• Wind and Structures
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• 제6권5호
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• pp.387-402
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• 2003

In the past decades, much effort has been made towards the study of single-mode-based vibration controls with dynamic energy absorbers such as single or multiple Tuned Mass Dampers(TMDs). With the increase of bridge span length and the tendency of the bridge cross-section being more slender and streamlined, multi-mode coupled vibrations as well as their controls have become very important for large bridges susceptible to strong winds. As a simple but effective device, the TMD system especially the semi-active one has become a promising option for such coupled vibration controls. However, despite various studies of optimal controls of single-mode-based vibrations with TMDs, research on the corresponding controls of the multi-mode coupled vibrations is very rare so far. For the development of a semi-active control strategy to suppress the multi-mode coupled vibrations, a comprehensive parametric analysis on the optimal variables of this control is substantial. In the present study, a multi-mode control strategy named "three-row" TMD system is discussed and the general numerical equations are developed at first. Then a parametric study on the optimal control variables for the "three-row" TMD system is conducted for a prototype Humen Suspension Bridge, through which some useful information and a better understanding of the optimal control variables to suppress the coupled vibrations are obtained. This information lays a foundation for the design of semi-active control.

• Smart Structures and Systems
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• 제18권1호
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• pp.75-92
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• 2016

The design of a semi-active (SA) control system addressed to mitigate wind induced structural demand to high wind turbine towers is discussed herein. Actually, the remarkable growth in height of wind turbines in the last decades, for a higher production of electricity, makes this issue pressing than ever. The main objective is limiting bending moment demand by relaxing the base restraint, without increasing the top displacement, so reducing the incidence of harmful "p-delta" effects. A variable restraint at the base, able to modify in real time its mechanical properties according to the instantaneous response of the tower, is proposed. It is made of a smooth hinge with additional elastic stiffness and variable damping respectively given by springs and SA magnetorheological (MR) dampers installed in parallel. The idea has been physically realized at the Denmark Technical University where a 1/20 scale model of a real, one hundred meters tall wind turbine has been assumed as case study for shaking table tests. A special control algorithm has been purposely designed to drive MR dampers. Starting from the results of preliminary laboratory tests, a finite element model of such structure has been calibrated so as to develop several numerical simulations addressed to calibrate the controller, i.e., to achieve as much as possible different, even conflicting, structural goals. The results are definitely encouraging, since the best configuration of the controller leaded to about 80% of reduction of base stress, as well as to about 30% of reduction of top displacement in respect to the fixed base case.

• Smart Structures and Systems
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• 제13권2호
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• pp.177-201
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• 2014

With the increased size and flexibility of the tower and blades, structural vibrations are becoming a limiting factor towards the design of even larger and more powerful wind turbines. Research into the use of vibration mitigation devices in the turbine tower has been carried out but the use of dampers in the blades has yet to be investigated in detail. Mitigating vibrations will increase the design life and hence economic viability of the turbine blades and allow for continual operation with decreased downtime. The aim of this paper is to investigate the effectiveness of Semi-Active Tuned Mass Dampers (STMDs) in reducing the edgewise vibrations in the turbine blades. A frequency tracking algorithm based on the Short Time Fourier Transform (STFT) technique is used to tune the damper. A theoretical model has been developed to capture the dynamic behaviour of the blades including the coupling with the tower to accurately model the dynamics of the entire turbine structure. The resulting model consists of time dependent equations of motion and negative damping terms due to the coupling present in the system. The performances of the STMDs based vibration controller have been tested under different loading and operating conditions. Numerical analysis has shown that variation in certain parameters of the system, along with the time varying nature of the system matrices has led to the need for STMDs to allow for real-time tuning to the resonant frequencies of the system.

• 한국공간구조학회논문집
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• 제12권1호
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• pp.99-108
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• 2012

본 연구에서는 지진하중을 받는 대공간 구조물의 지진응답을 저감시키기 위하여 돔 구조물에 대한 동조질량제어장치(TMD)의 적용성을 검토하였다. 이를 위하여 돔 구조물의 기본적인 동적특성을 가지고 있으며 가장 간단한 구조이기도 한 스타 돔 구조물에 수동형 TMD를 설치하여 지진응답 제어성능을 평가하였다. 본 연구에서는 KBC2009에 따른 인공 지진하중을 수평방향과 연직방향으로 가하여 스타 돔 구조물에 대한 지진응답을 분석하였으며 이를 바탕으로 TMD의 설치에 따른 스타 돔 구조물의 지진응답 제어성능을 분석하였다. 해석결과 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다. 지진하중의 방향에 반응하는 스타 돔 구조물의 진동모드 분석을 통하여 수동 TMD를 설치하는 것이 지진응답 제어에 있어서 효과적인 것을 확인할 수 있었다.

