본 연구에서는 구조물의 진동제어를 위하여 사용되는 가장 대표적인 수동형 제진장치로 알려진 동조질량 감쇠기(Tuned Mass Damper, TMD)의 동적특성을 운영 중에 추정하는 기법에 대해서 다룬다. 동적특성 추정법은 무향칼만필터에 기반하고 있으며, 구조물과 TMD의 계측 가속도를 이용한다. TMD 파라미터 중에 마찰계수를 추정 파라미터로 포함하는 경우와 그렇지 않은 경우로 구분하여 마찰계수가 TMD의 동적특성에 미치는 영향을 평가하였다. 추정된 TMD 파라미터와 TMD에 의해서 분화된 두 개의 인접모드의 동적 특성을 이용하여 제어 대상 모드의 동적특성을 추정하여 제진장치에 의한 제어성능을 평가하였다. 본 연구에서 제안된 TMD 파라미터 추정법을 실 구조물 계측응답에 적용한 결과 안정적인 파라미터 추정이 이루어지는 것을 확인할 수 있었으며 제어성능 평가가 가능함을 검증하였다.

In this study, the retractable-roof spatial structure was chosen as the analytical model and a tuned mass damper (TMD) was installed in the analytical model in order to control the seismic response. The analysis model is mainly consisted of runway trusses (RT) and transverse trusses (TT), and the displacement response was analyzed by installing TMD on those trusses. The mass of the single TMD which is installed in the analytical model was set to 1% of the total structure mass and the total TMD mass ratio was set to be 8% or 6%. In addition, the mass of a single TMD was varied depending on the number of installations. As a result of analyzing the optimal number of installations of TMD, the displacement response was reduced in all cases compared to the case without TMD. Above all, the case with 8 TMDs was the most effective in reducing he displacement response. However, in this case, as the load on the upper structure of the retractable-roof spatial structure increases, the total mass ratio of TMD was maintained and the number of TMDs was increased to reduce the mass ratio of one TMD.

본 연구의 목적은 마찰력의 크기에 따른 동조질량감쇠기(Tuned mass damper, 이하 TMD)의 성능변화를 조사하고, 이에 기초 하여 TMD의 최적 설계 파라미터를 결정하는 것이다. 일반적인 TMD 설계는 레일의 마찰력을 최소화하는 것을 전제로, 진동수비와 감 쇠비의 최적값이 제시되어 있다. 본 연구에서는 선형점성, 마찰력, 그리고 점성과 마찰을 동시에 가지는 TMD에 대하여 조화하중과 랜덤하중을 사용한 수치해석을 통해 최적진동수비와 최적감쇠비의 변화를 조사하였다. 마찰력의 경우에도 점성감쇠와 같이 특정 크기까지는 제어효율이 증가하나, 특정 값 이상에서는 TMD 성능이 급격히 저하되는 특성을 가진다. 점성감쇠와 마찰력이 동시에 존재하는 경우, 마찰력이 증가함에 따라 최적감쇠비가 감소하였으며, 마찰력의 크기를 반드시 고려하여 최적감쇠비를 결정해야한다. 풍하중을 받는 76층 벤치마크 구조물에 설치된 TMD에 대한 설계를 통해 제안된 최적 파라미터가 제어성능을 향상시키는 데 있어 유효함을 확인하였다.

This paper presents a vibration mitigation method for a railroad station using dual layer TMD (Tuned Mass Damper) technology. The proposed technology can be applied to a platform by installing a spring-damper system between the platform and the railroad station structure. Especially, considering passenger comfort, the technology is developed for not just reducing the vibration of the railroad station structure but minimizing the vibration of the platform. The technology consists of two serially connected masses, and the vibration of the top mass is designed to be minimized, while the bottom mass serves as the platform TMD. The design parameters such as the spring constant and damping coefficient of the dual layer TMD system are optimized using the acceleration response of the structure, at which the platform is installed. The feasibility and performance of the vibration mitigation method is verified via a numerical example of a simple beam structure subjected to a moving load, which can be analogized as a railroad station with a moving train on top. The result of the numerical study shows that the proposed method can effectively reduces the vibration of the top mass as well as the beam structure at the design speed of the moving load.

