KR101213751B1 - 비틀림 방향 제진을 위한 ａｍｄ 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 비틀림 방향 제진을 위한 AMD 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 풍동 실험기에 장착되는 교량 실험 모형의 모서리에 각각 AMD를 설치하고, 바람에 의해 발생하는 교량 실험 모형의 비틀림 크기를 레이져 변위계를 통해 측정하며, 측정된 신호를 이용하여 비틀림방향 진동 주파수 추출한 후 고유 진동수와 위상이 반대인 상쇄 진동 주파수에 따라 AMD 구동 모터에 입력신호로 주어 이동 질량체의 상하 왕복 운동을 발생하여 비틀림 방향에 대한 제진을 수행하여 AMD의 제진 성능을 입증할 수 있도록 하는 비틀림 방향 제진을 위한 AMD 시스템에 관한 것이다.

Description

비틀림 방향 제진을 위한 ＡＭＤ 시스템{ACTIVE MASS DAMPER SYSTEM FOR CONTROLLING VIBRATION OF TORSIONAL DIRECTION}

본 발명은 비틀림 방향 제진을 위한 AMD 시스템에 관한 것으로서, 상세하게는 풍동 실험기에 장착되는 교량 실험 모형의 모서리에 각각 AMD를 설치하고, 바람에 의해 발생하는 교량 실험 모형의 비틀림 크기를 레이져 변위계를 통해 측정하며, 측정된 신호를 이용하여 비틀림(회전) 방향 진동 주파수 추출한 후 고유 진동수와 위상이 반대인 상쇄 진동 주파수에 따라 AMD 구동 모터에 입력신호로 주어 이동 질량체의 상하 왕복 운동을 발생하여 비틀림 방향에 대한 제진을 수행하여 AMD의 제진 성능을 입증할 수 있도록 하는 비틀림 방향 제진을 위한 AMD 시스템에 관한 것이다.

교통수단으로 중요한 역할을 하는 교량은 교각과 교각의 상부에 설치되는 상판으로 구성된다. 이러한 교량은 길이에 따라 일정한 간격으로 교각을 설치하고 상기 교각들의 사이에 상판을 가설하는 방법으로 건설된다.

교량의 최근 건설되는 동향은 교량에 대해 유속으로 인한 지장을 최소화 하는 한편, 미관 및 상징성을 함께 부여하고자 하는 방향으로 진행되고 있다.

따라서 상기의 관점을 종합적으로 고려하여 교각과 교각의 사이가 긴 사장교나 현수교와 같은 케이블 교량 형식으로 건설되는 경우가 많다.

이와 같이 교각 사이가 긴 교량을 선호하는 것은 교각의 설치 수가 적으므로 장마철에 집중 폭우가 발생하여도 부유물이 교각에 걸려 유속에 지장을 주는 것을 최소화할 수 있는 한편, 디자인적인 측면에서도 종래의 교량에 비해 심미감이 뛰어나기 때문이다.

그러나 상기와 같이 교각 사이가 긴 장대교량은 풍하중의 영향을 많이 받는다는 단점이 있고, 이로 인해 잘못된 설계에 의해 제작된 교량은 태풍 및 강풍에 의해 붕괴될 수 있는 문제점이 있다.

특히, 근래 지구 온난화로 인한 초대형 태풍이 전 세계적으로 빈번히 발생하고 있고, 상기 언급된 바와 같이 교량 역시 장대 교량의 건설이 증가하고 있는 현실에서 고가의 교량을 건설하기 이전에 설계단계에서 건설하고자 하는 교량에 발생되는 풍하중을 실험으로 미리 알 수 있는 것은 교량의 내풍안전성을 확보하는데 매우 중요한 일이다.

이러한 이유로 전 세계적으로 장대교량을 다수 수주하여 건설하고 있는 대형 건설사에서는 풍동실험설비를 자체적으로 보유하거나 실험기관의 풍동실험설비를 임대하여 사용하고 있는 것이 현실이고, 풍동실험을 통해 새롭게 건설하고자 하는 교량에 대한 풍하중을 측정하여 설계에 반영하여 내풍안전성이 확보된 안전한 교량을 설계 및 시공하고 있다.

교량의 풍동실험은 교량을 일정 비율로 축소한 모형을 제작한 뒤 상기 축소 모형을 풍동 내부에 설치하고 모형에 풍압을 가하여 모형에 작용하는 풍하중 및 모형의 변형 여부를 관찰하는 것이다.

풍동실험의 예로는 대표적으로 동적 응답 측정 및 정적 공기력 계수 측정 등을 들 수 있으며, 동적 응답 측정은 영각별로 단면의 진동 변위량을 측정하는 것이고, 정적 공기력 계수 측정은 영각에 따른 단면의 정적하중 및 모멘트 측정하여, 항력, 양력, 모멘트 계수를 산정하는 것이다.

