KR100769818B1 - 가변마찰받침 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교량 등의 구조물에서 상부의 구조물과 하부의 구조물 사이에 설치되어 구조물에 작용하는 지진하중에 의한 진동 등을 마찰력에 의하여 감쇠시키는 장치로서, 지진하중에 의한 변위가 증가하게 되면 그에 따라 마찰력도 증가하게 되어 대변위 및 잔류변위가 발생하지 않도록 하는 새로운 구조의 가변마찰받침에 관한 것이다.

본 발명에서는 교각 등의 하부 구조물에 결합되는 하부받침(2)과; 교량의 거더 등의 상부 구조물에 결합되는 상부받침(3)을 포함하여 구성되며; 상기 하부받침(2)의 중앙에는 오목한 형태의 마찰부(4)가 형성되어 있고; 상기 상부 받침(3)에는 마찰돌출부(5)가 돌출형성되어 있어, 상기 마찰돌출부(5)는 상기 마찰부(4) 내에 위치하게 되고, 지진하중이 작용하여 상부 구조물이 움직이게 되면 상기 마찰돌출부(5)는 상기 마찰부(4) 내에서 움직이면서 마찰력을 일으키며; 상기 마찰부(4)의 표면은 상기 마찰돌출부(5)의 이동이 커짐에 따라 더 큰 마찰력을 발휘할 수 있도록 변화되는 마찰계수를 가지는 것을 특징으로 하는 가변마찰받침이 제공된다.

감쇠장치, 질량체, 가변, 강성, 진동제어

Description

가변마찰받침{Seismic Isolation System}

도 1은 콜럼 마찰감쇠기의 이력거동을 보여주는 그래프도이다.

도 2a는 본 발명에 따른 가변마찰받침의 개략적인 분해사시도이다.

도 2b는 본 발명에 따른 가변마찰받침에 형성된 마찰부의 표면 형상을 보여주는 부분 평면도이다.

도 3은 도 2a에 도시된 가변마찰받침이 조립된 상태의 단면도이다.

도 4는 본 발명에 따른 가변마찰받침이 교량에 설치된 형상을 보여주는 개략도이다.

도 5a는 본 발명의 가변마찰받침에 대한 수치해석을 수행하기 위하여 설정한 교량 모델의 개략도이다.

도 5b는 도 5a의 모델을 2 자유도 모델로 만들어 단순화한 개략도이다.

도 6은 본 발명에 따른 가변마찰받침에 대하여 수치해석을 수행한 결과로 얻어진 가변마찰받침의 이력거동을 보여주는 그래프도이다.

도 7a 내지 도 7c는 각각 가변마찰받침에서의 변위응답을 보여주는 그래프도(교각 상단에 대한 상부구조의 변위를 보여주는 그래프도)이다.

도 8a 내지 도 8c에는 각각 가변마찰받침을 설치하였을 때의 교각 전단력을 보여주는 그래프도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

1 가변마찰받침

본 발명은 가변마찰받침에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 교량 등의 구조물에서 상부의 구조물과 하부의 구조물 사이에 설치되어 구조물에 작용하는 지진하중에 의한 진동 등을 마찰력에 의하여 감쇠시키는 장치로서, 지진하중에 의한 변위가 증가하게 되면 그에 따라 마찰력도 증가하게 되어 대변위 및 잔류변위가 발생하지 않도록 하는 새로운 구조의 가변마찰받침에 관한 것이다.

일반적인 교량에 있어서 상부 구조물과 교각 사이에는 지진격리장치로서 받침이 사용된다. 이 받침은 일반적으로 온도변화에 대한 신축을 고려하여 고정단과 이동단으로 구성된다. 그러나 고정단과 이동단으로 구성된 받침의 경우 지진하중에 대하여 고정단 교각에 상부 구조물의 관성력이 집중되는 단점이 있다.

이를 해결하기 위하여, 즉 지진하중에 의한 상부 구조물의 관성력이 상부 구조물과 교각 사이에 설치되는 고정단에 집중되는 것을 방지하기 위하여 종래에는 마찰받침을 이용하여 고정단을 형성하였다. 일반적으로 사용되는 마찰받침의 경우, 상시에는 온도하중에 의한 신축을 허용하며, 상부 구조물에 작용하는 지진하중이 받침의 마찰력보다 작을 때에는 지진하중을 교각으로 분산시키며, 지진하중이 받침의 마찰력보다 클 때에는 마찰면에서의 미끄러짐을 이용하여 지진하중에 의한 에너지를 흡수함으로써, 지진하중에 의한 관성력을 감쇠시키게 된다.