When adjacent tall buildings experience earthquake excitation, structural pounding may happen. In order to mitigate seismic pounding damage to adjacent structures, many studies have been done to date. Tuned mass dampers (TMD) are widely used for reduction of dynamic responses of building structures subjected to earthquake excitations. If a TMD is shared between adjacent buildings and it shows good control performance, it will be effective and economic means to reduce seismic responses of adjacent structures. In this study, control performance of a shared tuned mass damper (STMD) for seismic response reduction of adjacent buildings has been evaluated. For this purpose, two 8-story example buildings were used and multi-objective genetic algorithms has been employed for optimal design of the stiffness and damping parameters of the STMD. Based on numerical analyses, it has been shown that a STMD can effectively control dynamic responses and reduce the effect of pounding between adjacent buildings subjected to earthquake excitations in comparison with a traditional TMD.

2011년 7월 서울시 구의동에 위치한 테크노마트 건물(39층)에서의 이상진동은 대한건축학회의 원인조사 결과, 휘트니스센터(12층)에서의 집단리듬운동에 의한 건물 전체의 연직진동모드의 공진현상으로 확인되었다. 본 연구에서는 연직진동의 특성과 이를 제어하기 위한 TMD의 설계 및 성능시험에 대하여 기술하고, TMD 설치에 따른 건물 유효감쇠비의 증가량과 진동저감 효과, 그리고 연직진동에 대한 거주성능의 개선정도를 정량적으로 평가하였다.

최근들어 풍진동 제어를 위한 TMD의 설치가 증가하고 있는 상황이지만, 아직 국내에서 건물의 완공 후 TMD의 설치로 인한 풍진동 제어성능 평가는 제대로 이루어지지 않고 있다. 이는 가속도계 등을 이용한 현장계측을 통해 태풍 등으로 인한 건물과 TMD의 거동을 알 수는 있으나, 풍하중을 직접 계측하는 것이 현실적으로 불가능하기 때문이다. 즉, 풍하중을 계측하지 못하기 때문에 동일한 풍하중 상황에서 TMD가 작동을 할 때와 작동을 하지 않을 때의 비교분석이 불가능하고 나아가 TMD의 풍진동 제어성능 분석이 매우 어려운 상황이다. 본 논문에서는 계측된 건물과 TMD의 가속도 응답으로부터 풍하중을 역추정하여 TMD의 풍진동 제어성능을 분석하는 방법을 제안하고자 한다. 이를 위해 TMD와 구조물 응답으로부터 하중을 역추정하는 방법으로 연속시간 영역에서 칼만 필터링을 이용하는 기법을 제시하고자 한다. 최종적으로 역추정으로 구한 하중을 이용하여 수치해석을 통해 TMD가 설치되지 않은 구조물의 응답을 구하여 TMD의 설치로 인한 풍진동 제어성능을 분석하고자 한다.

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.

In this study, vertical extension type TMD(VE-TMD) whose vertically extended stories behave like a tuned mass damper, with Lead-Rubber Bearing(LRB) between the top of existing structures and the bottom of the extended stories was proposed. A shaking table tests for a 5-story reinforced concrete model, which is of 2.2 Hz natural frequency. A vertical extended model consisted of a steel frame, with two base isolators between the top of the RC model and the bottom of the extended stories. Those base isolators' lateral stiffness was equal to 31.392 kN/m which was calculated with the fundamental period plus 0.2 tonf, weight of a single story of the model. The test for the specimen was shaking table test excited by a harmonic loads for the fundamental period of the structure. The test results indicated that the VE-TMD improved seismic performance by 40 % in displacement responses for all of frequency-domain.

TLD(Tuned Liquid Damper)나 TLCD(Tuned Liquid Column Damper)와 같이 액체를 질량체로 사용하는 부가 질량형 감쇠기의 경우 동특성추정을 위하여 실제 크기의 진동제어기를 공장에서 제작하여 실험하는 것이 불가능하다. 또한 TMD(Tuned Mass Damper)의 질량체를 콘크리트로 사용하는 콘크리트 TMD의 경우에도 공장실험에서 콘크리트를 타설할 수 없기 때문에 완성된 TMD의 정확한 동적특성을 파악하는 것이 어렵다. 따라서 본 논문에서는 공장 가조립을 통한 실험을 실시하여 동적특성을 추정하기 어려운 경우에 대하여 현장실험을 통한 동특성추정 기법에 관하여 소개하고자 한다. 이를 위해 건물과 진동제어기의 연계된 운동방정식(Coupled equation of motion)으로부터 비연계 운동방정식(Decoupled equation of motion)을 유도한다. 유도된 비연계 운동방정식을 기반으로 건물의 응답과 진동제어기의 응답을 각각 시스템 식별을 위한 입력과 출력으로 하여 일반적인 시스템기법을 이용하여 동특성을 추정할 수 있도록 한다.

