KR100701584B1 - 내진 수단을 구비한 교량 구조체 및 내진 수단의 설치 방법 - Google Patents

내진 수단을 구비한 교량 구조체 및 내진 수단의 설치 방법 Download PDF

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KR100701584B1
KR100701584B1 KR1020060031467A KR20060031467A KR100701584B1 KR 100701584 B1 KR100701584 B1 KR 100701584B1 KR 1020060031467 A KR1020060031467 A KR 1020060031467A KR 20060031467 A KR20060031467 A KR 20060031467A KR 100701584 B1 KR100701584 B1 KR 100701584B1
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임재성
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주식회사 태명엔지니어링
임재성
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    • F16F15/023Suppression 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 fluid means

Abstract

내진 수단을 구비한 교량 구조체 및 내진 수단의 설치 방법이 개시된다. 본 발명의 교량 구조체는 교량의 상판; 상기 상판을 지지하는 교각; 상기 상판 및 교각 사이에 마련되며 상기 상판의 하중을 지지하는 교좌; 상기 상판의 횡방향 이동을 규제하도록 상기 교각에 마련되는 수평 받침 장치 및 상기 상판의 종방향을 따른 감쇠력을 제공하는 점성 댐퍼를 구비하는 내진 수단; 을 포함한다. 본 발명의 내진 수단의 설치 방법은 상기 점성 댐퍼의 양단부가 상기 상판 및 상기 수평 받침 장치에 각각 고정되는 것을 특징으로 한다.

Description

내진 수단을 구비한 교량 구조체 및 내진 수단의 설치 방법{Bridge system including an earthquake-proof means and installing method of the earthquake-proof means}
도 1은 본 발명에 따른 내진 수단을 구비한 교량 구조체의 개략적인 측면도 및 평면도.
도 2는 본 발명에 따른 점성 댐퍼를 도시한 측단면도.
도 3은 본 발명에 따른 교량 구조체의 진동 모델을 도시한 모식도.
도 4는 본 발명에 따른 내진 수단의 진동 완화 작용을 도시한 그래프.
도 5는 본 발명에 따른 내진 수단의 댐핑 작용을 도시한 그래프.
도 6은 지진파의 파형을 도시한 그래프.
도 7은 본 발명에 따른 내진 수단의 제1 실시예에서 전단키를 도시한 사진.
도 8은 도 7의 전단키가 설치된 교량을 도시한 정면도.
도 9는 본 발명에 따른 내진 수단의 제1 실시예를 도시한 측면도.
도 10은 본 발명에 따른 내진 수단의 제2 실시예를 도시한 평면도.
도 11은 도 10의 정면도.
도 12는 도 10의 측면도.
도 13은 본 발명에 따른 내진 수단의 제3 실시예에서 수평 받침 장치를 도시한 평면도.
도 14는 본 발명에 따른 내진 수단의 제3 실시예를 도시한 측면도.
도 15는 도 13의 분해 사시도.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
10...상판(deck) 20...교각(pier)
30...교각 기초(pier base) 40...교대(abutement)
50...교좌(bridge seat) 50a...고정 교좌
50b...일방향 이동 교좌 50c...양방향 이동 교좌
70...전단키(shear key) 72...앵커 볼트(anchor bolt)
90b...수평 받침 장치 100...상부 플레이트
105,185...상부 쐐기판 홈 205,285...하부 쐐기판 홈
150a...상부 쐐기판 150b...하부 쐐기판
180...전단판 베이스 182...전단판
200...하부 플레이트 280...홀더 베이스
282...홀더 84...슬롯
290...고무 패드 300...스터드 볼트(stud bolt)
310...용접부 400...고정 볼트
409...고정 볼트 홀 600...점성 댐퍼
610...실린더 620...작동 유체
630...피스톤 631...고정 홀
650...오리피스(orifice) 690a...제1 브라켓
690b...제2 브라켓 700...콘크리트 블록
본 발명은 교량 구조체 및 내진 수단의 설치 방법에 대한 것으로, 지진 하중의 작용시 교량의 파손을 방지할 수 있는 교량 구조체 및 내진 수단의 설치 방법에 대한 것이다.
일반적으로 교량은 차량과 사람이 통행할 수 있는 상판과, 상판을 지지하는 다수의 교각, 그리고 교각을 설치하는 기초인 교각 기초로 구성된다. 상판과 교각 사이에는 교좌가 삽입되어 상판의 정하중 및 동하중을 지지한다. 상판에 차량이 통행하거나 지진 등이 발생하는 경우, 교량의 횡방향 및 종방향을 따라 수평력이 작용하게 되며 교량이 상기 수평력에 대하여 충분한 안전계수를 갖고 저항할 수 있어야 교량의 파손이 방지된다.
근래에 마련된 내진 설계 규정에 의하면 모든 교량에 대하여 내진 설계가 의무화되고 있다. 즉, 신설 교량의 설계시 도로교 설계 기준에 명시된 지반 가속도 계수를 적용해야 한다. 교량 구조물에 전달되는 지진력에 대항하려면 다점 고정 시스템이나 면진(免振) 시스템을 도입해야 하는데, 다점 고정 시스템은 상판의 온도 변화 응력을 수용하는데 한계가 있고, 면진 시스템은 고가의 교좌 장치를 많이 사용하여야 하므로 교량 건설 경비가 과다하게 증가되는 단점이 있다.
또한, 기존에 설치된 교량의 경우에도, 현행 내진 설계 규정에 의거하여 규정 미달인 교량은 내진 성능 보강이 시급한 바, 기존 교량의 내진 성능 보강시 기 설치된 교좌 장치의 교체 비용을 절감하고 교좌 장치의 교체시 발생하는 구조물의 손상을 최소화할 필요성이 대두된다. 또한 내진 장치를 교각에 설치하면서 교각의 철근 및 콘크리트 구조가 일부 파손되거나 교각에 크랙(crack)이 발생함으로써 반복 하중의 작용시 상기 크랙의 확장 우려가 있다. 따라서, 신설 교량의 내진 설계 및 기존 교량의 내진 성능 보강시 교량 구조물의 손상없이 저렴한 비용으로 내진 장치를 설치할 수 있어야 한다.
