KR100837886B1 - 자기장발생층이나 전기장발생층이 포함된 면진받침 - Google Patents

Abstract

본 발명은 자기장발생층이나 전기장발생층이 포함된 면진받침에 관한 것으로, 상부 플레이트와 하부 플레이트 및 상기 상·하부 플레이트 사이에 존재하는 패드를 포함하는 면진받침에 있어서, 상기 패드는 자기장이나 전기장에 의해 경화되거나 형상이 변형되는 물질로 이루어진 자기유변탄성체층과, 외부로부터 유입되는 전계에 의하여 상기 자기유변탄성체층에 유도 자기장이나 전기장을 발생시킬 수 있는 자기장발생층이나 전기장발생층이 서로 교대로 적층된 것임을 특징으로 한다. 이러한 본 발명에 의하여 상기 자기장발생층이나 전기장발생층을 통해 자기유변탄성체층에 유도 자기장이나 전기장을 발생시킴으로써, 사용자 의도대로 상기 자기유변탄성체층을 경화시키거나 상기 자기유변탄성체층의 강성 또는 형상을 변화시킬 수 있는 것이다.

면진받침, 자기장발생층, 전기장발생층, 코일

Description

자기장발생층이나 전기장발생층이 포함된 면진받침{Seismic Isolation Device Having Inductive or Electric Field Layer}

도 1은 종래에 이동제한기구가 구비된 납면진받침(Lead Rubber Bearing: LRB)의 형상을 나타내는 일부 절개 사시도이고,

도 2는 종래에 전단변형량 조절장치가 구비된 납면진받침(LRB)의 형상을 나타내는 종단면도이고,

도 3은 도 2의 전단변형량 조절장치에 의해 전단변형이 이루진 경우의 납면진받침(LRB) 형상을 나타내는 종단면도이고,

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 자기장발생층이나 전기장발생층이 포함된 면진받침의 구성을 나타내는 종단면도이고,

도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라 코일에 의해 둘러싸인 보강 철판층을 포함하는 면진받침을 나타내는 종단면도이고,

도 6은 본 발명에 따라 자기장발생층이나 전기장발생층이 포함된 원형 면진받침의 일례를 나타내는 일부 절개 사시도이고,

도 7은 본 발명에 따라 자기장발생층이나 전기장발생층이 포함된 사각형 면진받침의 일례를 나타내는 일부 절개 사시도이다.

**도면의 주요부분에 대한 기호의 설명**

20: 상부 플레이트 30: 하부플레이트

40: 패드 41: 자기유변탄성체층

43: 자기장발생층(또는 전기장발생층) 45: 측면 자기유변탄성체층

47: 코일 50: 면진받침

60: 상부 구조물 70: 하부 구조물

80: 납심

본 발명은 면진받침에 관한 것으로, 특히 자기장발생층이나 전기장발생층이 포함된 면진받침에 대한 것이다. 더욱 상세하게는 자기장이나 전기장에 의해 변형될 수 있는 물질로 이루어진 자기유변탄성체층과 상기 자기유변탄성체층에 유도 자기장이나 전기장을 형성하기 위한 자기장발생층이나 전기장발생층이 서로 교대로 적층되어 이루어진 것을 특징으로 한다.

근래에 국내에서 설치 시공·건설 중인 교량에는 의무적으로 내진 설계를 하도록 규정하고 있다. 이는 구조물이 지진이나 외부 진동으로 인하여 구조적으로 문제가 발생될 경우 인적·물적으로 상당히 많은 피해를 유발시키기 때문이다.

이에 일반적으로 대형 교량에서는 외부에서 전달되는 지진이나 진동을 적정한 수준으로 저감시키고 교각과 교량 상판 사이에 설치하여 계절에 따른 온도 변화에 의해 발생되는 교량 상판의 수축 및 팽창을 흡수하는 충격완화 및 흡수장치로서, 도 1에 나타난 바와 같은, 납면진받침(Lead Rubber Bearing, LRB)을 많이 사용하고 있다.

