KR100645447B1 - 풀리형 지진진동 저감장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 발전소 및 석유화학 플랜트와 같은 대형 구조물에 지진진동, 연소진동 및, 바람에 의한 진동이 구조물에 발생될 경우 대형 구조물의 진동크기를 저감시키는 풀리형 지진진동 저감장치에 관한 것이다.

종래에는 지진진동을 저감하기 위해 설계 및 건설시부터 구조물의 강성을 크게하여, 지진진동에 대비하였다. 그러나 이미 건설되어 운영되고 있는 발전소의 대형 구조물은 추가적인 강성 증대방법이 불가능하였다. 왜냐하면 기존의 구조물에 아무리 많은 구조물을 추가 보강하여도 대형 구조물의 동특성 개선은 불가능하기 때문이다. 이러한 관계로 이미 지진을 대비한 내진설계가 안된 대형 구조물에 지진이 발생할 경우 피해는 매우 크게 된다. 따라서 이미 건설되어 운영되고 있는 대형 구조물에 지진진동이 발생할 경우 이러한 지진진동을 최소화할 수 있는 특수장치의 개발이 필연적이었다.

본 발명은 에너지 소산원리를 가진 장치를 대형 구조물에 설치하여 지진진동, 연소진동 및 바람에 의한 진동이 대형 구조물에 발생할 경우 대형 구조물 상부의 진동을 저감시키는 풀리형 지진진동 저감장치이며, 기존에 내진설계가 안된 구조물과 신규로 건설되는 건물에 설치할 경우 건축비가 30% 이상 저감되며 에너지 흡수효과가 75% 이상이어서 대형 구조물의 안정성에 크기 기여할 수 있다.

Description

풀리형 지진진동 저감장치{Seismic absorber of pulley type}

도 1은 본 발명의 전체 설치 상태도,

도 2는 본 발명에 따른 마찰 댐퍼부의 정면도,

도 3은 도 2의 측면도,

도 4는 도 2에서 마찰 풀리의 측면도,

도 5는 수평진동 저감장치 에너지 흡수면적 그래프,

도 6은 본 발명을 이용한 성능시험 모습의 사진이다.

- 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 -

1 : 구조물, 2 : 마찰 댐퍼부,

3 : 와이어, 4 : 구조물 설치형 브라켓트,

5 : 브레이스 조임 턴버클, 6 : 인장용 볼트,

7 : 지지홀더, 8 : 본체,

9 : 마찰 풀리, 10 : 체결 보울트,

11 : 스크류, 12 : 와이어 안내홈,

13 : 인장용 풀리, 14 : 마찰 조정력 볼트,

15 : 마찰재.

본 발명은 발전소 내지는 대형 산업 플랜트와 같은 대형 구조물에 지진진동, 연소진동 및 바람 등에 의한 진동 발생시 이를 저감시킬 수 있는 풀리형 지진진동 저감장치에 관한 것이다.

주지된 바와 같이 발전소 대형 보일러 구조물에 연소 및 바람 등에 의해 진동이 발생하거나, 지진에 의한 진동이 발생하면 대형 구조물이 설치된 지반이 크게 움직여 구조물의 과도한 움직임이 발생하여 보일러 구조물 내부에 연결된 배관계가 손상되거나 철골 구조물 내부에 설치된 여러 기계 및 전자기기의 손상을 유발하여, 심하게 되면 건물이 무너지게 된다.

이러한 이유 때문에 그동안 구조물에 발생하는 여러 진동을 저감하기 위해 많은 방법들이 연구되고 종래에도 개발되어 왔다. 종래 이와 같은 진동 저감방법들로서 구조물의 동특성 개선, 진동 절연, 그리고 건물에 진동에너지를 흡수할 수 있는 장치를 부착하는 방법, 즉 수동·능동제어 같은 방법 등이 사용되어 왔으며, 이러한 진동 저감방법 가운데 진동 에너지를 흡수하는 장치를 건물에 설치하는 수동제어 방법은 그것의 효과, 경제적 이유 및 양호한 내구성 때문에 광범위하게 사용되어 오고 있다.