한편, 국내의 일정 고정 연속교의 경우, 동절기와 하절기의 구분이 명확한 기후적 특징으로 교량 중앙 부분에 마련되는 고정 교좌와 그 주변에 마련되는 이동 교좌 시스템이 빈번하게 사용된다. 여기서, 고정 교좌는 교량의 중앙에 배치되며 상판의 횡방향 및 종방향 이동을 모두 규제한다. 이동 교좌는 고정 교좌가 설치된 교각을 제외한 교각에 마련되며 상판의 수평 이동이 가능한 상태로 상판의 수직 하중을 지지한다.
고정 교좌 및 이동 교좌 시스템에서 지진 하중이 작용하는 경우, 지진 하중은 물론 상판 전체의 관성력이 고정 교좌 및 고정 교좌가 설치된 교각에 집중된다.결국, 고정 교좌 및 고정 교좌가 설치된 교각은 이동 교좌 및 이동 교좌가 설치된 교각보다 훨씬 파손되기 쉽다. 지진 발생시 고정 교좌 및 고정 교좌가 설치된 교각이 붕괴되면 나머지 교각도 연달아 붕괴되는 도미노 현상이 발생할 수 있다. 따라서, 내진 시스템의 용량 및 설치 위치의 선정시 고정 교좌 부분에 작용하는 지진 하중 및 관성력을 분산시켜 흡수할 수 있어야 한다.
본 발명의 기술적 과제는 상술한 문제점을 감안한 것으로, 교량 구조체의 손상없이 저렴한 비용으로 고정 교좌에 집중되는 하중을 분산시켜 흡수할 수 있는 내진 시스템이 설치된 교량 구조체 및 내진 수단의 설치 방법을 제공하는 것이다.
상술한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 교량 구조체는,
교량의 상판;
삭제
상기 상판을 지지하는 교각;
상기 상판 및 교각 사이에 마련되며 상기 상판의 하중을 지지하는 교좌;
상기 상판의 횡방향 이동을 규제하도록 상기 교각에 마련되는 전단키, 및 양단부가 상기 전단키 및 상기 상판에 각각 고정됨으로써 상기 상판의 종방향을 따른 감쇠력을 제공하는 점성 댐퍼를 구비하는 내진 수단; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
한편, 본 발명의 교량 구조체는,
교량의 상판;
상기 상판을 지지하는 교각;
상기 상판 및 교각 사이에 마련되며 상기 상판의 하중을 지지하는 교좌;
상기 상판의 횡방향 이동을 규제하도록 상기 교각에 마련되는 콘크리트 블록, 및 양단부가 상기 콘크리트 블록 및 상기 상판에 각각 고정됨으로써 상기 상판의 종방향을 따른 감쇠력을 제공하는 점성 댐퍼를 구비하는 내진 수단; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
그리고, 상기 내진 수단은, 앵커 볼트에 의하여 상기 콘크리트 블록에 고정되며 상기 점성 댐퍼의 일단부가 체결되는 제1 브라켓, 및 상기 점성 댐퍼의 타단부를 상기 상판에 체결시키는 제2 브라켓을 더 구비하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 교량 구조체는,
교량의 상판;
상기 상판을 지지하는 교각;
상기 상판 및 교각 사이에 마련되며 상기 상판의 하중을 지지하는 교좌;
상기 상판의 횡방향 이동을 규제하도록 상기 상판 및 교각 사이에 마련되는 수평 받침 장치, 및 양단부가 상기 수평 받침 장치 및 상기 상판에 각각 고정됨으로써 상기 상판의 종방향을 따른 감쇠력을 제공하는 점성 댐퍼를 구비하는 내진 수단; 을 포함하는 것을 특징으로 한다.
일 실시예로서, 상기 수평 받침 장치는,
상기 상판에 고정되는 상부 플레이트;
상기 교각에 고정되는 하부 플레이트;
일측이 상기 상부 플레이트와 대면되고 타측에는 전단판이 돌출되는 전단판 베이스;
일측이 상기 하부 플레이트와 대면되고 타측에는 홀더가 구비되는 홀더 베이스;
상기 상부 플레이트 및 상기 전단판 베이스 사이에 삽입됨으로써 상기 전단판 베이스를 상기 상부 플레이트에 로킹시키는 상부 쐐기판;
상기 하부 플레이트 및 상기 홀더 베이스 사이에 삽입됨으로써 상기 홀더 베이스를 상기 하부 플레이트에 로킹시키는 하부 쐐기판; 을 포함하며, 상기 전단판은 상기 상판의 종방향을 따라 연장되는 각기둥 형상으로서 상기 상판의 종방향을 따라 이동 가능하고 상기 상판의 횡방향을 따라 그 이동이 규제되도록 상기 홀더에 삽입되는 것을 특징으로 한다.
일 실시예로서, 상기 내진 수단은, 상기 홀더 베이스 또는 하부 플레이트에 고정되며 상기 점성 댐퍼의 일단부가 체결되는 제1 브라켓, 및 상기 점성 댐퍼의 타단부를 상기 상판에 체결시키는 제2 브라켓을 더 구비한다.
일 실시예로서, 상기 상부 및 하부 쐐기판은 원판 또는 타원판 형상이고,
상기 상부 플레이트 및 상기 전단판 베이스는 상기 상부 쐐기판이 삽입되는것으로 상기 상부 쐐기판과 동일한 직경을 갖는 상부 쐐기판 홈을 각각 구비하며,
상기 하부 플레이트 및 상기 홀더 베이스는 상기 하부 쐐기판이 삽입되는 것으로 상기 하부 쐐기판과 동일한 직경을 갖는 하부 쐐기판 홈을 각각 구비한다.
