KR101866057B1 - 가변형 브레이크를 이용한 준능동형 tmd 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 구조물의 응답을 제어하기 위한 가변형 브레이크를 이용한 준능동형 TMD 시스템에 관한 것으로, 본 발명은, 구조물에 설치되어, 상기 구조물에 가해지는 에너지를 소산하기 위한 TMD 시스템으로서, 상기 구조물에 직선운동 가능하게 위치하는 질량체; 상기 질량체가 설치되며, 상기 질량체의 직선운동을 회전운동으로 변환하는 변환부; 인가되는 전류의 크기에 따라 변동하는 마찰력을 통하여 상기 변환부의 회전운동을 제어하는 히스테리시스 브레이크(hysteresis brake); 상기 변환부에서 변환되는 상기 회전운동량을 감지하며, 감지된 상기 회전운동량으로부터 상기 질량체의 속도를 연산하는 연산부; 및 연산된 상기 질량체의 속도에 따라 상기 히스테리시스 브레이크에 인가되는 전류의 크기를 조절하는 제어부;를 포함하는 가변형 브레이크를 이용한 준능동형 TMD 시스템을 제공하며, 이에 의하면, 최적의 최대 마찰력을 갖는 가변형 브레이크를 설치하여, 속도응답 기반의 마찰력 제어를 할 경우, 기존의 최적감쇠 TMD 보다 더 높은 제어 효율을 얻을 수 있고, 기존의 레일의 마찰력을 이용하는 경우의 문제점인 습도, 온도에 대한 환경 민감성, 소음, 마찰력의 불확실성, 유지보수의 어려움 등을 극복할 수 있으며, 기존의 감쇠장치에 비해 훨씬 크기가 작은 가변형 브레이크를 레일 단부에 설치하면 되기 때문에, TMD가 차지하는 부피를 대폭 저감할 수 있다.

Description

가변형 브레이크를 이용한 준능동형 TMD 시스템{Semi-active TMD system with variable brake}
본 발명은, 구조물의 응답을 제어하기 위한 가변형 브레이크를 이용한 준능동형 TMD 시스템에 관한 것이다.
지진의 정확한 예측은 아직까지 불가능한 분야로 남아있다. 강력한 지진으로 발생하는 진동이 건물, 교량 등의 구조물에 심각한 손상을 입힐 수 있으며, 일반적으로 구조물은 구조물의 강도, 강성, 에너지를 분산시키는 능력 등에 의해 지탱된다.
일반적으로 설계된 구조물의 들보(beam)는 변형 및 손상되거나 붕괴로부터 건물을 보호하기 위하여 부서진다.
이러한 문제에 대한 대안으로서, 구조물의 설계에 있어서, 내진 설계, 면진 설계, 제진 설계 등의 대안이 제안되고 있다.
이 중 최근에 많이 연구되는 제진 설계에 있어서, 제진장치 또는 감쇠장치 등과 같은 수동 제어 시스템(Passive control system)이 있다.
이는, 지진 또는 풍하중에 의해 구조물에 가해지는 에너지 일부를 흡수할 수 있는 장치를 구조물에 설치하는 것이다.
상기한 장치의 하나로서, TMD(공조질량감쇠기; Tuned mass damper)는 질량체와 이에 고정된 스프링에 의한 강성, 부착된 댐퍼로 구성되는 감쇠장치에 의한 감쇠를 갖는 수동형 에너지 소산장치로, 구조물의 응답을 제어하기 위하여 1909년 Ormondroyd와 Den Hartog에 의해 처음 제안되었다.
TMD의 질량(m)과, 고유진동수(ω), 감쇠비(ξ)와 같은 파라미터의 최적값이 Den Hartog와 Fahim Sadek 등의 연구에 의해 제안되었다.
TMD는 구조물 응답에서 1차모드에 대한 공진 주파수 성분을 크게 저감시키며, 조화진동이나 풍하중에 매우 효과적이다.
