START 서브노트 문제:
제진장치를 구분하고 각 장치에 대해서 서술하시오.
정답:
제진장치의 구분
수동제어 시스템
특징
- 외부자극에 대하여 수동적으로 반응하여 진동에너지를 흡수하여 소산시키거나 상쇄
- 동력원과 센서가 필요 없기 때문에 능동제어에 수반되는 여러 제반문제들이 없어 제어의 단순성과 안정성을 제공
장점
- 개념간단, 안정성보장, 경제적, 유지관리 용이, 외부전력 필요없음, 센서 및 제어기 필요없음
단점
제어의 효과에 한계가 있다. 구조물 하중조건 등 적용성 부족, 큰 질량 필요, 특정하중에만 효과, 예기치 못한 진동에 취약
예시
- 기초격리장치
- 에너지소산형 감쇠기 : 층간변위형 제진장치, 장치의 상대적인 변위, 속도와 같은 물리량에 의해 에너지 흡수, 각 층 사이에 설치
- 질량형 제진장치, 동조질량감쇠기 : 장치의 질량이 가지는 관성력에 의해 에너지 흡수, 옥상부에 설치
1. 에너지소산형 감쇠기 (에너지소산시스템)
- 구조물의 일부에 진동에너지를 변형에너지 및 열에너지 등으로 소산시킬 수 있는 장치를 설치함으로써 구조물의 진동을 저감시키는 시스템이다. 에너지를 흡수하는 메커니즘에 따라 분류한다. 구조물 자체의 에너지 흡수능력은 제한이 있기 때문에 에너지 흡수능력을 증대시키기 위해 댐퍼 등을 설치하는 방식을 말한다.
점탄성 감쇠기(Viscoelastic Dampers)
- 강판과 강판과의 사이에 점탄성체를 삽입하고, 외력에 의해 점탄성체가 전단 변형을 함으로써 진동에너지를 흡수하도록 고안된 감쇠기이다. 일반적으로 점탄성체로 실리콘이나 유리성 재료가 활용된다.
점성유체 감쇠기(Viscous Dampers)
- 속도의존적인 특성을 가지는 점성유체를 사용하여 에너지를 흡수하는 방식으로 강성이 거의 없으므로, 감쇠비만 증가시킬 필요가 있는 경우 주로 사용한다. 일반적으로 가새에 부착되는 형식이 주로 사용된다.
Friction Dampers
- 마찰력을 이용하여 에너지를 흡수하는 방식
항복형 감쇠기(비좌굴가새, 좌굴방지가새(BRB))
- 금속재료가 하중을 받아 탄소성 이력 거동을 할 때 에너지를 소산할 수 있는 원리에 착안하여 고안된 형식을 말한다. 비좌굴 가새 또는 좌굴방지가새는 중심 철골부재에 좌굴이 발생되지 않고 큰 비탄성 변형이 발생할 수 있도록 중심부의 철골부재 주위를 강관과 콘크리트로 보강한 형식이다. 일반 강구조 가새는 압축력에서 는 인장력에 비해 현저하게 에너지 흡수능력이 떨어지게 되지만 좌굴방지가새는 인장역과 압축력의 에너지 흡수능력이 거의 대등하게 된다.
2. 동조질량댐퍼(TMD,Tuned Mass Damper)
- 건축물 최상부에 동조된(질량과 강성의 조절에 의해 구조물의 주기와 일치된) 질량을 설치하여 지진이나 풍에 의해 발생되는 거동을 상쇄시켜 운동을 제어하는 방식이다.
- 일반적으로 건물 1%에 해당하는 부가질량을 공기식 스프링과 VE Damper 를 이용하여 건축물에 부착한다. 진동제어에는 효과적이지만 매우 비싼 시스템이다.
- 국내에는 양양 국제공항 관제탑에 적용
3. 동조액체댐퍼(TLD, Tuned Liquid Damper)
- TLD는 수조 내 물의 높이를 이용하여 구조물의 고유진동수와 동조시키는 수동형 제진장치를 말하며 기본적인 진동제어 개념은 TMD와 동일하며, 해석방법도 유사하다.
- 특징
- 설치장소와 위치에 큰 제약을 받지 않기 때문에 기존건물에 적용이 쉽다.
- 설치시 초기비용이 TMD에 비해 30~50% 정도로 저렴하다.
- 유지보수비용이 절약된다.
- 동조작업이 어렵다.
- 수조 속의 물과 구조물 주기를 쉽게 동조시키기 위해 TLCD가 개발되었다.
- TLCD(Tuned Liquid Column Damper)
능동제어 시스템
특징
- 외부자극과 같은 크기의 힘을 발생시켜 상쇄시키는 방식
- 구조물의 진동에 맞춰 가력장치에 의해 능동적으로 힘을 구조물에 더하여 진동을 제어 수동제진보다 큰 제진효과를 얻을 수 있다.
- 구조물에 입력되는 진동을 감지하여 가력기(Actuator)를 활용하여 가력하거나, 능력질량감쇠기 등에 의해 자동제어 메커니즘을 동시에 작동시키는 시스템
장점
- 제진성능 우수, 구조물 하중조건 변화 적용성 우수
단점
- 비용과다, 유지관리 어려움, 구조시스템 불안정 가능성 존재, 대규모 전력 필요, 센서 및 제어기 필요, 비상시 안정성/신뢰성 결여
예시
- 유압식 가력기, 능동형 질량감쇠기, AMD
1. 능동질량감쇠기(Active Mass Damper, AMD)
- 질량, 가진기, 센서, 제어기로 구성
- 구조물의 움직임을 실시간 계측하여 실시간 제어
- 구조물이 우측으로 움직일 경우, 왼쪽으로 힘을 가해 움직임을 최소화
반능동제어 시스템 (준능동방식)
특징
- 장치의 강성이나 감쇠를 구조물의 진동에 맞춰 변화시키는 방식으로 외부에너지는 장치의 상태변화에만 사용되고 구조물의 에너지 흡수는 수동제진과 같은 메커니즘으로 행해진다.
- 능동제진 방식와 수동제진 방식을 병행
장점
- 제진성능 우수, 하중조건 변화 적용성 우수, 소규모 전력 사용, 안전성 보장, 능동제어에 비해 저렴, 유지관리 용이, 센서 및 제어기 필요
단점
- 수동제진에 비해 유지관리 어려움, 비용과다
예시
- 가변강성감쇠기, MR Damper
1. MR 감쇠기
- 감쇠기 속의 MR 유체는 주어지는 자기장의 크기에 따라 감쇠력의 특성이 변화하는 특징이 있다. 즉 MR 유체를 감싸고 있는 코일에 흐르는 전류가 증가함에 따라 자기장이 증가하며, 이에 따라 MR 감쇠기의 제어력도 증가하는 특성을 가진다.
2. 준능동질량 감쇠기(STMD)
- TMD의 성능을 개선하기 위해 구조물의 응답에 따라 실시간으로 TMD의 감쇠를 변화시킬 수 있는 준능동 감쇠기를 사용하는 방법
복합방식, 혼합제어 방식
1. 복합질량감쇠기 (Hybrid Mass Damper, HMD)
동조질량감쇠기 + 능동질량감쇠기 스피링과 댐퍼를 이용해 진동에너지 흡수 가진기 및 센서를 이용해 실시간 제어 전원공급 차단등의 비상시에도 동조질량감쇠기 효과 발취
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