상기와 같은 실험들은 실험의 특성상 서로 다른 별도의 실험기가 필요하고, 이에 따라 풍동실험실에서는 상기 각각의 실험에 적합한 실험기를 각각 구비하고 있어야만 풍동실험을 원할하게 수행할 수 있다.

또한, 실험하고자 하는 교량에 대한 축소 모형 역시 설계하는 교량이 변함에 따라 계속해서 변형되고, 이 변형된 축소 모형을 해당 실험기에 부착시키기 위해서는 실험기 역시 해당 축소 모형에 맞게 일부 변형시켜야만 하는 어려움이 있다.

또, 풍동실험을 위해 풍동 내부에서 실험기에 축소 모형을 부착시키는 것은 축소 모형을 설치하는 동안 풍동 실험을 진행 할 수 없는 문제가 있다.

또, 실험기의 형상으로 인해 풍동실험 시 예상하지 않은 난기류가 발생할 수 있고, 상기 난기류는 실험데이터에 오차범위를 확대시킴으로 인해 정확한 데이터를 얻을 수 없는 문제가 있다.

상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 풍동실험을 위한 시험기가 본 출원인에 의해 국내 특허등록 10-0969242호(교량용 이동식 풍동 실험기)가 출원되어 등록되었다.

도 1과 도 2를 참조하면, 상기 교량용 이동식 풍동 실험기(1)는 주프레임(100)과 상기 주프레임(100)의 내부에서 양측으로 이동되는 이동프레임(200), 상기 이동프레임(200)의 측면에 설치되는 휠(300) 및 상기 휠(300)을 회전시키는 휠회전장치(400), 상기 이동프레임(200)이 주프레임(100)의 양측으로 이동되게 하는 폭조절장치(500) 및 풍동 실험 시 상기 이동프레임(200)과 휠(300)에 의해 난기류가 발생되어 실험 데이터에 오차가 발생되는 것을 방지하는 덕트(600)로 구성된다.

그러나, 최근 교량이 장경간화 되면서 진동제어를 위해 여러 제진장치들의 적용이 검토되고 있는 데, 실제로 축소모형 실험을 통해 성능을 입중증하는 것이 요구되고 있는 실정이다.

국내 특허등록 10-0969242호

본 발명은 상기와 같은 요구에 부응하기 위한 것으로, 풍동 실험기에 장착되는 교량 실험 모형의 모서리에 각각 AMD를 설치하고, 바람에 의해 발생하는 교량 실험 모형의 비틀림 크기를 레이져 변위계를 통해 측정하며, 측정된 신호를 이용하여 비틀림방향 진동 주파수 추출한 후 고유 진동수와 위상이 반대인 상쇄 진동 주파수에 따라 AMD 구동 모터에 입력신호로 주어 이동 질량체의 상하 왕복 운동을 발생하여 비틀림 방향에 대한 제진을 수행하여 AMD의 제진 성능을 입증할 수 있도록 하는 비틀림 방향 제진을 위한 AMD 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,

교량 실험 모형이 설치되어 풍동 실험을 수행하는 풍동 실험기에 있어서, 상기 교량 실험 모형의 각 모서리에 설치되어 상하 왕복 운동을 이용하여 제진력을 발생시키는 AMD와; 상기 풍동 실험기에서 상기 교량 실험 모형의 인접 위치에 서로 이격되도록 설치되어 상기 교량 실험 모형의 변위를 측정하는 복수의 변위 측정 수단; 및 상기 변위 측정 수단으로부터 측정된 신호를 이용하여 상기 교량 실험 모형의 비틀림방향 진동 주파수 추출한 후 고유 진동수와 위상이 반대인 상쇄 진동 주파수에 따라 상기 AMD를 구동하여 상하 왕복 운동을 발생하도록 하는 제어 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

여기에서, 상기 AMD는 상기 교량 실험 모형에 고정 설치되는 지그와; 상기 지그에서 수직 방향으로 설치되는 볼 스크류와; 상기 볼 스크류에 설치되어 이의 회전에 따라 상하로 이동되는 이동 질량체와; 상기 볼 스크류의 상단에 설치되어 외부의 구동 신호에 따라 정역회전되는 구동 모터; 및 상기 제어 수단의 제어에 따라 구동 신호를 발생하여 상기 구동 모터를 회전시키는 드라이버로 이루어진다.

여기에서 또한, 상기 볼 스크류는 양단에 리미트 스위치가 더 구비되고, 상기 이동 질량체에 상기 리미트 스위치와 접촉되는 스토퍼가 구비되며, 상기 이동 질량체의 스토퍼가 상기 리미트 스위치와 접촉되면 상기 구동 모터의 동작을 정지시킨다.

여기에서 또, 상기 이동 질량체는 복수개가 결합되어 이동 질량을 각기 다르게 설정할 수 있다.

