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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.16 No.4 pp.91-100
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2016.16.4.091

Seismic Response Control of Retractable-roof Spatial Structure Using Smart TMD

Hyun-Su Kim* , Joo-Won Kang**
*Div. of Architecture, Architectural & Civil Engineering, Sunmoon University
**School of Architecture, Yeungnam University
053-810-2429053-810-4625kangj@ynu.ac.kr
November 22, 2016 November 28, 2016 November 28, 2016

Abstract

A retractable-roof spatial structure is frequently used for a stadium and sports hall. A retractable-roof spatial structure allows natural lighting, ventilation, optimal conditions for grass growth with opened roof. It can also protects users against various weather conditions and give optimal circumstances for different activities. Dynamic characteristics of a retractable-roof spatial structure is changed based on opened or closed roof condition. A tuned mass damper (TMD) is widely used to reduce seismic responses of a structure. When a TMD is properly tuned, its control performance is excellent. Opened or closed roof condition causes dynamic characteristics variation of a retractable-roof spatial structure resulting in off-tuning. This dynamic characteristics variation was investigated. Control performance of a passive TMD and a smart TMD were evaluated under off-tuning condition.


스마트 TMD를 이용한 개폐식 대공간 구조물의 지진응답제어

김 현 수* , 강 주 원**
*정회원, 선문대학교 건축사회환경학부 부교수, 공학박사
**교신저자, 정회원, 영남대학교 건축학부 교수, 공학박사

초록


    Ministry of Land, Infrastructure and Transport
    16AUDP-B100343-02

    1.서론

    국내뿐만 아니라 전 세계적으로 생활 및 문화수 준이 점차 향상되고 레저 스포츠 및 공연 등에 대한 관심이 증가되면서 대공간 구조물에 대한 수요가 지속적으로 높아지고 있다. 우리나라도 올림픽, 엑 스포, 월드컵 등의 각종 국제 행사를 주최하였고 생 활 수준의 향상에 따라서 문화, 여가, 스포츠 등에 서 대공간 구조물에 대한 수요가 계속 증가되고 있 는 실정이다1). 개폐식 지붕을 갖는 대공간 구조물은 행사의 내용 등에 따라서 지붕을 개폐함으로써 사 용 용도에 최적화된 환경을 제공하게 된다. 지붕을 닫게 되면 눈이나 비바람과 같은 날씨변화에 대해 실내공간을 보호할 수 있으며 기온, 조명, 음향 등 다양한 실내 행사에 최적화된 조건을 만족시킬 수 있게 된다. 이에 반하여 지붕이 열린 상태의 대공간 구조물은 자연채광 및 관람석의 환기에 유리하고 운동장의 잔디 생육에 필요한 최적의 조건 제공하 며 구조물의 유지관리비를 절약할 수 있는 장점을 가지고 있다. 개폐식 대공간 건축물은 구조형식, 지 붕개폐방법, 마감재료 등에 따라 여러 가지 형태로 구분할 수 있으며, 구조물의 시공법이나 시공관리 기법에 있어서도 매우 고난도의 기술을 필요로 한 다2),3).

    대공간 구조물의 특성상 많은 인원을 수용하게 되므로 지진으로 인한 피해 발생 시 큰 인명피해를 유발할 것으로 예상된다4). 따라서 보다 체계적인 내 진설계에 대한 지침과 구조 안전과 관련된 기술이 마련되어야만 한다. 또한 지진하중에 의해서 대공간 구조물이 붕괴하지는 않더라도 과도한 진동이 발생 하게 되면 대공간 구조물 지붕에 설치된 각종 조명, 음향 및 디스플레이 장치 등이 낙하하여 인명피해 가 발생할 가능성이 높아진다. 따라서 지진하중에 대한 대공간 구조물의 동적응답을 줄이는 것이 구 조설계 과정에서 매우 중요한 일이다5),6).

    동조질량감쇠기(Tuned Mass Damper; TMD)는 원리의 단순성 및 제어성능의 우수성으로 가장 널 리 사용되고 있는 진동제어장치 중의 하나이다. TMD가 제어하고자 하는 구조물의 고유진동주기에 맞추어 적절하게 조율이 되었을 때에는 매우 뛰어 난 동적응답 제어성능을 나타내는 것으로 알려져 있다. 대공간 구조물의 지진응답 제어에 있어서도 TMD를 적용한 연구가 수행되었고 우수한 제어성 능을 나타내는 것으로 보고되고 있다7),8).

