KR100402870B1 - 조합형 지진격리장치 - Google Patents

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    • F16F15/04—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using elastic means

Abstract

본 발명은 교량이나 저층 및 고층건물에서 상부구조물과 지반 또는 교각 사이에 설치되어 지반으로부터 상부구조물로 전달되는 지진 에너지를 완충하여 전달함으로써 지진에 대한 구조물의 안전성을 높일 수 있도록 해주는 조합형 지진격리장치에 관한 것으로, 하부 구조물에 고정되는 하판, 상부 구조물에 고정되는 상판, 하판과 상판 사이에 설치되어 상부 구조물의 수직하중을 지지하고, 하판과 상판 상호간의 수평이동을 허용하는 수직하중지지수단 및 하판과 상판을 탄성적으로 연결하여 하판과 상판 상호간에 발생된 수평이동의 복원력을 제공하는 복원수단을 포함하는 구성으로 이루어져 있고, 상황에 따라 다양한 조건으로 설계할 수 있도록 해주며, 그 제조에 소요되는 시간과 인력을 획기적으로 줄일 수 있고, 상황에 따라 면진, 내진 기능을 수행한다.

Description

조합형 지진격리장치{earthquake insulating composite bearing }
본 발명은 면진장치의 일종인 조합형 지진격리장치에 관한 것으로, 특히 교량이나 저층 및 고층건물에서 상부구조물과 지반 또는 교각 사이에 설치되어 지반으로부터 상부구조물로 전달되는 지진 에너지를 완충하여 전달함으로써 지진에 대한 구조물의 안전성을 높일 수 있도록 해주는 조합형 지진격리장치에 관한 것이다.
일반적으로 면진고무는 탄성고무와 강(Steel)을 교대로 다층으로 결합하거나 이러한 다층구조로 결합된 것에 납을 삽입한 구조를 하고 있다. 이러한 고무-강의 적층형 면진장치는 구조물과 지반 사이에 설치되어 수평 방향의 지진에 대해서는 탁월한 면진성능을 제공할 수 있으나 수직방향으로 강성의 변화로 인한 상부구조물에 공명현상이 발생하여 구조물의 파괴가 야기될수 있다.
최근 세계적으로 지진의 발생빈도가 증가함에 따라 건물이나 교량 등의 붕괴로 인한 경제적인 손실 외에 가장 중요한 인명피해가 막대하게 증가되어 이를 보완할 대책이 필수적으로 대두되게 되었다. 이를 보완할 내진설계에는 지진에 의한수평 전단력으로부터 전단 탄성적으로 지지하는 구조물이 견디도록 하는 내진설계 방법과 지진의 단 주파수를 장 주파수로 변환시켜 지진응답을 감소시키는 면진설계 방법이 있다.
수평관성력을 탄성적으로 지지하는 내진 방법에는 지진력에 저항하기 위한 건축 부재단면의 증가로 과도한 지진 하중이 유발되며, 이로 인한 부재단면의 과도한 설계에 의한 구조물의 고유주기가 0.4초이하가 되어 지진응답의 증폭효과를 수반할 수도 있다.
한편, 면진설계 방법은 기초 또는 지반의 운동을 구조물과 분리시킴으로써 피해를 경감시켜 상부구조물을 안전하게 제어 가능토록 하며, 구조물의 안전성을 증가시키기 위한 강성기능과, 구조물에 충분한 연성을 제공하여 에너지를 분산시키는 분산기능 및 응답 변위를 감소시키는 변위 제어기능을 가지고 있어 가장 효과적으로 건물을 보호하고, 인명을 지켜준다.
상기의 면진설계에 이용되는 조합형 지진격리장치는 특별한 안전도가 요구되는 대형교량, 건축물, 특수구조물 등을 설계·시공할 때 지진, 차량하중, 풍하중 등과 같이 진동을 유발하는 외력에 대하여 엄격한 면진대책이 요구되고 있다.
기존의 면진장치인 면진고무(고감쇠면진장치, LRB, 천연고무계 면진고무)는 철판과 고무를 교대로 적층 시켜 수직지지기능과 신축기능을 동시에 수행하도록 되어 있다.
종래의 면진고무의 시스템적인 측면에서 보면 수직하중을 지지하는 상태에서 전단변형이 발생하기 때문에 수직지지기능과 수평저항기능이 상호의존성에 의하여작동하기 때문에 예상하지 못한 성능을 발휘할 뿐만 아니라, 교량의 경우 건조수축 및 온도변화에 따라 교량상판이 수축, 팽창하면 교량상판을 지지하고 있는 면진고무가 교량상판의 거동에 따라 반응하므로 수평변위가 발생한다. 이때 수직지지기능과 수평저항기능이 일체화된 면진고무는 변위가 발생함에 따라 상대적으로 면진고무의 높이가 낮아지는 특성을 지녔으므로 지진시의 구조물의 수평변위 변화에 따라 면진고무의 수직방향으로의 수직스프링정수가 변하여 구조물은 흔들리게 되므로, 즉 면진고무와 같이 일체화된 구조로 제작되는 면진장치는 그 특성이 수직주파수와 수평주파수와의 상호의존적인 비례관계가 있으므로 형상계수와의 상관관계가 아래 1식과 같이 정의되어 있어 면진장치를 설계할 경우 반드시 아래 사항들이 고려되어야만 한다.
