스마트 TMD 제어를 위한 강화학습 알고리즘 성능 검토

강주원,김현수,Kang, Joo-Won,Kim, Hyun-Su 한국공간구조학회 2021 한국공간구조학회지 Vol.21 No.2

A smart tuned mass damper (TMD) is widely studied for seismic response reduction of various structures. Control algorithm is the most important factor for control performance of a smart TMD. This study used a Deep Deterministic Policy Gradient (DDPG) among reinforcement learning techniques to develop a control algorithm for a smart TMD. A magnetorheological (MR) damper was used to make the smart TMD. A single mass model with the smart TMD was employed to make a reinforcement learning environment. Time history analysis simulations of the example structure subject to artificial seismic load were performed in the reinforcement learning process. Critic of policy network and actor of value network for DDPG agent were constructed. The action of DDPG agent was selected as the command voltage sent to the MR damper. Reward for the DDPG action was calculated by using displacement and velocity responses of the main mass. Groundhook control algorithm was used as a comparative control algorithm. After 10,000 episode training of the DDPG agent model with proper hyper-parameters, the semi-active control algorithm for control of seismic responses of the example structure with the smart TMD was developed. The simulation results presented that the developed DDPG model can provide effective control algorithms for smart TMD for reduction of seismic responses.

다목적 유전자알고리즘을 이용한 스마트 TMD의 퍼지제어

강주원,김현수,Kang, Joo-Won,Kim, Hyun-Su 한국전산구조공학회 2011 한국전산구조공학회논문집 Vol.24 No.1

본 연구에서는 스마트 TMD를 효과적으로 제어할 수 있는 퍼지제어알고리즘을 개발하기 위하여 다목적 유전자알고리즘을 이용한 최적화기법을 제안하였다. 예제구조물로는 풍하중을 받는 76층 벤치마크건물을 선택하였다. 스마트 TMD를 구성하기 위하여 100kN 용량의 MR 감쇠기를 사용하였고, 스마트 TMD의 진동주기는 예제구조물의 1차모드 고유진동주기에 맞추어 조율되었다. MR 감쇠기의 감쇠력은 예제구조물의 풍응답을 최소화할 수 있도록 퍼지제어기를 통해서 조절된다. 퍼지제어기의 입력변수는 75층의 가속도 응답과 스마트 TMD의 변위응답으로 하였고, 출력변수는 MR 감쇠기로 전달되는 명령전압으로 하였다. 퍼지제어기의 최적화를 위하여 다목적 유전자알고리즘인 NSGA-II 기법이 사용되었고, 이때 75층의 가속도 응답과 스마트 TMD의 변위응답을 목적함수로 사용하였다. 최적화 결과, 구조물의 풍응답과 STMD의 변위응답을 동시에 적절히 제어할 수 있는 다수의 퍼지제어기를 얻을 수 있었다. 수치해석을 통해서 스마트 TMD의 성능이 수동 TMD에 비하여 월등히 뛰어남을 알 수 있었고 경우에 따라서는 샘플 능동 TMD보다 더 우수한 제어성능을 발휘하였다. In this study, an optimization method using multi-objective genetic algorithm(MOGA) has been proposed to develop a fuzzy control algorithm that can effectively control a smart tuned mass damper(TMD). A 76-story benchmark building subjected to wind load was selected as an example structure. The smart TMD consists of 100kN MR damper and the natural period of the smart TMD was tuned to the first mode natural period of the example structure. Damping force of MR damper is controlled to reduce the wind-induced responses of the example structure by a fuzzy logic controller. Two input variables of the fuzzy logic controller are the acceleration of 75th floor and the displacement of the smart TMD and the output variable is the command voltage sent to MR damper. Multi-objective genetic algorithm(NSGA-II) was used for optimization of the fuzzy logic controller and the acceleration of 75th story and the displacement of the smart TMD were used as objective function. After optimization, a series of fuzzy logic controllers which could appropriately reduce both wind responses of the building and smart TMD were obtained. Based on numerical results, it has been shown that the control performance of the smart TMD is much better than that of the passive TMD and it is even better than that of the sample active TMD in some cases.

