KR0169706B1 - 면진지승 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 부틸고무, NBR등으로 이루어진 고감쇠 일래스토머(elastomer)를 에너지 흡수장치(이하 댐퍼라 한다.)로서 사용한 면진지승(免震支承:shakeproof bearing)에 관한것으로서 강성을 보유하는 경질판(1)과 압축영구 변형이 작은 고무상탄성판(2)을 교대로 적층한 지승체(13)의 주위에, 고감쇠 일래스토머(14)를 배설한 것을 특징으로 하는 면진지승과 강성을 보유하는 경질판(1)과 압축영구변형이 작은 고무상탄성판(2)을 교대로 적층한 지승체(13)의 주위에, 강성을 보유하는 경질판(18)과 판형상의 고감쇄 일래스토머(17)를 교대로 적층하여 고정부착한 적층체(14a)를 배설한 것을 특징으로 하는 면진지승으로 이루어져 있다.
Description
제1도는 본 발명의 면진지승의 한가지 실시예를 표시하는 단면도.
제2도는 제1도에 표시한 면진지승의 구체적인 제작예를 표시하는 단면도.
제3도는 고감쇠 일래스토머에 있어서 감쇠 계수를 설명하는 이력곡선을 표시하는 도면.
제4도는 적층화한 고감쇠 일래스토머를 사용한 본 발명의 면진지승의 구체적 제작예를 표시하는 단면도.
제5도는 고감쇠 일래스토머의 부착구조예를 표시하는 단면도.
제6도는 고감쇠 일래스토머를 지승체에 분할하여 부착하는 구조의 설명도.
제7도는 본 발명과 비교하기 위한 참고예로서, 고감쇠 일래스토머를 간격을 설치하여 내장한 면진지승을 표시하는 단면도.
제8도는 본 발명의 면진지승에 대하여 행한 내화시험을 설명하는 단면도.
제9도~제12도는 각각 종래의 면진지승과 다른 구조예를 표시하는 단면도.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 경질판 2 : 고무상 탄성판
13 : 지승체 14 : 일래스토머
14a : 고감쇠 일래스토머의 적층체
본 발명은 부틸고무, NBR등으로 이루어진 고감쇠 일래스토머(elastomer)를 에너지 흡수장치(이하 댐퍼라 한다.)로서 사용한 면진지승(免震支承:shakeproof bearing)에 관한 것이다.
건축물등의 상부구조물을, 그 기초등의 하부구조물에 수평 방향으로 요동이 자유롭게 지지하고, 지진의 입력가속도를 저감하여, 상부구조물을 지진의 파괴력으로부터 보호하는 면진지승으로서, 종래 다음과 같은 것이 알려져 있다.
제9도에 표시한 것은, 강판등의 경질판(1)과 압축영구 변형이 작은 고무상(狀) 탄성판(2)을 교대로 적층(積層)한 면진지승이다. 이 면진지승(3)은 면직방향탄성계수의 수평방향탄성계수에 대한 비가 극히 크기 때문에, 건축물을 상하방향으로 안정시킨 상태에서 수평방향으로 요동이 가능하도록 지지한다.
그리고 건축물의 고유진동주기를 지진의 최대진폭성분의 주기보다 길게 하여 지진시의 건출물의 가속도 응답을 저감할 수가 있다.
이 면진지승자체는, 면진동작시의 진동에너지 흡수능력이 거의 없으므로 에너지흡수용의 댐퍼(damper)를 별도로 부착할 필요가 있다.
그러나, 이 댐퍼 때문에, 장치전체가 점유하는 스페이스가 크게되고, 힘이 작용하는 점이 많아 설계가 복잡하게 되어, 부착코스트가 높아진다고 하는 문제가 생긴다.
또, 지금까지 주로 사용되어 왔던 강봉(鋼棒)댐퍼등의 소성댐퍼로는 사용에 의한 열화가 빨라 어느정도 사용하면 교환할 필요가 있다.
그래서, 댐퍼 일체형의 면진지승으로서, 제10도~제12도에 표시하는 것이 고안되었다.
제10도에 표시하는 것은, 제9도에서 설명한 면진지승(3)의 중앙에, 댐퍼로서 납플러그(4)를 넘어 에너지흡수 능력을 구비시킨 면진지승이다(일본 특공소 61-17984호).