종래 상기와 같은 수동적 진동 제어장치로 마찰댐퍼(Friction damper), 브래싱(Bracign) 및 점·탄성댐퍼 들이 있다. 이러한 형태의 진동 저감장치 가운데 발전소 등 배관계 등에 사용된 것이 마찰댐퍼이며, 대형 구조물 같은 철골 구조물에 사용된 것이 브래싱 및 점·탄성 댐퍼 등은 구조가 복잡하고, 감쇄장치 작동시 인장과 압축이 반복되는데 따른 구조물과 감쇄기를 연결하는 구조물의 설치비가 고가이며, 바람과 같은 미소진동에는 응동하지 않은 단점들이 있다.

또한 발전소 대형 구조물에 지진 진동이나 시스템 특성에 의해 과도한 진동이 발생되면 대형 구조물 상부에 큰 진동이 발생하여 발전소 시스템을 구성하고 있는 전자기기나 회전기계 및 배관계 등의 이탈을 유발, 발전소의 안전운전을 어렵게 하고, 동하중이 매우 큰 지진 진동이 작용할 경우에는 대형 구조물 상부 진동이 크게 발생하여 대형 철골 구조물의 손상을 유발시킬 수 있다.

특히 구조물 시스템에서 발생한 진동이 바람에 의한 진동 또는 지진 진동에 의한 가진력 등의 주파수 특성이 5㎐ 이하에 있으며, 지진 강도가 클수록 가진되는 진동 주파수가 낮아져, 진도 7에서는 1㎐ 이하로 낮아진다. 이렇게 낮아지는 가진 주파수에 대하여 발전소 대형 구조물의 고유 진동수는 시스템 특성상 1차 모드가 2㎐ 이하에 있는 관계로 공진이 발생하게 된다.

이러한 공진 해소를 위해 구조물의 강성 증감을 통해 고유 진동수를 1㎐에서 벗어나게 하여야 하나, 발전소 보일러 구조물의 대형성 때문에 구조물의 추가에 의한 강성 증감은 불가능하다.

따라서 지진 진동에 대비하기 위한 설계가 안된 발전소의 경우에는 지진 진동에 의한 현실적인 대비책이 없으며, 이에 대한 대책으로서 공진 영역에서의 진동을 저감하기 위해서는 특수한 지진진동 감쇄장치가 필요하였다.

이에 본 발명은 상기와 같은 종래 문제점을 해결하기 위해 발명된 것으로, 발전소와 같은 대형 구조물에 지진에 의한 수평방향 진동 및 수직방향 진동 발생시 이러한 진동들을 흡수하여 저감시킬 수 있으며, 설치구조가 간편하고 제작이 용이한 풀리형 지진진동 저감장치를 제공함에 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명은 구조물의 상단에 마찰 댐퍼부가 고정 부착되고, 이 마찰 댐퍼부에 연결된 와이어는 이 구조물의 양쪽 하단에 부착된 구조물 설치형 브라켓트들과 각각의 브레이스 조임 턴버클을 이용하여 연결되되, 상기 마찰 댐퍼부는 인장용 볼트와 지지홀더를 매개로 본체의 중앙에 설치되는 마찰 풀리와 이 마찰 풀리 전후에서 체결 보울트와 스크류를 매개로 본체에 설치되는 와이어 관통구멍을 구비한 인장용 풀리들로 이루어져 있다.

이하, 본 발명을 첨부된 예시도면에 의거 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 풀리형 지진진동 저감장치의 전체 구성도이고, 도 2 내지 도 3은 본 발명에 따른 마찰 댐퍼부의 도면들이다.

