Recently, deep learning that is the most popular and effective class of machine learning algorithms is widely applied to various industrial areas. A number of research on various topics about structural engineering was performed by using artificial neural networks, such as structural design optimization, vibration control and system identification etc. When nonlinear semi-active structural control devices are applied to building structure, a lot of computational effort is required to predict dynamic structural responses of finite element method (FEM) model for development of control algorithm. To solve this problem, an artificial neural network model was developed in this study. Among various deep learning algorithms, a recurrent neural network (RNN) was used to make the time history response prediction model. An RNN can retain state from one iteration to the next by using its own output as input for the next step. An eleven-story building structure with semi-active tuned mass damper (TMD) was used as an example structure. The semi-active TMD was composed of magnetorheological damper. Five historical earthquakes and five artificial ground motions were used as ground excitations for training of an RNN model. Another artificial ground motion that was not used for training was used for verification of the developed RNN model. Parametric studies on various hyper-parameters including number of hidden layers, sequence length, number of LSTM cells, etc. After appropriate training iteration of the RNN model with proper hyper-parameters, the RNN model for prediction of seismic responses of the building structure with semi-active TMD was developed. The developed RNN model can effectively provide very accurate seismic responses compared to the FEM model.

바람하중을 받는 고층건물의 진동을 저감하기 위한 다양한 진동제어장치가 적용되어왔다. 제어의 주된 목적은 구조물의 응답을 저감하는 것이지만 효율적인 제어력의 산정 또한 중요한 설계요구사항중의 하나이다. 능동형제진장치를 중심으로 제어력 산정은 크게 시스템의 H2, H∞-norm을 분리하여 독립적으로 결정되어 왔다. 보다 효율적인 제어력 산정을 위해서 두 가지 norm을 혼합한 제어알고리듬이 개발되었고 이를 LMI 표준형으로 변환하여 보다 용이하게 최적 해를 제공하게 되었다. 본 연구에서는 제어 후 구조물의 요구 등가감쇠비를 H∞-norm을 이용하여 구속하고 제어력만을 별도로 H2-norm을 이용한 제어알고리듬을 개발하여 능동형뿐만 아니라 수동형제진장치에도 적용하는 방안을 제시하였다. 본 연구에서 제안된 혼합제어 기법을 능동질량감쇠기와 카고메 트러스 댐퍼가 설치된 구조물에 적용하여 수치적으로 검증하였으며, 수치해석 결과로부터 능동형뿐만 아니라 수동형제진장치설계를 LMI표준형으로 전환하는 기법을 적용하면 제어이득뿐만 아니라 감쇠용량도 효율적으로 산정 가능함을 알 수 있었다.

In the case where a MR-damper is employed for vibration control, it is important to decide on how much control capacity should be assigned to it against structural capacities (strength and load, etc). This paper aims to present a MR-damper's control capacity suitable for the capacities of the structure which needs to be controlled. First, a two span bridge was built equipped with a MR-damper, which constitutes a two-span MR-damper control system. Then, inflicting an earthquake load on the system, a basic experiment was performed for vibration control, and a simulation was also carried out reflecting specific control conditions such as MR-damper and rubber bearing. The comparison of the results against each other proved their validity. Then, in order to calculate an optimal control capacity of the MR-damper, structural capacity was divided into eleven cases in total and simulated. For each case, an additional load of 30 KN was inflicted everytime, thereby increasingly strengthening structural capacity. As a result of the study, it was found that the control capacity of MR-damper of 30 KN was safely secured only with lumped mass of more than 150 KN(case 6). Therefore, it is concluded the MR-damper showed the best performance of control when it exerted its capacity at around 20% of structural capacity.

풍하중에 의해 발생된 진동을 저감함으로써 구조물의 내풍성능을 개선하기 위하여 동조질량감쇠기가 많이 사용되어 왔으며, 초고층 초장대 구조물과 같이 매우 큰 주기를 가지는 구조물에도 그 적용방안이 확대되고 있다. 구조물이 가지는 초장주기 특성에 의해 TMD의 거동 또한 초장주기 특성을 보유하게 되고 구조물 진동변위의 수 배에 이르는 질량 이송거리가 요구된다. TMD의 이송거리가 매우 커짐에 따라 TMD 설치공간을 초과할 뿐만 아니라 TMD를 구성하는 스프링, 가이드 레일과 같은 부품의 제조가 불가능하게 될 수 있다. 본 연구에서는 구조물의 제어성능을 유지하면서 이송거리(stroke)를 효과적으로 줄일 수 있는 새로운 타입의 TMD를 제안하고 이들이 구조물의 진동제어성능에 미치는 영향을 평가하였다. 제안하는 TMD는 이송거리에 따라 마찰력이 조정되는 장치로써 이송거리가 증가함에 따라 마찰력을 인위적으로 조절하여 최대 이송거리를 줄이는 시스템으로 이러한 변동마찰에 따른 구조물의 제어성능, 이송거리 저감을 초장주기 독립주탑을 대상으로 수치해석을 수행하엿다. 해석결과 본 연구에서 제안된 변동마찰형 TMD는 기존의 선형 TMD에 비해 이송거리를 크게 줄이면서 진동저감효과는 유사한 것으로 나타났다.