스마트 최상층 면진시스템의 진동제어 성능평가

강주원,김태호,김현수,Kang, Joo-Won,Kim, Tae-Ho,Kim, Hyun-Su 한국공간구조학회 2010 한국공간구조학회지 Vol.10 No.3

본 연구에서는 스마트 최상층 면진시스템을 적용한 고층건물의 풍응답 제어성능을 검토해보았다. 이를 위하여 77층 초고층 건물을 예제구조물로 선택하였고 풍동실험을 통해서 얻은 풍하중을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 예제구조물의 최상층은 FPS 및 MR 감쇠기로 구성된 스마트 면진시스템을 이용하여 주구조물과 분리된다. 주구조물의 동적응답을 저감시키는 것이 스마트 최상층 면진시스템의 가장 중요한 목표이지만 면진된 최상층의 과도한 응답은 구조물을 불안정하게 만들 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 면진된 최상층과 주구조물을 효과적으로 제어하기 위하여 스카이훅제어기를 제어알고리즘으로 사용하였다. 제안된 스마트 최상층 면진시스템의 제어성능을 검토하기 위하여 일반적인 수동 최상층 면진시스템의 제어성능과 비교하였다. 수치해석결과 제안된 스마트 최상층 면진시스템을 이용하면 일반적인 수동 최상층 면진시스템에 비해서 면진층의 변위를 효과적으로 줄이면서도 구조물의 응답을 저감시킬 수 있음을 확인할 수 있었다. In this study, the control performance of a smart top-story isolation system for tall buildings subjected to wind excitation was investigated. To this end, a 77-story tall building structure was employed and wind loads obtained from wind tunnel test were used for numerical simulations. The top-story of an example structure is separated from the main structure by a smart base isolation system composed of friction pendulum systems (FPS) and MR dampers. The primary purpose of the smart top-story isolation system is to mitigate the dynamic responses of the main structure, but the excessive movement of the isolated top story may cause the unstableness of the building structure. Therefore, the skyhook control algorithm was used to effectively reduce both responses of the isolated top story and the main structure. The control performance of the proposed smart top-story isolation system was investigated in comparison with that of the passive top-story isolation system. It has been shown from numerical simulation results that the smart top-story isolation system can effectively reduce wind-induced responses of the example building structure compared to the passive top-story isolation system with reduction of the top-story movement.

하부기둥에 따른 아치구조물의 고유주기 변화에 관한 실험적 연구

강주원,석근영,이상훈,김기철,Kang, Joo-Won,Seok, Keun-Yung,Lee, Sang-Hoon,Kim, Gee-Cheol 한국공간구조학회 2009 한국공간구조학회지 Vol.9 No.2

기존에 공간구조물의 동적거동에 관한 대부분의 연구는 수치해석적 방법을 이용하여 지붕구조의 동적거동 파악을 위주로 하고있다. 그러나 실제 공간구조물의 지붕구조는 기둥 또는 벽체와 같은 하부구조에 의해 지지되므로 지진발생시 상부구조의 동적거동은 하부구조에 따라서 많은 영향을 받는다. 본 연구에서 아치구조물에 대한 하부 기둥구조의 재질을 황동과 폴리카보네이트로 하고 각각의 단면 및 길이 변화와 상부 지붕구조의 추가질량에 따른 고유주기 변화특성을 파악하고자 한다. 기둥의 강성 및 추가질량의 변화에 대하여 고유주기의 변화율이 상대적으로 크게 나타났다. 즉 하부 기둥구조의 강성이 상부 지붕구조의 강성과 비교하여 매우 큰 경우에 기둥구조의 강성변화나 지붕구조의 질량변화에 따른 공간구조물의 고유진동수 변화가 거의 없다. The previous studies for dynamic behavior of spatial structure have been zoomed in on roof structure by numerical analytic method. But the roof structure of real spatial structures is supported by lower structure as column and wall. So, when earthquake is occurred, it is predicted that dynamic behavior of roof structure is affected by lower structure. Therefore, on this study, natural period characteristics of arch structures are analyzed according to section, length and the modulus of elasticity of brass column and polycarbonate column and additional mass of roof structure by the scale-down model of arch structure as the most simple structure of spatial structures. The changes of natural periods are generally alike. But, when Polycarbonate column is connected to roof structure, the change of natural period for change of section is relatively large. That means that change of section and section and length of column and additional mass of roof structure have less influence on change of stiffness because the modulus of elasticity of brass is relatively large.

