Many piping systems installed in the power plant are directly related to the safety and operation of the plant. Various dampers have been applied to the piping system to reduce the damage caused by earthquakes. In order to reduce the vibration of the piping system, this study developed a steel coil damper (SCD) with a straightforward structure but excellent damping performance. SCD reduces the vibration of the objective structure by hysteretic damping. The new SCD damper can be applied to high-temperature environments since it consists of steel members. The paper introduces a design method for the elastoplastic coil spring, which is the critical element of SCD. The practical applicability of the design procedure was validated by comparing the nonlinear force-displacement curves calculated by design equations with the results obtained from nonlinear finite element analysis and repeated loading test. It was found that the designed SCD’s have a damping ratio higher than 25%. In addition, this study performed a set of seismic tests using a shaking table with an existing piping system to verify the vibration control capacity on the piping system by SCD. Test results prove that the SCD can effectively control the displacement vibration of the piping system up to 80%.

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.

구조물의 진동에 의해 유발되는 사용성, 안정성 저하를 방지하고, 성능을 개선하기 위하여 많은 진동제어시스템이 사용되어 왔다. 제어기 설계가 H2-norm, H∞-norm 으로 분리되어 독립적으로 이루어지다가 LMI 기법에 의하여 보다 효율적인 제어기 설계가 가능하게 되었다. 본 연구에서는 관심지점의 구조물 응답을 특정한 값 이하로 보장한 상태에서 제진장치 구동에 필요한 변수를 최소 화하는 제어알고리듬을 개발하여 능동형뿐만 아니라 수동형제진장치에도 적용하는 방안을 제시하였다. 관심지점의 구조물 응답의 제한은 요구 등가감쇠비와 H∞-norm을 연계하여 구속조건으로 설정하고 목적함수는 제진장치의 이송거리 또는 댐퍼 용량은 H2-norm으 로 표현하는 혼합제어를 구성하였다. 본 연구에서 제안된 혼합제어 기법을 능동질량감쇠기와 등가치환 점탄성 댐퍼가 설치된 구조물에 적용하여 수치적으로 검증하였다. 수치해석결과, 혼합제어문제를 LMI표준형으로 전환하면 능동형, 수동형 제진장치 설계를 보다 용이하게 적용 가능함을 알 수 있었다.

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.

경량한 세장 구조물의 내풍안정성을 향상시키기 위하여 다양한 제진장치가 사용되어 왔다. 제진장치에 의하여 구조물에 부가되는 감쇠는 기존의 질량, 강성에 비례하는 고전감쇠와 달리 비고전 특성을 가진다. 비고전 감쇠는 복소의 모달 특성을 보유하기 때문에 해석과 평가과정에서 모드의 거동을 파악하기 어렵다. 이러한 이유 때문에 복소 모달 변수를 실수로 변경하기 위한 방법이 요구 되며, 변경된 실수 모달 특성이 가지는 물리적 의미를 고찰할 필요가 있다. 본 연구에서는 상태공간에서 비고전 감쇠시스템의 복소 모달 변수를 실수 모달 변수로 변경하는 과정을 소개하고 그 모달변수가 가지는 특성을 분석함으로써 비고전 감쇠를 가지는 구조물의 해석 및 평가가 보다 명쾌한 물리적 의미를 가지고 이루어질 수 있도록 하였다. 또한 비고전 감쇠구조물의 계측응답만으로 실수의 모달 특성을 추정할 수 있는 상태공간 기반 모드분해 기법에 대해서 다루고 그 특성을 비교 검증하였다. 본 연구에서 제시된 기법을 카고메 트러스 댐퍼가 설치된 비고전 감쇠 구조물에 적용하여 수치적으로 검증하였으며, 수치해석 결과로부터 복소 모드형상이 실수공간으로의 변환이 가능하며, 그 실수 모드형상이 계측응답만으로도 추정 가능함을 알 수 있었다.

A base isolation system is widely used to reduce seismic responses of low-rise buildings. This system cannot be effectively applied to high-rise buildings because the initial stiffness of the high-rise building with the base isolation system maintains almost the same as the building without the base isolation system to set the yield shear force of the base isolation system larger than the design wind load. To solve this problem, the mid-story isolation system was proposed and applied to many buildings. The mid-story isolation system has two major objectives; first to reduce peak story drift and second to reduce peak drift of the isolation story. Usually, these two objectives are in conflict. In this study, a hybrid mid-story isolation system for a tall building is proposed. A MR (magnetorheological) damper was used to develop the hybrid mid-story isolation system. An existing building with mid-story isolation system, that is “Shiodome Sumitomo Building” a high rise building having a large atrium in the lower levels, was used for control performance evaluation of the hybrid mid-story isolation system. Fuzzy logic controller and genetic algorithm were used to develop the control algorithm for the hybrid mid-story isolation system. It can be seen from analytical results that the hybrid mid-story isolation system can provide better control performance than the ordinary mid-story isolation system and the design process developed in this study is useful for preliminary design of the hybrid mid-story isolation system for a tall building.