여기에서 또, 상기 변위 측정 수단은 레이져 변위기이다.

여기에서 또, 상기 제어 수단은 추출된 진동 주파수에 대응되는 상쇄 진동 주파수가 룩-업 테이블 형태로 저장된다.

상기와 같이 구성되는 본 발명인 비틀림 방향 제진을 위한 AMD 시스템에 따르면, 풍동 실험기에 장착되는 교량 실험 모형의 모서리에 각각 AMD를 설치하고, 바람에 의해 발생하는 교량 실험 모형의 비틀림 크기를 레이져 변위계를 통해 측정하며, 측정된 신호를 이용하여 비틀림방향 진동 주파수 추출한 후 고유 진동수와 위상이 반대인 상쇄 진동 주파수에 따라 AMD 구동 모터에 입력신호로 주어 이동 질량체의 상하 왕복 운동을 발생하여 비틀림 방향에 대한 제진을 수행하여 AMD의 제진 성능을 입증할 수 있다.

도 1 및 도 2는 일반적인 교량용 이동식 풍동 실험기의 구성을 나타낸 도면이다.
도 3은 본 발명에 따른 비틀림 방향 제진을 위한 AMD 시스템이 교량용 이동식 풍동 실험기에 적용된 모습을 개략적으로 나타낸 사시도이다.
도 4는 도 3중 AMD의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 5는 도 3을 모식화한 모식도이다.
도 6은 본 발명에 따른 비틀림 방향 제진을 위한 AMD 시스템의 구성을 개략화시킨 블록도이다.

이하, 본 발명에 따른 비틀림 방향 제진을 위한 AMD 시스템의 구성을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.

도 3은 본 발명에 따른 비틀림 방향 제진을 위한 AMD 시스템이 교량용 이동식 풍동 실험기에 적용된 모습을 개략적으로 나타낸 사시도이고, 도 4는 도 3중 AMD의 구성을 나타낸 사시도이며, 도 5는 도 3을 모식화한 모식도이고, 도 6은 본 발명에 따른 비틀림 방향 제진을 위한 AMD 시스템의 구성을 개략화시킨 블록도이며, 도 7은 진동 주파수와 상쇄 진동 주파수를 설명하기 위한 그래프이다.

도 3 내지 도 7을 참조하면, 본 발명에 따른 비틀림 방향 제진을 위한 AMD 시스템(10)은 AMD(20)와, 변위 측정 수단(30)과, 제어 수단(40)으로 구성된다.

먼저, AMD(20)는 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 풍동 실험기(1)에 고정 설치된 교량 실험 모형(3)의 각 모서리에 고정 설치되는 지그(21)와, 지그(21)에서 수직 방향으로 설치되는 볼 스크류(23)와, 볼 스크류(23)에 설치되어 이의 회전에 따라 상하로 이동되는 이동 질량체(25)와, 볼 스크류(23)의 상단에 설치되어 하기에서 설명할 드라이버(29)의 구동 신호에 따라 정역회전되는 구동 모터(27)와, 하기에서 설명할 제어 수단(40)의 제어에 따라 구동 신호를 발생하여 구동 모터(27)를 회전시키는 드라이버(29)로 구성된다. 여기에서, 볼 스크류(23)는 양단에 리미트 스위치(23a)가 더 구비되고, 이동 질량체(25)에 리미트 스위치(23a)와 접촉되는 스토퍼(25a)가 구비되며, 이동 질량체(25)가 일정 변위 이상 이동되어 이동 질량체(25)의 스토퍼(25a)가 리미트 스위치(23a)와 접촉되면 장치 보호를 위해 구동 모터(27)의 동작을 정지시킨다. 여기에서 또한, 이동 질량체(25)는 복수개가 결합되어 이동 질량을 각기 다르게 설정할 수 있다.

그리고, 변위 측정 수단(30)은 레이져 변위기로서, 풍동 실험기(1)에서 교량 실험 모형(3)의 인접 위치에 서로 이격되도록 설치되어 교량 실험 모형(3)의 비틀림 변위를 측정한다.

또한, 제어 수단(40)은 도 7에 도시된 바와 같이 변위 측정 수단(30)으로부터 측정된 신호를 이용하여 교량 실험 모형(3)의 비틀림 방향 진동 주파수 추출한 후 고유 진동수와 위상이 반대인 상쇄 진동 주파수에 따라 AMD(20)의 구동 모터(27)를 동작시켜 이동 질량체(25)를 통해 상하 왕복 운동을 발생한다. 여기에서, 제어 수단(40)은 추출된 진동 주파수에 대응되는 상쇄 진동 주파수가 룩-업 테이블 형태로 저장되며, 이러한 룩-업 테이블은 반복 실험을 통해 각각의 데이터를 획득할 수 있다. 이때, 제어 수단(40)은 데스크탑 컴퓨터, 노트북, 테블릿 PC, 스마트폰 등이 적용될 수 있고, 원격 제어가 가능하도록 설정할 수 있으며 이러한 제어 방식은 일반적인 제어 방식이 적용된다.

