유전자알고리즘을 이용한 정적풍하중의 추정에 관한 연구

황재승,이충남 한국풍공학회 2009 한국풍공학회지 Vol.13 No.2

In this study, a procedure to estimated static wind loads on building structures using a real-code genetic algorithm is provided. In the process, the effect of the location and number of sensors on the accuracy of the estimation is profoundly investigated through numerical analysis. With actual static wind loads evaluated according to the KBC 2005 code, displacement responses of a thirty-story building are calculated and some of the displacement responses are used to identify the static wind loads. From the numerical results, it is shown that the accuracy of the estimation is sensitive to the performance index of the genetic algorithm and the accuracy can be enhanced when the location of sensors is uniformly distributed over the building. 본 연구에서는 실수코딩 유전자알고리즘을 이용하여 정적풍하중을 추정하는 과정에서 중요한 요소인 측정센서의 개수와 위치가 미치는 영향을 분석하는 것을 목적으로 하였다. 영향을 분석하는 방법은 수치적인 방법을 이용하며 실수코딩 유전자알고리즘을 이용한 해석후의 실제 풍하중 추정정도의 정확도에 따라 측정센서의 개수와 위치에 의한 영향을 평가하였다. 첫 단계로써 코드에 따른 정적풍하중을 생성하여 30층 구조물에 대한 각 층의 풍하중, 전단강성행렬, 정적변위를 구한 후 다음 단계로써 유전자알고리즘을 이용하여 센서의 개수와 위치에 따라 구조물의 응답을 사용하여 풍하중을 추정하였다. 유전자알고리즘의 목적함수는 실제풍하중과 또는 실제풍하중과 유사하게 생성한 풍하중을 이용하여 만들 수 있다. 본 연구에서는 센서의 개수와 위치에 따른 각 변수의 최단시간 도출에 대한 내용을 분석하는데 중점을 두어 실제풍하중을 목적함수로 이용하였다.

적분필터를 이용한 능동형 제진장치(AMD) 이송거리 안정화 알고리즘에 관한 연구

황재승,이상현 대한건축학회지회연합회 2013 대한건축학회연합논문집 Vol.15 No.2

능동형 질량 댐퍼는 AMD의 질량에 의해 유발되는 관성력을 이용하여 제어력을 생성하는 진동 제어 시스템의 일종이다. 제어력을 생성시키는 방법에 따라, 구조물의 응답 또는 변위를 액츄에이터의 입력신호로 사용하게 된다. 가속도 신호로부터 변위 또는 속도를 구하기 위해서는 적분과정이 필요하다. 본 논문에서는 AMD의 이송거리를 설계하기 위하여, 칼만 필터와 적분 필터가 안정한 알고리즘으로 소개된다. 수치 시뮬레이션 결과에서 두 필터는 정확하게 가속도 응답으로부터 상태변수를 추정할 수 있으며, AMD의 이송거리를 설계하기 위한 매우 강력한 알고리즘으로 사용될 것으로 사료된다.

가상 질량 동조기에 의한 구조물의 감쇠비 추정

황재승 한국풍공학회 2016 한국풍공학회지 Vol.20 No.1

본 연구는 가상 질량 동조기(VMT)를 이용하여 구조물의 응답으로부터 구조물의 감쇠비를 구하는 기법을 다룬다. 백색잡음뿐만아니라, 특정 진동수 가진, 충격하중 가진 등 다양한 하중종류 및 특성에 의하여 발생한 구조물의 계측응답에 대하여 VMT를 적용하였을 때 구조물의 감쇠비를 추정하는 기법에 대해서 다루고, VMT의 동적특성이 구조물 감쇠비 추정에 미치는 영향을 수치적으로 분석하였다. 수치해석결과에 의하면, VMT에 의하여 구조물 감쇠비 추정이 충분한 신뢰성을 가지고 예측되는 것을 확인 할 수 있었다. 충격하중을 받는 응답을 이용하는 경우 VMT에 의하여 가장 안정적으로 구조물 감쇠비 추정이 가능한 것을 알 수 있었으며, 백색잡음, 협소대역 하중에 대해서도 VMT의 지정 감쇠비를 너무 작게 산정하지 않으면 감쇠비 추정이 가능한 것으로 나타났다. 정현파의 경우에는 가진 진동수의 VMT 비율을 이용하여 감쇠비 추정이 가능한데 고유진동수와 인접할수록 정밀도가 높아지는 것을 알 수 있었다. This study outlines a technique to obtain a structural damping ratio from measured responses of the structure using the virtual mass tuner(VMT). For the structural responses induced by the different load types such as white noise, narrow band load, impact load and sine wave load, numerical analyses are performed to verify the applicability of VMT in the estimation of the damping ratio, and to consider the effect of the characteristics of loads and VMT on the accuracy of the damping ratio. From the numerical results, it is found that VMT is able to precisely estimate the damping ratio with a sufficient reliability regardless of the load type. When using a response by the impact load, the damping ratio is much more stably estimated. In addition, if the damping ratio of VMT is designated not too small, the damping ratio can be accurately estimated for the response induced by the white noise and narrow band load. In the case of the sine wave, it is possible to estimate the structural damping ratio using a variance ratio of the VMT at the different excitation frequencies.