일 실시예로서, 상기 점성 댐퍼는, 작동 유체가 채워진 실린더와, 상기 실린더 내부에서 왕복 이동되는 피스톤과, 상기 작동 유체가 통과되는 오리피스를 구비한다.
일 실시예로서, 상기 내진 수단은, 상기 상판 및 교좌의 질량과 탄성 계수를 감소시키거나 상기 점성 댐퍼의 댐핑 계수를 증가시킴으로써, 상기 교량 구조체의 감쇠비를 증가시킨다.
일 실시예로서, 상기 내진 수단은, 상기 교량 구조체의 고유 진동수가 하중의 가진 주파수보다 더 작은 값을 갖도록 상기 상판 및 교좌의 질량과 탄성 계수를 조절함으로써, 상기 교량 구조체의 진동을 저감시킨다.
한편, 교량의 상판;
상기 상판을 지지하는 교각;
상기 상판 및 교각 사이에 마련되며 상기 상판의 하중을 지지하는 교좌;
상기 상판의 횡방향 이동을 규제하도록 상기 상판 및 교각 사이에 마련되는 수평 받침 장치와, 상기 상판의 종방향을 따른 감쇠력을 제공하는 점성 댐퍼를 구비하는 내진 수단; 을 포함하는 교량 구조체에 대한 상기 내진 수단의 설치 방법에 있어서,
상기 수평 받침 장치는 상기 상판의 종방향을 따라 이동 가능하고 상기 점성 댐퍼의 양단부가 상기 상판 및 상기 수평 받침 장치에 각각 고정되는 것이 바람직하다.
여기서, 상기 내진 수단은 제1 브라켓 및 제2 브라켓을 더 구비하며, 상기 점성 댐퍼의 일단부는 상기 제1 브라켓에 의하여 상기 교각과 연결되고 상기 점성 댐퍼의 타단부는 상기 제2 브라켓에 의하여 상기 상판에 체결되는 것이 바람직하다.
이하에서는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 상세히 설명한다. 본 발명의 실시예는 첨부도면에 도시된 바에 국한되지 않고, 동일한 발명의 범주내에서 다양하게 변형될 수 있음을 밝혀둔다.
삭제
도 1은 본 발명에 따른 내진 수단을 구비한 교량 구조체의 개략적인 측면도 및 평면도이다. 이를 참조하면, 온도 변화나 지진 하중, 풍하중 등의 수평력에 의한 상판(10)의 신축에 대응할 수 있는 교좌(50a,50b,50c)의 설치 상태와 점성 댐퍼(600)의 설치 위치가 도시된다. 전술한 바와 같이, 교량은 차량 및 사람이 통행하는 상판(10)과, 상판(10)을 지지하는 교각(20)과, 교각(20)을 설치하는 기초가 되는 교각 기초(30)와, 교량의 양단을 지지하는 교대(40)로 이루어진다. 전술 및 후술되는 설명에서, 교량의 횡방향이란 x축 방향으로 정의되고, 교량의 종방향이란 y축 방향으로 정의되며, 교량의 수직 방향이란 z축 방향으로 정의된다.
상판(10)과 교각(20) 사이에는 교좌(50a,50b,50c)가 마련되어 상판(10)의 수직 하중 및 수평 하중을 지지한다. 교좌(50a,50b,50c)는 교량의 중앙에 배치되며 상판(10)의 횡방향 및 종방향 이동을 모두 규제하는 고정 교좌(50a)와, 상기 고정 교좌(50a)가 설치된 교각(20)을 제외한 교각(20)에 마련되며 종방향 이동이 가능한 상태로 상판(10)을 지지하는 일방향 이동 교좌(50b)와, 종방향 및 횡방향 이동이 모두 가능한 상태로 상판(10)을 지지하는 양방향 이동 교좌(50c)로 구분된다. 도 4에 도시된 교좌(50a,50b,50c)의 배열 위치는 일 실시예에 불과하므로 본 발명의 기 술적 범위가 이에 한정되는 것은 아니다. 중앙의 고정 교좌(50a)를 중심으로 양측에 일방향 이동 교좌(50b) 및 양방향 이동 교좌(50c)가 배열됨으로써, 온도 변화나 지진, 풍하중의 작용시 상판(10)의 신축이 가능하다.
도시된 점성 댐퍼(600)는 일방향 이동 교좌(50b)에 인접하여 설치되었지만, 이에 한정되지 않고 양방향 이동 교좌(50c)에도 설치될 수 있다. 즉, 점성 댐퍼(600)는 상판(10)과 교각(20) 사이에 상대 변위가 존재하는 이동 교좌(50b, 50c) 위치에 설치됨으로써, 종방향으로 신축되는 상판(10)에 감쇠력을 제공한다.
도 2는 본 발명에 따른 점성 댐퍼(600)를 도시한 측단면도이다. 점성 댐퍼(600)는, 작동 유체(620)가 채워진 실린더(610)와, 상기 실린더(610) 내부에서 왕복 이동되는 피스톤(630)과, 작동 유체(620)가 통과되는 오리피스(650)를 구비한다. 점성 댐퍼(600)의 양단부에는 고정 홀(631)이 각각 마련되며, 일측의 고정 홀(631)은 교각(20) 쪽으로 연결되고 타측의 고정 홀(631)은 상판(10) 쪽으로 연결됨으로써 지진 하중 등의 수평력이 작용될 때 피스톤(630)이 실린더(610) 내에서 왕복 이동된다. 피스톤(630)의 왕복 이동시 오리피스(650)를 통하여 빠져나가는 작동 유체(620)의 마찰 손실 등으로 인하여 감쇠력이 발생한다.
