비대칭 동조질량감쇠기를 활용한 바닥진동제어의 강건성 향상 방안

고아라,이철호,김성용,Ko, A Ra,Lee, Cheol Ho,Kim, Sung Yong 한국강구조학회 2014 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.26 No.3

최근 강재의 고강도화를 통한 부재 단면 사이즈의 절감은 종종 강성의 부족으로 이어져 과도한 처짐이나 진동문제를 야기한다. 따라서 적절한 설계나 예방을 통해 구조물의 바닥진동에 대한 보완이 필수적이다. 이러한 바닥진동 문제를 해결하기 위해 동조질량감쇠기가 종종 쓰이고 있다. 동조질량감쇠기는 바닥의 진동수에 대해 정확히 설계되었을 때에는 효율적으로 바닥진동을 제어할 수 있다. 하지만 바닥질량의 크기와 외부하중의 특성에 따라 바닥의 진동수가 수시로 변하는 경우에는 그 효율이 급격히 낮아질 가능성이 있다. 이러한 현상을 동조이탈이라고 한다. 본 연구는 실제 바닥에 가해지는 하중의 변화에 따라 바닥의 진동수가 달라지는 양상을 실험을 통해 고찰한다. 실험 바닥에 기존의 단일동조질량감쇠기를 적용하여 단일동조질량 감쇠기의 한계인 동조이탈현상을 확인한다. 또한, 바닥진동제어의 강건성을 확보하기 위해 진동수의 불확실성을 반영한 비대칭 동조질량감쇠기의 활용을 제안한다. TMD의 강건성이란 진동수가 변화하는 상황에서 바닥진동제어 성능이 얼마나 지속되느냐를 뜻한다. 제안된 비대칭 TMD는 두 개의 비대칭 강성을 가지고 있기 때문에 병진운동과 회전운동을 하면서 진동에너지를 소산한다. 제안된 비대칭TMD의 최적화 결과, 비대칭TMD는 기존 STMD에 비해 28%이상의 진동제어성능을 확보하였으며, 외부의 환경 변화에 대한 강건성은 약 1.4배 개선되었다. When floor vibration problems occur in existing buildings, TMD (tuned mass damper) can be a viable alternative to resolving the problem. Only when TMD has been exactly tuned to the natural frequency of the floor, it can control the vibration as intended in design. However, TMD gets inefficient in the situation where the natural frequency changes as a result of the uncontrollable variation of the floor mass weight. This physical phenomenon is often called as TMD-off-tuning. This study proposes asymmetric TMD for enhancing the robustness of floor vibration control against uncertain natural frequencies. The proposed TMD features two asymmetric linear springs such that the floor vibrational energy can be dissipated through both the translational and rotational motion. An easy-to-use graphical optimization method was developed in this study. The asymmetric TMD proposed outperformed in vibration control by 28% compared to that of conventional TMD. The robustness of asymmetric TMD of this study was two times higher than that of conventional TMD.

