2016년 경주지진(규모 5.8) 및 2017년 포항지진(규모 5.4)은 1978년 대한민국 지진 관측 이래 국내 에서 발생한 지진 중 가장 큰 피해가 발생한 지진으로 기록되었다. 지진의 피해사례는 다양한 분야에 서 발생되었으며, 그중 교량 구조물에도 부분적인 피해가 다수 발생하였다. 국내에서는 교량구조물에 대한 내진보강 사업을 지속적으로 진행하고 있으며, 내진 보강의 공법 중 면진받침을 적용하여 구조물 의 내진성능을 확보하는 사례는 지속적으로 증가하고 있는 추세이다. 펜들럼 교량받침은 중간판의 기 하학적인 곡률과 고강도 마찰재를 이용하여 감쇠 기능뿐 아니라 복원 기능을 구비하고 있는 면진받침 으로써 제품 크기가 작아 시공성, 경제성이 우수하여 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 대표적인 면 진장치이다. 펜들럼 받침의 경우 지진력 감쇠 및 회전, 이동량 수용을 위하여 2면의 곡면 구조로 진자 운동을 하므로 수평 변위 발생 시 필수적으로 수직 단차가 발생하는 구조이다. 또한 면압에 따라 마찰 계수가 달라지는 마찰재의 특성을 고려한 특성치 산출이 필요한 제품이다. 이 연구에서는 펜들럼 받침 의 다양한 면압에 따른 동적 시험을 실시하여 실제 거동과 일치하는 설계 특성치 산출법을 정립하였 다. 또한 펜들럼 면진받침의 진자 운동을 반영한 모양의 가이드와 프리세팅 전, 후에도 받침 상판의 수평을 유지할 수 있는 장치를 실물 크기로 제작하여 공인기관에 의뢰하여 프리세팅 시험 및 완제품 성능 시험을 실시하여 그 성능을 검증하였다. 성능 시험 결과 곡률에 따른 프리세팅이 가능함을 확인 하였다. 또한, 곡률형 프리세팅을 적용한 펜들럼 면진받침이 구조적으로 안전함을 확인하였다.

Wheeled inverted pendulum (WIP) systems provide agile motion and energy-efficient locomotion through the wheels. However, they suffer from undesirable wheel motion for the acceleration and change of friction by the surface conditions. This paper presents a wheeled inverted pendulum with a fan (WIPF) that incorporates a fan thrust for the additional force for the control of traditional WIP systems. The WIPF is fully actuated by the wheel torque and the fan thrust, enabling the system to achieve enhanced balancing. The dynamics of the proposed system are analyzed and modeled for the control of the system with a linear quadratic regulator (LQR). The performance and characteristics of the WIPF are studied by simulations and experiments. WIPF showed enhanced balancing in step response for a desired position and improved impact robustness. Moreover, it achieved simultaneous control of the wheel position and body tilt angle, which is not attainable in traditional WIP systems.

The nonlinear simple pendulum is investigated to find the exact closed-form analytical solution, satisfying initial conditions of angular position and angular velocity. While previous numerous studies have been conducted on the nonlinear simple pendulum, the exact closed-form analytical solution still remains not available in public domain for the most general initial condition including initial angular velocity as well as initial angular displacement. In this paper, the exact closed-form analytical solution for the general initial conditions is derived using Jacobi’s elliptic function and elliptic integral. The result was verified by comparing it with previous studies and the numerical solution of the equation of motion through the Runge-Kutta integration method.

구조물을 지진 위험으로부터 완화시키기 위한 마찰면진장치의 상용화된 마찰재료 중 폴리테트라플루오로에틸렌(polytetrafluoroethylene, PTFE)은 내화학성과 마찰성능이 우수하다. 그러나 PTFE는 상대적으로 낮은 내마모성을 가지므로 경제적인 마찰재료이며 산화마그네슘(oxide magnesium, MgO)으로 내마모성을 증가시킨 개선된 폴리비닐리덴 플루오라이드(polyvinylidene fluoride, PVDF)를 PTFE 의 대안으로 제안하였다. 개발된 PVDF/MgO 마찰재를 이용하여 실험을 통해 마찰성능을 측정하였으며 PTFE의 마찰성능과 비교하였다. 그리고 측정된 마찰계수를 이용하여 마찰면진장치를 설계하였다. 마찰면진장치의 성능은 교량의 비선형 시간이력 해석을 통해 확인하였고, 이를 통해 마찰면진장치의 마찰재료로 PTFE를 대체하여 PVDF/MgO를 사용하는 것에 대한 타당성을 평가하였다.

