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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.17 No.4 pp.123-132
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2017.17.4.123

Parameter Study for Optimal Design of 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
20171103 20171115 20171115

Abstract

A smart tuned mass damper (TMD) was developed to provide better control performance than a passive TMD for reduction of earthquake induced-responses. Because a passive TMD was developed decades ago, optimal design methods for structural parameters of a TMD, such as damping constant and stiffness, have been developed already. However, studies of optimal design method for structural parameters of a smart TMD were little performed to date. Therefore, parameter studies of structural properties of a smart TMD were conducted in this paper to develop optimal design method of a smart TMD under seismic excitation. A retractable-roof spatial structure was used as an example structure. Because dynamic characteristics of a retractable-roof spatial structure is changed based on opened or closed roof condition, control performance of smart TMD under off-tuning was investigated. Because mass ratio of TMD and smart TMD mainly affect control performance, variation of control performance due to mass ratio was investigated. Parameter studies of structural properties of a smart TMD was performed to find optimal damping constant and stiffness and it was compared with the results of optimal passive TMD design method. The design process developed in this study is expected to be used for preliminary design of a smart TMD for a retractable-roof spatial structure.


스마트 TMD의 최적설계를 위한 파라메터 연구

김현수*, 강주원**
*정회원, 선문대학교 건축사회환경공학부 부교수, 공학박사
**교신저자, 정회원, 영남대학교 건축학부 교수, 공학박사

초록


    1.서론

    그 동안 지진에 대해 비교적 안전하다고 평가받 던 우리나라에서도 근래에 들어서 지진의 발생 횟 수 및 규모가 급격히 증가하고 있다. 특히 2016년 9월 경주에서 발생한 지진은 우리나라에서 발생한 지진 중에서 가장 규모가 큰 지진으로 기록되고 있다. 우 리나라뿐만 아니라 근래에 전 세계적으로도 큰 규 모의 지진이 발생되는 것이 보고되고 있는데 2017년 9월에 발생한 멕시코 지진은 규모 8.2로써 멕시코에 매우 큰 피해를 가져왔던 1985년 지진보다 더 강력 했다고 보고되고 있다. 지진하중에 대해서 구조물 및 인명피해를 줄이기 위한 다양한 방법들이 연구 되어 왔고 그 중에서 동조질량감쇠기가 매우 효율 적이라고 알려져 있다(Tuned Mass Damper; TMD)1),2).

    전통적인 TMD의 제어성능을 향상시키기 위하여 액츄에이터를 이용하여 원하는 제어력을 얻을 수 있는 능동 TMD(Active TMD; ATMD)나 하이브리 드 질량감쇠기(Hybrid Mass Damper; HMD)도 개 발되어 다양한 구조물의 진동제어에 효과적으로 적 용되고 있다3-5). 근래에는 능동제어시스템이 가진 제어성과 수동제어시스템이 가진 안정성을 동시에 나타낼 수 있는 준능동 혹은 스마트 제어시스템에 대한 연구가 활발히 진행 중이고 이러한 연구의 일 환으로 스마트 TMD(Smart Tuned Mass Damper; STMD)에 대한 연구가 지속적으로 보고되고 있다6-8).

    전통적인 수동 TMD에 대해서는 구조물의 동적 특성 및 TMD 질량의 크기에 따라서 최적의 설계값 을 찾는 방법에 대한 연구가 기존에 다수 수행되어 서 현재 실무에서 널리 적용되고 있다1),9). 그러나 스 마트 TMD에 대한 연구는 대부분 수동 TMD와 비 교하여 상대적으로 우수한 제어성능을 나타내는 것 을 검중하는데 주안점을 두고 수행되었고 스마트 TMD를 구성하는 강성 및 스마트 감쇠기의 최적용 량을 설계하는 방법에 대한 연구는 찾아보기 어려 운 상황이다. 대부분의 스마트 TMD와 관련된 선행 연구에서는 스마트 TMD의 강성값은 수동 TMD의 최적 강성값을 이용하여 결정하고 스마트 감쇠기의 용량은 반복해석을 통해서 결정하고 있다6),7). 이러 한 배경을 바탕으로 본 연구에서는 스마트 TMD를 구성하는 강성 및 스마트 감쇠기의 최적 용량을 결 정하는 방법에 대해서 파라메터 연구를 바탕으로 제안하였다.

