동조질량감쇠기의 고유진동수 변화에 따른 진동 감쇠 효과 증대

홍성민(Hong, Seongmin),김범진(Kim, Bumjin),유은정(Yu, Eun-Jeong) 한국과학영재교육학회 2019 과학영재교육 Vol.11 No.1

연구는 동조질량감쇠기(이하 TMD)의 고유진동 수를 조절하여 지진으로 인한 건물의 진동을 감쇠시키는 효과를 조사하기 위한 연구이다. 먼저 CNC 프로그램을 이용하여 건물의 모식도를 그린 후, 아크릴로 건물 구조물을 제작하고, 무거운 쇠구슬로 TMD 모형을 만들었다. 건물의 고유진동수는 진동수 별로 최대 진동변위를 측정하여 피크 값을 찾아 측정하였다. TMD 의 부착 유무와 고유진동수를 변경시키며 대조군과 실험군을 설정하여 진동 감쇠 효과를 비교하였다. 실험군은 TMD의 고유진동수를 건물의 고유진동수와 같은경우, TMD의 고유진동수가 지진동의 고유진동수와 같은 경우, TMD의 고유진동수가 건물의 고유진동수 혹은 지진동의 진동수와 같지 않은 경우, 대조군은 TMD를 부착하지 않은 경우로 나누어 각각 진동 감쇠 효과를 분석하였다. 연구 결과 TMD의 고유진동수와 지진동의 고유진동수가 같은 경우에 진동의 감쇠 효과가 가장 크다는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 연구결과를 바탕으로 지진동의 진동수에 따라 동조질량감쇠기의 고유진동수를 조절할 수 있는 기술이 발전하게 된다면 진동의 감쇠 효과를 증대 시킬 수 있을 것으로 기대된다. The purpose of this study is to investigate the damping effect of the vibration of buildings due to earthquakes by adjusting the natural frequency of Tuned Mass Damper(TMD). First, a schematic diagram of a building was drawn using a Computer Numerical Control(CNC) program, and an acrylic structure was built to hang a heavy iron ball, and then the natural frequency of the building itself was measured. The natural frequency of the building was measured by measuring the maximum vibration displacement for each frequency, and the peak value was measured. The vibration damping effect was compared through adjusting natural frequency of TMD, by setting the control group and the experiment group. The experimental group was divided into the case where the natural frequency of the TMD was equal to the natural frequency of the building, the natural frequency of the TMD is the same as the natural frequency of the earthquake vibration, and the case where the natural frequency of the TMD was different to the both frequency of the earthquake vibration and natural frequency of the building. In the control, no TMD was attached. The results showed that the vibration damping effect was the greatest when the natural frequency of the TMD was equal to the natural frequency of the earthquake dynamic. Based on the results of this study, it is expected that the damping effect can be maximized if the technology to control the natural frequency of TMD is developed according to the frequency of earthquake vibration.

비대칭 동조질량감쇠기를 활용한 바닥진동제어의 강건성 향상 방안

고아라,이철호,김성용,Ko, A Ra,Lee, Cheol Ho,Kim, Sung Yong 한국강구조학회 2014 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.26 No.3