이러한 납면진받침(LRB)을 포함하여 교량을 포함한 대형 구조물의 면진장치로 사용되는 일반적인 면진받침(Seismic Isolation Device)은 지진력에 의한 전단 변형량 뿐만 아니라 상부 구조물의 온도 변화에 따른 신축량을 포함한 전단 변형을 허용할 수 있어야 한다. 특히, 설치조건상 외부에 노출된 교량에 적용할 경우, 설치시점의 온도에 따라서 교량 상부 구조물이 주변온도에 따른 신축량이 크기 때문에 필요한 전단 변형량을 확보하기 위하여 면진받침의 높이가 증가되고 충분한 교각의 설치 면적이 확보되어야 한다. 예를 들어, 여름철에 납면진받침(LRB)을 설치할 경우 지진력에 의한 전단 변형량에 교량 상부 구조물의 팽창량을 고려해야하며, 겨울철에 설치할 경우 지진력과 상부 구조물의 수축량을 감안하여 설치하여야 한다.

그런데, 일반적으로 교량의 상부는 폭에 비해 길이가 긴 점으로 인해, 온도의 변화에 따른 길이방향의 신축이 크게 일어난다. 따라서, 온도가 낮거나 높은 상태에서 납면진받침에 미리 전단변형을 가하지 않은 상태에서 교량 상부를 시공하여 고정시 킨 경우에는 온도의 변화에 의해 가해지는 전단변형이 납면진받침이 수용할 수 있는 한계를 초과하여 면진 기능이 크게 손실될 수 있는 문제점이 있다. 따라서, 대기 온도에 따라서 납면진받침에 미리 전단변형을 가하는 프리셋팅 작업이 필요하다. 종래에는 프리셋팅을 위해서 큰 용량의 잭을 이용하여 면진받침에 전단변형을 일으킨 후 상부를 고정하였으나, 큰 용량의 잭에 의해 추진반력을 얻기 위해 튼튼한 받침대를 협소한 교량 하부 구조물에 설치하여야 한다는 단점이 있다.

또한, 설치 시점의 온도에 따른 변형량을 계산하여 납면진받침(LRB)를 미리 전단 변형시킨 상태에서 설치하면 그만큼 설치 면적이 줄어든다. 이때 납면진받침(LRB)은 설치 시점의 주변 온도에 따른 변형량을 고려하여 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같은 전단 변형량 조절장치(10)를 이용하여 초기 변형 고정시킨 상태에서 교각과 교량의 상판 사이에 설치한다. 전단 변형량 조절 장치(10)로는 턴 버클을 사용할 수 있고 작용 전단력에 따라 유압장치를 사용할 수 있다.

한편, 상기한 납면진받침을 사용하여 교량을 시공하기 위하여 사용되는 방법으로는, 교각 또는 교대 위에 콘크리트로 제작된 가설받침을 설치한 상태에서 교량 상판을 연속 시공한 후, 상기 가설받침을 해체하고 그 위에 납면진받침을 설치해왔었는데, 이와 같은 가설받침을 사용하는 교량의 시공에 있어서는 그 절차가 대단히 복잡하여 시공기간이 많이 소요되고 많은 인력을 투입하여야 했었으며, 교각 위에서 안전사고가 발생하게 되는 경우가 있었다.

이에 대한 개선책이 대한민국 특허출원 1999-0008011호에 일부 개시되어 있으나, 상기 특허출원에 따른 이동제한 기구는, 도 1에 나타난 바와 같이, 납면진받침에 고정블럭(3)을 착탈시키기 위해서 볼트구멍을 형성하여야 하므로, 그 제작이 복잡하고 납면진받침의 손상의 우려가 있다는 문제점이 있으며, 교량의 상부의 온도변화에 의한 수축 팽창을 대비하여 자체 프리셋팅을 할 수 없다는 단점도 있다.

