KR100820001B1 - 댐퍼부재를 갖는 교좌장치 - Google Patents

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Abstract

교각과 상판 사이에 설치되어 상판 등의 하중을 지지하여줌과 동시에 지진으로 인한 큰 충격력이 작용할 때에는 이를 흡수하는 교좌장치가 개시된다. 상기 교좌장치는 수직탄성재, 수직탄성재의 수평위치를 잡아주기 위한 수직탄성재 홀더, 하부부재와 상부부재 사이에서 하부부재와 상부부재에 대해서는 수평이동이 허용되고 수직탄성재에 지지되거나 수직탄성재를 지지하면서 수직탄성재 홀더에 결합되어 수직탄성재 홀더에 대한 수평이동이 제한되는 수평이동 제한부재 및 수평이동 제한부재와 수직탄성재 홀더 반대편의 상부부재 또는 하부부재 사이에 설치되고 상부부재와 하부부재 사이에 작용하는 최대 탄성비례하중보다 작은 상시의 수평 하중에 대해서는 탄성적으로 지지하고 최대 탄성비례하중보다 큰 지진에 의한 급격한 수평 하중에 대해서는 소성변형되면서 충격력을 흡수하며 금속으로 된 댐퍼부재를 포함하는 구성을 가지며, 충격력 흡수 성능이 향상되고, 수평하중의 종류에 따라 교량 상부구조물의 신축허용, 탄성변형범위 내에서의 상시하중 지지 및 소성변형에 의한 지진력 흡수하는 기능을 가지도록 설계할 수 있다.
Figure R1020080002005
교좌장치, 교량, 면진, 지진, 댐퍼

Description

댐퍼부재를 갖는 교좌장치 {Bridge bearing with a damper member}
본 발명은 교좌장치에 관한 것으로, 특히 교각과 상판 사이에 설치되어 상판 등의 하중을 지지하여줌과 동시에 지진으로 인한 큰 충격력이 작용할 때에는 이를 흡수하여 교각 등과 상판 상호간에 작용하는 충격력을 줄여줌으로써 교량을 보호하는 지진력 흡수식 교좌장치에 관한 것이다.
일반적으로 교량은 소정 간격으로 지상에 설치되는 다수의 교각과, 이들 각 교각의 상부에 설치되는 상부구조물과 교각 상에 설치되어 상부구조물을 지지하여주는 교좌장치, 교각과 상부구조물 사이에 설치되어 지진에 의한 큰 충격력을 흡수하기 위한 충격흡수장치 등으로 이루어져 있다. 이러한 교량의 교각 상부와 상부구조물 사이에 설치되는 교좌장치는 풍하중, 차량이나 열차 등의 시제동하중, 곡선구간에서의 주행차량의 원심력 등을 받아주면서, 열 변형 등에 의한 신축이 가능하도록 하고, 또 상부구조물 등의 하중을 교각으로 안전하게 전달하도록 하며, 상부구조물의 변형 및 이동을 허용하기 위해 고정단, 일방향가동단 및 양방향가동단의 3가지 형식의 교좌장치를 설치한다.
지진에 의한 충격력을 완충하여주기 위하여 교좌장치와 별도로 상부구조물과 교각 사이에 순간적으로 강한 수평력이 작용하게 되면 동시에 고정단으로 전환 작동될 수 있도록 한 충격전달장치(이하, STU (SHOCK TRANSMISSION UNIT)라 함)를 설치한 것이 특허공개번호 제 2001-0001423호(2001년 1월 5일자 공개, 이하에서는 선출원 발명이라 함) “충격하중분산식 내진교량받침대”에 개시되어 있다.
본 발명에서는 상부구조물과 교각 사이에 서서히 작용하는 수평력에 대해서는 그 이동을 허용하고 상부구조물과 교각 사이에 지진에 의해 순간적으로 강한 수평력이 작용하게 되면 순간적으로 이동을 허용하지 않게 작동될 수 있도록 한 충격전달장치(SHOCK TRANSMISSION UNIT)를 STU라 칭한다. 이는 현장에서도 사용되는 명칭으로 실린더 내부에 실리콘 퍼티를 채운 것이 많이 사용된다.
이는 교좌장치와는 별도로 설치하여야 하기 때문에 작업이 번거롭고 인력이 많이 소요된다는 단점을 가진다. 이러한 단점을 해소하기 위해 내부에 반액체(semi fluid) 형태의 접합제의 일종인 실리콘 퍼티(silicon putty) 등을 채운 충격전달장치를 일방향가동단 교좌장치에 일체화시킨 것이 같은 공보에 기술되어 있는데, 이는 평소에는 일 방향으로의 교량의 신축을 허용하다가 지진 등에 의해 그 수평방향으로 큰 충격력이 작용하면 즉시 고정단으로 전환되도록 하여 즉, 고정단과 작용하는 수평력에 직교하는 방향으로 움직일 수 있도록 된 일방향가동단에만 미치던 충격력을 수평력이 작용하는 방향으로 움직일 수 있도록 설치된 일방향가동단이 설치된 다른 여러 개의 교각에도 분산되도록 하여 교량이 파손되는 것을 방지하도록 한다.