    대공간 구조물의 지진응답 제어를 효과적으로 수 행하기 위해서는 대공간 구조물의 동적특성을 파악 하는 것이 필요하다. 특히 돔구조물과 같은 일반적 인 대공간 구조물과 달리 개폐식 대공간 구조물의 경우에는 <Fig. 1>에 나타낸 바와 같이 지붕의 개폐 여부에 따라서 구조물의 강성 및 질량분포가 변화 하기 때문에 개폐상태에 따른 구조물의 동적특성을 파악하는 것이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 우 선 개폐식 대공간 예제구조물을 구조해석 모델로 모형화하여 고유치해석을 수행하였다. 이를 통하여 지붕의 개폐상태에 따른 대공간 구조물의 주요 모 드형상과 고유진동주기를 비교하였다. 일반적인 TMD는 개폐식 대공간 구조물의 지붕이 열린 혹은 닫힌 상태에 대해서 최적설계되어 설치되게 된다. 그러나 지붕의 개폐상태 변화에 따라서 대공간 구 조물의 고유진동주기가 달라지면 처음에 정확하게 조율되었던 TMD가 비동조(Off-tuning) 상태로 변 화하게 되어 진동제어성능이 저하된다9).

    본 연구에서는 이러한 문제점을 해결하기 위하여 MR 감쇠기와 같은 준능동 제어장치를 사용한 스마 트 TMD를 적용하여 Off-tuning 상태에서의 적용성 을 검토해 보았다. 스마트 TMD를 이용하여 지진하 중 및 풍하중에 의한 구조물의 동적응답을 저감시 키고자하는 시도가 여러 연구자들에 의해서 다수 수행 되었다11),12). 그러나 개폐식 대공간 구조물의 지붕 개폐상태에 따른 동적특성 변화를 고려한 스 마트 TMD의 제어성능검토에 대한 연구는 국내외 적으로 아직 수행되지 않았다.

    따라서 본 연구에서는 지진하중을 받는 개폐식 대공간 예제구조물에 대하여 일반적인 TMD 및 스 마트 TMD의 제어성능을 검토하여 보았다. 이때 지 붕의 개폐상태에 따른 대공간 구조물의 동적특성 변화를 고려하고 이에 따른 TMD 및 스마트 TMD 의 비동조 제어효과를 분석하였다. 스마트 TMD의 효과적인 제어를 위하여 퍼지제어알고리즘과 유전 자알고리즘을 사용하여 제어알고리즘을 개발하였 다. 수치해석을 위하여 KBC 2016 기준에 근거한 인 공지진하중을 생성하였고 MATLAB 버전 R2011a와 SIMULINK를 사용하여 운동방정식을 해석하였다.

    2.지붕 개폐상태에 따른 대공간구조 물의 동적 특성

    본 절에서는 지붕의 개폐여부에 따른 대공간구조 물의 동적 특성 변화에 대해서 검토하였다. 이를 위 해서 우선 예제 개폐식 대공간 구조물을 모형화하 는 것이 필요하다. 예제 개폐식 대공간 구조물은 <Fig. 1>에 나타낸 Singapore sports hub와 <Fig. 2>에 나타낸 일본의 Oita bank dome을 기반으로 하여 디자인하였다.

    두 개폐식 대공간 구조물을 기본 구조물로 선택 한 이유는 비교적 최근에 건설된 초대형 대공간 구 조물로서 최대 스팬이 각각 310m 및 274m로서 세 계 최대의 개폐식 대공간 구조물로 손꼽히고 있기 때문이다. 특히 초대형 개폐식 대공간 구조물로 손 꼽히는 Singapore sports hub, Oita bank dome, Nantong Sports Center 등은 서로 비슷한 구조시스 템을 사용하고 있다. 이를 바탕으로 작성한 본 연구 의 예제 개폐식 대공간 구조물을 <Fig. 3>과 <Fig. 4>에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 지붕의 개폐 방향 및 메인 트러스의 방향 및 형태를 Reference 구조물을 모사하여 모델을 작성하였다. 예제구조물의 종방향 및 횡방향 최대 Span은 400m 로 하였고 최대 높이는 95m로 하였다.