S = D / (4t) 또는 a×b / (2t(a+b)) ------ 형상계수
Tv----- 수직주기
Th----- 수평주기
KV----- 수평주파수
g ----- 중력가속도
W ---- 상부구조물의 중량
수직방향의 스프링 정수 Kv= E×A / Te- (식 1-1)
E = (3+4.935S2)×G
A =A0와 Ar
Te: 순고무의 총두께
G : 전단탄성계수
S는 형상계수
전단변형이 발생하지 않을 때(평시)의 단면적 (A0) = πD2/4
전단변형이 발생할 때의 단면적(Ar) = D2(θ×π/180 - sinθ)/4
여기서 θ = 2cos-1(Δℓ/D)
일반적으로 A > 3Ar이므로, 온도 및 콘크리트의 건조 수축에 의한 구조물의 변형이 면진고무의 전단변형을 유발시킬 때 일반적으로 수직구조물을 지지하는 면진고무의 단면적은 A에서 A/3까지 변하여 면진고무가 지지할 수 있는 단면적이 매우 작아짐에 따라 A와 비례적인 인자 Kv는 상당한 영향을 받아 1/3로 그 고유치가 적어짐을 알 수 있다. 이러한 이유로 인하여 (식 1)에서와 같이 전단변형의 구간마다 수직스프링정수가 변한다는 것을 알 수 있다.
이것은 면진고무가 안정적인 거동을 위해서는 실제 설계크기가 매우 커져야 함을 나타내며 상기와 같은 수직방향과 수평방향의 의존성을 줄이기 위해 제품 단면적을 증가시킬 경우 아래 (식 2)에 따라서, 과대한 전단응력을 유발시켜 상부구조물에 힘을 전달시키는 결과를 초래하며, 면진고무의 가장 큰 특징인 장주기화가 아닌 지진주파수와 비슷한 단주파수로 작용하여 지진에너지가 면진고무를 통하여 구조물로 전달되었을 때 지진에너지가 증폭된다는 것을 보여준다.
F =G×A - (식 2)
F = Cs×W - (식 3)
여기서, Cs= AeSI/TB (⇒ 동일한 힘이 작용할 경우 T가 적어진다. )
A : 제품단면적
W : 면진시스템의 상부하중
F : 지진시 발생하는 전단력
Ae: 지반최대가속도 계수
또한 가장 큰 문제는 이러한 수직지지기능과 수평저항기능이 일체화된 면진고무는 수직지지기능과 수평저항기능이 상호의존적으로 비례하여 증감하므로 상호 설계 요구치를 분리하여 설계가 거의 불가능할 뿐만 아니라 설령 분리하여 설계한다 할지라도 지진에 대한 안전성을 충족하기 위해서는 다른 설계치들의 조합이 필요하다. 가령 예를 들면 제품의 단면적을 변화시키거나 단순히 제품에 사용되는 고무의 경도를 변화시켜도 이 또한 수직지지기능과 수평저항기능을 분리하여 조합할 수 없으므로 각각 다른 형태로 존재하는 구조물이 다양한 지진에너지를 원활히 모두 수행하기 힘들다는 것을 보여준다.
생산적인 측면에서 고려해보면, 상기에서 언급한 것과 같이 제품의 전단 변형된 상태에서 상부구조물의 하중을 지지할 수 있도록 면진고무를 설계하여야 하므로 제품이 필요 이상으로 커진다. 이 때문에 면진고무를 제작하기 위한 설비와 제작 금형이 대형화될 뿐만 아니라 구조물의 형태 및 하중에 따라 다르게 적용해야되는 면진장치임을 감안할 때 면진고무는 각 구조물에 적용하기 위하여 설계할 때마다 규격별로 1금형에서 1제품을 제작하여야 하며, 이 제품을 만들기 위한 초대형 프레스가 필요하며, 또한 규격별 그리고 비 규격 사양까지 수십에서 수백 개의 금형이 요구된다. 그러므로 설비투자비가 많이 소요된다.
제작공정의 측면에서 보면, 다량의 내부 보강철판과 엔드플레이트가 소요되는 기존의 시스템에서 보강철판을 준비하는 과정은 먼저 철판을 제품의 설계 규격 크기로 절단하고, 샌드블라스트 처리, 약품처리를 거쳐 접착 처리를 위한 프라이마 도포, 건조, 접착제 도포 등의 복잡한 공정은 공통적으로 소요되지만, 보강철판이 다량 및 대형화되어 처리비용이 과다하며, 또한 제품을 성형하기 위하여 고무를 제품의 설계규격대로 재단하여야 한다. 이렇게 모든 원재료를 준비한 후 고무와 철판을 교대로 적층하여 금형에 성형물을 삽입한 후 증기압을 이용한 유압프레스를 사용하여 장시간 가황시켜야 한다. 예를 들어 직경이 Φ600mm의 면진고무의 경우 철판과 고무를 교대로 적층시켜 가황이라는 공정을 통하여 제품을 생산할 때 고무의 열전도율이 극히 낮은 점을 주시하면 최소 안정적이고 표준화된 물성을 가지는 제품을 생산하려면 고온, 고압의 상태에서 12에서 24시간의 가황시간이 요구되어 진다. 제품 하나를 제작하는데 전후처리 공정을 제외하고 단순히 가황공정에서만 12에서 24시간 요구되므로 생산원가 대비 제품 제조원가가 매우 높기 때문에 따라서 올바른 제품을 제조하기 위해서는 생산단가가 매우 비싸다.
내구성 측면에서 보면, 면진고무에서 고무가 차지하는 부피 및 단면적이 매우 클 뿐만 아니라 제품의 사용상 안전성을 고려하여 본다면 제품이 필요이상으로 대형화되므로 제품 제작시 필요한 고온과 고압에 의하여 제품의 내구성에 치명적인 제품의 표면과 제품의 내부가 서로 다른 특성을 가질 뿐만 아니라 한번 설치되면 구조물의 수명과 동일한 내구성을 가져야 할 면진고무이지만, 면진고무 자체의 큰 부피로 인하여 제품 제작시 발생된 표면의 노화 때문에 면진고무의 안정적인 사용을 보장하기 어렵게 한다.