안전한 구조부재의 위치파악, 정밀한 시공을 위하여 인양, 안착시스템의 위치추정은 매우 중요한 요소이다. 크레인 인양시스템, 침매터널 이동시스템은 운용 중에 돌풍, 파랑과 같은 외란에 노출되어 불필요한 진동이 유발되고, 인양 길이 등이 시간에 따라 변하는 시변 시스템으로 구조부재나 질량체의 설계위치이동에 방해 요인이 되고 있다. 본 연구에서는 베이지안 필터가 가지는 비가우시안 잡음, 시스템 비선형성에 대한 확장성을 이용하여 정교하게 위치를 추정하는 기법을 다룬다. 이를 위하여 베이지안 프러세스로부터 필터의 유도과정을 살펴보고 유도된 확장 칼만필터를 이용하여 시변 진자시스템의 위치 추정 성능을 평가하여 보았다. 시변 진자시스 템에 대한 수치 시뮬레이션결과 외란에 의한 진동, 시스템의 비선형성, 시변성에 대해 안정적으로 위치를 추정하는 것을 알 수 있었다.

In order to improve the seismic performance of structures, friction pendulum system (FPS) is the most commonly used seismic isolation device in addition to lead rubber bearing (LRB) in high seismicity area. In a nuclear power plant (NPP) with a large self weight, it is necessary to install a large number of seismic isolation devices, and the position of the center of rigidity varies depending on the arrangement of the seismic isolation devices. Due to the increase in the eccentricity, which is the difference between the center of gravity of the nuclear structure and the center of stiffness of the seismic isolators, an excessive seismic response may occur which could not be considered at the design stage. Three different types of eccentricity models (CASE 1, CASE 2, and CASE 3) were used for seismic response evaluation of seismically isolated NPP due to the increase of eccentricity (0%, 5%, 10%, 15%). The analytical model of the seismic isolation system was compared using the equivalent linear model and the bilinear model. From the results of the seismic response of the seismically isolated NPP with increasing eccentricity, it can be observed that the effect of eccentricity on the seismic response for the equivalent linear model is larger than that for the bilinear model.

The friction pendulum system(FPS) is a kind of seismic isolation devices for isolating structures from an earthquake. To analyze the effect of friction materials used in the friction pendulum system, fragility analysis of LNG tank with seismic isolation system was conducted. In this study, titanium dioxide(TiO2) nanoparticles were incorporated into polyvinylidene fluoride(PVDF) matrix to produce friction materials attached to the FPS. The base moment of the concrete outer tank and the acceleration of the structure were evaluated from different mixing ratios of constituents for the friction materials. The seismic fragility curves were developed based on two types of limit state. It is confirmed that evaluation of combined fragility curves with several limit states can be applied to select the optimum friction material satisfying the required performance of the FPS for various infrastructure.

In order to improve seismic safety of nuclear power plant (NPP) structures in high seismicity area, seismic isolation system can be adapted. In this study, friction pendulum system (FPS) is used as the seismic isolation system. According to Coulomb‘s friction theory, friction coefficient is constant regardless of bearing pressure and sliding velocity. However, friction coefficient under actual situation can be changed according to bearing pressure, sliding velocity and temperature. Seismic responses of friction pendulum system with constant friction and various velocity-dependent friction are compared. The velocity-dependent friction coefficients of FPS are varied between lowand fast-velocity friction coefficients according to sliding velocity. From the results of seismic analysis of FPS with various cases of friction coefficient, it can be observed that the yield force of FPS becomes larger as the fast-velocity friction coefficient becomes larger. Also, the displacement response of FPS becomes smaller as the fast-velocity coefficient becomes larger.

최근 지진의 빈도가 증가하면서 전력 시설물에 대한 피해 역시 심각한 상황이다. 요즘 들어 Hanger, Brace, Snubber와 같이 주요기기들을 연결하는 배관지지 시스템의 중요성이 강조되고 있다. 배관의 손상은 발전소 가동에 전체적인 영향을 미치기 때문에 손상을 주는 요인으로부터 보호할지지 장치가 필요하게 된다. 이러한 장치들은 배관에 작용하는 직․간접적인 진동과 충격을 저감시키는 역할을 하기 때문에 배관의 손상을 방지할 수 있다. 본 논문에서는 마찰진자 원리를 이용한 기계식 댐퍼를 개발하고 특성시험을 통해 장치 성능을 검증한 내용을 기술하였다. 또한 자체 개발한 설계 프로그램을 통해 예상된 해석값과 시험값을 비교분석하였고 결과적으로 설계의 신뢰성을 향상시켰다.

