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[국내논문] 능동제어기 설계를 위한 고층 건물의 풍응답 추정
Estimation of Wind-induced Responses of a Tall Building Structure for Designing Active Controller 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.30 no.2, 2017년, pp.159 - 167  

박현흠 (단국대학교 건축공학과) ,  문대호 (단국대학교 건축공학과) ,  이상현 (단국대학교 건축공학과)

초록
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본 연구의 목적은 능동제어기의 최적 제어력을 산정하는 과정에서 추정된 응답을 사용하기 위하여 고층건물의 풍응답을 정확하게 추정하는 것이다. 응답 추정을 위하여 칼만필터를 사용하였으며, 진동대에 설치된 3층 축소모형 구조물을 사용하여 추정 정확도를 검증하였다. 사용된 모델의 시스템 행렬은 시스템 식별에 의해 얻어진 모드 정보를 바탕으로 구성되었다. 가속도 응답으로부터 추정된 변위는 변위계로 계측된 변위와 거의 일치하는 결과를 보였다. 마지막으로 태풍 무이파에 의해 가진된 실제 39층 건축물의 풍응답을 추정하였다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

The purpose of this study is to accurately estimate the wind-induced responses of a tall building structure for using the estimated responses in the process of calculating the optimal force of an active control device. Kalman filter was used for the estimation process and a 3-storied model structure...

주제어

#칼만필터   #능동제어   #풍응답 추정   #시스템 식별  

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

문제 정의

  • 그러나 칼만필터를 이용하여 구조물의 응답을 추정하여도 정해를 알수 없기 때문에 추정 결과에 대한 검증이 어렵다. 따라서 본 연구에서는 입력과 출력을 모두 파악할 수 있는 축소모형 구조물에 대하여 시스템 식별 및응답 추정을 수행하여 유효성을 검증하고자 한다. 이 축소모형실험을 통하여 칼만필터를 사용한 응답 추정의 유효성을 검증하고, 최종적으로 실제 풍하중을 받는 39층 구조물에 대하여풍응답을 추정한다.
  • 본 연구에서는 고층 건물의 풍진동 저감을 위한 능동제어기의 설계를 위하여 구조물의 풍응답을 추정하고자 한다. 최적의 설계를 위하여 추정된 응답의 신뢰도가 중요하기 때문에 칼만 필터를 사용하여 응답을 추정할 때 여러 가지 변수에 따른 추정의 정확도를 3층 구조물에 대한 실험 및 수치해석을 통해 비교 검증한다.
  • 먼저 일반적인 풍하중을 받는 구조물의 동적해석을 위한 운동방정식을 구성한다. 본 연구에서는 실제 구조물에 대하여 시뮬레이션을 수행하기 위하여 시스템 식별을 통해 얻은 모드 정보를 바탕으로 시스템 행렬을 구성하였다.
  • 본 절에서는 계측 데이터의 오염도에 따른 칼만필터 추정 결과를 비교하고자 한다. 계측 데이터에 임의로 가우시안 백색잡음(gaussian white noise)과 비가우시안 충격잡음(nongaussian impact noise)을 각각 추가하고, 오염된 데이터를 대역통과필터 적용 여부에 따라 칼만필터에 의한 추정결과를 비교하였다.
  • 본 절에서는 칼만필터에 입력하는 계측 데이터의 수에 따른 추정결과를 비교하고자 한다. 예를 들어 1층 변위 응답을 추정할 때, 3층 가속도 응답만으로 추정하는 경우와 2층 및 3층 가속도 응답으로 추정하는 경우를 비교하였다.
  • 본 절에서는 칼만필터의 시스템 행렬을 구성할 때, 시스템행렬을 구성하는 구조물의 질량, 감쇠, 강성행렬의 모드 정보 수에 따른 추정결과를 비교하고자 한다. 즉, 1차 모드만으로구성된 시스템 행렬을 이용한 경우와 1차 및 2차 모드로구성된 시스템 행렬을 이용한 경우, 1차~3차 모드로 구성된 시스템 행렬을 이용한 경우에 대하여 칼만필터의 응답 추정 결과를 비교하였다.
  • 최적의 설계를 위하여 추정된 응답의 신뢰도가 중요하기 때문에 칼만 필터를 사용하여 응답을 추정할 때 여러 가지 변수에 따른 추정의 정확도를 3층 구조물에 대한 실험 및 수치해석을 통해 비교 검증한다. 최종적으로 풍하중이 작용하는 실제 39층 구조물의 풍응답을 추정하는 것이 본 연구의 목적이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
능동질량감쇠기의 장점은? 능동제어장치를 사용할 경우, 상대적으로 작은 질량과 스트로크만으로도 효과적인진동제어가 가능해지며 단일 장치로 다중모드를 동시에 제어할 수 있다. 특히 능동제어장치 중 질량형 제어장치인 능동질량감쇠기(active mass damper, AMD)는 구조물의 속도 응답과 제어장치의 관성력을 곱한 값이 항상 음수가 되기 때문에 전체 구조물의 에너지가 감소하면서 진동을 저감시키는 효과가 있다.
능동질량감쇠기란 무엇인가? 능동제어장치를 사용할 경우, 상대적으로 작은 질량과 스트로크만으로도 효과적인진동제어가 가능해지며 단일 장치로 다중모드를 동시에 제어할 수 있다. 특히 능동제어장치 중 질량형 제어장치인 능동질량감쇠기(active mass damper, AMD)는 구조물의 속도 응답과 제어장치의 관성력을 곱한 값이 항상 음수가 되기 때문에 전체 구조물의 에너지가 감소하면서 진동을 저감시키는 효과가 있다.
상층부 제어장치의 허용 스트로크나 질량에 제한이 있는 이유는? 사회가 발전함에 따라 삶의 질을 향상시키고자 하는 요구가 커지면서 구조물의 진동 등 사용성에 대한 관심이 커지고 있으며,구조물의 진동을 줄이기 위한 다양한 제어장치들이 개발되고 있다. 중력을 받는 구조물은 하부로 내려갈수록 넓어지는 형태가 안정적인 구조이기 때문에 상층부의 공간이 상대적으로 좁아진다. 이에 따라 구조물 상층부에 설치될 제어장치의 허용 스트로크나 질량 등에 제한사항이 발생한다.
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참고문헌 (9)

