KR100327609B1 - 제진장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구조물 진동을 억제하는 제진장치에 있어서, 구조물에 고정되는 기대와, 편평한 형상으로 형성되어 상기 기대상에 이동가능하게 지지된 가동질량과, 상기 가동질량을 이동시키는 구동계와, 상기 구동계를 제어하는 제어계와, 상기 기대와 상기 가동질량과의 사이에 배치되고 상기 가동질량의 이동에 따라 감쇠력을 발생하는 댐퍼와,

상기 기대와 상기 가동질량과의 사이에 배치되고, 상기 가동질량과 함께 진동계를 형성하는 스프링을 구비하고, 상기 구동계는 상기 가동질량에 연결되고, 상기 가동질량의 이동방향에 따라 뻗어 있는 빔과, 상기 빔에 설치된 랙과, 상기 랙에 맞물리는 피니언과 상기 피니언을 회전시키는 모터로 구성되고, 상기 제어계는 진동을 검출하는 진동센서와,

상기 진동센서의 검출출력에 의거하여 상기 모터를 제어하는 제어기로 구성되고, 상기 모터 및 상기 피니언은 상기 가동질량의 이동범위밖에 있어서의 기대상에 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 제진장치에 관한 것이다.

Description

제진장치

(산업상의 이용 분야)

본 발명은 건물등의 구조물진동을 억제하는 제진장치에 관한 것이며, 보다상세하게는 가동질량을 운동시켜서 제전작용을 얻도록한 매스 댐퍼(mass damper)라 불리는 제진장치에 관한 것이다.

(종래의 기술)

지진이나 풍압력등의 외력에 의해 건물등의 구조물에 발생되는 진동을 억제하기 위하여, 가동질량의 운동을 이용하여 제진작용을 얻도록 한 매스 댐퍼라 불리는 제진장치가 알려져 있다. 매스 댐퍼는 일반적으로 건물의 최상부 부근에 설치되나 단, 초고층 건축물에서는 그 건물의 최상부에 설치되는 동시에, 다시 그 건물의 중간정도의 높이에도 설치되는 경우가 있다.

건물에 발생되는 진동의 주된 진동방향은 수평방향이기 때문에 매스 댐퍼의 가동질량은 수평방향으로 이동가능하게 지지되어 있다. 매스 댐퍼에는, 액티브 매스 댐퍼(active mass damper), 패시브 매스 댐퍼(passive mass damper), 그외에 하이브리드 매스 댐퍼(hybrid mass damper)등의 종류가 있다.

액티브 매스 댐퍼는 가동질량을 의도적으로 구동하여 운동시킴으로써 제진작용을 얻도록 한 매스 댐퍼이다. 액티브 매스 댐퍼는, 가동질량을 수평방향으로 이동시키는 구동계와, 구동계를 제어하는 제어계를 구비하고 있고, 가동질량을 건물에 대하여 상대적으로 적절하게 운동시킴으로써 지진등에 의한 건물의 진동을 억제하도록 하고 있다. 패시브 매스 댐퍼는 지진등에 의한 건물의 진동을 받아서 가동질량이 진동함으로써 제진작용이 얻어지도록 한 매스 댐퍼이다. 패시브 매스 댐퍼는 가동질량과 건물과의 사이에 끼워설치된 스프링과 감쇠장치를 구비하고 있고, 가동질량과 스프링 및 감쇠장치로 구성되는 진동계의 고유진동 주기와 감쇠비가 적절한 주기(건물의 1차 고유주기에 가까운 주기)와 적절한 감쇠비로 설정되어 있다.

패시브 매스 댐퍼에서는 가동질량이 건물의 진동을 받아서 진동할 경우에 가동질량의 변위에 따른 크기의 힘이 스프링을 통하여 건물에 작용하고 또, 가동질량의 속도에 따른 크기의 힘이 감쇠장치를 통하여 건물에 작용하며, 그것들에 의해 건물의 진동이 억제된다.

하이브리드 매스 댐퍼는, 액티브 매스 댐퍼와 패시브 매스 댐퍼의 양쪽 특성을 겸비한 매스 댐퍼이다.

하이브리드 매스 댐퍼는, 패시브 매스 댐퍼에 구동계와 제어계를 부가한 것으로 생각할 수도 있으며, 또, 액티브 매스 댐퍼에 스프링과 필요에 따라 댐퍼를 부가한 것으로 생각할 수도 있다.