하지만 선출원 발명의 장치 역시 하나의 교각에 미치던 충격력을 여러 개의 교각으로 분산하는 역할만 할 뿐 충격력을 흡수하지는 못한다는 단점이 있다.
그리고 STU의 특성상 아주 짧은 시간동안만 순간적으로 멈춘 후 힘이 작용하는 방향으로 실린더로드에 대해 실린더가 조금씩 밀리는 경향이 있다. 이에 따라 선출원 발명의 교좌장치는 어느 정도 지속적으로 작용하는 동하중에 대해서는 수평방향으로의 지지력이 약화된다는 문제점이 있다.
본 발명의 목적은 상부구조물의 수직하중을 탄성적으로 지지하면서 열 변형 등에 의한 상부구조물의 신축을 허용하고, 풍하중, 시제동하중, 곡선구간에서의 주행차량에 의한 원심력 등과 같은 상시의 동하중을 지지하여줌과 아울러 지진 등에 의해 교각과 상부구조물 상호간에 큰 수평력이 작용하는 경우에는 충격력을 흡수하여줄 수 있는 교좌장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 상부구조물의 수직하중을 탄성적으로 지지하면서 가동단으로 작용하다가 지진에 의한 큰 수평력이 작용하는 경우 고정단으로 전환되면서 충격력을 흡수하여줌으로써 교량의 파손을 줄일 수 있도록 해주는 교좌장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상시에는 상부구조물의 수직하중을 탄성적으로 지지하면서 열 변형 등에 의한 신축을 허용하고, 풍하중, 시제동하중, 곡선구간에서의 주행차량에 의한 원심력 등과 같은 상시 동하중을 받아주다가 지진 등과 같이 충격력이 반대방향에서 교대로 작용하는 경우에도 충격력을 계속 흡수하여줄 수 있 는 교좌장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 교량의 고정단에 설치되어 상부구조물의 수직하중을 탄성적으로 지지하면서 풍하중, 시제동하중, 곡선구간에서의 주행차량에 의한 원심력 등과 같은 상시 동하중을 받아주다가 지진 등과 같은 충격력이 작용하는 경우 그 충격력을 흡수하여 줌으로써 교량의 파손을 줄일 수 있도록 해주는 교좌장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 상부구조물의 수직하중을 탄성적으로 지지하면서 작용하는 수평하중의 종류에 따라 작용하중에 대해 저항하지 않거나 탄성저항하거나 소성저항 하는 세 가지 모드를 가지는 교좌장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 수평충격 흡수력이 뛰어난 교좌장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 교좌장치는 교량의 교각 상에 설치되는 하부부재, 교량의 상부구조물의 저면에 설치되는 상부부재를 구비하는 교좌장치에 있어서, 상기 하부부재와 상기 상부부재 사이에 설치되어 상기 상부구조물의 하중을 탄성적으로 지지하여 주는 수직탄성재, 상기 수직탄성재의 수평위치를 잡아주기 위한 수직탄성재 홀더, 상기 하부부재와 상기 상부부재 사이에서 상기 하부부재와 상기 상부부재에 대해서는 수평이동이 허용되고 상기 수직탄성재에 지지되거나 상기 수직탄성재를 지지하면서 상기 수직탄성재 홀더에 결합되어 상기 수직탄성재 홀더에 대한 수평이동이 제한되는 수평이동 제한부재 및 상기 수평이동 제한부재와 상기 수직탄성재 홀 더 반대편의 상기 상부부재 또는 상기 하부부재 사이에 설치되고 상기 상부부재와 상기 하부부재 사이에 작용하는 최대 탄성비례하중보다 작은 상시의 수평 하중에 대해서는 탄성적으로 지지하고 최대 탄성비례하중보다 큰 지진에 의한 급격한 수평 하중에 대해서는 소성변형되면서 충격력을 흡수하며 금속으로 된 댐퍼부재를 구비한다.
상기 수직탄성재 홀더는 상기 수직탄성재가 수용되는 탄성재수용홈을 구비하여 상기 수평이동 제한부재 반대편의 상기 하부부재 또는 상기 상부부재에 설치되고,
상기 수직탄성재는 폴리우레탄 패드이고,
상기 수평이동 제한부재는 상기 탄성재수용홈에 삽입되는 돌출부를 구비하여 구성될 수 있다.
이 경우 상기 폴리우레탄 패드는 상기 폴리우레탄 패드에 가해지는 압력이 커짐에 따라 탄성 변형에 의해 상기 폴리우레탄 패드의 두께가 점점 감소되면서 상기 폴리우레탄 패드의 유동되는 부분이 채워질 수 있게 상기 폴리우레탄 패드의 상면과 하면 사이의 상기 탄성재수용홈 내부의 일측에 빈 공간이 형성되어 있도록 구성된 것이 바람직하다.
상기 돌출부의 끝단 표면에는 상기 수직탄성재의 끝단이 삽입되어 상기 수직탄성재가 가압될 때 상기 수직탄성재의 끝단이 상기 탄성재수용홈에서 외부로 누출되는 것을 방지하기 위한 누출방지홈이 형성되어 있는 것이 좋다.
