Recently, as the frequency of earthquakes in domestic increases, the damage to infrastructure is also increasing. As the infrastructure is an essential element in maintaining a safe life, it is important to safely protect it from ground motion. Seismic resistance design is the most commonly used in protecting structures from ground motion, and it is a method of resisting earthquakes by adding thick and strong reinforcements, which has a limitation in that high acceleration and displacement responses occur in the top floor of the structure. However, unlike the seismic resistance design, the seismic isolation separates the structure from the ground motion, and the responses of the structure can be reduced by inserting a structural member with flexible horizontal stiffness between the structure and the ground. However, since the conventional isolation system is installed in a form that can be effectively applied to a specific seismic load, and thus a severe problem may occur for unexpected ground motion. In order to overcome this limitation, a smart material called magnetorheological elastomer (i.e., MRE or MR elastomer) is attracting attention as a new type of isolation system which has an adaptability. The MRE is a material that can adjust the stiffness according to the strength of a magnetic field. In this study, a magnetorheological elastomer and an electromagnetic system, which are the major elements of a base isolator using the magnetorheological elastomer, were proposed, and validated through numerical and experimental comparisons with the conventional magnetorheological elastomer-based isolator. In order to confirm the superiority of the proposed MRE-based isolator, the resistance, electric power, and volume of each electromagnetic system, and the magnetic flux density in the MRE were compared through numerical analyses. In addition, the proposed MRE-based isolator was validated through a dynamic characteristic test according to various excitations. The proposed MRE-based isolator exhibited the higher MR effects even under various excitation conditions. Also, it was confirmed that the decrease in the MR effects according to the increase of the strain of the MRE and the applied frequency was smaller than that of the conventional MRE-based isolator. Also, in order to use it as a seismic isolator, the dynamic characteristics of the MRE-based isolator were investigated according to the vertical load. Although it was confirmed that the MR effect was reduced due to the vertical load, it was found that the MR effect was maintained above a certain level. Lastly, the seismic isolation performance evaluation for several earthquake waves was conducted on the Letdown Isolation Actuation System (LIAS) canbinet used in Nuclear Power Plant (NPP). By constructing a fuzzy logic based on acceleration data in consideration of reality and comparing it with the conventional control types, the reduction of the structural responses was confirmed.
최근 국내에 지진의 빈도 증가에 따라 사회기반시설물의 피해도 증가하고 있다. 사회기반시설물은 안전한 삶을 유지하는데 필수적인 요소로 지반 운동으로부터 안전하게 보호하는 것이 중요하다. 지반 운동으로부터 구조물의 보호하는 방법 중에 가장 흔히 사용되는 것은 내진 설계로, 두껍고 강한 보강재를 덧대어 지진을 견디게 하는 방법으로 건물의 고층부에 높은 가속도 및 변위 응답이 발생한다. 하지만 면진 설계는 내진 설계와 달리 구조물을 지반 운동으로부터 분리 시키는 것으로 구조물과 지반 사이에 유연한 수평 강성을 갖는 부재를 삽입함으로써 구조물의 응답을 저감 시킬 수 있다. 하지만, 기존의 면진 장치는 특정 지진 하중에 효과적으로 적용할 수 있는 형태로 설치되어, 예기치 못한 지반 운동에 대해서는 더 큰 문제가 발생할 수 있다. 이러한 한계를 극복하기 위해 자기유변탄성체라는 스마트 재료가 적응형 면진장치로 주목을 받고 있다. 자기유변탄성체는 자기장 의 세기에 따라 강성을 조절할 수 있는 재료로 Magnetorheological (MR) 효과를 갖는다. 본 연구에서 자기유변탄성체를 이용한 면진장치의 주요 요소인 자기유변탄성체 및 전자석 시스템을 제안하여, 기존의 자기유변탄성체 기반 면진장치와 수치해석적, 실험적 비교를 통해 검증하였다. 제안한 자기 유변탄성체 기반 면진장치의 우수성을 확인하기 위해 수치해석을 통해 전자석 시스템에 발생하는 저항, 전력량 및 부피, 그리고 자기유변탄성체에 발생 하는 자속밀도를 비교하였다. 또한, 다양한 가진에 대한 동적 특성 시험을 통해 제안된 자기유변탄성체 기반 면진장치를 검증하였다. 제안된 자기유변탄성체 기반 면진장치가 다양한 가진 조건 하에서도 더 큰 MR 효과가 관찰되었다. 또한, 가진 주파수 및 자기유변탄성체의 변형률 증가에 따른 MR 효과의 감소폭이 기존의 자기유변탄성체 기반 면진장치보다 작은 것을 확인하였다. 또한, 면진장치로 활용하기 위해 수직하중 재하에 따른 자기유변탄성체 기반 면진장치의 동적 특성을 파악하였다. 수직하중 재하로 인해 MR 효과의 감소를 확인하였으나 일정 수준 이상의 MR 효과를 유지하는 것을 파악하였다. 마지막으로, 실제 원전에서 사용 중인 유출수 격리작동계통 캐비닛에 대하여 지진하중에 대한 면진 성능 평가를 수행하였다. 실적용을 고려하여 가속도 기반으로 퍼지 논리를 구축하여 기존의 제어 시스템과 비교를 수행하여 구조물의 응답 저감을 확인하였다.
