Optimal design of nonlinear multiple tuned mass dampers with frictional mechanism

김성용 서울대학교 대학원 2017 국내박사

Modern development of design techniques and material science in architectural engineering contributes to increase in demand for buildings with longer span and light weight structure. In spite of its advantageous aspects, such advances in technologies often leads to problems with undesired discomfort caused by excessive vibration. In order to help dampen the unwanted excessive vibration, a variety of relevant techniques have been investigated, among which tuned mass damper (TMD) is one of the most widely used techniques so as to control the problematic vibration. This study first investigates the optimal solution of linear multiple tuned mass dampers (linear MTMDs, LMTMDs) of various configurations. The configurations considered in this study include the cases where the frequency ratios are linearly distributed, the damping coefficients are uniformly distributed, the mass distributions are linearly distributed, or these constraints are combined in some ways. Two different optimization techniques are employed: Nominal Performance Optimization (NPO) and Robust Performance Optimization (RPO). The NPO searches a solution that minimizes the objective function deterministically, while the RPO minimizes the mean value of the objective function, assuming that the associated structural parameters are probabilistic rather than deterministic. Further, this study provides contour maps for the root-mean-square (RMS) displacement of main structure and the largest RMS displacement of LMTMDs, which can be useful in the design process. Next, this study seeks the optimal solution of frictional multiple tuned mass dampers (FMTMDs) in which the Coulomb-type frictional force is incorporated in either purposefully or unintentionally. In this study, four of the feasible FMTMD configurations are formulated and comparably analyzed. The investigated configurations involve: 1) no constraint on either the frequency ratios or the coefficient of friction (COF) is imposed; 2) the frequency ratios are linearly distributed and equally spaced; 3) the COFs are identically distributed; 4) the frequency ratios are equally spaced and the COFs are identical. In order to cope with the difficulties inherent in nonlinearity of the problem, this study adopts a statistical linearization technique, which enables the complicated nonlinear force terms to be linearized in a statistical sense. Some miscellaneous considerations such as stroke limitations and design procedure are also aptly included. This study mainly addresses RMS responses and extreme value distributions for the frictional multiple tuned mass dampers (FMTMDs). In designing of optimal FMTMD, the original nonlinear system arising from the frictional elements is replaced with an equivalent linear system by means of statistical linearization. In order to improve the accuracy for the estimation of peak distribution of MTMDs, this study exploits a statistical nonlinearization technique which replaces the nonlinear system at hand with a class of other nonlinear systems whose exact solution has been already explicitly derived. A correction factor that defines the ratio of RMS displacement between nonlinear and linear system is derived based on the results of statistical nonlinearization technique. This study also provides an explicit formula for evaluating a peak factor for frictional TMDs. The correction factor and the peak factor proposed are validated with Monte Carlo Simulation. Several application examples of MTMDs are included in this thesis. of multiple tuned mass dampers (MTMDs). In the first section, a mechanism-based frictional pendulum tuned mass damper (FPTMD) is proposed, which contributes to overcome some shortcomings of conventional translational TMDs with viscous damping. In the second section, a numerical study is carried out to provide a design procedure of MTMDs, which covered modal analysis based on finite element method, optimal design of tuned mass dampers, and evaluating their control performance and robustness under the frequency-perturbed states. The final section presents a project in an attempt to mitigate an excessive vibration of a problematic structure. The overall process of the project includes the vibration performance evaluation, modal analysis based on finite element method and optimal design and manufacturing of tuned mass dampers.