지진 하중의 작용시 피스톤(630) 운동으로 작동 유체(620)의 온도가 상승하면서 작동 유체(620)의 점도가 떨어진다. 일 실시예로서, 오리피스(650)를 바이메탈(bi-metal)로 구성하면 작동 유체(620)의 온도에 따라 오리피스(650)의 크기가 조절되면서 감쇠력의 저하를 방지할 수 있다.
도 7은 본 발명에 따른 내진 수단의 제1 실시예에서 전단키(70)를 도시한 사 진이다. 도 8은 도 7의 전단키(70)가 설치된 교량을 도시한 정면도이다. 도 9는 본 발명에 따른 내진 수단의 제1 실시예를 도시한 측면도이다. 도 7 내지 도 9를 참조하면, 전단키(70) 및 상판(10)에 점성 댐퍼(600)의 양단부가 각각 체결되는 내진 수단의 제1 실시예가 도시된다. 전단키(70)는 교각(20)에 앵커 볼트(72) 등으로 고정되며, 상판(10)의 횡방향 이동을 규제하고 횡방향으로 작용하는 수평력을 지지한다. 상판(10)과 전단키(70) 사이의 접촉면에는 고무 패드(290)가 개재되어 접촉면을 골고루 분포시키고 충격이나 온도변화에 따른 교량의 횡방향 신축에 대한 완충 역할을 하게 된다.
전단키(70)의 측면에 제1 브라켓(690a)을 고정시키고 상판(10)에 제2 브라켓(690b)을 고정시킨 다음, 점성 댐퍼(600) 일단부의 고정 홀(631)을 제1 브라켓(690a)에 체결하고 타단부의 고정 홀(631)을 제2 브라켓(690b)에 체결하면, 점성 댐퍼(600)의 설치가 완료된다. 도시되지는 않았지만, 만약, 교각(20)의 측면에 점성 댐퍼(600) 또는 제1 브라켓(690a)을 직접 앵커 볼트로 고정시킨다면, 앵커 볼트의 체결 구멍을 교각(20)의 표면에 천공하는 과정에서 교각(20)의 철근 구조물이 파손되거나 교각(20)에 크랙(crack)이 발생할 우려가 있다. 본 발명에서는 교량의 횡방향 하중을 지지하기 위하여 이미 설치되어 있거나 향후 설치될 전단키(70)에 점성 댐퍼(600)를 체결한다. 따라서, 점성 댐퍼(600)의 설치를 위하여 추가적으로 교각(20)에 앵커 볼트 구멍을 뚫을 필요가 없으므로 교각(20)의 파손이 방지되고 점성 댐퍼(600)의 설치 및 분리 작업이 간단해지게 된다.
도 10은 본 발명에 따른 내진 수단의 제2 실시예를 도시한 평면도이다. 도 11은 도 10의 정면도이다. 도 12는 도 10의 측면도이다. 도 10 내지 도 12를 참조하면, 콘크리트 블록(700) 및 상판(10)에 점성 댐퍼(600)의 양단부가 각각 체결되는 내진 수단의 제2 실시예가 도시된다. 콘크리트 블록(700)은 교각(20)에 앵커 볼트(72) 등으로 고정되며, 상판(10)의 횡방향 이동을 규제하고 횡방향으로 작용하는 수평력을 지지한다. 상판(10)과 콘크리트 블록(700) 사이의 접촉면에는 고무 패드(290)가 개재되어 접촉면을 골고루 분포시키고 충격이나 온도변화에 따른 교량의 횡방향 신축에 대한 완충 역할을 하게 된다.
콘크리트 블록(700)의 측면에 제1 브라켓(690a)을 고정시키고 상판(10)에 제2 브라켓(690b)을 고정시킨 다음, 점성 댐퍼(600) 일단부의 고정 홀(631)을 제1 브라켓(690a)에 체결하고 타단부의 고정 홀(631)을 제2 브라켓(690b)에 체결하면, 점성 댐퍼(600)의 설치가 완료된다. 콘크리트 블록(700)을 관통하는 앵커 볼트(72)에 의하여 제1 브라켓(690a)이 체결됨으로써, 점성 댐퍼(600)가 단단히 고정된다.
교각(20)에 직접 점성 댐퍼(600) 또는 제1 브라켓(690a)을 설치하는 방식에 비하여, 본 발명에서는 교량의 횡방향 하중을 지지하기 위하여 이미 설치되어 있거나 향후 설치될 콘크리트 블록(700)에 점성 댐퍼(600)를 체결하므로 교각(20)의 파손이 방지되고 점성 댐퍼(600)의 설치 및 분리 작업이 간단해진다.
도 13은 본 발명에 따른 내진 수단의 제3 실시예에서 수평 받침 장치(90b)를 도시한 평면도이다. 도 14는 본 발명에 따른 내진 수단의 제3 실시예를 도시한 측면도이다. 도 15는 도 13의 분해 사시도이다. 도 13 내지 도 15를 참조하면, 수평 받침 장치(90b) 및 상판(10)에 점성 댐퍼(600)의 양단부가 각각 체결되는 내진 수 단의 제3 실시예가 도시된다. 수평 받침 장치(90b)는 상판(10)과 교각(20) 사이에 마련되며 상판(10)의 횡방향 이동을 규제하고 횡방향으로 작용하는 수평력을 지지한다.
수평 받침 장치(90b)는, 상부 플레이트(100), 상부 쐐기판(150a), 전단판 베이스(180), 홀더 베이스(280), 하부 쐐기판(150b), 하부 플레이트(200)를 구비한다. 이동 교좌(도 1참조, 50b, 50c) 주위에 마련되는 수평 받침 장치(90b)는 상판(10)의 횡방향 이동을 로킹할 뿐 상판(10)의 종방향 이동은 규제하지 않으므로, 교량의 종방향을 따라 전단판 베이스(180)와 홀더 베이스(280)의 상대 이동이 가능하다. 수평 받침 장치(90b)는 교량을 세우기 전은 물론 이미 시공 완료된 교량에 대하여도 사후적으로 설치 가능하다.