• 한국구조물진단유지관리공학회 논문집
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• 제13권2호통권54호
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• pp.165-171
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• 2009

본 논문에서는 건설구조물의 스마트 제어를 위해 오리피스 구간의 갭(gap) 조건을 달리한 2개의 준능동 MR 감쇠기를 개발하고, 동하중 실험을 통해 갭 조건에 따른 감쇠성능을 비교 평가하였다. 여기서, MR 감쇠기는 그 특성상 재료적 및 기계적인 다양한 변수들로 인해 그 감쇠성능이 크게 좌우될 수 있으나, 특히 MR 감쇠기의 오리피스 구간에 대한 갭 크기의 영향은 MR감쇠장치의 설계 시 핵심적인 요소 중에 하나이다. 따라서 본 논문에서는 오리피스 구간의 갭 조건을 1.0mm와 2.0mm로 각각 설계하였으며, 인가전류 조건을 달리한 동하중 실험을 통해 발생 감쇠력을 획득하였다. 이들 획득결과는 힘-변위 이력곡선과 힘-전류 관계곡선으로부터 최대 최소 감쇠력 및 동적범위로 분석 평가되었다. 이상의 결과로부터, 갭의 조건에 따른 MR감쇠장치의 감쇠성능 변화를 규명하였으며, 본 연구에서 개발된 2개의 MR 감쇠기는 인가전류셑 및 코일 권선수 등의 추가핵심설계요소를 효과적으로 고려함으로써 건설구조물의 스마트 제어를 위해 유용하게 활용될 수 있는 가능성을 제시하였다.

• 한국구조물진단유지관리공학회 논문집
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• 제15권1호
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• pp.85-94
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• 2011

본 논문에서는 구조적으로 유연한 특성을 갖는 교량 구조물을 대상으로 외력에 의해 발생되는 진동을 실시간으로 제어하고자 준능동형 실시간 피드백 진동제어시스템을 구성하고, 이를 실험적으로 평가하였다. 여기서 진동제어를 위한 대상 교량 구조물은 서해대교를 약 1/200 크기로 규모화 하여 설계/제작한 모형 교량 구조물을 사용하였고, 실험실 여건을 고려해 규모화 된 El-centro 지진파형으로 구조물을 가진하였다. 또한, 교량 상판 중앙지점에는 전자석이 채용된 전단형 MR 댐퍼를 수직방향으로 설치하여 발생된 진동을 제어하도록 하였고, 동시에 변위계 및 가속도계를 설치하여 구조물의 응답(변위, 가속도)을 획득하였다. 이때 진동제어의 실험은 크게 비-제어, 수동 on/off 제어, Lyapunov 안정론 기반 제어 그리고, Clipped-optimal 제어조건으로 구분하여 실시간 피드백 진동제어실험을 수행하였고, 이때 진동제어의 효과는 상판 중앙지점에 대하여 각 실험방법 별 절대최대변위와 절대최대가속도 그리고, 인가전원의 소모량 등을 성능지수를 이용해 정량적으로 평가하였다. 진동제어실험의 결과로부터, Lyapunov 제어 및 Clipped-optimal 제어방법 모두 구조물의 발생 변위 및 가속도를 효과적으로 감소시켰으며, 특히 진동제어 시 요구되는 외부 인가전원의 소비를 크게 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 최종적으로, 본 논문에서 구성한 준능동형 실시간 피드백 진동제어시스템은 교량 구조물에 발생된 진동을 제어 관리하기 위한 적극 효율적인 방법으로 활용될 가능성이 있음을 확인하였다.

• 대한토목학회논문집
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• 제29권5A호
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• pp.467-475
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• 2009