    스마트 TMD는 동적하중 및 구조물 응답의 변화 에 따라서 감쇠력과 강성을 변화시켜서 적응성을 향상시킴으로써 제어성능을 증가시킬 수 있다. 즉, 설치된 구조물의 동적특성이 변해서 발생할 수 있 는 비동조현상(Off-tuning)에 대한 적응성이 기존의 TMD에 비해서 우수하다고 알려져 있다. 본 연구에 서는 이러한 내용을 검증하기 위하여 개폐식 대공 간구조물을 예제구조물로 선택하였다. 개폐식 대공 간구조물은 국내외적으로 문화시설 및 운동시설에 대한 요구가 크게 높아짐에 따라서 그 수요가 증가 하고 있는 상황이다. 개폐식 대공간구조물은 지붕의 개폐여부에 따라서 구조물의 강성 및 질량분포가 달라지게 되므로 고유진동주기 및 모드형상이 변화 하게 된다. 따라서 일반적인 TMD를 사용하게 되면 구조물의 변화하는 동적특성에 제대로 대응하지 못 하므로 제어성능이 저하되는 문제가 발생할 것이다. 본 연구에서는 이러한 현상에 대한 스마트 TMD의 적응성을 검토해 보고자 한다.

    2.예제구조물 해석모델 및 지진하중

    본 연구에서는 동적특성이 변화하는 구조물을 대 상으로 스마트 TMD와 수동 TMD의 제어성능 검토 및 최적설계를 수행하기 위하여 개폐식 대공간구조 물을 예제구조물을 선택하였다. 예제구조물은 <Fig. 1> 에 나타낸 선행연구7)에서 사용한 2차원 구조물을 선택하였다. 사용한 2차원 예제구조물은 비교적 단 순하지만 대공간구조물의 특성과 지붕의 개폐상태 에 따른 동적특성 변화를 효과적으로 나타낼 수 있 는 모델이다. 효과적인 대공간구조물의 진동제어를 위해서는 TMD의 설치 위치를 결정하는 것이 중요 한데 이는 선행연구6)의 결과를 따라서 <Fig. 1>에 나타낸 바와 같이 좌측과 우측 경간의 1/4지점에 TMD 및 스마트 TMD를 설치하였다.

    지반운동이나 동적하중이 가해지는 구조물의 진 동제어를 위해서 설치되는 TMD의 강성 및 감쇠에 대한 최적 설계값에 대한 연구는 기존에 다수 수행 된바 있다. 그 중에서 본 연구에서는 Warburton1)이 제안한 TMD 설계변수 최적값을 사용하였다. 즉, μ ( 1 μ / 4 ) / ( 4 ( 1 + μ ) ( 1 μ / 2 ) ) 를 TMD의 최적 감쇠비로 두었고 1 μ / 2 / ( 1 + μ ) 를 최적 진동 수비로 사용하였다. 여기서 μ는 TMD와 주구조물 의 질량비이다. 만약 질량비를 1%로 설정한다면 계 산된 최적 감쇠비는 4.98%이고 최적 진동수비는 0.988로 계산된다. TMD의 최적 진동수비는 질량은 1%로 고정되었기 때문에 강성에 의해서 결정된다. 본 연구에서는 지붕이 열린 상태의 예제구조물에 대해서 최적 진동수비를 나타내는 강성값은 164.7N/m 으로 계산되었다. 스마트 TMD의 최적 강성 및 감 쇠용량의 최적 값은 다음 절에서 계산된다.

