KR100716088B1 - 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링 - Google Patents

마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링 Download PDF

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Abstract

지진이나 동하중 등에 의해 상부구조물과 하부구조물 상호간에 전달되는 충격력을 완충하여 주고 상하방향의 진동을 감쇠시켜주는 마찰을 이용한 수직진동 감쇠 베어링이 개시된다. 상기 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링은 상부구조물에 연결하기 위한 상부부재, 상기 상부부재와 간격을 두고 배치되고 하부구조물에 연결하기 위한 하부부재, 저면에 제 1경사면을 구비하여 상기 상부부재의 하부에 설치되고 상기 상부구조물의 하중과 상기 상부구조물에서 발생되는 수직진동을 하부로 전달하는 저면 경사부재, 상면에 상기 제 1경사면과 접촉되는 제 2경사면을 구비하여 상기 하부부재와 상기 저면경사부재 사이에 설치되어 상기 상부구조물의 하중을 지지하고 상기 수직진동에 의해 가해지는 힘의 크기에 따라 전후 이동되면서 대응되는 면과 마찰을 일으켜 상기 수직진동을 감쇠시키는 쐐기부재 및 상기 쐐기부재를 수평방향으로 탄성적으로 지지하는 수평탄성부재를 포함하는 구성을 가지며, 진동흡수율이 뛰어나고, 경사각을 조절하여 수평저항력 조절이 매우 용이하고, 쐐기부재와 지지대 사이에 배치되는 머스프링의 초기압축(pre-compression)에 의한 변위조절이 용이하다.
수직진동, 진동, 교좌장치, 베어링, 진동제어

Description

마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링 {Bearing for damping vertical vibration utilizing friction}
도 1은 본 발명에 따른 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링의 일례를 나타낸 단면도,
도 2는 도 1에 나타낸 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링의 변형 예를 나타낸 단면도,
도 3은 도 2에 나타낸 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링의 변형 예를 나타낸 단면도,
도 4는 도 2의 다른 변형 예를 나타낸 단면도,
도 5는 본 발명에 따른 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링의 다른 실시 예를 나타낸 단면도,
도 6은 도 5의 변형 예를 나타낸 단면도,
도 7은 도 5 실시 예의 다른 변형 예를 나타낸 단면도,
도 8 내지 도 10은 수직압력이 5MPa, 17.6MPa 및 111MPa인 경우의 속도에 따른 마찰계수의 변화의 일례를 각각 나타낸 그래프,
도 11은 진동 시의 마찰면에 작용하는 마찰력과 변위의 변화의 일례를 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 ~ 106 : 수직진동 감쇠베어링 110 : 상부부재
112 : 안내부재 120 : 하부부재
124 : 지지대 130 : 저면 경사부재
140 : 쐐기부재 150, 170 : 탄성부재
180 : 탄성패드 190: 핀
200 : 핀장착부재
본 발명은 상부구조물과 하부구조물 사이에 설치되는 베어링에 관한 것으로, 특히 상부구조물의 하중을 지지하여 주면서 지진이나 동하중 등에 의해 상부구조물과 하부구조물 상호간에 전달되는 충격력을 완충하여 주고 상하방향의 진동을 감쇠시켜주는 수직진동 감쇠 베어링에 관한 것이다.
일반적으로, 차량이 통과하는 교량이나 건물 상부로 고속철이 통과하는 고속철의 역사, 기타 수직방향의 지진에 대한 내진설계가 필요한 원자력시설이나 가스탱크 등의 구조물은 진동감쇠, 구조물의 안정성을 보장하기 위해 상부구조물과 하부구조물이 분리되어 구성되고, 상부구조물과 하부구조물 사이에 상부구조물의 하중을 지지하여주면서 상부구조물과 하부구조물 상호간에 전달되는 충격력을 완충하여주고 진동을 감쇠시키기 위한 베어링이 설치된다.
종래에는 상부구조물과 하부구조물 상호간에 전달되는 수직방향의 충격력을 완충하여주고 상부구조물과 하부구조물의 진동을 감쇠하여주기 위한 것으로, 코일 스프링을 이용한 것이 주로 사용되었다. 즉, 종래의 수직진동 감쇠 베어링은 상부구조물과 하부구조물에 각각 고정되는 상판과 하판 사이에 코일 스프링만을 장착하여 상부구조물과 하부구조물 상호간에 전달되는 충격력을 완충하여 상부구조물과 하부구조물 상호간에 전달되는 진동이 감쇠되도록 하였다.
