건축구조물의 동적하중 구현 및 실시간 하이브리드 실험을 위한 가진시스템 설계
저자
발행사항
서울: 檀國大學校, 2006
학위논문사항
학위논문(석사)-- 檀國大學校 大學院: 建築工學科 2007. 2
발행연도
2006
작성언어
영어
주제어
DDC
690.1 판사항(20)
발행국(도시)
서울
기타서명
Design of Excitation Systems for Simulating Dynamic Loads and Real-Time Hybrid Test Method of Building Structures
형태사항
xi,127장: 揷圖; 26 cm.
일반주기명
지도교수:민경원
참고문헌: 112-116장
소장기관
지진 또는 바람하중과 같은 입력신호의 가진을 받는 건축구조물의 동적 응답특성을 정확하게 식별하는 것은 구조물의 안정성 및 사용성 평가뿐만 아니라 내진 또는 내풍 설계에 사용된 해석모델을 규명하는데 매우 중요하다. 정확한 입력/출력관계를 묘사하는 시스템 행렬을 찾는 시스템 식별분야에서는 구조물의 주요 모드를 가진할 수 있는 충분한 에너지의 입력을 갖고 구조물의 정보를 포함하는 좋은 질의 출력이 계측되는 것이 결정적이다.
따라서, 본 연구에서 동적하중 (지진 또는 바람하중) 가진에 대한 응답을 모사하는 가진시스템 설계를 소개하며 가진시스템의 제어기-구조물 상호작용을 고려하고 제어장치가 설치된 통합 실험시스템을 위한 실시간 하이브리드 진동대 실험을 제안한다.
본 논문의 2장에서 진동대 실험을 위한 실시간 부분구조 실험법을 제안한다. 제안된 기술은 목표 구조물의 상부부분을 실험적 부분구조로 그리고 하부부분을 수치해석적 부분구조로 나눈다. 부분구조로 분리된 경계면에 존재하는 경계하중은 층절대가속도 응답의 실시간으로 피드백하여 계산된다. 두 부분구조의 경계면의 가속도는 수치해석부 부분구조의 실시간 시간이력해석을 통해 계산되고 진동대 제어기의 명령신호로 사용된다. 진동대의 역전달함수는 명령신호와 실험부 부분구조의 가진을 위해 생성된 지반 운동과의 오차를 최소화 한다. 진동대 실험을 통해 제안된 실험법의 유효성과 정확성을 증명하고 실험결과와 수치해석 결과의 일치한 결과를 얻었다.
다음으로 3장 및 4장에서는 동조 액체형 감쇠기(TLD and TLCD)의 지진가진을 받는 건축구조물의 제어성능 평가를 위한 실시간 하이브리드 진동대 실험법(RHSTTM)이 실험적으로 수행되었다. RHSTTM은 TLD/TLCD-구조물 상호작용 시스템의 실험을 수행하므로 물리적 건축구조물이 필요 없으며 단지 TLD/TLCD와 진동대만을 사용한다. TLD와 TLCD에 의해 생성된 전단력과 지진파가 주어지면 상호작용 시스템 구조물의 응답은 수치해석부 건물 모델을 사용하여 실시간으로 계산되고 진동대는 TLD/TLCD와 진동대 사이에 위치한 로드셀에 의해 계측된 전단력의 피드백 게인을 조절하여 TLD/TLCD가 설치된 층의 제어시와 비제어시 절대가속도를 재생산한다. RHSTTM과 기존의 TLD/TLCD를 설치한 단자유도 구조물의 진동대 실험방법은 실험을 통해 비교되며 계측된 응답의 일치함은 물리적 구조물 모델 없이 RHSTTM을 사용하여 TLD/TLCD 성능을 정확하게 평가할 수 있음을 제시한다. 3층 구조물의 비제어시와 TLD/TLCD제어시 응답을 시간 및 주파수영역의 RHSTTM 에 의해 계측하였고 TLD/TLCD가 건축구조물의 지진응답을 효과적으로 저감시킬 수 있음을 보여준다.
5장에서는 건축구조물의 풍하중 응답을 구현하기 위한 가진시스템의 설계를 소개한다. 가진기의 힘은 가진기에 의한 구조물의 역전달함수를 통해 계산되고 필터와 포장함수는 가진기의 예측하지 않은 모드 응답과 초기 과도응답을 방지하기 위해 사용되었다. 풍동실험을 통해 얻은 풍하중이 주어진 76층 벤치마크 구조물의 수치해석결과는 특정 층에 설치된 가진시스템은 각층에 가해지는 풍하중에 의한 응답을 근사하게 나타낼 수 있음을 보여준다. 제안된 방법에 의해 설계된 가진시스템은 실제 건축 구조물의 풍응답 특성을 평가하는데 그리고 풍하중 가진을 받는 건축 구조물의 정확한 해석 모델을 수립하는데 효과적을 사용될 수 있다.