이것은 고무로 제작되는 면진고무에 있어서 큰 취약성이며, 예를 들면 직경이 Φ600mm인 탄성체인 고무로 제작되는 면진고무의 제작시간 중 가황시간이 12시간에서 24시간 정도의 장시간 소요되어 만들어지기 때문에, 제품의 외측면은 너무 많은 고열 고압을 받아 고무와 고무분자 사이의 결합력을 약화시키며, 면진고무 중심내부는 온도의 전달속도가 느려 고무와 고무의 가장 좋은 연결조건에 미치지 못하여 재료의 물리적 성능이 저하되어 고무의 성능뿐만 아니라 고무와 철판사이의 접착력이 저하되는 등 내구성이 매우 저하된다. Φ600mm의 직경의 면진고무를 제작하기 위한 가황공정에서는 최소 12 시간 이상 제품에 가황해야하며 또한 150℃의 고온과 면진고무제품에 100∼250kgf/㎠의 고압이 가해져야 한다. 시험 결과로 볼때 면진고무의 외측면은 가황 후 10분 이내에 150℃이지만 제품내부는 24℃였다. 고온과 고압으로 면진고무를 12시간 가황하였을 때 외측면은 150℃이며 제품내부는 120℃였다. 일반적으로 고무분자와 고무분자를 연결하여 제품의 형상을 갖추고 탄성을 부여하는 가황공정에서는 고무에 150℃의 온도와 일정한 고압이 필요하다. 하지만 12시간 경과 후 제품을 금형에서 채취하였을 때도 제품 내부의 온도는 적정 가황온도인 150℃에 도달하지 못하였으며 이러한 장시간 가황으로 제품의 측면은 이미 노화가 진행되어, 초기 고무분자들이 열과 고압으로 연결된 분자고리들이 파괴되어 고무의 탄성적인 기능을 거의 잃어 버려 면진고무로 사용시 기능을 상실하는 경우가 발생할 수 있다. 비교하자면 KS M 6518에 따라 고무 노화시험을 진행하는 경우 천연 고무는 매우 낮은 대기압으로 70℃에서 진행하여 168시간 노화시켜 고무의 기능을 시험한다. 하지만 만약 100℃에서 72시간 시험할 경우 고무의 노화 속도가 매우 급속히 진행되므로 100℃에서는 진행되는 노화시험은 합성고무만 72시간 노화시험이 가능하며 120℃에서 노화시험을 진행하는 경우는 거의 없다. 이러한 경우를 참고하면 150℃에서 100∼250kgf/㎠의 고압으로 가황 할 경우 제품 표면고무는 1시간정도 지나면 온도와 압력의 상관관계로 분석해 보면 노화가 이미 진행중임을 알 수 있다.
또한 고감쇠 면진고무는 고무 자체에 감쇠성능을 부여하여 지진에너지를 흡수하는 원리로서 고무자체가 점성의 성질을 다량 함유하고 있다.
즉 tanδ = 점성/탄성이므로 β(감쇠성능)∝tanδ의 관계가 존재하므로 점성의 성질 때문에 오랜 시간에 의한 크리이프(CREEP) 처짐량이 커져 내구성이 떨어진다. 반면 납삽입 면진고무(LRB)는 고무와 철판과의 접착되어있는 고무의 탄성력으로 인하여 구조물이 원래 위치로 복원이 이루어지며, 지진시 발생되는 지진에너지는 납의 소성변형에 의하여 흡수되는 구조이다. 이 구조에서 고무가 매우 높은 탄성적인 특성을 지녀야 하지만, 장시간 가황으로 인하여 납삽입 면진고무(LRB)에서 필요한 고무의 탄성기능이 매우 낮아져 납의 소성과 고무의 노화에 따른 탄성력 저하 및 면진고무 소성의 증대로 인하여 교량이나 건물이 완전 복원되지 않고 영구 전단변형이 발생한 상태로 유지되는 단점이 있을 뿐만 아니라 교량 등의 압축반복에 의해 납이 압축되면서 고무와 철판사이로 납이 파고 들어가 제품을 파괴하는 단점을 가지고 있다.
본 발명의 목적은 기존 면진장치인 면진고무의 가장 큰 단점을 수직기능과 수평기능이 상호 작용하지 않고 각 기능마다 독립적인 특성을 부여하여 각 기능들을 독립적으로 분리, 조합하여 설계할 수 있도록 해주는 특이한 구조로써 용이하게 그리고 현실의 실정에 맞추어 극복할 수 있도록 해주어 제품의 제작단가를 낮출 수 있고 제품생산시간을 단축할 수 있도록 해주며, 일반적인 면진고무에서 수직하중지지기능과 수평하중에 대한 저항기능의 일체성에 따라 발생되는 중소지진에서의 면진기능 저하에 대한 문제점을 수직하중지지기능과 수평하중에 대한 저항기능을 분리시켜 중소지진뿐 아니라 대지진에서도 그 면진기능을 원활히 수행할 수 있는 조합형 지진격리장치를 제공하는 데 있다.