본 발명은 구조물(1)의 상단에 마찰 댐퍼부(2)가 고정 부착되고, 이 마찰 댐퍼부(2)에 연결되는 와이어(3)는 이 구조물(1)의 양쪽 하단에 부착된 구조물 설치형 브라켓트(4)들과 각각의 브레이스 조임 턴버클(5)을 이용하여 연결되되, 상기 마찰 댐퍼부(2)는 인장용 볼트(6)와 지지 홀더(7)를 매개로 본체(8)의 중앙에 설치되는 마찰 풀리(9)와 이 마찰 풀리(9) 전후에서 체결 보울트(10)와 스크류(11)를 매개로 본체(8)에 설치되는 와이어 안내홈(12)을 구비한 인장용 풀리(13)들로 이루 어져 있다.

여기서 상기 마찰 풀리(9)는 마찰 조정력 볼트(14)와 마찰재(15)를 구비하여 와이어(3)가 이동할 때 회전 마찰력에 의해 진동을 흡수하도록 되어 있으며, 상기 구조물 설치용 브라켓트(4)에 설치된 브레이스 조임용 턴버클(5)에는 항시 인장력만 작용하도록 되어 있다.

그리고 상기 마찰 풀리(9)의 마찰력 크기는 마찰 조정력 볼트(14)에 의해 조절되는 구조로 되어 있다.

도면 중, 미설명 부호 16은 스프링이다.

따라서 상기 구조물(1) 양쪽 하단에 부착된 구조물 설치형 브라켓트(4)들과 브레이스 조임 턴버클(5)을 이용하여 연결된 와이어(3)는 마찰 댐퍼부(2)의 양쪽 인장용 풀리(13)들과 마찰 풀리(9)를 거치도록 되어 있다.

상기와 같은 본 발명은 기존의 점·탄성 댐퍼에서 문제가 되었던 온도 의존성을 개선하여 마찰 풀리(9) 접촉면에서 발생하는 마찰력에 의하여 구조물(1)에서 수평 및 수직방향의 진동 에너지를 흡수할 수 있도록 되어 있는데, 구조물(1)에서 발생되는 진동 에너지가 전달될 때 이 에너지를 흡수할 수 있는 마찰력 크기 조정이 가능한 마찰 조정력 볼트(14)와 마찰 풀리(9), 감쇄크기를 조정하는 마찰재(15), 구조물(1)과 본 발명에 따른 진동 저감장치를 연결하는 브레이스 조임용 턴버클(5), 그리고 와이어(3)를 이용하여 구조물(1)에 연결되는 구조물 설치형 브라켓트(4)들에 의해 진동 저감이 이루어지게 된다.

특히 구조물(1)에 지진력이 작용하게 되면 상기 마찰 댐퍼부(2)가 좌우로 기 울어지면서 브레이스 조임용 턴버클(5)의 브레이스에는 항시 인장력만 작용하게 되면서 이 마찰 댐퍼부(2)의 회전 마찰로 지진진동을 저감시킬 수 있다.

한편, 본 발명에 따른 풀리형 지진진동 저감장치는 기존 감쇄장치에서 가장 큰 문제로 지적되고 있는 온도 및 주파수 의존성(지진 에너지 흡수효과가 온도와 지진 주파수에 따라 변화가 큰)을 크게 향상시켰다. 즉 3개의 풀리와 양 철판 사이에 감쇄를 발생시키는 특수 마찰재가 설치되어 있기 때문에 온도에 관계없이 항시 일정한 감쇄 크기를 얻을 수 있으며, 도 5의 그래프에서와 같이 주파수가 변하여도 에너지 흡수면적은 크게 변하지 않음을 알 수 있다.

또한 기존에 사용되고 있는 모든 감쇄장치가 감쇄장치 작동시 인장과 압축을 반복하여 받는데 비해, 본 발명은 에너지 흡수를 위한 작동시 항시 인장력만 작용되기 때문에 감쇄장치와 구조물을 연결하는 구조물이 매우 단순해지기 때문에 설치비가 매우 저렴하게 소요된다.

다라서 본 발명에 따른 풀리형 지진진동 저감장치는 온도와 지진진동 주파수에 관계없이 높은 에너지 흡수효과를 나타내며, 발전소 대형 구조물 상부 진동을 크게 감소시키므로서 발전소 구조물 하부 전단력을 크게 감소시키며, 가격도 매우 저렴한 장점을 가지고 있다.

