KR100923072B1 - 강재와 형상기억합금으로 구성된 댐퍼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상대적으로 저가인 강재와 고가인 형상기억합금을 이용한 강재와 형상기억합금으로 구성된 댐퍼에 관한 것으로써, 양 단부에 각각 ㄱ자 형태의 형상기억합금봉이 고정된 수평강재봉; 상기 각각 형상기억합금봉의 상단에 고정된 수직부 및 수평부로 형성된 ㄱ자형 강재봉:을 포함하되, 상기 수평강재봉 상부에 ㄱ자형 강재봉이 위치하여 ㄱ자형 강재봉에 작용하는 하중에 의하여 형상기억합금봉이 휘어지면서 하중이 감쇄되도록 하는 강재와 형상기억합금으로 구성되어, 보다 효율적이고 경제적인 댐퍼로 이용이 가능할 뿐만 아니라, 이에 이용하는 구조물은 구조적 안전성을 충분히 확보할 수 있어 그 구조적 안전진단에 있어 매우 유리하게 된다.

댐퍼, 형상기억합금

Description

강재와 형상기억합금으로 구성된 댐퍼{DAMPERWITH SMA AND STEEL}

본 발명은 강재와 형상기억합금으로 구성된 댐퍼에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 강재로부터 전달되는 하중을 감쇄하도록 강재에 형상기억합금(SMA)이 결합되도록 형성된 강재와 형상기억합금으로 구성된 댐퍼에 관한 것이다.

형상기억합금(Shape Memory Alloy, SMA)은 오스텐나이트와 마텐사이트 상태인가에 따라서 거동의 특성이 상이하며, 거동의 특성을 다양하게 공학적으로 활용이 가능하다.

본 발명에서 이용하는 형상기억합금(Shape Memory Alloy, SMA)은 상온에서 두 가지 형태를 가지며, 하나는 마텐사이트 상태로, 응력에 의해서 변형을 일으키며 응력이 제거되면 상당한 잔류변형이 남지만, 열을 가하여 온도를 상승시키면 잔류변형을 회복하여 원상태로 되돌아 갈 수 있는 상태의 형상기억합금이다.

이렇게 온도에 의해서 원래의 상태로 회복하는 거동을 형상기억효과(shape memory effect)라 한다.

또 하나는 오스텐나이트 상태로 응력을 가하며 변형이 발생하지만 응력을 제거하면 잔류변형 없이 원래의 상태로 복원하는 상태의 형상기억합금이다.

이러한 거동은 초탄성(superelastic behavior)라 한다. 이러한 거동들은 형상기억합금의 변태과정을 거쳐 일어나게 된다.

즉, 오스텐나이트 상태의 형상기억합금은 대변형 후에도 잔류변형이 거의 없이 원형을 회복하는 초탄성 거동을 하며,

마텐사이트 상태의 형상기억합금은 대변형 후에 잔류변형이 크게 존재하여 상대적으로 큰 에너지 소산능력을 가지고 있다. 이러한 잔류변형은 열을 가하게 되면 원형으로 회복되므로 계속적인 사용이 가능하다.

반면에 강재는 대변형 후에 큰 잔류변형이 남아 에너지 소산능력은 크지만, 잔류변형을 회복할 수 없어 재사용이 불가능하다.

하지만 형상기억합금은 대변형율 상태에서도 파괴가 발생하지 않는다.

즉, 도 1a 및 도 1b에서는 형상기억합금에 있어서 약 8%의 변형율을 보여주고 있지만, 조성과 열처리 등 제작특성에 따라서 20%까지의 파단 변형율이 가능하다.

따라서 이러한 성질은 강재에 비행 월등히 큰 변형을 파괴 없이 발생시킬 수 있음을 보여준다.

이러한 형상기억합금의 거동특성을 이용하여 댐퍼들이 개발되었으며, 대부분은 봉 또는 와이어 형태를 하고 있다.