대공간 건축물의 형태별 지진거동특성

강주원,정찬우,Kang, Joo-Won,Jung, Chan-Woo 한국공간구조학회 2008 한국공간구조학회지 Vol.8 No.1

인장막구조물의 단축인장응력에 관한 연구

강주원,김재열,Kang, Joo-Won,Kim, Jae-Yeol 한국공간구조학회 2011 한국공간구조학회지 Vol.11 No.3

Membrane materials are very flexible, thus wrinkling, uniaxial state, can be occurred. The wrinkling are due to lots of various factors as eccentric force, construction errors, and fabrication errors. These wrinkled membrane elements are in status of uniaxial stress. In the paper, a method which be able to check the wrinkling is proposed. The stress-deformation analysis of membrane structures for given external load will be carried out, and here the membrane elements are regarded as wrinkled state if the principal stress 2 is smaller than 0. With proposed method, two existed construction examples, Suwon auditorium and Okinawa 75 Expo, are analyzed. 막재는 매우 유연하여 압축력이 가해지면 주름이 생길 수 있다. 이러한 주름은 막재료를 재단하거나 접합하는 과정에서 생기는 제작오차, 시공오차 및 장기간의 편심하중에 의해 막재 표면에 주름이 발생할 수 있다. 본 논문에서는 막재 요소가 단축응력상태가 되어 주름을 일으키는 과정을 기술하고 주름을 체크할 수 있는 방법을 제안하였다. 막구조물에 대한 형상해석이 완료된 후 실제 하중을 적용한 응력-변형해석 시, 주응력을 계산하여 주응력 2가 0보다 작은 경우 주름이 발생한 것으로 간주되었다. 적용성을 알아보기 위해서 먼저 안장형 구조물을 해석하였고, 실제구조물인 수원야외 음악당 지붕구조에 설치된 막구조물과 1975년 오키나와 엑스포에 세워졌던 막구조물을 예제로 하여 본 논문에서 제안된 방법을 적용하여 해석해 보았다.