그러나, 이 납플러그(4) 때문에, 변형후에 상부구조물이 원위치로 되돌아오기 어렵고, 초기강성(剛性)이 지나치게 높아 미진등을 상부구조물에 그대로 전달해 버린다라는 새로운 문제가 발생한다.
제11도에 표시하는 것은, 제9도에 설명한 면진지승(3)에 있어서, 고무상 탄성판에 진동에너지의 흡수 작용을 갖는 고감쇠 일래스토머(5)를 사용하여 납플러그(4)의 결점을 제거하고자한 면진지승이다(일본 특개소 62-83139호).
그러나, 이 면진지승(6)은, 고감쇠 일래스토머(5)가 상부구조물의 큰 면진하중을 직접지지하는 것으로 되므로, 크리프(creep)량이 크고 내부변형이 커져서 내구성(수명)이 나쁘다라는 문제가 있다.
제12도에 표시하는 면진지승(8)은, 고감소 일래스토머가 상부구조물의 큰 연직하중을 직접지지 하지 않도록 연구한 것이다.
이것은 제9도에 설명한 면진지승(3)의 중앙에 상하방향이 관통구멍을 설치하고, 이 관통구멍에 감쇠 일래스토머(7)를 넣어, 진동에너지의 흡수기능을 부여하고 있다(일본실개소 61-39705호).
상기한 제12도에 표시하는 면진지승(8)은, 강판등의 경질판(10)과 고무상 탄성판(2)의 적층부분만으로 연직하중을 지지하는 것처럼 보인다. 그러나, 실제로는 고감쇠 일래스토머(7)도 연직하중을 지지하는 결과로 되어있다.
이것에 대하여 설명한다.
연직방향으로 하중을 받을 경우, 고무상 탄성판(2)은 압축되고, 변형이 발생 하는것과 마찬가지로 내부의 고감쇠 일래스토머(7)로 압축되어 수평방향으로 팽출(膨出)한다.
이 주위는 경질판(1) 및 고무상탄성판(2)에 의하여 구속되어 있다. 이 때문에, 고감쇠 일래스토머(7)도 고무상탄성판(2)과 마찬가지로 연직하중을 지탱하는 것으로 된다.
따라서 내부에 크리프량이 큰 일래스토머를 사용하면 지승전체의 크리프 변형량도 증가한다.
고감쇠 일래스토머는 그것의 물성(物性)상, 크리트 변형의 발생이 크다.
따라서, 상기한 제12도에 표시하는 면진지승(8)의 크리프량은, 제11도에 표시하는 면진지승(8)과 비교하면 적지만 제9도에 표시하는 감쇠가 적은 일래스토머로 만들어진 면진지승(3)과 비교할 때 많은 것으로 되어있다.
이 때문에 크리프에 의한 내부변형으로 내구성을 나쁘게 하는 것으로 되어있다.
그래서, 본 발명은 고감쇠 일래스토머를 댐퍼로서 사용한 면진지승에 있어서 연직크리프변형이 작은 면진지승을 실현하는 것을 목적으로 한다.
본 발명이 제공하는 면진지승은, 강성을 보유하는 경질판과 압축 영구변형이 작은 고무상탄성판을 교대로 적층한 지승체의 주위에 고감쇠 일래스토머를 배설한 것을 특징으로 한다.
또 이 고감소 일래스토머는, 강성을 보유하는 경질판과 판상의 고감쇠 일래스토머를 교대로 적층하여 고정부착한 적층체로 할수도 있다.
본 발명의 면진지승에 있어서 고감쇠 일래스토머는 연직하중을 받는 지승체의 외주에 배치되어, 지진시의 외력에 의한 변형응력에 대하여 외측으로 자유롭게 팽출될 수가 있다.
이 때문에, 연직하중을 받지 않으며 크리프가 발생하지 않아, 수명이 길어진다.
고감쇠 일래스토머를 경질판을 끼운 적층체로 하면 고감쇠 일래스토머의 상하방향 움직임이 규제되고, 수평방향의 진동에 대한 단위체적당의 변형량이 증가한다.