그러나 이러한 종래의 마찰받침의 경우, 잔류변위가 남을 수 있다는 것과 대변위가 발생할 수 있다는 것이 단점으로 지적되고 있다.

본 발명은 위와 같은 종래의 마찰받침이 단점과 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 본 발명은 지진하중에 의한 상부 구조물의 변위가 증가하게 되면, 그에 따라 받침에 의하여 발휘되는 마찰력도 증가하게 되어 대변위 및 잔류변위가 발생하는 것을 방지할 수 있는 마찰받침을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명에서는 위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 교각 등의 하부 구조물에 결합되는 하부받침과; 교량의 거더 등의 상부 구조물에 결합되는 상부받침을 포함하여 구성되며; 상기 하부받침의 중앙에는 오목한 형태의 마찰부가 형성되어 있고; 상기 상부 받침에는 마찰돌출부가 돌출형성되어 있어, 상기 마찰돌출부는 상기 마찰부 내에 위치하게 되고, 지진하중이 작용하여 상부 구조물이 움직이게 되면 상기 마찰돌출부는 상기 마찰부 내에서 움직이면서 마찰력을 일으키며; 상기 마찰부의 표면은 상기 마찰돌출부의 이동이 커짐에 따라 더 큰 마찰력을 발휘할 수 있도록 변화되는 마찰계수를 가지는 것을 특징으로 하는 가변마찰받침이 제공된다.

또한 본 발명에서는 상기한 가변마찰받침의 구체적인 실시예로서, 상기 마찰부는 그 표면이 서로 직교하는 대각선에 의하여 4개의 면으로 구획되며, 상기 마찰돌출부가 이동하게 되는 방향으로의 마주보는 2개의 제1구획면과, 그 사이에 상하로 배치된 2개의 제2구획면은 다른 마찰계수를 가지도록 구되는 것을 특징으로 하는 가변마찰받침이 제공된다.

이하, 본 발명에 따른 가변마찰받침의 일실시예를 도시한 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 효과를 설명한다.

본 발명에 대하여 설명하기에 앞서 우선 이상적인 마찰받침에 대한 이론적인 배경을 설명한다.

이상적인 마찰받침의 경우는, 마찰면에서 콜럼(Coulomb) 마찰이 일어난다고 가정할 수 있다. 이 경우 마찰력(F)은 아래의 수학식 1과 같은 방정식으로 표현될 수 있다.

여기서 μ는 마찰받침의 마찰면 마찰계수이고, N은 마찰면에 작용하는 수직하중이고,

는 감쇠기에 작용하는 속도이고, sgn( )은 부호함수(signum function)이다.

위의 수학식 1로 표현되는 마찰받침의 마찰력에 대한 이력거동은 도 1에 도시된 것과 같은 이력곡선 형태를 가진다. 위 수학식 1에 따르면, 마찰계수가 변화되면 마찰력을 조절할 수 있음을 알 수 있다.

이에 본 발명에서는 다음과 같은 구조를 이용하여 마찰계수를 변위에 따라 조절함으로써 마찰력을 이상적으로 조절하게 된다. 특히, 본 발명에서는 마찰면의 면적을 변화시켜 마찰계수를 변화시키게 된다.

도 2a에는 본 발명에 따른 가변마찰받침(1)의 개략적인 분해사시도가 도시되어 있으며, 도 2b에는 마찰부(4)의 표면 형상을 보여주는 부분 평면도가 도시되어 있고, 도 3에는 도 2a에 도시된 가변마찰받침(1)이 조립된 상태의 단면도가 도시되어 있다.

본 발명의 가변마찰받침(1)은 교각 등의 하부 구조물에 결합되는 하부받침(2)과, 교량의 거더 등의 상부 구조물에 결합되는 상부받침(3)을 포함하여 구성된다. 상기 하부받침(2)의 중앙에는 오목한 형태의 마찰부(4)가 형성되어 있고, 상기 상부 받침(3)에는 마찰돌출부(5)가 돌출형성되어 있다. 상기 마찰돌출부(5)는 상기 마찰부(4) 내에 위치하게 되고, 지진하중이 작용하여 상부 구조물이 움직이게 되면 상기 마찰돌출부(5)는 상기 마찰부(4) 내에서 움직이면서 마찰력을 일으키게 된다. 즉, 마찰돌출부(5)의 하부면과 상기 마찰부(4)의 표면이 서로 마찰되어 마찰력이 발휘되는 것이다.