Tuned mass damper를 이용한 linear quadratic gaussian 하이브리드 제진

최요섭 동의대학교 대학원 2006 국내석사

현대의 건물은 구조 기술력의 향상, 건설 재료의 개발 및 시공 기술의 발달과 인구의 도시 집중화 현상 및 대지의 한정성 등 여러 요인에 의하여 건물의 고층화와 상대적인 경량화가 가능하게 되었다. 이러한 고층건물은 건물이 지니고 있는 상대적인 강성과 감쇠력을 감소시켜 바람이나 지진 같은 횡 하중에 의해 과다하게 진동하는 현상이 발생한다. 이러한 진동문제에 대한 대안으로서 제어장치를 구조물에 설치하는 방안이 차세대 진동제어방법으로 주목을 받고 있다. 진동제어를 분류하는 한 가지 방법으로 외부에서의 에너지 투입여부에 따라서 크게 수동적 제진과 능동적 제진으로 나눌 수 있다. 먼저 수동적 제진은 외부에서의 에너지 도입이 필요 없는 장점이 있는 반면, 시스템의 1차 모드에만 동조됨에 따라 고차모드에 대한 영향을 적절히 대처할 수 없는 점과 파라메타 변동 등의 제진대상의 특성변화에 의해서 제진 효과가 크게 퇴화한다는 단점이 있다. 능동적 제진은 구조가 간단하고 우수한 제진효과를 보이는 반면 제진을 위해 필요한 모든 에너지가 외부에서 공급되어야 한다는 단점을 지닌다. 이 밖에 또 다른 제진 법으로 하이브리드(hybrid) 제진법이 있다. 하이브리드 제진은 수동적 제진장치에 능동적 요소를 결합시킨 형태의 제진법이다. 수동적 요소가 제진의 일정부분을 담당하여, 외부에서 공급되는 에너지를 줄일 수 있고, 수동적 제진의 단점을 능동적 요소가 보완할 수 있는 장점을 가진다. 이상의 배경으로, 본 연구는 수동 제어 법으로서 동조질량감쇠기(TMD), 그리고 능동 제어 법으로서 LQG 제어알고리즘을 적용한 하이브리드 제어를 통해 제진효과와 그 타당성을 규명해 보았다. 이를 위해 4층 골조를 유한 요소 모델링하여 시스템의 동특성을 계산하였다. 이렇게 구한 동특성을 기초로 하여 동조질량감쇠기와 LQG 알고리즘을 적용하고 Matlab 프로그램으로 simulation을 수행하여 하이브리드 제어기를 설계하였다. 설계된 제어기의 제진 효율 및 타당성에 대해 다음과 같이 결론지을 수 있었다. 1) TMD만으로 제진한 경우, 최대변위를 5.44㎝로 제어하여 대략 2.56㎝ 정도 제어할 수 있었다. 따라서 하이브리드 시스템에 동력이 공급되지 않는 비상시(정전시)에도 상당한 제진이 이루어짐을 확인할 수 있었다. 2) TMD를 이용한 제진은 1차 모드에만 동조됨에 따라 고차모드에 대한 영향을 적절히 대처할 수 없는 점과 파라메타 변동 등의 제진대상의 특성변화에 의해서 제진 효과가 크게 퇴화한다는 단점을 능동적 제어를 추가 보완시킨 하이브리드 제진방식을 이용하면 변위가 더욱 효과적으로 감쇠되어 고차 모드에 의한 변위도 제어할 수 있음을 확인할 수 있었다. 3) 하이브리드 제어는 4층에 직접적으로 제어입력을 가하는 능동적 제어보다 50%가 적은 제어입력으로도 비슷한 제어성능을 가지는 것을 알 수 있었다. 따라서 순수 능동 제진 방식이 안고 있는 과대한 에너지의 사용이란 문제점을 해결하기 위한 한 방편으로 하이브리드 제어 기법을 적용할 수 있음을 확인하였다. Modern buildings tend to be high and lightweighted as construction technology improves. The development of building materials and growing population in the city also caused the need for tall buildings. These tall buildings are usually flexible resulting in vibration problem from strong wind and earthquake. In order to deal with this vibration problem, installation of control device on the floor has been suggested as a promising method. As one of the methods for dividing vibration control, it has been divided into passive control and active control by whether supplying energy from outside or not. Firstly, passive control has a strength which does not need to get energy from outside. However, it has two weaknesses including not properly meeting the situation when only the frist system mode turns into high mode, and lack of control effect due to like parameter fluctuation might have specific character changes. One the other hand, active control has a simple structure and great control effect, whereas it requires all needed energy for control should be supplied from outside. In addition, there is another control called hybrid control. Hybrid control is a control which combines active factors from passive control. As passive factors play a part of work for control, it can save energy supplied from outside, and also improve passive control's weaknesses through its active factors. In this study, the effect of control and validity is examined by hybrid control applying to passive control method(TMD), and active control method(LQG). Dynamic property of system is figured out by modeling four-story structure. Calculated dynamic property applys to TMD and LQG and hybrid control is designed by simulating using Matlab program. The outcomes regarding the effectiveness and validity of the designed controller's are as follows. 1) The control's case using only TMD, it could control approximately 2.56cm by controling 5.44cm of Maximum displacement. Therefore, it has been proved that there is great control even if it has emergency situations like interruption of electric power to hybrid system. 2) The control used TMD - When hybrid control, which covers the weaknesses of passive control by combing it with active control is used, it has been proved that hybrid control could control displacement from High mode as it reduces displacement more effectively. 3) It has been also proved that hybrid controls similarly by requiring only 50 percent of control force compared with active control which directly input control force to 4th floor. Therefore, Hybrid control can be used instead of passive control as it can cover the weakness of passive control which requires too much energy.