독립성분분석(ICA)법을 이용한 모드특성 추정에 관한 연구

황재승,김재형,Hwang, Jae-Seung,Kim, Jae-Hyung 대한건축학회 2011 대한건축학회논문집 Vol.27 No.5

Independent component analysis (ICA) is a method separating the mixture of signals into statistically and mutually independent ones. It has been applied to not only the Cocktail-party problem but also EEG analysis using the EEG waveform, digital signal processing, image processing and cognitive technique field actively. This study aims to propose a procedure to estimate the modal responses and mode shapes of a structure by using the ICA method from analyzed responses of the structure, which is first attempt to the architecture and civil engineering works field. It is introduced a basic concept of ICA with the fixed-point (FP) algorithm based on secant method and the kurtosis. From the concept of the separation performance of mixed-signal, modal responses and mode shape of a building structure are estimated based on ICA method. For the verification of the ICA method, a numerical simulation is performed. In the simulation, it is assumed that the mode shape and time history of the structural responses had been known through the dynamic analysis and state space analysis of a structure. Then, some parts of responses of the structure are chosen from analysed responses and those are used as input responses to estimated the modal responses and mode shape of a structure by the ICA method. From the numerical results, it is shown that the ICA method can be effectively applied to the mode separation and the estimation of modal properties of structure.

대기경계층 공탄성 실험에서 역추정된 동적 풍방향 하중 특성

황재승 대한건축학회지회연합회 2018 대한건축학회연합논문집 Vol.20 No.1

The dynamic along-wind response based on spectral modal analysis has been adopted as a wind load standard in many countries over the world due to the advantage of evaluating the dynamic response by the simple theoretical formula since it has been established in the 1960s. In theoretical evaluation process, the modal wind load spectrum was derived from the spectral density of longitudinal velocity fluctuation, and the spectral modal analysis is performed for the wind-resistant performance. Since the modal wind load spectrum is derived by simplifying wind characteristics such as drag coefficient, turbulence intensity, co-coherence, etc. to facilitate the theoretical development, it is necessary to examine the validity of the simplification. In this study, the aero-elastic model test was performed in the atmospheric boundary layer wind tunnel, and the modal response was separated from the acceleration responses measured from the model test by applying the state space mode decomposition technique. And then modal load was estimated in order to compare with the theoretical modal wind load. Especially, the characteristics of aerodynamic admittance used for the conversion from spectral density of wind velocity to modal wind load spectrum are mainly analyzed and compared with theoretical aerodynamic admittance. From the results, it is shown that the spectrum of estimated dynamic wind load is slightly different with the theoretical wind load spectrum according to the top wind velocity, but the overall spectral characteristics is similar in the frequency signature. Applying the process in this study to the measured response of a structure under natural wind, it can be used for estimating the wind load in the natural environment condition and establishing a wind load model based on in-situ data. 스펙트럼 모드해석에 기반한 풍방향 동적해석법은 1960년대에 정립된 이후, 이론적인 식에 의해서 응답을 평가할 수 있는 장점 때문에 세계 많은 나라에서 풍하중 기준으로 사용되고 있다. 이론식은 변동풍속 스펙트럼으로부터 모달풍하중 스펙트럼을 유도하고 스펙트럼해석에 의한 변동응답을 이용하여 구조물의 내풍성능을 평가할 수 있었다. 모달 풍하중 스펙트럼은 이론적 전개를 용이하게 하기 위하여 풍력계수, 난류강도, 코-코히어런스 등과 같은 바람의 성상을 단순화하여 유도된 것으로 그에 대한 타당성을 검토할 필요가 있다. 본 연구에서는 대기 경계층 풍동에서 공탄성 실험을 수행하고 하중 추정법을 이용하여 풍방향 동적하중을 구하였으며, 이를 이론적인 모달 풍하중 스펙트럼과 비교하였다. 공탄성 실험으로부터 계측된 가속도 응답에 상태공간 모드분해법을 적용하여 모달응답을 구하고 그로부터 풍방향 모달하중을 역추정하고 이론적 모달풍하중과 비교하여 그 특성을 분석하였다. 특히 풍속스펙트럼으로부터 모달 풍하중스펙트럼으로의 변환과정에서 요구되는 공력어드미턴스의 특성을 이론적 어드미턴스와 비교분석하였다. 분석결과 추정된 풍방향 동적하중 스펙트럼은 최상층 풍속에 따라 이론적 풍하중 스펙트럼의 크기가 다소 다르게 반영되어 나타났으나 진동수 특성은 매우 유사한 것을 확인할 수 있었다. 본 연구기법과 과정을 자연풍을 받는 구조물의 실계측 응답에 적용하면 자연환경상태의 풍하중을 분석하고 그에 기반하여 풍하중 모델을 정립하는데 활용 가능할 것으로 사료된다.

