Optimal placement of MR dampers 2003년 대한토목학회 추계학술발표대회 대구 EXCO 2003년 10월 24, 25일 Optimal placement of MR dampers for 20-story nonlinear benchmark building 벤치마크 문제는 여러가지 다양한 제어 기법을 직접적으로 비교하는 방법입니다. 지금까지 세번째 제너레이션까지 나왔는데 세번째는 지진 제어의 경우 구조물의 비선형성까지 고려하게 되어있어 더욱 현실감을 살렸습니다. 반능동 제어방법으로 MR damper를 사용하였습니다. 이 댐퍼는 아주 작은 파워를 가지고도 능동제어와 ideal 반능동 제어와 거의 같은 성능을 낼수 있어서 아주 효과적인 장치입니다. 제어 입력에는 clipped optimal algorithm을 사용하였고 MR damper의 다이나믹스를 구현하는데는 부벤 모델을 사용하였습니다. 장종우, 한국과학기술원 건설 및 환경공학과 석사과정 조상원, 한국과학기술원 건설 및 환경공학과 박사과정 윤우현, 경원대학교 산업환경대학원 부교수 이인원, 한국과학기술원 건설 및 환경공학과 교수

Introduction • Linear viscous dampers - The larger structural responses of the dampers’ locations are, the more effective the devices are. - Many sequential procedures of optimal placement have been proposed. : SSA, SSSA ( T. T. Soong 2002 ) • MR damper ( Magneto-rheological damper ) - More complicated control mechanism than linear viscous dampers - Very few verified and widely used methods for optimal placement of MR dampers. • Proposed optimal placement methods - Similar to the sequential procedures for linear viscous dampers - The next MR damper is implemented at the location with the maximum responses. 벤치마크 문제는 여러가지 다양한 제어 기법을 직접적으로 비교하는 방법입니다. 지금까지 세번째 제너레이션까지 나왔는데 세번째는 지진 제어의 경우 구조물의 비선형성까지 고려하게 되어있어 더욱 현실감을 살렸습니다. 반능동 제어방법으로 MR damper를 사용하였습니다. 이 댐퍼는 아주 작은 파워를 가지고도 능동제어와 ideal 반능동 제어와 거의 같은 성능을 낼수 있어서 아주 효과적인 장치입니다. 제어 입력에는 clipped optimal algorithm을 사용하였고 MR damper의 다이나믹스를 구현하는데는 부벤 모델을 사용하였습니다.

Proposed optimal placement method • MR damper model - Combination of Bouc-Wen model and linear damper ( Yoshida and Dyke 2002 ) f : control force produced by damper u : effective voltage v : command voltage 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다.

- Dynamic characteristics of MR damper - Maximum capacity : 1000kN Maximum command voltage : 10V Control algorithms · Passive control : Passive-On and Passive-Off · Semiactive control : Maximum energy dissipation algorithm

• Optimal placement of MR dampers - Linear viscous damper : Optimal location index ( T.T.Soong 2002 ) : The coefficients of each responses are not yet determined. - MR damper : Consider only one of the structural responses for the optimal location index · Peak interstory drift · Peak interstory velocity · Absolute acceleration : Then, determine the coefficients and propose the optimal location indices. 지난 세미나에 소개해준 빌딩중 20층짜리와 동일한 빌딩입니다. Full scale, 비선형, 지진하중을 받는 20층 빌딩입니다. 댐핑은 레일라이 선형 댐핑으로 가정하였고 구조물의 비선형성은 bilinear모델로 구현하였습니다. 제어장치의 설치와 성능 발현은 남북 방향으로 하였습니다.

Numerical results • Building models - 20-story nonlinear benchmark building ( Otori et al. 2000, 2002 ) - Plane : 30.48  36.58 (m) - Height : 80.77 (m) - Two basement levels - 5 bays in the N-S direction and 6 bays in the E-W direction 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다.