하지만 상기와 같은 코일 스프링을 이용한 베어링은 큰 수직하중을 지지하기 위해서는 코일의 직경이 매우 커져야 하기 때문에 만들기가 어렵고 단가도 비싸다. 또, 종래의 베어링은 그에 사용되는 코일 스프링의 특성상 충격완충 성능은 뛰어나지만 충격흡수력은 떨어지기 때문에 진동흡수율이 10% 이내이고 진동이 오래 지속된다는 문제점을 안고 있다.
그 외에 고속철의 주슬래브와 궤도용 부슬래브 사이에 방진매트를 설치한 것이 있으나, 이 역시 진동흡수율이 10% 이내여서 진동이 오래 지속되고 구조가 복잡해서 시공하기가 매우 까다롭다는 단점을 가진다.
그 외에 폴리우레탄 디스크 받침의 중앙부에 유압댐퍼를 설치한 것이 있으나, 유체를 사용하기 때문에 만들기 까다롭고 유지 및 보수가 어렵다는 단점이 있다. 일반 폴리우레탄 디스크의 진동흡수율은 5 ~ 8%이다.
본 발명의 목적은 고속철 구조물과 같은 레일 침하가 매우 작게 발생되어야 하는 구조물에 설치되어 수직진동을 감쇠시키기에 적합한 수직진동 감쇠베어링을 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 수직진동의 충격흡수력이 뛰어난 수직진동 감쇠베어링을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 수직진동의 변위를 조절하기가 쉬운 수직진동 감쇠베어링을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 높이 조절이 용이한 수직진동 감쇠베어링을 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 수직진동을 감쇠시킬 뿐만 아니라 수평방향의 충격을 흡수하여줄 수 있는 수직진동 감쇠베어링을 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 수직진동 감쇠베어링은 상부구조물에 연결하기 위한 상부부재, 상기 상부부재와 간격을 두고 배치되고 하부구조물에 연결하기 위한 하부부재, 저면에 제 1경사면을 구비하여 상기 상부부재의 하부에 설치되고 상기 상부구조물의 하중과 상기 상부구조물에서 발생되는 수직진동을 하부로 전달하는 저면 경사부재, 상면에 상기 제 1경사면과 접촉되는 제 2경사면을 구비하여 상기 하부부재와 상기 저면경사부재 사이에 설치되어 상기 상부구조물의 하중을 지지하고 상기 수직진동에 의해 가해지는 힘의 크기에 따라 전후 이동되면서 대응되는 면과 마찰을 일으켜 상기 수직진동을 감쇠시키는 쐐기부재 및 상기 쐐기부재를 수평방향으로 탄성적으로 지지하는 수평탄성부재를 포함하는 구성을 가진다.
상기 제 1경사면은 양측에서 마주보고 대칭으로 각각 형성되고, 상기 쐐기부 재는 좌우의 한 쌍이 간격을 두고 마주보고 배치되고, 상기 수평탄성부재는 상기 쐐기부재 뒷면에 상기 쐐기부재와 간격을 두고 각각 배치된 지지대와 상기 쐐기부재 사이에 각각 배치된 머스프링인 것이 바람직하다.
상기 쐐기부재의 이동 시 상기 쐐기부재와 마찰을 일으키는 마찰면에는 미끄럼부재가 각각 설치된 것이 좋다.
상기 머스프링에는 수평방향으로 관통공이 형성되고, 상기 머스프링은 상기 지지대에 상기 쐐기부재의 운동방향으로 이동 가능케 설치되고 일단은 상기 관통공에 삽입되는 로드의 지지를 받는 구성으로 하는 것이 좋다.
상기 머스프링에는 수평방향으로 관통공이 형성되고, 상기 머스프링은 상기 지지대에 상기 쐐기부재의 운동방향으로 이동 가능케 설치되고 상기 관통공에 삽입되는 볼트기구에 의해 초기 압축될 수 있다.
경우에 따라, 상기 저면경사부재의 상면에는 구면형표면의 홈 또는 돌기가 형성되고, 상기 상부부재와 상기 저면경사부재 사이에는 상기 구면형표면의 홈 또는 돌기에 결합되는 돌기 또는 홈을 구비하여 상기 상부부재의 회전을 허용하는 구면형표면부재가 설치될 수 있다.
상기 구면형표면부재는 상기 상부부재에 일체로 설치되고, 상기 구면형표면의 홈 또는 돌기의 표면에는 미세홈들이 형성되고 상기 미세홈들에는 흑연이 충전되어 있는 것이 좋다.
상기 상부부재 저면에는 간격을 두고 하방으로 각각 돌출되어 상기 구면형표면부재의 양 측면에 접촉되어 상기 상부부재의 일방향의 이동을 안내하는 안내부재 가 설치될 수 있다.
