This paper is concerned with an experimental research to control of random vibration caused by external loads specially in cable-stayed bridges which tend to be structurally flexible. For the vibration control, we produced a model structure modelled on Seohae Grand Bridge, and we designed a shear type MR damper. On the center of its middle span, we placed a shear type MR damper which was to control its vibration and also acquire its structural responses such as displacement and acceleration at the same site. The experiments concerning controlling vibration were performed according to a variety of theories including un-control, passive on/off control, and clipped-optimal control. Its control performance was evaluated in terms of the absolute maximum displacements, RMS displacements, the absolute maximum accelerations, RMS accelerations, and the total power required to control the bridge which differ from each different experiment method. Among all the methods applied in this paper, clipped-optimal control method turned out to be the most effective to reduces of displacements, accelerations, and external power. Finally, It is proven that the clipped-optimal control method was effective and useful in the vibration control employing a semi-active devices such MR damper.

Damped outrigger systems have been proposed as a novel energy dissipation system to protect tall buildings from severe earthquakes and strong wind loads. In this study, semi-active damping devices such as magnetorheological (MR) dampers instead of passive dampers are installed vertically between the outrigger and perimeter columns to achieve large and adaptable energy dissipation. Control performance of semi-active outrigger damper system mainly depends on the control algorithm. Fuzzy logic control algorithm was used to generate command voltage sent to MR damper. Genetic algorithm was used to optimize the fuzzy logic controller. An artificial earthquake load was generated for numerical simulation. A simplified numerical model of damped outrigger system was developed. Based on numerical analyses, it has been shown that the semi-active damped outrigger system can effectively reduce both displacement and acceleration responses of the tall building in comparison with a passive outrigger damper system.

장경간 교량의 낮은 감쇠비로 인하여 발생하는 구조물의 진동은 구조물의 안전성 및 사용성에 부정적인 영향을 미친다. 본 연구에서는 시공 중인 교량에 지배적으로 발생하는 연직 방향 진동을 제어하기 위하여 능동형 질량댐퍼(AMD)를 연구하였다. 대상 사장교의 동특성을 조사하기 위하여 모드 해석이 수행되었으며 이를 바탕으로 제어 성능과 설치 공간에 적합한 AMD를 설계하기 위하서 LQR(Linear Quadratic Regulator) 제어 알고리즘을 사용하였다. 성능 검증을 위하여 건설 단계의 대상 구조물과 AMD를 1/10.5의 상사비로 축소시킨 시작품을 설계, 제작하였으며, 시스템 식별을 수행하여 Linear Quadratic Gaussian (LQG) 제어 알고리즘을 적용하였다. 성능 실험 결과 AMD 제어 시에 높은 제어 효과를 구현하였으며, 실험 결과를 수치해석과 비교를 통하여 제어기 설계의 타당성을 확인하였다.

본 연구에서는 풍진동제어를 위한 제어기 설계에 있어서 시스템식별에 기반한 모델의 차수 축소가 미치는 영향을 검토하였다. 실제 제어기 설계에 있어서 구조해석 모델이 이용될 수 없고 시스템식별이라는 중간과정을 거쳐서 얻어진 모델이 적용됨을 반영하여 원모델을 대상으로 풍하중에 대한 시간이력해석을 수행하고 이를 기초로 시스템식별을 수행하였다. 시스템식별을 통해 얻어진 상태방정식 모델에 모델축소 기법을 적용하였으며, 시스템식별에서 발생하는 측정잡음이 측정잡음이 모델의 정확도와 제어효과에 미치는 영향을 함께 검토하였다. 또한 모델축소 기법을 적용하여 얻어진 다양한 차수의 모델을 대상으로 제어기를 설계하고 성능을 비교함으로써 모델 차수가 제어효과에 미치는 영향을 검토하였다.

사장교 케이블은 구조적으로 휨강성과 감쇠력이 작아 풍우에 의해 쉽게 유해진동이 발생한다. 이러한 풍우진동을 저감시키기 위한 효과적인 방법으로 부가댐퍼를 장착하여 케이블의 감쇠력을 증가시키는 제어시스템이 널리 사용되어왔다. 그러나 댐퍼를 케이블의 정착부 부근에 설치할 수밖에 없는 구조적 한계로 인하여 충분한 감쇠력을 발휘하기 어렵다. 그러므로 본 논문은 수동제어시스템 보다 효과적으로 풍하중에 의한 케이블 진동을 제어하기 위한 능동제어시스템을 제안하였다. 제안된 능동제어시스템은 케이블의 정착단에 베어링 장치를 장착하여 케이블 단부에서 횡방향 변위가 가능하도록 모델링 하였으며, 앵커리지 내부에 장착된 능동댐퍼를 이용하여 적절한 제어력을 제공하도록 하였다. 능동제어를 위하여 최적제어 이론을 이용 LQG 조정기를 설계하였으며, 수치해석은 실제 교량인 서해대교의 최장 케이블을 대상으로 하여 기존의 댐퍼 시스템과 수동, 능동 댐퍼 부착에 따른 케이블의 진동제어성능을 비교 및 분석하였다. 연구결과 제안된 능동제어시스템은 효과적으로 사장교 케이블의 진동을 저감시킬 수 있는 시스템임을 입증하였으며, 기존의 부가댐퍼 시스템 보다 효과적으로 진동을 저감시킬 수 있을 것으로 사료된다.