이에 본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 자기장이나 전기장에 의해 변형될 수 있는 물질로 이루어진 자기유변탄성체층과 상기 자기유변탄성체층에 유도 자기장이나 전기장을 형성하기 위한 자기장발생층이나 전기장발생층이 서로 교대로 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 자기장발생층이나 전기장발생층이 포함된 면진받침을 제공하기 위한 것이다.

이러한 본 발명을 통하여, 상기 자기장발생층이나 전기장발생층을 통해 자기유변탄성체층에 유도 자기장이나 전기장을 발생시킴으로써, 사용자 의도대로 상기 자기유변탄성체층을 경화시키거나 상기 자기유변탄성체층의 강성 또는 형상을 변화시키는 것이 본 발명의 목적이다. 또한, 본 발명은 상기와 같이 자기유변탄성체층의 강성 또는 형상을 관리자가 필요시에 원하는 만큼 조절하여 변화시킴으로써, 일반적인 면진받침에서 요구되는 지진력에 의한 전단 변형량 뿐만 아니라 상부 구조물의 온도 변화에 따른 신축량을 포함한 전단 변형을 관리자가 적극적으로 통제할 수 있게 만드는 것이다. 이에 따라, 필요한 전단 변형량을 확보하기 위한 면진받침의 높이 증가와 충분한 교각의 설치 면적을 정확히 예측할 수 있고, 납면진받침에 미리 전단변형을 가하는 프리셋팅 작업을 더욱 용이하게 수행하고자 하는 것이다.

상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 자기장발생층이나 전기장발생층이 포함된 면진받침은 상부 플레이트와 하부 플레이트 및 상기 상·하부 플레이트 사이에 존재하는 패드를 포함하는 면진받침에 있어서, 상기 패드는, 자기장이나 전기장에 의해 경화되거나 형상이 변형되는 물질로 이루어진 자기유변탄성체층과; 외부로부터 유입되는 전계에 의하여 상기 자기유변탄성체층에 유도 자기장이나 전기장을 발생시킬 수 있는 자기장발생층이이나 전기장발생층이 서로 교대로 적층된 것임을 특징으로 한다.

여기서, 상기 자기장이나 전기장에 의해 경화되거나 형상이 변형되는 물질은 자기유변 탄성체(magnetorheological elastomer)가 포함되어 이루어진 것이 바람직하고, 상기 자기장발생층이나 전기장발생층은 영구자석으로 이루어진 것이거나 또는 외부의 전계 유입 수단과 연결된 코일에 의해 둘러싸인 보강 철판인 것이 더욱 바람직하다.

기타 실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있 다.

본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명의 범주를 완전하게 이해할 수 있도록 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다.

본원에서 사용되는 면진받침은 교량상판과 교각 사이에 구비되는 교각용 면진받침일 수 있고, 콘크리트나 철제 구조를 가진 일반 건물의 기본 구조물에 설치되는 건물용 면진받침일 수도 있다. 그러나, 이러한 사용용도에 따라 구분되는 면진받침은 예시적인 것에 불과하고, 상부 구조물과 하부 구조물 사이에서 지진력 유발과 진동변위를 억제하기 위한 것이면, 이 기술분야에서 널리 알려진 모든 형태의 면진받침을 포함한다.

이하, 본 발명의 실시예들에서는 설명의 편의를 위하여 교량상판과 교각 사이에 구비되는 교각용 면진받침을 중심으로 예를 들어 설명한다. 이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 도 4 내지 도 7에 근거하여 설명한다.

도 4는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 자기장발생층이 포함된 면진받침의 구성을 나타내는 종단면도이다.