상기 상부부재 저면에는 하방으로 돌출되어 상기 구면형표면부재의 둘레로 상기 구면형표면부재의 측면과 간격을 두고 4방으로 배치되는 지지부가 설치되고 상기 구면형표면부재와 상기 지지부 사이에 탄성부재가 설치될 수 있다.
경우에 따라, 상기 저면경사부재의 상면에 핀홈이 형성되고, 상기 저면경사부재 상면에 상하로 통공이 형성된 탄성패드가 설치되고, 상기 상부부재 저면에 상기 통공으로 삽입되어 하단이 상기 핀홈에 삽입되는 핀이 하방으로 돌출되게 설치될 수 있다.
상기 저면경사부재의 상면에 핀홈이 형성되고, 상기 저면경사부재 상면에 상하로 통공이 형성된 탄성패드가 설치되고, 상기 상부부재와 상기 탄성패드 사이에 상기 통공으로 삽입되어 하단이 상기 핀홈에 삽입되는 핀이 하방으로 돌출되게 설치된 핀장착부재가 설치되고, 상기 상부부재에는 하방으로 돌출되어 상기 핀장착부재의 양 측면에 접촉되어 상기 상부부재의 일방향의 이동을 안내하는 안내부재가 설치될 수 있다.
상기 저면경사부재의 상면에 핀홈이 형성되고, 상기 저면경사부재 상면에 상하로 통공이 형성된 탄성패드가 설치되고, 상기 상부부재와 상기 탄성패드 사이에 상기 통공으로 삽입되어 하단이 상기 핀홈에 삽입되는 핀이 하방으로 돌출되게 설치된 핀장착부재가 설치되고, 상기 상부부재에는 하방으로 돌출되어 상기 핀장착부재의 둘레로 상기 핀장착부재의 측면과 간격을 두고 배치되는 돌출부가 설치되고, 상기 핀장착부재의 측면과 상기 돌출부 사이에 탄성부재가 설치될 수 있다.
상기 핀장착부재의 측면에는 수평홈이 형성되고, 상기 탄성부재에는 수평방향으로 관통공이 형성되고, 상기 탄성부재는 일단이 상기 수평홈에 이동 가능케 결합되고 타단이 상기 관통공에 삽입되는 로드에 의해 지지될 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링의 일례를 나타낸 단면도이다.
본 발명에 따른 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링(100)은 진동감쇠, 구조물의 안정성을 보장하기 위해 상부구조물과 하부구조물이 분리되어 구성되는 고속철의 역사 등의 상부구조물과 하부구조물 사이에 설치되는 것으로, 상부구조물에 연결하기 위한 상부부재(110)와 상부부재(110)와 간격을 두고 배치되고 하부구조물에 연결하기 위한 하부부재(120)를 구비한다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링(100)은 상부부재(110)와 하부부재(120) 사이에 저면에 제 1경사면(132)을 갖는 저면 경사부재(130)와 제 1경사면(132)에 접촉되어 저면 경사부재(130)를 받쳐주는 제 2경사면(142)을 구비하여 좌우로 이동 가능케 설치된 쐐기부재(140) 및 쐐기부재(140)의 측면을 탄성적으로 지지하여주는 탄성부재(150)를 구비하는 구성을 가진다.
이 실시 예에서, 저면 경사부재(130)는 상부부재(110)에 일체로 설치되어 있으며, 그 저면에 제 1경사면(132)이 형성되어 있다. 제 1경사면(132)은 도 1에 나타낸 바와 같이 양 측면에 마주보고 좌우로 각각 형성하는 것이 바람직하지만, 경 우에 따라서는 제 1경사면(132)을 1개만을 형성하여도 된다. 이 경우 저면 경상부재(130)의 일측면에서 저면 경사부재(130)가 한쪽으로 밀리는 것을 방지하기 위해 탄성부재로 지지하여주는 것이 바람직하다.
저면 경사부재(130)는 반드시 상부부재(110)에 일체로 고정적으로 설치되어야 하는 것은 아니고, 서로 유동 가능하게 또는 상부부재(110)와 저면 경사부재(130) 사이에 다른 부재가 개재된 상태로 설치될 수 있다. 이는 뒤의 실시 예들을 참고하면 알 수 있다. 이러한 저면 경사부재(130)는 상부부재(110)가 설치되는 상부구조물의 하중과 상부구조물에서 발생되는 수직진동을 하부로 전달하는 역할을 한다.