본 연구에서는 중요 통신장비의 지진발생시 파손 및 성능저하를 방지하기 위하여 구조물로 전달되는 가속도를 조절할 수 있는 CFPBS(Cone-type Friction Pendulum Bearing System:원추형 마찰진자베어링)를 개발하고 내진성능을 검증하였다. CFPBS는 기존의 FPS(Friction Pendulum System)와 다르게 원추형으로 제작되었으며 보다 큰 마찰력을 얻기 위하여 마찰면에 패턴을 음각하였다. CFPBS의 고유성능을 파악하기 위하여 4개의 CFPBS가 하나의 개체를 이루도록 제작된 지진격리장치를 이용하여 자유진동시험을 수행하였다. 운동방정식으로부터 유도된 CFPBS의 이론식과 Newmark-{\beta} Method를 이용하여 내진성능을 검증하기위한 MATLAB7.0 기반의 동적 수치해석프로그램을 제작하였으며 CFPBS의 제작 시 원하는 성능을 발휘할 수 있도록 간략화된 CFPBS의 설계식을 제안하였다. 수치해석을 통한 CFPBS의 내진성능평가를 위하여 건축구조설계기준(KBC-2005)의 최대지진규모에 해당하는 인공지진파를 생성하고 검증하였다. El Centro NS(1940)와 Kobe NS(1995), 인공지진파 등을 사용하여 CFPBS의 상부질량과 경사각을 매개변수로 하는 수치해석을 수행하였다. 수치해석의 결과를 토대로 CFPBS의 내진성능을 평가하였으며 수치해석의 결과와 설계식을 이용하여 동일한 조건에서 얻어진 결과를 비교분석하였다.

면진장치 중에서 최근 많은 연구가 이루어지고 있는 마찰진자 베어링은 적절한 마찰력을 얻기 위해 PTFE(Polytetrafluoroethylene) 마찰재가 이용되고 있다. 본 연구에서는 자력의 반발력을 이용해 재료의 성질을 대체하여 면진성능을 향상 시킬 수 있는 자력을 이용한 마찰진자 베어링을 제안하였다. 제안된 시스템은 자력에 의한 반발력이 수직력을 줄여줌으로써 재료에 의한 마찰계수의 영향을 줄일 수 있음을 가정하였다. 또한 자력의 영향을 가정하기 위해서 간단한 실험을 구성해 보았으며, 자력이 작용을 할 때 마찰계수(\mu)를 약 20%정도 줄여줄 수 있었다. 실험 결과를 적용한 수치해석을 통해 다양한 지진에 대해서 기존의 마찰진자 베어링보다 향상된 성능을 보여주었고, 특히 지진으로 인해 구조물의 파괴에 작용하는 주된 요소인 최상층의 가속도와 구조물의 상대변위를 비교함으로써 제안된 시스템이 면진장치로서의 기능을 가지고 있음을 확인하였다. 자력을 이용하여 기존의 PTFE 마찰재를 대체할 수 있는 자력을 이용한 마찰진자 베어링의 구조적 설계를 할 수 있다면 마찰진자 베어링의 문제점을 보완한 기초격리장치로서 적용될 수 있을 것으로 사료된다.

본 연구에서는 전력설비 중 그 중요도가 가장 큰 변압기를 대상으로, 지진 발생 시 변압기의 파손을 방지하기 위하여 마찰진자 면진장치를 개발하고, 진동대시험을 통하여 그에 대한 내진성능을 입증하였다. 본 연구에서 개발한 마찰진자 면진장치에 대해 압축재하시험 및 마찰시험을 수행한 결과, 변압기의 면진장치로서 적용 가능한 것으로 나타났으며, 특히 변압기 축소모형을 대상으로 진동시험대에 의한 내진성능시험을 수행한 결과, 기존의 일반 고정기초형식보다 변압기 기초부의 최대 응답가속도는 약30%, 부싱 상단의 최대 응답가속도는 약 59% 감소하였다. 또한, 마찰진자 면진장치 설치 후, 변압기의 고유진동수가 약 82% 감소하며 장주기로 이동함을 확인할 수 있었다. 이와 같이 변압기에 마찰진자 면진장치를 적용하는 경우, 지진으로 인한 변압기의 파손을 효과적으로 방지할 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서는 하이브리드 면진장치가 설치된 단자유도 구조물의 동적거동을 예측할 수 있는 수치해석모델을 제안한다. 하이브리드 면진장치는 MR 감쇠기와 마찰진자시스템(FPS)으로 구성된다. MR감쇠기의 동적거동을 모형화하기 위하여 뉴로-퍼지 모델을 사용한다. 다양한 변위, 속도, 전압의 조합을 사용하여 MR 감쇠기의 성능실험을 수행한 후 얻어진 데이터를 이용하여 MR 감쇠기 뉴로-퍼지 모델을 ANFIS로 학습시킨다. FPS의 모형화는 본 연구에서 유도한 비선형 모델식에 근거하여 뉴로-퍼지 모형화방법을 사용하여 이루어진다. 본 연구에서는 MR 감쇠기로 전달되는 제어전압을 조절하기 위하여 퍼지논리제어기를 사용한다. 다양한 지진하중을 사용한 진동대 실험을 통하여 얻은 실험체의 동적응답과와 뉴로-퍼지 모형화방법을 사용한 수치해석의 결과를 비교한다. 뉴로-퍼지 모델을 사용하여 MR 감쇠기와 FPS를 모형화해서 수치해석을 수행한 결과 하이브리드 면진장치의 동적거동을 매우 정확하게 예측할 수 있었다.