구조물의 내풍성능을 개선하기 위하여 지난 수 십 년간 진동제어장치가 사용되어 왔다. 진동제어장치는 구조물의 등가감쇠비를 증가시킴으로써 진동에 대한 저항성을 증가시키는 효율적인 방안이지만, 설치와 운영에 많은 비용이 요구되고 있다. 진동제어장치와 등등한 감쇠효과를 가지면서 영구적으로 구조물 자체의 감쇠비를 증가시키기 위한 고감쇠 물질에 대한 연구가 증가하고 있다. 본 연구에서는 굵은 골재에 폴리우레탄이 코팅된 고감쇠 콘크리트 재료의 감쇠성능을 평가하기 위한 실험과 분석이 이루어졌다. 고감쇠 물질로 제조된 단순보에 대한 자유진동실험을 수행하여 각 모드별 특성을 파악하였으며 특히 감쇠비를 추정하여 감쇠물질에 의한 감쇠증가량을 정량적으로 평가하였다. 비교평가를 위하여 기존 콘크리트 재료로 제조된 보에 대한 실험 또한 병행하여 수행되었다. 모드 분석에 의한 감쇠비 추정결과 고감쇠 보는 각 모드별 약 10%의 감쇠비를 가지는 것으로 나타났으며, 이는 일반 보의 감쇠비 1%에 비 하여 매우 높은 감쇠증가량을 보이고 있다. 이러한 결과로부터 폴리우레탄 코팅 고감쇠 재료를 이용하여 구조물의 감쇠성능확보가 가능할 것으로 판단된다.

구조물의 성능을 개선하기 위하여 다양한 진동제어장치가 사용되고 있다. 대부분의 제진장치는 구조물의 감쇠비를 증가시킴으로써 성능개선효과를 유도하기 때문에 증가된 감쇠비는 제진장치에 의한 구조물의 성능을 평가하는 중요한 지표가 될 수 있다. 본 연구에서는 강풍 등으로 제진장치가 운영 중인 상태에서 구조물의 응답만을 이용하여 각 모드에 증가된 등가감쇠비를 추정하는 프로세스를 개발하고 이를 성능개선효과를 평가하는데 활용하고자한다. 제진장치가 설치된 구조물은 비고전 감쇠시스템이므로 상태공간 모드분해법을 이용하여 계측응답으로부터 모드 응답을 구하고, 분해된 모드응답에 가상 동적 진동기를 적용하여 각 모드에 증가된 감 쇠비를 구하였다. 제안된 제진장치 설치 구조물 감쇠비 추정법을 검증하기 위하여 수동형 제진장치로 카고메 점탄성 댐퍼를, 능동형 제진장치로 능동질량감쇠기를 구조물에 적용하여 각 제진장치에 의한 감쇠비를 추정한 결과 매우 정교하게 예측 가능함을 알 수 있었다.

Recently, the concept of damped outrigger system has been proposed for tall buildings. But, structural characteristics and design method of this system were not sufficiently investigated to date. In this study, the dynamic response control performance of outrigger damper has been analyzed. To this end, a simplified analysis model with outrigger damper system has been developed. Use the El Centro seismic(1940, NS) analysis was performed. Analysis results, on the top floor displacement response to the earthquake response, did not have a big effect. However, acceleration response control effect was found to be excellent. The increase of outrigger damper capacity usually results in the improved control performance. However, it is necessary to select that proper stiffness and damping values of the outrigger damper system because, the outrigger damper having large capacity is result in heavy financial burden.

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.

Recently, the concept of damped outrigger system has been proposed for tall buildings. But, structural characteristics and design method of this system were not sufficiently investigated to date. In this study, the dynamic response control performance of outrigger damper has been analyzed. To this end, a simplified analysis model with outrigger damper system has been developed. An artificial wind of 1000 seconds with 0.1 second time steps was generated by using a Kaimal spectrum. Analysis results show that outrigger damper system is more effective up to 20-23% in the control of dynamic response compared to conventional outrigger system. The increase of outrigger damper capacity usually results in the improved control performance. However, it is necessary to select that proper stiffness and damping values of the outrigger damper system because, the outrigger damper having large capacity is result in heavy financial burden.

