KR20020003792A - 전자석 가진기를 이용한 구조물 진동제어용 복합형 질량댐퍼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고층빌딩과 같은 대형 구조물의 풍하중 또는 지진하중 등의 외부 하중에 의한 진동을 제어하기위한 전자석 구동 복합형 질량 댐퍼(Hybrid Mass Damper)이다. 본 발명에서는 구조물의 작은 진동에 대해서도 이동질량(1)이 원할히 움직일 수 있도록 이동질량(1)의 하중지지능력과 마찰특성 등이 우수한 롤러베어링을 사용한 가이드(2)를 사용하였다. 그리고, 구조물의 고유진동수를 고려하여 복합형 질량 댐퍼의 동조주파수를 조절 가능하도록 이동질량(1)의 크기 또는 스프링(5)의 강성을 변화시켜 동조주파수를 변화시킬 수 있도록 설계하였다. 또한 이동질량(1)과 구조물사이의 과대한 상대변위를 방지하기 위하여 일정 스트로크 이상의 이동질량(1)의 움직임에서는 충격완충기(6)가 동작하도록 하였다. 그리고 이동질량(1)의 측면에 설치된 전자석 가진기(3)는 코일(4)에 인가되는 제어전류에 선형적으로 비례하는 비접촉 전자기력을 발생시켜 이동질량(1)을 구동하여 동일한 크기의 반력이 코일고정부(9)를 통하여 복합형 질량댐퍼의 고정부에 전달되게 하였다. 이러한 구조적 특징을 갖는 본 발명은 구조물에 설치되어 풍하중 또는 지진하중등에 의한 구조물의 진동을 이동질량(1)의 구동으로 인한 반력이 구조물의 거동과 반대 방향으로 작용하도록 하여 진동을 억제한다.

Description

전자석 가진기를 이용한 구조물 진동제어용 복합형 질량 댐퍼{Hybrid Mass Damper for vibration control of structures using Magnetic Actuator}

풍하중 또는 지진하중에 의하여 고층 구조물에서 발생되는 진동응답을 줄일 수 있는 방법으로서 기계분야에서 폭넓게 사용되던 동흡진기(dynamic absorber)인 동조질량댐퍼(tuned mass damper)가 효과적인 방법으로 제시되었으며, 세계적으로초고층빌딩, 관제탑 및 고층타워 등 상대적으로 유연한 구조물을 대상으로 다양한 종류와 형태의 질량댐퍼가 적용되고 있다. 수동제어 방법에 의한 동조질량댐퍼는 동조된 구조물의 진동모드에 대해서만 진동제어능력이 있으므로, 동조모드 외의 진동모드에 대해서는 진동제어 효과를 기대할 수 없다. 그러나 능동제어개념의 AMD(active mass damper)는 유압 액츄에이터 또는 서보 모터 등을 이용하여 외부의 에너지를 적극적으로 사용하여 이동질량을 구동하고, 이때 액츄에이터에 발생하는 제어력을 구조물의 진동을 제어하기 위한 반력으로 이용하여 구조물의 진동응답을 저감시키는 능동제어 방법이다. 그러나, AMD가 효과적으로 작동할려면 지진과 같은 극심한 환경조건에서 외부의 큰 에너지를 안정되게 공급하여야 하며, 대형 구조물의 동적 파라미터의 불확실성을 극복하고 강건한 제어성능을 발휘해야 하며, 수동방식의 질량댐퍼에 비하여 능동제어 시스템을 구성하기 위한 비용증가 등 기술적, 경제적 문제점을 내포하고 있다. 따라서, 전자석 가진기(3)를 이용한 복합형 질량댐퍼는 수동제어방식의 TMD에 능동제어개념을 접목함으로써, 상대적으로 작은 스트로크 내에서 동조주파수 이외의 진동모드에도 큰 진동제어효과를 얻을 수 있고, 구조물의 고유진동수에 동조된 이동질량에 AMD보다 상대적으로 적은 에너지를 사용하여 AMD와 유사한 성능을 기대할 수 있다.

구조물의 수동 진동저감장치인 동조질량댐퍼는 풍하중에 의하여 발생하는 고층구조물의 공진에 기인한 진동응답을 저감시키는 데는 큰 효과를 기대할 수 있으나, 크기와 주파수성분 및 발생빈도가 일정하지 않은 지반 운동, 즉 지진에 의하여구조물에서 발생되는 진동응답에 대한 저감효과는 크지 않은 것으로 알려져 있다. 또한, AMD의 제어 시스템은 작동기로서 서보 모터 및 유압 실린더를 사용한 구동방식이다. 그러나, 이러한 구동방식은 서보 모터의 경우, 제어시스템을 구성하기는 용이한 장점이 있으나, 모터의 회전력을 이동질량의 직선운동으로 전달하는 볼스크류의 마찰저항, 열팽창 등이 발생하며, 유압 엑츄에이터의 경우에는 오일의 압축성, 지속적 구동에 따른 온도상승 등의 비선형성에 의하여 제어시스템 설계를 어렵게 하고, 안정성 및 성능을 저하시키는 원인이 된다. 특히, 질량댐퍼에서는 구조물의 작은 진동에 대해서도 이동질량이 원활히 움직여 댐퍼로서 작용할 수 있도록 적은 마찰이 필요하다. 따라서 본 발명은 이동질량이 원활히 움직일 수 있도록 마찰특성이 우수한 롤러베어링을 이용한 가이드(2)를 사용하였고, 또한 댐퍼의 이동질량(1)과 스프링(5)을 조절하여 동조주파수를 변화시킬 수 있도록 설계하였으며, 이동질량(1)과 구조물 사이의 기계결합에 의한 악영향을 제거하기 위한 방법으로 작동기와 이동질량(1)간에 비접촉으로 입력전류에 따른 선형제어력을 발생시킬 수 있는 전자석 복합형 질량댐퍼를 개발하였다.

