Real-time Hybrid Simulation System for the Aeroelastic Phenomena of the Bridge Deck

Abstract

장대 교량의 내풍 안정성을 평가하기 위한 방법으로 일반적으로 해석적/실험적 방법이 사용된다. 해석적 방법은 바람에 의한 힘을 정의하기 위해 Scanlan이 정의한 플러터 이론과 같은 가정을 사용하게 된다. 그러나, 가정으로 인한 부정확성과 문제점이 발견되고 있어 정확한 내풍안정성 평가를 위해 풍동 실험이 추천된다. 하지만, 풍동 실험 또한 진동 실험 당시의 힘을 동시에 측정하지 못하고 시스템의 동적 특성치를 정확하게 세팅하지 못하는 한계를 지니고 있다. 실시간 하이브리드 시스템은 기존의 풍동 실험이 가지고 있는 한계를 극복할 수 있는 방안을 제시한다. 풍동에 적용되는 제안하는 실시간 하이브리드 시스템은 수치 모델로 구성하기 힘든 바람에 의한 힘은 직접 실험을 통해 측정하고 나머지 부분은 수치적으로 구현하는 방식을 사용한다. 이렇게 함으로써 바람에 의해 발생하는 힘은 정확히 측정할 수 있으며 시스템의 동적 특성치 또한 정확하게 세팅할 수 있다. 실시간 하이브리드 시스템 장치를 직접 구성하기 전에 하이브리드 시스템 자체가 유효한지를 수치 시뮬레이션을 통해 검증하였다. 제2진도대교 단면을 활용하여 공탄성 해석과 수치 시뮬레이션을 통해 장치의 유효성을 검증하였다. 실제 실시간 하이브리드 시스템 장치는 네 개의 리니어 모터와 로드셀, 프레임 시스템과 구동 프로그램으로 구성된다. 극한 케이스 해석을 통해 리니어 모터, 로드셀의 용량을 결정하였다. 시스템 구동을 위한 프로그램은 수치 적분 프로그램, 시간지연 보상 프로그램, PID 컨트롤 프로그램을 합쳐서 구성하였다. 장치의 총 시간 지연은 34 ms으로 측정되었으며 adaptive compensation ap-proach를 사용하여 보정하였다. 실제 구성한 실시간 하이브리드 시스템 장치가 기존의 풍동 실험에서 사용하는 동적 특성치를 어디까지 구현할 수 있는지 확인하는 실험을 진행하였다. 질량, 감쇠, 고유 진동수 수치를 바꿔가며 실험을 진행하였다. 시스템의 시간 지연 정도가 34 ms로 크기 때문에 기존의 풍동에서 사용하던 동적 특성 범위를 모두 만족시키지는 못하지만 실험 가능한 범위 내에서 수치 해석 결과에 상응하는 움직임을 보이는 것을 확인하였다. 자유 진동, 주기 함수 힘 가진, 랜덤한 힘 가진 실험을 통해 풍동내에서의 교량데크의 일반적인 거동, 와류 진동, 버페팅 진동을 묘사하는 실험을 하였으며 이 또한 변위 결과가 수치 해석 결과와 다르지 않은 움직임을 보이는 것을 확인하였다. 따라서, 개발한 실시간 하이브리드 실험 장치가 확인한 범위내에서 2차원 풍동 실험을 잘 묘사할 수 있음을 확인하였다.

To overcome the technical challenges in numerical analysis over the responses of the wind-structure interactions, the dynamic response of long-span bridges subjected to wind loads has been primarily evaluated through appropriate wind tunnel tests. The wind tunnel tests, especially spring-supported tests, require calibration of springs, masses, and the damping properties of an experimental specimen. This calibration work requires considerable time and efforts. In fact, it is impossible to set up the experimental processes to precisely meet the target value. To solve this issue, the following approach is newly proposed in this dissertation. The hybrid simulation approach mainly applied to simulate the vibration issues for the earthquake events have certain advantages to assess the responses of the winds. In this hybrid simulation, noted as the Real-time Hybrid Simulation(RTHS) system, a numerical model and a physical specimen are tightly integrated. Then, a component that is difficult to be represented with a traditional numerical model is assessed experimentally, while the rest of the structural system is analyzed numerically. In this dissertation, designs and validation of experimental apparatus for the RTHS system to simulate wind tunnel tests are developed. The experimental apparatus, composed of four linear motors, is designed for the section model tests for a long-span bridge. Before developing the real RTHS system, it is necessary to verify the feasibility of the RTHS system. For this mission, using the numerical simulation method, the RTHS system is simulated. Then, the results are verified with the results of the traditional aeroelastic analysis. Results show a good agreement between two approaches. It leads to the conclusion that the RTHS system is a feasible option to assess the responses of the system by winds. The proposed RTHS system is composed of two features; one for the proper hardware development and the other for software applications. For a comprehensive design of the proposed system, the integration of the key hardware components such as a linear motor, a load cell, and a frame system is needed. To identify the proper capacity of the experimental apparatus, the numerical analyses are performed. In this study, the actual cross-sections from Mankyung Bridge and Old Tacoma Bridge are applied for the worst-case scenario analysis. In this extreme case study, the maximum values of the displacements and forces are used to set the capacity of the experimental apparatus. The results show that the maximum displacement in the vertical direction is 50 mm and the maximum load per each motor is 408 N. For the optimum control program, the numerical integration loop, the time-delay compensation loop, and the PID loop are systematically inter-linked. The central difference approximation method is applied for numerical integration. To avoid any potential numerical diverges, the time step for controls is set to be 5 ms through the experiments. The total time-delay of the proposed RTHS system is 34 ms. To reduce errors caused by time-delay, the adaptive compensation approach proposed by Chen(2009, 2010; 2012) is applied. To identify the available range of input parameter values in the proposed RTHS system, the series of test cases are performed with the different input values of the key parameters such as the mass, the damping ratio, and the natural frequency. The validity of the experiments is checked with realized damping, frequency, and the relative root mean square error(rRMSE) values with displacement values from the numerical studies. Finally, to assure the validity of the proposed RTHS system, the combi-nations of the analytical force simulations and experiments are performed. Three different test cases are proposed for this final validation. The sinusoidal and the white noise forces are numerically added in the control program as a virtual force to simulate the responses of the vortex-induced and buffeting vibrations respectively. Results indicate that there is good agreement between the analytical values from the numerical analysis and the actual measured values from the RTHS system. Results give additional credit to prove the validity of the proposed RTHS system for the wind tunnel tests.