경우에 따라 상기 수직탄성재 홀더는 상기 수직탄성재가 수용되는 탄성재수 용홈을 구비하여 상기 수평이동 제한부재 반대편의 상기 하부부재 또는 상기 상부부재에 설치되고,
상기 수직탄성재는 상기 수평이동 제한부재를 향하는 면에 가장자리를 따라 설치된 금속링을 구비하는 네오프렌고무 또는 천연고무이고,
상기 수평이동 제한부재는 상기 탄성재수용홈에 삽입되는 돌출부를 구비하여 구성될 수 있다.
상기 수직탄성재 홀더는, 상기 수직탄성재 홀더와 상기 수평이동제한부재 반대편의 상기 하부부재 또는 상기 상부부재와의 사이에 상호간에 작용하는 힘이 서서히 작용하는 수평력인 경우에는 상기 수직탄성재 홀더의 수평이동을 허용하고 순간적으로 큰 힘이 작용하는 충격력인 경우에는 상기 수직탄성재 홀더의 수평이동을 허용하지 않도록 하기 위한 STU를 통해 상기 수평이동 제한부재 반대편의 상기 하부부재 또는 상기 상부부재에 설치될 수 있다.
또 경우에 따라 상기 수직탄성재 홀더는 상기 수평이동제한부재 또는 상기 하부부재와 상부부재 중 상기 수평이동제한부재의 반대편의 부재에 고정되어 있는 상기 수직탄성재를 관통하는 핀이고, 상기 핀이 설치된 부재 반대편의 부재에는 상기 핀의 끝단이 삽입되어 상기 핀의 수평이동을 제한하는 핀 홈이 형성되어 있고,
상기 수직탄성재는 폴리우레탄 패드임일 수 있다.
또한, 상기 수직탄성재 홀더는 상기 수평이동제한부재 또는 그 반대편의 상기 하부부재 또는 상기 상부부재에 대해 적어도 일 수평방향으로 수평이동 가능케 설치된 수평안내부재에 고정되어 상기 수직탄성재를 관통하는 핀이고, 상기 핀이 설치된 부재 반대편의 부재에는 상기 핀의 끝단이 삽입되어 상기 핀의 수평이동을 제한하는 핀 홈이 형성되어 있고,
상기 수직탄성재는 폴리우레탄 패드이고,
상기 수평안내부재와 상기 수평이동제한부재 반대편의 상기 하부부재 또는 상기 상부부재와의 사이에 상호간에 작용하는 힘이 상시에 서서히 작용하는 수평력인 경우에는 상기 수평안내부재의 수평이동을 허용하고 순간적으로 큰 힘이 작용하는 충격력인 경우에는 상기 수평안내부재의 수평이동을 허용하지 않는 STU가 설치되어 있는 구성을 가질 수 있다.
상기 댐퍼부재는 일측이 개구된 씨-쉐이프 댐퍼부재이고, 상기 씨-쉐이프 댐퍼부재는 일단과 곡률중심과 타단을 연결하는 선의 상기 개구된 쪽을 향하는 각도가 180도보다는 작고 120도 이상이고, 양단에서 멀어질수록 반경방향의 폭은 점점 증가되는 것이 바람직하다.
상기 각도는 150 ± 20도임이 더욱 좋다.
씨-쉐이프 댐퍼부재의 곡률 중심과 양 끝단이 이루는 개구부를 향하는 각도를 180도보다 작게 하는 것이 바람직하지만, 경우에 따라 180도 이상의 것도 사용될 수 있음은 물론이다.
본 발명에 따른 교좌장치는 차량의 시제동하중이나 풍하중, 곡선구간에서의 주행차량의 원심력에 의한 하중 등 상시하중은 변형 없이 또는 탄성변형 되면서 지지하여줄 수 있고, 지진하중과 같은 큰 하중에 대해서는 소성변형되면서 충격력을 흡수하여줄 수 있어 교량의 내진설계에 적용하기에 용이하다.
수직탄성재 홀더 또는 수평안내부재와, 하부부재 또는 상부부재 사이에 STU가 더 설치된 본 발명에 따른 교좌장치는 하나의 교좌장치에서 열 변형 등에 의한 상부구조물의 신축을 허용하고, 차량의 시제동하중 등의 상시 동하중을 지지하여줌과 아울러 지진 시에는 지진에 의한 수평 충격력을 흡수하여줄 수 있는 3가지 모드로 작동할 수 있어 제품의 효율성이 뛰어나다.
씨-쉐이프 댐퍼부재의 곡률 중심과 양 끝단이 이루는 개구부를 향하는 각도를 180도보다 작게 함으로써 압축 시 씨-쉐이프 댐퍼부재의 응력분포가 개선되었다.
수평이동 제한부재의 단면에 수직탄성재의 끝단이 삽입될 수 있는 홈이 형성되어 있어 수직탄성재가 탄성재수용홈의 외부로 누출되는 것이 방지된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 씨-쉐이프 댐퍼부재를 갖는 교좌장치의 일례를 나타낸 사시도, 도 2는 도 1 교좌장치의 분리사시도, 도 3은 도 1의 내부구조를 보여주는 부분 파단사시도이다.
