분류하여 진행한 구조물의 성능과 MR-damper의 적정 제어력 산정을 위한 simulation을 수행하였다. 그 결과, MR-damper가 발휘할 수 있는 제어력이 구조물 성능의 20%를 초과할 경우, passive on 상태에서 span A와 Span B가 하나의 구조물과 같은 거동을 보였다.
- 2-Span 거동제어모사시스템에 재하 되는 하중변화에 따라 case별로 MR-damper의 최적제어 성능을 확인하기 위하여 simulation을 통하여 각 Span의 최대 거동 범위와 Span과 Span 간의 상대 거동 범위, 그리고 MR-damper의 제어력과 RB의 제어력으로 분류하여 정밀하게 분석하였다. 또한, 분석한 데이터를 근거로 제어구조시스템에 적합한 MR-damper의 최적 제어 성능을 제시하였다.
- Span A에 설치된 RB의 강성은 10 kN이고 Span B에 설치된 RB의 강성은 20 kN을 사용하였다. 2-Span 교량에 설치된 Rubber Bearing의 횡방향 강성을 결정하기 위하여 El-centro 100% 하중으로 진동대를 가진하였으며, 교량 하부에 설치된 Loadcell을 통하여 데이터를 획득하고, 획득된 데이터를 이용하여 RB의 이력모델변수 추출 및 RB모델을 검증하였다. RB의 제어력은 비선형 이력변수에 영향을 받으므로, 이러한 이력변위를 반영할 수 있는 Bouc-wen 이론을 이용하여 RB를 모델링하였다.
- 1의 왼쪽 상판을 Span A, 오른쪽 상판을 Span B라고 명명하였다. 2-Span 단순보 교량은 각 span과 상부 지지대와 하부지지대 사이에 각 Span을 지지하는 Rubber Bearing으로 설계하였다. 이 교량의 Span A는 2300 mm의 길이와 질량이 1476 kg이고 Span B는 길이 6000 mm, 질량 3492 kg의 단순교량으로 설계하고 제작하였다.
- MR-damper의 제어 성능을 평가하기 위해서 30 kN의 Bypass형 MRdamper를 Fig. 3과 같이 설계하고 제작하였다.
- MR-damper의 최적 제어조건을 평가를 위해서 MR-damper가 부착된 Fig. 1의 2-Span 거동제어모사시스템을 이용하여 구조물제어시스템 모델을 개발하였다. 개발된 simulation 모델에 짧은 Span A에는 10 kN 씩, Span B에는 20 kN 씩 추가하여 A, B Span의 제어하중의 합이 최대 300kN까지 증가하여 simulation을 수행하였다.
- 각 Span의 최대 거동범위와 Span과 Span 간의 상대 거동 범위를 Fig. 6과 같이 거동 제어 simulation을 수행하여 결과를 도출하였다. 여기서, 최대거동 범위는 획득된 변위 데이터의 좌측거동 변위와 우측거동변위의 최댓값을 의미하며, 상대 거동 범위는 각 Span A와 Span B의 거동범위의 상대적인 차를 의미한다.
- Rodgers 2008). 각 case별로 El-centro 100%의 지진하중을 MR-damper에 0A를 인가한 Passive OFF 상태와 3A를 인가한 Passive ON상태로 분류하여 진행하였다.
- 1의 2-Span 거동제어모사시스템을 이용하여 구조물제어시스템 모델을 개발하였다. 개발된 simulation 모델에 짧은 Span A에는 10 kN 씩, Span B에는 20 kN 씩 추가하여 A, B Span의 제어하중의 합이 최대 300kN까지 증가하여 simulation을 수행하였다. Table 3에 제어하중의 case를 11가지로 구분하였다.
- 구조물의 재하하중 변화에 따른 MR-damper의 거동 특성 분석을 위한 simulation에서 MR-damper 이외에도 RB의 영향이 구조물의 거동을 지배하는 중요한 요인으로 작용한다. 그에 따라 질량변화에 따른 RB의 제어력 변화도 확인하였다. Fig.
- 본 논문의 주요 목적 중의 하나가 구조물의 내력에 비례하여 어느 정도 용량의 MR-damper를 사용할 때 적절한 제어가 이루어지는가를 평가하기 위한 연구이다. 따라서 이와 같은 조건을 MR-damper의 최적 제어조건이라 정의하고, 모형구조물의 내력(관성력, 댐핑력, 강성력 등) 조건을 질량항목으로 제시하고 구조물의 질량 증가에 따른 MR-damper의 제어력을 계측하여 성능을 평가 하였다. 제어장치의 위치는 각 span에 발생하는 변위를 동시에 제어할 수 있는 span과 span 사이에 MR-damper를 설치하여 각 스팬의 질량을 구조물의 관성력과 댐핑력과의 관계를 갖도록 하였다.