본 연구에서는 하이브리드 면진장치가 설치된 단자유도 구조물에 대하여 진동대 실험을 수행하였다. 본 연구에서 사용된 하이브리드 면진장치는 네 개의 FPS와 한 개의 MR 감쇠기로 구성하였다. 다양한 크기 및 특성을 가진 지진하중을 하이브리드 면진장치가 설치된 구조물에 가하여 진동제어 성능을 평가하였다. 본 연구에는 준능동 MR 감쇠기의 저항력을 효과적으로 조절하기 위하여 퍼지제어기를 사용하였고 구조물에 부착된 계측기를 통하여 변위 및 가속도를 피드백으로 이용한다. 수동 및 준능동 제어기법을 사용하여 얻은 구조물의 응답을 서로 비교하였고 그 결과 FPS와 MR 감쇠기의 조합으로 다양한 특성의 하중을 받는 구조물의 진동제어를 효과적으로 수행할 수 있음을 알 수 있다.

이 연구의 목적은 진자 과제에서 학생들의 가설 생성에 있어서 귀추적 추론 능력이 중요한 역할을 한다는 가설을 검증하고자 하는 것이다. 가설을 검증하기 위하여 5학년 학생들을 대상으로 하여 진자 운동에 대한 가설 생성 검사와 진자의 길이에 대한 선지식 검사를 실시하였다. 진자의 길이에 대해 선지식을 가지고 있는 많은 학생들이 그네 과제에 대한 가설 생성에 선지식을 적용하지 못하였다. 이러한 결과는 학생들이 가설 생성에 실패한 이유가 단지 선지식이 없어서가 아니라 오히려 귀추적 추론 능력이 부족한 것과 관련된다. 학생들이 성공적으로 가설 생성을 하기 위해서는 선지식 뿐만 아니라 귀추적 추론능력도 요구된다. 그러므로 이 연구는 가설 생성 과정에 있어서 선지식 이외에도 귀추적 추론 능력이 중요한 역할을 한다는 주장을 지지한다. 이 연구는 학생들의 가설 생성 능력을 계발하기 위해서는 과학 교육에서 과학적 선언적 지식 뿐만 아니라 귀추적 추론 능력에 대한 교육도 함께 제공되어야 함을 시사한다.

본 연구는 지진격리장치의 일종인 마찰 단진자 시스템(FPS)의 교량에의 적용에 관한 연구이다. FPS에 의하여 지진 격리된 교량과 지진 격리되지 않은 교량의 지진하중 작용시의 응답을 비교하기 위하여 축소모델 교량을 이용한 진동대 실험을 수행하였다. 연구결과, 본 장치를 설치한 경우 지진하중에 대한 지지능력이 향상하는 것으로 나타났다. 또한, 활동면 곡류반경에 의해 조절이 가능한 F.P.S 베어링의 강성은 입력된 kwlsfur의 강도와는 무관하며, 활동면의 마찰계수에 따라 속도가 변화하여 약진시에는 활동면에서의 속도가 작으므로 강진시와 비교하여 지진하중에 의하여 발생하는 마찰력도 감소하게 되었다. 한편 F.P.S 베어링의 마찰특성은 반복된 실험에서도 변화하지 않았고, 영구변형은 약적으로도 작았을 뿐만 아니라 누적되지도 않았다.

에폭시/산무수물계의 등온 경화거동을 새로이 제작된 Torsion Pendulum(TP)으로 다양한 온도에서 조사하였으며 경화반응을 촉진시키기 위하여 두 종류의 경화촉진제를 사용하였다. 새로이 제작된 TP는 개인용 컴퓨터를 이용하여 모든 기계?인 작동과 date 수집 및 분석이 자동으로 처리될 수 있도록 하였다. 이 기기로부터 얻어진 결과인 경화 동안의 상대전단강성율(RSR, relative shear rigidity)과 log decrement(LD)의 변화로부터 제작된 TP가 잘 작동한다는 것을 알 수 있었다. 두 종류의 촉진제가 전체적인 경화과정에 미치는 촉진효과는 비슷하였으나 각 촉진제로부터 얻어진 LD 곡선을 보면 서로 다른 모양을 나타내었다. 이것은 경화촉진제가 반응 촉진효과 이외에도 경화거동에 영향을 미친다는 것을 의미하며, 따라서 이러한 경화거동의 차이는 경화물의 성질에 영향을 줄 수 있다.