이하, 본 발명에 따른 비틀림 방향 제진을 위한 AMD 시스템의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 풍동 실험기(1)에 교량 실험 모형(3)을 설치하고, AMD(20)를 교량 실험 모형(3)의 각 모서리에 고정 설치한다.

이러한 상태에서, 변위 측정 수단(30)의 위치를 조정하여 교량 실험 모형(3)의 비틀림 변위를 측정할 수 있도록 한다.

그리고, AMD(20)와 변위 측정 수단(30)을 제어 수단(40)과 전기적으로 연결시킨다.

모든 셋팅이 완료되면, 풍동내 바람 등에 의하여 교량 실험 모형(3)에 진동을 발생시킨다. 이때, 교량 실험 모형(3)의 비틀림 방향 고유진동수가 바람의 진동수와 일치하게 되면 비틀림 방향으로 진동이 발생하게 된다.

그러면, 제어 수단(40)은 변위 측정 수단(30)으로부터 측정된 신호를 이용하여 교량 실험 모형(3)의 비틀림 방향 진동 주파수를 추출한다.

비틀림 방향 진동 주파수가 추출되면 제어 수단(40)은 비틀림 방향 진동 주파수의 값(진폭, 주기 등)을 통해 룩-업 테이블에서 고유 진동수와 위상이 반대인 상쇄 진동 주파수를 검색한다.

그런 다음, 제어 수단(40)은 고유 진동수와 매칭되는 상쇄 진동 주파수에 따라 AMD(20)의 구동 모터(27)를 동작시켜 이동 질량체(25)를 통해 상하 왕복 운동을 발생한다.

그러면, 이동 질량체(25)의 상하 왕복 운동에 의해 비틀림 방향의 진동이 감쇄된다.

따라서, 교량 실험 모형에 AMD를 부착한 후 실험을 통해 제진 성능을 입증할 수 있다.

본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

20 : AMD 21 : 지그
23 : 볼 스크류 25 : 이동 질량체
27 : 구동 모터 29 : 드라이버
30 : 변위 측정 수단 40 : 제어 수단

Claims (6)

1. 교량 실험 모형이 설치되어 풍동 실험을 수행하는 풍동 실험기에 있어서,
   상기 교량 실험 모형의 각 모서리에 고정 설치되는 지그와, 상기 지그에서 수직 방향으로 설치되는 볼 스크류와, 상기 볼 스크류에 설치되어 이의 회전에 따라 상하로 이동되는 이동 질량체와, 상기 볼 스크류의 상단에 설치되어 외부의 구동 신호에 따라 정역회전되는 구동 모터 및 외부의 제어에 따라 구동 신호를 발생하여 상기 구동 모터를 회전시키는 드라이버로 이루어지는 AMD와;
   상기 풍동 실험기에서 상기 교량 실험 모형의 인접 위치에 서로 이격되도록 설치되어 상기 교량 실험 모형의 변위를 측정하는 복수의 변위 측정 수단; 및
   상기 변위 측정 수단으로부터 측정된 신호를 이용하여 상기 교량 실험 모형의 비틀림방향 진동 주파수 추출한 후 고유 진동수와 위상이 반대인 상쇄 진동 주파수에 따라 상기 AMD를 구동하여 상하 왕복 운동을 발생하도록 하는 제어 수단으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 비틀림 방향 제진을 위한 AMD 시스템.
2. 삭제
3. 제 1 항에 있어서,
   상기 볼 스크류는,
   양단에 리미트 스위치가 더 구비되고,
   상기 이동 질량체에 상기 리미트 스위치와 접촉되는 스토퍼가 구비되며,
   상기 이동 질량체의 스토퍼가 상기 리미트 스위치와 접촉되면 상기 구동 모터의 동작을 정지시키는 것을 특징으로 하는 비틀림 방향 제진을 위한 AMD 시스템.
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 이동 질량체는,
   복수개가 결합되어 이동 질량을 각기 다르게 설정할 수 있는 것을 특징으로 하는 비틀림 방향 제진을 위한 AMD 시스템.
5. 제 1 항에 있어서,
   상기 변위 측정 수단은,
   레이져 변위기인 것을 특징으로 하는 비틀림 방향 제진을 위한 AMD 시스템.
6. 제 1 항에 있어서,
   상기 제어 수단은,
   추출된 진동 주파수에 대응되는 상쇄 진동 주파수가 룩-업 테이블 형태로 저장되는 것을 특징으로 하는 비틀림 방향 제진을 위한 AMD 시스템.

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