• Peak accelerations of applied earthquakes - 3 DOFs at each node (horizontal, vertical, rotational) : Total DOFs: 414 (138 nodes) - MR dampers are implemented throughout the N-S frames. - Rayleigh damping matrix Inelastic behavior of the building during strong earthquakes : Bilinear hysteresis model • Peak accelerations of applied earthquakes 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다. El Centro Hachinohe Northridge Kobe Peak acc. 0.349 g 0.230 g 0.844 g 0.834 g g : acceleration of gravity

• Optimal locations of MR dampers (Passive-On algorithm) - Optimal location index ( Interstory drift ) : Before normalization of earthquakes’ scales Floor No. Floor No. El Centro Hachinohe No. of dampers No. of dampers Floor No. Floor No. 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다. Northridge Kobe No. of dampers No. of dampers

: After normalization of earthquakes’ scales Floor No. Floor No. El Centro Hachinohe No. of dampers No. of dampers Floor No. Floor No. 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다. Northridge Kobe No. of dampers No. of dampers

- Optimal location index ( Interstory velocity ) : Before normalization of earthquakes’ scales Floor No. Floor No. El Centro Hachinohe No. of dampers No. of dampers Floor No. Floor No. 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다. Northridge Kobe No. of dampers No. of dampers

: After normalization of earthquakes’ scales Floor No. Floor No. El Centro Hachinohe No. of dampers No. of dampers Floor No. Floor No. 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다. Northridge Kobe No. of dampers No. of dampers

- Comparison of evaluation criteria . Int. drift Int. velocity Benchmark El Centro J1 0.569 0.739 0.612 J2 0.550 0.735 0.599 J3 0.824 0.903 0.976 Hach. 0.635 0.870 0.683 0.844 0.871 0.845 1.012 1.223 0.995 North. 0.677 0.899 0.766 1.275 1.500 1.132 1.134 0.985 1.133 Kobe 0.519 0.563 0.700 0.937 0.843 1.062 1.230 1.063 1.213 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다. · Damper locations in the Benchmark problem · J1 : max. int. drift · J2 : max. abs. acc. · J3 : max. base shear Floor No. 1 2~3 4~20 No. of dampers 4 2

• Optimal location index : Absolute acceleration - El Centro earthquake : Optimal placements - Kobe earthquake : Optimal placements 20 20 20 14 14 14 14 14 14 14 13 13 13 …… 12 12 12 11 11 11 11 11 11 11 11 11 …… : Graph of evaluation criteria : Graph of evaluation criteria Eval. criteria No. of dampers Eval. criteria No. of dampers 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다. J1 J2 J3

• Optimal locations of MR dampers (Passive-Off algorithm) -- El Centro earthquake . Int. drift Int. velocity Benchmark J1 0.978 0.861 0.965 J2 0.993 0.953 0.975 J3 0.981 0.906 0.962 · Interstory drift index : 25 dampers only on the first floor · Interstory velocity index : 25 dampers only on the 20th floor - Kobe earthquake . Int. drift Int. velocity Benchmark J1 0.943 0.945 0.999 J2 1.005 0.990 1.026 J3 1.010 0.993 1.004 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다. · Interstory drift index : 25 dampers only on the 19th floor · Interstory velocity index : 25 dampers only on the 20th floor

• Optimal locations of MR dampers (MEDA algorithm) - Optimal location index ( Interstory drift ) Floor No. Floor No. El Centro Hachinohe No. of dampers No. of dampers Floor No. Floor No. 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다. Northridge Kobe No. of dampers No. of dampers

- Optimal location index ( Interstory velocity ) Floor No. Floor No. El Centro Hachinohe No. of dampers No. of dampers Floor No. Floor No. 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다. Northridge Kobe No. of dampers No. of dampers

- Comparison of evaluation criteria . Int. drift Int. velocity Benchmark El Centro J1 0.639 0.759 0.640 J2 0.963 1.255 1.041 J3 0.832 0.938 0.975 Hach. 0.638 0.781 0.683 0.814 1.479 0.845 1.025 1.182 0.995 North. 0.715 0.959 0.815 1.180 1.120 0.948 1.087 0.954 1.059 Kobe 0.557 0.534 0.645 0.857 0.870 0.877 0.974 0.976 1.036 다음 내용은 디자인 criteria입니다. 지난 세미나 시간에 소개한 17가지의 criteria에 두 가지 새로운 criteria가 추가됩니다. 하나는 최대 영구 층간 변위와 각층의 층간 변위의 비율입니다. · Damper locations in the Benchmark problem · J1 : max. int. drift · J2 : max. abs. acc. · J3 : max. base shear Floor No. 1 2~3 4~20 No. of dampers 4 2

Conclusion • Passive-On algorithm • Passive-Off algorithm - Peak interstory drift index is the most efficient in most cases. - Peak interstory velocity index is not very efficient. - Peak absolute acceleration is inadequate for the optimal location index. • Passive-Off algorithm - MR dampers are implemented only on one floor. - The proposed sequential method is not adequate for Passive-Off algorithm. • Maximum energy dissipation algorithm - The optimal locations of MR dampers are similar to those under passive-on algorithm.