지진과 바람에 대한 구조물의 안전성과 사용성을 향상시키기 위해 수동, 능동, 준능동, 복합형 등 다양한 형태의 제어장치가 적용되고 있다. 기존의 수동형 진동제어장치는 비용이 저렴하고 안정성이 높지만 제어효율이 다소 떨어지는 문제점을 가진다. 이를 보완하기 위하여 제어 성능을 크게 향상시킬 수 있는 능동형 혹은 복합형 진동제어장치가 개발되었으나, 센서, 모터, 컴퓨터, 전력원 등 복잡한 장치들과 이를 운영하기 위한 알고리즘으로 인해, 고가의 구축비용이 소모되고 전력에 대한 높은 의존성, 수명기간동안의 제어성능의 안정적인 유지가 불확실하다는 문제점을 가진다. 이러한 문제점을 해결하기 위해 수동제어의 안정성과 능동제어의 높은 성능을 가지는 준능동형 진동제어장치가 제안되었다. 준능동형 진동제어장치는 수동형 제어 장치를 기본으로 적은 동력으로 작동되는 단순한 신호에 의해 제어장치의 특성이 변하는 특징을 가진다. 능동형 제진장치에 비해 제어효율이 다소 떨어질 수 있으나, 수동형 제진장치에 비하여 훨씬 높은 제어 성능을 가진다. 또한 전력수급능력에 대한 의존성이 낮고 유지보수관리가 상대적으로 용이하며 비용이 저렴하다는 장점을 가지고 있다.
본 논문에서는 준능동형 진동제어장치의 일종으로 가새부재의 연결상태를 조절할 수 있는 변환강성시스템(Active Variable Stiffness System, AVS)의 제어 알고리즘과 가변형 브레이크를 이용한 준능동형 동조질량감쇠기(Semi-active Tuned Mass Damper, STMD) 및 제어 알고리즘을 제안하였다. 또한 수치해석을 통해 제안된 알고리즘의 유효성을 평가하였다.
AVS 시스템의 연구에서는 충격파 발생문제, 층간 상대변위를 고려하지 않는 연결상태의 변화 등 기존의 알고리즘에서 해결하지 못한 문제점에 대하여 고찰하고 강성의 급격한 변화가 구조물의 응답에 미치는 영향을 평가하였다. 충격파의 발생이 최소화하고, 물리적으로 구현이 용이한 AVS 제어 알고리즘을 제안하였다. 자유진동해석, 백색잡음과 지진파를 이용한 강제진동해석을 통해 제안된 알고리즘의 유효성을 검증하였다. 수치해석결과, 강성의 변환 횟수와 전달되는 충격파의 총량을 기존 알고리즘 대비 절반수준으로 감소한 것을 확인하였다. 또한, 변환강성 부재가 설치된 층간 상대변위와 속도만을 고려하여 부재의 연결상태를 결정하기 때문에 기계적 구현이 용이하며 변환강성 부재가 개별적으로 거동하는 분산제어(Decentralzied Control)의 특성을 가진다.
가변형 브레이크를 이용한 STMD의 연구에서는 전통적인 TMD의 제어 이론, 마찰력과 감쇠력에 대해 고찰하고 가변형 마찰력을 발생시킬 수 있는 브레이크의 거동특성을 모델링하였다. 이를 기초로 일반적인 TMD에 점성감쇠장치 대신 가변형 브레이크를 적용하여 질량체의 운동을 마찰력으로 제어하는 STMD와 적용 가능한 가변마찰 모델을 제안하였다. 수치해석을 수행하여, 제안된 시스템과 각 마찰모델별 제어성능을 검증하였다. 그 결과 Hyperbolic Tangent 마찰 모델이 최대마찰력의 작은 변화에도 큰 제어효과를 가지며, 초기 속도 구간에서 마찰력의 기울기 변화에 대해 안정적인 변화를 보여 지진응답제어에 적합함을 확인하였다. 또한 STMD는 제어 컴퓨터상에서 간단한 알고리즘 수정을 통하여 마찰 모델을 변경할 수 있어 기존의 점성감쇠장치를 이용한 TMD가 시공과 유지보수단계에서 예기치 못한 마찰에 따라 쉽게 보정이 가능하여 비용과 시간을 크게 절감시킬 것으로 예상된다.

In order to ensure the safety and serviceability of building structures subject to earthquakes or winds, various types of control devices such as passive, active, semi-active and hybrid ones have been developed and applied to actual building structures. Passive one can be manufactured economically and function stably, but it has relatively lower control performance than other types of control systems. Active or hybrid one that has much higher control performance has been proposed. Such active and hybrid ones have several problems of higher cost, high reliance on power supply and uncertainty in stable control performance maintenance during the building life cycle. Also they need complicated system composed of sensors, motors, computer, power supply and operating algorithms. To tackle these problems, semi-active control system with both stability and higher performance has been presented. Semi-active one can modulate the device properties such as stiffness, damping, and friction by using simple control signal and it does not require large power supply. It can show much better control performance than passive one.
In this study, control algorithms for active variable stiffness system(AVS) and semi-active tuned mass damper(STMD), which are ones of the semi-active control systems were suggested. AVS can change the linkage status between brace and frame and the STMD can modulate the friction characteristics.
The new control algorithm for the AVS was developed to solve the problems in the previous study. In the AVS, the impact loads are transferred to the original structure when the linkage status of the brace varies, so frequent change of the stiffness may bring about adverse effect on the structure. Furthermore, the mechanical implementation of the algorithm in the previous study was almost impossible because it didn''t consider relative displacement between the barce and the structure. In order to verify the effectiveness of the proposed algorithm, free vibration, Gaussian white noise and four earthquake records were used for numerical analysis. The result indicated that the proposed AVS could show almost equivalent control performance to one by previous study and both the number and amount of the impact loads were considerably reduced to about half level. Moreover, the system can be mechanically implemented by linking the brace to the structure only when the relative displacement between the brace and the structure was close to zero.
In the design of the STMD with variable brake, the equation of the general passive TMD with friction and linear viscous damping were formulated. Then, the brake with variable friction was analytically expressed by using several friction models. The STMD utilizes the brake as a substitute for the viscous damper. The numerical analysis results verified the control performance of the friction models. Hyperbolic tangent friction model provided the most efficiency for controlling the response of the seismically excited structures, since it showed the control performance enough even with a small change of maximum friction and it also had stable behavior by gradual gradient change of the friction in the low velocity response section. The STMD can easily modulate the friction characteristics by simply changing the algorithm.