전후 방향으로는 저면 경사부재(130)가 움직이지 못하도록 가이드 바를 설치하거나 제 1경사면(132)과 제 2경사면(142)의 표면을 V자 모양으로 형성할 수 있다. 또, 경우에 따라서는 저면 경사부재(130)의 저면에 제 1경사면(132)을 전, 후, 좌, 우의 4방향 모두에 설치하고, 쐐기부재(140) 역시 전, 후, 좌, 우의 4방향에 모두 설치하여 구성할 수 있음은 물론이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링(100)은 쐐기부재(140)를 구비한다. 이 쐐기부재(140)의 상면에는 제 1경사면(132)에 접촉되는 제 2경사면(142)이 형성되어 있다. 이 쐐기부재(140)는 좌우로 한 쌍이 배치되며 저면 경사부재(130)와 하부부재(120) 사이에서 좌우로 이동 가능케 설치되어 있으며, 하부부재(120)와 저면 경사부재(130) 사이에 설치되어 상부구조물의 하중을 지지하고 수직진동에 의해 상부구조물 쪽에서 가해지는 힘의 크기에 따라 전후 이동되면서 제 2경사면(142)이 제 1경사면(132)과 마찰을 일으켜 상기 수직진동을 감쇠시키는 역할을 한다. 물론, 쐐기부재(140)의 저면과 하부부재(120)의 상면도 서로 마찰을 일으켜 수직진동을 감쇠시키는 역할을 한다.
도시된 바와 같이 제 1경사면(132)과 제 2경사면(142) 사이에는 상호간의 원활한 미끄럼운동을 위한 미끄럼부재(134, 144)가 각각 부착되어 있다. 미끄럼부재(134, 144)로는 제 1경사면(132)에 불소수지판 또는 테프론판을 부착하고, 제 2경사면(142)에 스테인리스 스틸판을 부착하여 구성하는 것이 바람직하다. 또 쐐기부재(140)와 하부부재(120) 사이에도 불소수지판(145)과 스테인리스 스틸판(122)을 각각 설치하여 하부부재(120) 상에서 쐐기부재(140)가 원활하게 이동될 수 있도록 하는 것이 좋고, 이들 역시 다른 미끄럼부재들로 대체될 수 있음은 물론이다.
도시된 바와 같이 쐐기부재(140)의 바깥쪽으로 쐐기부재(140)와 간격을 두고 지지대(124)가 설치되어 있고, 이 지지대(124)와 쐐기부재(140) 사이에 쐐기부재(140)의 측면을 탄성적으로 지지하는 탄성부재(150)가 설치되어 있다. 이 탄성부재(150)는 쐐기부재(140)를 수평방향으로 탄성적으로 지지하기 위한 것으로, 머스프링(MER-spring)이 적당하다. 탄성부재(150)에는 수평방향으로 관통공(152)이 형성되어 있다. 이 관통공(152)을 통해 로드(154)가 삽입되어 지지대(124)에 지지되어 있다. 로드(154)는 지지대(124)에 형성된 수평구멍(125)에 장착되어 쐐기부재(140)의 운동방향으로 이동 가능케 설치되어 있다.
바람직하게, 로드(154)로는 관통공(152)에 삽입되어 일단이 그 탄성부재의 단면에 걸리는 부분을 갖고 타단에 나선이 형성되고 나선에 너트(155)가 결합된 볼 트기구(156)에 의해 초기 압축되어 설치되는 것이 바람직하다. 초기압축된 상태에서 너트(155)는 풀리지 않도록 용접 등에 의해 로드(154)에 고정되도록 하는 것이 좋다.
도 1에 나타낸 바와 같은 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링(100)은 회전을 허용하지 않으면서 수직진동을 감쇠시켜줄 필요가 있는 장소에 설치되는 것이 바람직하다.
도 2는 도 1에 나타낸 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링의 변형 예를 나타낸 단면도이다.
도 2에 나타낸 수직진동 감쇠베어링(101)은 상부구조물의 회전을 허용할 수 있도록 한 것이라는 점에서 도 1에 나타낸 수직진동 감쇠베어링(100)과 차이가 있다.
도시된 바와 같이 도 2의 수직진동 감쇠베어링(101)의 저면 경사부재(130) 상면에는 구면형표면의 홈(135)이 형성되어 있다. 이러한 저면 경사부재(130)와 상부부재(110) 사이에는 구면형표면의 홈(135)에 결합되는 구면형표면의 돌기(162)를 구비하여 상부부재(110)의 회전을 허용하는 구면형표면부재(160)가 설치되어 있다. 이 구면형표면부재(160)는 상부부재(110)에 고정되어 움직이지 않도록 설치되어 있다.
구면형표면부재(160)의 표면에는 미세홈(164)들이 형성되어 있고, 이 미세홈(164)들에는 흑연(165)이 충전되어 있다. 흑연(165)은 구면형표면의 홈(135)과 구면형표면의 돌기(162)간의 접촉면을 매끄럽게 하는 역할을 한다. 구면형표면부 재(160)로는 내마모성이 큰 고력황동이 적합하게 사용될 수 있다.