    본 연구에서 사용한 개폐식 대공간 예제구조물은 실시 설계구조물과는 달리 지붕의 개폐여부에 따른 동적특성의 변화를 검토하고 진동제어장치의 제어 성능을 평가하는 것을 목적으로 하고 있기 때문에 각 부재를 <Fig. 5>에 나타낸 바와 같이 크게 4개로 나누어 단순화된 모델을 작성하였다. 각각의 트러스 부재들은 <Fig. 6>에 나타낸 바와 같이 입체트러스 로 구성하였으며 입체트러스 각 부위의 단면들은 <Table 1>에 나타낸 바와 같이 선택하였다. 예제구 조물의 재료는 SM490을 사용하여 모형화하였고 구 조물의 자체질량만을 고려하였다.

    이렇게 모형화한 예제구조물을 사용하여 고유치 해석을 수행하였고 그 결과 얻은 6차모드까지의 모 드형상과 고유진동주기를 지붕이 열린 상태와 닫힌 상태에 대해서 <Fig. 7>과 <Fig. 8>에 나타내었다. 그림에서 볼 수 있듯이 지붕이 열린 상태 구조물의 주요 저차모드 고유진동주기가 지붕이 닫힌 상태보 다 더 긴 것을 확인할 수 있다. 이것은 열린 상태 구 조물에서는 지붕을 이루는 트러스 구조가 양 옆으 로 이동을 함으로써 지붕구조물의 전체 강성을 저 감시키는 효과를 나타내기 때문인 것으로 분석된다. 모드형상 또한 지붕이 열린 상태와 닫힌 상태에서 큰 차이를 나타내는 것을 알 수 있고 선행연구13)에 서 분석하였던 2차원 아치구조물의 모드형상이 종 방향과 횡방향으로 복합되어 나타나는 것을 확인할 수 있다. 지붕의 개폐상태에 따라서 구조물의 동적 거동에 가장 큰 영향을 미치는 1차 모드의 고유진 동주기 차이는 13%에 달하는 것을 알 수 있다.

    대공간 구조물의 지진하중에 대한 동적응답을 저 감시키기 위해서 사용되는 TMD는 일반적으로 구 조물의 1차모드 고유진동주기에 맞추어 조율된다. 개폐식 대공간 구조물에 TMD가 설치될 경우에는 감소된 강성으로 인하여 더 큰 지진응답이 발생할 것으로 예측되는 지붕이 열린 상태의 구조물을 대 상으로 TMD를 조율할 것이다. 그러나 사용상 필요 에 의해서 대공간 구조물의 지붕이 닫힌다면 예제 구조물의 경우에는 10% 이상의 비동조(Off-tuning) 현상이 발생하게 된다. 따라서 일반적인 TMD를 사 용한다면 지붕의 개폐상태에 따라 TMD의 제어성 능이 저하될 수 있다. 대공간 구조물 지붕의 개폐상 태에 따른 TMD 및 스마트 TMD의 지진응답 제어 성능변화를 다음 절에서 검토하여 보았다.

    3.스마트 TMD의 구성 및 인공지진 하중

    앞 절에서 개폐식 대공간 예제구조물의 지붕 개 폐상태에 따라서 고유진동주기 및 모드형상이 큰 차이를 나타낸 다는 것을 확인하였다. 본 연구에서 는 스마트 TMD를 이용한 개폐식 대공간 구조물의 지진응답 성능을 검토하고자 하고 스마트 TMD는 퍼지제어알고리즘을 이용해 제어하고자 한다. 이러 한 일련의 작업들은 MIDAS와 같은 상용 구조해석 프로그램을 통해서는 불가능하고 Matlab을 기반으 로 작성한 전용 구조해석프로그램을 통해서만 가능 하다. 스마트 TMD를 해석할 수 있는 전용 해석모 듈은 예제구조물과 같은 초대형 개폐식 대공간 구 조물을 해석하는 것이 불가능하므로 <Fig. 9>에 나 타낸 바와 같이 구조물 가운데 부분에 있는 한 열의 횡방향 Runway 트러스를 취하여 2차원 해석을 수 행하였다. 이때 3차원 구조물의 거동을 그대로 나타 내지는 못하지만 3차원 구조물의 개폐상태에 따른 고유진동주기의 차이를 표현할 수 있도록 하였다.

    TMD를 사용하여 대공간 구조물을 효과적으로 제어하기 위해서는 설치위치를 결정하는 것이 매우 중요하다. 일반적인 아치형태의 대공간 구조물의 경 우에는 선행연구14)에서 주요 저차모드의 모드형상 을 분석한 후 진폭이 가장 큰 위치를 TMD 설치위 치로 결정하였다. 본 연구에서도 선행연구의 결과를 따라서 <Fig. 10>에 나타낸 것처럼 좌측과 우측 경 간의 1/4지점에 TMD 및 스마트 TMD를 설치하였 다.