[실증 실험 결과]

본 발명의 실증실험은 한국기계연구원이 보유하고 있는 6자 유도계 유압 가진기 상부에 각 총 18톤의 콘크리트 중량물이 설치된 모형 구조물(2m × 3.5m × 2.5m)을 설치하여 하부 진동 가진대에 EL Centro 지진신호를 입력하여 각 층마다의 가속도, 변위 및 변형율을 측정하여 구조물의 진동 저감효과를 규명하였다. 실증 실험결과 감쇄장치 설치 후 구조물의 감쇄크기는 6배 증가하였고 각층의 변위는 82%, 가속도는 65%, 전단 변형율은 85% 이상 저감되는 효과를 얻었다.

<표 1> 수평진동 저감장치 설치 후 진동 저감효과

구분	설치 전	설치 후
감쇄크기	1.19%	8.26%
가속도 크기	0.297g	0.11g
변위 크기	38mm	7mm
전단 변형율	205	32

현재 운전중인 발전소 보일러 등의 대형 구조물은 지진이 발생되면 구조물 자체의 동특성 때문에 구조물 상부가 크게 흔들려 구조물에 연결되어 있는 배관계의 파손뿐만 아니라 구조물 내부에 있는 각종 전자기기의 손상을 유발하게 된다.

따라서 구조물에 본 발명에 따른 풀리형 지진진동 저감장치를 설치함으로서 발전소 보일러 구조물에 지진진동이 발생할 경우 보일러 구조물의 상부 진동을 크게 저감시키므로서,

첫째, 발전소 대형 구조물의 안전성을 유지하고;

둘째, 발전소 보일러의 안정성을 유지할 수 있으며;

셋째, 발전소 내 배관계 안정성을 유지할 수 있고;

넷째, 배관계에 설치된 밸브 및 펌프의 안정성을 확보할 수 있으며;

다섯째, 구조물 내부에 설치되어 있는 대형 회전기기와 각종 전자기기류를 보호할 수 있고;

여섯째, 신규발전소 대형 구조물 설치시 적용하면 건축비를 절감할 수 있다.

Claims (4)

1. 구조물에 지진진동이나 과도한 진동이 발생되면 이를 흡수하여 저감시키는 장치에 있어서,

   상기 구조물(1)의 상단에 마찰 댐퍼부(2)가 고정 부착되고, 이 마찰 댐퍼부(2)에 연결되는 와이어(3)는 이 구조물(1)의 양쪽 하단에 부착된 구조물 설치형 브라켓트(4)들과 각각의 브레이스 조임 턴버클(5)을 이용하여 연결되되, 상기 마찰 댐퍼부(2)는 인장용 볼트(6)와 지지 홀더(7)를 매개로 본체(8)의 중앙에 설치되는 마찰 풀리(9)와 이 마찰 풀리(9) 전후에서 체결 보울트(10)와 스크류(11)를 매개로 본체(8)에 설치되는 와이어 안내홈(12)을 구비한 인장용 풀리(13)들로 이루어진 것을 특징으로 하는 풀리형 지진진동 저감장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 마찰 풀리(9)는 마찰 조정력 볼트(14)와 마찰재(15)를 구비하여 와이어(3)가 이동할 때 회전 마찰력에 의해 진동을 흡수하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 풀리형 지진진동 저감장치.
3. 제 1항에 있어서, 상기 구조물 설치용 브라켓트(4)에 설치된 브레이스 조임용 턴버클(5)에는 항시 인장력만 작용하도록 이루어진 것을 특징으로 하는 풀리형 지진진동 저감장치.
4. 제 1항에 있어서, 상기 마찰 풀리(9)의 마찰력 크기는 마찰 조정력 볼트(14)에 의해 조절되는 것을 특징으로 하는 풀리형 지진진동 저감장치.

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