여기에 도시된 바와 같이, 본 발명은 상부 플레이트(20)와 하부 플레이트(40) 및 상기 상·하부 플레이트(20, 30) 사이에 존재하는 패드(40)를 포함하는 면진받침(50)에 대한 것이다. 이러한 면진받침(50)은 교량, 건축물, 대형 탱크 등과 같이, 지반 혹은 하부 구조물(70) 위에 시공되는 상부 구조물(60)을, 지반 혹은 하부구조로부터 격리시키기 위하여 그 사이에 설치되는 것으로, 지진 등의 진동을 절연하고 진동 종료후 탄성 자기유변탄성체층(41)을 포함하는 패드(40)가 갖고 있는 탄성 회복력으로 원래 위치로 복원하는 기능을 가지며, 또한 상부 구조물의 진동 가속도를 줄여주는 역할을 하게 된다.

여기서, 본 발명에 따른 면진받침(50)의 상기 패드(40)는 교량 상판과 교대 혹은 교각의 접점에 위치하여 사하중 및 활하중과 같은 수직하중에 대한 하중지지기능, 교량상판의 온도신축 및 건조수축/크리이프 등과 같은 수평방향의 변위에 대한 미끄러짐(이동)기능, 차량하중에 의한 교량상판의 회전을 수용할 수 있는 굴림(회전)기능을 가짐으로서, 상부구조의 변위에 의한 응력이 교대 및 교각에 과도하게 전달되지 않도록 하는 교량구조물에 있어서의 중요한 부재이다.

이를 위하여, 본 발명에 따른 상기 패드(40)는 초기 탄성재료층을 구성하는 고무 등으로 이루어진 탄성판과 강성재료층을 구성하는 내부 보강의 금속판이 번갈아 적층된 구조를 가진다. 특히, 상기 고무 등으로 이루어진 탄성판은 자기장이나 전기장에 의해 경화되거나 형상이 변화되는 물질로 이루어진 것을 특징으로 하는 자기유변탄성체층(41)이 바람직하고, 상기 내부 보강의 금속판은 외부 요인으로부터 발생하는 전계에 의하여 상기 자기유변탄성체층(41)에 유도 자기장이나 전기장을 발생시킬 수 있는 자기장발생층이나 전기장발생층(43)인 것이 바람직하다.

이러한 본 발명의 가장 큰 특징은, 상기 자기유변탄성체층(41)이 종래의 일반적인 탄성 고무 대신에 외부 유도 자기장에 의해 경화되거나 형상이 변화는 물질로 이루어졌다는 것과, 상기 자기장발생층이나 전기장발생층(43)이 종래의 일반적인 보강철판 대신에 상기한 자기유변탄성체층(41)의 특성을 변화시킬 수 있는 유도 자기장 발생이 가능한 것이라는 점이다. 이러한 자기유변탄성체층(41)과 자기장발생층이나 전기장발생층(43)은 도 4에 도시된 것처럼, 서로 교대로 번갈아 가며 적층된 구조를 가지는 것이 바람직하다.

상기한 구조를 가지는 본 발명에 의하면, 예를 들어 상기 자기장발생층이나 전기장발생층(43)에 외부에서 전류를 흘려주는 경우, 상기 자기장발생층이나 전기장발생층(43)에는 유도 자기장이나 전기장이 발생하게 되고, 이렇게 발생된 유도 자기장의 영향을 받아서 상기 자기유변탄성체층(41)은 경화되거나 강성 또는 형상이 변화게 되는 것이다. 이에 따라, 본 발명에 의하는 경우, 상기 자기장발생층이나 전기장발생층(43)을 통해 자기유변탄성체층(41)에 유도 자기장이나 전기장을 발생시킴으로써, 사용자 의도대로 상기 자기유변탄성체층(41)을 경화시키거나 상기 자기유변탄성체층(41)의 강성 또는 형상을 변화시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 이와 같이 자기유변탄성체층(41)의 강성 또는 형상을 관리자가 필요시에 원하는 만큼 조절하여 변화시킴으로써, 일반적인 면진받침에서 요구되는 지진력에 의한 전단 변형량 뿐만 아니라 상부 구조물의 온도 변화에 따른 신축량을 포함한 전단 변형을 관리자가 적극적으로 통제할 수 있는 것이다.