도 1 내지 3에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 씨-쉐이프 댐퍼부재를 갖는 교좌장치(100)는 하부부재(110)를 구비한다. 이 하부부재(110)는 교량의 교각 상에 설치되는 것으로, 교각 상에 설치되는 기초너트(111) 등에 볼트(112) 등을 통해 고 정된다. 이 하부부재(110)의 상면에는 수직탄성재 홀더(130)가 형성되어 있다. 이 수직탄성재 홀더(130)는 하부부재(110)에 일체로 형성되어 하부부재(110)에 고정되어 있으며, 탄성재수용홈(131)을 구비한다. 이 수직탄성재 홀더(130)는 수직탄성재(140)를 필요한 위치에 잡아줌으로써 수직탄성재(140)가 수평방향으로 움직이는 것을 방지하는 역할을 한다.
탄성재수용홈(131)에 삽입되는 수직탄성재(140)는 교각에 작용하는 상부구조물의 수직하중을 탄성적으로 지지하여주기 위한 것으로, 본 실시 예에서는 폴리우레탄 패드가 수직탄성재(140)로 사용되었다. 폴리우레탄 패드로 된 수직탄성재(140)는 상부구조물에 의해 가해지는 압력이 커짐에 따라 탄성 변형에 의해 두께가 점점 감소되면서 수직탄성재(140) 즉, 폴리우레탄 패드의 유동되는 부분이 옆으로 퍼지면 채워질 수 있게 상면과 하면 사이의 탄성재수용홈(131) 내부의 일측에 빈 공간이 형성되어 있도록 구성되어 있다. 이렇게 되면 수직탄성재(140)가 탄성재수용홈(131)의 외부로 누출되는 것이 방지된다. 도 3에서 이 빈 공간은 수직탄성재(140)의 외주면을 따라 내측으로 오목하게 형성된 V자 형태의 홈에 의해 형성되어 있다. 도 3에 나타낸 것과는 달리 수직탄성재(140)가 위쪽 또는 아래쪽으로 갈수록 좁아지게 하거나, 중앙부 등에 구멍을 뚫어서 형성할 수 있다.
본 발명에 따른 댐퍼부재를 갖는 교좌장치(100)는 상부부재(150)를 구비한다. 이 상부부재(150)는 교량 상부구조물의 기초볼트와 너트, 기초너트(151)와 볼트(152), 용접 등에 의해 고정되는 것이다.
본 발명에 따른 댐퍼부재를 갖는 교좌장치(100)는 수평이동 제한부재(170)를 구비한다. 이 수평이동 제한부재(170)는 하부부재(110)와 상부부재(150) 사이에서 하부부재(110)와 상부부재(150)에 대해서는 상대적 수평이동이 가능하도록 설치되고, 수직탄성재(140)의 지지를 받는다. 물론, 각 구성요소들이 상하를 바꾸어 설치되는 경우 수평이동 제한부재(170)가 수직탄성재(140) 하부에 설치되어 수직탄성재(140)를 지지하는 형태를 취할 수도 있다.
수평이동 제한부재(170)의 저면에는 탄성재수용홈(131)에 삽입되는 돌출부(171)가 형성되어 있다. 이 돌출부(171)의 하단은 탄성재수용홈(131)에 삽입된 상태에서 좌우로 회동될 수 있도록 그 가장자리가 라운드지게 형성되어 있고, 가장자리 내측으로 수직탄성재(140)의 상단 일부가 삽입되는 누출방지홈(172)이 형성되어 있다. 이와 같이 돌출부(171)의 끝단 표면에 형성된 누출방지홈(172)은 수직탄성재(140)의 끝단이 삽입되어 수직탄성재(140)가 가압될 때 수직탄성재(140)의 끝단이 탄성재수용홈(131)에서 외부로 누출되는 것을 방지하기 위한 것이다. 이 수평이동 제한부재(170)는 수직탄성재 홀더(130)에 결합되어 수직탄성재 홀더(130)에 대한 수평이동의 제한을 받는다. 이러한 수평이동 제한부재(170)의 상면에는 평판 상의 PTFE(173)가 설치되고, 이와 접촉되는 상부부재(150) 저면에는 평판 상의 스테인리스 스틸(153)이 설치되어 있다. 이 PTFE(173)와 스테인리스 스틸(153)은 수평이동 제한부재(170)와 상부부재(150) 간의 마찰력을 줄여 서로 잘 미끄러질 수 있도록 하기 위한 미끄럼부재이다.
본 발명에 따른 교좌장치(100)는 씨-쉐이프 댐퍼부재(180)를 구비한다. 이 씨-쉐이프 댐퍼부재(180)는 수평이동 제한부재(170)와 상부부재(150) 사이에 설치 되어 상부부재(150)와 하부부재(110) 사이에 작용하는 시제동 하중, 풍하중, 곡선구간에서의 차량 주행에 따른 원심력에 의한 하중 등 상시의 수평하중에 대해서는 탄성적으로 지지하고, 지진에 의한 급격한 수평 하중에 대해서는 소성변형되면서 충격력을 흡수하는 역할을 하는 것으로, 일측이 개구된 알파벳 C자 모양을 하고 있다. 이러한 씨-쉐이프 댐퍼부재(180)로는 어느 정도 연성이 있는 금속, 예를 들면 연철(mild steel) 등이 적당하다. 이 씨-쉐이프 댐퍼부재(180)는 그 양단이 연결되는 부재에 고정되어 있어도 되지만, 회동 가능케 연결되는 것이 바람직하다. 이를 위해 씨-쉐이프 댐퍼부재(180)의 양단에는 핀 구멍(181)을 형성하고, 이 핀 구멍(181)에 결합되는 연결핀(182)을 통해 수평이동 제한부재(170)와 상부부재(150)에 연결하면 된다. 물론, 수평이동 제한부재(170)의 측면에는 씨-쉐이프 댐퍼부재(180)가 회동 가능케 연결될 수 있는 연결부(174)가 형성되어 있어야 한다.