    본 연구에서는 예제 개폐식 대공간 구조물의 감 쇠비를 3%로 가정해서 수치해석을 수행하였다. <Fig. 10>에 나타낸 단순화된 2차원 개폐식 대공간 예제구조물의 질량은 96.52kg이고 TMD의 질량은 구조물 질량의 1%로 하였다. 2차원 예제구조물이 3 차원 개폐식 대공간 구조물의 동적특성을 나타내기 위해서 2차원 예제구조물의 1차 모드 고유진동주기 가 지붕의 개폐상태를 고려한 3차원 대공간 구조물 과 같도록 모형화하였다. 이를 위해 2차원 예제구조 물의 전체 강성을 조절하였다. 일반적인 수동 TMD 의 최적 감쇠비 및 진동수비에 대한 연구는 기존에 많이 수행되어 왔다15). 본 연구에서는 기존 연구를 토대로 하여 질량비가 1%일 때 TMD의 감쇠비는 4.98%, 주구조물과 TMD의 진동수비는 98.76%로 계산되었다. 계산된 진동수비를 이용하면 TMD의 최적 진동수는 0.33Hz로 계산되고 이 값을 나타내 도록 TMD의 강성을 결정하였다. 앞 절에서 설명한 바와 같이 TMD는 지붕이 열린 상태의 개폐식 대공 간 구조물을 대상으로 조율된 것이다.

    스마트 TMD의 최적 진동수비 및 감쇠비에 대한 연구는 아직 체계적으로 수행된 바가 없다. 따라서 본 연구에서는 스마트 TMD의 최적 진동수를 구하 기 위해서 스마트 TMD와 수동 TMD의 스프링 강 성비를 변화시켜서 파라미터 스터디를 수행한 후 가장 응답 저감효과가 우수한 87%의 최적 강성비를 얻었다.

    일반적인 TMD에서 사용하는 수동 감쇠기는 사 용하지 않고 대신에 MR 감쇠기를 사용하여 스마트 TMD를 구성하였다. 스마트 TMD를 구성하는 MR 감쇠기의 최적 용량을 구하기 위해서 MR 감쇠기의 용량을 변화시키는 파라미터 스터디를 수행하였고 100 kN 용량의 MR 감쇠기를 선택하였다. MR 감쇠 기를 모형화하기 위해서는 일반적으로 사용되는 Bouc-Wen 모델16)을 사용하였다. MR 감쇠기 수치 해석 모델은 <Fig. 11>에 나타낸 바와 같이 Simulink를 이용해서 모형화 하였다. MR 감쇠기의 감쇠력은 감쇠기로 전달되는 명령전압에 의해서 결 정되는데 사용된 MR 감쇠기는 0 volt(Passive-off) 의 전압이 전달될 때 최소 감쇠력을 나타내고 5 volt(Passive-on)의 전압에서 최대 감쇠력을 나타낸 다. Bouc-Wen MR 감쇠기 수치해석 모델을 통해서 계산된 속도와 감쇠력 사이의 관계를 Passive-on 및 Passive-off 상태에 대해서 <Fig. 12>에 나타내었다.

    본 연구에서는 스마트 TMD의 개폐식 대공간 구 조물에 대한 지진응답 제어성능을 검토하기 위해서 인공지진하중을 사용한다. 인공 지반운동성분을 생 성하기 위해서 국내 건축구조 설계기준(KBC2016) 을 사용하여 설계가속도스펙트럼을 작성하였고 이 를 기반으로 인공 지반가속도를 생성하였다. 설계가 속도스펙트럼을 작성하기 위해서 지역계수는 0.22, 지반종류는 SB(매우 조밀한 토사 지반 또는 연암 지 반)으로 선택하였다. 이때 SDS는 0.506, SD1은 0.2024 로 각각 계산되었다. 이렇게 작성한 설계가속도스펙 트럼과 이를 바탕으로 생성한 인공지진하중의 가속 도스펙트럼을 <Fig. 13>에 나타내었고 인공지진 하 중의 가속도 시간이력을 <Fig. 14>에 나타내었다. 그래프를 통해서 확인할 수 있듯이 인공지진하중의 가속도응답스펙트럼은 설계응답스펙트럼을 기준으 로 적절하게 분포되어 있다. 인공지진하중은 랜덤 진동이론에 의하여 인공지진을 생성하는 프로그램 중 가장 널리 사용되고 있는 SIMQKE17)을 사용하여 작성하였다. 생성된 지진하중의 길이는 30초로 하였 고 시간간격은 0.01초로 하였다.