    본 연구에서 스마트 TMD는 MR 감쇠기를 이용 하여 구성하였다. MR 감쇠기의 동적거동을 나타내 기 위해서 현재 가장 널리 사용되고 있는 수치해석 모델인 Bouc-Wen 모델10)을 사용하였다. 본 연구에 서 사용한 MR 감쇠기 모델은 0volt에서 5volt까지 조절할 수 있다. 각각의 경우에 발생하는 감쇠력은 파라메터 연구를 통해서 결정하였다.

    스마트 TMD를 이용한 효과적인 진동제어를 위 해서는 적절한 제어알고리즘을 사용하는 것이 필요 하다. 본 연구에서는 스마트 TMD의 감쇠력 및 강 성을 제어하기 위해서 다양한 준능동 제어알고리즘 중에서 비교적 간단한 연산으로 우수한 제어성능을 나타내는 것으로 알려진 그라운드훅(Groundhook) 제어알고리즘11)을 사용하였다. 그라운드훅 제어알고 리즘은 일종의 뱅뱅(Bang-bnag)제어알고리즘으로 On 또는 Off 상태의 제어만 가능하다. 따라서 On 상태의 제어명령이 필요할 때에는 최대 명령전압인 5volt가 스마트 TMD로 전달되며 Off 상태의 제어 명령이 필요할 때에는 0volt가 전달된다.

    본 연구에서는 스마트 TMD의 최적설계를 위한 파라메터 연구를 위하여 시간이력해석을 수행하였 고 이를 위하여 인공 지반운동가속도를 생성하였다. 인공 지반운동성분을 생성하기 위해서 국내 건축구 조 설계기준(KBC2016)을 사용하여 설계가속도스펙 트럼을 작성하였고 이를 기반으로 인공 지반운동가 속도를 생성하였다. 설계가속도스펙트럼을 작성하 기 위해서 지역계수는 0.22, 지반종류는 SB(매우 조 밀한 토사 지반 또는 연암 지반)으로 선택하였다. 이때 SDS는 0.506, SD1은 0.2024로 각각 계산되었다. 이렇게 작성한 인공 지진하중의 가속도 시간이력을 <Fig. 2>에 나타내었다. 인공지진하중은 랜덤 진동 이론에 의하여 인공지진을 생성하는 프로그램 중 가장 널리 사용되고 있는 SIMQKE12)을 사용하여 작 성하였다. 생성된 지진하중의 길이는 30초로 하였고 시간간격은 0.01초로 하였다.

    3.비동조효과를 고려한 제어성능 검토

    본 절에서는 TMD 및 스마트 TMD가 최적으로 조율된 구조물의 모드형상 및 고유진동주기와 같은 동적특성이 변화하여 발생하는 비동조현상(Offtuning) 에 대한 스마트 TMD의 적응성을 검토한다. 본 절에서 수행하는 수치해석은 특정한 동적하중에 대한 정확한 동적응답을 예측하는 것에 주안점을 두지 않고 비동조현상에 따른 응답의 변화량을 검 토하는 것이 주목적이다. 또한 이를 위해서는 반복 적인 시간이력해석이 필요하므로 해석의 효율성을 위해서 <Fig. 1>의 예제구조물을 단자유도구조물로 단순화하였다. 단순화한 단자유도 구조물의 응답은 본 예제구조물의 응답에 비하여 10% 이내의 오차를 나타내었다. 단자유도 구조물의 질량은 <Fig. 1>에 나타낸 2차원 구조물에서 TMD 질량이 제어할 수 있는 범위와 모드형상을 고려하여 2차원 구조물의 1/4로 해서 3,850kg으로 하였다. 예제 대공간구조물 의 지붕이 열린 상태와 닫힌 상태에서 1차모드 고 유진동주기는 각각 3.00초와 2.66초이므로 단자유도 구조물의 고유진동주기도 이에 맞추었고 감쇠비는 3%로 하였다. TMD의 강성 및 감쇠값은 앞 절에서 설명한 Warburton이 제안한 최적 설계값을 그대로 사용하였으며 스마트 TMD 또한 강성값은 동일한 값을 사용하였고 MR 감쇠기의 최대 감쇠력이 Warburton이 제안한 최적 감쇠기의 감쇠력과 동일 한 감쇠력을 나타내도록 조정하였다.