Tuned Mass Damper를 이용한 HSB800 적용 교량의 진동사용성 향상에 관한 연구

김건 연세대학교 대학원 2011 국내석사

교량용 고성능강(HSB)은 기존 강재와 비교해서, 강도, 용접성 및 시공성이 우수하고, 강판두께에 따른 강조 저하가 없으므로 전체 교량사업비를 절감할 수 있는 획기적인 재료이다. 하지만 고성능강을 실제 구조물에 적용하는데 있어, 재료 절감에 따른 진동 사용성 문제, 단면 2차 모멘트 감소로 인한 처짐 발생 문제 등의 많은 어려움이 있다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하고자, HSB800 강을 사용한 교량의 동적 안정성 확보를 목적으로 감쇠 장치 중 하나인 동조질량감쇠기를(TMD) 사용하여 HSB800 강이 적용된 교량의 진동 제어를 실시하였다. 또한 제어 효과를 파악하기 위해 Meister curve를 이용하여, TMD 설치 전?후의 진동사용성을 평가하였다. 민감도 분석과 허용응력설계법에 의해 설계한 해석 case를 ABAQUS 6.10-1를 이용하여, 강판형교의 형태로 모델링하였으며, 차량하중은 DH20-44를 모델링하였다. 수치해석 기법은 중심차분법의 일종인 Explicit 방법을 사용하여, 교량의 중앙지점에서의 동적 변위 응답을 비교하였다. TMD 설계 변수 산정에 관하여, 먼저 교량 모델에 정하중을 재하 하여 구조물의 강성을 구하고, 고유치 해석을 통해 파악한 1차 모드 고유진동수를 통해 구조물의 유효하중을 구하였다. 그리고 Den Hartog가 제시한 optimum TMD 설계 변수 식을 이용해 TMD의 최적 설계 변수를 산정하였다. 이를 해석 case에 적용시켜 TMD 적용 전후의 변위 응답을 비교하여 제어 효과를 분석하였다. 해석 결과, 고려한 모든 case에 대하여, 동조질량감쇠기의 제어 효과가 상당함을 확인하였고, 사용성 등급 역시 향상되었음을 확인하였다. 따라서 동조질량감쇠기를 적용시킨 전체 해석 case에 대해 단면 감소에 의한 비용 절감 효과와 동시에 동적 안정성을 확보한 설계 제원이라는 사실을 확인하였다.

Dynamic Response Investigation of an Adaptive Tuned Mass Damper System

김연호 서울대학교 대학원 2018 국내석사

오늘날 기존의 고정된 값을 이용하는 동조질량댐퍼(Tuned Mass Damper)에 대한 상위호환 연구인 능동동조질량댐퍼(Adaptive Tuned Mass Damper)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 하지만 아직까지 이에 대한 실제적인 데이터와 실험 자료는 많이 부족한 상황이다. 이에 따라 아직도 실제적으로 능동동조질량댐퍼가 적용된 구조물은 거의 없는 상황이다. 이 논문에서는 능동동조질량댐퍼를 실제로 실시간으로 적용하였을 때 결과적으로 예상 되어지는 구조물의 응답을 제시한다. 능동동조질량댐퍼는 기존의 다양한 모델 들 중에서 가장 우리가 통제하기 편하고 실제로 많은 기존 건물들에 사용된 진자질량댐퍼(Pendulum Damper)를 사용한다는 가정을 통하여 댐퍼의 강성(Stiffness) 값을 변화시킬 때에 일어나는 구조물(Primary Structure)의 변화를 분석하였다. 이를 통하여 기존의 외부 변화나 시간에 따른 구조물의 피로변화에 대한 융통성의 문제가 있는 동조질량댐퍼에 대한 해결책이나 이상적인 실시간 변위를 맞춰주었을 때의 결과적인 구조물의 응답 부분에서 능동동조질량댐퍼가 큰 효율을 보인다는 것을 확인할 수 있는데에 비하여, 실제로 적용되었을 때에, 분석하여 실시간으로 보정되는 시간이 전이구간보다 길 경우에는 오히려 기존의 동조질량댐퍼보다 더 좋지 못한 효율을 보여준다는 것을 확인할 수 있었다. 이는 실제로 능동동조질량댐퍼를 구조물에 설치할 때 그 구조물에 가해지는 외력의 변화의 주기에 민감하게 작용할 수 있으므로 이에 대한 고려가 필요하다는 사실을 확인하였다.