풍하중을 받는 구조물은 해석의 편의상 층당 3개의 자유도를 가지는 해석모델을 사용한다. 구조물의 입면 형상이 비정형이 되고, 평면내 구조재의 배치가 층에 따라 변경이 되면 각층의 질량중심과 강성중심의 차이에 의해서 병진방향상호간 또는 병진방향과 비틀림 방향이 상호연관되어 이에 따른 각 방향의 고유모드가 연계된 진동특성을 가지게된다. 본 연구에서는 풍하중에 의한 구조물의 응답에 가장 큰 영향을 미치는 저차의 3개의 병진-비틀림 모드가 연계된 구조물의 진동을 저감하기위한 능동제어기법에 대하여 다룬다. 이를 위하여 풍동실험으로부터 구한 각 방향 밑면 전도모멘트와 비틀림모멘트가 연계모드에 작용하는 모달풍하중으로 치환된 운동방정식을 유도하고, 운동방정식에 기반한 상태방정식을 통하여 제어력을 산정한다. 제어력 포화를 고려하여 위상분할 제어알고리듬과 H∞ 제어알고리듬이 합성된 새로운 제어알고리듬을 제안하였으며, 풍동실험을 수행한바 있는 대상구조물에 대해 수치시뮬레이션을 수행한 결과 기존 제어알고리듬인 LQR에 비해 대등한 제어효과를 가지면서 제어력의 크기를 줄일 수 있는 것을 검증하였다.

In this study, a shear wall-slab damper system for seismic retrofitting of existing low-rise school buildings was proposed. The proposed system is to control the earthquake-induced vibration of the existing building structures using the energy dissipation effect of hysteretic damper inserted between the extended shear wall and existing moment frame. The numerical analyses were performed to investigate the vibration control efficiency of the shear wall-slab damper system and to identify the range of optimal yielding strength of the slab damper. In addition, variation of shear force of the extended shear wall with regard to the yield strength of the dampers in a range from 10 to 100 percent of the maximum base shear force of the retrofitted structure was investigated. The numerical analyses results showed that the maximum displacement of the structures with the slab damper whose yield strength is equal to 20 percent of the maximum base shear. On top of that, the slab damper system reduced the shear force of the shear wall by about 50 percent in comparison with the existing frame-shear wall system with rigid diaphragm slabs.

바닥판 구조물의 진동제어를 위한 제어시스템으로 제어력의 조절에 따라서 수동, 능동, 준능동 제어 시스템이 구분할 수 있다. 본 논문에서는 MR감쇠기와 수동 TMD를 조합한 준능동 TMD(MR-TMD)의 제어기법에 따른 바닥판 구조물의 진동제어성능을 알아보았다 MR-TMD의 감쇠기 모형화 방법에 따라서 Groundhook 모델과 Skyhook 모델이 있으며 주구조물인 바닥판 구조물의 진동제어에 있어서는 Skyhook 모델보다 Groundhook 모델보다 효과적인 것을 볼 수 있다. 그러나 TMD변위가 제한적인 경우에 MR-TMD의 감쇠기를 Skyhook 모델로 모형화하여 진동을 제어할 필요가 있다 그리고 Hybrid 제어기법을 적용할 경우에 바닥판 구조물과 TMD를 동시에 최적으로 제어할 수 있으므로 우수한 제어성능을 보이고 있다.

This paper investigate vibration suppression by the active variable stiffness system (AVS system). AVS system can change its stiffness by special elements called on-off elements. The control logic deciding on-off states of on-off element is based on the method of dividing phase plane. A phase plane is composed of displacement and velocity axis. This control logic is easily applicable to both single and multi degree of system, because it is local control logic that determines on-off states according to the relative displacement and velocity between the floors in which each on-off element is installed. By this control logic, on-off elements can absorb and dissipate the earthquake energy. On-off element is on state when the sign of displacement multiplied by velocity is positive, because on-off element absorb the system vibration energy. Conversely, on-off element is off state when the sign of displacement multiplied by velocity is negative, because on-off element dissipate the absorbed system vibration energy. The effectiveness of this control logic can be proved in the second way through the active control experiment using the active mass damper (AMD).