최근 강재의 고강도화를 통한 부재 단면 사이즈의 절감은 종종 강성의 부족으로 이어져 과도한 처짐이나 진동문제를 야기한다. 따라서 적절한 설계나 예방을 통해 구조물의 바닥진동에 대한 보완이 필수적이다. 이러한 바닥진동 문제를 해결하기 위해 동조질량감쇠기가 종종 쓰이고 있다. 동조질량감쇠기는 바닥의 진동수에 대해 정확히 설계되었을 때에는 효율적으로 바닥진동을 제어할 수 있다. 하지만 바닥질량의 크기와 외부하중의 특성에 따라 바닥의 진동수가 수시로 변하는 경우에는 그 효율이 급격히 낮아질 가능성이 있다. 이러한 현상을 동조이탈이라고 한다. 본 연구는 실제 바닥에 가해지는 하중의 변화에 따라 바닥의 진동수가 달라지는 양상을 실험을 통해 고찰한다. 실험 바닥에 기존의 단일동조질량감쇠기를 적용하여 단일동조질량 감쇠기의 한계인 동조이탈현상을 확인한다. 또한, 바닥진동제어의 강건성을 확보하기 위해 진동수의 불확실성을 반영한 비대칭 동조질량감쇠기의 활용을 제안한다. TMD의 강건성이란 진동수가 변화하는 상황에서 바닥진동제어 성능이 얼마나 지속되느냐를 뜻한다. 제안된 비대칭 TMD는 두 개의 비대칭 강성을 가지고 있기 때문에 병진운동과 회전운동을 하면서 진동에너지를 소산한다. 제안된 비대칭TMD의 최적화 결과, 비대칭TMD는 기존 STMD에 비해 28%이상의 진동제어성능을 확보하였으며, 외부의 환경 변화에 대한 강건성은 약 1.4배 개선되었다. When floor vibration problems occur in existing buildings, TMD (tuned mass damper) can be a viable alternative to resolving the problem. Only when TMD has been exactly tuned to the natural frequency of the floor, it can control the vibration as intended in design. However, TMD gets inefficient in the situation where the natural frequency changes as a result of the uncontrollable variation of the floor mass weight. This physical phenomenon is often called as TMD-off-tuning. This study proposes asymmetric TMD for enhancing the robustness of floor vibration control against uncertain natural frequencies. The proposed TMD features two asymmetric linear springs such that the floor vibrational energy can be dissipated through both the translational and rotational motion. An easy-to-use graphical optimization method was developed in this study. The asymmetric TMD proposed outperformed in vibration control by 28% compared to that of conventional TMD. The robustness of asymmetric TMD of this study was two times higher than that of conventional TMD.

부공력감쇠를 고려한 와류하중모델의 진동예측성능

황재승 한국풍공학회 2021 한국풍공학회지 Vol.25 No.4

부공력감쇠는 풍직각방향의 와류공진을 예측하는데 있어서 매우 중요한 요소이다. 부공력감쇠는 진동유발하중 또는 피드백 하중을 구성하는 주요인자로 와류진동이 급격히 발현되는 현상을 설명하는 도구이기도 하다. 본 연구에서는 공력감쇠의 수학적 모델 을 제시하고 와류유발하중모델과 함께 와류진동을 예측하는 프러세스를 제안한다. 직사각형단면에 대한 공기력진동실험을 수행하여, 계측된 가속도로부터 공력감쇠와 와류유발하중을 추정하고 이에 기반하여 공력감쇠모델과 와류유발하중모델을 구축하는 과정을 다룬 다. 최종적으로 공력감쇠모델과 와류유발하중 모델에 대한 재해석을 통하여 가속도응답을 구하고 계측된 가속도와 비교하여 모델의 진동예측성능을 평가한다. 본 연구에서 제안된 와류하중모델의 진동예측성능을 평가한 결과 안정적이며, 신뢰도가 높은 와류진동예측 이 가능함을 알 수 있었다. The negative aerodynamic damping is a very crucial parameter in estimating the vortex induced resonance(VIR) in the across-wind direction. Aerodynamic damping is a major factor constituting so-called motion induced load or feedback load, and it is also a tool to explain the rapid manifestation of VIR. In this study, a mathematical model of aerodynamic damping are evaluated, and a process for predicting vortex induced vibration(VIV) along with vortex induced load model is proposed. By performing aeroelastic model test of a slender structure with a rectangular section, the aerodynamic damping and vortex-induced load are identified from the measured acceleration, based on these results, the mathematical models for aerodynamic damping and vortex induced load with respect to the wind speed were constructed. Finally, vibration estimation performance was evaluated by comparing the measured acceleration with the acceleration response obtained through re-analysis using the aerodynamic damping model and the vortex induced load model. From the numerical results, it was found that mathematical model of across wind load model are able to reliably predict VIV with a high reliability.