    구조물의 동적특성 변화에 따른 비동조현상이 발 생시 TMD와 스마트 TMD의 제어성능변화를 검토 하기 위해서 단자유도 예제구조물의 고유진동주기 에 동조시킨 공진조화지반가속도를 가하여 시간이 력해석을 수행하였다. 조화지반가속도의 최대 진폭 은 0.1m/s2으로 하였고 시간간격이 0.001초인 하중 을 50초 동안 가하였다. 조화지반가속도를 생성하기 위해서 일반적인 사인파를 사용하였다. 단자유도 예 제구조물의 고유진동주기는 지붕이 열린 상태를 고 려한 구조물을 기준으로 –10%에서 +10%까지 변화 시켰고 조화지반가속도의 진동수를 변화시켜서 계 속적으로 공진효과가 나타나도록 하였다. 이러한 수 치해석을 수행한 결과 최대 변위 및 최대 가속도의 변화양상을 <Figs. 3, 4>에 나타내었다.

    그림을 보면 알 수 있듯이 일단 예제구조물의 고 유진동주기의 변화가 없는 모델, 즉 정상적으로 조 율된 모델(0%)을 보면 최대 변위응답과 가속도 응 답에 있어서 스마트 TMD가 수동 TMD보다 더 우 수한 제어성능을 나타내었는데 두 값의 차이가 모 두 대략 8% 정도 나타났다. 스마트 TMD와 수동 TMD의 최대 변위응답 차이는 구조물의 고유진동 주기 변화가 커질수록 즉, 비동조형상이 커질수록 증가하는 것을 확인할 수 있다. 구조물의 고유진동 주기 변화율이 +10%일 때는 최대 변위응답의 차이 가 약 32%이고 –10%일 때에는 약 35%에 달하고 있 다. 최대 가속도응답도 마찬가지로 비동조현상이 증 가할수록 스마트 TMD와 수동 TMD의 응답차이가 커지는 것을 볼 수 있는데 구조물의 고유진동주기 변화율이 +10%일 때는 응답의 차이가 약 31%이고 –10%일 때에는 약 37%를 나타내었다. 구조물의 고 유진동주기 변화에 따른 RMS 변위 및 가속도응답 의 변화경향을 <Figs. 5, 6>에 나타내었다. 두 그림 에서 비동조현상이 발생하기 전 모델(0%)을 보면 스마트 TMD가 수동 TMD에 비해서 탁월한 제어성 능을 발휘하는 것을 알 수 있다. 특히 RMS 변위응 답은 약 54%의 응답차이를 보였고 RMS 가속도 응 답도 56%의 응답차이를 보였다. 앞서 살펴본 최대 치 응답보다 RMS 응답에 있어서 스마트 TMD와 수동 TMD의 제어성능 차이가 더 심하게 나타나는 것을 알 수 있다. 이러한 응답차이는 구조물의 고유 진동주기 변화가 증가함에 따라서 조금씩 감소하는 것으로 보이나 경향은 그리 크지 않은 것을 확인할 수 있다. 즉 스마트 TMD와 수동 TMD에 대해서 비 동조현상이 발생할 때 제어성능의 변화를 검토해본 결과 RMS 응답에 대해서는 동조상태에서 크게 발 생했던 응답차이가 비동조현상이 증가해도 큰 변화 가 나타나지 않았다. 이에 반해서 최대치 응답에 대 해서는 스마트 TMD와 수동 TMD의 응답차이가 비 동조현상이 증가할수록 커지는 것을 알 수 있다. 개 폐식 대공간구조물과 같은 동적특성이 변화하는 구 조물의 진동제어에 대해서 스마트 TMD의 적응성 이 매우 뛰어나다는 것을 확인할 수 있다.