마지막으로 6장에서는 복합 질량형 감쇠기(Hybrid Mass Damper, HMD)를 이용하여 지진하중을 모사하는 실물 규모의 강제진동 실험이 수행되었다. 구조물의 유한요소모델은 ANSYS를 사용하여 해석모델을 구축하였고, 유한요소모델은 강제진동 실험을 통해 얻은 계측데이터를 통해 수정되었다. 의사 지진 가진실험은 HMD에 의한 층별 가속도 응답이 수정된 유한요소 수치해석 모델의 지진하중에 의한 응답과 일치함을 보여준다.
The accurate identification of the dynamic response characteristics of a building structure excited by input signals such as real earthquake or wind load is essential not only for the evaluation of the safety and serviceability of the building structure, but for the verification of an analytical model used in the seismic or wind design. In the field of system identification (SI) which constructs system matrices describing the accurate input/output relationship, it is critical that input should have enough energy to excite fundamental structural modes and a good quality of output containing structural information should be measured.
In this study, the controller design of an actuator is presented to simulate the responses of a building structure subjected to such dynamic excitations as earthquakes and wind loads. Also, the real-time hybrid shaking table testing method (RHSTTM) is proposed by using only the control device as an experimental part and the load-cell for the feedback reference measuring the interaction force.
First, the chapter 1 begins with a brief literature in the area of real-time hybrid shaking table testing method and exciting systems for simulating dynamic loads. The motivation of the proposed testing method is presented in the next section.
In the chapter 2, a real-time substructuing technique for the shaking table test is proposed. The proposed technique adopts the upper part of the object structure as the experimental substructure and the lower part as the numerical substructure. The force existing on the interface of the two separated substructures is calculated on-line using the feed-back of the absolute floor acceleration measurement. The acceleration at the interface of the two substructures is calculated through on-line time history analysis of the numerical substructure and used as a reference signal in the shaking table controller. The inverse transfer function of the shaking table is employed to minimize the errors between the reference signal and generated ground motion for the experimental substructure. Through a shaking table test, the validity and accuracy of the proposed technique is demonstrated and good agreement between experimental and numerical results is obtained.
Next, in the chapter 3 and Chapter 4, a real-time hybrid shaking table testing method (RHSTTM) is experimentally implemented for evaluating the performance of a tuned liquid damper and a tuned liquid column damper(TLD/TLCD) controlling a seismically excited building structure. The RHSTTM doesn’t require a physical building structural model in performing the experiment of a TLD/TLCD-structure interaction system and it only uses a TLD/TLCD and a shaking table. The structural responses of the interaction system are calculated numerically in real time using an analytical building model, a given earthquake record, and a shear force generated by the TLD and TLCD, and the shaking table reproduces both the controlled and uncontrolled absolute acceleration of the TLD/TLCD installed floor by modulating the feedback gain of the shear force signal measured by the load-cell positioned between the TLD/TLCD and the shaking table. Comparison between the structural responses obtained by the RHSTTM and the conventional shaking table test of a single story steel frame with TLD/TLCD indicates that the performance of the TLD/TLCD can be accurately evaluated using the RHSTTM without the physical structural model. The uncontrolled and TLD/TLCD-controlled structural responses of a three story structure are obtained by the RHSTTM in both time and frequency domains, showing that TLD/TLCD can effectively mitigate the seismic responses of building structures.
In the chapter 5, a design of an actuator for simulating the wind induced responses of a building structure is presented. The actuator force is calculated by using the inverse transfer function of a target structural response to the actuator. Filter and envelop function are used such that the error between wind and actuator induced responses is minimized by preventing the actuator from exciting unexpected modal response and initial transient response. The analyses results from a 76-story benchmark building problem in which wind load obtained by wind tunnel test is given, indicate that the actuator installed at a specific floor can approximately embody the structural responses induced by the wind load applied to each floor of the structure. The actuator designed by the proposed method can be effectively used for evaluating the wind response characteristics of a practical building structure and for obtaining an accurate analytical model of the building under wind load.
Finally, in the chapter 6, a full scale forced vibration test simulating earthquake response is implemented by using a hybrid mass damper. The finite element(FE) model of the structure was analytically constructed using ANSYS and the model was updated using the results experimentally measured by the forced vibration test. Pseudo-earthquake excitation tests showed that HMD (hybrid mass damper) induced floor responses coincided with the earthquake induced ones which was numerically calculated based on the updated FE model.
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