이 연구에서는 인접한 두 빌딩의 진동제어를 위한 방법으로 선형 점성 감쇠기의 위치별 용량의 최적설계방법을 제시하고자 한다. 기존 연구들에서는 감쇠기의 균등분포 또는 층별 감쇠비의 민감도에 비례하는 분포의 가정 하에서의 준최적(suboptimal) 설계문제를 다룬 반면, 이 연구에서는 감쇠기의 위치별 용량을 독립적인 설계인자로 고려함으로써 전역 최적해를 결정하는 최적화기법을 다루었다. 이를 위하여 넓은 영역에서 다수의 설계변수를 효율적으로 검색할 수 있는 유전자 알고리즘(genetic algorithm)을 도입하였으며, 제어 성능 및 감쇠용량에 대한 목적함수의 정의를 달리함으로써 얻어지는 여러 최적설계 결과를 상호 비교하여 보다 최적의 해를 구할 수 있는 목적함수를 정립하였다. 기존 연구결과와의 제어성능 및 감쇠용량의 비교를 통하여 제시하는 방법의 효율성을 검증하였다. 아울러 서로 상이한 주파수 성분을 띄는 실제 역사지진에 대한 시간이력해석을 통하여 제시하는 방법이 인접 구조물의 효과적인 제진설계방법이 될 수 있음을 입증하였다.

강제 진동 실험은 구조물의 수학적 모델과 실제 모델의 상관관계를 입증하여 구조물의 성능을 정확히 평가하기 위해 중요하기 때문에, 동적 및 정적 가진 실험을 통해 구조물의 내진성능을 평가하는 다양한 기법이 사용되고 있다. 본 논문에서는 복합 질량형 감쇠기(Hybrid Mass Damper, HMD)를 이용하여 지진하중을 모사하는 실물크기 철골조 구조물의 강제진동실험이 수행되었다. ANSYS를 사용하여 구조물의 유한요소 해석모델을 구축하였고, 강제진동 실험을 통해 얻은 계측데이터를 사용하여 이 해석모델을 갱신하였다. 의사 지진 가진 실험은 HMD에 의해 유도된 층응답이 실험을 통해 갱신된 유한요소모델을 사용한 수치해석 응답과 일치함을 보여준다.

대형 구조물에 작용하는 큰 외력은 능동 제어 장치의 제어입력에 포화를 종종 유발한다. 그리고 구조물이 대형화될수록 질량, 강성 등의 파라미터들에 대한 정확한 값을 알기가 어려워지므로, 수학적인 모델과 실제 구조물과의 모델링 오차는 파라미터들에 대한 불확실성으로 제어기의 설계 시에 고려되어야 한다. 그러므로 건축 및 토목 구조물에 대한 능동 진동 제어 방법을 다룰 때 제어기의 안정성을 보장하기 위하여 제어입력의 포화와 계의 파라미터 불확실성을 동시에 고려한 강인 포화 제어기의 설계가 필요하다. 여기에서는 건물의 능동 진동 제어에 연구 및 적용되어진 여러 제어기들 중에서 선형 최적 제어기 LQR, 수정된 뱅뱅 제어기, 포화 슬라이딩 모드 제어기, 강인 포화 제어기의 안정성을 살펴본다. 특히 제안된 강인 포화 제어기의 필요성을 보이기 위하여 LQR, 수정된 뱅뱅 제어기, 포화 슬라이딩 모드 제어기들이 제어입력의 포화나 파라미터 불확실성이 존재하는 경우에 불안정해지는 현상들을 보인다. 2자유도 진동계에 대한 수치 예제와 능동 질량 감쇠기(AMD)를 이용한 2층 구조물에 대한 실험을 통하여 강인 포화 제어기의 강인 안정성을 보인다.

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.

이 논문에서는 서로 다른층 높이를 갖는 인접한 두 빌딩의 내진성능을 효율적으로 향상시킬 수 있는 선형 점성 감쇠기의 최적 설계방법을 제시하고자 한다. 이를 위하여 층간 대각 브레이싱 형태의 에너지 소산장치 연결방법과 인접 구조물간 에너지 소산장치 연결방법을 고려하였으며, 두 가지 연결방법을 적용한 시스템에 대한 감쇠용량별 주파수응답함수 비교를 통하여 구조물간 연결방법의 효율성을 확인하였다. 아울러 구조물간 연결방법에서 주파수응답함수를 최소화하는 최적 감쇠용량이 존재하는 것을 보이고, 최적 설계된 시스템에 대하여 감쇠용량별 구조물의 고유주파수 및 등가감쇠비의 민감도를 분석하였다. 민감도 분석 결과로부터 고층부에 설치되는 에너지 소산장치가 구조물의 등가 감쇠비를 효율적으로 증가시키는 것을 확인하였다. 따라서 민감도에 비례하는 새로운 감쇠기 설계방법을 제시하고, 대각 브레이싱 연결방법과 구조물간 연결로서 균등분포 및 제시하는 민감도 기반 분포에 따른 연결방법을 적용한 시스템들의 내진성능을 비교 분석하였다. 지진응답의 비교결과, 제시하는 방법이 인접 구조물의 효과적인 내진설계방법이 될 수 있음을 입증하였다.

