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.

실물크기 구조물에 설치된 동조액체질량감쇠기의 성능실험

허재성,박은천,이성경,이상현,김홍진,조지성,조봉호,주석준,민경원,Heo, Jae-Sung,Park, Eun-Churn,Lee, Sung-Kyung,Lee, Sang-Hyun,Kim, Hong-Jin,Jo, Ji-Seong,Cho, Bong-Ho,Joo, Seok-Jun,Min, Kyung-Won 한국전산구조공학회 2008 한국전산구조공학회논문집 Vol.21 No.2

본 연구에서는 하나의 제어장치로 서로 직교하는 2방향의 건물응답을 동시에 제어할 수 있는 동조액체질량감쇠기(Tuned Liquid Mass Damper; TLMD)를 제안하고 제어성능을 실험적으로 검증하였다. 본 연구에서 제안된 TLMD는 한 방향으로는 동조액체기둥감쇠기(Tuned Liquid Column Damper; TLCD) 내부에 채워진 액체의 운동에너지를 이용하여 구조물의 응답을 제어하게 된다. 그리고, 다른 한 방향 즉 TLCD의 직각 방향으로는 LM guide(linear motion guide) 위에 놓인 TLCD 수조와 내부의 액체의 질량을 이용하여 동조질량감쇠기(Tuned Mass Damper; TMD)로 거동하게 함으로써 구조물의 응답을 감소시킨다. 이와 같은 TLMD의 양방향 독립거동 특성을 증명하기 위해 실물크기의 구조물에 설치하여 강제진동실험을 수행하였다. 실험결과, 양방향 모두 대상 구조물의 응답을 감소시키는 것을 확인하여 제안된 TLMD의 효용성을 검증하였다. In this paper, a tuned liquid mass damper(TLMD) was proposed and experimentally investigated on its control performance, which can control bi-axial responses of building structures by using only one device. The proposed TLMD controls the structural response in a specific one direction by using a liquid sloshing of TLCD. Also, the TLMD reduces the response of structures in the other orthogonal direction by behaving as a TMD that uses mass of the container itself and liquid within container of TLCD installed on linear motion guides. Force-vibration tests on a real-sized structure installed with the TLMD were performed to verify its independent behavior in two orthogonal directions. Test results showed that the responses of a structure were considerably reduced by using the proposed TLMD and its usefulness for structural control in two orthogonal directions.

76층 벤치마크건물에 설치된 단일 및 다중 동조 액체 기둥 감쇠기의 변수 연구

민경원,이상현,김형섭,김홍진,안상경 한국풍공학회 2004 한국풍공학회지 Vol.8 No.1

This paper presents the parameter study of single tuned liquid column damper (STLCD) for controlling wind induced responses of a 76-story benchmark building. Also, the parameter study on the multiple tuned liquid damper (MTLCD) proposed to improve the robustness is carried out. The performances of STLCD and MTLCD are enhanced with increasing mass ratio, while non-optimally designed TLCD doesn't always show such improved performance. The effects of head loss coefficient, tuning frequency ratio, and the ratio of tube width to liquid length for STLCD are evaluated, and the influence of frequency range and number of TLCD on the performance of MTLCD is also assessed through numerical analysis which considers the nonlinear property of liquid motion. 본 논문에서는 바람하중을 받는 76층 벤치마크 건물에 설치된 단일 동조액체기둥감쇠기의 변수 연구를 수행하였다. 또한, 추가적으로 강인성의 향상을 위하여 다중 동조액체기둥감쇠기의 설계 변수를 연구하였다. 단일 및 다중 동조액체기둥감쇠기는 질량비가 증가함에 따라 제어성능이 향상된다. 하지만 최적으로 설계되지 못한 동조액체기둥감쇠기는 질량비가 증가하더라도 항상 제어성능이 향상되는 것은 아니다. 수두손실계수, 동조진동수비, 그리고 액체기둥의 전체길이에 대한 수평길이비는 각 질량비에 따라 액체기둥의 비선형성을 고려한 수치해석을 통하여 평가된다. 또한, 다중 동조액체기둥의 중요한 설계변수인 액체기둥의 개수와 진동수 범위에 다른 제어성능 및 특성은 평가된다.