이 때문에 적층하지 않은 경우와 비교하여 감쇠계수를 증가할 수가 있다.
[실시예]
본 발명의 면진지승(10)의 기본구조를 제1도에 표시한다.
이 면진지승(10)은, 천연고무등의 압축영구변형이 작은 고무상탄성판(11)과 강판등의 경질판(12)을 교대로 적층하여 기둥형상의 지승체(13)를 형성하고, 그 둘레를 고감쇠 일래스토머(14)로 둘러싸고 있다.
또, 이 고감쇠 일래스토머(14)와 지승체(13)와의 사이에는 간격을 설치할 필요는 없지만, 접착하지 않는 편이 좋다.
또, 압축영구변형이 작은 고무상 탄성판(11)의 감쇠능력이 높을때나 낮을때는 외부부착의 고감쇠 일래스토머(14)의 양과 성능을 변경하여 조절한다.
여기서, 천연고무등의 압축변형이 작은 고무상 탄성판(11)이란, 압축영구변형이 25%이하의 일래스토머를 말한다.
또 고감쇠 일래스토머(14)란 25℃, 0.5Hz, ±50%절단 변형시의 tanδ가 0.15-1.5로서, 그때의 절대 탄성계수 │
│가 2-21kgf/cm²인 것을 말한다.
이 절대탄성계수 │
│는 복수탄성계수의 절대치 │
│=
=G₁secδ이다.
단, G₁은 저장탄성계수로, 응력의 변형과 같은 위상(位相)의 진폭(τ0cosδ)을 변형진폭(γ0)으로 나눈 몫이고, G₂는 손실탄성계수로, 응력의 변형과 위상이 90°다른 성분의 진폭(τ0sinδ)을 변형진폭(γ0)으로 나눈 몫이다.
이 고감쇠 일래스토머는, 구체적으로는, 부틸고무, NBR등이 있고, 이외에도 NR, SBR, BR, 폴리노르보오넨(polynorbornene), 실리콘 고무, 불소고무, 클로로부틸고무, 클로로프렌 고무, 우레탄 일래스토머 또는 이들 혼합물(blend)등에 보강제나 충전제, 수지류, 유연제 등을 배합하여 얻은 감쇠성이 높은 일래스토머 배합물을 포함한다.
제1도에 표시하는 기본 구조의 구체적인 제작예를 제2도에 표시하여 설명한다.
제2도에 표시하는 면진지승(10a)은, 고무상 탄성판(11)으로서, 직경(R)이 600mmø로 4mm두께의 천연고무를 39장 사용하고, 각 천연고무사이에 끼워진 38장의 경질판(12)으로서 2mm두께의 강판을 사용하여 원주상의 지승체(13)를 형성하고 있다.
이 지승체(13)의 둘레에 동심으로 배치되는 고감쇠 일래스토머(14)는 내경이 620mmø, 외경이 880mmø의 원통형상의 것이다.
이 고감쇠 일래스토머(14)는 25℃, 0.5Hz, ±50% 전단변형시의 tanδ가 0.53이고, 그때의 절대탄성계수 │
│가 7kgf/cm²인 폴리노르보오넨을 사용하고 있다.
이들 지승체(13)와 고감쇠일래스토머(14)의 상하면에는 강도가 큰 플랜지(15)를 고정부착하고 있다.
이 제작예에 있어서 전단 변형시의 감쇠계수(h)를 측정한 바 0.12이라는 값을 얻을수가 있었다.
통상의 면진지승의 감쇠계수(h)는 0.1-0.15정도이면 좋으므로, 0.12는 충분한 값이다.
또 감쇠계수(h)는 진동등의 진동감쇠성능을 나타내는 값으로,
h=
로 표시된다.
단, △W는 진동 1주기 마다 소비하는 에너지, W는 입력된 탄성에너지이다.
이를 제3도에 표시하는 수평방향 변위와 그것의 반력(反力)이 그리는 이력 곡선(16)으로 설명하면, △W는 이력곡선(16)이 둘러싼 면적, W는 사선부분의 면적이다.
본 발명의 고감쇠 일래스토머(14)는 반드시 제1도 및 제2도에 표시한 바와 같은 단독물(單獨物)로 하지 않아도 좋다.