점탄성감쇠기 (VED)를 건물의 내부에 가새의 형태로 설치하는 기존의 방법은 공간 이용에 제약이 되며, 내부 동션을 방해할 수 있다. 이러한 단점은 VED를 건물 사이에 설치함으로써 해결할 수 있다. 본 연구에서는 신축이음부에 설치된 VED의 내진성능 향상 효과에 관하여 연구하였다. 이를 위하여 VED로 연결된 3자유도 구조물의 지진하중에 대한 각 설계 변수들의 효과를 파악하고, 제안된 방법의 실용성을 검토하였다. 이를 바탕으로 서로 다른 구조시스템으로 설계된 5층 구조물을 VED로 연결하고 시간이력 해석을 수행하였다. 해석 결과에 따르변 인접한 구조물의 고유주기가 다르게 설계된 경우, VED로 연결된 구조물의 내진 성능을 상당히 향상할 수 있는 것으로 나타났다.

점탄성감쇠기 (VED)를 건물의 내부에 가새의 형태로 설치하는 기존의 방법은 공간 이용에 제약이 되며, 내부 동선을 방해할 수 있다. 이러한 단점은 VED를 건물사이의 신축이음부 (신축줄눈)나 지진줄눈 사이에 설치함으로써 해결할 수 있다. 본 연구에서는 신축이음부에 설치된 VED의 내진성능 향상 효과에 관하여 연구하였다. 이를 위하여 VED로 연결된 3자유도 구조물의 지진하중에 대한 각 설계 변수들의 효과를 파악하고, 제안된 방법의 실용성을 검토하였다. 이를 바탕으로 서로 다른 구조 시스템으로 설계된 5층 구조물을 VED로 연결하고 시간이력 해석을 수행하였다. 해석 결과에 따르면 인접한 구조물의 고유주기가 다르게 설계된 경우, VED로 연결된 구조물의 내진 성능을 상당히 향상할 수 있는 것으로 나타났다.

최근 구조물 진동제어 연구분야에서는 반능동형 진동제어(제진)장치어 대한 연구가 활발하게 진행되고 있다. 반능동형 제진장치는 수동형의 장점인 신뢰성과 경제성 및 능동형의 장점인 적용성(순응성)을 얻을 수 있기 때문이다. 본 연구에서는 반능동형 제진장치의 일종으로 2톤급 반능동형 오리피스 유체댐퍼를 설계ㆍ제작하여 구조물의 적용을 통해 성능을 검증하였다. 수동형 오리피스 유체댐퍼에 2단 솔레노이드 밸브를 설치하여 반능동형을 구현하였다. 단독 성능시험을 통해 동특성을 파악하고, 시험용 철골구조물 적용시험을 통해 외부하중을 받는 구조물의 진동제어용 장치로서의 가능성을 확인하였다.

본 연구에서는 구조가 간단하고 경제적이며, 보수유지 면에서 능동형 진동제어 장치로서 매우 유리한 장점을 가지고 있는 선형모터 댐퍼(LMD : linear motor damper)를 개발하여 유니슨 기술연구소에 설치된 대형 철골구조물에 적용하였다. 개발된 LMD는 1,500kg의 가동질량을 갖고 있으며, 최대 \pm250mm의 변위로 움직일 수 있다. 제어 대상 시험구조물의 최저차 2개 진동형만을 가지는 축소모델을 사용하여 H_{\infty} 제어로직을 설계하였다. 일련의 성능 검증시험을 통해 시험 구조물의 1, 2차 진동형에 대해 가속도 레벨이 약 l0dB 감소함을 확인하였다. 본 연구를 통해 개발된 LMD가 풍 및 지진하중을 받는 구조물의 진동제어용 제진장치로서 가능성이 있음을 확인하였다.

구조물이 과동한 기진력을 받을 때에 구조물의 진동 제어를 위하여 적응형 뱅뱅 제어 알고리듬이 저자들에 의해서 제안된 바 있으며, 이 제어 알고리듬을 1자유도계의 시험 구조물에 적용하여 제어 성능을 실험적으로 확인하였다. 본 논문은 이의 연장으로서 제안된 적응형 뱅뱅 제어 알고리듬을 최상층에 유압식 농동질량 감쇠기가 설치된 다자유도계의 시험 구조물에 적용하여 이의 유용성을 확인하였다. 이를 통하여 제안된 적응형 뱅뱅 제어 알고리듬은 제어 및 전체 구조계의 안전성이 보장되는 가운데 과도항 외부의 기진력을 받는 다자유도계의 구조물의 진동을 제어함에 효과적임을 확인할 수 있었다.