Operational monitoring and mitigation of wind-Induced vibration for a parallel cable stayed bridge

아이윱와히디 서울대학교 대학원 2015 국내석사

Vortex induced vibration (VIV) was observed in the second Jindo Bridge in South Korea, and a Multiple Tuned Mass Damper (MTMD) was designed and installed by a private design company to increase the mechanical damping and reduce the vibration. Due to overdesigning of the actual damping system, an alternative design of the MTMD is proposed. The design procedure was decided based on wind tunnel tests, field monitoring, and numerical simulation. The design theory of the TMD and MTMD was studied, and the design properties of the single TMD are used for the preliminary design of the MTMD. Design criteria were considered and MTMD design procedure was established based on the defined criteria. The procedure was applied to the second Jindo Bridge. Then an alternative design was proposed. Satisfying the design criteria and presenting good properties for mitigating the VIV, this procedure is sufficiently safe, based on the performed numerical simulation. Moreover, it is not overdesigned for the required performance. After understanding and applying the MTMD design procedure, the current MTMD performance is evaluated based on field monitoring and the general properties of the MTMD and VIV are verified. Introduction et contexte Pour les superstructures à grande longueur ou portée, l’excitation provoquée par le vent constitue la principale force subie. De ce fait, plusieurs structures connaissent des dégâts provoqués par les phénomènes de battements, d’assaut de vent, ou de vibrations induites par vortex. Cette dernière cause fera l’objet de notre recherche. En effet, en 2011, le deuxième pont de Jindo a connu un phénomène de vortex qui a duré plus de deux heures, pour une vitesse du vent aux alentours de 10m/s. L’accélération du pont a dépassé 1.5m/s^2, soit plus de 3 fois la limite de service. Plusieurs recherches ont été menées afin de déterminer la cause du niveau élevé de vibration, et suite à des séries de tests à la soufflerie, des résultats obtenus par Seo et al (2013) montrent que ceci est dû au niveau bas du taux d’amortissement du pont. Ce dernier a ensuite été calculé par Kim et al.(2013) en utilisant des contrôles sur le terrain. La valeur obtenue était inférieure à la valeur requise par le code de construction coréen. Un système de mitigation des vibrations induites par vortex (VIV) a donc été mis en place par une entreprise de conception, qui a installé un amortisseur harmonique multiple. Etant donné que l’amortisseur a été conçu par une tierce partie, il nous a paru intéressant d’étudier la théorie des amortisseurs multiples et de parvenir à trouver un modèle qui puisse satisfaire les critères et codes de constructions et d’éviter ainsi le surdimensionnement. En effet, l’amortisseur actuel dispose d’un taux d’amortissement de 3.97%, alors que la valeur requise pour rester dans la limite de service est seulement de 0.4%. La méthodologie de conception ‘alternative’ sera donc basée sur les résultats des tests de soufflerie, des données obtenues sur le terrain, ainsi que des simulations numériques. Théorie de l’amortisseur multiple La première partie présente la méthodologie de conception de l’amortisseur. Afin de comprendre le fonctionnement de l’amortisseur multiple, il est nécessaire tout d’abord de passer par l’amortisseur simple. La théorie relative à ce dernier est déjà établie et les paramètres optimaux sont donnés par des formules précises. Cependant, pour l’amortisseur multiple, il n’existe pas de conception optimale unique, et c’est pour cela que nous avons choisi des critères de conception et une méthodologie basée sur la détermination des paramètres étape par étape. Les paramètres considérés sont le rapport de masse amortisseur/pont, le taux d’amortissement et la gamme de fréquence de l’amortisseur. Ces critères ont été choisis sur la base des