TMD와 TLCD를 이용한 2방향 감쇠기의 동적특성

이성경,민경원,박은천,Lee, Sung-Kyung,Min, Kyung-Won,Park, Eun-Churn 한국전산구조공학회 2008 한국전산구조공학회논문집 Vol.21 No.6

This study introduces the design of a bi-directional damper using a tuned mass damper(TMD) and a tuned liquid column damper(TLCD) and presents experimental verifications to confirm its control performance. The damper used in this study behaves as a TMD in a specific translational direction and acts as a TLCD in the other orthogonal direction. First, shaking table test is performed to investigate the coupled effect of control forces produced by TMD and TLCD. Then, the parameters that affect to dynamic characteristics of the proposed damper are quantitatively evaluated based on the experimental results. Testing results shows that the damper used in this study produces control forces coupled by TLCD and TMD, as it is excited by waves with an incident angle. Also, it is observed that the damper can be used to reduce bi-directional responses of building structures. 본 연구에서는 동조질량감쇠기(TMD)와 동조액체 기둥감쇠기(TLCD)로 구성된 2방향 감쇠기의 제어성능을 실험적으로 검증하였다. 본 연구에 사용된 감쇠기는 한방향으로는 TMD로 거동하고, 다른 직교하는 방향에서는 TLCD로 거동하여 제어력이 발생하는 감쇠기이다. 우선, 제작된 감쇠기의 동적특성과 TMD와 TLCD에 의해 발생하는 제어력들의 연계효과를 조사하기 위한 진동대 실험을 수행하였다. 다음으로 이러한 실험결과를 바탕으로 감쇠기의 동적특성에 영향을 미치는 파라미터를 정량적으로 평가하였다. 본 연구에서 사용된 감쇠기가 입사각을 갖는 진동에 의해 가진될 때 TMD와 TLCD에 의해 연계된 제어력이 발생하는 것을 진동대 실험결과로부터 확인하였다. 또한, 감쇠기가 건축물의 2방향 응답제어에도 효과적으로 사용될 수 있음을 확인하였다.

액체거동의 비접촉 다점측정을 위한 레이저진동계와 갈바노미터스캐너 계측시스템

김준희,신윤수,민경원 한국전산구조공학회 2018 한국전산구조공학회논문집 Vol.31 No.5

슬로싱과 같은 액체의 동적 거동을 측정하고 제어하는 연구가 다양한 공학분야에서 활발히 진행중이다. 건축공학분야에서 도 건축물의 풍진동을 저감시키는 동조액체감쇠기의 연구에 액제 진동이 측정되고 있다. 본 논문에서는 기존 파고 측정 센서의 한계를 극복하기 위하여 레이저 장비 중 LDV와 스캐닝 장비 중 갈바노미터스캐너를 이용하여 동조액체감쇠기 내의 액체 진동을 측정하는 방법을 제안하고 검증하였다. LDV가 속도와 변위를 측정하는 원리를 기술하였고 갈바노미터스캐너의 구동 원리에 따라 LDV의 단일 포인트로 다점측정이 가능한 시스템을 구성하였다. 동조 액체감쇠기의 4점 액체 진동을 측정하여 각 점의 시간 영역 데이터를 기존에 사용하던 비디오 센싱 데이터와 비교하였고 파형 분석을 통해 진행파와 정상파를 구별할 수 있음을 확인하였다. 또한 측정 딜레이가 있는 데이터를 상호 상관을 취하여 특이값 분해를 하고 이론 및 비디오 센싱 결과와 일치하는 고유진동수와 모드형상을 도출하였다. Researches regarding measurement and control of the dynamic behavior of liquid such as sloshing have been actively on undertaken in various engineering fields. Liquid vibration is being measured in the study of tuned liquid dampers(TLDs), which attenuates wind motion of buildings even in building structures. To overcome the limitations of existing wave height measurement sensors, a method of measuring liquid vibration in a TLD using a laser Doppler vibrometer(LDV) and galvanometer scanner is proposed in this paper: the principle of measuring speed and displacement is discussed; a system of multi-point measurement with a single point of LDV according to the operating principles of the galvanometer scanner is established. 4-point liquid vibration on the TLD is measured, and the time domain data of each point is compared with the conventional video sensing data. It was confirmed that the waveform is transformed into the traveling wave and the standing wave. In addition, the data with measurement delay are cross-correlated to perform singular value decomposition. The natural frequencies and mode shapes are compared using theoretical and video sensing results.

