External loads, such as wind loads and vehicle loads, that continuously act on bridge cables cause fatigue loads on the cables. In addition, momentary loads, such as typhoons and earthquakes, cause excessive vibration on the cable. In order to prevent excessive vibration of the cable and maintain the cable, proper vibration control and monitoring measures are necessary. Currently, various types of vibration control devices are used for vibration control of cable, and wireless sensors are used for monitoring the cable. However, most of the devices are operated as a separate system, and it is very inefficient to install a vibration control device for an external load, such as a typhoon or an earthquake, which occurs extremely rare. In this study, an electromagnetic damper with functions of vibration control and energy harvesting was proposed for an efficient maintenance method of cable structure. The electromagnetic damper based on the electromagnetic induction principle can utilize the electric energy and the damping force generated in the damper as the vibration control of the cable and the power of the wireless sensor. In this study, the electromagnetic damper with optimum volume efficiency was designed by using an experimental design method. Based on the designed electromagnetic damper, the electromagnetic damper with optimal volume density was fabricated and the characteristic test was conducted. As a result of the characteristic test, the electromagnetic damper showed a linear change with respect to the external amplitude and showed a nonlinear change with respect to the frequency change. As the external resistance increased, the maximum control force of the damper gradually decreased. Hybrid simulation and laboratory scale experiments were performed to evaluate the feasibility of the electromagnetic damper. The vibration control performance and the energy harvesting performance of the electromagnetic damper were evaluated through hybrid simulation for virtual cable structure. For the 20 m length cable, the hybrid test results showed that the vibration reduction performance was about 50% and energy harvesting performance was enough to operate the wireless sensor. The vibration control performance of the damper was verified for the footbridge cable. As a result of the free vibration and forced vibration test, the electromagnetic damper effectively increased the vibration attenuation performance. Based on the test results, the operational plan of the electromagnetic damper by using the meteorological data measured near the 2nd Jindo bridge was proposed. Based on the measured wind speed data in 2016, the operational plan of the electromagnetic was presented for each wind speed and the operational possibility of the wireless senor was evaluated by using the energy harvesting performance.
풍하중, 차량하중과 같이 교량 케이블에 지속적으로 작용하는 외부 하중은 케이블에 피로 하중을 유발한다. 뿐만 아니라 태풍, 지진과 같이 순간적으로 작용하는 하중은 케이블의 과도한 진동을 유발하게 된다. 케이블의 과도한 진동을 방지하고 케이블의 지속적인 유지관리를 위해서는 적절한 진동 제어 및 모니터링 방안이 필요하다. 현재 케이블의 진동 제어를 위하여 다양한 종류의 진동 제어 장치가 사용되고 있으며 지속적인 유지관리를 위하여 다양한 무선 센서가 활용되고 있다. 하지만 대부분의 장치들이 별도의 시스템으로 운영되고 있으며 태풍, 지진과 같이 발생 빈도가 극히 드문 외부 하중에 대해 진동 제어 장치를 설치하는 것은 효율성이 매우 떨어지게 된다. 본 연구에서는 케이블 구조물의 효율적인 유지관리 방안으로 에너지 하베스팅과 진동 제어 기능을 갖는 전자기 댐퍼를 제안하였다. 전자기 유도법칙을 기반으로 하는 전자기 댐퍼는 전자기 유도 시 발생되는 전기 에너지와 감쇠력을 케이블의 진동 제어와 무선센서의 전원으로 활용 가능하다. 본 연구에서는 실험계획법을 활용하여 최적의 부피 효율을 갖는 전자기 댐퍼를 설계, 검토하였다. 설계된 전자기 댐퍼를 바탕으로 최적의 부피 효율을 갖는 전자기 댐퍼를 제작하고 이에 대한 특성시험을 수행하였다. 특성시험 결과 전자기 댐퍼는 외부 진폭에 대해 선형적 변화를 보였으며 주파수 변화에 대해 비선형적 변화를 보였다. 외부 저항의 크기가 증가함에 따라 댐퍼의 최대 제어력은 점차 감소하는 것을 확인 하였다. 전자기 댐퍼의 적용성을 평가하기 위하여 하이브리드 시뮬레이션과 실험실 규모 실험을 수행하였다. 가상의 케이블 구조물에 대하여 하이브리드 시뮬레이션을 통하여 전자기 댐퍼의 진동 제어 성능과 에너지 하베스팅 성능을 평가하였다. 20 m 케이블에 대한 하이브리드 시험결과 약 50%의 진동 저감 성능을 보임을 확인 하였으며 무선센서를 운영하기에 충분한 에너지 하베스팅 성능을 확인하였다. 보도교용 사장 케이블에 대해 댐퍼의 진동 제어 성능 검증을 수행하였다. 자유진동 및 강제진동 시험 결과 전자기 댐퍼는 케이블의 감쇠를 효과적으로 증가시킴을 확인하였다. 시험 결과를 바탕으로 제2 진도대교 부근에서 계측된 기상데이터를 활용하여 전자기 댐퍼의 운영방안을 제시하였다. 실제 계측된 풍속 데이터를 바탕으로 각 풍속에 대하여 전자기 댐퍼의 운영 방안을 제시하였으며 댐퍼 운영 시 에너지 하베스팅 성능을 바탕으로 무선센서의 운영 가능성을 평가하였다.