바닥판 구조물의 진동제어를 위한 MR 감쇠기의 적용

김기철,곽철승,Kim, Gee-Cheol,Kwak, Chul-Seung 한국공간구조학회 2006 한국공간구조학회지 Vol.6 No.3

수동동조질량감쇠기의 진동제어 효과는 질량감쇠기와 구조물과의 동조로 인하여 나타나고 있다. 그러나 바닥판 구조물의 질량과 강성의 변화로 인하여 실제 구조물에 있어서 비동조 현상이 일어나기도 한다. 이러한 상황에서는 수동동조질량감쇠기의 성능이 비효율적이며 경우에 따라서는 구조물의 진동을 증가시키기도 한다. 본 논문에서는 기계나 사람에 의한 바닥판 구조물의 진동을 줄이기 위하여 자기유체감쇠기의 적용성을 알아보고자 한다. 준 능동제어와 groundhook 제어 알고리즘을 적용하여 준능동감쇠기의 성능과 수동질량감쇠기의 성능을 비교 분석하였다. 또한 비동조 상황에서의 준능동감쇠가와 수동질량감쇠기의 견인성을 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 자기유체감쇠기는 동조상황에서 우수한 제어 성능을 가지고 있으며 비동조 상황에서도 우수한 견인성을 보여주고 있다. A conventional passive TMD is only effective when it is tuned properly. In many practical applications, inevitable off-tuning of a TMD occurs because the mass in a building floor could change by moving furnishings, people gathering, etc. when TMDs are offtuned, TMDs their effectiveness is sharply reduced. Moreover, the off-tuned nTMDs can excessively amplify the vibration levels of the primary structures. This paper discusses the application of a new class of MR damper, for the reduction of floor vibrations due to machine and human movements. The STMD introduced uses a MR damper called to semi-active damper to achieve reduction in the floor vibration. Here, the STMD and the groundhook algorithm are applied to a single degree of freedom system representative of building floors. The performance or the STMD is compared to that or the equivalent passive TMD. In addition, the effects of off-tuning due to variations in the mass of the floor system. Comparison of the results demonstrates the efficiency and robustness or STMD with respect to equivalent TMD.

실물크기 구조물에 설치된 동조액체질량감쇠기의 성능실험

허재성,박은천,이성경,이상현,김홍진,조지성,조봉호,주석준,민경원,Heo, Jae-Sung,Park, Eun-Churn,Lee, Sung-Kyung,Lee, Sang-Hyun,Kim, Hong-Jin,Jo, Ji-Seong,Cho, Bong-Ho,Joo, Seok-Jun,Min, Kyung-Won 한국전산구조공학회 2008 한국전산구조공학회논문집 Vol.21 No.2

본 연구에서는 하나의 제어장치로 서로 직교하는 2방향의 건물응답을 동시에 제어할 수 있는 동조액체질량감쇠기(Tuned Liquid Mass Damper; TLMD)를 제안하고 제어성능을 실험적으로 검증하였다. 본 연구에서 제안된 TLMD는 한 방향으로는 동조액체기둥감쇠기(Tuned Liquid Column Damper; TLCD) 내부에 채워진 액체의 운동에너지를 이용하여 구조물의 응답을 제어하게 된다. 그리고, 다른 한 방향 즉 TLCD의 직각 방향으로는 LM guide(linear motion guide) 위에 놓인 TLCD 수조와 내부의 액체의 질량을 이용하여 동조질량감쇠기(Tuned Mass Damper; TMD)로 거동하게 함으로써 구조물의 응답을 감소시킨다. 이와 같은 TLMD의 양방향 독립거동 특성을 증명하기 위해 실물크기의 구조물에 설치하여 강제진동실험을 수행하였다. 실험결과, 양방향 모두 대상 구조물의 응답을 감소시키는 것을 확인하여 제안된 TLMD의 효용성을 검증하였다. In this paper, a tuned liquid mass damper(TLMD) was proposed and experimentally investigated on its control performance, which can control bi-axial responses of building structures by using only one device. The proposed TLMD controls the structural response in a specific one direction by using a liquid sloshing of TLCD. Also, the TLMD reduces the response of structures in the other orthogonal direction by behaving as a TMD that uses mass of the container itself and liquid within container of TLCD installed on linear motion guides. Force-vibration tests on a real-sized structure installed with the TLMD were performed to verify its independent behavior in two orthogonal directions. Test results showed that the responses of a structure were considerably reduced by using the proposed TLMD and its usefulness for structural control in two orthogonal directions.