본 연구에서는 동조질량감쇠기(TMD)와 동조액체 기둥감쇠기(TLCD)로 구성된 2방향 감쇠기의 제어성능을 실험적으로 검증하였다. 본 연구에 사용된 감쇠기는 한방향으로는 TMD로 거동하고, 다른 직교하는 방향에서는 TLCD로 거동하여 제어력이 발생하는 감쇠기이다. 우선, 제작된 감쇠기의 동적특성과 TMD와 TLCD에 의해 발생하는 제어력들의 연계효과를 조사하기 위한 진동대 실험을 수행하였다. 다음으로 이러한 실험결과를 바탕으로 감쇠기의 동적특성에 영향을 미치는 파라미터를 정량적으로 평가하였다. 본 연구에서 사용된 감쇠기가 입사각을 갖는 진동에 의해 가진될 때 TMD와 TLCD에 의해 연계된 제어력이 발생하는 것을 진동대 실험결과로부터 확인하였다. 또한, 감쇠기가 건축물의 2방향 응답제어에도 효과적으로 사용될 수 있음을 확인하였다.

A bi-axial tuned liquid mass damper(TLMD) was proposed and evaluated on its control performance. The proposed TLMD controls structural response in a specific one direction by using the liquid sloshing of TLCD. Also, the TLMD controls structural response in the other orthogonal direction by TMD behavior which mass consists of the container itself and liquid within container of TLCD installed on linear motion guides. Force-vibration tests on a real-sized structure with the TLMD were performed to verify its independent behavior in two orthogonal directions. Test results showed that the responses of a structure were considerably reduced by using the proposed TLMD and its usefulness for structural control in two orthogonal directions.

본 연구에서는 하나의 제어장치로 서로 직교하는 2방향의 건물응답을 동시에 제어할 수 있는 동조액체질량감쇠기(Tuned Liquid Mass Damper; TLMD)를 제안하고 제어성능을 실험적으로 검증하였다. 본 연구에서 제안된 TLMD는 한 방향으로는 동조액체기둥감쇠기(Tuned Liquid Column Damper; TLCD) 내부에 채워진 액체의 운동에너지를 이용하여 구조물의 응답을 제어하게 된다. 그리고, 다른 한 방향 즉 TLCD의 직각 방향으로는 LM guide(linear motion guide) 위에 놓인 TLCD 수조와 내부의 액체의 질량을 이용하여 동조질량감쇠기(Tuned Mass Damper; TMD)로 거동하게 함으로써 구조물의 응답을 감소시킨다. 이와 같은 TLMD의 양방향 독립거동 특성을 증명하기 위해 실물크기의 구조물에 설치하여 강제진동실험을 수행하였다. 실험결과, 양방향 모두 대상 구조물의 응답을 감소시키는 것을 확인하여 제안된 TLMD의 효용성을 검증하였다.

In this study, based on the results from the sinusoidal base excitation analyses of a single degree of freedom system with a tuned mass damper (TMD) , the optimal friction is computed so that the rail friction improve the performance of the TMD. The magnitude of the optimal friction increases with increasing mass ratio of the TMD and decreases with increasing structural damping. Particularly, it is observed that the optimized friction force gives better control performance than the optimized viscous damping of the TMD. However, because the performance of the TMD considerably deteriorates when the friction force increases over the optimal value, it is required to keep the friction force from exceeding the optimal value. Based on the results from this study, it is possible to economically design the TMD by avoiding the unconditional minimization of the rail friction and in some cases by removing the additional damping devices of which function can be performed by the rail friction.

An experimental real-time hybrid method, which implements the wind response control of a building structure with only a two-way TLMD, is proposed and verified through a shaking table test. The building structure is divided into the upper experimental TLMD and the lower numerical structural part. The shaking table vibrates the TLMD with the response calculated from the numerical substructure，which is subjected to the excitations of the measured interface control force at its top story and an wind-load input at its base. The results show that the conventional method can be replaced by the proposed methodology with a simple installation and accuracy for evaluating the control performance of a TLMD

A standard RC apartment structure was analysed using commercial structural analysis program MIDAS. The effects of TLD were considered by equivalent tuned mass damper model and harmonic load of wmch frequency was identical to that of the RC structure and artificial earthquake loads generated accroding to the design spectrum in KBC2005 were used as excitation loads. TLD showed maximally 70% reduction of peak/RMS relative displacement, interstory drift, acceleration, and story shear induced by harmonic load while it reduced about 20~28% of those structural responses excluding absolute acceleration induced by artificial earthquake loads.

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.