본 발명자는 TMD의 최적 고유진동수와 감쇠비 뿐만 아니라, 레일과 질량체 사이에 작용하는 마찰력이 제어에 영향을 미침을 발견하여 이를 모델링하여 수치해석을 수행하였고, 그 결과 최적의 마찰력에 의해, 감쇠장치를 부착하지 않고도 그 이상의 제어효율을 보임을 증명하였다(비특허문헌 1).
그러나, 레일의 의한 마찰력은 온도, 습도에 민감하여 대단히 불확실하고 소음을 유발하며, TMD를 설치한 후에 마찰재의 유지보수가 어렵다는 단점이 있다.
또 다른 대안은, 능동 제어 시스템(Active control system)을 채용하는 것이다. 능동 제어 시스템은 수동 제어 시스템과는 달리, 구조물의 반응을 측정하는 센서를 이용한다. 센서에서 감지된 정보는 컴퓨터 등의 제어부로 보내지고 이로부터 제어 알고리즘이 수행되며, 제어 알고리즘에 의해 구동되는 액츄에이터가 구조물에 힘을 가함으로써 구조물의 응답을 제어한다.
이러한 능동제어 시스템의 단점은 에너지의 소산 가능성은 높지만 실제로 수행하기는 어렵다는 점에 있다. 특히 건물과 같은 거대한 구조물에 적용될 수 있는 힘이 요구된다.
상기와 같은 이유로 최근 내진 분야의 연구는 준능동 제어(Semi-active control)에 집중되고 있다.
이러한 준능동 제어는 기존의 TMD 등을 어떻게 효과적으로 제어하는 지가 중요하다고 할 수 있다.
: Lee, S. H., Woo, S. S., Cho, S. H., Chung, L., ‘Optimal Design of Tuned Mass Damper Considering the Friction between the Moving Mass and the Rail', Transactions of the Korean Society for Noise and Vibration Engineering, Volume 17, Issue 6, 2007, pp.553-559
본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, TMD에 기존의 감쇠장치 대신, 히스테리시스 브레이크(Hysteresis Brake)를 설치하고 속도에 따른 마찰력을 이용하여 TMD를 제어하는 준능동형 TMD 시스템을 제공하고자 한다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 구조물에 설치되어, 상기 구조물에 가해지는 에너지를 소산하기 위한 TMD 시스템으로서, 상기 구조물에 직선운동 가능하게 위치하는 질량체; 상기 질량체가 설치되며, 상기 질량체의 직선운동을 회전운동으로 변환하는 변환부; 인가되는 전류의 크기에 따라 변동하는 마찰력을 통하여 상기 변환부의 회전운동을 제어하는 히스테리시스 브레이크(hysteresis brake); 상기 변환부에서 변환되는 상기 회전운동량을 감지하며, 감지된 상기 회전운동량으로부터 상기 질량체의 속도를 연산하는 연산부; 및 연산된 상기 질량체의 속도에 따라 상기 히스테리시스 브레이크에 인가되는 전류의 크기를 조절하는 제어부;를 포함하는 가변형 브레이크를 이용한 준능동형 TMD 시스템을 제공한다.
상기 히스테리시스 브레이크의 마찰력을 감지하는 센서를 더 포함하며, 상기 제어부는, 상기 센서에 의해 감지되는 마찰력에 따라 상기 히스테리시스 브레이크에 인가되는 전류의 크기를 추가로 조절하는 것이 바람직하다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 가변형 브레이크를 이용한 준능동형 TMD 시스템에 의하면, 최적의 최대 마찰력을 갖는 가변형 브레이크를 설치하여, 속도응답 기반의 마찰력 제어를 할 경우, 감쇠장치가 설치되는 기존의 최적감쇠 TMD 보다 더 높은 제어 효율을 얻을 수 있다.
또한, 기존의 레일의 마찰력을 이용하는 경우의 문제점인 습도, 온도에 대한 환경 민감성, 소음, 마찰력의 불확실성, 유지보수의 어려움 등을 극복할 수 있고, 기존의 감쇠장치에 비해 훨씬 크기가 작은 가변형 브레이크를 레일 단부에 설치하면 되기 때문에, TMD가 차지하는 부피를 대폭 저감할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 브레이크를 이용한 준능동형 TMD 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 2는, 질량체 속도에 따른 가변형 브레이크의 마찰력의 변화를 나타낸 그래프이다.