동조질량 감쇠기에 의한 건물 바닥판의 연직진동제어

이동근,김진구,안상경 한국지진공학회 1998 한국지진공학회논문집 Vol.2 No.4

기계설비가 설치되어 있는 건축구조물의 바닥판은 기계설비의 진동이 미소하다 하더라도 공진이나 맥놀이(beating) 현상에 의하여 큰 진동이 발생할 수 있다 이러한 진동은 감쇠장치의 일종인 동조질량감쇠기를 이용하여효과적으로 저감시킬 수 있다 그러나 진동저검 효과를 동조질량감쇠기의 설치위치 및 진동수에 많은 영향을 받는다, 특히 하중의 위치에 EK라서 건축구조물의 바닥판에 대하여 하중의 위치에 따른 동조질량감쇠기의 위치와 동조진동수 결정방법에 대하여 연구하였으며 가진층뿐만이 아니라 비가진층의 진동저감에 대해서도 연구하였다 정상상태 응답을 효율적으로 구하기 위하여 벡터합성법 및 대형 요소를 사용하였으며 구조물의 진동을 효과적으로 저감시킬수 있는 동조질량감쇠기의 위치 및 동조진동수를 찾을수 있었다. The floors of building structures equipped with vibrating machines can be susceptible to large vibration as a result of resonance or beating. Such a vibration can be reduced efficiently by using tuned mass dampers. However, the effectiveness of the damper depends greatly on the location and the natural frequency of the damper. To determine the optimum damper location is especially important since the dynamic behavior of a building structure varies with the location of the input loading. To this end, it is intended to decide the location and natural frequency of tuned mass dampers for reducing vibration of both loaded floors and floors located nearby the loaded floors considering the location and frequency components of the loading. The Vector composition method and the super elements are used th obtain the responses in steady states, and the optimum damper location and natural frequencies were found with the given damper mass.

TMD와 TLCD를 이용한 2방향 감쇠기의 동적특성

이성경,민경원,박은천,Lee, Sung-Kyung,Min, Kyung-Won,Park, Eun-Churn 한국전산구조공학회 2008 한국전산구조공학회논문집 Vol.21 No.6

This study introduces the design of a bi-directional damper using a tuned mass damper(TMD) and a tuned liquid column damper(TLCD) and presents experimental verifications to confirm its control performance. The damper used in this study behaves as a TMD in a specific translational direction and acts as a TLCD in the other orthogonal direction. First, shaking table test is performed to investigate the coupled effect of control forces produced by TMD and TLCD. Then, the parameters that affect to dynamic characteristics of the proposed damper are quantitatively evaluated based on the experimental results. Testing results shows that the damper used in this study produces control forces coupled by TLCD and TMD, as it is excited by waves with an incident angle. Also, it is observed that the damper can be used to reduce bi-directional responses of building structures. 본 연구에서는 동조질량감쇠기(TMD)와 동조액체 기둥감쇠기(TLCD)로 구성된 2방향 감쇠기의 제어성능을 실험적으로 검증하였다. 본 연구에 사용된 감쇠기는 한방향으로는 TMD로 거동하고, 다른 직교하는 방향에서는 TLCD로 거동하여 제어력이 발생하는 감쇠기이다. 우선, 제작된 감쇠기의 동적특성과 TMD와 TLCD에 의해 발생하는 제어력들의 연계효과를 조사하기 위한 진동대 실험을 수행하였다. 다음으로 이러한 실험결과를 바탕으로 감쇠기의 동적특성에 영향을 미치는 파라미터를 정량적으로 평가하였다. 본 연구에서 사용된 감쇠기가 입사각을 갖는 진동에 의해 가진될 때 TMD와 TLCD에 의해 연계된 제어력이 발생하는 것을 진동대 실험결과로부터 확인하였다. 또한, 감쇠기가 건축물의 2방향 응답제어에도 효과적으로 사용될 수 있음을 확인하였다.