구면형표면의 홈(135)과 돌기(162)는 서로 위치를 바꾸어 설치될 수 있다.
그 외에 서로 접촉되어 마찰을 일으키는 면에는 크롬, 몰리브덴 등을 도금하여 매끈한 표면을 유지하도록 할 수 있다.
도 2에 나타낸 바와 같이 수직진동 감쇠베어링(101)을 구성하는 경우 상부부재(110)가 결합되는 상부구조물의 회전이 허용된다. 나머지 사항은 앞에서 설명한 바와 같다.
도 3은 도 2에 나타낸 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링의 변형 예를 나타낸 단면도이다.
도 3의 실시 예의 수직진동 감쇠베어링(102)은 도 2의 수직진동 감쇠베어링(101)에서 구면형표면부재(160)를 상부부재(110)와 분리하여 상부부재(110)가 구면형표면부재(160)에에 대해 일방향으로 이동될 수 있도록 한 것으로서, 상부부재(110)의 저면에 간격을 두고 하방으로 각각 돌출되어 구면형표면부재(160)의 양 측면에 접촉되어 상부부재(110)의 일방향의 이동을 안내하는 안내부재(112)가 설치된 구성을 가진다. 상부부재(110)와 구면형표면부재(160)의 상면 사이 및 안내부재(112)와 구면형표면부재(160)의 측면 사이에는 원활한 미끄럼운동을 위해 스테인리스 스틸판(113)과 불소수지판(166)이 각각 대응되는 면에 부착되어 있다. 불소수지판(166) 대신에 테프론판 등이 사용될 수 있으며, 스테인리스 스틸판(113) 대신에 고력 황동판이 사용될 수 있다. 그 외에도 상호간의 마찰을 줄일 수 있는 재료가 부착될 수 있다.
도 3에 나타낸 바와 같은 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링(102)은 상부구조물에서 작용하는 수직진동에 의한 하중의 크기에 따라 쐐기부재(140)가 전진 또는 후진하면서 제 1경사면(132)과 제 2경사면(142) 간의 마찰과 쐐기부재(140)의 저면과 하부부재(120) 간의 2중 마찰에 의해 상부구조물의 수직진동을 감쇠시켜준다. 쐐기부재(140)가 후진하는 경우 머스프링으로 된 탄성부재(150)는 수축하면서 쐐기부재(140)의 측면을 받쳐주다가 쐐기부재(140)에 작용하는 힘이 줄어들면 탄성부재(150)는 쐐기부재(140)를 수평방향으로 내측으로 밀어준다.
저면 경사부재(130)와 구면형표면부재(160)는 상부구조물에 회전력이 작용하는 경우 상부구조물의 회전을 허용하고, 구면형표면부재(160)는 상부부재(110)가 일방향으로 이동하는 것을 허용한다.
도 3에 나타낸 바와 같은 수직진동 감쇠베어링(102)은 상부구조물의 회전을 허용하면서 일방향을 따라 이동되는 것을 허용하는 일방향 가동단의 지지에 적합하게 사용된다.
나머지 사항은 도 2에서 설명한 것과 같다.
도 3에서 안내부재(112)를 설치하지 않는 경우 구면형표면부재(160)는 상부부재(100)에 대해 양방향으로의 이동을 허용한다.
도 4는 도 2의 다른 변형 예를 나타낸 단면도이다.
도 4에 나타낸 바와 같이 경우에 따라서는 상부부재(110) 하면에 하방으로 돌출되는 안내부재(112)를 구면형표면부재(160)의 측면과 충분한 거리를 두고 사방에 설치하고 안내부재(112)와 구면형표면부재(160) 사이에 머스프링과 같은 탄성부 재(170)를 설치하면 수평방향의 충격력도 완충하여줄 수 있다.
탄성부재(170)의 설치는 구면형표면부재(160)의 4 측면에 구멍(167)들을 형성하고, 탄성부재(170)에 로드(172)를 삽입하여 장착하면 된다. 탄성부재(170)의 끝단과 안내부재(112)의 사이에는 바람직하게 미끄럼부재(174)가 설치된다.
도 4에 나타낸 바와 같은 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링(103)은 지지되는 상부구조물의 수직 침하가 작아야하고 회전을 허용하여야 하고 양방향의 이동을 어느 정도 허용하면서도 수평방향의 충격력도 완충하여주어야 하는 양방향 가동단의 지지에 적합하다.
나머지 사항은 도 3에서 설명한 것과 같다.
도 5는 본 발명에 따른 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링의 다른 실시 예를 나타낸 단면도이다.