    4.파라메터 연구를 이용한 스마트 TMD 최적설계

    본 절에서는 스마트 TMD를 구성하는 강성 및 MR 감쇠기 용량의 최적 설계값을 찾기 위한 파라 메터 연구를 수행하였다. 수치해석을 위하여 <Fig. 1> 에 나타낸 예제구조물과 <Fig. 2>에 나타낸 인공지 진하중을 사용하였다. 수지해석을 위하여 MATLAB 버전 R2011a와 SIMULINK를 사용하여 운동방정식 을 해석하였다. 스마트 TMD를 구성하는 핵심 설계 요소는 스프링 강성과 MR 감쇠기의 최대 제어용량 이 된다. 핵심 설계변수가 2개 밖에 되지 않으므로 최적화 알고리즘을 적용하지 않고 예상 가능한 모 든 범위의 설계값을 검토하는 파라메터 연구를 수 행하였다. 스프링의 강성값은 Warburton의 연구에 서 제안한 수동 TMD의 최적 강성값을 기준으로 50%에서 150%까지 1% 간격으로 변화시켜서 검토 하였다. 또한 MR 감쇠기의 최대 용량은 50kN에서 150kN까지 1kN 간격으로 변화시켜서 해석하였다.

    우선 지붕이 닫힌 상태의 예제구조물을 대상으로 해석을 수행하였으며 최대 변위 및 최대 가속도 응 답의 변화양상으로 <Figs. 7~10>에 나타내었다. 변 위 및 가속도 응답의 변화경향을 보다 명확하게 나 타내기 위하여 입체평면(Surface)과 등고선 (Contour) 형태로 표현하였다. <Figs. 7, 8>을 보면 스프링 강성은 약 100% 근처에서 가장 작은 최대 변위응답을 나타내었고 MR 감쇠기의 용량은 약 80~90kN에서 효과적인 제어를 할 수 있는 것을 알 수 있다. 최대 변위응답만을 제어목표로 한다면 이 러한 범위에서 최적 설계값을 결정하면 되지만 설계 시 최대 가속도응답에 대한 고려도 동시에 하고자 한다면 <Figs. 9, 10>에 나타낸 최대 가속도응답의 입체평면 과 등고선을 검토할 필요가 있다.

    최대 가속도응답의 파라메터 해석결과를 검토해 보자면 변위응답에 비해서 상대적으로 불규칙적인 것을 알 수 있고 변위응답이 효과적으로 제어되는 영영과 약간의 오차가 발생하는 것을 알 수 있다. 따라서 두 응답을 적절하게 제어할 수 있는 스마트 TMD의 강성 및 MR 감쇠기 용량을 선택해야 하는 데 지붕이 닫힌 상태의 예제 대공간구조물을 대상 으로는 <Figs. 10, 11>에 ‘X’로 표시한 값을 선택하 였다. 이 위치의 강성은 120%이고 MR 감쇠기의 용 량은 70kN으로서 최대 변위 및 가속도응답은 각각 8.93cm와 281.8cm/s2을 나타낸다.

    지붕이 열린 상태의 예제구조물에 대한 최대 변 위 및 최대 가속도 응답의 변화양상으로 <Figs. 11~14> 에 나타내었다.<Fig. 12><Fig. 13>

    그림에 나타낸 입체평면 및 등고선을 보면 지붕 이 열린 예제구조물의 최대 변위응답은 닫힌 상태 와 달리 스마트 TMD의 강성이 100%보다 작은 영 역에서 효과적으로 제어되는 것을 볼 수 있다. 최대 가속도응답의 경우에는 설계변수의 변화에 따른 불 규칙성이 매우 강해서 최적의 값을 선택하기가 쉽 지 않은 것을 알 수 있다. 따라서 최대 변위에 대한 응답제어의 효율성을 기준으로 설계변수를 결정하 는 것이 합리적이다. 이를 바탕으로 본 연구에서는 그림에서 ‘X’로 표시한 위치를 최적 설계값으로 선 택하였으며 이는 MR 감쇠기 용량 112kN과 강성비 86%를 의미한다.