    4.MIMO 퍼지제어알고리즘의 개발

    본 연구에서 제안된 스마트 TMD를 이용하여 개 폐식 대공간 구조물의 지진응답을 효과적으로 제어 하기 위해서는 적절한 제어알고리즘이 필요하다. 스 마트 TMD를 이용하여 아치구조물의 지진응답을 제어한 선행연구를 보면 일반적으로 널리 사용되고 있는 준능동 제어알고리즘인 그라운드훅(Groundhook) 18) 제어알고리즘을 사용하였다. 본 연구에서도 비교대상 제어알고리즘으로 그라운드훅 제어알고리 즘을 사용하였다. 본 논문에서는 전술한 바와 같이 퍼지제어알고리즘을 사용하여 스마트 TMD를 제어 한다. 스마트 TMD를 효과적으로 제어할 수 있는 퍼지제어알고리즘을 개발하는 것은 많은 경험을 가 진 전문 엔지니어들에게도 상당한 시간과 노력을 필요로 하는 일이다. 따라서 본 연구에서는 다목적 유전자알고리즘(NSGA-II)19)을 이용해서 퍼지제어알 고리즘을 최적화한다. 일반적으로 대공간 구조물 지 붕의 동적 변위응답을 줄이기 위해 스마트 TMD에 의한 제어력이 크게 가해져야 한다. 스마트 TMD에 의해서 구조물에 가해지는 제어력이 커지게 되면 동적 변위응답은 효과적으로 줄일 수 있지만 상대 적으로 구조물의 가속도 응답은 증가하게 되는 것 이 일반적이다. 이와 같이 스마트 TMD로 대공간 지붕구조물을 제어하는 문제에 있어서는 상치관계 가 동적변위응답과 가속도응답 사이에서 존재하게 된다. 따라서 본 연구에서는 다목적 최적화의 목적 함수로써 지진하중을 받는 예제구조물의 최대 변위 와 최대 가속도를 선택하였다. 변위응답은 구조물의 응력과 직접적으로 관련이 있어서 안전성을 평가하 는 척도로 사용될 수 있고 가속도응답은 대공간 지 붕구조물에 설치된 각종 장치들의 낙하 가능성과 연관이 있다. 변위 및 가속도 응답은 <Fig. 10>에 나타낸 예제구조물에서 ‘a’지점의 Z방향과 ‘b’지점 의 Z방향에서 각각 가장 크게 발생하기 때문에 해 당 성분의 응답을 평가대상으로 선정하였다.

    다목적 유전자알고리즘인 NSGA-II를 이용하여 퍼지제어알고리즘을 최적화하는 과정의 개념도를 <Fig. 15>에 나타내었다. 그림에서 보는 바와 같이 퍼지제어 알고리즘의 입력변수는 두 개의 스마트 TMD(STMD)와 구조물 사이의 상대속도로 하였고 출력변수는 각각의 STMD로 전달되는 명령전압으 로 하였다. 따라서 본 연구에서 개발된 퍼지제어알 고리즘은 다중입력 다중출력(Multi-Input Multi-Output; MIMO)의 형태를 띠고 있다.

    본 연구에서는 상충하는 두 개의 동적 응답 즉, ‘a’지점의 Z방향 동적변위 및 가속도응답을 다목적 최적화의 목적함수로 선택하였고 사용된 두 목적함 수를 <Table 2>에 나타내었다. 본 연구에서 개발된 MIMO 퍼지제어알고리즘으로 제어되는 스마트 TMD의 제어성능을 비교·평가하기 위해서 최적 설 계된 수동 TMD를 이용하였다. <Table 2>에 나타낸 바와 같이 스마트 TMD로 제어된 구조물의 응답을 수동 TMD로 제어된 구조물의 응답으로 나누어 정 규화된 값으로 표현하였다. 즉, 목적함수의 값이 1 보다 작을 때 퍼지제어알고리즘이 더 우수한 성능 을 나타내는 것이다.