한편, 본 발명에 따른 상기 자기유변탄성체층(41)은 외부에서 발생하는 유도 자기장이나 전기장에 의해 경화되거나 또는 강성이 변하여 형상이 변화되는 것을 특징으로 하는바, 상기 자기유변탄성체층(41)은 자기장이나 전기장에 의해 경화되거나 형상이 변형되는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 예를 들어, 이러한 자기유변탄성체층(41)은 자기유변 탄성체(magnetorheological elastomer)가 포함되어 이루어질 수 있다.

상기 자기유변 탄성체라 함은 자기장 또는 전기장에 의해 경화되거나 형상이 변형되는 물질을 말하는 것으로, 근처에 자기장이나 전기장이 발생하면 그 구성성분이 한방향으로 늘어서게 되고, 이에 따라 상기 자기유변 탄성체 또는 자기유변 유체를 포함하는 물질을 경화시키는 단단한 격자를 형성하는 것이다. 상기 자기유변 유체는 예시적으로 자동차 오일과 같은 기름에 가루로 된 쇠 줄밥(powdered iron filing)을 혼합하여 간단하게 만들 수도 있다.

그리고, 본 발명에 따른 상기 자기장발생층이나 전기장발생층(43)은 외부로부터 유입되는 전계에 의하여 상기 자기유변탄성체층(41)에 유도 자기장을 발생시키는 것을 특징으로 하는바, 상기 자기장발생층이나 전기장발생층(43)은 영구자석으로 이루어지거나 또는 외부의 전계 유입 수단과 연결된 코일에 의해 둘러싸인 보강 철판일 수 있다.

도 5는 본 발명의 바람직한 다른 실시예에 따라 코일(47)에 의해 둘러싸인 보강 철판을 포함하는 면진받침(50)을 나타내는 종단면도이고, 여기에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자기장발생층이나 전기장발생층(43)은 보강철판 주위로 코일(47)이 감겨있는 것일 수 있다. 여기서, 외부의 전계 유입 수단(도시하지 않음)은 상기 보강철판 또는 상기 코일(47)과 연결되는 것일 수 있고, 이에 따라 상기 보강철판 또는 코일(47)에 전계가 유입되는 상기 자기장발생층이나 전기장발생층(43)은 유도 자기장이나 전기장을 발생시키는 것이다. 이를 위하여, 본 발명에 따른 면진받침(50)은 상기 자기장발생층이나 전기장발생층(43)에 외부 전계를 유입시킬 수 있는 외부 전계 유입 수단(도시하지 않음)을 포함할 수 있고, 예시적으로는 외부 전압이나 전류를 상기 자기장발생층이나 전기장발생층(43), 특히 상기 보강철판이나 코일(47)로 전달할 수 있는 연결장치일 수 있다. 물론, 상기 자기장발생층이나 전기장발생층(43)이 영구자석으로 이루어져 자기장이나 전기장에 의해 상기 자기유변탄성체층(41)의 특성을 변화시키는 것도 가능하다.

이와 함께, 도 6은 본 발명에 따라 자기장발생층이나 전기장발생층이 포함된 원형 면진받침의 일례를 나타내는 일부 절개 사시도이고, 도 7은 본 발명에 따라 자기장발생층이나 전기장발생층이 포함된 사각형 면진받침의 일례를 나타내는 일부 절개 사시도이다.

먼저, 상기 도 6과 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 면진받침(50)은 원형 또는 사각형 형태일 수 있고, 이외에 다른 어떠한 형태로 이루어질 수 있다는 것 역시 이 기술분야에서 보통의 지식을 가진자에게 당연하다.