그 때문에, 하이브리드 매스 댐퍼의 작용은 패시브 매스 댐퍼의 작용을 구동계에 의해 보조, 수정 내지 강화하여, 보다 효과적인 제진작용이 얻어지도록 한 것이라고 말할 수 있으며, 또는 액티브 패스 댐퍼에 패시브 매스 댐퍼의 작용을 부가함으로써, 구동계의 동력원 부하를 경감하도록 한 것이라고 말할 수도 있다. 하이브리드 매스 댐퍼중에는 그 구동계의 기능이 정지된 경우에는, 패시브 매스 댐퍼로서 기능할 수 있도록 설계된 것도 있다.

따라서, 액티브 매스 댐퍼 내지 하이브리드 매스 댐퍼에는 가동질량을 구동하기 위한 구동계가 가동질량과 건물사이에 설치되어 구비되어 있다.

종래의 이 종류의 구동계의 예로는 특공평 5-56414호에 개시되어 있는 액티브 매스댐퍼에 구비되어 있는 것과 같이 가동질량의 내측공간에 모터와 기어기구를설치한 구성의 구동계가 알려져 있다.

(발명이 해결하고자 하는 과제)

그러나, 이와같은 종래의 매스 댐퍼용 구동계는 모터 내지 기어기구의 점검이나 교환, 조정등을 비롯한 정기 내지 임시의 보수작업의 작업성이 나쁘다고 하는 결점이 있고, 또, 제진장치의 높이가 상당히 커지기 때문에 제진장치를 건물의 옥내에 설치한 경우에는 전체 1층분의 플로어가 그 제진장치에 점령되어 버리는 결점이 있었다.

본 발명은 상기 사정을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 모터 등의 구동계의 보수작업을 용이하게 행할 수 있고, 또한 높이를 낮게 할 수 있어 옥내에 설치할 경우에 유리한 제진장치를 제공함에 있다.

(실시예)

이하, 본 발명의 실시예를 첨부도면에 따라 설명한다.

제 1도는 본 발명에 관한 제진장치의 평면도, 제 2도는 동 정면도를 나타낸다. 도시한 제진장치(1)는 구조물에 고정되는 기대(3)와, 기대(3) 상에 이동가능하게 설치된 가동질량(5)과, 가동질량(5)을 구동하는 구동계(7)와, 구동계(7)를 제어하는 제어계(9)와, 기대(3)와 가동질량(5)의 사이에 설치된 복수개의 코일스프링(11)과, 기대(3)와 가동질량(5)의 사이에 설치된 오일댐퍼(13) 등을 구비하고 있다.

기대(3)는 빔을 종횡으로 조합한, 평면에서 보아 장방형의 프레임으로 형성되어 있으며, 기대(3)의 장방형의 도면중 좌측의 짧은 변(3A)을 따른 수평 빔과,도면중 우측의 짧은 변(3B)에서 약간 내측으로 들어온 위치에 있는 수평 빔에 각각 복수의 스프링 걸림부재(15)를 줄지어 설치하고 있으며, 또, 기대(3)의 장방형 양측의 긴변(3C)을 따라 한쌍의 가이드레일(17)이 부착되어 있다.

가동질량(5)은 편평한 직방체 형상으로 형성되어 있으며, 그 직방체의 긴변(5C)의 방향이 기대(3)가 장방형의 짧은 변(3A,3B)에 대하여 평행이 되게 하여 상기 스프링 걸림부재(15,15)를 구비한 2개의 수평빔 사이에 설치되어 있다.

가동질량(5)은 실시예에서는 강제로서, 그 질량이 2톤으로 설정되어 있다.

가동질량(5)은 그 하면 4개의 모서리에 장착된 베어링(19)이 상기 가이드레일(17)에 걸어 맞춤하여 이 가이드레일(17)위를 직선 이동할 수 있도록 설치되어 있다.

이들 베어링(19)이나 가이드레일(17)에 의해 기대(3) 상에 있어서 가동질량(5)을 이동가능하게 지지하는 지지계(20)가 구성되고, 이 지지계(20)는 가동질량(5)을 그 중립위치로 부터의 가동범위가 ±30cm가 되도록 지지하고 있다.

가동질량(5)의 긴변(5C)방향의 중앙부에는 짧은 변(5A)에 평행으로 뻗어있는 가늘고 긴 오목부(501)가 형성되어 있으며, 이 오목부(501)를 제외한 가동질량(5)의 상면에는 가동질량(5)의 짧은 변(5A)방향의 중앙부를 뻗게하여 상기 스프링 걸림부재(15)에 대향하는 스프링 걸림부재(21)가 세워져 설치되어 있다.

가동질량(5)의 긴변(5C)방향의 중앙부에서 구동계(7) 측에 면하는 측면에 이음매(23)를 통하여 빔(25)이 연결되어 있다.

