본 연구에서는 지진하중을 받는 대공간 구조물의 지진응답을 저감시키기 위하여 준능등 동조질량제어장치(STMD)를 이용한 제어기법의 가능성을 검토하여 보았다. 이를 위하여 대공간구조물의 기본적인 동적특성을 가지고 있으며 동시에 가장 간단한 구조이기도 한 아치 구조물에 일반적인 TMD 및 STMD를 설치하여 지진응답 제어성능을 평가하였다. STMD의 감쇠력을 조절하기 위해서 널리 사용되고 있는 준능동 제어알고리즘인 그라운드혹(groundhook) 제어기법을 이용하였다. STMD 및 수동 TMD의 성능검토를 위하여 조화지반가속도와 El Centro (1940) 및 Northridge (1994) 지진하중을 사용하였다. 해석결과 수동 TMD에 의해서 아치구조물의 지진응답을 효과적으로 저감시킬 수 있었으며 STMD를 사용하면 수통 TMD 보다 더욱 우수한 응답저감효과를 얻을 수 있는 것을 확인하였다.

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.

메가골조시스템은 사용되는 구조재료를 절약하면서도 구조물의 강성을 효과적으로 높일 수 있는 장점 때문에 고층건물의 설계에 많이 사용되고 있다. 이러한 메가골조시스템이 주로 적용되고 있는 초고층건물의 구조설계에서는 횡하중에 대한 거주자의 불안감을 최소화시키는 것이 주요한 관심사중의 하나이다. 따라서 본 연구에서는 메가골조구조물의 사용성을 향상시키기 위한 방법으로 일반적인 수동 TMD의 제어성능을 개선한 준능동 TMD(STMD)를 사용하였다. 이를 위하여 TMD에서 일반적으로 사용되고 있는 수동감쇠기 대신 준능동 MR 감쇠기를 사용하여 STMD를 구성하였다. 메가골조구조물의 일반적인 유한요소해석모델은 매우 많은 수의 자유도로 구성되어 있기 때문에 원형모델을 사용하여 STMD의 제어성능을 검토하는 것은 현실적으로 불가능하다. 따라서 메가골조구조물의 동적 거동을 정확하게 표현할 수 있는 최소한의 자유도를 가진 응축모델을 행렬응축기법을 이용하여 제안하였다. 또한 일반적인 행렬응축기법의 효율성을 향상시키기 위하여 메가골조구조물의 특성을 활용한 다단계 행렬응축기법을 제안하였다. 본 연구에서 제안된 응축모델을 사용한 제어의 효율성과 정확성 및 메가골조구조물에 대한 STMD의 제어성능을 예제해석을 통하여 검증하였다.

경간이 길어지고 강성이 유연한 바닥판 구조물은 처짐과 진동에 같은 사용성에 있어서 많은 문제점을 가지고 있다. 따라서 다양한 진동제어 시스템이 제공되고 있으며 TMD와 같은 수동제어 시스템은 적용에 있어서 한계가 있다. 본 논문에서는 MR감쇠기와 TMD를 조합한 준능동 TMD의 제어기법에 따른 제어성능을 알아보았다. 준능동 TMD의 감쇠기를 Groundhook 모델로 모형화한 경우에 주구조물인 바닥판 구조물의 진동제어에 있어서 보다 효과적인 것을 볼 수 있으나 TMD의 변위를 제어해야 하는 경우에 준능동 TMD의 감쇠기를 Skyhook 모델로 모형화하여 진동을 제어할 필요가 있다. 그리고 바닥판 구조물과 TMD를 동시에 제어해야하는 경우에는 Hybrid 제어기법이 우수한 제어성능을 보이고 있다.

본 연구에서는 지진하중을 받는 탄성 및 비탄성 구조물에 대하여 수동 및 준능동 TMD의 지진응답제어성능을 평가하였다. 먼저 기존의 연구에서 제안된 식을 사용하여 최적 설계된 수동형 TMD와 본 연구에서 제시된 준능동 TMB가 설치된 탄성 구조물의 변위스펙트럼을 구하였으며, 준능동 TMD가 TMD보다 작은 스트로크를 가지고도 최대변위응답제어에 있어 우수함을 확인하였다. 또한 구조물의 주기와 TMD의 주기가 일치하지 않은 경우의 성능저하에 대한 TMD의 강인성을 평가하였다. 최종적으로 Bouc-Wen 모델을 사용하여 모사된 비탄성이력 특성을 가지는 구조물에 대한 수치해석을 수행하였으며, 이를 통해 탄성구조물에 대하여 최적화된 수동형 TMD의 성능은 구조물 응답의 비탄성이력 부분이 증가함에 따라 크게 저하되는 반면 준능동 TMD는 수동형 TMD보다 약 15-40% 정도의 더 많은 응답감소효과를 가짐을 확인하였다.

다양한 원인에 의해서 발생하는 구조물의 동적응답을 감소시키기 위하여 현재까지 여러 가지 형태의 동조질량감쇠기(Tuned Mass Damper; TMD)가 개발되었고 이에 대한 많은 연구가 수행되어 왔다. 본 연구에서는 구조물의 응답에 따라서 실시간으로 TMD의 감쇠를 변화시킬 수 있는 준능동 TMD(Semi-active TMD; STMD)의 제어성능을 다양한 형태의 하중을 적용하여 해석적으로 검토하였다. STMD를 구성하는 준능동 감쇠기의 감쇠력을 조절하기 위하여 skyhook 제어알고리즘을 이용하였다. 조화하중 및 임의의 동적하중을 직접가력하중과 지반진동하중 형태로 단자유도 구조물에 가하여 STMD와 일반적인 TMD의 제어성능을 비교하였다. 또한, 주구조물의 질량의 변화에 따른 TMD 및 STMD의 제어성능의 견실성을 비교하였다. 그리고, 가변감쇠장지 뿐만 아니라 MR 감쇠기를 사용한 STMD의 제어성능도 평가하여 새로운 진동제어장치로서의 활용가능성을 검토하였다. 수치해석을 수행한 결과 STMD는 TMD에 비하여 조화하중 및 임의의 동적하중에 대해서 매우 뛰어난 제어성능을 보이는 것을 확인할 수 있었다.