tests de soufflerie et des contrôles sur le terrain. Le taux d’amortissement équivalent, le taux de réduction de l’accélération, la course de l’amortisseur sont les critères de conception principaux. La conception passe a priori par la détermination du rapport de masse, puis par le calcul de la gamme de fréquence et du taux d’amortissement du système en fin de compte. La vérification intervient ensuite à travers la simulation numérique par l’analyse dynamique de l’accélération du pont et de l’amortisseur. Résultats de la conception La méthodologie de conception est appliquée au deuxième pont de Jindo. Les résultats obtenus sont ainsi comparés à ceux de l’amortisseur actuel. La conception préliminaire de l’amortisseur simple donne un rapport de masse de 0.3%, pour une course conforme à la limitation géométrique du tablier du pont. Ce même rapport de masse est considéré pour la conception de l’amortisseur multiple. La gamme de fréquence est calculée avec un coefficient presque deux fois plus petit que l’actuel. de même, le taux d’amortissement de l’amortisseur a été calculé et les vérifications de la conformité de la conception ont été effectuées. La course de l’amortisseur se trouve ainsi réduite, et le taux de réduction de l’accélération conforme à la limite fixée. En comparant les deux résultats de conception, notre amortisseur propose un rapport de masse réduit, ce qui permet de diminuer les coûts de construction et d’installation. De plus, il ne présente pas un problème de surdimensionnement et est conforme aux critères fixés. Evaluation de la performance du dispositif actuel Après avoir mis en place une procédure de conception de l’amortisseur multiple, il a été juge nécessaire d’avoir un retour d’information sur le dispositif mis en place. En effet, le deuxième pont Jindo est équipé de plusieurs capteurs sans fils qui permettent de suivre l’état du pont, de le contrôler, et d’en faciliter la maintenance. Le dispositif d’acquisition des données qui nous intéresse se compose de deux accéléromètres pour l’accélération du pont, d’un anémomètre pour la vitesse du vent, et de 4 accéléromètres pour chaque amortisseur. Trois points sont vérifiés dans cette partie : Le développement de la vibration induite par vortex : avant l’installation du dispositif d’amortissement, la vibration se propageait et augmentait jusqu’à une certaine limite. Cependant, après l’installation des amortisseurs, la vibration est atténuée du fait du mouvement du dispositif. L’accélération et la densité spectrale : il est observé que la densité spectrale du premier mode qui correspond à la VIV est réduite après l’installation du système, et que l’accélération causée par le vortex est grandement réduite. La phase entre l’amortisseur et le pont : en théorie, cette phase doit être de 90° pour dissiper l’énergie. Deux cas sont illustrés : occurrence ou non de la VIV. Dans le cas où on a une vitesse faible (Pas de VIV), on remarque que le système d’amortisseur suit seulement le mouvement du pont et ne dissipe pas d’énergie, alors que dans le cas opposé, l’amortisseur réagit en retard de phase de 90° et dissipe l’énergie totale. Conclusions Au terme de ce travail de recherche, sur la base de l’expérimentation menée et des tests effectués, nous avons constaté que le dispositif d’amortissement déjà mis en place est surdimensionné, avec un taux d’amortissement supérieur de dix (10) fois le taux d’amortissement voulu. La procédure de conception proposée a permis de pallier le problème de surdimensionnement et satisfait les critères ainsi que le code de conception cible. Il n’est pas nécessaire d’avoir une large gamme de fréquences puisque la limite de service est satisfaite pour une gamme de fréquences réduite. La performance du dispositif actuel est ainsi évaluée et les propriétés générales de la vibration induite par vortex, ainsi que le comportement des amortisseurs ont été confirmés par les contrôles sur le terrain.

