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Seismic Technology

본 연구소에서는 외부의 다양한 하중요인(태풍으로 인한 풍하중, 지진으로 인한 하중 등)으로 인하여 건설구조물에 발생하는 진동을 제어함으로써 구조적 안전성을 확보하여 사용자의 안전과 구조물의 파괴에 대한 불안감을 해소하기 위한 스마트한 제어장치를 개발하고자 연구를 수행하고 있다.

- 최적의 Enhanced Magneto Rheological Fluid(EMRF) 개발

본 연구에서는 기존 준능동 제어장치에 많이 활용되었던 재료인 MR 유체 대비 재료적 성질이 안정화된 EMRF를 개발하고 개발된 재료의 제어성능을 분석 및 검증을 위한 연구를 수행하고 있다.

Fig. 1 EMRF(Enhanced Magneto Rheological Fluid) 개발

Fig. 1 EMRF(Enhanced Magneto Rheological Fluid) 개발

  • EMRF의 성분구성 및 배합비 선정

EMRF를 개발하기 위하여 우선 EMRF를 구성하는 각각의 재료들에 대한 재료적 특성 분석을 위한 연구를 수행하고 있다. 또한 개발 중인 EMRF는 준능동 제어장치에 활용되는 재료로써 전자석의 원리를 활용하는 장치로 자기장에 의한 즉각적인 반응을 필요로한다. 따라서 카본파우더를 핵심재료로 활용하고 유체의 성질을 갖기 위하여 다양한 오일(합성엔진오일, 실리콘오일, 구리스 등)을 적용하여 유체를 혼합하는 방법으로 각 재료들의 적용 용량을 결정하는 배합비는 실험적 방법을 통하여 최적의 제어성능을 발휘하는 조건의 배합비를 확보한다. 성능을 평가 및 검증을 위하여 개발된 EMRF를 MR 유체와의 비교를 통하여 성능을 검증한다.

  • EMRF의 재료적 성능평가

개발된 EMRF는 함성엔진오일, 실리콘 오일, 구리스 및 카본파우더를 바탕으로 혼합된 재료로 각각 재료들의 배합비가 중요하다. 특히 카본파우더는 제어력을 발휘하는데 가장 중요한 요소로 많은 양의 카본파우더를 함유하면 자기장의 활동성이 좋아질 수 있지만 입자들의 밀도가 높아지면서 침전도가 높아진다. 이와 같은 현상이 발생하게 되면 기존 MR 유체에서 발생되었던 미립자 침전작용으로 인한 초기 이상제어력을 발휘하게 되어 준능동 댐퍼의 효율성을 저하시킬 수 있어 실험적 연구를 통한 최적의 배합비를 산정하여야 한다. 또한 카본파우더를 제외한 다른 재료들도 함유량에 따라 제어력에 영향을 미치는 중요한 역할을 함으로 최적의 제어력을 발휘하기 위해서는 적절한 배합비가 필요하다. 최적의 배합비로 개발된 EMRF는 식(1)에 나타낸 재료분산율과 식(2)에 나타낸 침강도를 이용하여 준능동 댐퍼에 활용되는 재료로써의 성능을 평가하고자 한다.

(1)

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(2)

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- EMRF를 이용한 준능동 댐퍼 개발

건설구조물에 발생하는 진동을 효과적으로 제어하기 위한 준능동 댐퍼 개발을 목적으로 EMRF 전단형 댐퍼 개발 및 EMRF 소형 댐퍼 개발을 위한 연구를 수행한다. 한 연구를 수행한다.

Fig. 2 준능동 댐퍼 개발

EMRF를 이용한 준능동 댐퍼의 개발을 위한 중요 요소는 전자석 설계와 오리피스 구간의 유로 간격(Gap)을 결정하는 것이며, Lord 사에서 제공한 기술자료를 참조하여 수치 해석적 방법으로 준능동 댐퍼를 설계하였다. 수치 해석적 방법을 이용할 경우, 기본가정 사항으로부터 결정될 수 있는 설계요소는 크게 전체 제어력 및 전자석 코일의 권선(Turns)수 등으로 구분된다. 먼저 댐퍼의 전체 감쇠력은 다음 식(3)과 같이 나타낼 수 있다.