그러나 와이어 형태는 인장방향으로만 작용하며, 봉은 인장과 압축방향으로 작용할 수 있지만 압축방향으로 작용시키기 위해서는 좌굴에 대한 대책이 필요하다. 그래서 대부분의 봉 또는 와이어 형태의 형상기억합금 댐퍼는 인장방향으로 만 작용하도록 고안되었다.

이에 본 발명은 이러한 고가인 형상기억합금을 소량만 사용하여 대변형을 발생시킬 수 있으며 인장 및 압축력 모두에 대응하는 댐퍼를 개발하고자 한다.

이에 본 발명은

강재와 형상기억합금를 봉 형태로 제작하고, 이를 전체적으로 U형으로 제작하여 댐퍼가 구성될 수 있도록 하였다.

이에 상기 강재에 하중이 수평 인장력 형태로 작용하면 이러한 하중은 형상기억합금에 전달되어 형상기억합금이 휘어지게 되는데 이러한 휘어짐에 따라 하중을 흡수하도록 한 것이다.

이때, 상기 강재는 하중이 작용함에 따라 변형이 크게 일어나는데 강재에 연결된 형상기억합금은 이러한 변형을 구속하는 역할을 하도록 하여 강재가 일정 이상의 대변형이 일어나지 않도록 하는 기능을 하게 된다.

또한, 형상기억합금은 그 변형 시 에너지 소산능력이 크게 되므로 강재에 작용하는 하중을 감쇄시켜 주는 역할을 하도록 한 것이다.

나아가, 상기 강재에 작용하는 하중은 인장 또는 압축력인가에 따라 그 방향이 서로 반대로 작용하게 되는데, 본 발명에서는 이러한 하중 작용방향에 상관없이 형상기억합금이 반응함에 따라 댐퍼의 작용이 양방향성을 가지게 되어 보다 효율적인 댐퍼 이용이 가능하도록 하였다.

결국, 본 발명은 상대적으로 값이 싼 강재를 댐퍼로 이용하되, 이러한 강재의 변형을 구속함으로써, 에너지 소산에 의한 하중감쇄효과를 가질 수 있도록 형상기억합금을 이용하되, 고가인 형상기억합금을 조금만 이용하도록 하여 그 사용량을 절감하여 보다 경제적이고 효율적인 댐퍼를 제공할 수 있게 된다.

본 발명을 보다 명확하고 용이하게 설명하기 위해서 이하 본 발명의 최선의 실시예를 첨부도면에 의하여 상세하게 설명하며, 본 발명에 따른 실시예는 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으므로, 본 발명의 범위가 아래에서 설명되는 실시예에 한정되지 않는다.

도 2에 의하면, 본 발명에 의한 댐퍼는 크게 수평강재봉(110), ㄱ자 형태의 형상기억합금봉(120) 및 ㄱ자형 강재봉(130)으로 구성되며 전체적으로 U형 형태로 구성된다.

상기 수평강재봉(110)은 통상의 강재를 봉 형태로 가공한 것을 이용하게 되며, 그 직경과 길이는 용도에 따른 댐퍼의 설계에 따라 정해지게 될 것이다.

이러한 수평강재봉(110)의 양 단에는 ㄱ자 형태의 형상기억합금봉(120)이 각각 고정 연결된다.

이러한 연결방법은 용접 등의 방법으로 가능하다.

상기 ㄱ자 형태의 형상기억합금봉(120)은 오스텐사이트 또는 마텐사이트 상태의 형상기억합금을 역시 봉 형태로 가공하여 제작한 것으로서 ㄱ자형태로 형성 되도록 하여 수평강재봉(110)의 양 단부에 고정되도록 한다.

이에 ㄱ자 형태의 형상기억합금봉(120)과 수평강재봉(110)의 직경은 서로 동일하도록 하는 것이 바람직하며, U자형 댐퍼를 구성하기 위하여 ㄱ자 형태의 형상기억합금봉(120)의 상단은 수평강재봉(110)보다 상부에 위치하도록 함을 알 수 있다.