도 1은 본 발명에 따른 조합형 지진격리장치의 일 예를 나타낸 사시도이고,
도 2는 도 1 조합형 지진격리장치의 분리 사시도이고,
도 3은 도 1 조합형 지진격리장치의 단면도,
도 4는 본 발명에 따른 조합형 지진격리장치의 다른 예를 나타낸 단면도,
도 5는 도 4 조합형 지진격리장치의 변형 예를 나타낸 단면도,
도 6은 제 2마찰판의 변형 예를 나타낸 도면,
도 7a∼도 7e는 하판과 상판 사이에 설치되는 복원수단의 예를 나타낸 도면,
도 8은 도 3면진장치의 변형 예를 나타낸 단면도이고,
도 9는 도 8 면진장치의 사시도이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 *
100 : 조합형 지진격리장치 110 : 하판
112, 122 : 기초볼트 120 : 상판
124 : 안내홈 130 : 수직하중지지수단
132 : 완충고무판 134 : 수직하중지지판
136 : 제 1마찰판 138 : 제 2마찰판
138a : 제 1마찰표면부 138b : 제 2마찰표면부
140 : 일래스토머릭 베어링 144 : 납기둥
146 : 엔드플레이트 148 : 안내핀
150 : 복원수단 151 : 고무덩어리스프링
153 : 철판-고무적층스프링 155 : 강재스프링
157 : 고무-강재스프링 159 : 압축실린더
본 발명의 목적을 달성하기 위한 조합형 지진격리장치는 하부 구조물과 상부 구조물 사이에 설치되어 두 구조물 상호간에 작용하는 힘을 완충하여 주기 위한 조합형 지진격리장치에 있어서, 상기 하부 구조물에 고정되는 하판; 상기 상부 구조물에 고정되는 상판; 상기 하판과 상판 사이에 설치되어 상기 상부 구조물의 수직하중을 지지하고, 상기 하판과 상판 상호간의 수평이동을 허용하는 수직하중지지수단; 및 상기 하판과 상판을 탄성적 연결하여 상기 하판과 상판 상호간에 발생된 수평이동의 복원력을 제공하는 복원수단을 포함하며, 상기 수직하중지지수단은 상기 하판과 상판 사이에 설치되어 상기 상부 구조물의 수직하중을 완충하여 상기 하부구조물로 전달하기 위한 탄성지지체, 상기 탄성지지체의 상부 또는 하부에 고정되는 제 1마찰판, 상기 제 1마찰판과 마주보는 상기 상판 또는 하판에 고정되어 상기 상부 구조물과 하부 구조물 사이에 수평전단력이 발생하면 상기 제 1마찰판의 미끄럼접촉운동을 허용하는 제 2마찰판을 구비하되, 상기 제 2마찰판은 마찰력이 작은 중앙의 제 1마찰표면부와 상기 제 1마찰표면부보다 마찰력이 큰 가장자리의 제 2마찰표면부로 구분되는 것을 특징으로 한다.
더 구체적으로, 상기 탄성지지체는 상기 하판의 제 1홈에 고정된 완충고무판과 상기 완충고무판 상에 고정되고 상면에 제 2홈이 형성된 수직하중지지판을 구비하고, 상기 제 1마찰판은 상기 제 2홈에 고정되며, 상기 제 2마찰판은 상기 상판 저면에 부착되고 상기 제 1마찰판과 마주보고 접촉되는 구성으로 하는 것이 좋다.
상기 탄성지지체는 상기 하판의 제 1홈에 고정되고 상단 엔드플레이트에 제 3홈이 형성되어 있는 일래스토머릭 베어링이고, 상기 제 1마찰판은 상기 제 3홈에 고정되며, 상기 제 2마찰판은 상기 상판 저면에 부착되고 상기 제 1마찰판과 접촉되는 구성으로 하여도 된다.
위 일래스토머릭 베어링(elastomeric bearing)의 중앙부 하판과 제 1마찰판 사이에는 납기둥이 더 설치되고, 일래스토머릭 베어링의 엔드플레이트에 안내핀이 더 고정되고, 상판의 저면에 핀의 상단이 삽입되어 안내되는 안내홈이 더 설치되어 있는 구성으로 하여도 된다.
위 제 1마찰판은 고분자화합물과 불소수지 중 어느 하나로 되고, 위 제 2마찰판은 스테인레스 스틸로 하는 것이 바람직하다.
위 복원수단으로는 수직하중지지수단의 주변에 소정 간격 이격하여 설치되는 고무덩어리 스프링, 철판-고무적층스프링, 강재스프링, 고무-강재스프링 및 압축실린더 중 어느 하나를 사용하면 된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 조합형 지진격리장치를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 조합형 지진격리장치의 일 예를 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1 조합형 지진격리장치의 분리 사시도이고, 도 3은 도 1 조합형 지진격리장치의 단면도이다.
도 1∼도 3에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 조합형 지진격리장치(100)는크게 하판(110), 상판(120), 하판(110)과 상판(120) 사이에 설치되어 상부 구조물의 수직하중을 지지하고, 하판(110)과 상판(120) 상호간의 수평이동을 허용하는 수직하중지지수단(130) 및 하판(110)과 상판(120)을 탄성적으로 연결하여 하판(110)과 상판(120) 상호간에 발생된 수평이동의 복원력을 제공하는 복원수단(150)으로 이루어져 있다.
하판(110)은 지반 또는 교각 상에 설치되는 것으로, 그 저면에 기초볼트(112)가 설치되어 있다. 기초볼트(112)는 지반이나 교각 상에 콘크리트를 통해 설치되며, 하판(110)을 고정하여주기 위한 것이다. 따라서 다른 고정수단이 있는 경우, 예를 들어 지반 또는 교각에 금속재가 설치되어 있는 경우 기초볼트(112)를 없애고 용접 등의 방법으로 하판(110)을 고정할 수 있음은 물론이다. 이는 상판(120)의 경우에도 적용된다. 도시된 바와 같이 하판(110)의 상면에는 원형의 제 1홈(114)이 형성되어 있다.
상판(120)은 교량의 상판이나 상부구조물의 저면에 설치되는 것으로, 그 상면에 기초볼트(122)를 구비하고 있다.
수직하중지지수단(130)은 하판(110)의 제 1홈(114)에 설치되는 완충고무판(132)을 구비하고 있다. 이 완충고무판(132)은 상부구조물의 수직하중을 완충하여주기 위한 것이다. 즉, 완충고무판(132)은 일종의 탄성지지체이다. 이 완충고무판(132) 상에 그 상면에 제 2홈(135)을 갖는 수직하중지지판(134)이 설치되고, 제 2홈(135)에 제 1마찰판(136)이 고정 설치된다. 여기서, 수직하중지지판(134)은 금속으로, 제 1마찰판(136)은 고분자화합물이나 불소수지판으로 만든 것을 사용하는 것이 좋다. 도시된 바와 같이 상판(120)의 저면에는 제 2마찰판(138)이 부착되어 있다. 이 제 2마찰판(138)은 제 1마찰판(136)과 마주보고 접촉되어 하판(110)과 상판(120)이 각각 고정되는 하부구조물이나 지반 또는 교각과 상부구조물 또는 교량의 상판 상호간에 수평방향의 전단력이 발생되면 하판(110)과 상판(120) 상호간의 수평이동을 즉, 제 1마찰판(136)의 미끄럼운동을 허용하기 위한 것으로, 마찰계수가 작은 스테인레스 스틸로 만드는 것이 바람직하다. 이러한 수직하중지지수단(130)에서 제 2마찰판(138)은 하판(110)에 나머지 부분은 상판(120)에 설치하여 구성할 수도 있으며, 수직방향의 지진성분이 없다고 판단될 경우 완충고무판(132)을 삭제하여 구성할 수도 있다. 그 이유는 수직하중지지수단(130)이 수직하중을 완충하여 지지하면서 마주보고 접촉되는 제 1마찰판(136)과 제 2마찰판(138)이 하판(110)과 상판(120) 상호간의 수평이동을 허용할 수 있도록 하면 되기 때문이다.