풍진동에 의한 사용성의 문제를 해결하고 진동을 저감시키기 위하여 TLCD가 설치된 건물의 태풍에 의한 풍진동 계측결과를 바탕으로 시스템식별을 통하여 동특성 및 모달풍하중을 추정하고 TLCD의 풍진동 저감성능을 분석하였다. 대상건물은 인천 송도에 위치한 지상 64층 237m의 주거용건물로 상층부에 TLCD가 설치되었으며, 건물과 TLCD의 거동을 계측하기 위하여 풍향풍속계, 가속도계, 수위계및 인터넷기반 송수신시스템을 구축하였다. 계측된 건물의 가속도와 TLCD 액체의 변위결과를 바탕으로 구조물-TLCD 연계 모드를 식별하였으며 이를 바탕으로 구조물과 TLCD의 고유진동수를 식별하였다. 또한 계측된 구조물과 TLCD의 가속도응답으로부터 칼만필터를 이용하여 모달풍하중을 역추정하여 식별된 구조물의 동특성을 바탕으로 TLCD의 풍진동 저감성능을 분석하였다. 분석결과 TLCD의 설치로 인하여 태풍에 의한 풍진동이 최대 29.9% 정도 저감되는 것으로 나타났다.

본 연구에서는 초고층 건물의 풍동실험에서 얻어진 풍하중에 대하여 모드에 기초한 풍응답 해석을 수행하여 사용성을 검토하고, 목표 응답수준을 획득할 수 있는 수동 및 능동 질량형 장치의 예비설계까지 수행 가능한 프로그램을 개발하였다. 본 연구에서 개발된 프로그램을 실제 초고층 건물의 풍동실험결과에 적용하여 TMD와 AMD의 설계를 수행하였으며, 가속도 응답과 질량체 이송거리를 중심으로 결과를 비교분석하였다. TMD와 AMD 모두 요구되는 응답 수준을 만족하는 최소의 질량체를 사용하는 경우 질량체 이송거리가 증가하는 문제점이 발생하였다. 특히 AMD는 TMD 보다 적은 질량체로도 사용성 기준을 만족하는 응답수준을 획득할 수 있다는 장점이 있었으나, 질량체의 이송거리가 지나치게 커지는 문제점이 있으며, 고주파통과필터와 같은 부가적인 이송거리 저감대책이 요구된다.

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 풍진동 제어 기술의 하나로 현재 대부분의 초고층 건축물에 적용되고 있는 아웃리거 시스템에 댐퍼를 설치한 아웃리거 댐퍼 시스템에 대하여 수치해석모델과 상용 구조해석프로그램을 사용한 모델을 사용하여 최적설계 및 변수연구를 수행하였다. 먼저 아웃리거 댐퍼의 거동 특성을 반영하도록 상태방정식을 사용한 단자유도 수치 모델을 설계하였고 상용 구조해석 프로그램을 사용해서 최적설계를 위한 다자유도모델을 설계하였다. 강성이 고려되지 않고 오직 댐퍼의 감쇠에 의한 최적 위치는 최상층인 것으로 나타났지만 중간 이상의 층에서는 댐퍼의 높이에 따른 성능 변화가 크지 않기 때문에 강성과 감쇠가 복합적으로 운동에 참여하는 실제 구조물의 경우 최적의 위치가 최상층이 아닌 다른 층에 존재한다. 아웃리거 댐퍼시스템은 기존 일반적인 아웃리거 시스템과 비교할 때 가속도 응답을 줄이는데 있어 매우 효과적인 것을 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.

본 연구에서는 스마트 최상층 면진시스템을 적용한 고층건물의 풍응답 제어성능을 검토해보았다. 이를 위하여 77층 초고층 건물을 예제구조물로 선택하였고 풍동실험을 통해서 얻은 풍하중을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 예제구조물의 최상층은 FPS 및 MR 감쇠기로 구성된 스마트 면진시스템을 이용하여 주구조물과 분리된다. 주구조물의 동적응답을 저감시키는 것이 스마트 최상층 면진시스템의 가장 중요한 목표이지만 면진된 최상층의 과도한 응답은 구조물을 불안정하게 만들 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 면진된 최상층과 주구조물을 효과적으로 제어하기 위하여 스카이훅제어기를 제어알고리즘으로 사용하였다. 제안된 스마트 최상층 면진시스템의 제어성능을 검토하기 위하여 일반적인 수동 최상층 면진시스템의 제어성능과 비교하였다. 수치해석결과 제안된 스마트 최상층 면진시스템을 이용하면 일반적인 수동 최상층 면진시스템에 비해서 면진층의 변위를 효과적으로 줄이면서도 구조물의 응답을 저감시킬 수 있음을 확인할 수 있었다.

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.

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.

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).