본 발명에서는 위에서 언급하였듯이, 마찰면의 면적을 변화시켜 마찰계수를 변화시키게 되는데, 마찰돌출부(5)의 하부면 또는 상기 마찰부(4)의 표면의 어느 한 면을 구획하고, 그 구획된 영역에 대하여 상이한 마찰계수를 부여함으로써, 마찰돌출부(5)가 마찰부(4) 위를 움직일 때 발생하는 마찰력을 변화시키게 된다. 특히, 본 발명에서는 다음과 같이 구성함으로써, 변위가 많이 발생할수록 마찰력이 증가되도록 하게 된다.

구체적으로 상기 마찰부(4)는 도면에 도시된 것처럼, 그 표면이 서로 직교하는 대각선(6)에 의하여 4개의 면으로 구획되며, 마찰돌출부(5)가 이동하게 되는 방향으로의 마주보는 2개의 제1구획면(7)과, 그 사이에 상하로 배치된 2개의 제2구획면(8)은 서로 다른 표면 거칠기 정도로 표면처리되거나 또는 서로 다른 재질로 만들어져, 제1구획면(7)과 제2구획면(8)이 각각 다른 마찰계수를 가지도록 구성된다. 즉, 도면에 도시된 것처럼, 나비 넥타이 형태로 중앙의 모서리각이 예각을 이루고 있어 좌우로 즉, 교축방향으로 점점 면적이 증가되는 2개의 제1구획면(7)은 서로 동일한 마찰계수를 가지고 있고, 그 사이에서 교축직각방향으로 서루 마주보도록 위치하고 중앙의 모서리각이 둔각을 이루는 2개의 제2구획면(8)도 서로 동일한 마찰계수를 가지고 있으나, 상기 제1구획면(7)과 제2구획면(8)의 마찰계수는 서로 상이하도록 구성되는 것이다.

이와 같은 구성에서는, 지진하중으로 인한 상부 구조물의 변위가 작을 경우에는 마찰돌출부(5)가 마찰부(4)의 중앙 부위에서 이동하게 된다. 그러나, 상부 구조물의 변위가 증가하게 되면, 마찰돌출부(5)는 마찰부(4)에서 좌우로 더 많이 이동하게 되는데, 위에서 설명한 것처럼 제1구획면(7)은 대각선(6)에 의하여 교축 방향으로 그 면적이 점점 증가하는 형상을 가지고 있으므로, 상부 구조물의 변위가 증가할수록 마찰돌출부(5)와 마찰부(4) 사이에서의 마찰계수는 증가하게 되고, 그에 따라 마찰력도 증가하게 된다. 즉, 본 발명에서는 지진하중에 의하여 발생하는 상부 구조물의 변위가 커질수록 마찰계수 및 마찰력도 증가하게 되는 것이다.

위와 같은 구성을 가지는 본 발명의 가변마찰받침(1)은, 초기 마찰계수와 최종 마찰계수를 설계변수로 하여 마찰면을 적절히 구성함에 따라 그 마찰력을 여러 다양한 지진하중 조건에 적합하게 조절할 수 있다.

위와 같은 본 발명의 가변마찰받침은 도 4에 도시된 것처럼, 교량의 경우에는 상부 구조물과 하부 구조물 즉, 교각 사이에 배치하여 사용하게 되는데, 본 발명의 가변마찰받침은 복원력이 없기 때문에, 복원력을 부여할 수 있는 별도의 탄성받침을 상부 구조물과 하부 구조물 사이에 적절한 위치에 설치하여 사용한다. 상기 탄성받침은 종래의 이미 공지된 것이므로 이에 대한 추가 설명은 생략한다.

다음에서는 위와 같은 본 발명의 가변마찰받침(1)에 대하여 수치해석을 통하여 그 효과를 검증한 결과를 설명한다.

도 5a는 본 발명의 가변마찰받침(1)에 대한 수치해석을 수행하기 위하여 설정한 교량 모델의 개략도이며, 도 5b는 이를 2-자유도 모델로 만들어 단순화한 개략도이다.

도 5a에서 m₁은 상부 구조물의 질량이고, k₁과 ζ₁은 받침의 강성(탄성계수)과 감쇠계수이며, m₂, k₂ 및 ζ₂는 각각 하부 구조물(교각)의 질량, 강성(탄성계수) 및 감쇠계수이다. 도 5b에서 부재번호 10은 상부 구조물을 질량체(10)로 모사한 것이고, 부재번호 11은 하부 구조물(교각)을 질량체(11)로 모사한 것이다.