경우에 따라 씨-쉐이프 댐퍼부재(180) 대신에 일측으로 개구되지 않은 원형, 타원형 등 여타의 형태의 댐퍼부재가 사용될 수 있다.
도 1 내지 3에 나타낸 바와 같은 교좌장치(100)에서, 수평이동 제한부재(170)는 돌출부(171)를 통해 수직탄성재 홀더(130)에 결합되어 있어 수평이동이 제한되는 상태를 유지하고, 상부부재(150)와는 씨-쉐이프 댐퍼부재(180)를 통해 연결되어 있어, 풍하중, 시제동하중, 곡선구간의 차량 주행에 따른 원심력과 같은 상시의 수평하중에 대해서는 이를 지지하여 고정단의 역할을 할 수 있도록 하고 지진에 의한 급격한 수평하중이 작용하는 경우에는 씨-쉐이프 댐퍼부재(180)가 소성변형되면서 수평 충격력을 흡수한다. 씨-쉐이프 댐퍼부재(180)의 소성변형은 그 변형 이 소성영역을 넘어서기 전까지 그리고 가공경화에 의한 파단 전까지는 지진력의 방향에 따라 방향을 바꾸어 가며 반복적으로 이루어지고, 이에 따라 수평 충격력의 흡수도 반복적으로 이루어진다.
이에 따라 본 발명에 따른 댐퍼부재를 갖는 교과장치(100)는 지진에 의한 교량의 파손을 줄여주거나 방지할 수 있다.
위에서 설명한 바와 같은 씨-쉐이프 댐퍼부재를 갖는 교좌장치(100)는 각 구성요소들이 상하를 바꾸어 설치될 수 있음은 물론이다. 이 때 상부부재(150)는 하부부재가 되고, 하부부재(110)는 상부부재가 된다.
이상 도 1 내지 3을 통해 설명한 교좌장치(100)는 교량의 고정단에 설치하여 사용하기 위한 것이다.
도 4는 본 발명에 따른 씨-쉐이프 댐퍼부재의 바람직한 예를 나타낸 평면도이다.
도 4에 나타낸 바와 같이 본 발명에 따른 씨-쉐이프 댐퍼부재(180)는 일측에 개구된 C자 모양을 하고 있으며, 그 양단에 핀 구멍(181, 182)이 각각 형성되어 있고, 그 양단에서 멀어질수록 부재의 폭은 점점 증가하고 있다. 본 발명자의 연구에 따르면, 이러한 씨-쉐이프 댐퍼부재(180)는 도 4에서 씨-쉐이프 댐퍼부재(180)의 일단의 핀 구멍(181)의 중심과 중심(C, 부재 폭의 중간을 따르는 원의 곡률 중심) 및 타단의 핀 구멍(182)의 중심을 잇는 선이 이루는 개구된 쪽을 향하는 각도 θ는 180도 보다는 작은 것이 좋다는 것을 알 수 있었다. 이 각도가 180도 이상인 경우 좌우에서 압축 시 좌우 중앙부의 하부 표면에 압축응력이 과도하게 집중되고 좌우 중앙부 상부 표면에 인장응력이 과도하게 집중되고, 180도 보다 작아지는 경우 응력의 집중도가 점점 감소함을 알 수 있었고, 150도 정도로 하는 것이 응력분포가 어느 한 부분에 집중되지 않고 양단에서 좌우 중앙부로 갈수록 서서히 증가되는 분포로 됨을 알 수 있었다. 상기 각도는 교좌장치의 크기나 특성에 따라 20도 범위에 내에서 증감될 수 있다. 이는 상기 각도가 130도 ∼ 170도 정도의 범위 안에 있어야 응력분포도 어느 한 곳에 과도하게 집중되지 않으면서도 현장에서 적용되는 교좌장치의 설계에서 요구되는 씨-쉐이프 댐퍼부재의 소성변형범위 ± 150㎜에 맞추어 설계하기가 편하기 때문이다.
물론, 경우에 따라 θ가 180도 이상인 씨-쉐이프 댐퍼부재도 본 발명에 사용될 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 씨-쉐이프 댐퍼부재를 갖는 교좌장치의 다른 실시 예를 나타낸 사시도이고, 도 6은 도 5 교좌장치의 분리사시도이고, 도 7은 도 5 교좌장치의 내부구조를 보여주는 부분 파단사시도이다.
도 5 내지 7은 수직탄성재 홀더(130)와 하부부재(110) 사이에 STU(190)를 더 설치한 실시 예를 나타낸 것으로, 도 1 내지 3에 나타낸 실시 예와의 차이점에 대해서만 설명한다.