도 1은 일실시예에 의한 복합형 질량 댐퍼의 정면도

도 2는 상기 도 1의 측면도

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 : 이동질량 2 : 롤러베어링 가이드

3 : 전자석 가진기 4 : 코일

5 : 스프링 6 : 충격완충기

7 : 영구자석 8 : 알루미늄 보빈

9 : 코일 고정부 10 : 수평이동 가이드바

11 : 케이스

첨부도면은 구조물 진동제어용 복합형 질량 댐퍼의 실시예를 도시한 것이다. 제 1도에 나타나 있는 구조물 진동제어용 복합형 질량 댐퍼는 비제어상태에서 동조질량댐퍼의 성능을 가지는 이동질량(1)과 스프링(5), 제어시 AMD(active mass damper)의 제어성능을 가지는 전자석 가진기(3)로 구성된다. 구체적으로 설명하면 수평이동 가이드바(10)에 이동질량(1)과 스프링(5)을 연결하고 이동질량(1)이 수평방향으로 원활히 거동하도록 롤러베어링을 이용한 가이드(2) 위에 설치하였고, 이동질량(1)에 부가질량을 설치하거나, 서로 다른 강성을 갖는 스프링(5)을 조합하여 전자석 복합형 질량 댐퍼의 동조주파수를 변화시킬 수 있도록 설치가 용이하게 개발하였다. 그리고 전자석 가진기(3)는 이동질량(1)에 체결되는 부분과 바깥케이스(11)에 체결되는 부분으로 나누어진다. 이동질량(1)에 체결되는 부분에는 이동질량(1)의 중심에 영구자석(7)의 극성을 반대로하여 일정한 간격을 두고 설치한다. 그리고 바깥 케이스(11)에 체결되는 고정부에 알루미늄 보빈(8)을 설치하고 코일(4)을 감아 코일고정부(9)를 형성한다. 또한 이동질량(1)과 구조물 사이에 과대한 상대변위가 발생하는 것을 방지하기 위하여 충격완충기(6)를 설치하였다. 발명된 전자석 복합형 질량 댐퍼는 이동코일(4)에 인가되는 전류의 크기에 의하여 전자기력을 발생시키며, 이동질량(1)을 구동시킨다. 이때 동일한 크기의 반력이 코일고정부(9)를 통하여 전달되게 하여 진동으로 인한 구조물의 거동과 반대 방향으로 작용하도록 하여 진동을 억제하는 데 효과적이다.

이상 설명한 바를 종합하면 본 발명은 전자석 가진기(3)를 이용하여 댐퍼의 이동질량(1) 간에 기계적 결합이 없는 상태에서 제어력을 작용시킬 수 있으므로 제어시스템의 성능 및 안정성 측면에서 접촉부위에서 발생하는 온도, 마찰 등에 기인하는 비선형 특성으로 고려할 필요가 없으며, 비제어상태에서는 동조질량댐퍼로도 구동 될 수 있고, 이동질량(1)의 하중지지능력과 마찰특성 등이 우수한 롤러베어링을 사용한 가이드(2)를 사용하여 구동을 원활하게 하였다. 또한, 전자석 코일(4)에인가되는 제어입력 전류에 비례하는 선형 제어력이 발생되므로, 제어가 용이한 장점이 있다. 본 발명은 고층빌딩과 같은 대형 구조물의 풍하중 또는 지진하중 등의 외부 하중에 의한 진동을 제어하여 구조물의 안전성과 사람의 거주적 측면에서 잠재적 가치가 매우 크다.

Claims (3)

1. 전자석 가진기(3)는 반대 극간에 형성된 자속밀도가 높은 영구자석(7) 사이에 이동코일(4)을 설치하여 인가되는 전류의 크기에 의하여 선형적으로 비례하는 비접촉 전자기력을 발생시켜 이동질량(1)을 구동하고, 구조물에 설치되어 풍하중 또는 지진하중 등에 의한 구조물의 진동을 동일한 크기의 반력이 구조물의 거동과 반대 방향으로 작용하도록하여 진동을 억제하는 구조물 진동제어용 복합형 질량 댐퍼.
2. 비제어상태에서 이동질량(1)과 스프링(5)으로 구성된 동조질량댐퍼(Tuned Mass Damper)로 작동하며, 댐퍼의 동조주파수의 조절이 용이하도록 이동질량(1)에 부가질량을 가감하거나, 서로 다른 강성을 갖는 스프링(5)의 조합으로 바꿀수 있도록 발명한 복합형 질량 댐퍼.
3. 이동질량(1)이 상시 동작되며, 구조물의 작은 진동에 대해서도 이동질량(1)이 원활히 움직일 수 있도록 이동질량(1)의 하중지지능력과 마찰특성 등이 우수한 롤러베어링을 사용한 가이드(2)를 사용하였고, 이동질량(1)과 구조물 사이에 과대한 상대변위가 발생하는 것을 방지하기 위하여 일정 스트로크 이상의 이동질량(1)의 움직임에서는 충격완충기(6)가 동작하도록 발명한 복합형 질량 댐퍼.