본 수치해석에서는 복원력 제공을 위하여 탄성받침을 함께 사용하는 것으로 모델을 설정하였으며, 탄성받침의 강성은 교각 강성의 1/10로 설정하였다.

또한 가변마찰받침은 마찰계수가 0.0375에서 0.15사이를 변화하도록 설계하였고, 설계변위는 5cm로 설계하였다. 마찰부(4)의 표면 형상은 도 2b에 도시된 형태로 하였다.

도 6에는 위와 같은 방법을 통하여 본 발명에 따른 가변마찰받침(1)에 대하여 수치해석을 수행한 결과로 얻어진 가변마찰받침(1)의 이력거동을 보여주는 그래프도가 도시되어 있다. 도 6에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 가변마찰받침(1)의 이력거동은 말안장 모양을 하는 것으로 나타났다. 이 때 마찰력이 가장 작은 경우가 마찰계수가 0.0375인 경우이고 마찰력이 가장 큰 경우 마찰계수는 0.1336이다.

본 발명에 따른 가변마찰받침(1)의 거동 특성을 알아보기 위해 마찰계수가 0.0375인 마찰받침 그리고 마찰계수가 0.15인 마찰받침의 엘 센트로(El Centro) 지진에 대한 수치해석결과를 비교를 하였다. 도 7a 내지 도 7c에는 가변마찰받침에서의 변위응답을 보여주는 그래프도(교각 상단에 대한 상부구조의 변위를 보여주는 그래프도)가 도시되어 있는데, 도면에서 알 수 있듯이 마찰계수가 0.15인 경우에는 마찰력이 크기 때문에 변위의 발생이 제일 작으며, 반대로 마찰계수가 0.0375인 경우는 마찰력이 작으므로 변위가 크게 발생한다. 한편, 본 발명에 따른 가변마찰받 침(1)은 마찰계수가 0.15인 경우와 비슷할 정도로 변위가 적게 발생함을 확인할 수 있었다.

도 8a 내지 도 8c에는 각각 가변마찰받침을 설치하였을 때의 교각 전단력을 보여주는 그래프도가 도시되어 있는데, 마찰계수가 0.0375인 경우에는 교각의 전닥력이 작고 마찰계수가 0.15인 경우는 교각의 전단력이 크게 작용하는 것을 볼 수 있다. 위의 결과를 통하여 본 발명의 가변마찰받침(1)은 두 가지 경우의 중간정도의 전단력이 발생하는 것을 확인하였다.

위에서 살펴본 것처럼, 본 발명에 따른 가변마찰받침(1)은 마찰계수를 변위에 따라 조절함으로써 마찰계수가 작은 마찰받침을 사용할 때 변위 응답이 커지는 단점이나 마찰계수가 큰 마찰받침을 사용하여 전단력이 커지는 단점을 보완할 수 있는 장점을 가지고 있다.

이상에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상에 따라 자유로운 변형이 가능하다.

이상에서는 주로 본 발명의 장치가 교량에 설치되는 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 장치는 토목 및 건축 구조물뿐만 아니라, 기타 일반 기계장치에도 적용될 수 있다.

Claims (2)

1. 교량의 하부 구조물에 결합되는 하부받침(2)과;

   교량의 상부 구조물에 결합되는 상부받침(3)을 포함하여 구성되며;

   상기 하부받침(2)에는 오목한 형태의 마찰부(4)가 형성되어 있고;

   상기 마찰부(4)의 표면은, 서로 직교하는 대각선(6)에 의하여 4개의 면으로 구획되며;

   상기 상부받침(3)에는 마찰돌출부(5)가 돌출형성되어 있어, 상기 마찰돌출부(5)는 상기 마찰부(4) 내에 위치하게 되고, 지진하중이 작용하여 상부 구조물이 움직이게 되면 상기 마찰돌출부(5)는 상기 마찰부(4) 내에서 움직이면서 마찰력을 일으키고;

   상기 마찰부(4)의 4개의 면에서, 상기 마찰돌출부(5)가 이동하게 되는 방향으로의 마주보는 2개의 제1구획면(7)과, 상기 제1구획면(7) 사이에 배치된 2개의 제2구획면(8)이 서로 다른 마찰계수를 가지도록 구성되는 것을 특징으로 하는 가변마찰받침.
2. 삭제

Images