이 빔(25)은 가동질량(5)의 이동방향으로 뻗어 있으며, 기대(3)에 장착된 베어링(27)을 통하여 길이방향으로 이동가능하게 기대(3)에 지지되어 있으며, 빔(25)의 선단부는 스프링 걸림부재(15)로부터 돌출하여 구동계(7) 측에 면하고, 빔(25)상면에는 랙(29)이 장착되어 있다.

상기 복수개의 코일스프링(11)은 가동질량(5)에 고정된 상기 스프링 걸림부재(21)와, 기대(3)에 고정된 상기 스프링 걸림부재(15) 사이에 각각 설치되어 있다. 실시예에서는 그들 코일스프링(11)의 개수는 20개이고, 스프링 걸림부재(21) 양측에 10개씩 설치되어 있다.

그들 코일스프링(11)은 기대(3)의 긴변(3C)에 대하여 평행하게 뻗어 있고, 기대(3)의 짧은 변(3A,3B)의 방향으로 서로 사이에 간격을 두고 설치되어 있다.

실시예에서는 레벨 2의 지진이 발생한 경우의 가동질량(5)의 이동범위가 ±30cm가 되도록, 그들 20개의 코일스프링(11)의 모두를 합친 전체로서의 스프링 정수가 117kgf/cm로 설정되어 있다. 또, 가동질량이 ±30cm 이동했을 때에도 그에 따라 인장되어 늘어난 코일스프링(11)이 잔류변형을 발생하지 않고 복원 가능하도록, 그들 코일스프링(11)이 잔류변형을 발생하지 않고 복원할 수 있는 가능 최대 인장휨량이 가동질량(5)의 최대 이동 진폭(가동질량(5)의 이동 범위가 ±30cm이면, 가동질량(5)의 최대 이동 진폭은 60cm임)을 초과하는 크기로 설정되어 있다.

또한, 코일스프링(11)의 초기 인장휨량(가동질량(5)이 중립위치에 있을 때의 코일스프링(11)의 길이와 그들 코일스프링(11)의 자유길이와의 차이)이 가동질량(5)의 중립위치로부터의 최대이동량 (가동질량(5)의 이동범위가 ±30cm 이면 가동질량(5)의 중립위치로부터의 최대 이동량을 30cm임) 보다 크게 설정되어 있음에 따라 가동질량(5)이 ±30cm이동한 때에도 그에 따라 수축된 코일스프링(11)이 느슨해지는 일이 없도록 되어 있다.

그리고, 가동질량(5)의 질량이 기술한 바와같이 2톤으로 설정되어 있기 때문에 가동질량(5)과 코일스프링(11)으로 구성되는 진동계의 고유진동주기는 0.829초로 되어 있다.

상기 오일댐퍼(13)는 실린더본체(1301)와 이 실린더본체(1301)에 수용된 피스톤과, 이 피스톤에 연결된 피스톤로드(1303)에 의해 구성되고, 상기 실린더본체(1301)는 상기 가동질량(5) 상면의 오목부(501)에 장착되고, 상기 피스톤로드(1303)는 그 실린더본체(1301)의 양측으로부터 돌출하고 한쪽의 단부는 기대(3)측에 연결되어 있다.

실시예에서는 오일댐퍼(13)로서 속도제곱형이고, 최대속도가 170cm/s, 최대감쇠력이 2.85 톤중(ton f)의 것이 사용되고 있다.

상기 구동계(7)는 기대(3)의 다른 한쪽의 짧은 변(3B)과, 이 짧은변(3B)가까운 스프링 걸림부재(15)와의 사이에 배치되어 있다.

상기 구동계(7)는, AC 서보모터(31)와, 이 모터(31)의 동력을 받아 그 회전속도를 감속하는 감속기(33)와, 감속기(33)의 출력의 전달, 차단을 행하는 클러치(35)에 의해 구성되고, 클러치(35)의 출력축에는 피니언(37)이 장착되고, 이 피니언(37)은 상기 랙(29)에 맞물려 있다.

상기 제어계(9)는 건물등의 구조물 진동을 검출하는 진동센서(901)와, 상기 진동센서(901)의 검출출력에 의거하여 상기 모터(31)의 회전속도를 적절히 제어하는 제어기(903) 등으로 구성되어 있다. 이들 진동센서(901) 및 제어기(903)에는 종래 공지의 액티브 매스 댐퍼나 하이브리드 매스 댐퍼에 사용되고 있는 것을 이용할 수 있다.

상기 구성으로 이루어진 제진장치(1)는 지진입력( 즉, 지진에 의한 진동의 가속도)이 3cm/s 를 초과하면 액티브로 동작시키도록 설정되어 있으며 진동센서(901)로 부터의 검출출력에 의거하여 제어기(903)에 의해 모터(31)가 제어되고, 감속기(33), 클러치(35), 피니언(37), 랙(29), 빔(25)을 통하여 가동질량(5)이 이동되고, 가동질량(5)을 기대(3)에 대하여 상대적으로 적절히 운동시킴으로써 제진효과가 나타난다.