동조질량감쇠기의 고유진동수 변화에 따른 진동 감쇠 효과 증대

홍성민(Hong, Seongmin),김범진(Kim, Bumjin),유은정(Yu, Eun-Jeong) 한국과학영재교육학회 2019 과학영재교육 Vol.11 No.1

연구는 동조질량감쇠기(이하 TMD)의 고유진동 수를 조절하여 지진으로 인한 건물의 진동을 감쇠시키는 효과를 조사하기 위한 연구이다. 먼저 CNC 프로그램을 이용하여 건물의 모식도를 그린 후, 아크릴로 건물 구조물을 제작하고, 무거운 쇠구슬로 TMD 모형을 만들었다. 건물의 고유진동수는 진동수 별로 최대 진동변위를 측정하여 피크 값을 찾아 측정하였다. TMD 의 부착 유무와 고유진동수를 변경시키며 대조군과 실험군을 설정하여 진동 감쇠 효과를 비교하였다. 실험군은 TMD의 고유진동수를 건물의 고유진동수와 같은경우, TMD의 고유진동수가 지진동의 고유진동수와 같은 경우, TMD의 고유진동수가 건물의 고유진동수 혹은 지진동의 진동수와 같지 않은 경우, 대조군은 TMD를 부착하지 않은 경우로 나누어 각각 진동 감쇠 효과를 분석하였다. 연구 결과 TMD의 고유진동수와 지진동의 고유진동수가 같은 경우에 진동의 감쇠 효과가 가장 크다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 연구결과를 바탕으로 지진동의 진동수에 따라 동조질량감쇠기의 고유진동수를 조절할 수 있는 기술이 발전하게 된다면 진동의 감쇠 효과를 증대 시킬 수 있을 것으로 기대된다. The purpose of this study is to investigate the damping effect of the vibration of buildings due to earthquakes by adjusting the natural frequency of Tuned Mass Damper(TMD). First, a schematic diagram of a building was drawn using a Computer Numerical Control(CNC) program, and an acrylic structure was built to hang a heavy iron ball, and then the natural frequency of the building itself was measured. The natural frequency of the building was measured by measuring the maximum vibration displacement for each frequency, and the peak value was measured. The vibration damping effect was compared through adjusting natural frequency of TMD, by setting the control group and the experiment group. The experimental group was divided into the case where the natural frequency of the TMD was equal to the natural frequency of the building, the natural frequency of the TMD is the same as the natural frequency of the earthquake vibration, and the case where the natural frequency of the TMD was different to the both frequency of the earthquake vibration and natural frequency of the building. In the control, no TMD was attached. The results showed that the vibration damping effect was the greatest when the natural frequency of the TMD was equal to the natural frequency of the earthquake dynamic. Based on the results of this study, it is expected that the damping effect can be maximized if the technology to control the natural frequency of TMD is developed according to the frequency of earthquake vibration.

TLCD와 LCVA의 설계파라미터에 대한 실험적 평가

이성경,민경원,박지훈,Lee, Sung-Kyung,Min, Kyung-Won,Park, Ji-Hun 한국전산구조공학회 2009 한국전산구조공학회논문집 Vol.22 No.5

본 연구에서는 실험결과를 바탕으로 액체형 기둥감쇠기의 감쇠계수와 제어력에 참여하는 유효질량을 시스템 식별기법을 이용하여 정량적으로 평가하였다. 먼저, 두가지 형태의 동조액체형 기둥감쇠기를 제작하여 진동대 실험을 실시하였다. 다음으로 수조내부 액체의 수위를 변화시켜 가면서 조화하중 가진실험에 의한 감쇠기의 동적특성을 실험적으로 구하였다. 마지막으로 수치해석 모델과 실험결과와의 오차를 최소화하는 것에 의해 수위변화에 따른 감쇠기의 감쇠비와 유효질량을 정량적으로 평가하였다. 시스템 식별결과로부터 감쇠비와 유효질량이 감쇠기의 수위가 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났다. In this paper, damping coefficients and effective masses of tuned liquid-type column dampers were quantitatively evaluated based on experimental results by using system identification technique. First, shaking table tests were performed for two types of tuned liquid-type column dampers. Then, the dynamic characteristics of dampers used in this study were experimentally grasped from harmonic wave excitation testing results of the dampers with various water level. Finally, damping ratios and effective masses of the dampers with varying water level were quantitatively evaluated from minimizing the errors between numerical and experimental results. It was confirmed from system identification results that damping ratio and effective mass are decreased as the water level of dampers is increased.