상부 플레이트(100)는 상판(10)에 고정되고 하부 플레이트(200)는 교각(20)에 고정되며, 그 고정을 위하여 스터드 볼트(300)가 사용되는 것이 바람직하다. 상부 및 하부 플레이트(100,200)를 고정하는 스터드 볼트(300)는 스터드 볼트 기초(미도시)에 모르타르가 타설/양생됨으로써 상판(10)에 고정된다. 스터드 볼트(300)의 일단부는 스터드 볼트(300)의 중앙 부분보다 상대적으로 큰 직경을 가지며 모르타르에 매설된 후에는 쉽게 이탈되지 않는다. 스터드 볼트(300)의 타단부는 상부 플레이트(100)의 상면 및 하부 플레이트(200)의 배면에 각각 마련되는 용접부(310)에 용접됨으로써 고정되는 것이 바람직하다. 스터드 볼트(300) 고정 방식은 상부 및 하부 플레이트(100,200)의 고정 강도를 정확하게 예측할 수 있으며, 상판(10) 및 교각(20)의 큰 손상없이 상부 및 하부 플레이트(100,200)를 고정시킬 수 있다.
전단판 베이스(180)의 고정을 위하여 상부 쐐기판(150a)이 전단판 베이스(180)와 상부 플레이트(100) 사이에 삽입된다. 전단판 베이스(180) 및 상부 플레이트(100)는 상부 쐐기판 홈(105,185)을 각각 구비하며, 상부 쐐기판(150a)이 상부 쐐기판 홈(105,185)에 삽입됨으로써 전단판 베이스(180)는 상부 플레이트(100)에 대하여 횡방향 및 종방향으로의 이동이 로킹된다.
상부 쐐기판(150a)은 원판 또는 타원판 형상이고, 상부 플레이트(100) 및 전단판 베이스(180)에 구비되는 상부 쐐기판 홈(105,185)은 상부 쐐기판(150a)과 동일한 직경(타원판의 경우 동일한 형상)을 갖는 것이 바람직하다. 원판 또는 타원판 형상의 접촉면을 갖는 상부 쐐기판(150a) 및 상부 쐐기판 홈(105,185)은 내접하는 구(球) 형상으로 그 접촉 부분을 근사할 수 있으므로 헤르쯔 접촉(Hertz contact)으로 모델링될 수 있다. 헤르쯔 접촉 모델은 다음의 수학식으로 표현된다.
Figure 112006024154310-pat00001
여기서, PHertz 는 헤르쯔 응력이고, E 는 재료의 탄성계수(Young's modulus)이며, FN 은 두 접촉물의 접촉 부분에 작용하는 접촉력을 의미하고, RPmax 는 상부 쐐기판(150a)의 최대 반경으로서 기초원의 반경을 의미하며, r은 상부 쐐기판 홈(105,185)의 접촉 부분의 반경을 의미하고, b는 접촉 부분의 폭을 나태낸다. 이 때, r은 두 물체가 외접할 경우에는 양(+)의 값을 가지고, 두 물체가 내접할 경우에는 음(-)의 값을 갖는다. 본 발명의 상부 쐐기판(150a) 및 상부 쐐기판 홈(105,185)은 상호 구 접촉하되 내접하는 경우이므로 r 이 음의 값을 갖게 되고 헤르쯔 응력의 크기가 감소됨으로써 상부 쐐기판(150a) 및 후술할 하부 쐐기판(150b)은 더 큰 하중을 지지할 수 있고 접촉 부분의 내구성 및 내마모성이 향상되는 이점을 갖는다.
홀더 베이스(280)의 고정을 위하여 하부 쐐기판(150b)이 홀더 베이스(280)와 하부 플레이트(200) 사이에 삽입된다. 홀더 베이스(280) 및 하부 플레이트(200)는 하부 쐐기판 홈(205,285)을 각각 구비하며, 하부 쐐기판(150b)이 하부 쐐기판 홈(205,285)에 삽입됨으로써 홀더 베이스(280)는 하부 플레이트(200)에 대하여 횡방향 및 종방향으로의 이동이 로킹된다. 상부 쐐기판(150a)의 경우와 동일하게, 하부 쐐기판(150b)은 원판 또는 타원판 형상이고 하부 쐐기판 홈(205,285)과 동일한 직경(타원판의 경우 동일한 형상)을 갖는 것이 바람직하다. 이에 대한 상세한 사항은 상부 쐐기판(150a)에 대한 설명 부분에서 이미 상술하였다.
전단판 베이스(180)는 체결 부재에 의하여 상부 플레이트(100)에 체결됨으로써 그 자중이 지지된다. 일 실시예로서, 상부 플레이트(100) 및 전단판 베이스(180)에 고정 볼트 홀(409)이 마련되며, 고정 볼트(400)가 고정 볼트 홀(409)에 체결된다. 고정 볼트(400)를 풀고 전단판 베이스(180)를 하측으로 이동시키면서 상부 쐐기판(150a) 및 상부 쐐기판 홈(105,185)의 접촉을 분리하면, 전단판 베이스(180)는 상부 플레이트(100)로부터 간단하게 분리된다. 전단판 베이스(180)를 분 리한 다음, 홀더 베이스(280)를 상측으로 이동시키면서 하부 쐐기판(150b) 및 하부 쐐기판 홈(205,285)의 접촉을 분리하면, 홀더 베이스(280)는 하부 플레이트(200)로부터 간단하게 분리된다. 따라서, 본 발명의 수평 받침 장치(90b)는 분해/조립 과정이 매우 간결하다.
