진동대를 이용한 압전소자 내장형 동조질량감쇠기의 실험 연구 :Experimental Study on Tuned Mass Piezoelectric-Damper Using Shaking Table

서민성

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자료유형: 학위논문

저자정보: 서민성 (건국대학교, 건국대학교 대학원)

지도교수: 하동호

발행연도: 2016

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이 논문의 연구 히스토리 (2)

2016

압전소자 내장형 동조질량감쇠기의 특성 연구

서민성 , 하동호 , 추진교 외 2명 대한토목학회 학술대회 2016.10 학술대회자료

진동대를 이용한 압전소자 내장형 동조질량감쇠기의 실험 연구

서민성 토목공 2016.01 학위논문

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최근 교량 건설기술의 발달로 교량의 형태가 장대화 및 경량화되었다. 이로 인해 교량의 진동이 과거에 비해 더욱 쉽게 발생하여 구조물 진동제어에 대한 필요성이 증가하고 있다. 또한, 여러 기술의 발달은 에너지 수요를 증가시켰다. 이를 해결하기 위한 에너지 하베스팅 관련 다양한 연구가 진행되고 있다.

본 논문은 압전소자 내장형 동조질량감쇠기(TMPD)의 실험 연구로써 기존의 동조질량감쇠기(TMD)에 압전소자를 결합하여 에너지 하베스터로 기능할 수 있도록 하였다. 실제 TMD와 동일한 형태의 TMPD 성능시험기를 제작하고, 실험을 통해 다양한 측면에서 적용 효용성을 평가하였다.

쇠구슬 낙하실험 및 PZT부착에 따른 강성확인 등을 통하여 압전소자의 특성을 검토하였으며, 확보한 압전소자의 특성을 이용하여 적합한 TMPD 성능시험기의 실험을 수행하였다. 기존의 연구들은 출력되는 전력이 압전소자의 고유진동수 영역에 큰 영향을 받았지만, 본 연구에서는 구조물의 작은 진동을 증폭시켜 압전소자의 발전에 활용할 수 있음을 확인하였다. 따라서 실험을 통해 TMPD에 의한 전력생산으로 전력확보가 가능함을 확인하였다. 또한 압전소자의 내구성 문제 등을 해결하였다.

결과적으로 실험을 통해 TMPD의 적용 효용성을 확인하였다. 기존의 TMD와 마찬가지로 구조물의 동적응답 저감과 및 피로하중 개선에 효과가 있을 것으로 기대되며, 추가로 확보되는 전력은 구조물의 모니터링, 도로표지판 등에 이용을 기대할 수 있다.

Modern structures are becoming longer and slender thanks to the advances realized in construction technology. However, this situation renders these structures sensitive to external forces and generates undesired vibrations. Especially, bridges are permanently exposed to dynamic loads like wind and traffic that shorten the fatigue lifetime through repeated vibrations.

In response to the worldwide concern on new energy sources and the tremendous advances realized in the field of piezoelectric harvesters, this paper presents the series of shaking table tests performed on a new electricity-generating Tuned Mass Damper (TMD) called to as Tuned Mass Piezoelectric-Damper (TMPD), which intends to harvest electric power using the vibrational energy of the structure on which it is attached.

In order to demonstrate the feasibility of the proposed TMPD, the development process of a TMPD Prototype was presented with details on the solutions provided to allow further studies on the features optimizing the electricity-generating efficiency of the TMPD. A first series of test enabled to verify the adaptability of the TMPD Prototype to the requirements selected during the design.

Accordingly, a second TMPD prototype was designed to overcome the problems pointed out in the first series of test. In the second series of test, a jig was conceived to transform the horizontal motion of the shaking table into a vertical motion, and the TMPD was configured to deform indirectly the piezoelectric-composite elements in a cantilevered way without hitting them. The experimental results showed also the feasibility of the system but also a certain loss of electricity-generating efficiency due to the adopted configuration.

The experimental results confirm the applicability of the proposed TMPD and establish the potential feasibility of TMPD in energy harvesting from unused or wasted traffic-induced vibration in bridge structures.

제1장 연구개요
제1절 연구배경
제2절 연구의 목적 및 범위
1. 연구목표
2. 연구의 범위
제2장 동조질량감쇠기
제1절 동조질량감쇠기의 개요
제2절 동조질량감쇠기의 종류 및 현황
1. 복합능동질량감쇠기
2. 동조질량감쇠기
3. 동조액체질량감쇠기
제3장 압전 에너지 하베스팅
제1절 에너지 하베스팅
1. 에너지 하베스팅 개요
2. 에너지 하베스팅 현황
제2절 압전소자의 개요 및 현황
1. 압전효과의 원리
2. 압전소자 적용 현황
제4장 압전소자 내장형 동조질량감쇠기
제1절 Tuned Mass-Piezoelectric Damper의 개요
제2절 기존연구
1. TMPD의 구성
2. TMPD의 축소모델
3. TMPD의 축소모델 검토
제3절 압전소자
1. 제작 및 검토
2. 모의평가
3. 압전소자의 강성
4. 쇠구슬 타격을 통한 압전소자 특성 확인
제5장 TMPD 진동대 실험
제1절 TMPD 실물 시험체
1. TMPD 성능시험기 설계 및 제작
2. 수치해석을 통한 TMPD 성능시험기 모의평가
제2절 진동대 실험
1. 축 변환시스템
2. 사용 계측 장비
제3절 실험결과
1. 가동부 질량
2. 압전소자
3. 수치해석
제6장 결론
참고문헌
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