면진동작시의 진동에 의하여 수평방향으로 변형할 수 있는 상태로 고감쇠 일래스토머(14)가 지승체(13)의 주위에 배설되어 있으면 좋다. 예를 들어 이 고감쇠 일래스토머를 적층체로 하면 감쇠계수를 보다 크게 할수도 있다.
이 구체적 제작예를 제4도에 표시하여 설명한다.
제4도에 표시한 면진지승(10b)은, 제2도에 표시한 면진지승(10a)의 고감쇠 일래스토머(14)의 부분을 적층화한 것이고, 다른 부분은 제2도에 표시한 면진지승(10a)과 재질, 치수, 형상 모두 동일하다.
이 고감쇠 일래스토머의 적층체(14a)는, 7.8mm두께의 고감쇠 일래스토머판(17)을 20매 사용하고, 이들 사이에 경질판으로서 4mm두께의 강판(18)을 끼워, 고정부착해서 적층한 것이다.
이 적층체(14a)의 외경치수는 제2도에 표시하는 고감쇠 일래스토머(14)와 동일, 즉 내경 620mmø, 외경 880mmø의 원통형이다. 또, 고감쇠 일래스토머판(17)의 재질도 제2도에 표시한 고감쇠일 때 스토머(14)와 동일, 즉 25℃, 05Hz, ±50% 전단변형시의 tanS가 0.53으로 그때의 절대탄성계수가 7kgf/cm²인 폴리노르보오넨이다.
경질판(18)은 강판등을 사용하여도 좋지만 내화성능을 향상하므로 열전도율이 낮고, 불연 또는 난연성인 것을 사용하는 것이 바람직하다.
이 제작예에 있어서, 고감쇠 일래스토머의 적층체(14a)는 각층을 고정부착할 필요가 있다.
그러나 지승체(13)의 각층은 반드시 고정부착하지 않아도 좋다. 큰 연직하중을 받으면 각층이 고정부착상태로 되기 때문이다.
제4도에 표시하는 면진지승(10b)의 전단변형시의 감쇠계수를 측정한 바, 0.14라는 값을 얻었다.
이는 제2도에 표시한 면진지승(10a)보다 증가하고 있다.
상기한 고감쇠 일래스토머(14), 또는 적층체(14a)는 제5도에 표시하는 바와 같이, 예를 들어 이것의 상하면에 가황접착한 부착판(19)(19)등을 사용하여, 상하의 플랜지(15)에 고정하는 것이 바람직하다.
상부구조물과 하부구조물의 상대변위를 직접받은 쪽이 감쇠작용을 발휘하기 쉽기 때문이다.
또, 이 고감쇠 일래스토머(14) 또는 그것의 적층제)(14a)에는, 예를들어 제6도에 표시하는 바와 같이, 적어도, 1개소 이상의 절단부(20)를 설치하여도 좋다.
이분할구조에 의하여 이미 설치한 면진지승에도 후방부착이 가능하게 된다.
이 구조가 가능한 것은, 고감쇠 일래스토머(14) 또는 그것의 적층체(14a)를 외장하고 있으므로, 내부에 고강쇠 일래스토머를 배치한 경우와 달리, 나중에도 외경이 다른 고감쇠 일래스토머의 교환이 가능하다.
따라서, 면진기승의 감쇠성능을 나중에도 변경할 수가 있다.
또 적층부분의 제조도 고감쇠 일래스토머와 독립적으로 행할 수 있으므로 용이하다.
본 발명에 있어서 고감쇠 일래스토머(14) 또는 그것의 적층체(14a)를 지승체(13)의 외주에 배치한 것은 고감쇠 일래스토머에, 팽출의 허용공간을 부여하기 위한 방법이다.
이 방법을 종래예로서 제12표시한 면진지승(8)에도 적용하여, 제7도에 표시하는 바와 같이 지승체(8a)의 내경을 고감쇠 일래스토머(7)의 외경보다 크게하는 것이 고려될 수 있다.
그러나, 이와 같이 고감쇠 일래스토머(7)를 내장하는 경우, 고무상 탄성판과 경질판한 부분의 자유표면에 내측에도 생기기 때문에 지승체(8a)의 연직강성이 현저히 감소한다.