부가질량형 감쇠기의 현장실험을 통한 동특성추정

김홍진,조지성,주석준,황재승 한국풍공학회 2010 한국풍공학회지 Vol.14 No.1

<P>TLD(Tuned Liquid Damper)나 TLCD(Tuned Liquid Column Damper)와 같이 액체를 질량체로 사용하는 부가질량형 감쇠기의 경우 동특성추정을 위하여 실제 크기의 진동제어기를 공장에서 제작하여 실험하는 것이 불가능하다. 또한 TMD(Tuned Mass Damper)의 질량체를 콘크리트로 사용하는 콘크리트 TMD의 경우에도 공장실험에서 콘크리트를 타설할 수 없기 때문에 완성된 TMD의 정확한 동적특성을 파악하는 것이 어렵다. 따라서 본 논문에서는 공장 가조립을 통한 실험을 실시하여 동적특성을 추정하기 어려운 경우에 대하여 현장실험을 통한 동특성추정 기법에 관하여 소개하고자 한다. 이를 위해 건물과 진동제어기의 연계된 운동방정식(Coupled equation of motion)으로부터 비연계 운동방정식(Decoupled equation of motion)을 유도한다. 유도된 비연계 운동방정식을 기반으로 건물의 응답과 진동제어기의 응답을 각각 시스템 식별을 위한 입력과 출력으로 하여 일반적인 시스템기법을 이용하여 동특성을 추정할 수 있도록 한다.</P>

지반 기진력을 받는 구조물의 진도제어를 위한 Hybrid Mass Damper의 유용성에 관한 연구

문석준,임채욱,정태영,한성용 한국지진공학회 2001 한국지진공학회논문집 Vol.5 No.4

본 논문에서는 지반 기진력을 받는 5층의 시험 구조물의 전동 레벨을 줄이기 위해 AC 서보모터를 이용한 복합 질량 감쇠기를 설계 및 제작하여, 5층의 시험구조물을 랜덤 및 지진 파형으로 가진하였을 때의 복합 질량 감소기와 동조 질량 감쇠기의 효과 및 제어 성능을 실험을 통해 비교 분석하였다. 이를 통해 복합질량 감쇠기는 동조 질량 감쇠기에 비하여 특히 과도 상태의 지진이 구조물의 2개 모드 이상을 동시에 가진할 경우에 구조물의 진동을 줄임에 훨씬 더 유용함을 확인하였다. In this paper, a hybrid mass damper using AC-servomotor was designed and developed in order to reduce vibration levels of a 5-story test structure under base excitation. Control performances of the HMD under random and earthquakes excitations are compared with those of TMD through experimental test. It is confirmed that the HMD is more effective to reduce the vibration levels of the test structure especially for the earthquake excitation which excites more than 2 vibration modes of the structure simultaneously.

동조질량감쇠기를 사용한 39층 철골조 구조물의 연직방향 진동 제어

우성식(Woo, Sung-Sik),이상현(Lee, Sang-Hyun),황지현(Hwang, Ji-Hyun),정란(Chung, Lan) 대한건축학회 2013 大韓建築學會論文集 : 構造系 Vol.29 No.1

An abnormal vibration accident occurred in a 39 story steel frame structure on July 5th, 2011. In this study, The eigenvalue and time history analyses were conducted using a 3 dimensional numerical model to investigate the vertical vibration cause. The vertical accelerations of the several floors measured during the tests of human rhythmic movements in a fitness center on the 12th floor were compared with the analysis results. Based on test data and numerical results, it was identified that the natural frequency of vertical vibration mode of the building is equal to the main frequency of human group rhythmic movements and the resonance of the vertical mode caused the abnormal vertical vibration of the building.