Stay cables, such as are used in cable-stayed bridges, are prone to vibration due to their low inherent damping characteristics. Several methods have been proposed and implemented to mitigate this problem, though each has its limitations. In structural fields, discrete viscous damper have been used on lots of bridges. It has been, however, demonstrated that the damper attachment location should be typically restricted to be within 5% of the cable length from the cable anchorage and passive damper cannot provide supplemental damping with damper location smaller than 2% of the cable length. Recently some studies have shown that active and semiactive control system using MR (Magnetorheological) damper can potentially achieve both higher performance levels than passive control system and adaptability with few of the detractions. However, a control system including a power supply, controller, and sensors is required to maximize the performance of the MR damper and this complicated control system is not effective to most of large civil structures.
This study proposed new-type damping devices for vibration of stay cables. Firstly, high-performance damping system can reduce the required capacity of a linear viscous damper without the loss of performance of the damper. This study shows that the efficacy of the proposed damping system has been analytically and experimentally investigated. Secondly, a smart hybrid damping system consists of high-performance damping system and an electromagnetic induction (EMI) system. The smart hybrid damping system can be effective damping device without any external power supply and control algorithm. This study represents analytical verification of the proposed damping system.
현재 국내외적으로 사장교는 많이 건설 중에 있다. 사장교 케이블은 사장교의 대표적인 부재이며, 사장 케이블은 바람하중과 이동하중에 의해 진동이 쉽게 유발되는 특징을 가지고 있다. 따라서, 케이블의 전체 수명과 연결지점을 보호하기 위하여 제진장치의 필요성이 대두되고 있다. 현재까지 많은 제진 시스템들이 제안되었으며, 그 각각의 시스템은 단점들을 가지고 있다. 먼저, 수동제어의 대표적인 시스템인 선형점성댐퍼는 높은 신뢰성을 가지고 있는데 반하여, 댐퍼 설치위치에 따라서 그 성능이 급격이 떨어지는 단점을 가지고 있다. 또한 능동제어시스템은 외부하중에 따라 적절한 댐퍼력을 통하여 제어할 수 있는 적응성의 장점에도 불구하고, 높은 외부전력이 필요하다는 단점과 잘못된 계측 시 오히려 응답을 크게 할 수 있다는 단점을 가지고 있다. 반능동제어시스템은 수동제어의 신뢰성과 능동제어의 적응성을 모두 갖춘 시스템으로써 많은 연구자들에 의해 활발히 연구되어지고 있다. 반능동제어시스템은 시스템을 원활히 구동하기 위하여 계측센서, 컨트롤러, 전원장치 등이 요구되어진다. 그러나 사장교와 같이 지진과 태풍과 같은 극심한 환경에 노출되어진 토목구조물에서는 그 시스템을 설치 및 유지하는데 한계성을 보이고 있다. 따라서 본 연구에서는 기존의 수동제어시스템의 단점을 보완한 고성능 감쇠시스템과 반능동시스템의 단점을 극복한 스마트 하이브리드 감쇠시스템을 제안하였다. 고성능 시스템을 이용하여 사장케이블에 수치해석 및 실험을 통한 성능 검증을 수행하였다. 수치해석 결과 선형점성댐퍼의 성능의 저하가 없이 댐퍼의 용량을 줄여줄 수 있다는 것을 확인하였다. 또한 실험적인 결과를 통해, 고성능 감쇠시스템을 이용하면 더 높은 감쇠비를 얻는 것을 확인하였다. 다시 말해서, 고성능 감쇠시스템을 사용할 경우, 상대적으로 용량이 작은 댐퍼를 사용할 수 있다는 경제적인 효과와 같은 용량의 댐퍼 사용시 더 큰 댐퍼력을 발휘할 수 있는 성능을 개선효과를 가지고 있다. 스마트 하이브리드 감쇠시스템은 수치해석을 통하여 수동제어와 반능동제어 그리고 EMI 시스템의 성능과 비교하였으며, 이때 반능동제어 시스템의 성능보다는 더 나으며, 수동제어 시스템의 성능과는 유사한 결과를 보였다. 그러나 사장교에는 특성(길이, 질량, 감쇠비)이 각각 다른 케이블들이 병행하여 존재한다. 시공 시 모든 케이블에 최적의 감쇠시스템을 설치하기 어려우므로, 보통 대표적인 케이블에 맞추어 댐퍼를 설치한 후 다른 케이블에도 동일한 댐퍼를 설치하게 된다. 그러나 스마트 하이브리드 감쇠시스템은 고성능 감쇠 시스템의 각도를 쉽게 조절함으로써 각각의 케이블에 대하여 최적 제어를 할 수 있는 특징을 가지고 있다. 이 특성을 이용하여 제원이 다른 케이블에 적용하여 수치해석을 수행하여 보았다. 그 결과 스마트 하이브리드 감쇠시스템은 가장 좋은 성능을 보이는 것을 확인하였다. 스마트 하이브리드 감쇠시스템은 그 성능면에서, 또한 장치의 특성(컨트롤러와 전원공급장치가 필요하지 않음) 면에서 주목할만한 제어 장치라고 할 수 있다.