아치구조물의 지진응답제어를 위한 스마트 면진시스템의 적용

강주원,김현수,Kang, Joo-Won,Kim, Hyun-Su 한국전산구조공학회 2011 한국전산구조공학회논문집 Vol.24 No.2

Base isolation system is widely used for reduction of dynamic responses of structures subjected to seismic load. Recently, research on a smart base isolation system that can effectively reduce dynamic responses of the isolated structure without accompanying increases in base drifts has been actively conducted. In this study, a smart base isolation system was applied to an arch structure subjected to seismic excitation and its control performance for reduction of seismic responses was evaluated. In order to make a smart base isolation system, 4kN MR dampers and low damping elastomeric bearings were used. Seismic response control performance of the proposed smart base isolation system was compared to that of the optimally designed lead-rubber bearing(LRB) isolation system. To this end, an artificial ground motion developed based on KBC2009 design response spectrum was used as a seismic excitation. Fuzzy control algorithm was used to control MR damper in the smart base isolation system and multi-objective genetic algorithm was employed to optimize the fuzzy controller. Based on numerical simulation results, it has been shown that the smart base isolation system can drastically reduce base drifts and seismic responses of the example arch structure in comparison with LRB isolation system. 지진하중이 가해지는 구조물의 동적응답을 줄이기 위해서 면진장치가 널리 사용되고 있다. 근래에 들어서는 면진층의 변위를 증가시키지 않으면서도 면진된 구조물의 동적응답을 효과적으로 줄일 수 있는 스마트 면진시스템에 대한 연구가 활발히 이루어지고 있다. 이에 본 연구에서는 지진하중을 받는 아치구조물의 동적응답을 저감시키기 위하여 스마트 면진시스템을 적용하였고 제어성능을 검토하였다. 스마트 면진시스템을 구성하기 위하여 4kN 용량의 MR 감쇠기와 저감쇠 탄성 고무베어링을 사용하였다. 제안된 스마트 면진시스템의 제어성능을 검토하기 위하여 최적설계된 LRB와 지진응답 제어성능을 비교하였다. 이를 위하여 KBC2009 설계응답스펙트럼에 맞추어 생성한 인공지진파를 지진하중으로 사용하였다. 스마트 면진시스템의 MR 감쇠기를 제어하기 위하여 퍼지제어기를 사용하였으며, 다목적 유전자알고리즘을 이용하여 최적화하였다. 수치해석결과 스마트 면진시스템을 사용하면 LRB를 사용한 경우와 비교하여 면진층 변위와 아치구조물의 지진응답을 크게 줄일 수 있음을 확인하였다.

개폐식 대공간 건축물의 통합설계 엔지니어링 기술개발 연구단

강주원,김기철,이동우,박금성,Kang, Joo-Won,Kim, Gee-Cheol,Lee, Dong-Woo,Park, Keum-Sung 한국공간구조학회 2015 한국공간구조학회지 Vol.15 No.4

하부기둥을 갖는 아치 구조물의 지진응답에 관한 연구

강주원,이상훈,Kang, Joo-Won,Lee, Sang-Hoon 한국공간구조학회 2010 한국공간구조학회지 Vol.10 No.1

공간구조물은 일반 라멘구조와는 다른 동적특성을 가지고 있으며 이런 동적특성에 관해 많은 연구가 수행되고 있다. 그러나 대부분의 연구는 특정 형태의 공간구조물에 대해 수행되었으며 내진설계를 위해 직접적으로 이용 가능한 연구결과는 매우 제한적이다. 본 연구에서는 공간구조물의 기본적인 동적특성을 내재한 트러스-아치구조물을 대상으로 양단의 기둥의 길이가 다른 경우에 트러스 아치구조물의 지진응답변화를 분석하고자 한다. 양단 기둥 길이의 차이에 따라 가속도 응답이 수평방향에 비해 수직방향에서 더 많은 영향을 받는다. 따라서 상부구조물을 지지하는 하부구조물의 강성이 다른 경우에 공간구조물의 내전설계에 있어서 수직방향 응답에 대한 고려가 더욱 많이 요구된다. Spatial structures have the different dynamic characteristics from general rahmen structures and many studies on dynamic behavior of it is conducted. But most studies was conducted about the particular shape of spatial structures and, directly, the usable results of studies are very limited for seismic design of spatial structures with the lower structure. So, this study is conducted about the truss arch structure that the basic dynamic characteristics of spatial structure is inherent in, and the change of its seismic response is analyzed when columns have different length on both ends of it. According to the difference of column's length on both ends, the vertical acceleration response of truss arch structure is affected more than the horizontal acceleration response of it. Therefore, when the stiffness of lower structures that support the upper structure is different, the consideration of the vertical response is significantly required for the seismic design of spatial structures.

개폐식 대공간 구조물의 현황과 전망

강주원,김기철,김현수,석근영,Kang, Joo-Won,Kim, Gee-Cheol,Kim, Hyun-Su,Seok, Keun-Young 한국공간구조학회 2014 한국공간구조학회지 Vol.14 No.3