전단판 베이스(180)는 전단판(182)을 구비한다. 일 실시예로서, 전단판(182)은 교량의 종방향을 따라 소정의 길이를 갖는 각기둥 형상이다. 홀더 베이스(280)는 슬롯(284)을 형성하는 홀더(282)를 구비한다. 전단판(182)은 슬롯(284)에 삽입되고, y축 방향을 따라 이동 가능하며, 상판(10)의 횡방향 이동을 로킹하고, 교량의 횡방향으로 작용하는 수평력을 지지한다. 전단판(182)과 홀더(282)의 접촉면에 고무 패드(290)가 삽입되어 접촉 충격을 완화하는 것이 바람직하다.
전단판(182)은 전단판 베이스(180)에 대하여 용접이나 체결 부재 등의 이음매 없이 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 홀더(282)도 홀더 베이스(280)에 대하여 이음매 없이 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들면, 주조, 프레스, 다이캐스팅 등에 의하여 전단판(182)과 전단판 베이스(180) 및 홀더(282)와 홀더 베이스(280)가 일체로 형성되는 것이 바람직하다. 하중 지지력, 내구성 및 내마모성을 향상시키기 위함이다.
홀더 베이스(280)에 마련된 홀더(282)에 제1 브라켓(690a)이 연결되며, 상판(10)에 제2 브라켓(690b)이 마련된다. 도시된 바에 한정되지 않고, 하부 플레이트(200)에 제1 브라켓(690a)이 마련되는 실시예도 가능하다. 점성 댐퍼(600) 양단부에 마련된 고정 홀(631)이 제1 브라켓(690a) 및 제2 브라켓(690b)에 각각 체결됨 으로써 점성 댐퍼(600)가 설치된다. 교각(20)에 대하여 종방향으로 상대 이동되는 상판(10)에는 점성 댐퍼(600)에 의한 감쇠력이 작용된다.
도 3은 본 발명에 따른 교량 구조체의 진동 모델을 도시한 모식도이다. 도 3을 참조하면, 내진 수단이 구비된 교량 구조체의 진동 모델이 도시되며, 상판(10)의 질량은 m, 상판(10) 및 교좌(50)의 종방향 탄성계수는 K, 점성 댐퍼(600)의 댐핑 계수는 B, 지진 하중은 F, 교각(20)에 대한 상판(10)의 종방향 변위는 y로 표시된다. 교량 구조체의 진동 모델은 다음과 같이 표현된다.
Figure 112006024154310-pat00002
시간의 함수인 F(t)를 입력 변수로 y(t)를 출력 변수로 보고, 전달함수(transfer function)를 구하기 위하여 y(t)에 대한 초기 조건(initial condition)을 0 으로 놓는다. 그리고 수학식 2를 라플라스 변환하고 전달함수 M(s)를 구하면 다음과 같다.
Figure 112006024154310-pat00003
Figure 112006024154310-pat00004
Figure 112006024154310-pat00005
Wn는 고유진동수이며, ξ는 감쇠비(damping ratio)를 나타낸다. 전달함수 M(s)에 대한 주파수 응답(frequency response) M(jw)을 구하기 위하여 수학식 2에 s= jw 를 대입한다. 설명의 편의상, 이득(gain)성분인 1/K의 영향을 제거하기 위하여 주파수 응답의 크기인 |M(jw)| 를 정규화한다. 정규화된(normalized) 주파수 응답의 크기인 |m(jw)| 는 다음과 같다.
Figure 112006024154310-pat00006
도 5는 본 발명에 따른 내진 수단의 댐핑 작용을 도시한 그래프이다. x축은 주파수를 나타내고 y축은 정규화된(normalized) 주파수 응답의 크기 |m(jw)| 를 나타낸다. 교량 구조체의 고유 진동수가 상수로서 고정 값인 경우에, 감쇠비 ξ 의 변화가 주파수 응답의 크기 |m(jw)| 에 주는 영향이 도시된다. 고유진동수가 일정할 때, 감쇠비ξ를 증가시키면 주파수 응답의 크기 |m(jw)| 를 감소시킬 수 있다. 감쇠비는 점성 댐퍼(600)의 댐핑 계수 B 에 비례하고, 질량 m 및 탄성 계수 K의 곱의 제곱근에 반비례한다. 상판(10)의 질량을 변화시키는 것은 곤란하므로 상판(10) 및 교좌(50)의 탄성 계수를 감소시키거나 점성 댐퍼(600)의 댐핑 계수를 증가시키면, 감쇠비ξ가 증가되면서 교량 구조체의 진동이 저감된다. 또한, 상판(10) 및 교 좌(50)의 질량과 탄성 계수를 그대로 두는 경우에도, 점성 댐퍼(600)의 댐핑력에 의하여 감쇠비ξ가 증가되면서 교량 구조체의 진동이 저감된다.
즉, 종래에 점성 댐퍼(600)가 마련되지 않던 일반적인 교량에 대하여, 본 발명에서는 내진 수단으로서 점성 댐퍼(600)가 구비되므로 지진 하중 등의 종방향 하중 작용시 교량 구조체의 진동이 저감되며, 이동 교좌(50a,50b)에 마련된 점성 댐퍼(600)가 종방향 하중을 분산하여 흡수하므로 고정 교좌(50a)에 종방향 하중이 집중되는 것이 방지된다.
이하에서는 감쇠비 ξ 를 증가시키는 방법 외에 교량 구조체의 고유 진동수를 변화시킴으로써 교량 구조체의 진동을 저감하는 내진 수단의 실시예를 설명한다.