TLCD와 LCVA의 설계파라미터에 대한 실험적 평가

이성경,민경원,박지훈,Lee, Sung-Kyung,Min, Kyung-Won,Park, Ji-Hun 한국전산구조공학회 2009 한국전산구조공학회논문집 Vol.22 No.5

본 연구에서는 실험결과를 바탕으로 액체형 기둥감쇠기의 감쇠계수와 제어력에 참여하는 유효질량을 시스템 식별기법을 이용하여 정량적으로 평가하였다. 먼저, 두가지 형태의 동조액체형 기둥감쇠기를 제작하여 진동대 실험을 실시하였다. 다음으로 수조내부 액체의 수위를 변화시켜 가면서 조화하중 가진실험에 의한 감쇠기의 동적특성을 실험적으로 구하였다. 마지막으로 수치해석 모델과 실험결과와의 오차를 최소화하는 것에 의해 수위변화에 따른 감쇠기의 감쇠비와 유효질량을 정량적으로 평가하였다. 시스템 식별결과로부터 감쇠비와 유효질량이 감쇠기의 수위가 증가함에 따라 감소하는 것으로 나타났다. In this paper, damping coefficients and effective masses of tuned liquid-type column dampers were quantitatively evaluated based on experimental results by using system identification technique. First, shaking table tests were performed for two types of tuned liquid-type column dampers. Then, the dynamic characteristics of dampers used in this study were experimentally grasped from harmonic wave excitation testing results of the dampers with various water level. Finally, damping ratios and effective masses of the dampers with varying water level were quantitatively evaluated from minimizing the errors between numerical and experimental results. It was confirmed from system identification results that damping ratio and effective mass are decreased as the water level of dampers is increased.

건축구조물의 2방향 진동제어를 위한 동조액체질량감쇠기

허재성(Heo, Jae-Sung),박은천(Park, Eun-Churn),이상현(Lee, Sang-Hyun),이성경(Lee, Sung-Kyung),김홍진(Kim, Hong-Jin),조봉호(Cho, Bong-Ho),조지성(Jo, Ji-Seong),김동영(Kim, Dong-Young),민경원(Min, Kyung-Won) 한국소음진동공학회 2008 한국소음진동공학회 논문집 Vol.18 No.3

This paper presents a design of a tuned liquid mass damper(TLMD) for controlling bi-directional response of high-rise building structure subjected to windload. The proposed damper behaves as a tuned mass damper(TMD) of which mass is regarded as the mass of a tuned liquid column damper(TLCD) and the case wall of the TLCD itself in one direction and the TLCD in the other direction. Because the proposed device has coupled design parameter along two orthogonal directions, it is very important to select designing components by optimal fine tuning. In the designing TLMD, for easy maintenance, the rubber-bearing with small springs was applied in TMD direction. In this study, the Songdo New City Tower 1A in Korea, which has been designed and constructed two TLCDs in order to control bi-directional response, was chosen as the model building structure. The results of rotation test proved the effectiveness of bi-directional behavior of TLMD.