Structure-borne noise control of plate girder bridges using multiple tuned mass dampers

이용선 Graduate School, Yonsei University 2006 국내박사

차량하중에 의해 교량에 발생하는 과다한 진동은 교량의 사용성측면에서 검토되어야 하는 매우 중요한 영향인자이므로 이와 관련한 다양한 진동제어장치가 교량에 적용되고 있다. 이러한 진동제어장치 중에서 수동진동제어장치는 설치 및 유지관리에 소요되는 비용이 저렴하다는 장점으로 인해 많은 분야에서 적용되고 있으며, 수동진동제어장치 중에서 대표적인 것이 TMD (tuned mass damper) 이다. 그러나 지금까지 TMD는 교량의 진동제어만을 목적으로 적용되어 왔기 때문에 TMD의 진동소음제어에 대한 해석적 연구는 전무한 실정이다. 또한 TMD에 대한 대부분의 해석적 연구는 교량을 단자유도로 해석하므로써 교량의 실제거동을 반영할 수 없다는 한계가 있다.따라서 본 논문은 차량-교량과 MTMDs (multiple tuned mass dampers)-교량의 이중상호작용을 고려할 수 있는 진동소음제어 알고리즘을 제안하였다. 제안된 알고리즘은 효과적이고 정확한 진동소음제어를 위해 판요소를 이용한 동해석이 수행되도록 개발되었다. 판요소를 이용한 효율적인 동해석을 위해 상대적으로 간단한 해석이 가능한 프레임요소를 이용한 동해석으로부터 산정된 각 절점의 속도값을 판요소를 이용한 진동소음제어 해석시 적용하였다. 이러한 방법을 이용함으로써 판요소를 이용한 전체교량의 진동소음제어 해석의 어려움과 계산시간을 단축시킬 수 있다.제안된 알고리즘의 검증은 교량에 발생하는 변위와 진동소음을 대상으로 다른 해석프로그램과 비교하였으며 그 결과로부터 알고리즘의 타당성을 입증하였다. 제안된 알고리즘을 이용하여 교량의 진동소음제어에 대한 MTMDs의 효율성과 질량분포효과 등이 분석하였으며, 효과적인 TMD 설치위치 및 개수를 제안하였다. 분석결과, 차량하중에 의한 비틀림을 고려한 해석이 그렇지 않은 경우의 해석보다 진동소음 해석을 정확히 수행할 수 있었다. 따라서, MTMDs의 사용은 교량에서 발생하는 진동소음의 다중 소음원을 제어하기 때문에 진동소음 저감에 더욱 효과적인 것으로 나타났다. 이러한 분석결과를 고려할 때 제안된 알고리즘은 합리적으로 개발되었다는 것을 알 수 있었으며, 향후 교량의 진동소음제어 해석에 효과적으로 적용될 수 있을 것으로 판단된다. Since the excessive vibration generated in the bridge by vehicle load is a very important factor with respect to the serviceability of the bridge, various vibration control systems are applied on the bridge. Among these vibration control systems, the passive vibration control system is widely used in many areas because it requires less installation and maintenance costs. The widely adopted system in the passive vibration control system is STMD (single tuned mass damper). However, there is no analytical study on the structure-borne noise control using the STMD because the application of STMD for the purpose of controlling vibration of the bridge has been limited. Furthermore, most of the analytical studies conducted on the STMD considered the bridge as single degree-of-freedom (dof) system, thus, they had limitations in the sense that they could not reflect the actual behavior of the bridge.Therefore, this paper proposes a structure-borne noise control algorithm for bridges that can consider the interactions between vehicle and bridge as well as between bridge and MTMDs (multiple tuned mass dampers) system. The proposed algorithm is developed to adopt the plate element model for the dynamic analysis in order to evaluate more accurate structure-borne noise. However, a frame element model is generated and used during the basic dynamic analysis process, and finally yields the very compatible dynamic response data, that is converted to the dynamic response data of the plate element model to calculate the bridge-borne noise. The difficulty and computational effort in the structure-borne noise analysis for the entire bridge using the plate element can be reduced very drastically by this method. The proposed algorithm is verified by comparing with other analysis programs for the dynamic response and sound pressure of the bridge. The effectiveness and mass distribution effect of MTMDs are analyzed for the bridge-borne noise control, and effective installation positions and proper number of MTMDs are also proposed. It is verified that the MTMDs are more effective in bridge-borne noise reduction because it controls multiple sources of the structure-borne noise in the bridge. Based on the various evaluations, it is calculated that the proposed algorithm is reasonable and effectively applied for further bridge-borne noise control analyses.