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.

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.

건물의 능동 진동 제어에 있어서 제어기의 제어입력의 포화와 건물의 파라미터 불확실성을 동시에 고려하는 제어 방법이 필요하다. 저자들의 이전 논문에서는 제어 입력에 포화가 존재하는 불확실한 선형 시불변계에 대하여 강인 안정성과 제어 성능이 보장되는 강인 포화 제어기를 제안하였다. 본 논문에서는 능동 질량 감쇠기 (AMD)가 설치된 건물의 능동 진동 제어에 대한 제안된 강인 포화 제어기의 유용성을 실험적으로 검증한다. 실험은 유압식 AMD가 설치된 2층의 건물 모형에 대하여 수행된다.

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.

다양한 지진 규모 및 주파수 특성을 가지는 지반운동에 대하여 사장교에 장착된 준능동 제어시스템의 제어효과를 분석하고 비용효율성을 평가하였다. Dyke 등에 의하여 제시된 벤치마크 사장교 제어문제에 준능동 제어시스템을 설계하였으며, LQG 최적제어기에 기반한 bi-state 제어방법을 적용하였다. 제어시스템의 비용효율성은 제어시스템을 장착하지 않은 교량의 생애주기 비용에 대한 제어시스템을 장착한 교량의 생애주기비용의 비로서 정의하였으며, 손상비용 규모와 준능동 제어장치의 가격을 매개변수로 하여 그 변화에 따른 비용효율성 평가를 수행하였다. 분석 결과, 제어시스템의 경제적 효율성은 준능동 제어장지의 가격에 크게 민감하지 않은 반면, 손상비용 규모에 따라 민감하게 변화하였다. 또한 중진규모의 연약지반과 강진규모의 견고한 지반에 해당하는 지반운동에 대하여 준능동 제어시스템의 비용효율성이 높은 것으로 평가되었다.

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 연구의 목적은 능동질량 장치를 이용하여 지진하중을 받는 건물모델의 응답을 제어하는 것으로서 실험에 사용된 능동질량 장치는 교류형 서보 모터에 의해 관성력이 건물모델의 응답에 반작용하여 제어를 하게 되는 원리를 이용한 것이다 소형 진동대에 의한 외부하중 묘사 신호처리와 제어력 발생을 위한 장비들이 구축된 실험 모델로써 능동 질량 추진기가 1층 전단형 건물모델 상부에 설치된 해석 모델을 실현하였으며 제어력 산정을 위한 선형 2차 제어 알고리듬은 LabVIEW 프로그램을 사용해서 구현하였다. 건물의 응답과 제어력을 고려해서 제어성능을 검증하였으며 능동 질량 장치를 설치함으러써 공진하중과 지진하중에 대한 건물의 응답이 감소하고 또한 속도피드백 알고리듬이 그 외의 피드백 알고리듬 보다 제어력이 가장 적게 소용되면서 건물의 응답을 감소시키는 것을 실험적으로 파악하였다.

현대의 고층건물들은 점차 유연해지고 경량화 됨으로 인하여 지진이나 바람과 같은 하중에 대하여 취약하다. 그러므로 이러한 하중에 대한 진동수준을 감소시키기 위하여 진동제어 시스템의 성능을 더욱 향상시킬 필요가 있으며 능동제어장치를 이용한 방법이 요구되고 있다 따라서 본 논문에서는 소형 진동대, 건물모델, 건물모델의 응답을 측정하는 센서, 신호처리 보드 그리고, 능동 질량 추진기로 구성된 능동 진동제어 시스템을 구축하였으며 이러한 개별 시스템들의 동적 특성을 실험적인 방법으로 조사하였다 또한 건물모델에 El Centro 지진을 가하여 능동 진동제어 시스템의 성능을 검증하였다,.