수직하중지지수단(130) 둘레로 수직하중지지수단(130)과 소정 간격 이격하여 다수의 복원수단(150)이 설치되어 있다. 이 복원수단(150)은 하판(110)과 상판(120)을 탄력적으로 연결하는 것으로, 수평이동 된 상부구조물에 복원력을 제공하기 위한 일종의 복원스프링 역할을 한다. 이러한 복원수단(150)으로는 도 7a∼도 7e에 나타낸 바와 같은 고무덩어리 스프링(151), 철판-고무적층스프링(153), 강재스프링(155), 고무-강재스프링(157), 압축실린더(159) 등을 사용하면 된다. 이에 대해서는 뒤에서 더 상세히 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 조합형 지진격리장치의 다른 예를 나타낸 단면도이다.
도 4는 도 1∼도 3의 완충고무판(132)과 수직하중지지판(134) 대신에 일래스토머릭 베어링(140)을 사용한 것이다. 즉, 기초볼트(112, 122)를 갖는 하판(110)과 상판(120) 사이에 설치되는 수직하중지지수단(130)을 하판(110)의 제 1홈(114)에 그 상면에 제 3홈(142)을 갖는 일래스토머릭 베어링(140)을 설치하고, 제 3홈(142)에 제 1마찰판(136)을, 또 제 1마찰판(136)과 마주보는 상판(120)의 저면에 제 2마찰판(138)을 설치하여 구성한 것이다. 수직하중지지수단(130) 주변 하판(110)과 상판(120) 사이에 설치되는 복원수단(150)은 앞에서 설명한 것과 동일하다.
도 5는 도 4 조합형 지진격리장치의 변형 예를 나타낸 단면도이다.
즉, 도 4 조합형 지진격리장치(100)에서 일래스토머릭 베어링(140)의 중앙부에 납기둥(144)을 박아 하판(110)의 제 4홈(116)에 결합되도록 하고, 일래스토머릭 베어링(140)의 상단 엔드플레이트(146)에 안내핀(148)을 고정하고, 마주보는 위치의 상판(120) 저면을 따라 소정 길이의 안내홈(124)을 형성하여 구성할 수도 있다. 이렇게 하는 경우 하판(110)과 상판(120) 상호간에 정적인 하중에 대해서는 양쪽방향(교축직각방향 및 교축방향)으로 이동을 하고, 동적인 하중에 대해서는 한쪽 방향(교축방향)으로만 수평이동이 허용된다. 즉, 도 5에 나타낸 바와 같은 조합형 지진격리장치(100)는 교량의 양방향가동단에 설치되어 지진시에는 풍하중이나 지진하중등의 순간적인하중에 대해서는 교축직각방향으로는 상부구조물과 하부구조물과의 상대변위를 억제시키는 내진성능을 갖추고 있으며, 교축방향으로는 상부구조물과 하부구조물과의 상대변위를 발생시켜 주기를 길게하기 위한 면진 용도로 설치되며 따라서 면진 및 내진성능을 동시에 갖춘 조합형지진격리장치이다. 나머지, 제 1마찰판(136), 제 2마찰판(138) 및 복원수단(150)은 앞에서 설명한 것과 같다.
도 6은 제 2마찰판의 변형 예를 나타낸 도면이다.
도 6에서 알 수 있는 바와 같이 상판(120)의 저면에 설치되는 제 2마찰판(138)을 마찰계수가 작은 중앙의 제 1마찰표면부(138a)와 제 1마찰표면부(138a) 둘레의 상대적으로 마찰계수가 큰 가장자리의 제 2마찰표면부(138b)로 구분하여 구성할 수도 있다. 마찰계수의 조정은 표면 거칠기를 조정하면 되다. 즉, 제 1마찰표면부(138a)는 그 표면을 매끄럽게 하고, 제 2마찰표면부(138b)는 그 표면을 거칠게 하여 제 1마찰판(136)과의 마찰력에 차이가 생기도록 하면 된다. 이렇게 하는 경우 작은 지진의 경우에는 수평변위가 원활하게 이루어지도록 하여 지진력을 흡수하면 면진기능을 하도록 하고, 큰 지진의 경우 지진에 대변위 시 제 2마찰표면부(138b)에서 수평방향의 전단에너지를 더 많이 흡수할 수 있도록 하거나 수평변위를 제한할 수 있도록 하기 위한 것이다.
위에서 설명한 제 1마찰판(136)과 제 2마찰판(138)은 하판(110)과 상판(120)에서 서로 그 위치를 바꾸어 설치할 수 있으며, 또 직접 하판(110) 또는 상판(120)에 부착하지 않더라도 하판(110)과 상판(120) 사이 임의의 위치에서 마주보고 접촉되어 미끄럼운동할 수 있도록 되면 어떻게 설치되더라도 상관없다. 또, 완충고무판(132), 수직하중지지판(134), 일래스토머릭 베어링(140)은 그 설치위치를 여건에 따라 적절하게 바꾸어 설치하여도 됨은 물론이며, 또한 지진의 수직성분이 없을 경우 완충고무판을 삭제하여도 됨은 물론이다.
도 7a∼도 7e는 하판과 상판 사이에 설치되는 복원수단의 예를 나타낸 도면이다.