도 5의 베어링(104)은 구면형표면부재(160) 대신에 폴리우탄 등으로 되는 탄성패드(180)를 사용한 것으로, 지지되는 상부구조물의 침하량이 비교적 크더라도 상관없는 곳의 지지에 사용된다.
도시된 바와 같이 저면 경사부재(130)의 상면 중앙부에는 핀홈(136)이 형성되어 있다. 이 저면 경사부재(130) 상면에는 상하로 통공(182)이 형성되어 있는 탄성패드(180)가 장착되어 있다. 탄성패드(180)의 통공(182)으로는 상부부재(110)의 저면에 고정되어 하방으로 돌출되는 핀(190)이 삽입되어 있다. 핀(190)의 하단은 탄성패드(180) 하부로 돌출되어 핀홈(136)에 삽입되어 있다.
도 5에 나타낸 바와 같은 수직진동 감쇠베어링(104)은 쐐기부재(140)와 저면 경사부재(130) 및 탄성부재(150)의 작용에 의해 그 위에 지지되는 상부구조물의 수직진동을 감쇠시켜줄 수 있다. 탄성패드(180)는 수직방향의 하중을 탄성적으로 지지하여 주고 충격을 완충하여주면서 상부구조물의 회전을 허용한다. 핀(190)은 상부부재(110)에 연결되는 상부구조물이 저면경사부재(130)에 구속되어 어느 방향으로도 움직이지 못하도록 하는 역할을 한다.
도 5에 나타낸 바와 같은 수직진동 감쇠베어링(104)은 고정단에 적합하게 사용된다. 나머지 사항은 앞 실시 예들을 통해 설명한 바와 같다.
도 6은 도 5의 변형 예를 나타낸 단면도이다.
도시된 바와 같이 상부부재(110)와 탄성패드(180) 사이에 핀장착부재(200)가 설치되고, 이 핀장착부재(200)의 저면에 핀(190)이 고정되어 있다.
그리고 상부부재(110)에는 하방으로 돌출되어 핀장착부재(200)의 양 측면에 접촉되어 상부부재(110)의 일방향의 이동을 안내하는 안내부재(112)가 설치되어 있다.
핀장착부재(200)와 안내부재(112)의 사이 및 상부부재(110)와 핀장착부재(200)의 사이에는 두 부재 상호간의 원활한 미끄럼운동을 위한 미끄럼부재(202, 204)가 각각 설치되어 있다.
도 6에 나타낸 바와 같은 수직진동 감쇠베어링(105)은 지지되는 상부구조물의 수직진동에 의한 충격력을 완충하여주고, 충격력을 흡수하여 수직진동을 감쇠시키며, 상부구조물의 회전을 허용하고, 상부구조물이 일방향으로 이동되는 것을 허용한다.
도 6에 나타낸 수직진동 감쇠베어링(105)은 교량의 일방향 가동단에 설치되어 적합하게 사용될 수 있다.
도 7은 도 5 실시 예의 다른 변형 예를 나타낸 단면도이다.
도시된 바와 같이 본 발명에 따른 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링(106)은 저면 경사부재(130)의 상면 중앙부에 핀홈(136)을 형성하고, 그 위에 폴리우레탄 등으로 된 통공(182)을 갖는 탄성패드(180)를 배치하고, 상부부재(110)와 탄성패드(180) 사이에 통공(182)으로 삽입되어 하단이 핀홈(136)에 삽입되는 핀(190)이 하방으로 돌출되게 설치된 핀장착부재(200)를 설치하고, 상부부재(110)에는 하방으로 돌출되어 핀장착부재(200)의 둘레로 핀장착부재(200)의 측면과 간격을 두고 배치되는 안내부재(112)를 설치하여 핀장착부재(200)의 측면과 안내부재(112) 사이에 탄성부재(170)를 설치하여 구성할 수 있다.
도시된 바와 같이 핀장착부재(200)의 측면에는 수평홈(207)이 형성되고, 탄성부재(170)에는 수평방향으로 관통공(173)이 형성되어 있다. 탄성부재(170)는 일단이 수평홈(207)에 이동 가능케 결합되고 타단이 관통공(173)에 삽입되는 로드(172)에 의해 지지되어 있다.
도 7에 나타낸 바와 같은 수직진동 감쇠베어링(106)은 지지되는 상부구조물의 수직진동을 완충하여주고, 감쇠시켜주며, 수평방향의 충격력도 완충하여주며, 교량 등의 양방향 가동단에 적합하게 사용될 수 있다.
나머지 사항은 도 5와 도 6을 통해 설명한 것과 같다.
도 8 내지 도 10은 수직압력이 5MPa, 17.6MPa 및 111MPa인 경우의 속도에 따 른 마찰계수의 변화의 일례를 각각 나타낸 그래프이다.