비접촉 카메라 기반 영상 증폭을통한진동 저감 장치 성능 평가 기술

나상일 성균관대학교 일반대학원 2026 국내석사

본 연구는 비접촉 카메라 기반 영상 증폭 기법을 활용하여 보도육교와 진동 저감 장치(TMD, Tuned Mass Damper)의 성능을 정량적으로 평가하는 방법을 제안한다. 이를 실제 보도육교 현장에 적용하였고, 센서 계측을 통해 검증하였다. 기존의 평가 방식은 모델링을 통한 구조해석과 부착식 센서 계측에 의존하고 있다. 구조해석의 경우 단순화된 모델링과 경계조건으로 인해 센서 계측값과 차이가 발생할 수 있다. 또한, 부착식 센서는 설치 위치의 제약, 접근성 등의 문제로 다수 구조물에 대한 적용에 한계가 있다. 이에 본 연구에서는 보도육교를 촬영한 영상과 EVM(Eulerian Video Magnification)을 활용하여 구조물의 동적 거동과 TMD의 진동 저감 효과를 평가할 수 있는 비접촉 기반 계측 프로세스를 구축하였다. 실험은 4개의 보도육교에서 진행되었다. TMD가 설치된 보도육교를 포함하였고, 이를 통해 제안된 방법의 유효성을 검증하였다. 각 현장에서 카메라의 촬영 조건을 일관되게 설정했다. 또한, 보도육교의 중앙 난간을 중심으로 구조물이 전체적으로 포함되도록 촬영하였다. 영상은 전처리를 수행하기 이전에 불필요한 배경이 포함된 부분을 잘라내어 ROI(Region of Interest)를 설정하였다. 전처리 과정에서 원본 영상은 카메라 캘리브레이션으로 카메라 렌즈의 왜곡을 보정한다. EVM 주파수 파라미터 설정에서는 0.10 Hz – 3.15 Hz의 구간을 15개로 분할했다. Linear-based EVM과 phase-based EVM의 성능 비교실험을 진행하였다. Phase-based EVM으로 생성된 영상은 상대적으로 노이즈가 작게 발생했고, 이를 최종 기법으로 선정했다. 주파수 대역의 선정은 다음과 같이 수행되었다. 먼저 Optical Flow를 통해 시계열 가속도를 추정하고, Welch PSD(Power Spectrum Density)를 계산한다. 여기서 Peak Gain, FWHM(Full Width at Half Maximum), Stability를 산출하고, 정규화한다. 이후 산술 평균 score를 통해 최적의 증폭 대역을 상대 평가하였다. 최종적으로 증폭 영상에서는 최대 가속도, 지배 주파수, 감쇠비를 계산한다. 각각의 지표들은 가속도 센서에서 얻은 데이터와 정합성을 평가하였고, 이를 통해 제안된 기법을 검증하였다. 제안된 기법은 센서 데이터와 비교했을 때 최대 가속도에서 약 6.16 %, 지배 주파수에서는 약 2.63 %의 오차율을 나타냈다. 이는 TMD 설치로 인해 보도육교의 진동 응답이 감소한 조건에서도 높은 정확도를 보여주었다. 산출된 지표는 국내외 보도육교 설계 지침의 기준치와 비교하였다. 이 과정에서 TMD 미설치 보도육교는 기준치를 초과하는 경우가 있었고, 보행자 사용성 측면에서의 취약성을 나타냈다. 반면, TMD가 설치된 보도육교는 진동 응답이 상대적으로 감소하였고, 감쇠비가 증가하는 특성을 보였다. 결과적으로 제안된 기법으로 보도육교의 동특성을 계측할 수 있었고, 이를 통해 TMD의 성능 평가를 수행하였다. EVM을 수행하는 과정에서 주파수 대역 선정법을 제시하였고, 이를 다른 현장에 적용하여 검증하였다. 제안된 기법은 향후 구조물 유지관리 분야에서 정량적인 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대된다. This study proposes using non-contact camera-based video magnification method for evaluating footbridges and tuned mass damper (TMD). The proposed method is demonstrated through actual footbridge sites. Conventional vibration serviceability assessments rely on structural analysis and attached sensor. It can deviate from real structural behavior due to simplified modeling, idealized boundary conditions. Also, the sensor has a limited measurement point. To overcome these limitations, this study proposes a non-contact measurement framework using Eulerian Video Magnification (EVM). It can capture structure’s dynamic response and vibration reduction effects of TMD in operation. Field experiments were conducted on four footbridges. At each site, the camera conditions were consistently set. Focusing on the mid-span railing to cover the region of interest (ROI). Accelerometer was installed on the structure to provide reference data for validation. The raw video data underwent camera calibration to correction lens distortion. EVM was applied by splitting the 0.10–3.15 Hz frequency range into 15 discrete sub-bands. For each sub-band, Peak Gain (PG), Full Width at Half Maximum (FWHM), and a stability were computed and combined into an average score. To identify the optimal amplification frequency band, using optical flow and Welch’s power spectrum density (PSD) on the magnified video. Then peak acceleration, dominant frequency, and damping ratio are extracted by time-series accelerations and vibration. After comparing linear and phase-based EVM, the phase-based EVM was selected for motion magnification due to its clearer results with lower noise. The vibration indices obtained from the magnified videos showed close agreement with the accelerometer data, with mean errors on the order of ~6.6% for peak acceleration and ~2.2% for dominant frequency. Furthermore, when comparing the results with design serviceability guidelines, this study found that some footbridges without TMD exceeded the allowable acceleration limits (indicating potential discomfort for pedestrians), whereas the TMD-equipped footbridges exhibited significantly reduced vibration responses and approximately 30% higher damping. These findings confirm that the proposed method can effectively serve as a practical quantitative tool for assessing pedestrian bridge and TMD performance evaluation.