골재 표면 폴리우레탄 코팅 고 감쇠 보의 모드특성

황재승,이방연,이상현 한국풍공학회 2018 한국풍공학회지 Vol.22 No.2

Vibration control system have been applied to improve the wind resistant performance of structures for several decades. The vibration control system is also known as a most efficient way to increase the resistance to vibration by increasing the equivalent damping ratio of the structure, but the considerable costs are expected in the installation and operation of the system. Recently, study on heavy-damping materials has been encouraged to increase the damping ratio of the structure permanently while having a damping effect equivalent to a vibration control system. In this study, the damping performance of heavily damped concrete material coated with polyurethane on coarse aggregate was evaluated and analyzed. For this, free vibration tests were carried out on simple beam made of heavy-damping materials, and the dynamic properties of each mode were identified. Especially, the damping of the materials was estimated quantitatively by estimating the damping ratio using Hilbert transform. Experiments were also performed on concrete beam made of conventional concrete for comparative study. The result of modal analysis for free vibration test show that heavy damped beam have a damping ratio of about 10% for each mode, which shows a very high level of increase in damping compared to the damping ratio of 1% for conventional concrete beam. From these results, it is considered that the damping performance of the structure can be secured by using polyurethane coated high damping material. 구조물의 내풍성능을 개선하기 위하여 지난 수 십 년간 진동제어장치가 사용되어 왔다. 진동제어장치는 구조물의 등가감쇠비를 증가시킴으로써 진동에 대한 저항성을 증가시키는 효율적인 방안이지만, 설치와 운영에 많은 비용이 요구되고 있다. 진동제어장치와 등등한 감쇠효과를 가지면서 영구적으로 구조물 자체의 감쇠비를 증가시키기 위한 고감쇠 물질에 대한 연구가 증가하고 있다. 본 연구에서는 굵은 골재에 폴리우레탄이 코팅된 고감쇠 콘크리트 재료의 감쇠성능을 평가하기 위한 실험과 분석이 이루어졌다. 고감쇠 물질로 제조된 단순보에 대한 자유진동실험을 수행하여 각 모드별 특성을 파악하였으며 특히 감쇠비를 추정하여 감쇠물질에 의한 감쇠증가량을 정량적으로 평가하였다. 비교평가를 위하여 기존 콘크리트 재료로 제조된 보에 대한 실험 또한 병행하여 수행되었다. 모드분석에 의한 감쇠비 추정결과 고감쇠 보는 각 모드별 약 10%의 감쇠비를 가지는 것으로 나타났으며, 이는 일반 보의 감쇠비 1%에 비하여 매우 높은 감쇠증가량을 보이고 있다. 이러한 결과로부터 폴리우레탄 코팅 고감쇠 재료를 이용하여 구조물의 감쇠성능확보가 가능할 것으로 판단된다.

바닥판 구조물의 진동제어를 위한 MR 감쇠기의 적용

김기철,곽철승,Kim, Gee-Cheol,Kwak, Chul-Seung 한국공간구조학회 2006 한국공간구조학회지 Vol.6 No.3

수동동조질량감쇠기의 진동제어 효과는 질량감쇠기와 구조물과의 동조로 인하여 나타나고 있다. 그러나 바닥판 구조물의 질량과 강성의 변화로 인하여 실제 구조물에 있어서 비동조 현상이 일어나기도 한다. 이러한 상황에서는 수동동조질량감쇠기의 성능이 비효율적이며 경우에 따라서는 구조물의 진동을 증가시키기도 한다. 본 논문에서는 기계나 사람에 의한 바닥판 구조물의 진동을 줄이기 위하여 자기유체감쇠기의 적용성을 알아보고자 한다. 준 능동제어와 groundhook 제어 알고리즘을 적용하여 준능동감쇠기의 성능과 수동질량감쇠기의 성능을 비교 분석하였다. 또한 비동조 상황에서의 준능동감쇠가와 수동질량감쇠기의 견인성을 비교 분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다. 자기유체감쇠기는 동조상황에서 우수한 제어 성능을 가지고 있으며 비동조 상황에서도 우수한 견인성을 보여주고 있다. A conventional passive TMD is only effective when it is tuned properly. In many practical applications, inevitable off-tuning of a TMD occurs because the mass in a building floor could change by moving furnishings, people gathering, etc. when TMDs are offtuned, TMDs their effectiveness is sharply reduced. Moreover, the off-tuned nTMDs can excessively amplify the vibration levels of the primary structures. This paper discusses the application of a new class of MR damper, for the reduction of floor vibrations due to machine and human movements. The STMD introduced uses a MR damper called to semi-active damper to achieve reduction in the floor vibration. Here, the STMD and the groundhook algorithm are applied to a single degree of freedom system representative of building floors. The performance or the STMD is compared to that or the equivalent passive TMD. In addition, the effects of off-tuning due to variations in the mass of the floor system. Comparison of the results demonstrates the efficiency and robustness or STMD with respect to equivalent TMD.