도 5 내지 7에 나타낸 바와 같이 하부부재(110)의 양 측면에는 STU(190)의 설치를 위한 STU설치부(113)가 간격을 두고 위쪽으로 돌출되게 각각 형성되어 있다. 이 하부부재(110)의 상부 표면에는 좌우 중앙을 따라 안내홈(114)이 형성되어 있다. 또한 하부부재(110)의 상부 표면에는 스테인리스 스틸(115)이 설치되는 것이 바람직하다. 이는 상부부재(150)가 설치되는 상부구조물이 교축방향으로 신축되는 것을 허용하기 위한 것이다.
도시된 바와 같이 하부부재(110)의 양측에는 STU설치부(113)를 통해 STU(190)가 각각 설치되어 있다. 이 STU(190)는 실리콘 퍼티와 같은 유동체가 채워진 실린더(192), 하부부재(110)에 연결되는 실린더 로드(194) 및 실린더(192)의 길이방향으로 형성된 오리피스(195)를 구비하여 실린더(192) 내부에 이동 가능케 설치되고 실린더 로드(194)에 연결되는 피스톤(196)으로 이루어져 있다. 실린더(192)의 외주면에는 내측을 향해 돌출된 돌기(197)가 형성되어 있다. 이러한 STU(190)는 서서히 그리고 지속적으로 작용하는 수평하중에 대해서는 실린더 로드(194)에 대한 실린더(192)의 이동을 허용하고, 순간적으로 급격하게 작용하는 수평하중에 대해서는 실린더 로드(194)에 대한 실린더(192)의 이동을 허용하지 않는다.
도시된 바와 같이 수직탄성재 홀더(130)의 상면에는 수직탄성재 수용홈(131)이 형성되어 있고, 그 양 측면에는 돌기(197)가 삽입될 수 있는 측면홈(132)이 각각 형성되어 있다. 이 측면홈(132)은 수직탄성재 홀더(130)의 수평이동을 실린더(192)의 수평이동으로 제한하기 위한 것이다. 경우에 따라 돌기(197)와 측면홈(132) 없이 용접이나 다른 결합수단에 의해 서로 연결되어도 된다.
도 7을 참조하면, 수직탄성재 홀더(130)의 저면에는 안내홈(114)에 결합되는 안내돌기(133)가 형성되어 있다. 그리고 수직탄성재 홀더(130)의 저면에는 판상의 PTFE(134)가 설치되어 있다. 이 PTFE(134)는 하부부재(110) 상면에 설치된 스테인리스 스틸(115)과 접촉되는 부분으로 수직탄성재 홀더(130)가 잘 미끄러질 수 있도 록 하기 위한 것이다.
나머지 구성요소들에 대한 설명은 도 1 내지 3을 통해서 설명한 바와 같다.
도 5 내지 7에 나타낸 바와 같은 씨-쉐이프 댐퍼부재를 갖는 교좌장치(101)는 교량의 상부구조물이 열 변형 등에 의해 교축방향으로 신축되는 것은 STU(190)에서 이를 허용하고, 시제동하중 등 교축방향으로 작용하는 상시의 동하중에 대해서는 STU(190)가 상부부재와 하부부재를 순간적으로 잡아주어 고정단처럼 작동하는 상태에서 씨-쉐이프 댐퍼부재(180)가 이를 탄성적으로 지지하여주고, 지진에 의해 교축방향으로 작용하는 큰 수평하중에 대해서는 STU(190)가 상부부재와 하부부재를 순간적으로 잡아주어 고정단처럼 작동하는 상태에서 씨-쉐이프 댐퍼부재(180)가 탄성변형한계를 넘어 소성변형되면서 수평 충격력을 흡수하여준다.
교축직각방향으로 작용하는 수평방향의 힘들에 대해서는 바로 씨-쉐이프 댐퍼부재(180)가 탄성변형되면서 수평력을 지지하거나 소성변형되면서 수평 충격력을 흡수하여준다.
즉, 도 5 내지 7에 나타낸 바와 같은 교좌장치는 3가지 모드로 작동된다.
도 5 내지 7에 나타낸 바와 같은 교좌장치(101)는 1방향 가동단의 교좌장치로 사용하기에 적합하다.
도 5 내지 7에 나타낸 바와 같은 교좌장치(101) 역시 상하를 바꾸어서 설치될 수 있다.
그리고 하부부재(110) 상면의 안내홈(114)과 수직탄성재 홀더(130) 저면의 안내돌기(133)를 없애고 실린더(192) 측면에 형성되는 돌기(197)를 내측으로 길게 형성하고 수직탄성재 홀더(130) 측면에 형성되는 측면홈(132)을 깊게 형성하는 경우 4방향 모두에 STU(190)를 설치하여 양방향 가동단의 교좌장치로 사용할 수 있음은 쉽게 알 수 있다.
도 8은 도 3의 변형 예를 나타낸 부분 파단사시도이고, 도 9는 도 7의 변형 예를 나타낸 부분 파단사시도이다.
도 8과 9에 나타낸 바와 같이, 경우에 따라서는 수직탄성체(140)로 폴리우레탄 패드 대신에 종래의 포트 받침에서 많이 사용하는 일반 고무탄성체(142)가 사용될 수 있다. 이 고무탄성체(142)로는 네오프렌고무 또는 천연고무가 사용되며, 그 상단 가장자리를 따라서는 황동 등의 금속으로 된 링(142c)이 설치된 것이다. 이 고무탄성체(142)는 앞에서 설명한 폴리우레탄 패드와는 달리 돌출부(171)에 의해 가압 시 거의 압축되지 않고 비압축성 유체처럼 거동한다. 도 8의 교좌장치(102)는 고정단에, 도 9의 교좌장치(103)는 일 방향 가동단에 사용된다.