구조물 계측응답으로 구성된 상태공간에서의 모드분해

황재승 한국풍공학회 2018 한국풍공학회지 Vol.22 No.1

The mode decomposition framework using output-only responses is mostly defined in the physical coordinate, and has been applied to obtain the generalized mode response using the conventional mode shape. A state space mode decomposition method has been recently attempted to overcome the limitations of the conventional mode decomposition method for non-classical damping structure, and to enhance the possibility to decompose a modal response with monochromatic nature. In this paper, a new method is proposed to extend the mode decomposition method defined in the physical coordinate to the state space, and investigate the mode decomposition characteristics and decomposition performance. Also, it is proposed a method to extend Frequency Domain Decomposition (FDD) and Blind Source Separation (BSS) defined in the physical coordinate to corresponding state space mode decomposition method. For the extension to the state space from physical coordinate, it is examined that the measurement accelerations are used to obtain the state variables and to construct the state space composed of the estimated state variables. From the numerical simulation to validate the state space mode decomposition, it is shown that state space mode decomposition method has better decomposition performance than the physical coordinate mode decomposition method, and provides the mode shape similar to the theoretically obtained state space mode shape. 계측응답에 대한 모드분해법은 대부분 물리공간에서 정의되고, 모드형상을 이용하여 일반화모드응답을 구하는데 적용된다. 구조물이 가지는 비고전 감쇠에 대한 기존 모드분해법의 한계를 극복하고 단조성을 가지는 모드형상의 분해가능성을 높이기 위하여 상태공간 모드분해법이 최근 시도되고 있다. 본 연구에서는 물리공간에서 정의되었던 모드분해법을 상태공간 모드분해법으로 확장하는 새로운 기법을 제시하고, 이들이 가지는 모드분해 특성과 분해성능을 고찰하였다. 또한 기존 물리공간에서 정의되었던 FDD, BSS 모드분해법을 상태공간 모드분해법으로 확장하는 기법을 제시하였다. 상태공간에서의 모드 확장성을 위하여 구조물의 계측 가속도를 상태변수로 변환하고 이들로 구성된 상태공간을 구성하는 방법도 고찰하였다. 상태공간으로의 확장성과 분해성능을 수치해석을 통하여 검증하였으며, 그 결과 상태공간 모드분해법이 물리공간 모드분해법에 비하여 분해성능이 우수하며, 이론적으로 정의된 상태공간 모드형상과 유사하게 모드형상을 제공하는 것으로 나타났다.

진동수영역 상태변수를 이용한 구조물의 동적하중 추정

황재승,이태진,박희준,박세훈 한국풍공학회 2016 한국풍공학회지 Vol.20 No.1

본 연구의 목적은 시스템 식별기술과 칼만필터링을 기반으로 계측된 가속도응답을 이용하여 구조물에 작용하는 모달하중을 역으로 추정하는 기법을 제시하는데 있다. 하중추정 과정에서 가속도응답은 모드응답으로 분해되며 각 모드응답에 대한 모달하중을 역으로 추정한다. 역해석과정에서 발생하는 ill-posed문제를 피하기 위하여 가상진동기에 의해 구조물의 고유진동수와 감쇠비를 보다 정밀하게 구하기 위한 시스템 식별법을 사용하였다. 본 연구에서 제안된 기법의 적용성을 위하여 40층의 철골구조물에 태풍이 작용 했을 때 계측된 가속도를 사용하였다. 적용결과에 의하면 본 연구에서 제안된 하중추정법에 의하여 모달하중 추정이 가능함을 알 수 있었다. The aim of this work is to investigate the applicability of a force identification technique using only the acceleration responses measured from a structure while taking into account Kalman filtering and a system identification techniques. Under the force identification framework of this study, the measured acceleration responses are decomposed into modal acceleration responses, and then, the corresponding external modal forces are inversely estimated from the decomposed modal responses with the assistance of the Kalman filtering. In order to avoid the ill-posed problem in the inverse analysis as much as possible, the natural frequency and damping ratio of the each mode are precisely identified by virtual dynamic shaker before applying the force identification technique. For the verification of the proposed framework, the force identification process is applied to the acceleration responses measured from a 40 story steel framed building structure during a typhoon passage. From the numerical simulation results, it is found that the modal wind load can be identified with the proposed modal force estimation method.