상기 ㄱ자 형태의 형상기억합금봉(120)의 상단에 각각 ㄱ자형 강재봉(130)이 연결 고정된다.

이에 본 발명의 댐퍼는 전체적으로 U자형을 이루고 있으며, 수평강재봉(110) 및 ㄱ자형 강재봉(130)은 3개 ㄱ자 형태의 형상기억합금봉(120)은 2개가 이용되고 있음을 알 수 있다.

도 3에 의하여 본 발명의 댐퍼의 작용을 살펴본다.

본 발명에 의한 형상기억합금 댐퍼가 양방성을 가지도록, 즉 인장과 압축에 대한 변형 및 에너지 소산이 가능하도록 전체적으로 U자 모양의 댐퍼가 제시된다.

즉, 본 발명의 댐퍼(100) 구체적으로는 ㄱ자형 강재봉(130)에 수평방향으로 인장 또는 압축방향으로 서로 반대의 힘(F)가 발생되도록 함을 알 수 있으며, 이러한 힘(F)는 방향에 관계없이 형상기억합금봉(120)에 전달 될 수 있게 되며, 상기 방향에 따라 형상기억합금봉(120)의 휨 방향이 달라질 뿐임을 알 수 있다.

이에 U자 모양의 댐퍼(100)는 힘(F, 인장력으로 작용하는 경우)이 ㄱ자형 강재봉(130)에 작용하면 댐퍼의 변형은 U자 모양의 직각으로 휜 부분에 집중된다.

이에 상기 휜 부분을 형상기억합금 봉(120)으로 대체하면 전체적인 거동이 강재가 아닌 형상기억합금의 거동을 보이게 되며, 이러한 구성이 바로 본 발명의 ㄱ자 형태의 형상기억합금봉(120)이라 할 수 있다.

이에 댐퍼의 구성은 U자 형태에서 휨이 집중되는 직각의 ㄱ자 형태의 형상기억합금봉(120) 2개와 이를 연결하는 강재 봉 3개로 구성되어 있다.

먼저, 두 개의 강재봉은 작용하는 힘(F)을 전달 수 있도록 직각으로 구부러져 ㄱ자형 강재봉(130)로 ㄱ자 형태의 형상기억합금봉(120)의 상단에 연결 고정되도록 함을 알 수 있다.

다른 하나는 두 개의 ㄱ자 형태의 형상기억합금봉(120)을 연결해주는 역할을 하도록 직선형태로서 수평 강재봉(110)임을 알 수 있다.

이에 힘으로써 인장력이 ㄱ자형 강재봉(130)에 작용하면, ㄱ자 형태의 형상기억합금봉(120)이 벌어지면서 댐퍼의 상단에 변위가 발생하게 된다.

이러한 형상기억합금은 20%까지의 큰 변형율을 발생시킬 수 있으며, U자 모양 댐퍼의 상단의 변위는 ㄱ자 형태의 형상기억합금봉(120)의 각변화에 의존하기 때문에 작은 ㄱ자 형태의 형상기억합금봉(120)의 변형에 의해서도 전체 댐퍼의 변형율이 크게 발생한다.

이러한 변형율의 크기는 ㄱ자 형태의 형상기억합금봉(120)의 길이를 조절하면 용이하게 조절할 수 있다.

또한, 에너지 소산이 많이 요구되는 경우에는 ㄱ자 형태의 형상기억합금봉(120)의 길이를 작게하여 직각 형상기억합금에 큰 변형이 발생하도록 유도할 수 있도록 하면된다.

상기 길이는 결국 ㄱ자 형태의 형상기억합금봉(120)의 수평길이(L)를 조정하여 제작하면 될 것이다.

도 4는 특히 ㄱ자형 강재봉(130)에 있어 그 수직부(131)와 수평부(132)의 결합 형태를 도시한 것이다.