- 2-Span 거동제어모사시스템에 재하 되는 하중변화에 따라 case별로 MR-damper의 최적제어 성능을 확인하기 위하여 simulation을 통하여 각 Span의 최대 거동 범위와 Span과 Span 간의 상대 거동 범위, 그리고 MR-damper의 제어력과 RB의 제어력으로 분류하여 정밀하게 분석하였다. 또한, 분석한 데이터를 근거로 제어구조시스템에 적합한 MR-damper의 최적 제어 성능을 제시하였다.
- 성능 실험 조건은 sin파 0.4 Hz, 변위 Å}20 mm, 속도 40 mm/s의 조건에서 0~3A의 전류를 인가하여 진행하였다.
- 거동모사시스템을 적용한 simulation 결과와 MR-damper가 부착된 이경간 교량의 shaking table test 결과를 상호 비교하였을 때 우수한 일치도를 보이면서 거동모사시스템의 신뢰성을 입증하였다. 신뢰성이 입증된 거동 모사시스템을 활용하여 구조물의 성능과 MR-damper의 제어력 간의 관계를 분석하여, 구조물의 거동제어를 위한 MR-damper의 적정 제어력을 제시하였다. 이와 같은 연구의 결과는 다음과 같다.
- 실험에 사용되는 구조물의 최대 거동범위를 고려하여 MR-damper 피스톤의 최대 이동 범위는 140 mm(Å}70 mm)로 설계하였다.
- 5와 같이 상호 비교하였다. 실험은 El-centro 100% 지진하중을 사용하여 Shaking Table 실험(부산대 지진센터)을 진행하였다. 구조물의 변위와 상대변위를 그래프 상으로 비교하였다.
- 본 연구에서는 제어하고자 하는 구조물의 성능에 적합한 MR-damper의 제어력을 제시하기 위하여 연구를 수행하였다. 연구수행을 위하여 제작된 2-span 교량과 MR-damper의 모델링을 위하여, 구조물에 MR-damper가 부착되지 않은 상태에서의 shaking table test와 MR-damper 성능 실험을 진행하였으며, 각 모델링 결과를 포함한 거동모사시스템을 구성하였다. 거동모사시스템을 적용한 simulation 결과와 MR-damper가 부착된 이경간 교량의 shaking table test 결과를 상호 비교하였을 때 우수한 일치도를 보이면서 거동모사시스템의 신뢰성을 입증하였다.
- 4 Hz, 변위 Å}20 mm, 속도 40 mm/s의 조건에서 0~3A의 전류를 인가하여 진행하였다. 위와 같은 조건으로 성능실험을 진행한 이유는 MRdamper가 작동할 수 있는 최대 속도가 60 mm/s이므로 안정성을 고려하여 최대속도의 2/3인 40 mm/s로 실험을 진행하였다. 전류의 공급은 0~3 Ampere의 전류 공급이 가능한 Kikusui 사의 PMC18-3A를 사용하였다기계적 성능실험 결과, 대표적인 힘-변위응답 곡선그래프는 Fig.
- 이 MR-damper는 전체 길이 777 mm, 목표 제어력은 1A의 인가전류에 10 kN씩 증가하도록 하여 최대 인가전류, 3A에서 30kN의 제어력을 발휘하도록 하였다. 실험에 사용되는 구조물의 최대 거동범위를 고려하여 MR-damper 피스톤의 최대 이동 범위는 140 mm(Å}70 mm)로 설계하였다.
- 따라서 이와 같은 조건을 MR-damper의 최적 제어조건이라 정의하고, 모형구조물의 내력(관성력, 댐핑력, 강성력 등) 조건을 질량항목으로 제시하고 구조물의 질량 증가에 따른 MR-damper의 제어력을 계측하여 성능을 평가 하였다. 제어장치의 위치는 각 span에 발생하는 변위를 동시에 제어할 수 있는 span과 span 사이에 MR-damper를 설치하여 각 스팬의 질량을 구조물의 관성력과 댐핑력과의 관계를 갖도록 하였다.
- 따라서 구조물의 성능에 따른 MR-damper의 최적 제어력을 산정하여 제시하고자 한다. 최적제어력을 산정하기 위해서 2-Span 거동제어모사시스템을 개발하고 simulation을 통하여 성능을 검증하고, 이 모델을 이용하여 MRdamper의 제어력을 계산하였다.
