This dissertation proposes simple and efficient control algorithms for seismically excited structures using MR dampers and a smart passive system based on MR dampers. Magnetorheological (MR) dampers are one of the most promising control devices for civil engineering applications to earthquake hazard mitigation, because they have many advantages such as small power requirement, reliability, and low price to manufacture.
A number of control algorithms have been adopted for semiactive systems including the MR damper. In spite of good features of previous studies, some algorithms have drawbacks such as poor performances or difficulties in designing the weighting matrix of the controller. Thus, the control algorithm is required, which is simple to use and efficient to give comparable or better performance over the previous algorithms.
As a simple and efficient control algorithm, a modal control scheme and a maximum energy dissipation algorithm (MEDA) are implemented for the MR damper-based control system.
Modal control reshapes the motion of a structure by merely controlling a few selected vibration modes. Hence, a modal control scheme is more convenient to design the controller than other control algorithms. Although modal control has been investigated for the several decades, its potential for a semiactive control, especially for the MR damper, has not been exploited. Thus, in order to study the effectiveness for the MR damper system, a modal control scheme is implemented to seismically excited structures. A Kalman filter is included in a control scheme to estimate modal states from physical measurements by sensors. Three cases of the structural measurement are considered as a feedback to verify the effect of each measurement; displacement, velocity, and acceleration, respectively. Moreover, a low-pass filter is applied to eliminate the spillover problem. In a numerical example, a six-story building model with the MR dampers on the bottom two floors is used to verify the proposed modal control scheme. The El Centro earthquake is used to excite the system, and the reduction in the drifts, accelerations, and relative displacements throughout the structure is examined. The performance of the proposed modal control scheme is compared with that of other control algorithms that were previously suggested.
The maximum energy dissipation algorithm represents one control class which employs the Lyapunov’s direct approach to stability analysis in the design of a feedback controller. However, their potential for civil engineering applications using semiactive control, especially with MR dampers, has not yet been fully exploited. This paper investigates the performance and the robustness of the maximum energy dissipation algorithm for civil engineering structures using MR dampers. The numerical examples contain the cable-stayed bridge and the nonlinear building. Various earthquakes are used to excite the systems. Through the series of numerical simulations, the performance is compared with that of other control algorithms that are previously proposed: The reduction in the drifts, accelerations, and relative displacements throughout the structure are examined according to the evaluation criteria.
Meanwhile, to reduce the responses of the controlled structure by using MR dampers, a control system including a power supply, controller, and sensors is needed. However, it is not easy to apply the MR damper-based control system to large-scale civil structures, such as cable-stayed bridges and high-rise buildings, because of the difficulties of building up and maintaining the control system.
Thus, this dissertation proposes a 'smart' passive damper system. The smart passive damper system is based on MR dampers. Of course, the MR damper is a semiactive device that needs an external power source to change the damping characteristics of the MR fluids. However, the smart passive damper system based on MR dampers is not using an external power source, but self-powered by an electromagnetic induction (EMI) system that is attached to the MR damper. The EMI system consists of a permanent magnet and a coil. According to the Faraday’s law of induction, the EMI system changes the kinetic energy of the MR damper to the electric energy and then the electric energy is used to vary the damping characteristics of the MR damper. Therefore, it is easy to build up and maintain the proposed smart damper system that consists of the MR damper and the EMI system, because it does not require any control system such as a power supply, controller, and sensors. To verify the effectiveness of the proposed EMI system, the performances are compared with those of the semiactive MR damper.
본 논문은 MR댐퍼를 기반으로 하는 제어시스템을 대형 구조물등에 설치할 수 있도록 간편한 알고리즘을 구현하였다. 아울러, MR댐퍼를 기반으로 하는 스마트 수동제어 시스템을 제안하였다.