(3)

(3)

여기서, 는 전체 전단형 SMG 댐퍼의 제어력, 는 SMG 유체의 점성으로 인한 점성 제어력, 는 전류인가에 따른 자기 제어력, 는 자기강도, 는 유체의 소성점성, 는 자극의 상대속도, 는 적용된 SMG 유체의 항복응력, 는 자기장이 작용하는 판 면적, 마지막으로 는 유로의 간격(Gap)이다. 다음으로, 일반적인 전자석 코일의 권선수 결정은 다음 식(4)를 적용하였다.

(4)

(4)

- 개발된 EMRF 준능동 댐퍼의 기계적 성능 평가

개발한 EMRF를 이용한 전단형 준능동 댐퍼의 기계적 제어성능을 검증하기 위하여 Fig. 3과 같이 동하중 시험 장비를 구성하고 Fig. 4와 같이 동하중 시험의 결과를 인가전류에 따른 힘-변위 이력곡선 그래프를 도출한다.

(a) 인가전류 별 힘-변위이력곡선의 예

(a) 인가전류 별 힘-변위이력곡선의 예

(b) 가속도 별 힘-변위이력곡선의 예

(b) 가속도 별 힘-변위이력곡선의 예

Fig. 3 힘-변위이력곡선 제어성능평가 예

- 모형구조물을 이용한 진동제어 성능 평가

EMRF 준능동 댐퍼를 이용한 진동제어시스템을 개발하고, 대상모형구조물에 적용하여 개발된 진동제어시스템의 제어효과를 검증하기 위한 실험을 진행한다.

  • 모형교량을 이용한 EMRF 댐퍼의 제어시스템 제어효과 검증

본 연구를 통하여 개발된 제어시스템의 주목적은 교량 상부구조에서 외부의 하중에 의한 진동이 발생할 때, 교량구조물을 제어하여 유해진동을 저감시킴으로써 사용자에게 안정감을 주고 교량구조물의 수명을 연장시키는 것이다. 실제 교량은 Fig. 4와 같이 차량의 이동 및 풍하중의 영향으로 휨거동이 발생하게 되고, 바다 위에 설치된 장경간 교량의 경우 풍하중의 영향을 크게 받아 비틀림 거동이 발생한다. 이러한 현상을 저감시키기 위해서는 복합거동 제어에 적합한 제어장치 및 제어기술이 필요하다. 복합거동 제어를 위한 제어장치의 개념도는 Fig. 5와 같이 구성되며, 모형교량을 이용한 실험을 통하여 제어성능을 검증한다.

Fig. 4 교량에 발생하는 거동특성

Fig. 4 교량에 발생하는 거동특성

(a) 횡방향 휨거동 제어 개념도

(a) 횡방향 휨거동 제어 개념도

(b) 종방향 비틀림거동 제어 개념도

(b) 종방향 비틀림거동 제어 개념도

Fig. 5 교량의 복합거동 제어를 위한 개념도

Fig. 5(a)는 일반 교량에서 발생하는 횡방향 휨거동을 제어하기 위한 것으로 TMD(Tuned Mass Damper)제어개념을 적용하여 개발한 EMRF 댐퍼와 스프링을 접목시킨 제어시스템이다. 휨거동이 발생하였을 때 EMRF댐퍼와 스프링 사이에 고정되어 있는 Mass가 교량 상판의 역방향으로 거동을 하면서 점차적으로 거동의 변위를 감쇠시킨다. 반면, 돌발적인 외부하중에 의해 보다 큰 휨거동이 발생하였을 때에는 EMRF 댐퍼에 순간적으로 전류를 공급하여 제어력을 증가시켜 변위를 급감시킬 수 있다. 이러한 진동제어 과정 이후 교량에 남아있는 잔류진동은 스프링에 의해 발생하는 Mass의 상하방향 운동을 통하여 감쇠되어진다. Fig. 5(b)는 외부 하중으로 인하여 발생되는 일반 교량의 비틀림 거동을 제어하기 위한 개념도이다. 교량이 비틀림 거동을 할 때 설치된 Mass가 좌우로 진자운동을 하게 되고, 이 때 발생하는 운동에너지를 통하여 진동을 감쇠시킨다. 또한 설치된 EMRF 댐퍼는 EMRF 유체의 특성 변화를 통한 제어력을 이용하여 교량에 작용하는 급작스럽고 강한 외부하중에 의해 발생하는 상대적으로 큰 변위를 갖는 비틀림 거동을 제어한다.

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