이때, 가동질량(5)은 가동질량(5)과 스프링(11)으로 이루어진 진동계의 고유진동주기로 진동하려 하지만 그 진동을 구동계(7)에 의해 보조, 보정 내지 강화함으로써 효과적인 제진작용이 얻어진다.

본 실시예에 의하면 기대(3) 상에 있어서, 가동질량(5)과 구동계(7)가 평면적으로 병렬되어 제진장치(1)가 구성되어 있기 때문에 모터(31)나 감속기(33), 클러치(35), 피니언(37), 랙(29)등의 구동계(7)의 점검이나 교환, 조정등을 비롯한 보수 작업을 간단하게 행하기가 가능해지고, 또한, 제진장치(1)의 높이를 낮게 억제할 수 있어, 제진장치(1)를 옥내에 설치할 경우에 유리해진다.

또, 실시예에서는 클러치(35)를 포함시켜서 구동계(7)를 구성했기 때문에 만일, 구동계(9)가 고정날 경우에는 클러치(35)를 단절함으로써 이 제진장치(1)를 패시브 매스댐퍼로서 기능시킬 수 있다.

또, 실시예에서는 편평한 가동질량(5) 상에 있어서 오일댐퍼(13)와 코일스프링(11)을 평면적으로 병렬시켰기 때문에 제진장치(1)의 높이를 낮게 억제하는데 있어 한층 유리해진다.

제 1도는 본 발명에 관한 제진장치의 평면도,

제 2도는 본 발명에 관한 제진장치의 정면도.

"도면의 주요부분에 대한 부호의 설명"

1: 제진장치 3: 기대

5: 가동질량 7: 구동계

9: 제어계 11: 코일스프링

13: 오일댐퍼 25: 빔

29: 랙 31: 모터

33: 감속기 35: 클러치

37: 피니얼 901: 진동센서

903: 제어기

이상의 설명에 의해 분명한 바와같이 본 발명에 의하면 모터등의 구동계의 보수 작업을 용이하게 행할 수 있고, 또한 높이를 낮게할 수 있어 옥내에 설치할 경우에 유리한 제진장치를 얻을 수 있다.

Claims (4)

1. 구조물 진동을 억제하는 제진장치에 있어서,

   구조물에 고정되는 기대와,

   편평한 형상으로 형성되어 상기 기대상에 이동가능하게 지지된 가동질량과,

   상기 가동질량을 이동시키는 구동계와,

   상기 구동계를 제어하는 제어계와,

   상기 기대와 상기 가동질량과의 사이에 배치되고 상기 가동질량의 이동에 따라 감쇠력을 발생하는 댐퍼와,

   상기 기대와 상기 가동질량과의 사이에 배치되고, 상기 가동질량과 함께 진동계를 형성하는 스프링을 구비하고,

   상기 구동계는 상기 가동질량에 연결되고, 상기 가동질량의 이동방향을 따라 뻗어 있는 빔과, 상기 빔에 설치된 랙과, 상기 랙에 맞물리는 피니언과, 상기 피니언을 회전시키는 모터로 구성되고,

   상기 제어계는 진동을 검출하는 진동센서와, 상기 진동센서의 검출출력에 의거하여 상기 모터를 제어하는 제어기로 구성되고,

   상기 모터 및 상기 피니언은 상기 가동질량의 이동범위밖에 있어서의 기대상에 배치 되어 있는 것을 특징으로 하는 제진장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 구동계는 상기 모터와 상기 피니언과의 사이에, 상기기대상에 평면적으로 병렬하여 설치된 감속기 및 클러치를 포함하여 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 제진장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 댐퍼는 오일댐퍼이고, 그 실린더본체가 상기 가동질량의 상면에서 그 가동질량의 이동방향과 평행한 방향으로 장착되어 있는것을 특징으로 하는 제진장치.
4. 제 3항에 있어서, 상기 스프링은 상기 가동질량의 이동방향과 직교하는 방향으로 서로 간에 간격을 두고 병설된 복수의 코일스프링으로 구성되고, 상기 복수의 코일스프링은 그 초기 인장휨량이 상기 가동질량의 중립위치로부터의 최대 이동량을 초과하는 크기로 설정되고 동시에 잔류변형을 발생하지 않고 복원할 수 있는 가능 최대 인장휨량이 상기 가동질량의 최대 이동 진폭을 초과하는 크기로 설정되어 있는 것을 특징으로 하는 제진장치.