본 연구에서는 준능동 진동 제어를 위한 MR 감쇠기의 동적 모델링을 통한 특성을 분석 및 평가하였다. 실제 구조물 크기의 모형구조물을 진동제어하기 위하여 Semi-active 성능의 MR Damper를 설계/제작 하였다. 일반적으로 MR Damper를 이용한 준능동 제어 시스템을 구축하기 위해서는 감쇠장치의 발생 감쇠력 및 거동 성향 등의 데이터를 수치적으로 나타낼 수 있는 동적 모델이 요구된다. 따라서 본 연구에서는 MR Damper의 동적거동을 예측/평가 할 수 있는 모델링을 하기 위하여 다양한 동적 모델 중Power 모델 및 Bingham 모델을 적용하였다. 이때 동적 모델과 비교/평가하기 위하여 개발된 MR Damper의 동하중 실험을 수행하였다. 동하중 실험조건은 가진 주파수를(0.15Hz, 1.0Hz, 2.0Hz) 선정하고, 주파수별 각각 3가지씩 가진 속도를 달리하여, 변위가 감쇠력에 미치는 영향력을 확인하였다. 이렇게 얻어진 MR Damper의 동하중실험 결과를 적용하여 각 동적 모델 별 모델변수를 규명하였고, 이를 바탕으로 힘-속도 관계곡선 및 예측된 발생 감쇠력을 산출하였으며, 산출된 결과와 개발된 MR Damper의 실험 결과를 상호 비교⋅평가하였다. 최종적으로 본 연구에서 개발한 MR Damper는 준능동 제어장치로 활용 가능함을 확인 하였고, 다양한 변위를 이용한 실험을 통하여 정상적인 진동제어를 위해서는 최소 2mm 이상의 변위가 확보되어야 한다는 결과를 얻었다.

본 논문에서는 구조적으로 유연한 특성을 갖는 교량 구조물을 대상으로 외력에 의해 발생되는 진동을 실시간으로 제어하고자 준능동형 실시간 피드백 진동제어시스템을 구성하고, 이를 실험적으로 평가하였다. 여기서 진동제어를 위한 대상 교량 구조물은 서해대교를 약 1/200 크기로 규모화 하여 설계/제작한 모형 교량 구조물을 사용하였고, 실험실 여건을 고려해 규모화 된El-centro 지진파형으로 구조물을 가진하였다. 또한, 교량 상판 중앙지점에는 전자석이 채용된 전단형 MR 댐퍼를 수직방향으로 설치하여 발생된 진동을 제어하도록 하였고, 동시에 변위계 및 가속도계를 설치하여 구조물의 응답(변위, 가속도)을 획득하였다. 이때 진동제어의 실험은 크게 비-제어, 수동 on/off 제어, Lyapunov 안정론 기반 제어 그리고, Clipped-optimal 제어조건으로 구분하여 실시간 피드백 진동제어실험을 수행하였고, 이때 진동제어의 효과는 상판 중앙지점에 대하여 각 실험방법 별절대최대변위와 절대최대가속도 그리고, 인가전원의 소모량 등을 성능지수를 이용해 정량적으로 평가하였다. 진동제어실험의 결과로부터, Lyapunov 제어 및 Clipped-optimal 제어방법 모두 구조물의 발생 변위 및 가속도를 효과적으로 감소시켰으며, 특히 진동제어 시 요구되는 외부 인가전원의 소비를 크게 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 최종적으로, 본 논문에서 구성한 준능동형 실시간 피드백 진동제어시스템은 교량 구조물에 발생된 진동을 제어 ․관리하기 위한 적극 ․ 효율적인 방법으로 활용될 가능성이 있음을 확인하였다.

일반적으로 MR 감쇠기를 이용한 준능동 제어 시스템을 구축하기 위해서는 감쇠장치의 동적모델이 요구된다. 여기서, 동적모델링은 감쇠장치의 발생 감쇠력 및 거동 성향 등을 수치적으로 예측하는 것이다. 따라서 본 연구에서는 이러한 MR 감쇠기의 동적거동을 실무적인 관점에서 합리적으로 모델링하기 위하여 다양한 동적모델 중 Power 모델 및 Bingham 모델을 적용해 MR 감쇠기의 동적거동특성을 예측․평가하였다. 이때 활용한 MR 감쇠기의 실험결과는 압착식 형태로 개발된 MR 감쇠기를 대상으로 동하중 실험을 수행하여 획득하였으며, 힘-변위 이력곡선으로부터 준능동 제어장치로의 타당성을 확인하였다. 또한, 각 동적모델의 예측성능을 평가하기 위하여 우선 실험결과를 이용해 각 동적모델 별 모델변수를 규명하였고, 이를 바탕으로 힘-속도 관계곡선 및 예측된 발생 감쇠력의 오차율을 산출하여 개발된 압착식 MR 감쇠기의 실험결과와 상호 비교․평가하였다. 최종적으로 본 연구에서 개발한 압착식 MR 감쇠기는 준능동 제어장치로 활용 가능함을 확인하였고, 평가된 두 가지 동적모델은 모두 우수한 예측성능을 보임으로써 본 연구에서 개발한 압착식 MR 감쇠기는 물론 MR유체를 이용한 다양한 형태의 감쇠장치의 거동특성을 수치적으로 예측하기 위하여 간단히 활용될 수 있는 가능성을 제시하였다.