즉, 위에서 언급한 복원수단(150)으로는 본 발명에 따른 조합형 지진격리장치(100)의 용도와 주변 여건에 따라 도 7a에 나타낸 바와 같은 강재스프링(155), 도 7b의 고무(153a)와 철판(153b)을 교대로 적층하여 만든 철판-고무적층스프링(153), 도 7c에 나타낸 바와 같은 고무덩어리 스프링(151), 도 7d에 나타낸 바와 같은 압축실린더(157), 도 7e에 나타낸 고무(157a)와 강재스프링(157b)을 결합하여 만든 고무-강재스프링(157) 중 어느 하나를 선택하여 사용하거나, 경우에 따라서는 혼합하여 사용하여도 된다. 기타 복원력을 갖는 다른 형태의 복원스프링을 이용할 수도 있음 물론이다. 이러한 복원수단(150)과 하판(110) 및 상판(120)과의 연결은 복원수단(150)의 상단과 하단부분을 금속으로 만들고 이들을 하판(110)과 상판(120)에 용접하여 부착하거나 아니면 구멍을 뚫고 볼팅작업으로 고정하여도 된다.
도 8은 도 3면진장치의 변형 예를 나타낸 단면도이고, 도 9는 도 8 면진장치의 사시도이다.
도 8과 도 9에 나타낸 바와 같이 경우에 따라서는 수직하중지지판(134)의 수평이동경로 상에 하판(110)과 상판(120) 상호간의 상대적인 수평이동을 제한하기 위한 걸림턱(160)을 설치하여 두는 것이 바람직하다. 이는 대지진시 상판(120) 위쪽에 설치된 상부구조물이 일정 거리 이상 이탈되는 것을 방지하여 내진기능을 수행할 수 있도록 하기 위한 것이다. 이러한 걸림턱(160)은 수직하중지지판(134)의 측면과 부딪힐 수 있도록 도 9에 나타낸 바와 같이 상판(120) 저면에 부착되어 있는 제 2마찰판(138)에 고정하거나 아니면 상판(120) 저면에 직접 부착하여도 된다. 그 외 완충고무판(132), 그 상면에 제 2홈(135)을 갖는 수직하중지지판(134), 제 2홈(135)에 설치되는 제 1마찰판(136), 상판(120)의 저면에 설치되는 제 2마찰판(138), 복원수단(150) 및 완충고무판(132)의 유무는 앞에서 설명한 것과 동일하다.
이상 설명한 바와 같은 조합형 지진격리장치로 구성되는 면진시스템에는 크게 3가지 기본요소가 요구된다. 그 중에 가장 중요한 것은 지진에너지가 상부구조물에 전달되는 것을 충분히 감소시키기 위해 단주기로 유입되는 지진에너지의 파괴력을 막기 위하여 면진구조물 전체 시스템의 진동주기를 장 주기화 하기 위해 면진장치가 전단력에 대하여 유연한 응답특성을 가지도록 수평스프링기능을 부여하는 것이고, 두 번째는 지진시 발생되는 지진전단에너지에 의한 구조물의 전단변형시 수평스프링의 상대변위를 제한 할 수 있는 에너지 감소장치가 필요하다. 세 번째는 풍하중이나, 차량의 순간적인 급제동 하중과 같은 동하중에 응답하여 대응할 수 있는 상시 하중에 저항할 수 있는 강성을 제공하여야 한다.
부가적인 요구사항으로서 고 중량의 수직하중을 지지하는 기능을 반드시 갖추어야 하며, 상기와 같은 조건을 모두 완벽히 갖추고 있는 본 발명품의 이론은 아래와 같다.
첫째, 본 발명의 조합형 지진격리장치는 하판(110)과 상판(120)사이에 수평변위를 원래위치로 복원시킬 수 있는 복원용 전단스프링을 하나의 시스템으로 설치하였으며, 아래의 (식 4)로 구할 수 있다. 수평방향의 스프링 강성은 고무의 100%전단에서의 전단계수를 구하여 작용하는 고무스프링 전체의 단면적을 곱하여, 고무 스프링의 고무 전체두께로 나누어주면 된다.
즉 Ke=G×∑A/T - (식 4)
여기서 G : 고무스프링 두께의 변위까지 변형된 상태에서의 전단응력(kg/㎠)
∑A : 고무스프링 전체의 단면적(㎠)
T : 고무스프링의 두께(cm)
두 번째, 본 발명의 조합형 지진격리장치는 상부에 고분자합성물이나 불소수지 등으로 이루어진 제 1마찰판(136)과 상판(120) 하단에 부착되어 있는 강재나 스테인레스 스틸로 이루어진 제 2마찰판(138)과의 상대변위가 발생함으로서 두 제 1마찰판(136)과 제 2마찰판(138) 사이의 마찰특성에 의하여 구조물 내부로 유입되는 지진 에너지를 마찰에너지로 변화시켜 지진력을 감소, 흡수시킨다.
일반적으로 감쇠성능은 아래의 (식 5)와 같이 구할 수 있다. 조합형 지진격리장치의 경우 감쇠성능은 반복 사이클 시험을 통해 이력곡선의 닫혀진 면적에 비례하고, 수평강성 및 지진시 변위의 제곱에 반비례한다.
즉 β = A / (2π×Keff×D2) -(식 5)
여기서 A = 4Q(D-Dy)(ton.cm)
Q = μ×W
μ = 마찰계수
W = 상부구조물 무게(ton)
D = 지진시 변위(cm)
Dy= 항복 변위(cm)
Keff= 고무 스프링강성과 마찰력을 조합한 지진시의 유효강성(ton/㎠)
예를 들어 하기의 표 1에 따라서, 불소수지와 스테인레스 스틸간의 작용하는 응력 값을 증감을 함으로서 원하는 설계에 용이하게 할 뿐만 아니라 고객이 원하는 값을 유효 적절하게 조절 수 있다.
세 번째, 풍하중이나 차량의 순간적인 제동하중에 저항하기 위한 장치로서 고분자합성물이나 불소수지로 이루어진 제 1마찰판(136)과 상판(120)하단에 부착되어있는 강재 또는 스테인레스 스틸로 이루어진 제 2마찰판(138)과의 마찰력 발생으로 조절할 수 있다.