    5.지붕 개폐상태에 따른 스마트 TMD의 지진응답 제어성능 검토

    지진하중을 받는 개폐식 대공간 구조물의 TMD 및 스마트 TMD의 진동제어성능을 검토해 보았다. 응답의 비교 지점은 <Fig. 10>에 나타낸 바와 같이 동적변형이 가장 크게 나타날 것으로 예상되는 아 치경간의 1/4 지점인 ‘a’점과 중간 지점인 ‘b’으로 하였다. 수평방향 지진하중에 대해서 가장 큰 응답 을 나타내는 곳인 ‘a’점에서 Z방향 및 X방향 응답을 비교하였고 ‘b’지점에서의 Z방향 응답의 매우 작게 발생하므로 X방향 응답만을 비교하였다. 수치해석 을 위해서 MATLAB 버전 R2011a와 SIMULINK를 사용하여 구조물 및 MR 감쇠기를 모형화하였다. 퍼 지제어알고리즘으로 제어되는 스마트 TMD의 제어 성능을 검토하기 위해서 그라운드 훅 제어알고리즘 과 비교하였으며 일반적인 수동 TMD의 지진응답 과 함께 제어하지 않은 경우의 응답을 비교하여 <Table 3~8>에 나타내었다. <Table 4>, <Table 5>, <Table 6>, <Table 7>

    표에서 보는 바와 같이 TMD는 지진하중을 받는 개폐식 대공간 구조물의 변위응답을 효과적으로 저 감시킬 수 있는 것을 알 수 있다. 특히 가장 큰 변위 응답이 발생하는 ‘a’점의 Z방향 응답은 제어하지 않 은 경우에 비해서 TMD에 의하여 약 15%의 응답을 저감시킬 수 있었다. TMD는 ‘a’점과 ‘b’점의 X방향 응답에서도 모두 응답저감 효과를 나타내었다. 가속 도 응답에 있어서는 가장 큰 응답을 나타내는 ‘b’점 의 X방향 응답과 ‘a’점의 Z방향 응답은 TMD로 저 감시킬 수 있었지만 ‘a’점의 X방향 응답은 오히려 증가하였다. 따라서 TMD는 가속도응답보다 변위응 답제어에 더 효과적인 것을 알 수 있다. STMD의 경우 그라운드 훅 제어알고리즘과 퍼지제어알고리 즘으로 제어한 경우에 대해서 모두 TMD의 제어성 능보다 더 우수한 것을 볼 수 있다. 특히 최대 변위 응답이 발생하는 ‘a’점의 Z방향 응답을 보면 퍼지제 어알고리즘을 사용한 STMD는 TMD의 응답을 28% 더 저감시킬 수 있는 것을 볼 수 있고 그라운드 훅 제어알고리즘에 비해서도 14%의 응답을 더 줄일 수 있는 것을 알 수 있다. 변위응답과 가속도응답의 저 감은 서로 상치관계에 있기 때문에 변위응답이 줄 어들게 되면 가속도응답이 늘어나게 되는 것이 일 반적이다. 그러나 본 연구에서는 상치관계에 있는 변위응답과 가속도응답을 동시에 고려하는 다목적 유전자알고리즘을 사용하여 퍼지제어알고리즘을 최 적화시켰기 때문에 <Table 6~8>에서 보다시피 TMD에 의한 가속도응답보다 STMD의 가속도응답 이 오히려 더 작게 유지되면서도 변위응답을 효과 적으로 제어하는 것을 볼 수 있다.