기존의 연구들은 댐퍼만에 의한 부가감쇠비의 Universal Curve만을 제공하였기 때문에 실무에서는 케이블의 구조감쇠 및 공기역학적감쇠와 같은 자체감쇠를 독립적으로 고려하곤 한다. 즉, 케이블에 발생하는 자체감쇠비와 댐퍼에 의해 부여되는 Universal Curve로부터 얻은 부가감쇠비를 산술적으로 합하여 케이블-댐퍼 시스템의 전체감쇠비를 결정해 왔다. 하지만 이러한 선형조합 접근법은 이론적인 근거가 미약하며 관련된 연구도 찾아볼 수 없는 실정이므로 이에 관한 유효성을 검증해 볼 필요가 있다. 이것을 위해 본 연구에서는 자체감쇠를 고려한 전체감쇠비 해석법을 개발하여 정해를 제시하고 이것을 기존의 선형조합 접근법에 의해 얻어진 전체감쇠비와 비교하여 선형조합 접근법의 유효성 여부를 검증하였다. 본 연구의 결과에 의하면, 강성은 작고 최적감쇠계수와 비슷한 감쇠계수를 갖는 댐퍼가 지점에서 가깝게 설치되어 있으며, 케이블의 진동이 저차 모드 위주로 발생하고 케이블의 자체감쇠가 크지 않은 일반적인 풍환경에서는 기존의 연구그룹에서 제시하는 연구결과나 선형조합 접근법을 적용하는 것에 무리가 따르지 않는다. 하지만 외부댐퍼나 예기치 못한 고차 진동모드의 발생, 강성이 큰 댐퍼가 사용되는 경우에는 본 연구를 적용하는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 본 연구는 케이블의 자체감쇠를 고려한 전체감쇠비의 정해를 제시하고 이것을 토대로 선형조합 접근법에 대한 적용근거를 제시하였다는 점에서 의미를 찾을 수 있다. 차후 본 연구를 발전시켜 공기역학적감쇠에 대응하는 최적감쇠계수를 실시간으로 제시할 수 있게 된다면 MR(Magneto-rheological) 댐퍼와 같은 준능동 댐퍼의 케이블-댐퍼 시스템 제어의 중요한 알고리즘이 될 것으로 기대된다.

• Smart Structures and Systems
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• 제21권5호
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• pp.653-668
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• 2018

This work proposes and investigates re-centering negative stiffness dampers (NSDs) for vibration suppression in high-speed trains. The merit of the negative stiffness feature is demonstrated by active controllers on a high-speed train. This merit inspires the replacement of active controllers with re-centering NSDs, which are more reliable and robust than active controllers. The proposed damper design consists of a passive magnetic negative stiffness spring and a semi-active positioning shaft for re-centering function. The former produces negative stiffness control forces, and the latter prevents the amplification of quasi-static spring deflection. Numerical investigations verify that the proposed re-centering NSD can improve ride comfort significantly without amplifying spring deflection.

• 한국공간구조학회논문집
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• 제22권3호
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• pp.49-56
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• 2022

Tuned mass damper (TMD) is widely used to reduce dynamic responses of structures subjected to earthquake loads. A smart tuned mass damper (STMD) was proposed to increase control performance of a traditional passive TMD. A lot of research was conducted to investigate the control performance of a STMD based on analytical method. Experimental study of evaluation of control performance of a STMD was not widely conducted to date. Therefore, seismic response reduction capacity of a STMD was experimentally investigated in this study. For this purpose, a STMD was manufactured using an MR (magnetorheological) damper. A simple structure presenting dynamic characteristics of spacial roof structure was made as a test structure. A STMD was made to control vertical responses of the test structure. Two artificial ground motions and a resonance harmonic load were selected as experimental seismic excitations. Shaking table test was conducted to evaluate control performance of a STMD. Control algorithms are one of main factors affect control performance of a STMD. In this study, a groundhook algorithm that is a traditional semi-active control algorithm was selected. And fuzzy logic controller (FLC) was used to control a STMD. The FLC was optimized by multi-objective genetic algorithm. The experimental results presented that the TMD can effectively reduce seismic responses of the example structures subjected to various excitations. It was also experimentally shown that the STMD can more effectively reduce seismic responses of the example structures conpared to the passive TMD.

• Smart Structures and Systems
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• 제16권2호
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• pp.329-345
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• 2015

As commonly known, sensor errors and faulty signals may potentially lead structures in vibration to catastrophic failures. This paper presents a new approach to deal with sensor errors/faults in vibration control of structures by using the Fault detection and isolation (FDI) technique. To demonstrate the effectiveness of the approach, a space truss structure with semi-active devices such as Magneto-Rheological (MR) damper is used as an example. To address the problem, a Linear Matrix Inequality (LMI) based fixed-order $H_{\infty}$ FDI filter is introduced and designed. Modeling errors are treated as uncertainties in the FDI filter design to verify the robustness of the proposed FDI filter. Furthermore, an innovative Fuzzy Fault Tolerant Controller (FFTC) has been developed for this space truss structure model to preserve the pre-specified performance in the presence of sensor errors or faults. Simulation results have demonstrated that the proposed FDI filter is capable of detecting and isolating sensor errors/faults and actuator faults e.g., accelerometers and MR dampers, and the proposed FFTC can maintain the structural vibration suppression in faulty conditions.