    파라메터 해석결과를 보면 알 수 있듯이 지붕이 닫힌 상태의 예제구조물과 열린 상태의 예제구조물 을 효과적으로 제어할 수 있는 스마트 TMD의 강성 및 MR 감쇠기 용량이 각각 다른 것을 알 수 있다. 일반적으로 생각할 때 두 가지 경우의 응답을 모두 적절하게 제어할 수 있도록 두 경우에 대한 설계 최 적값의 평균값을 선택하는 것도 한 가지 방법일 것 으로 판단할 수 있으나 실제로 구조물에 피해를 입 힐 수 있는 것은 최대 응답이므로 지붕이 열린 상태 의 구조물에 대한 최적 설계값을 선택하는 것이 바 람직하다.

    스마트 TMD의 강성 및 감쇠기의 용량을 기존의 Warburton이 제안한 방법에 근거하여 선정한 경우 와 본 연구에서 제안한 파라메터 연구를 통해서 선 택한 경우(Optimum)에 대해서 예제구조물의 변위 및 가속도응답을 비교하여 <Figs. 15~20>에 나타내 었다. 스마트 TMD의 제어성능 평가를 위해서 예제 구조물에 진동제어장치를 설치하지 않은 경우와 수 동 TMD를 설치한 경우를 함께 비교하였다. 응답의 비교위치는 <Fig. 1>에 나타낸 중앙 및 1/4 지점이 고 수평(DX) 및 수직(DZ)방향 응답을 비교하였다.

    최대 변위응답은 TMD 및 스마트 TMD에 의해서 효과적으로 제어되는 것을 볼 수 있는데 가장 큰 응 답이 발생하는 ‘a’점의 Z방향 응답의 경우 수동 TMD에 의하여 제어하지 않은 상태의 응답을 약 13% 더 줄일 수 있는 것을 알 수 있다. Warburton 방법에 의해서 설계된 스마트 TMD는 수동 TMD의 응답을 약 11% 더 줄일 수 있었다. 본 연구에서 제 안한 파라메터 연구에 의해 얻은 최적 설계값을 사 용한 스마트 TMD는 기존의 Warburton 방법에 의 해서 설계된 스마트 TMD에 비하여 약 12%의 응답 을 더 줄일 수 있었다. 즉 제어알고리즘의 변화 없 이 스마트 TMD를 구성하는 강성 및 감쇠력의 최적 설계만으로 제어성능을 큰 폭으로 향상시킬 수 있 는 것을 알 수 있다. 지붕이 열린 예제구조물에 최 적설계된 스마트 TMD는 지붕이 닫히는 비동조현 상이 발생하였음에도 여전히 우수한 제어성능을 나 타내는 것을 볼 수 있다. 즉 지붕이 열린 구조물에 대한 TMD와 스마트 TMD(Optimum)의 최대 변위 응답의 차이가 2.87cm였는데 지붕이 닫혀서 비동조 현상이 발생하게 되면 3.23cm로 더 증가하였다. 이 는 앞 절에서 살펴본 바와 같이 스마트 TMD가 제 어대상 구조물의 고유진동주기 변화로 인한 비동조 현상에 대해서 수동 TMD보다 효과적으로 적응할 수 있다는 것을 의미한다. <Figs. 16, 17>에 나타낸 ‘a’점과 ‘b’점의 X방향 응답에 대해서도 거의 비슷한 경향을 나타내었다. 변위응답에 비해서 가속도응답 의 제어에 있어서는 질량감쇠기가 큰 제어성능을 나타내지 못하는 것을 <Figs. 18~20>을 통해서 확 인할 수 있는데 이는 변위응답의 제어를 위해서 질 량감쇠기에 의한 제어력이 구조물에 순간적으로 작 용하게 되면 가속도응답 제어에는 효과적이지 못하 기 때문인 것으로 판단된다.<Fig. 19>