도 8 내지 도 10의 그래프에서 알 수 있는 바와 같이 초기에는 두 마찰면간의 속도가 증가할수록 마찰계수도 증가하다가 속도가 약 100㎜/sec 이상 되면 마찰계수는 속도에 상관없이 대체로 일정해진다.
도 8 내지 도 10의 그래프에서, 수직 압력이 5.0MPa일 경우 최대 마찰계수는 0.15이고, 수직 압력이 17.6MPa일 경우 최대 마찰계수는 0.138이고, 수직 압력이 111MPa일 경우 최대 마찰계수는 0.068이 된다. 이 사실에서 두 마찰면 간의 압력이 클수록 마찰계수는 작아짐을 알 수 있다.
도 11은 진동 시의 마찰면에 작용하는 마찰력과 변위의 변화의 일례를 나타낸 그래프이다.
슬라이드부재가 대응되는 마찰면에 임의의 압력을 가하는 상태에서 진동 하는 경우, 슬라이드부재와 대응 마찰면간에는 마찰면에 수직한 방향으로 작용하는 힘과 슬라이드부재와 마찰면간의 마찰계수를 곱한 것과 같은 마찰력이 발생한다. 마찰계수는 앞의 그래프에서 살펴본 바와 같이 마찰면에 작용하는 압력과 속도에 의해 결정된다. 도 11은 진동주파수가 0.03Hz인 경우에 대해서 작성된 것이다.
슬라이드부재는 마찰력을 받으면서 일방향으로 최대 진폭까지 이동하면 마찰면에 가해지는 힘은 0이 되었다가 처음과는 반대방향의 힘이 작용된다. 이에 따라 슬라이드부재는 후퇴하면서 초기 위치를 지나 타방향의 최대 진폭까지 이동한다. 슬라이드부재가 타방향의 최대 진폭까지 이동하면 마찰면에 가해지는 힘은 0이 되었다가 다시 그 반대방향으로 힘이 가해진다. 이에 따라 슬라이드부재는 초기위치 까지 복귀한 후 그 다음 사이클을 시작하게 된다.
이와 같이 슬라이드부재가 진동의 한 사이클의 운동을 하는 동안 소요되는 에너지는 도 11의 그래프 내부의 면적으로 구할 수 있다.
이상 설명한 바와 같은 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링을 이용하는 경우 진동흡수율을 10% 이상으로 높일 수 있다.
이상 설명한 본 발명에 따른 수직진동 감쇠베어링은 마찰력을 이용하여 수직진동을 감쇠시키므로 진동흡수율이 뛰어나고, 지진 시 수직방향 면진 및 마찰 댐핑이 가능하다.
그리고 1개의 쐐기부재에 2개의 마찰면이 있으므로 2중 마찰댐핑이 이루어지고, 충격흡수력이 향상된다.
본 발명에 따른 수직진동 감쇠베어링은 쐐기부재와 저면 경사부재의 경사각을 조절하여 수평저항력 조절이 매우 용이하다.
쐐기부재와 지지대 사이에 배치되는 머스프링의 초기압축(pre-compression)에 의한 변위조절이 용이하다.
상부에 머스프링을 설치하는 경우 수직방향 뿐만 아니라 수평방향의 충격을 완충하여줄 수 있다.
상기와 같은 본 발명에 따른 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링은 철도교의 진동제어, 철도역사의 진동제어, 철도주편 건축물의 소음 및 진동제어, 지하철구조물의 진동제어에 적합하게 사용될 수 있다.
또 원자력 발전소나 가스탱크 등 수평지지력 뿐만 아니라 수직 지진력도 고려하여야 하는 구조물, 거대기계진동제어가 필요한 구조물에 적합하게 사용될 수 있다.

Claims (13)

  1. 상부구조물에 연결하기 위한 상부부재;
    상기 상부부재와 간격을 두고 배치되고 하부구조물에 연결하기 위한 하부부재;
    저면에 제 1경사면을 구비하여 상기 상부부재의 하부에 설치되고 상기 상부구조물의 하중과 상기 상부구조물에서 발생되는 수직진동을 하부로 전달하는 저면 경사부재;
    상면에 상기 제 1경사면과 접촉되는 제 2경사면을 구비하여 상기 하부부재와 상기 저면경사부재 사이에 설치되어 상기 상부구조물의 하중을 지지하고 상기 수직진동에 의해 가해지는 힘의 크기에 따라 전후 이동되면서 대응되는 면과 마찰을 일으켜 상기 수직진동을 감쇠시키는 쐐기부재; 및
    상기 쐐기부재를 수평방향으로 탄성적으로 지지하는 수평탄성부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1경사면은 양측에서 마주보고 대칭으로 각각 형성되고, 상기 쐐기부재는 좌우의 한 쌍이 간격을 두고 마주보고 배치되고, 상기 수평탄성부재는 상기 쐐기부재 뒷면에 상기 쐐기부재와 간격을 두고 각각 배치된 지지대와 상기 쐐기부재 사이에 각각 배치된 머스프링인 것을 특징으로 하는 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 쐐기부재의 이동 시 상기 쐐기부재와 마찰을 일으키는 마찰면에는 미끄럼부재가 각각 설치된 것을 특징으로 하는 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링.