MR댐퍼는 최근에 각광 받는 반능동 제어장치로써, 배터리와 같은 소규모 전력을 사용하고, 이에 따른 비상시의 신뢰성, 그리고 상대적으로 저렴한 제작단가 등의 장점들이 있다. 이러한 MR댐퍼를 운용하기 위한 많은 알고리즘들이 제안되었으나, 각각의 성능이 비슷함에도 불구하고, 제어기 설계가 복잡한 문제 등이 발생했다. 따라서 본 논문에서는 MR댐퍼의 반능동 제어장치로써의 비선형성을 고려하는 동시에, 제어기 설계가 간단하고, 그 성능 역시 기존 알고리즘에 뒤지지 않는 제어 알고리즘으로써, 모드제어기법과 Maximum Energy Dissipation Algorithm (MEDA)을 연구하였다.
모드제어는 선택된 소수의 저차 모드만을 제어한다. 따라서 제어기의 크기가 축소되어 설계가 용이하다. 모드제어가 수년간 연구되었음에도 불구하고 반능동 제어장치, 특히 MR댐퍼에 대한 가능성은 아직 검증되지 않았다. 따라서 본 논문에서는 지진하중을 받는 구조물의 MR댐퍼 제어를 위해서, 모드제어를 구현하고 그 성능을 평가하였다. 또한 현실상황과 적합하도록, Kalman필터를 상태관측기로 사용하여 모드 좌표계를 관측하였으며, Low-pass필터를 사용하여 Spillover문제를 해결하였다. 또한 Kalman필터를 상태관측기로 사용하는데 있어서, 변위, 속도, 그리고 가속도 피드백을 각각 사용하여, 그 성능을 비교하였다. 이렇게 구현된 모드제어를 6자유도 구조물에 적용하여, 기존 제어 알고리즘의 성능과 비교하였다.
또한 제어기의 설계에 Lyapunov직접법을 사용하는 MEDA 역시, MR댐퍼를 사용하는 규모가 큰 토목구조물에 대한 그 적용성 및 가능성이 연구되지 않았다. Lyapunov직접법에 의해 유도된 MEDA는 제어장치가 설치된 곳의 국부변위 등에 의해 제어력을 결정하므로, 특별한 제어기 설계가 필요하지 않다. 따라서 제어기 설계가 어려운 대형 토목구조물에 적합하다. 따라서 본 논문에서는 MEDA의 대규모 토목구조물에 대한 적용성을 성능과 강인성 면에서 평가하였다. 이를 위해서 수치예제로써 사장교 및 20층 짜리 비선형 빌딩의 벤치마크문제를 이용하였으며, 성능 및 강인성을 기존 연구의 결과들과 비교하였다.
한편, 기존 MR댐퍼의 효율적인 운용을 위한 연구와 아울러, MR댐퍼를 기반으로 하는 스마트 제어시스템을 제안하였다. 기존의 MR댐퍼를 사용하여 구조물을 제어하기 위해서는, MR댐퍼를 위한 외부전원, 진동의 정도를 측정할 수 있는 센서, 그리고 MR댐퍼의 거동을 결정하는 제어기가 기본적으로 필요하다. 이러한 MR댐퍼가 토목구조물과 같은 경우에 대량으로 상용되면, 그 제어 시스템은 설치 및 유지관리가 어렵다.
따라서 본 논문에서는 MR댐퍼를 기반으로 하는 스마트 수동제어 시스템을 제안하였다. 스마트 수동제어 시스템은 MR댐퍼와 EMI (Electromagnetic Induction) 시스템으로 구성한다. MR댐퍼에 필요한 전원은, 외부전원 대신에 MR댐퍼에 부착된 EMI 시스템에서 유도되는 유도전류를 사용한다. 즉, MR댐퍼의 왕복운동에너지를, EMI 시스템에서 Faraday의 전자기 유도법칙에 의해 전기에너지로 전환하고, 이를 MR댐퍼의 점성특성을 변화시키는데 사용한다. 또한 유도되는 전류의 양이 MR댐퍼의 왕복운동 강도에 비례하므로, 센서 및 제어기가 필요하지 않다. 따라서 반능동 제어장치인 MR댐퍼를 기반으로 하지만, 외부전력을 사용하지 않고, 장치 스스로 외부하중의 강도에 맞추어 점성을 변화시키는 ‘스마트’ 수동제어 시스템이다. 제안된 스마트 수동제어 시스템의 성능평가를 위해서, Clipped-optimal 제어기로 제어되는 MR댐퍼의 성능을 수치예제를 통해 비교하였다.