대상 데이터
- MR-damper의 성능 확인 및 모델 규명을 위한 기계적 성능 실험은 한국 철도기술연구원의 스프링 시험기를 이용하였다. 성능 실험 조건은 sin파 0.
- 실험에 사용되는 구조물의 최대 거동범위를 고려하여 MR-damper 피스톤의 최대 이동 범위는 140 mm(Å}70 mm)로 설계하였다. MR-damper의 제어력에 큰 역할을 하는 자기관의 외부덮개와 전자석 사이의 간격은 1.0 mm로 설계하였으며, 독일 BASF사의 MR 유체를 사용하였다.
- 2-Span 단순보 교량은 각 span과 상부 지지대와 하부지지대 사이에 각 Span을 지지하는 Rubber Bearing으로 설계하였다. 이 교량의 Span A는 2300 mm의 길이와 질량이 1476 kg이고 Span B는 길이 6000 mm, 질량 3492 kg의 단순교량으로 설계하고 제작하였다.
데이터처리
- 1) 구조물의 모델과 MR-damper의 모델을 포함하여 구성한 거동모사시스템을 활용한 simulation 결과와 실제 MR-damper가 부착된 구조물의 shaking table test 결과를 상호 비교하였다. 그 결과 거동모사시스템은 실제 구조물의 거동을 매우 잘 모사함을 확인하였다.
- 실험에 사용할 2-Span 거동제어모사시스템의 수학적 모델링의 적정성 검토를 통한 simulation의 신뢰성을 높이기 위하여 실제 2-Span 거동제어 모사시스템의 진동제어 시험과 simulation의 결과를 Fig. 5와 같이 상호 비교하였다. 실험은 El-centro 100% 지진하중을 사용하여 Shaking Table 실험(부산대 지진센터)을 진행하였다.
이론/모형
- 2-Span 교량에 설치된 Rubber Bearing의 횡방향 강성을 결정하기 위하여 El-centro 100% 하중으로 진동대를 가진하였으며, 교량 하부에 설치된 Loadcell을 통하여 데이터를 획득하고, 획득된 데이터를 이용하여 RB의 이력모델변수 추출 및 RB모델을 검증하였다. RB의 제어력은 비선형 이력변수에 영향을 받으므로, 이러한 이력변위를 반영할 수 있는 Bouc-wen 이론을 이용하여 RB를 모델링하였다.
성능/효과
- Fig. 6(a)와 Table 4의 Passive OFF상태에서 확인 할 수 있는 바와 같이, Span A와 B의 최대 거동 범위와 그에 따른 상대 거동 범위가 case 1~6까지는 재하하중이 추가됨에 따라 선형에 가깝게 증가 추이를 보이지만, case 6(총 재하하중 150 kN) 이후로는 비선형을 나타내면서 재하 하중이 증가하여도 최대 거동범위와 상대 거동범위의 수치는 크게 증가되지 않는 것을 확인할 수 있다. 또한, Fig.
- MR-damper가 적용된 구조물의 재하하중 변화에 따른 MR-damper의 제어력 simulation결과, case 6의 Passive ON상태에서 최대의 제어력을 보였다. 이때, Passive OFF 상태와 Passive ON상태의 최대 제어력의 차이도 가장 크게 발생하였다.
- 이와 같이 나타난 현상은 MR-damper가 보유하고 있는 최대 제어용량의 제어 한계점으로써 그 이상의 하중이 발생되어질 때 MR-damper 제어력의 항복점 이라고 판단된다. MR-damper가 적용된 구조물의 최대 거동 범위와 MR-damper의 제어력 분석 결과, case 6 이상의 하중이 추가되어야 MR-damper의 최대 제어력을 나타내는 것으로 확인하였다.
- 연구수행을 위하여 제작된 2-span 교량과 MR-damper의 모델링을 위하여, 구조물에 MR-damper가 부착되지 않은 상태에서의 shaking table test와 MR-damper 성능 실험을 진행하였으며, 각 모델링 결과를 포함한 거동모사시스템을 구성하였다. 거동모사시스템을 적용한 simulation 결과와 MR-damper가 부착된 이경간 교량의 shaking table test 결과를 상호 비교하였을 때 우수한 일치도를 보이면서 거동모사시스템의 신뢰성을 입증하였다. 신뢰성이 입증된 거동 모사시스템을 활용하여 구조물의 성능과 MR-damper의 제어력 간의 관계를 분석하여, 구조물의 거동제어를 위한 MR-damper의 적정 제어력을 제시하였다.