Control by active tuned mass damper with stopper and holder : 制動裝置를 適用한 能動形 質量同調減衰裝置의 制振性能

유홍 서울大學校 大學院 2000 국내박사

同調 質量 시스템의 最適 設計

장태준 濟州大學校 産業大學院 2003 국내석사

This paper presents optimal design values of tuned mass damper, which is a control system to reduce the dynamic responses. The values were obtained by minimizing a performance index, which is a quadratic form by dynamic responses, and applying an optimization algorithm. Also, more reduction of dynamic responses was observed by acting control forces determined by optimal control theory on the structure. It was desirable that an additional tuned mass damper except the top floor of a multi-degree-of-freedom structure locates at the floor governing the second vibration mode.

준능동 동조질량 감쇠기를 이용한 초대형 골조구조물의 진동제어

김승준 성균관대학교 2006 국내석사

Recently, various types of structural systems for skyscrapers are studied as the height of the building structures rapidly increase. The mega frame system among them, which is the structural system developed recently, is known as a suitable structural system for skyscrapers Because this structural system has sufficient stiffness against the lateral forces by combination of mega-columns and mega-girders which consist of many columns and girders. In this study, a vibration control and effective modeling methods of the mega frame system were studied. Until now, various types of Tuned Mass Damper(TMD) are developed and studied for the reduction of the dynamic response of the structure induced by lots of sources. In this study, control performance of the semi-active TMD(STMD) which can bechanged by the response of the structure in real-time was analytically investigated for various types of loads and made sure of it. It was applied to the mega frame structure and its control performance was analytically investigated. The skyhook algorithm is applied to the control of damping forces of the semi-active damper which is one of components of STMD. Control performance of STMD is compared with control performance of TMD when the SDOF system vibrates by various dynamic loads such as harmonic, artificial wind and earthquake loads. And control performance induced by the artificial wind load is compared for the mega frame structure. Finally, control performance of semi-active TMD with MR damper as well as variable damping device is investigated and the applied possibility is checked as a new type of vibration control device. As a result of the numerical analysis, STMD has more effective control performance then TMD for harmonic and arbitrary dynamic loads. And the effective analytical model is studied for vibration control of the mega frame structure. Since the mega frame structure has significant numbers of elements and nodes, it takes tremendous times and computer memories to analyze and design the structures. But there is not an efficient analysis and design method for the mega frame system yet. Therefore, an efficient analytical model, which uses a few DOFs selected by the user using, is proposed in this study by using the matrix condensation technique. It is shown that the proposed model can provide accurate results in significantly reduced computational time based on numerical studies. Moreover, in order to reduce the computational time for matrix condensation, mega-joint by mega-joint and mega-story by mega-story condensation technique is developed. Numerical analysis of the mega frame structure with STMD is performed for vibration control using the proposed modeling method.