유한 원통셸의 큰 끝단 종진동을 발생시키는 감쇠파에 대한 분석 연구

길현권,Kil, Hyun-Gwon 한국음향학회 2011 韓國音響學會誌 Vol.30 No.7

진동하는 원통셸에서는 파동의 크기를 유지하며 전파하는 진행파 (굽힘파, 종파, 전단파)와 전파함에 따라서 파동의 크기가 지수 함수적으로 급격히 감쇠하며 소멸되어가는 감쇠파가 발생한다. 감쇠파의 영향은 일반적으로 가진 지점 혹은 구조물의 끝단 지점 부근에 국한되어 작게 발생되게 된다. 그러나 원통셸의 경우 상당히 큰 감쇠파가 발생할 수 있으며, 이러한 감쇠파로 인하여 종진동이 끝단 부근에서 상당히 크게 발생하는 현상이 일어날 수 있다. 이러한 현상은 저자의 유한 원통셸의 종진동 측정 실험 논문에서 관찰되었으며, 본 논문에서는 이러한 큰 감쇠파에 의한 원통셸의 끝단 종진동 현상을 해석적으로 분석하였다. 원통셸의 진동해석을 위하여서는 파동 전파 방법을 활용하였으며, 해석 결과를 실험 결과와 비교함으로써 진동하는 원통셸의 끝단에서 모드 변환 (굽힘파와 감쇠파간의 변환)에 의하여 상당히 큰 감쇠파가 발생할 수 있음을 보였다. 또한 감쇠파의 영향은 원통셸 끝단의 큰 종진동을 발생시키며, 원통셸 전체 길이의 1/3 지점까지도 영향을 줄 수 있음을 보였다. Propagating waves (flexural, longitudinal and shear waves) travelling with constant amplitudes and evanescent waves decaying exponentially are generated on a cylindrical shell. Evanescent waves are generally generated in the vicinity of an vibration excitation point and near ends of the shell. But the evanescent waves can generates strong axial vibration at the ends of the cylindrical shell. The strong end axial vibration due to those evanescent waves has been observed in an author's previous paper dealing with measurements of the in-plane axial vibration of a finite cylindrical shell. In this paper the strong end axial vibration due to the evanescent waves has been theoretically analyzed. In order to analyze the vibration of the cylindrical shell, wave propagation approach has been implemented. Comparison between theoretical and experimental results for the axial vibration of the shell showed that the strong evanescent wave can be generated due to mode conversion (conversion from flexural wave to evanescent wave) at the ends of cylindrical shell. It also showed that the evanescent wave can generate the strong axial vibration near the ends of the cylindrical shell and that it can have effect even on 1/3 of the total length of the shell.