  4. 제 2항에 있어서, 상기 머스프링에는 수평방향으로 관통공이 형성되고, 상기 머스프링은 상기 지지대에 상기 쐐기부재의 운동방향으로 이동 가능케 설치되고 일단은 상기 관통공에 삽입되는 로드의 지지를 받는 것을 특징으로 하는 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 머스프링에는 수평방향으로 관통공이 형성되고, 상기 머스프링은 상기 지지대에 상기 쐐기부재의 운동방향으로 이동 가능케 설치되고 상기 관통공에 삽입되는 볼트기구에 의해 초기 압축되는 것을 특징으로 하는 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링.
  6. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저면경사부재의 상면에는 구면형표면의 홈 또는 돌기가 형성되고, 상기 상부부재와 상기 저면경사부재 사이에는 상기 구면형표면의 홈 또는 돌기에 결합되는 돌기 또는 홈을 구비하여 상기 상부부재의 회전을 허용하는 구면형표면부재가 설치된 것을 특징으로 하는 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링.
  7. 제 6항에 있어서, 상기 구면형표면부재는 상기 상부부재에 일체로 설치되고, 상기 구면형표면의 홈 또는 돌기의 표면에는 미세홈들이 형성되고 상기 미세홈들에는 흑연이 충전되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링.
  8. 제 6항에 있어서, 상기 상부부재 저면에는 간격을 두고 하방으로 각각 돌출되어 상기 구면형표면부재의 양 측면에 접촉되어 상기 상부부재의 일방향의 이동을 안내하는 안내부재가 설치된 것을 특징으로 하는 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링.
  9. 제 6항에 있어서, 상기 상부부재 저면에는 하방으로 돌출되어 상기 구면형표면부재의 둘레로 상기 구면형표면부재의 측면과 간격을 두고 4방으로 배치되는 지지부가 설치되고 상기 구면형표면부재와 상기 지지부 사이에 탄성부재가 설치되는 것을 특징으로 하는 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링.
  10. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저면경사부재의 상면에 핀홈이 형성되고, 상기 저면경사부재 상면에 상하로 통공이 형성된 탄성패드가 설치되고, 상기 상부부재 저면에 상기 통공으로 삽입되어 하단이 상기 핀홈에 삽입되는 핀이 하방으로 돌출되게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링.
  11. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저면경사부재의 상면에 핀홈이 형성되고, 상기 저면경사부재 상면에 상하로 통공이 형성된 탄성패드가 설치되고, 상기 상부부재와 상기 탄성패드 사이에 상기 통공으로 삽입되어 하단이 상기 핀홈에 삽입되는 핀이 하방으로 돌출되게 설치된 핀장착부재가 설치되고, 상기 상부부재에는 하방으로 돌출되어 상기 핀장착부재의 양 측면에 접촉되어 상기 상부부재의 일방향의 이동을 안내하는 안내부재가 설치된 것을 특징으로 하는 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링.
  12. 제 1항 내지 제 5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 저면경사부재의 상면에 핀홈이 형성되고, 상기 저면경사부재 상면에 상하로 통공이 형성된 탄성패드가 설치되고, 상기 상부부재와 상기 탄성패드 사이에 상기 통공으로 삽입되어 하단이 상기 핀홈에 삽입되는 핀이 하방으로 돌출되게 설치된 핀장착부재가 설치되고, 상기 상부부재에는 하방으로 돌출되어 상기 핀장착부재의 둘레로 상기 핀장착부재의 측면과 간격을 두고 배치되는 돌출부가 설치되고, 상기 핀장착부재의 측면과 상기 돌출부 사이에 탄성부재가 설치된 것을 특징으로 하는 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 핀장착부재의 측면에는 수평홈이 형성되고, 상기 탄성부재에는 수평방향으로 관통공이 형성되고, 상기 탄성부재는 일단이 상기 수평홈 에 이동 가능케 결합되고 타단이 상기 관통공에 삽입되는 로드에 의해 지지되는 것을 특징으로 하는 마찰을 이용한 수직진동 감쇠베어링.
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