<표 1> 공식적으로 공표된 마찰계수
불소수지와 스테인레스 스틸간에 작용하는 응력 마찰계수(μ)
오일함유시 오일미함유시
5N/㎟ 0.08 0.08×2
10N/㎟ 0.06 0.06×2
20N/㎟ 0.04 0.04×2
30N/㎟와 이상 0.03 0.03×2
면진시스템을 안전하게 유지시키기 위한 요구사항으로서, 구조물의 중량을면진장치가 안전하게 지지할 수 있게 하는 수직하중을 지지하는 기능이 있다. 미국의 AASHTO 규정에서는 면진장치는 측면 전단변형이 없는 상태에서 수직하중(사하중+활하중)에 대해 최소 3배의 안정성을 제공하여야 한다고 언급되어 있다. 또한, 지진에너지에 의하여 발생된 구조물의 전단변형에 대한 복원력을 가지고 있는 면진시스템에 대하여 최대 변위의 1.5배 변위에서의 지진의 영향으로부터 산출되는 가해지는 수직하중 또는 감해지는 수직하중을 구조물의 자체하중에 더하여 안전하도록 설계되어야 하며, 만약 복원력이 없다면, 3배의 설계변위에서 지진영향으로부터 산출되는 또는 가해지는 수직하중 또는 감해지는 수직하중에 건물자체 하중을 더하여 안전하도록 설계되어야 한다고 언급되어 있다.
본 발명에 따른 조합형 지진격리장치에서는 이 수직하중지지기능을 수행하는 것은 일래스토머릭 베어링 또는 고무판으로 구성되어 있으며, 복원수단(150) 즉 복원스프링은 지진시 수직하중을 지탱하는 수직하중지지 유효 단면적과는 전혀 무관한 시스템으로서, 측면에 있는 복원장치인 고무덩어리스프링(151), 강재스프링(155), 압축실린더(159) 등이 파괴될지라도 수직하중지지기능에는 문제가 없기 때문에 3배의 설계 변위에서 수직하중을 만족시킬 수 있도록 설계되었다.
부가적인 요구사항으로서, 교량에 본 발명에 따른 면진장치를 설치할 경우 반드시 요구되는 것은 교량 자체의 처짐으로 발생하는 회전이나, 차량 등의 순간적인 제동하중에 대한 회전이 중요하다. 이때, 일래스토머릭 베어링 또는 고무판의 두께 , 마찰계수 및 복원스프링를 조정하여 교량 상부구조물의 회전이나 차량 등의 순간적인 제동하중에 대한 에너지를 쉽게 흡수 할 수 있게끔 조절 가능하게 되어있다.
이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 조합형 지진격리장치는 기존의 면진고무와는 다른 도면에 나타낸 바와 같은 독특한 구조를 취하고 있으며, 상황에 따라 다양한 조건으로 설계할 수 있도록 해주며, 그 제조에 소요되는 시간과 인력을 획기적으로 줄일 수 있도록 해준다.
본 발명에 따른 조합형 지진격리장치는 제품제작시간이 다량 소요되는 고무의 크기를 소형화하여 가황시간을 종전의 12시간에서 30분 정도로 줄일 수 있도록 해주며 따라서 제품을 저단가로 만들 수 있다.
본 발명에 따른 면진장치는 품질관리를 요하는 불규칙한 고무 부분을 최소화하여 대형의 면진장치인 천연고무계 면진고무, 납삽입면진고무, 고감쇠면진고무의 제품 내, 외부와의 물리적 성능의 차이로 인한 불량 발생량을 줄일 수 있도록 해주며, 비교적 기계적인 성능이 일정한 강재부분이 많이 사용토록 함으로써 내구성이 좋아졌다.
풍하중이나 기타 외력에 대해서는 지반과 건물이 강체거동 되도록하여 고층 건물에서도 일반적인 주택과 동일한 거주생활을 할 수 있게 해준다.
기존에 설치되어 있는 포트 받침 등의 장소에 대체 능력이 뛰어나며, 장시간 사용할 경우 고무부분의 최소화로 인하여, 크리이프에 의한 성능 저하가 적다.
본 발명에 따른 조합형 지지격리장치는 수직하중지지기능과 수평하중에 대한 저항기능을 분리시켜 따로 각각 설계가 가능하도록 하여 설계의 표준화를 할 수 있도록 해준다.
본 발명에 따른 조합형 지지격리장치는 제품의 표준화로 인하여 간단한 수직하중 및 수평저항(복원장치)을 조합하여 빠른 생산공정을 유도할 수 있도록 해준다.
뿐만 아니라, 수직하중지지기능과 수평하중에 대한 저항기능을 분리시켜 중소지진 및 대지진시에도 그 기능을 원활히 수행한다.
본 발명에 따른 조합형 지지격리장치는 상판의 하면에 마찰력이 적은 강재나 스테인레스 스틸로 이루어진 제 2마찰판을 배치시켜 수직하중지지판의 상단 홈의 불소수지나 고분자합성물로 이루어진 제 1마찰판과 마주보고 접촉되도록 하여 지진시 미끄럼운동에 의해 상대변위가 발생되도록 하여, 상부구조물의 진동을 지반과 분리시켰으며 또한 지진력을 감소시키는 수단이 되는 마찰에 의한 감쇠성능을 가진다.
본 발명에 따른 조합형 지진격리장치는 수직기능과 수평기능이 각각 독립되어 기존의 면진고무의 문제점인 수평변위에 의한 구조물의 높이가 변하는 수직방향으로의 건물의 움직임을 없앴다.
본 발명에 따른 조합형 지진격리장치는 상판 하면에 마찰력이 적은 강재나 스테인레스 스틸로 이루어진 제 2마찰판과 수직하중지지판 상단 홈에 고분자 화합물이나 불소수지로 이루어진 제 1마찰판을 접착 또는 끼워 넣어, 중소 지진시 지반과 상부구조물의 상대변위가 발생하도록 하여 구조물의 진동을 지반과 분리시켜 장주기화 하는 동시에 마찰 감쇠에 의해 감쇠성능을 부여하였다.