나아가, 본 발명의 다른 실시형태는 상기 자기유변탄성체층(41)과 자기장발생층이나 전기장발생층(43)이 서로 교대로 적층되어 있는 패드(40)를 포함하고, 상기 패드(40)의 측면에는 측면 자기유변탄성체층(45)이 구비되어 있으며(도 6 및 도 7 참조), 특히 이러한 패드(40)의 중심에는 기둥형태의 납심(80)이 삽입된 것일 수 있다.

본 발명은 상기와 같은 자기유변탄성체층(41)과 자기장발생층이나 전기장발생층(43)이 서로 교대로 적층되어 있는 패드(40) 내부에 납심(Lead)(80)을 삽입함으로써, 바람 하중 또는 제동 하중과 같은 단기 하중에는 납의 초기강성으로 교량 등의 흔들림을 억제하고, 온도변화와 같은 장기적인 거동에는 납이 쉽게 항복하여 온도응력을 상부 구조물에 전달하지 않으며, 지진시에는 납의 비선형 거동으로 진동에너지를 흡수하여 지진변위를 억제하도록 할 수 있는 것이다.

이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따르면, 자기장이나 전기장에 의해 변형될 수 있는 물질로 이루어진 자기유변탄성체층과 상기 자기유변탄성체층에 유도 자기장이나 전기장을 형성하기 위한 자기장발생층이나 전기장발생층이 서로 교대로 적층되어 이루어진 것을 특징으로 하는 자기장발생층이나 전기장발생층이 포함된 면진받침을 제공할 수 있다.

이러한 본 발명에 의하는 경우, 상기 자기장발생층이나 전기장발생층을 통해 자기유변탄성체층에 유도 자기장이나 전기장을 발생시킴으로써, 사용자 의도대로 상기 자기유변탄성체층을 경화시키거나 상기 자기유변탄성체층의 강성 또는 형상을 변화시킬 수 있는 효과가 있다. 또한, 이와 같이 자기유변탄성체층의 강성 또는 형상을 관리자가 필요시에 원하는 만큼 조절하여 변화시킴으로써, 일반적인 면진받침에서 요구되는 지진력에 의한 전단 변형량 뿐만 아니라 상부 구조물의 온도 변화에 따른 신축량을 포함한 전단 변형을 관리자가 적극적으로 통제할 수 있는 것이다. 이에 따라, 필요한 전단 변형량을 확보하기 위한 면진받침의 높이 증가와 충분한 교각의 설치 면적을 정확히 예측할 수 있고, 납면진받침에 미리 전단변형을 가하는 프리셋팅 작업을 더욱 용이하게 수행할 수 있는 것이다.

Claims (3)

1. 상부 플레이트(20)와 하부 플레이트(30) 및 상기 상·하부 플레이트(20, 30) 사이에 존재하는 패드(40)를 포함하는 면진받침에 있어서,

   상기 패드(40)는,

   자기장이나 전기장에 의해 경화되거나 형상이 변형되는 물질로 이루어진 자기유변탄성체층(41)과

   외부로부터 유입되는 전계에 의하여 상기 자기유변탄성체층(41)에 유도 자기장이나 전기장을 발생시킬 수 있는 자기장발생층이나 전기장발생층(43)이 서로 교대로 적층된 것임을 특징으로 하는 자기장발생층이나 전기장발생층이 포함된 면진받침.
2. 제1항에 있어서, 상기 자기장이나 전기장에 의해 경화되거나 형상이 변형되는 물질은 자기유변 탄성체(magnetorheological elastomer)가 포함되어 이루어진 것임을 특징으로 하는 자기장발생층이나 전기장발생층이 포함된 면진받침.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 자기장발생층이나 전기장발생층(43)은 영구자석으로 이루어진 것이거나 또는 외부의 전계 유입 수단과 연결된 코일(47)에 의해 둘러싸인 보강 철판인 것을 특징으로 하는 자기장발생층이나 전기장발생층이 포함된 면진받침.

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