도 3 내지 도 6은, 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 브레이크를 이용한 준능동형 TMD 시스템에 있어서 브레이트크 최대 마찰력의 크기를 달리하고, 각 진동수비마다의 대상 구조물의 변위와 가속도 응답의 최대치를, 무감쇠 및 기존의 Fahim sadek에 의한 최적감쇠비로 제어한 경우의 대상 구조물의 변위와 가속도응답의 최대치와 비교하여 나타낸 그래프이다.
본 발명의 상기와 같은 목적, 특징 및 다른 장점들은 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명함으로써 더욱 명백해질 것이다. 이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 기술되어야 할 것이다.
또한, 기술되는 실시예는 발명의 설명을 위해 예시적으로 제공되는 것이며, 본 발명의 기술적 범위를 한정하는 것은 아니다.
본 명세서에서 기술되는 각 구성요소들은 필요에 따라 일체형으로 사용되거나 각각 분리되어 사용될 수 있다. 또한, 사용 형태에 따라 일부 구성요소를 생략하여 사용이 가능하다.
이하, 도면을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 가변형 브레이크를 이용한 준능동형 TMD 시스템(이하, 단순히 'TMD 시스템'이라 칭한다)을 상세히 설명한다.
먼저, 도 1을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 TMD 시스템의 구성을 설명한다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른 TMD 시스템을 개략적으로 나타낸다.
도 1에 나타낸 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 TMD 시스템은, 구조물에 설치되어, 설치된 대상 구조물에 가해지는 에너지를 소산하기 위한 것으로서, 질량체(100), 변환부(200), 히스테리시스 브레이크(400)(hysteresis brake), 연산부(500) 및 제어부(600)를 포함한다.
질량체(100)는 대상 구조물 상에 위치하며, 대상 구조물의 움직임에 따라 직선운동 가능하게 설치된다.
질량체(100)는 소정 질량을 갖도록 구성되며, 설치될 대상 구조물의 질량에 따라 그 질량이 결정된다.
변환부(200)는 질량체(100)의 직선운동을 회전운동으로 변환한다.
변환부(200)는 질량체(100)가 적재되는 너트부(210)부 및 너트부(210)부의 중앙을 관통하는 샤프트(220)를 구비한다.
변환부(200)는 볼 스크루(Ball screw)와 같은 구성으로서, 너트부(210)부 내면의 나선과 샤프트(220) 외주면의 나선에 의하여 너트부(210)부의 직선운동이 샤프트(220)의 회전운동으로 변환 된다.
너트부(210)부는 대상 구조물에 상에 설치되는 레일(300)에 직선운동 가능하게 설치된다.
이로써, 상기와 같이 질량체(100)가 대상 구조물의 움직임에 따라 레일(300) 상에서 직선운동을 하게 된다.
히스테리시스 브레이크(400)는 내부의 코일 사이에 위치하는 마찰체가 구비되어, 코일에 인가되는 전류의 크기에 따른 자속 밀도 변화를 이용하여 가변적인 마찰력을 발생시킨다.
히스테리시스 브레이크(400)는 샤프트(220)와 연결되어, 히스테리시스 브레이크(400)에 인가되는 전류 크기의 변화에 따른 마찰력을 통하여 샤프트(220)의 회전운동을 제어한다.
연산부(500)는 샤프트(220)의 회전운동량을 감지하며, 감지된 샤프트(220)의 회전운동량으로부터 질량체(100)가 적재된 너트부(210)의 변위 및 속도를 연산한다.
제어부(600)는 연산부(500) 및 히스테리시스 브레이크(400)와 연결되며, 연산부(500)에서 연산된 질량체(100)의 속도에 따라 히스테리시스에 인가되는 전류의 크기를 조절한다.
즉, 본 발명에서는 움직이는 질량체(100)의 속도를 기반으로 질량체(100)에 마찰력을 가하여 구조물에 가해지는 에너지를 소산시킨다. 가해지는 마찰력의 크기(fbrake)와 마찰력의 설계를 위한 파라미터는 도 2에 나타낸 바와 같다.