여기서, 필요한 연직강성을 얻기 위해서는, 적층한 지승체(8a)의 단면적을 증대시킬 필요가 있어, 면진지승의 외경치수가 지나치게 크게되어 실용적이지 못하게 된다.
또, 본 발명의 면진지승은, 지승체(13)의 주의에 고감쇠 일래스토머(14), 또는 그것의 적층체(14a)를 배설한 결과로서, 내화성능, 즉 화제시에 건물의 중량을 떠받치는 지승체를 화재로부터 보호하는 기능도 동시에 발휘하는 것으로 되었다.
특히, 통상의 단열제를 지승의 주위에 배설한 방식은 지진의 큰 흔들림을 받아서 단열재가 파손후에 화재가 발생하면 저승의 보호가 되지 않기 때문에, 실제로 내화성능을 보유하는 면진구조물을 제작할 수 없었다.
본 방식에서는 지친의 큰 흔들림을 받더라도 고감쇠 일래스토머는 파손되는 것이 아니므로, 지진후에 화재에 대응할 수가 있다.
또, 화재 종료후 본 고감쇠 일래스토머를 교환하여 지승에는 하등의 손상을 주는 일 없이 재사용 할 수 있다.
이 내화성능에 대하여 좀더 설명을 한다.
예를 들어 제8도에 표시하는 바와 같이, 면진지승(10)의 주위에 10mm의 간격을 설치하여 두께 60mm의 고감쇠 일래스토머(21)로 덮고, 상하에 세라믹파이버(ceramic fiber)제의 내화피복(22)을 배치하여 가열로(加熱爐)내에 넣어 행할 내화 시험에 있어서, 구조물의 내화성능에서 요구되는 3시간 내화 시험후의 성능에 변화하는 볼 수 없었다.
따라서, 부착하는 고감쇠 일래스토머의 두께는 40mm이상, 보다 바람직하게는 60mm이상이면 좋다.
제2도 및 제4도에 표시한 면진지승(10a)(10b)에 있어서 고감쇠 일래스토머(14) 또는 그것의 적층체(14a)의 두께와 130mm인 것과 같이, 실제로 제작되는 면진지승의 고감쇠 일래스토머의 두께는 상술한 값의 40-60mm보다 상당히 큰 것이 통상이므로, 특별한 배려를 하지 않아도 본 발명의 면진지승은 충분한 내화성능을 갖는 것으로 된다.
내화성능을 더욱 향상시키기 위해서는, 고감쇠 일래스토머에 실리콘고무, 불소고무, 클로로부틸등의 난연성 일래스토머를 사용하거나, 또 고감쇠 일래스토머에 산화안티온, 유기인산에스테르, 염소화파라핀, 무기염류등의 첨가형 난연제, 테트라-브로모-비스페놀A등의 반응형 난연제를 첨가한 것을 사용하여도 좋다.
또 이외에도 고감쇠 일래스토머 색물(色物) 배합을 사용하는 것에 의해 패숀성을 겸비한 지승으로 할 수도 있다.
본 발명에 의하면, 지승체와 댐퍼를 일체화 할 수 있고, 종래의 천연고무를 사용한 적층고무지승가 같은 정도의 크리프량으로, 또 감쇠능력이 큰 면진지승을 실현할 수 있다.
또, 댐퍼로서 지승체의 주위에 배치한 고감쇠 일래스토머는, 동시에 내화기능까지도 발휘하여 본 발명의 면진지승은 이러한 면에서도 신뢰성이 높은 것으로 되었다.
Claims (2)
- 강성을 보유하는 경질판(1)과 압축영구 변형이 작은 고무상탄성판(2)을 교대로 적층한 지승체(13)의 주위에, 고감쇠 일래스토머(14)를 배설한 것을 특징으로 하는 면진지승.
- 강성을 보유하는 경질판(1)과 압축영구변형이 작은 고무상탄성판(2)을 교대로 적층한 지승체(13)의 주위에, 강성을 보유하는 경질판(18)과 판형상의 고감쇠 일래스토머(17)를 교대로 적층하여 고정부착한 적층체(14a)를 배설한 것을 특징으로 하는 면진지승.
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