    여기서 사용한 TMD 및 STMD는 지붕이 열린 대 공간 구조물에 조율된 상태로서 지붕이 닫혀서 구 조물의 동적특성이 변화하면 비동조 현상이 발생하 게 되어 제어성능이 떨어지게 된다. 이러한 현상을 검토하기 위하여 지붕이 닫힌 상태에서의 각 부분 의 응답을 비교하였다. 지붕이 열린 상태와 비교하 여 지붕이 닫힌 상태의 응답을 <Table 3~8>을 통 해서 살펴보면 제어하지 않은 구조물의 응답이 약 간 줄어들거나 거의 비슷한 것을 볼 수 있다. 특히 가장 큰 응답을 나타내는 ‘a’점의 Z방향 응답을 보 면 TMD와 STMD 모두 지붕이 닫힌 상태가 열린 상태에 비해 응답이 줄어들었다. 이것은 비록 비동 조상태이지만 닫힌 지붕으로 인하여 구조물의 전체 적인 강성이 증가했기 때문으로 판단된다. 그런데 STMD에 대한 TMD의 제어응답 비율이 지붕이 열 린 상태에서는 1.29로 계산되고 지붕이 닫힌 상태에 서는 1.38로 계산된다. 즉, 동조상태일 때보다 비동 조상태일 때의 STMD와 TMD의 제어성능 차이가 더 벌어지는 것을 알 수 있다. 이것은 대상 구조물 의 동적특성 변화에 대한 STMD의 강인성 (Robustness)이 TMD에 비해서 더 우수한 것을 의 미한다. 지진하중을 받는 예제구조물에서 동적변위 가 가장 크게 발생하는 ‘a’점의 X방향 및 Z방향의 변위시간이력을 <Fig. 16>과 <Fig. 17>에 나타내었 다. 이때 제어하지 않은 경우, TMD를 사용한 경우, 퍼지제어알고리즘으로 제어된 STMD를 사용한 경 우를 비교하였다. 그림에서 볼 수 있듯이 TMD를 사용해서도 개폐식 대공간 구조물의 응답을 효과적 으로 줄일 수 있지만 본 연구에서 제안된 스마트 TMD를 사용하면 제어하지 않은 경우에 비하여 약 47% 이상의 동적변위를 줄일 수 있는 것을 알 수 있다.

    본 연구에서는 한 가지 개폐식 대공간 예제구조 물과 하나의 인공지진하중만을 사용하여 스마트 TMD의 제어성능 및 강인성을 검토해 보았다. 이를 통해서 스마트 TMD 진동제어 성능의 우수성과 TMD에 비하여 비동조 상태에 대한 적응성이 우수 하다는 것을 파악할 수 있었지만 보다 객관적인 성 능검토를 위하여 보다 다양한 하중을 이용한 연구 가 필요할 것이다.

    6.결론

    본 연구에서는 스마트 TMD를 이용한 개폐식 대 공간 구조물의 지진응답 제어성능을 검토하였다. 수 치해석 결과 예제 개폐식 대공간 구조물의 지붕 개 폐여부에 따라서 고유진동주기의 변화가 13%에 달 하는 것을 확인하였다. 이에 따라 비동조 상태에서 도 견실한 제어성능을 나타낼 수 있는 제어시스템 이 필요하며 스마트 TMD가 TMD에 비해서 우수한 강인성을 보이는 것을 알 수 있었다. 또한 지진하중 에 의한 대공간 구조물의 변위응답도 STMD가 TMD에 비해서 약 28% 이상 더 줄일 수 있었다. 제 안된 퍼지제어알고리즘은 그라운드 훅 알고리즘에 비해서 약 14% 이상의 우수한 제어성능을 나타내었 다. 추후 연구에서는 대공간 구조물의 동적특성에 큰 영향을 주는 적설하중에 대한 고려가 필요하다 고 판단된다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부 도시건축연구사업의 연구 비지원(16AUDP-B100343-02)에 의해 수행되었습니 다.

    Figure

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    Singapore sports hub10)

    KASS-16-91_F2.gif

    Oita bank dome

    KASS-16-91_F3.gif

    Example structure

    KASS-16-91_F4.gif

    Example structure with closed roof

    KASS-16-91_F5.gif

    Types of trusses

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    Name of truss members

    KASS-16-91_F7.gif

    Mode shapes of opened roof

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    Mode shapes of closed roof

    KASS-16-91_F9.gif

    2D example structure

    KASS-16-91_F10.gif

    Install location of TMDs

    KASS-16-91_F11.gif

    Simulink model of MR damper

    KASS-16-91_F12.gif

    Force-velocity relationship of MR damper

    KASS-16-91_F13.gif

    Design response spectrum and response spectrum of artificial EQ

    KASS-16-91_F14.gif

    Ground acceleration time history of artificial EQ

    KASS-16-91_F15.gif

    Optimization process of fuzzy logic control algorithm

    KASS-16-91_F16.gif

    Displacement time history at ‘a’(DX)

    KASS-16-91_F17.gif

    Displacement time history at ‘a’(DZ)

    Table

    Sections of example structure

    Multi-objective functions

    Peak displacement at ‘a’ (DZ)

    Peak displacement at ‘a’ (DX)

    Peak displacement at ‘b’ (DX)

    Peak acceleration at ‘a’(DZ)

    Peak acceleration at ‘a’ (DX)

    Peak acceleration at ‘b’ (DX)

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