도 2는, 질량체(100)의 속도(x)와 마찰력(Fc)의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 2에서, Fs는 히스테리시스 브레이크(400)가 갖는 최대 마찰력으로서, 미소 속도보다 빠른 경우 더 이상 마찰력이 증가하지 않고 일정치를 갖도록 제한하는 파라미터다. 브레이크(400)의 허용 능력치는 정해져 있으며, 마찰력이 지나치게 커질 경우 TMD 시스템이 전혀 작동하지 않아 제어가 되지 않을 수 있기 때문에 반드시 필요한 파라미터다.
Gf는 미소 속도 구간에서의 마찰력의 변화량으로서, 이 기울기는 마찰력이 작은 경우 큰 영향력을 갖는 파라미터는 아니나, 최대 마찰력(Fs)이 커질수록 Gf의 값에 굉장히 민감하며, 따라서, 최대 마찰력(Fs)에 따라 최적으로 설계되어야 한다.
다음, 도 1을 다시 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 TMD 시스템의 작용을 설명한다.
지진이나 풍하중에 의하여 대상 구조물에 진동이 발생하면, 이에 따라 질량체(100)가 레일(300)을 따라 수직으로 운동하게 된다.
질량체(100)의 수직운동에 의해 너트부(210)가 연동하여 횡방향으로 운동하게 되고, 이러한 횡방향으로의 운동은 샤프트(220)의 회전운동으로 변환된다.
변환된 샤프트(220)의 회전운동량을 연산부(500)가 감지하며, 감지된 회전운동량을 통하여 질량체(100)의 변위 및 이 변위로부터 속도가 연산된다.
제어부(600)는 연산부(500)로부터 연산된 질량체(100)의 속도에 따라 히스테리시스 브레이크(400)로 인가되는 전류의 크기를 조절하며, 조절되는 전류의 크기에 의하여 히스테리시스 브레이크(400)에서 발생되어 샤프트(220)에 가해지는 마찰력이 조절됨으로써, 샤프트(220)의 회전운동이 제어된다.
히스테리시스 브레이크(400)로부터 샤프트(220)로 가해지는 마찰력은 도 2에 나타낸 바와 같이 질량체(100)의 속도에 비례하여 제어되며, 이에 따라 제어되는 질량체(100)의 운동에 의하여 구조물에 가해지는 에너지가 소산된다.
추가로, 상기 히스테리시스 브레이크(400)에서 샤프트(220)로 인가되는 마찰력을 감지하는 센서(700)가 구비되어, 감지되는 설계된 마찰력보다 크거나 작은 마찰력으로 샤프트(220)의 회전이 제어되는 경우, 제어부(600)는 히스테리시스 브레이크(400)에 인가되는 전류의 크기를 추가로 조절하도록 할 수 있다.
이하에서는, 상기 본 발명의 일 실시예에 따른 TMD 시스템의 검증하기 위한 실험결과에 따른 효과를 설명한다.
대상 구조물의 질량, 강성 및 감쇠비를 각각 1ton, 246.7kN/m 및 5%로 설정하고, 이때의 진동주기는 0.4초로 하였다.
질량체(100)의 질량은 대상 구조물 질량의 1%인 10kg로 설정하였다. 또한, 대상 구조물 대비 질량체(100)의 진동수비는 0.5 내지 1.5의 범위에서 0.01단위로 나누고, 각 진동수비에 대하여 대상 구조물을 공진시키는 정현파(Sine wave)를 가진하여 수치해석을 진행한 경우와, 무감쇠(ξ=0) 및 Fahim sadek에 의한 최적감쇠비(ξ=ξopt)로 제어한 경우의 대상 구조물의 변위(a)와 가속도응답(b)의 최대치를 비교하여 도 3 내지 도 6에 나타내었다.
도 3은 최대 마찰력(Fs)의 크기가 매우 작을 경우로 대상 구조물의 응답이 크게 증폭되어 제어 효율이 떨어짐을 알 수 있다.