가상 진동기에 의한 구조물의 감쇠비 추정

이경훈,황재승,이강석 대한건축학회지회연합회 2016 대한건축학회연합논문집 Vol.18 No.5

본 연구는 가상 진동기(VDS)를 이용하여 구조물의 응답으로부터 구조물의 감쇠비를 구하는 기법을 다룬다. 백색잡음, colored noise특성을 가지는 하중 의하여 발생한 구조물의 계측응답에 대하여 VDS를 적용하였을 때 구조물의 감쇠비를 추정하는 기법에 대해서 다루고, VDS의 동적특성이 구조물 감쇠비 추정에 미치는 영향을 수치적으로 분석하였다. 또한, VDS의한 감쇠비 추정의 안정성, 정밀도를 검증하기 위하여, 바람에 의하여 유발된 구조물 가속도에 기존의 감쇠비 추정법을 적용하여 구한 감쇠비와 VDS를 적용하여 구한 감쇠비를 비교하였다. 그 과정에서 진동수 해상도가 감쇠비 추정에 미치는 영향을 평가하기 위하여 총 계측시간을 10, 20, 30, 60분으로 구분하여 감쇠비를 추정하고 각 감쇠비 추정법에 대한 결과를 비교하였다. 수치해석에 의한 감쇠비 추정결과를 보면 백색잡음뿐만아니라, 협소대역 하중에 대해서도 VDS의 고유 감쇠비를 너무 작게 산정하지 않으면 감쇠비 추정이 가능한 것으로 나타났다. 실계측 응답에 대한 감쇠비 추정 결과를 보면, VDS에 의하여 계측응답의 특성, 총 계측시간(진동수 해상도)에 큰 영향없이 구조물 감쇠비 추정이 충분한 신뢰성을 가지고 예측되는 것을 확인 할 수 있었다. This study outlines a new framework to effectively identify a structural damping ratio using measured acceleration responses of a structure. In this framework a virtual dynamic shaker(VDS) is introduced and the mathematical model for the VDS is derived to estimate the structural damping ratio. In order to verify the applicability of the VDS, numerical simulations are performed for the acceleration responses induced by the different load types such as white or colored noise, and the effect of the dynamic characteristics of the VDS on the accuracy of the damping ratio is also evaluated. Futhermore, for the evaluation of the frequency resolution stability of the proposed method, the damping ratio is identified for the four different measurement time, 600, 1200, 1800 and 3600 seconds and compared with the damping ratios obtained from the conventional identification techniques. From the numerical results, it is found that VDS is able to precisely estimate the damping ratio with a sufficient reliability regardless of the load types and the measurement time.

동조액체기둥감쇠기의 동적특성을 파악하기 위한 가변전압측정 시스템 개발

장석정,김준희,민경원,Jang, Seok-Jung,Kim, Jun-Hee,Min, Kyung-Won 한국전산구조공학회 2015 한국전산구조공학회논문집 Vol.28 No.3

본 연구에서는 동조액체기둥감쇠기의 비선형감쇠항을 등가점성감쇠항으로 치환한 등가선형 동조액체기둥감쇠기 모델을 유도하였으며 동조액체기둥감쇠기의 동적거동인 고유진동수와 감쇠비를 이론적으로 파악하였다. 동조액체기둥감쇠기에 일정한 전기장을 형성한 후 동조액체기둥감쇠기의 수직운동에 의해 발생되는 가변전압을 측정하여 수조 내부의 수위로 변환하는 식을 유도하였다. 또한 본 연구에서 제안한 동조액체기둥감쇠기의 수위측정 시스템의 타당성을 검증하기 위하여 고가의 전기 용량식 파고계와 비교 및 검증하였다. 마지막으로 본 연구에서 제안한 수위측정 시스템을 동조액체기둥감쇠기에 적용, 진동대 실험을 실시하여 고유진동수와 감쇠비를 파악하였고, 이론상의 고유진동수와 실험상의 고유진동수가 일치하였음을 확인하였으며, 진동수비 변화에 따른 동조액체기둥감쇠기의 감쇠비 변화를 확인하였다. In this study, vertical motion of a Tuned Liquid Column Damper(TLCD) is measured by a variable voltage measurement system in the electric field and design parameters of the TLCD are determined. First, nonlinear damping term of the TLCD is replaced as the equivalent viscous damping term. The natural frequency and damping ratio of dynamic characteristics of the TLCD are verified. In addition, a novel liquid level measurement system is developed for measuring vertical motion of the TLCD. For the experimental achievement, experimental characterizations of natural frequency and damping ratio of the TLCD are undertaken utilizing the developed variable voltage sensing. Also, shake table testing is performed to determine the dynamic characteristics of the TLCD. As a result, the feasibility of the proposed liquid level measurement system is verified by comparison with the capacitive type wavemeter.