도 4는 본 발명에 따른 내진 수단의 진동 완화 작용을 도시한 그래프이다. y축은 정규화된(normalized) 주파수 응답의 크기 |m(jw)| 를 나타내고, x축은 지진 하중의 가진 주파수 w를 나타낸다. 비교 대상이 되는 원래의 교량 구조체의 종방향 고유 진동수는 참조부호 Wn0 이다. 상판(10) 및 교좌(50)의 질량과 탄성 계수를 조절하여 교량 구조체의 고유 진동수를 참조부호 Wn1으로 감소시킨다. 일반적으로 2차(second order)의 전달함수를 가지는 시스템에 있어서, 고유 진동수보다 높은 주파수 영역에서는 정규화된 주파수 응답의 크기가 1보다 작은 부분이 존재한다. 즉, 2차의 전달함수를 가지는 시스템은 기본적으로 저역 통과필터(low pass filter)로 볼 수 있다. 정규화된 주파수응답의 크기가 1보다 작다는 것은, 정현파(sinusoidal)로 근사할 수 있는 지진 하중이 교량 구조체에 입력될 때, 출력 성 분인 상판(10)의 종방향 변위가 감소될 수 있다는 의미이다. 수학식 3에서는 2차의 전달함수가 표시되고 있다. 그러나, 3차 이상의 전달함수라 할지라도 2차의 전달함수를 기본요소로 포함하는 경우가 많다. 고차의 전달함수일지라도 2차의 전달함수로 근사할 수 있다. 따라서, 일반적으로 교량 구조체의 고유진동수를 지진 하중의 가진 주파수 Ws 보다 낮게 설계하면 진동 감소 효과를 기대할 수 있다.
도 6에는 시간 영역에서 지진 하중의 파형이 도시된다. 도 4에는 지진 하중의 가진 주파수 Ws가 상수인 것으로 표시되었지만 이는 설명의 편의를 위한 것일 뿐, 지진 하중이 일정한 스팬(span)의 주파수 대역에서 변동되더라도 내진 수단의 작용은 동일하다.
수학식 3을 참조하면, 교량 구조체의 고유 진동수는 비틀림 탄성계수 K의 제곱근에 비례하고, 질량 m의 제곱근에 반비례한다. 점성 댐퍼(600)의 댐핑 계수 B는 감쇠비 ξ에만 관계할 뿐 교량 구조체의 고유진동수에 영향을 주지 않는다. 교량 구조체의 질량을 증가시키면 고유 진동수가 감소된다. 그러나, 교량의 질량을 증가시키는 것은 한계가 있다. 바람직하게는, 상판(10) 및 교좌(50)의 탄성계수 K를 줄여서 교량 구조체의 고유 진동수를 감소시킴으로써, 지진 하중에 대한 교량 구조체의 진동을 저감시킬 수 있을 것이다.
도 4을 참조하면, 초기의 고유진동수 Wn0 는 가진주파수 Ws 의 오른쪽에 존재하며, 가진 주파수 Ws에 대한 주파수 응답의 크기가 A0 로서 1보다 큰 값이 된다. 내진 수단이 마련된 후, 고유 진동수 Wn1 은 가진주파수 Ws 의 왼쪽에 존재하며, 가진 주파수 Ws에 대한 주파수 응답의 크기가 A1 으로서 1보다 작은 값이 된 다. 내진 수단은 고유진동수 Wn1 이 가진주파수 Ws 보다 왼쪽에 존재하고, 주파수 응답의 크기가 1 일 때의 주파수 Wk가 가진 주파수 Ws 보다 왼쪽에 존재한다는 2가지 조건을 만족시킨다. 이때 진동의 감소 효과를 얻을 수 있다. 이러한 조건을 만족시키도록 상판(10) 및 교좌(50)의 질량과 탄성 계수를 조절한 것이 내진 수단의 일 실시예이다.
즉, 본 발명의 내진 수단으로서 점성 댐퍼(600)는, 상판(10) 및 교좌(50)의 질량과 탄성 계수를 조절하는 것과 무관하게, 교량 구조체에 감쇠력을 제공하여 진동을 저감시킨다. 또한, 본 발명의 내진 수단으로서, 상판(10) 및 교좌(50)의 질량과 탄성 계수를 조절하여 교량 구조체의 고유 진동수를 이동시키거나 교량 구조체의 감쇠비 ξ를 증가시키는 경우에도 교량 구조체의 진동을 저감시킬 수 있다.
상술한 바와 같은 본 발명의 내진 수단을 구비한 교량 구조체 및 내진 수단의 설치 방법에 따르면, 점성 댐퍼가 마련되어 진동 감쇠력을 제공하며, 교량 구조체에 작용하는 하중을 분산시켜 흡수하고, 고정 교좌에 하중이 집중되는 것을 방지하며, 교량 구조체의 내진 성능 및 내구성을 향상시키고, 교량 구조체의 수명을 연장하여 유지 보수를 용이하게 하며, 진동을 저감시킬 수 있는 복잡한 구조의 교좌 장치가 불필요하므로 교량의 설치 비용이 절감된다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.

Claims (15)

  1. 삭제
  2. 교량의 상판;
    상기 상판을 지지하는 교각;
    상기 상판 및 교각 사이에 마련되며 상기 상판의 하중을 지지하는 교좌;
    상기 상판의 횡방향 이동을 규제하도록 상기 상판 및 교각 사이에 마련되는 수평 받침 장치와, 상기 상판의 종방향을 따른 감쇠력을 제공하는 점성 댐퍼를 구비하는 내진 수단; 을 포함하며,
    상기 수평 받침 장치는,
    상기 상판에 고정되는 상부 플레이트;
    상기 교각에 고정되는 하부 플레이트;
    일측이 상기 상부 플레이트와 대면되고 타측에는 전단판이 돌출되는 전단판 베이스;
    일측이 상기 하부 플레이트와 대면되고 타측에는 홀더가 구비되는 홀더 베이스;
    상기 상부 플레이트 및 상기 전단판 베이스 사이에 삽입됨으로써 상기 전단판 베이스를 상기 상부 플레이트에 로킹시키는 상부 쐐기판;
    상기 하부 플레이트 및 상기 홀더 베이스 사이에 삽입됨으로써 상기 홀더 베이스를 상기 하부 플레이트에 로킹시키는 하부 쐐기판; 을 포함하고,
    상기 수평 받침 장치는 상기 상판의 종방향을 따라 이동 가능하고 상기 점성 댐퍼의 양단부는 상기 수평 받침 장치 및 상기 상판에 각각 고정되며,
    상기 전단판은 상기 상판의 종방향을 따라 연장되는 각기둥 형상으로서 상기 상판의 종방향을 따라 이동 가능하고 상기 상판의 횡방향을 따라 그 이동이 규제되도록 상기 홀더에 삽입되는 것을 특징으로 하는 교량 구조체.