도 4는 최대 마찰력(Fs)이 적절히 설계된 경우로, 대부분의 구간에서는 최적감쇠비(ξ=ξopt)가 적용된 경우와 유사하지만, 진동수비가 1인 부근에서는 오히려 제어효율이 더욱 좋아짐을 알 수 있다.
도 5는 최대 마찰력(Fs)에 의한 제어 효과가 최적감쇠비(ξ=ξopt)를 적용한 경우와 유사한 경우로, 최대 마찰력(Fs)이 최적 마찰력보다 큰 경우에 해당한다.
도 6은 최대 마찰력(Fs)이 지나치게 커서 최적감쇠비(ξ=ξopt)가 적용된 경우보다 응답이 오히려 더 증폭되는 결과를 보여준다.
상기한 결과는, 히스테리시스 브레이크(400)에 의한 마찰력이 감쇠력과 유사하게 작용하고 있음을 보여주는데, 이는 적절히 설계된 브레이크에 의한 마찰력이 기존감쇠장치의 감쇠력을 대체할 수 있을 뿐 아니라, 오히려 더 높은 제어효과를 가짐을 알 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 따른 가변형 브레이크를 이용한 준능동형 TMD 시스템에 의하면, 최적의 최대 마찰력을 갖는 브레이크를 설치하여, 속도응답 기반의 마찰력 제어를 할 경우, 감쇠장치를 이용한 기존의 최적감쇠 TMD 보다 더 높은 제어 효율을 얻을 수 있다.
또한, 기존의 레일의 마찰력을 이용하는 경우의 문제점인 습도, 온도에 대한 환경 민감성, 소음, 마찰력의 불확실성, 유지보수의 어려움 등을 극복할 수 있고, 기존의 감쇠장치에 비해 훨씬 크기가 작은 가변형 브레이크를 레일 단부에 설치하면 되기 때문에, TMD가 차지하는 부피를 대폭 저감할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시 예에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 실시예에 한정되지 아니한다. 즉, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가지는 자라면 첨부된 특허청구범위의 사상 및 범주를 일탈함이 없이 본 발명에 대한 다수의 변경 및 수정이 가능하며, 그러한 모든 적절한 변경 및 수정의 균등물들도 본 발명의 범위에 속하는 것으로 간주되어야 할 것이다.
100: 질량체
200: 변환부
300: 레일
400: 히스테리시스 브레이크
500: 연산부
600: 제어부
700: 센서

Claims (2)

  1. 구조물에 설치되어, 상기 구조물에 가해지는 에너지를 소산하기 위한 TMD 시스템으로서,
    상기 구조물에서 직선운동 가능하게 위치하는 질량체(100);
    상기 질량체(100)가 설치되며, 상기 질량체(100)의 직선운동을 회전운동으로 변환하는 변환부(200);
    인가되는 전류의 크기에 따라 변동하는 마찰력을 통하여 상기 변환부(200)의 회전운동을 제어하는 히스테리시스 브레이크(hysteresis brake)(400);
    상기 변환부(200)에서 변환되는 상기 회전운동의 운동량을 감지하며, 감지된 상기 회전운동의 운동량으로부터 상기 질량체(100)의 직선운동의 속도를 연산하는 연산부(500); 및
    연산된 상기 질량체(100)의 직선운동의 속도에 상응하도록 상기 히스테리시스 브레이크(400)에 인가되는 전류의 크기를 조절하는 제어부(600);를 포함하는,
    가변형 브레이크를 이용한 준능동형 TMD 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 히스테리시스 브레이크(400)의 마찰력을 감지하는 센서(700)를 더 포함하며,
    상기 제어부(600)는, 상기 센서(700)에 의해 감지되는 마찰력에 따라 상기 히스테리시스 브레이크(400)에 인가되는 전류의 크기를 추가로 조절하는,
    가변형 브레이크를 이용한 준능동형 TMD 시스템.
KR1020160121421A 2016-09-22 2016-09-22 가변형 브레이크를 이용한 준능동형 tmd 시스템 KR101866057B1 (ko)

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