Tricone-Bits 천공장비의 진동 분석 및 진동 거리감쇠 추정에 관한 연구

조성규,서성철,박형근 대한토목학회 2023 대한토목학회논문집 Vol.43 No.4

'Recently, with the development of construction machinery, low-vibration construction machine such as Tricone-Bits, which can drill both soil and rock layers and minimize vibration, is being used frequently. However, although many studies have been conducted on the prediction of vibration values for earth augers and pile drivers, the reality is that studies on the effects of vibration on low-vibration drilling equipment are lacking. In this paper, ground vibration values for Tricone-Bits were measured, and a vibration distance damping formula was proposed using this. In addition, after predicting the vibration of the earth auger and pile driver using the previously proposed vibration distance damping formula, the degree of vibration damping for the Tricone-Bits was evaluated by comparing and analyzing it. As a result, the Tricone-Bits showed a vibration reduction effect of 97% and 93% compared to these machine and It will help with management and prediction of the ground vibration effects evaluation on the low-vibration equipment such as Tricone-Bits. 최근 도심지에서는 재건축, 재개발 및 초고층 건물이 활발하게 건축되고 있다. 이러한 공사현장은 지하공간 활용을 위하여 가시설 공사가 필수로 수행되며, 이를 위하여 건설 장비를 활용한 천공이 수반된다. 가시설 공사에 사용되는 천공장비는 토사층과 암반층에서 각각 어스오거와 항타기(T-4)를 주로 활용하였다. 최근에는 건설기계의 발달로 토사층과 암반층 모두 천공 가능하고 진동을 최소화 할 수 있는 Tricone-Bits와 같은 저진동 건설장비가 사용되고 있다. 하지만, 어스오거와 항타기에 대한 진동치 예측에 대한 연구는 다수 수행되었으나 저진동 천공장비에 대한 진동 영향에 대한 연구는 부족한 것이 현실이다. 본 연구에서는 저진동 천공장비인 Tricone-Bits에 대한 지반 진동치를 측정하고, 이를 활용하여 진동 거리감쇠식을 제안하였다. 또한, 기존 제시된 진동 거리감쇠식을 활용하여 어스오거 및 항타기에 대한 진동 예측한 후, 이를 비교 및 분석하여 Tricone-Bits 천공기계에 대한 진동감쇠 정도를 평가하였다. 그 결과, Tricone-Bits 천공 장비는 어스오거와 항타기 대비 97% 및 93%의 진동저감 효과가 나타났다.

중공형 RC 슬래브의 소음 및 진동 감쇠성능에 대한 연구

김동백,김인배,김종훈,이재원 한국재난정보학회 2019 한국재난정보학회 논문집 Vol.15 No.2

연구목적: 철근콘크리트 슬래브에 발생하는 소음 및 진동을 저감하기 위하여 중공부를 설치하거나 중공 부에 액체를 채워 설치한 후 감쇠성능을 실험적으로 수행하고자 한다. 연구방법: 중공율을 실험 변수로 하여, 충격하중을 가했을 때 각 시험체의 감쇠율과 강성을 구하여 수치해석에 대한 감쇠율과 강성의 차이 를 알아낸다. 또한, 중공부의 50%를 액체로 채운 시험체의 감쇠율과 강성의 차이를 비교하여 감쇠효과를 검토한다. 연구결과: 중공부가 있는 실험체와 없는 실험체의 내력의 차이는 5% 정도로 오차범위에 있으 므로 구조적인 문제는 없는 것으로 판단되며, 중공부에 액체를 주입할 경우 감쇠율이 증가함으로 소음이 나 진동도 저감할 수 있을 것으로 판단된다. 결론: 중공율이 20%이하에서는 감쇠효과가 거의 없고, 30% 일 때 감쇠효과가 나타났다. 그러나, 실험체의 중공부에 액체를 주입하였을 경우는 감쇠율이 증가하는 것 으로 나타남으로, 중공부에 액체를 주입하면 소음이나 진동의 감쇠효과를 얻을 수 있을 것으로 사료된다. Purpose: To reduce the noise and vibration of reinforced concrete slab structures, the damping performance is to be performed experimentally after installing hollow core or filling it with liquid. Method: Using the hollow rate as an experimental variable, the damping ratio and stiffness of each test specimen at impact load are obtained to determine the difference between the damping ratio and stiffness of the numerical analysis. In addition, the damping effects are reviewed by comparing the difference in the damping ratio and stiffness of a test specimen filled with liquid 50% of the study. Results: Since the difference in resistance between a specimen with or without hollow core is 5%, it is judged that there is no structural problem, and the injection of liquid into the hollow core can increase the damping ratio, which can reduce noise or vibration. Conclusion: At less than 20% of hollow rate, there was little damping effect, and at 30%, damping effect was found. However, if liquid is injected into the hollow core of the specimen, damping rate is shown to increase, and the injection of liquid into the hollow part is believed to reduce noise or vibration.