TLCD와 TSD를 이용한 새로운 형태의 양방향 감쇠기 설계변수

민경원(Min, Kyung-Won) 한국소음진동공학회 2009 한국소음진동공학회 논문집 Vol.19 No.8

A new type bi-directional damper using a tuned liquid column damper(TLCD) and a tuned sloshing damper(TSD) is introduced in this study. Two dampers are usually needed to reduce wind-induced responses of tall buildings since they are along and across wind ones. The proposed damper has the advantage of controlling both responses with one damper. One of objectives of this study is to derive analytical dynamics to investigate coupled effects due to TLCD and TSD. Another objective is to address the effect of coupled control force due to TLCD and TSD on the dynamic characteristic of the damper based on analytical dynamics. Shaking table test is undertaken to experimentally grasp dynamic characteristics of the damper under white noise excitation. Its dynamic characteristic is expressed by the transfer function from the shaking table acceleration to the control force generated from the damper. Finally, its design parameters are identified based on the coupled dynamics, which include the mass ratio of horizontal liquid column to total liquid for a TLCD, the participation factor of the fundamental liquid sloshing for a TSD and damping ratio for both cases.

부가질량형 감쇠기의 현장실험을 통한 동특성추정

김홍진,조지성,주석준,황재승 한국풍공학회 2010 한국풍공학회지 Vol.14 No.1

For a secondary mass damper using liquid such as Tuned Mass Damper(TMD) or Tuned Liquid Column Damper(TLCD), it is impossible to fabricate the damper in factory for the identification of dynamic properties. Also, it is not easy to pre-fabricate a concrete Tuned Mass Damper(TMD) in factory, in which the moving mass is made of concrete. In this paper, a identification method of dynamic properties of secondary mass dampers based on in-situ experiment is presented. A decoupled equation of motion is derived from a coupled equation of motion of building and damper. The decoupled equation of motion is then applied to the system identification using the response of damper as an input and the response of building as an output. The proposed method is applied to numerical examples and an actual TMD and TLCD installed in buildings. TLD(Tuned Liquid Damper)나 TLCD(Tuned Liquid Column Damper)와 같이 액체를 질량체로 사용하는 부가질량형 감쇠기의 경우 동특성추정을 위하여 실제 크기의 진동제어기를 공장에서 제작하여 실험하는 것이 불가능하다. 또한 TMD(Tuned Mass Damper)의 질량체를 콘크리트로 사용하는 콘크리트 TMD의 경우에도 공장실험에서 콘크리트를 타설할 수 없기 때문에 완성된 TMD의 정확한 동적특성을 파악하는 것이 어렵다. 따라서 본 논문에서는 공장 가조립을 통한 실험을 실시하여 동적특성을 추정하기 어려운 경우에 대하여 현장실험을 통한 동특성추정 기법에 관하여 소개하고자 한다. 이를 위해 건물과 진동제어기의 연계된 운동방정식(Coupled equation of motion)으로부터 비연계 운동방정식(Decoupled equation of motion)을 유도한다. 유도된 비연계 운동방정식을 기반으로 건물의 응답과 진동제어기의 응답을 각각 시스템식별을 위한 입력과 출력으로 하여 일반적인 시스템기법을 이용하여 동특성을 추정할 수 있도록 한다.

바람하중을 받는 76층 벤치마크 건물에 설치된 동조액체기둥 감쇠기의 등가 선형 시스템

김형섭,민경원,이상현 대한건축학회 2004 대한건축학회 학술발표대회 논문집 - 계획계/구조계 Vol.24 No.1(구조계)

This paper presents equivalent linear system for benchmark building with nonlinear tuned liquid column damper (TLCD). The equivalent linear system is obtained first in terms of equivalent linear damping and second in terms of equivalent single degree of freedom system. Numerical results show that these equivalent linear methods can almost exactly predict the structural responses when compared with results by the nonlinear TLCD system. Finally, an equation which can estimate the peak response of structure induced by harmonic load is derived. This equation does not require any iteration process unlike usual procedures for the analysis of a structure with TLCD.