- 결과적으로 case 6(150 kN) 이상의 재하하중(구조물저항력)이 작용하여야 30 kN MR-damper의 최적 제어력을 발휘하는 것으로 판단된다. 따라서 구조물에 부착하여 사용되는 MR-damper의 제어용량 산정 시 구조물의 저항력 대비 20%의 제어용량을 갖는 MR-damper를 사용하여야 한다고 판단된다.
- 이는 MR-damper의 최대 제어력을 보이는 조건이 case 6이므로 최소한 case 6 이상의 재하하중이 가중되어야 MR-damper의 최대 제어력을 나타내는 것으로 확인하였다. 결과적으로 case 6의 상태, 즉, 150 kN 이상의 재하하중(구조물저항력)이 작용하여야 30 kN MR-damper의 최적 제어력을 발휘하는 것으로 판단된다. 따라서 구조물에 부착하여 사용되는 MR-damper의 제어용량 산정 시 구조물의 저항력 대비 20%의 제어용량을 갖는 MR-damper를 사용하여야 할 것이다.
- 1) 구조물의 모델과 MR-damper의 모델을 포함하여 구성한 거동모사시스템을 활용한 simulation 결과와 실제 MR-damper가 부착된 구조물의 shaking table test 결과를 상호 비교하였다. 그 결과 거동모사시스템은 실제 구조물의 거동을 매우 잘 모사함을 확인하였다. 이러한 결과로부터, 거동모사시스템은 구조물의 성능과 MR-damper의 제어력 간의 관계 규명을 위한 시스템으로 사용할 수 있는 신뢰성을 확보하였다.
- 2) 총 11개의 case로 분류하여 진행한 구조물의 성능과 MR-damper의 적정 제어력 산정을 위한 simulation을 수행하였다. 그 결과, MR-damper가 발휘할 수 있는 제어력이 구조물 성능의 20%를 초과할 경우, passive on 상태에서 span A와 Span B가 하나의 구조물과 같은 거동을 보였다. 20% 미만일 때는 MR-damper의 제어력의 변화가 불안정하였다.
- 20% 미만일 때는 MR-damper의 제어력의 변화가 불안정하였다. 따라서 El-centro 100%의 지진하중이 가진된 구조물의 진동을 제어하기 위한 MR-damper의 최대 제어용량은 구조물의 성능 대비 약 20% 내외로 확보되어야 최대 제어력을 발휘하는 것으로 판단된다.
- 5에서 보는 바와 같이 2-Span 거동제어모사시스템의 각 구성 요소인 RB와 MR-damper의 모델을 적용한 simulation의 결과가 실험 결과와 매우 일치하는 것을 보여주고 있다. 따라서 RB와 MR-damper의 모델을 포함한 2-Span 거동제어모사시스템의 수학적 모델링이 적절함을 검증하였다.
- 결과적으로 case 6(150 kN) 이상의 재하하중(구조물저항력)이 작용하여야 30 kN MR-damper의 최적 제어력을 발휘하는 것으로 판단된다. 따라서 구조물에 부착하여 사용되는 MR-damper의 제어용량 산정 시 구조물의 저항력 대비 20%의 제어용량을 갖는 MR-damper를 사용하여야 한다고 판단된다.
- 결과적으로 case 6의 상태, 즉, 150 kN 이상의 재하하중(구조물저항력)이 작용하여야 30 kN MR-damper의 최적 제어력을 발휘하는 것으로 판단된다. 따라서 구조물에 부착하여 사용되는 MR-damper의 제어용량 산정 시 구조물의 저항력 대비 20%의 제어용량을 갖는 MR-damper를 사용하여야 할 것이다.
- 그 결과 거동모사시스템은 실제 구조물의 거동을 매우 잘 모사함을 확인하였다. 이러한 결과로부터, 거동모사시스템은 구조물의 성능과 MR-damper의 제어력 간의 관계 규명을 위한 시스템으로 사용할 수 있는 신뢰성을 확보하였다.
- 결국, 거동범위의가 길어지면 길어질수록 MR-damper에서 발생할 수 있는 제어력까지는 계속적으로 커지게 된다. 전체적으로 제어력을 분석해 보면, 최대 압축제어력과 최대 인장제어력의 경우, Passive OFF상태에서는 case 6 이후에는 case 1~6까지 제어력의 증가추세와 비교해 볼 때 현저히 낮은 증가폭을 보임을 확인할 수 있다. 또한, Passive ON 상태의 경우에는 case 6 이후에는 더 이상의 증가 없이 제어력이 감소하는 것을 확인할 수 있다.
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