Optimal placement of MR dampers 2003년 한국지진공학회 추계학술발표대회 군산대학교 2003년 9월 19일 Optimal placement of MR dampers for 20-story nonlinear benchmark building 이번에 제가 발표할 내용은 여러 가지 제어 알고리즘을 이용하여 비선형 벤치마크 빌딩의 지진제어의 성능 비교입니다. 장종우, 한국과학기술원 건설 및 환경공학과 석사과정 조상원, 한국과학기술원 건설 및 환경공학과 박사과정 윤우현, 경원대학교 산업환경대학원 부교수 이인원, 한국과학기술원 건설 및 환경공학과 교수

• Contents Introduction Proposed optimal placement method Numerical examples Conclusions 발표 내용은 introduction, 비선형 벤치마크 빌딩의 소개, control system design, design criteria, 수치 해석 결과, 추후 연구과제입니다.

• Objective of optimal placement of dampers Introduction • Objective of optimal placement of dampers • Maximize the effectiveness of the vibration control with the same number of dampers • Linear viscous dampers • The larger structural responses of the dampers’ locations are, the more effective the devices are. • Many sequential procedures of optimal placement have been proposed. • SSA, SSSA ( T. T. Soong 2002 ) 벤치마크 문제는 여러가지 다양한 제어 기법을 직접적으로 비교하는 방법입니다. 지금까지 세번째 제너레이션까지 나왔는데 세번째는 지진 제어의 경우 구조물의 비선형성까지 고려하게 되어있어 더욱 현실감을 살렸습니다. 반능동 제어방법으로 MR damper를 사용하였습니다. 이 댐퍼는 아주 작은 파워를 가지고도 능동제어와 ideal 반능동 제어와 거의 같은 성능을 낼수 있어서 아주 효과적인 장치입니다. 제어 입력에는 clipped optimal algorithm을 사용하였고 MR damper의 다이나믹스를 구현하는데는 부벤 모델을 사용하였습니다.

• MR damper ( Magneto-rheological damper ) • More complicated control mechanism than linear viscous dampers • Very few verified and widely used methods for optimal placement of MR dampers. • Proposed optimal placement methods • Similar to the sequential procedures for linear viscous dampers • The next MR damper is implemented at the location with the maximum responses. 벤치마크 문제는 여러가지 다양한 제어 기법을 직접적으로 비교하는 방법입니다. 지금까지 세번째 제너레이션까지 나왔는데 세번째는 지진 제어의 경우 구조물의 비선형성까지 고려하게 되어있어 더욱 현실감을 살렸습니다. 반능동 제어방법으로 MR damper를 사용하였습니다. 이 댐퍼는 아주 작은 파워를 가지고도 능동제어와 ideal 반능동 제어와 거의 같은 성능을 낼수 있어서 아주 효과적인 장치입니다. 제어 입력에는 clipped optimal algorithm을 사용하였고 MR damper의 다이나믹스를 구현하는데는 부벤 모델을 사용하였습니다.

Proposed optimal placement method • MR damper model • Combination of Bouc-Wen model and linear damper ( Yoshida and Dyke 2002 ) 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다.

f : control force produced by damper u : effective voltage (1) (2) (3) (4) (5) f : control force produced by damper u : effective voltage v : command voltage 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다.

Maximum command voltage : 10V • Dynamic characteristics of MR damper • Maximum capacity : 1000kN Maximum command voltage : 10V • Control algorithms : Passive-On and Passive-Off

• Optimal placement of MR dampers • Linear viscous damper · Optimal location index ( T.T.Soong 2002 ) (6) 지난 세미나에 소개해준 빌딩중 20층짜리와 동일한 빌딩입니다. Full scale, 비선형, 지진하중을 받는 20층 빌딩입니다. 댐핑은 레일라이 선형 댐핑으로 가정하였고 구조물의 비선형성은 bilinear모델로 구현하였습니다. 제어장치의 설치와 성능 발현은 남북 방향으로 하였습니다. · The coefficients of each responses are not yet determined.

· Consider only one of the structural responses for • MR damper · Consider only one of the structural responses for the optimal location index · Peak interstory drift · Peak interstory velocity · Absolute acceleration · Then, determine the coefficients and propose the optimal location indices. 지난 세미나에 소개해준 빌딩중 20층짜리와 동일한 빌딩입니다. Full scale, 비선형, 지진하중을 받는 20층 빌딩입니다. 댐핑은 레일라이 선형 댐핑으로 가정하였고 구조물의 비선형성은 bilinear모델로 구현하였습니다. 제어장치의 설치와 성능 발현은 남북 방향으로 하였습니다.