  3. 제 2항에 있어서,
    상기 내진 수단은,
    상기 홀더 베이스 또는 하부 플레이트에 고정되며 상기 점성 댐퍼의 일단부가 체결되는 제1 브라켓, 및 상기 점성 댐퍼의 타단부를 상기 상판에 체결시키는 제2 브라켓을 더 구비하는 것을 특징으로 하는 교량 구조체.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 상부 및 하부 쐐기판은 원판 또는 타원판 형상이고,
    상기 상부 플레이트 및 상기 전단판 베이스는 상기 상부 쐐기판이 삽입되는것으로 상기 상부 쐐기판과 동일한 직경을 갖는 상부 쐐기판 홈을 각각 구비하며,
    상기 하부 플레이트 및 상기 홀더 베이스는 상기 하부 쐐기판이 삽입되는 것으로 상기 하부 쐐기판과 동일한 직경을 갖는 하부 쐐기판 홈을 각각 구비하는 것을 특징으로 하는 교량 구조체.
  5. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 점성 댐퍼는,
    작동 유체가 채워진 실린더와, 상기 실린더 내부에서 왕복 이동되는 피스톤과, 상기 작동 유체가 통과되는 오리피스를 구비하는 것을 특징으로 하는 교량 구조체.
  6. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내진 수단은,
    상기 상판 및 교좌의 질량과 탄성 계수를 감소시키거나 상기 점성 댐퍼의 댐핑 계수를 증가시킴으로써, 상기 교량 구조체의 감쇠비를 증가시키는 것을 특징으로 하는 교량 구조체.
  7. 제 2항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 내진 수단은,
    상기 교량 구조체의 고유 진동수가 하중의 가진 주파수보다 더 작은 값을 갖도록 상기 상판 및 교좌의 질량과 탄성 계수를 조절함으로써, 상기 교량 구조체의 진동을 저감시키는 것을 특징으로 하는 교량 구조체.
  8. 삭제
  9. 교량의 상판;
    상기 상판을 지지하는 교각;
    상기 상판 및 교각 사이에 마련되며 상기 상판의 하중을 지지하는 교좌;
    상기 상판의 횡방향 이동을 규제하도록 상기 상판 및 교각 사이에 마련되는 수평 받침 장치와, 상기 상판의 종방향을 따른 감쇠력을 제공하는 점성 댐퍼를 구비하는 내진 수단; 을 포함하는 교량 구조체에 대한 상기 내진 수단의 설치 방법에 있어서,
    상기 수평 받침 장치는,
    상기 상판에 고정되는 상부 플레이트;
    상기 교각에 고정되는 하부 플레이트;
    일측이 상기 상부 플레이트와 대면되고 타측에는 전단판이 돌출되는 전단판 베이스;
    일측이 상기 하부 플레이트와 대면되고 타측에는 홀더가 구비되는 홀더 베이스;
    상기 상부 플레이트 및 상기 전단판 베이스 사이에 삽입됨으로써 상기 전단판 베이스를 상기 상부 플레이트에 로킹시키는 상부 쐐기판;
    상기 하부 플레이트 및 상기 홀더 베이스 사이에 삽입됨으로써 상기 홀더 베이스를 상기 하부 플레이트에 로킹시키는 하부 쐐기판; 을 포함하고,
    상기 수평 받침 장치는 상기 상판의 종방향을 따라 이동 가능하고 상기 점성 댐퍼의 양단부가 상기 상판 및 상기 수평 받침 장치에 각각 고정되며,
    상기 전단판은 상기 상판의 종방향을 따라 연장되는 각기둥 형상으로서 상기 상판의 종방향을 따라 이동 가능하고 상기 상판의 횡방향을 따라 그 이동이 규제되도록 상기 홀더에 삽입되는 것을 특징으로 하는 설치 방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 내진 수단은 제1 브라켓 및 제2 브라켓을 더 구비하며,
    상기 제1 브라켓은 상기 홀더 베이스 또는 하부 플레이트에 고정되며 상기 점성 댐퍼의 일단부가 체결되고,
    상기 점성 댐퍼의 타단부는 상기 제2 브라켓에 의하여 상기 상판에 체결되는 것을 특징으로 하는 설치 방법.
  11. 제 10항에 있어서,
    상기 상부 및 하부 쐐기판은 원판 또는 타원판 형상이고,
    상기 상부 플레이트 및 상기 전단판 베이스는 상기 상부 쐐기판과 동일한 직경을 갖는 상부 쐐기판 홈을 각각 구비하며,
    상기 하부 플레이트 및 상기 홀더 베이스는 상기 하부 쐐기판과 동일한 직경을 갖는 하부 쐐기판 홈을 각각 구비하고,
    상기 상부 쐐기판이 상기 상부 쐐기판 홈에 삽입되며 상기 하부 쐐기판이 상기 하부 쐐기판 홈에 각각 삽입되는 것을 특징으로 하는 설치 방법.
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  13. 삭제
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  15. 삭제
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