The active control system is one in which an external source powers control actuators that apply forces to the structure in a manner calculated by control algorithms. These forces can be used to both add and dissipate energy in the structure. The most commonly used active control device for civil engineering structures is the active mass damper system. In the last two decades, many other active devices have been developed and investigated by many researchers for civil engineering applications, however, most of these de-vices are based on the active mass damper which apply shear forces to the structure.
This dissertation proposes a new, compact and effective active control device to reduce structural responses due to seismic and wind loads. The gyroscope system utilizes the gyroscopic moment for vibration suppression of the structure with predominant bending modes. To verify the control performances of the proposed active control device, gyroscope system, numerical analyses for a scaled cantilever beam and a real structure is performed and the results are compared to those of active mass damper. Moreover, the gyroscope system using linear optimal control strategy for vibration suppression of the cantilever beam subjected to ground accelerations has been experimentally investigated by a shaking table test.
The gyroscope system is commonly used for the attitude control of an unstructured object, for example, when we need to lift up or carry a beam with crane, the attitude of beam turn aside or may be rotated while the crane is moving. These need the attitude control to reject the effect due to the unwanted external force like winds. The gyroscope system also can be used for vibration control for structured objects like buildings, towers, bridges. To confirm the possibility of gyroscope system as a control device, the linear optimal control method using gyroscope systems and active mass damper are implemented for a scaled cantilever beam subjected to ground accelerations. To verify the effectiveness of gyroscope system in real structure, not scaled model, subjected to wind excitation, numerical simulation of Nanjing TV tower was performed. The responses of observation decks of Nanjing TV tower implemented gyroscope system and active mass damper, respectively, are measured and compared.
The gyroscope system using linear optimal control strategy for vibration suppression of the cantilever beam subjected to ground accelerations has been experimentally investigated by a shaking table test. The efficiency of gyroscope system in reducing the structural responses for a wide range of loading conditions has been demonstrated in a series of experiments conducted at the Structural Dynamics and Vibration Control Laboratory at Korea Advanced Institute of Science and Technology. The control performances of gyroscope system from experiments are compared with those from numerical simulations.
This system is more compact and has smaller mass than other control devices with the same ability to control. The performance of gyroscope system is proportional to mass, rotating speed and moment of inertia of flywheel. The moment of inertia of flywheel is proportional to square of radius of flywheel if flywheel is circular disk. Therefore, mass of control system with the same ability to control can be reduced by increasing radius or optimal design of flywheel.
능동제어시스템은 지진이나 바람하중을 받는 구조물의 진동 저감을 위한 효과적인 방법으로 제어기를 작동하는데 있어 큰 에너지가 필요하다는 단점이 있는 반면 다양한 하중조건에 대해 적응성이 뛰어나 충분한 제어성능을 발휘한다는 장점이 있다. 능동제어시스템은 제어 알고리즘으로 계산된 제어기의 움직임으로 인해 발생한 제어력을 직접적으로 구조물에 가해 진동을 저감시킨다. 토목분야에서 사용하는 대표적인 능동제어장치는 능동질량감쇠기이다. 능동질량감쇠기는 상대적으로 작은 질량으로 효과적인 제어성능을 발휘한다는 점에서 활발한 연구와 실제 구조물에 많은 적용이 이루어졌다. 능동질량감쇠기 뿐만 아니라 많은 능동제어장치가 그 동안 개발되어졌고 그의 제어성능 및 효율성이 검증되어졌다. 하지만 대부분의 이런 능동제어장치는 구조물에 직접적으로 힘을 가하는 방식으로 능동질량감쇠기의 특성에 기반을 둔 장치이다. 그러나 다양한 구조물이 존재하는 토목 분야의 경우 각각의 구조물의 특성이 다르기 때문에 구조물 고유의 특성에 맞는 능동제어장치가 필요하다.
본 눈문은 지진이나 바람하중을 받는 구조물의 진동 저감을 위해 기존의 제어장치와 다른 원리를 이용하여 효과적인 제어성능을 발휘하는 새로운 능동제어장치인 자이로스코프 시스템을 제안하였다. 자이로스코프 시스템은 능동질량 감쇠기와 달리 전단력이 아닌 모멘트를 사용함으로서 구조물의 진동을 저감시키는 장치로서 벤딩 모드가 지배적인 구조물에 매우 효과적이다. 또한 자이로스코프 시스템의 제어 성능은 플라이휠의 형태에 따라 달라지게 되는데 플라이휠의 최적설계를 통해 동일한 제어성능을 발휘하면서 제어장치의 질량을 최소화 할 수 있는 장점이 있다.
자이로스코프 시스템은 일반적으로 구속되지 않은 구조물의 자세제어에 사용되거나 구조물의 회전변형량을 알려주는 센서로 사용되어진다. 본 연구에서는 토목 구조물과 같은 구속된 구조물의 진동저감 있어서 자이로스코프 시스템의 가능성을 확인하고 그 효과를 검증하고자 한다. 자이로스코프 시스템의 제어장치로서의 가능성을 확인하기 위해 지진하중을 받는 축소 모델인 캔틸레버빔에 대한 연구를 수행하였다. 또한 실제 구조물에 적용하였을 경우 제어성능과 그 효율성을 검증하기 위해 중국의 난징에 건설되어진 난징 TV 타워에 자이로스코프 시스템을 장착하여 바람하중에 대한 진동 저감 성능을 평가하였다. 기존의 대표적인 능동제어장치인 능동질량감쇠기와의 성능 비교를 위해 동일한 구조물에 능동질량감쇠기를 설치하여 그 성능을 평가하였다.
마지막으로, 자이로스코프 시스템이 설치된 캔틸레버빔을 제작하여 자이로스코프를 이용한 구조물의 능동제어시스템의 성능을 실험적으로 평가하였다. 다양한 하중 조건하에 제안된 제어장치의 성능과 효율성을 검증하기 위해 KAIST의 건설 및 환경공학과 구조동역학 및 진동제어 연구실에 설치된 진동대를 사용하여 실험을 수행하였다. 자이로스코프 시스템의 성능을 검증하기 위해 수치해석의 결과와 비교하였다.