나머지 사항은 도 3과 7을 통해 설명한 바와 같다.
도 10은 본 발명에 따른 댐퍼부재를 갖는 교좌장치의 또 다른 실시 예를 나타낸 분리사시도이고, 도 11은 도 10 교좌장치가 조립된 상태에서의 부분 파단사시도, 도 12는 도 10의 교좌장치의 변형 예를 나타낸 분리 사시도이다.
도 10과 11은 수직탄성재 홀더(130a)로 핀(136)을 사용한 것을 나타낸 것이다. 도 10과 11에서 알 수 있는 바와 같이, 경우에 따라서는 하부부재(110)의 상면에 일 방향으로 안내홈(114)을 형성하고, 저면에 안내홈(141)에 결합되어 안내를 받는 안내돌기(202)와 측면에 실린더(192)의 내측에 형성된 돌기(197)에 결합되는 측면홈(206)을 형성하고 중앙부에 핀 구멍(204)을 형성한 수평안내부재(200)를 일 수평방향으로 이동 가능케 설치하여 본 발명에 따른 교좌장치(104)를 구성할 수 있다. 이 경우 수평이동 제한부재(170)의 저면에는 핀(136)이 나사결합에 의해 고정되고, 수직탄성재(140)로는 측면을 따라 V홈이 형성된 폴리우레탄 패드가 사용된다. 이 수직탄성재(140)의 중앙에는 핀(136)이 통과될 수 있는 관통공(145)이 형성되어 있어야 된다.
안내홈(114)과 안내돌기(202)는 그 위치를 서로 바꾸어 형성될 수 있고, 핀(136)은 수평안내부재(200)에 고정되고 핀 구멍(204)은 수평이동 제한부재(170)에 형성될 수 있다.
그리고 앞 실시 예들에서와 마찬가지고 도 10과 11에 나타낸 교좌장치(104) 역시 상하를 바꾸어 뒤집힌 상태로 설치될 수 있다. 나머지는 도 4 내지 7에서 설명한 바와 같다.
도 10과 11에 나타낸 교좌장치(104)는 일 방향 가동단에 사용된다.
도 12를 참조하면, 도 10의 수평안내부재(200) 없이 하부부재(110)에 핀 구멍(117)을 직접 형성하여 고정단에 사용하기 위한 교좌장치(105)로 구성할 수 있다. 이 경우 하부부재(110)에 안내홈(114)을 형성할 필요가 없고, STU(190)와 미끄럼부재도 필요치 않다.
나머지 사항은 도 10과 11에서 설명한 바와 같다.
본 발명에 따른 교좌장치는 내진 설계 교량에 적합하게 이용될 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 씨-쉐이프 댐퍼부재를 갖는 교좌장치의 일례를 나타낸 사시도,
도 2는 도 1 교좌장치의 분리사시도,
도 3은 도 1의 내부구조를 보여주는 부분 파단사시도,
도 4는 본 발명에 따른 씨-쉐이프 댐퍼부재의 바람직한 예를 나타낸 평면도,
도 5는 본 발명에 따른 씨-쉐이프 댐퍼부재를 갖는 교좌장치의 다른 실시 예를 나타낸 사시도,
도 6은 도 5 교좌장치의 분리사시도,
도 7은 도 5 교좌장치의 내부구조를 보여주는 부분 파단사시도,
도 8은 도 3의 변형 예를 나타낸 부분 파단사시도,
도 9는 도 7의 변형 예를 나타낸 부분 파단사시도,
도 10은 본 발명에 따른 댐퍼부재를 갖는 교좌장치의 또 다른 실시 예를 나타낸 분리사시도,
도 11은 도 10 교좌장치가 조립된 상태에서의 부분 파단사시도,
도 12는 도 10의 교좌장치의 변형 예를 나타낸 분리 사시도이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
100 ~ 105 : 교좌장치 110 : 하부부재
130, 130a : 수직탄성재 홀더 140 : 수직탄성재
150 : 상부부재 170 : 수평이동 제한부재
180 : 씨-쉐이프 댐퍼부재 190 : STU
200 : 수평안내부재

Claims (10)

  1. 교량의 교각 상에 설치되는 하부부재, 교량의 상부구조물의 저면에 설치되는 상부부재를 구비하는 교좌장치에 있어서,
    상기 하부부재와 상기 상부부재 사이에 설치되어 상기 상부구조물의 하중을 탄성적으로 지지하여 주는 수직탄성재;
    상기 수직탄성재의 수평위치를 잡아주기 위한 수직탄성재 홀더;
    상기 하부부재와 상기 상부부재 사이에서 상기 하부부재와 상기 상부부재에 대해서는 수평이동이 허용되고 상기 수직탄성재에 지지되거나 상기 수직탄성재를 지지하면서 상기 수직탄성재 홀더에 결합되어 상기 수직탄성재 홀더에 대한 수평이동이 제한되는 수평이동 제한부재; 및
    상기 수평이동 제한부재와 상기 수직탄성재 홀더 반대편의 상기 상부부재 또는 상기 하부부재 사이에 설치되고 상기 상부부재와 상기 하부부재 사이에 작용하는 최대 탄성비례하중보다 작은 상시의 수평 하중에 대해서는 탄성적으로 지지하고 최대 탄성비례하중보다 큰 지진에 의한 급격한 수평 하중에 대해서는 소성변형되면서 충격력을 흡수하며 금속으로 된 댐퍼부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 교좌장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 수직탄성재 홀더는 상기 수직탄성재가 수용되는 탄성재수용홈을 구비하여 상기 수평이동 제한부재 반대편의 상기 하부부재 또는 상기 상부부재에 설치되고,
    상기 수직탄성재는 폴리우레탄 패드이고,
    상기 수평이동 제한부재는 상기 탄성재수용홈에 삽입되는 돌출부를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 교좌장치.