카고메 트러스 패널을 활용한 벽체의 차음성능 특성

황재승,류종관,송한솔,박현구,이태진,박희준,박세훈 한국건축친환경설비학회 2018 한국건축친환경설비학회 논문집 Vol.12 No.1

This study investigated the sound isolation characteristic of wall system using the Kagome truss panel through sample and full-scale sound isolation experiments. Samples (1×1 m 2 , depth:100 mm) of Kagome truss panel were first tested in the rectangular chamber. The samples consisted of various surface materials (steel plate, CRC board, gypsum board, and plywood), Kagome truss and filling materials (urethane foam, aerated concrete and light-weight concrete). Results of sample test showed that the Kagome truss panel with steel plate and urethane foam had best sound isolation performance (48 dB in Rw). Additional sound isolation experiment with wall panel (3.9×2.4 m 2 , depth: 270 mm) in full-scale was conducted in the reverberation chamber. The wall system was comprised of gypsum board, air-space, C-stud with glass wool and the Kagome truss panel with steel plate and urethane foam, which was used in the sample test. It was shown that sound isolation performance of the triple wall system using the Kagome truss panel was 58 dB in Rw. The sole Kagome truss panel showed sound isolation performance of 44 dB in Rw, which is lower than result in sample test. It was also shown that sound isolation performance was increased by about 5 dB in Rw after installing gypsum board and glass wool, respectively. Computational analysis of sound transmission for the wall system was also conducted and compared with the results of experiment.

LMI 기법에 의한 제진 시스템 최적 설계

황재승,김의용,이원호 한국풍공학회 2019 한국풍공학회지 Vol.23 No.4

Vibration control systems have been used in order to enhance the serviceability or stability of structures subject to various dynamic load. The vibration control strategy has been independently divided into the form of -norm and -norm, and developed into more efficient controller design by linear matrix inequality(LMI) approach. In this study, it is proposed a new control technique that minimizes key variables required in the vibration control while guaranteeing the structure response at the point of interest below a certain value. For the mixed vibration control, the magnitude of the structural response at the point of interest was set as a constraint by linking the required equivalent damping ratio and -norm, and the objective function is formulated in form of -norm with the variables such as the stroke of active mass damper or the capacity of passive damper. The proposed mixed control technique is numerically verified by applying it to a structure equipped with an active mass damper(AMD) or viscoelastic damper(VD). Numerical results show that it is more efficient to apply active or passive vibration control system by converting the mixed vibration control into the LMI optimal problem. 구조물의 진동에 의해 유발되는 사용성, 안정성 저하를 방지하고, 성능을 개선하기 위하여 많은 진동제어시스템이 사용되어 왔다. 제어기 설계가 -norm, -norm 으로 분리되어 독립적으로 이루어지다가 LMI 기법에 의하여 보다 효율적인 제어기 설계가 가능하게 되었다. 본 연구에서는 관심지점의 구조물 응답을 특정한 값 이하로 보장한 상태에서 제진장치 구동에 필요한 변수를 최소화하는 제어알고리듬을 개발하여 능동형뿐만 아니라 수동형제진장치에도 적용하는 방안을 제시하였다. 관심지점의 구조물 응답의 제한은 요구 등가감쇠비와 -norm을 연계하여 구속조건으로 설정하고 목적함수는 제진장치의 이송거리 또는 댐퍼 용량은 -norm으로 표현하는 혼합제어를 구성하였다. 본 연구에서 제안된 혼합제어 기법을 능동질량감쇠기와 등가치환 점탄성 댐퍼가 설치된 구조물에 적용하여 수치적으로 검증하였다. 수치해석결과, 혼합제어문제를 LMI표준형으로 전환하면 능동형, 수동형 제진장치 설계를 보다 용이하게 적용 가능함을 알 수 있었다.

독립성분분석(ICA)법을 이용한 모드응답분리

황재승,박성철,Hwang, Jae-Seung,Park, Seong-Cheol 한국전산구조공학회 2012 전산구조공학 Vol.25 No.3