• Sequential procedures of optimal placement ① Propose the optimal location index. ② The first MR damper is implemented on the floor with the maximum index value. ③ Calculate the optimal location indices of each floors ④ The next MR damper is implemented on the floor ⑤ Repeat until the last device is added. 이러한 바닥 충격음을 차단하기 위해 가장 널리 쓰이는 방법이 뜬바닥 구조를 이용하는 것입니다. 슬래브 위에 단열 차음재 (방진용 완충재)를 설치한 후 온돌층 구성하여 충격 에너지 (바닥 충격음)가 직접 슬래브에 전달되지 않도록 하는 구조입니다. 뜬바닥 구조를 넣지 않은 일반 바닥의 구조입니다. 맨 밑에 콘크리트 슬래브를 설치하고, 그 위에 단열재로서 경량기포 콘크리트를, 그 위에 축열재로서 축열 모르타르를, 마지막으로 온돌마루나 장판 같은 마감재를 까는 것입니다. 뜬바닥 구조는 바로 콘크리트 슬래브와 경량기포 콘크리트과 축열 모르타르 층을 완충재로 완전히 차단하여 충격음을 차단하는 것입니다.

• Building model Numerical examples benchmark building • 20-story nonlinear benchmark building ( Otori et al. 2000, 2002 ) 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다.

direction · Total DOFs: 414 (138 nodes) • Plane : 30.48  36.58 (m) • Height : 80.77 (m) • Two basement levels • 5 bays in the N-S direction and 6 bays in the E-W direction • 3 DOFs at each node (horizontal, vertical, rotational) · Total DOFs: 414 (138 nodes) 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다.

· Bilinear hysteresis model • MR dampers are implemented throughout the N-S frames. • Rayleigh damping matrix • Inelastic behavior of the building during strong earthquakes · Bilinear hysteresis model 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다.

• Peak accelerations of applied earthquakes El Centro Hachinohe Northridge Kobe Peak acc. 0.349 g 0.230 g 0.844 g 0.834 g g : acceleration of gravity 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다.

• Optimal locations of MR dampers • Passive-On algorithm • Optimal location index : Interstory drift El Centro No. of dampers Floor No. Hachinohe No. of dampers Floor No. Northridge No. of dampers Floor No. Kobe No. of dampers Floor No. 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다.

• Passive-On algorithm • Optimal location index : Interstory velocity El Centro No. of dampers Floor No. Hachinohe No. of dampers Floor No. Northridge No. of dampers Floor No. Kobe No. of dampers Floor No. 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다.

• Comparison of evaluation criteria • Damper locations in the Benchmark problem Floor No. 1 2~3 4~20 No. of dampers 4 2 • El Centro earthquake Interstory drift Interstory velocity Benchmark J1 0.569 0.739 0.612 J2 0.550 0.735 0.599 J3 0.824 0.903 0.976 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다.

• Hachinohe earthquake Interstory drift Interstory velocity Benchmark J1 0.635 0.870 0.683 J2 0.844 0.871 0.845 J3 1.012 1.223 0.995 • Northridge earthquake Interstory drift Interstory velocity Benchmark J1 0.677 0.899 0.766 J2 1.275 1.500 1.132 J3 1.134 0.985 1.133 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다.

• Kobe earthquake Interstory drift Interstory velocity Benchmark J1 0.519 0.563 0.700 J2 0.937 0.843 1.062 J3 1.230 1.063 1.213 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다.

• Optimal location index : Absolute acceleration • El Centro earthquake · Optimal placements of MR dampers 20 20 20 14 14 14 14 14 14 14 13 13 13 …… · Graph of evaluation criteria Eval. criteria 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다. J1 J2 J3 No. of dampers

· Optimal placements of MR dampers • Kobe earthquake · Optimal placements of MR dampers 12 12 12 11 11 11 11 11 11 11 11 11 …… · Graph of evaluation criteria Eval. criteria 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다. J1 J2 J3 No. of dampers

• Passive-Off control algorithm • El Centro earthquake Interstory drift Interstory velocity Benchmark J1 0.978 0.861 0.965 J2 0.993 0.953 0.975 J3 0.981 0.906 0.962 · For the interstory drift index, 25 dampers are implemented only on the first floor. · For the interstory velocity index, 25 dampers are implemented only on the 20th floor. 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다.

• Kobe earthquake only on the 19th floor. Interstory drift Interstory velocity Benchmark J1 0.943 0.945 0.999 J2 1.005 0.990 1.026 J3 1.010 0.993 1.004 · For the interstory drift index, 25 dampers are implemented only on the 19th floor. · For the interstory velocity index, 25 dampers are implemented only on the 20th floor. 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다.

• Passive-On algorithm Conclusion • Passive-On algorithm • El Centro and Hachinohe earthquakes : Peak interstory drift index is the most efficient. • Northridge and Kobe earthqukes : Peak interstory drift index and peak interstory velocity index are efficient. • Peak absolute acceleration is inadequate for the optimal location index.

• Passive-Off algorithm • MR dampers are implemented only on one floor. • The proposed sequential method is not adequate for Passive-Off algorithm.