    예제구조물의 ‘a’점에서 X 및 Z방향과 ‘b’점에서 Z방향의 변위시간이력을 스마트 TMD와 수동 TMD, 제어하지 않은 경우에 대하여 <Figs. 21~23> 에 나타내었다. 그래프는 30초의 지진하중 중에서 가장 응답이 큰 영역인 10~20초 부분을 나타내었다. 그림에서 보듯이 13.5초 부근에서 발생하는 최대 응 답을 TMD도 효과적으로 제어할 수 있지만 스마트 TMD가 더욱 효과적으로 제어하는 것을 볼 수 있 다.<Fig. 22>

    5.결론

    본 연구에서는 스마트 TMD를 구성하는 스프링 강성 및 MR 감쇠기의 최적용량에 대한 최적 설계 값을 파라메터 연구를 통하여 결정하는 방법을 검 토하였다. 이를 위하여 지붕이 열린 상태와 닫힌 상 태를 고려하는 개폐식 대공간구조물을 예제구조물 로 선택하였고 KBC2016 기준에 의하여 작성한 인 공지진하중을 사용하여 수치해석을 수행하였다. 개 폐식 대공간구조물은 지붕의 열리고 닫힌 상태에 따라서 모드형상 및 고유진동주기가 변화하게 되므 로 최적의 성능을 발휘하도록 조율된 동조질량감쇠 기에서 비동조현상이 발생하게 된다. 따라서 일반적 인 수동 TMD와 스마트 TMD의 비동조현상에 대한 적응성을 본 연구에서 검토하여 보았다. 해석 결과 적절하게 조율된 상태에서 스마트 TMD는 수동 TMD에 비해서 우수한 제어성능을 나타냈으며 제 어대상 구조물의 고유진동주기가 변하여 비동조현 상이 크게 발생할수록 제어성능의 차이는 더 증가 하였다. 이를 통해서 지붕의 개폐상태에 따라서 고 유진동주기가 변하는 개폐식 대공간구조물에 대한 스마트 TMD의 적응성이 우수하다는 것을 검증하 였다. 본 연구를 통해 수행한 파라메터 해석을 통하 여 스마트 TMD의 강성 및 MR 감쇠기의 용량에 대 한 최적 설계값을 구할 수 있었으며 이 값을 이용해 서 구성한 스마트 TMD는 기존의 Warburton의 방 법에 근거하여 구성한 스마트 TMD보다 10% 이상 의 개선된 제어성능을 나타내는 것을 확인하였다. 본 연구에서는 스마트 TMD를 제어하기 위해서 널 리 사용되고 있는 준능동 제어알고리즘인 그라운드 훅 제어알고리즘을 사용하였으나 향후 파라메터 해 석을 통한 최적설계와 더불어 더 효과적인 스마트 제어알고리즘을 사용하는 방법에 대한 연구를 수행 할 계획이다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부 도시건축연구사업의 연구비 지원(17AUDP-B100343-03)에 의해 수행되었습니다.

    Figure

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    Example structures and TMDs

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    Ground acceleration time history of artificial EQ based on KBC2016

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    Peak displacement variation due to off-tuning

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    Peak acceleration variation due to off-tuning

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    RMS displacement variation due to off-tuning

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    RMS acceleration variation due to off-tuning

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    Peak displacement surface of closed roof structure

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    Peak displacement contour of closed roof structure

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    Peak acceleration surface of closed roof structure

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    Peak acceleration contour of closed roof structure

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    Peak displacement surface of open roof structure

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    Peak displacement contour of open roof structure

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    Peak acceleration surface of open roof structure

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    Peak acceleration contour of open roof structure

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    Peak displacement at ‘a’ (DZ)

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    Peak displacement at ‘a’ (DX)

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    Peak displacement at ‘b’ (DX)

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    Peak acceleration at ‘a’ (DZ)

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    Peak acceleration at ‘a’ (DX)

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    Peak acceleration at ‘b’ (DX)

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    Displacement time histories in Z-direction at ‘a’

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    Displacement time histories in X-direction at ‘a’

    KASS-17-123_F23.gif

    Displacement time histories in X-direction at ‘b’

    Table

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