본 발명에 따른 조합형지진격리장치는 제 2마찰판의 표면을 작은 지진에 대비한 제 1마찰표면과 대지진에 대비한 제 2마찰표면으로 구분하여 형성함으로 써, 지진의 크기에 따라 작용하도록 하여 작은 지진에서는 면진기능을 수행하고, 큰 지진에서는 변위를 억제크기를 억제하는 초고감쇠성능을 가진 면진기능을 수행한다.
또, 일래스토머릭 베어링을 이용하는 경우 소지진시에는 일래스토머릭 베어링의 전단변형에 의하여 지진에너지를 흡수하고, 중대형 지진시에는 상판의 하면에 부착되어 있는 스테인레스 스틸로 이루어진 제 2마찰판과 불소수지나 고분자합성물로 이루어진 제 1마찰판의 마찰에 의해 지진에너지를 흡수한다.
일래스토머릭 베어링의 전단변형은 불소수지나 고분자 합성물로 이루어진 제 1마찰판과 스테인레스 스틸로 이루어진 제 2마찰판사이의 마찰력이하의 전단력에서만 전단변형이 발생하기 때문에 수직방향으로 상부구조물의 움직임은 없다.
본 발명에 따른 조합형 지진격리장치는 지진시 풍하중에 대하여 저항능력이 뛰어나며, 또한 교량 상판의 온도변화, 건조수축 등에 의한 이동량을 원활히 수행 할 뿐만 아니라, 지진시 교축방향으로는 고분자 화합물 또는 불소수지로 이루어진 제 1마찰판과 스테인레스 스틸이나 강재로 이루어진 제 2마찰판과의 마찰저항에 의한 조합형 지진격리장치의 상대변위를 줄여주며, 교축직각방향으로는 납이 항복 또는 저항함으로서 교각 및 교량상판을 안전하게 유지시킨다.
이와 같은 본 발명에 따른 조합형 지진격리장치는 원자력발전소의 면진설계 뿐만 아니라 지진피해가 예상되는 모든 구조물(병원, 학교, 공공건물, 반도체 공장, LNG 탱크)등의 산업분야에 응용하여 안정성 있는 문화생활을 영위할 수 있도록해준다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있으며, 이는 본 발명의 권리에 속함은 물론이다.

Claims (9)

  1. 하부 구조물과 상부 구조물 사이에 설치되어 두 구조물 상호간에 작용하는 힘을 완충하여 주기 위한 조합형 지진격리장치에 있어서,
    상기 하부 구조물에 고정되는 하판;
    상기 상부 구조물에 고정되는 상판;
    상기 하판과 상판 사이에 설치되어 상기 상부 구조물의 수직하중을 지지하고, 상기 하판과 상판 상호간의 수평이동을 허용하는 수직하중지지수단; 및
    상기 하판과 상판을 탄성적 연결하여 상기 하판과 상판 상호간에 발생된 수평이동의 복원력을 제공하는 복원수단을 포함하며,
    상기 수직하중지지수단은 상기 하판과 상판 사이에 설치되어 상기 상부 구조물의 수직하중을 완충하여 상기 하부구조물로 전달하기 위한 탄성지지체, 상기 탄성지지체의 상부 또는 하부에 고정되는 제 1마찰판, 상기 제 1마찰판과 마주보는 상기 상판 또는 하판에 고정되어 상기 상부 구조물과 하부 구조물 사이에 수평전단력이 발생하면 상기 제 1마찰판의 미끄럼접촉운동을 허용하는 제 2마찰판을 구비하되,
    상기 제 2마찰판은 마찰력이 작은 중앙의 제 1마찰표면부와 상기 제 1마찰표면부보다 마찰력이 큰 가장자리의 제 2마찰표면부로 구분되는 것을 특징으로 하는 조합형 지진격리장치.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서, 상기 탄성지지체는 상기 하판의 제 1홈에 고정된 완충고무판과 상기 완충고무판 상에 고정되고 상면에 제 2홈이 형성된 수직하중지지판을 구비하고, 상기 제 1마찰판은 상기 제 2홈에 고정되며, 상기 제 2마찰판은 상기 상판 저면에 부착되고 상기 제 1마찰판과 마주보고 접촉되는 것을 특징으로 하는 조합형지진격리장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 탄성지지체는 상기 하판의 제 1홈에 고정되고 상단 엔드플레이트에 제 3홈이 형성되어 있는 일래스토머릭 베어링이고, 상기 제 1마찰판은 상기 제 3홈에 고정되며, 상기 제 2마찰판은 상기 상판 저면에 부착되고 상기 제 1마찰판과 접촉되는 것을 특징으로 하는 조합형지진격리장치.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 일래스토머릭 베어링의 중앙부 상기 하판과 상기 제 1마찰판 사이에는 납기둥이 더 설치되고, 상기 일래스토머릭 베어링의 상기 엔드플레이트에 안내핀이 더 고정되고, 상기 상판의 저면에 상기 핀의 상단이 삽입되어 안내되는 안내홈이 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 조합형지진격리장치.
  6. 삭제
  7. 제 1항, 제 3항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제 1마찰판은 고분자화합물과 불소수지 중 어느 하나로 되고, 상기 제 2마찰판은 스테인레스 스틸로된 것을 특징으로 하는 조합형지진격리장치.
  8. 제 1항, 제 3항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복원수단은 상기 수직하중지지수단의 주변에 소정 간격 이격하여 설치되고, 고무덩어리 스프링, 철판-고무적층스프링, 강재스프링, 고무-강재스프링 및 압축실린더 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 조합형지진격리장치.
  9. 제 3항에 있어서,상기 수직하중지지판의 수평이동경로 상에는 상기 하판과 상판 상호간의 수평이동을 제한하기 위한 걸림턱이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 면진장치.
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