  3. 제2항에 있어서, 상기 폴리우레탄 패드는 상기 폴리우레탄 패드에 가해지는 압력이 커짐에 따라 탄성 변형에 의해 상기 폴리우레탄 패드의 두께가 점점 감소되면서 상기 폴리우레탄 패드의 유동되는 부분이 채워질 수 있게 상기 폴리우레탄 패드의 상면과 하면 사이의 상기 탄성재수용홈 내부의 일측에 빈 공간이 형성되어 있도록 구성된 것을 특징으로 하는 교좌장치.
  4. 제2항에 있어서, 상기 돌출부의 끝단 표면에는 상기 수직탄성재의 끝단이 삽입되어 상기 수직탄성재가 가압될 때 상기 수직탄성재의 끝단이 상기 탄성재수용홈에서 외부로 누출되는 것을 방지하기 위한 누출방지홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 교좌장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 수직탄성재 홀더는 상기 수직탄성재가 수용되는 탄성재수용홈을 구비하여 상기 수평이동 제한부재 반대편의 상기 하부부재 또는 상기 상부부재에 설치되고,
    상기 수직탄성재는 상기 수평이동 제한부재를 향하는 면에 가장자리를 따라 설치된 금속링을 구비하는 네오프렌고무 또는 천연고무이고,
    상기 수평이동 제한부재는 상기 탄성재수용홈에 삽입되는 돌출부를 구비하여 구성된 것을 특징으로 하는 교좌장치.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 수직탄성재 홀더는, 상기 수직탄성재 홀더와 상기 수평이동제한부재 반대편의 상기 하부부재 또는 상기 상부부재와의 사이에 상호간에 작용하는 힘이 서서히 작용하는 수평력인 경우에는 상기 수직탄성재 홀더의 수평이동을 허용하고 순간적으로 큰 힘이 작용하는 충격력인 경우에는 상기 수직탄성재 홀더의 수평이동을 허용하지 않도록 하기 위한 STU를 통해 상기 수평이동 제한부재 반대편의 상기 하부부재 또는 상기 상부부재에 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 교좌장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 수직탄성재 홀더는 상기 수평이동제한부재 또는 상기 하부부재와 상부부재 중 상기 수평이동제한부재의 반대편의 부재에 고정되어 있는 상기 수직탄성재를 관통하는 핀이고, 상기 핀이 설치된 부재 반대편의 부재에는 상기 핀의 끝단이 삽입되어 상기 핀의 수평이동을 제한하는 핀 홈이 형성되어 있고,
    상기 수직탄성재는 폴리우레탄 패드임을 특징으로 하는 교좌장치.
  8. 제1항에 있어서, 상기 수직탄성재 홀더는 상기 수평이동제한부재 또는 그 반대편의 상기 하부부재 또는 상기 상부부재에 대해 적어도 일 수평방향으로 수평이 동 가능케 설치된 수평안내부재에 고정되어 상기 수직탄성재를 관통하는 핀이고, 상기 핀이 설치된 부재 반대편의 부재에는 상기 핀의 끝단이 삽입되어 상기 핀의 수평이동을 제한하는 핀 홈이 형성되어 있고,
    상기 수직탄성재는 폴리우레탄 패드이고,
    상기 수평안내부재와 상기 수평이동제한부재 반대편의 상기 하부부재 또는 상기 상부부재와의 사이에 상호간에 작용하는 힘이 상시에 서서히 작용하는 수평력인 경우에는 상기 수평안내부재의 수평이동을 허용하고 순간적으로 큰 힘이 작용하는 충격력인 경우에는 상기 수평안내부재의 수평이동을 허용하지 않는 STU가 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 교좌장치.
  9. 제1항 내지 제5항, 제7항 및 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 댐퍼부재는 일측이 개구된 씨-쉐이프 댐퍼부재이고, 상기 씨-쉐이프 댐퍼부재는 일단과 곡률중심과 타단을 연결하는 선의 상기 개구된 쪽을 향하는 각도가 180도보다는 작고 120도 이상이고, 양단에서 멀어질수록 반경방향의 폭은 점점 증가되는 것을 특징으로 하는 교좌장치.
  10. 제9항에 있어서, 상기 각도는 150 ± 20도임을 특징으로 하는 교좌장치.
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