  1. Li, C., Reinhorn, A.M. (1995) Experimental and Analytical Investigation of Seismic Retrofit of Structrues with Supplemental Damping: Part II- Friction Devices, National Center for Earthquake Engineering Research, State University of New York at Buffalo. 

  2. Hwang, J.S. (2005) A Estimation Method of Wind Load Using the Acceleration of Building, J. Wind Eng. Inst. Korea, 9(2), pp.197-207. 

  3. Hwang, J.S. (2006) Wind Load Estimation of Building Using the Kalman Filter, J. Archi. Inst. Korea, 22(6), pp.3-11. 

  4. Hwang, J.S., Ahsan, K. (2007) Estimation of External Loads Using Structural Response, J. Archi. Inst. Korea, 23(1), pp.51-61. 

  5. Kang, K.S. (2004) Identification of Stiffness and Damping Matrix of Building Structures using Modal Characteristics, J. Earthq. Eng. Soc. Korea, 8(2), pp.45-53. 

  6. Min, K.W., Kim, D.H., Lee, S.K., Hwang, J.S. (1998) Vibration Control for Building Structures using Active Mass Driver (I):System Design, J. Earthq. Eng. Soc. Korea, 2(4), pp.87-94. 

  7. Min, K.W., Kim, J.K., Kim, S.C., Chung, L. (2001) Comparative Study on Active Control Algorithms through Weighting Functions, J. Comput. Struct. Eng. Inst. Korea, 14(2), pp.173-179. 

  8. Woo, S.S., Lee, S.H., Hwang, J.S. (2012) Identification of Dynamic Characteristics a Techno Mart Building Based on Wind-induced Vibration Measurements, J.Wind Eng. Inst. Korea, 16(4), pp.195-203. 

  9. Woo, S.S., Lee, S.H., Chung, L., Han, J.Y. (2014) System Identification of a 39-Story Building Structure Using an Active Mass Damper, J. Archi. Inst. Korea, 18(2), pp.95-101. 

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