즉, 수직부(131)를 핀(133,힌지)으로 연결하여 힘(F)의 작용이 항상 수평을 이루도록 하는 구성이다. 이러한 구성은 U자 모양 형상기억합금 댐퍼를 적용하는 대상에 따라 사용이 가능하다.

도 5는 특히 본 발명에 의한 댐퍼(100)의 적용예를 보여주고 있다.

도 5에 의하면, 본 발명의 댐퍼(100)가 낙석방지울타리에 있어 적용된 예를 볼 수 있다.

즉, 고속도로변이나 철로변에 낙석을 방지하기 위해서 설치하는 낙석방지울타리에 개발된 본 발명의 댐퍼(100)를 적용할 수 있다.

기존의 낙석방지울타리는 지주(200)와 지주 (200)사이를 연결하는 강재 와이어(300) 및 그물망으로 구성되어 있다. 울타리는 보통 5경간을 연속으로 구성한다.

기존울타리에서는 마지막의 지주(포스트)에 강재 와이어를 연결하기 위해서 볼트방식을 사용하고 있다.

이에 낙석의 충격에 의해서 볼트 연결이 해체되면서 강재 와이어에 의한 힘의 전달이 축소되면서 그물망에 작용하는 힘이 증가하게 되며, 이에 낙석이 망을 통과하게 되는 위험성이 증가한다.

이러한 문제를 해결하기 위해서 개발된 기법은 탄성스프링을 지주와 강재 와이어 연결부 및 와이어 중앙에 설치하여 충격하중을 스프링의 변형으로 흡수하여 기존울타리와 같이 볼트가 파괴되어 낙석이 울타리를 통과하지 못하도록 한 것이다.

그러나 강재의 탄성스프링은 큰 변형을 흡수할 수 있지만 에너지 소산능력이 전혀없으며, 낙석방지울타리는 충격이 연속적으로 가해지는 것이 아니며 진동할 필요가 없기 때문에 이와 같은 탄성스프링의 사용은 적절하지 못하게 된다.

이에 도 5a 및 도 5b와 같이 강재의 탄성스프링이 아닌 본 발명에 의한 댐퍼(100)를 지주(200)와 강재 와이어(300) 사이 또는 강재 와이어(300)와 강재 와이어(300) 사이에 설치하게 되다.

즉, 댐퍼(100)를 구성하는 ㄱ자형 강재봉(130)의 일단을 지주(200)에 연결부재(140)를 이용하여 고정시키고, 타단을 강재 와이어(300)에 고정시켜, 일방향으로 댐퍼가 작용하도록 하고

강재 와이어(300)를 ㄱ자형 강재봉(130)의 양 단에 고정시켜, 지주 (200)또는 강재 와이어(300)를 통해 전달되는 하중을 양 방향으로 흡수하여 변형을 흡수할 뿐만 아니라 에너지를 소산시켜 보다, 양방향으로 댐퍼가 작용하도록 하여 더 더욱 효율적인 낙성방지울타리의 사용이 가능하도록 할 수 있다.

이때 낙석방지울타리에서 댐퍼에 있어 형상기억합금봉은 마텐사이트로 구성하는 것이 에너지 소산 측면에서 유리하고, 잔류변형은 열을 가하면 회복하기 때문에 재사용이 가능하게 된다.

미도시 하였지만, 교량의 내진성능개선의 일환으로 본 발명의 댐퍼를 설치하여 시스템의 에너지 소산 능력을 증가시켜줄 수 있다.

즉, 본 발명에 의한 댐퍼를 교량의 고정부(하중에 의하여 위치가 고정되는 교각, 교대 등)와 가동부(하중에 의하여 위치가 변경되는 교량상부구조 등)에 연결하면 지진 시, 교량의 움직임에 의해서 댐퍼가 변형하게 되며 에너지를 소산하게 된다. 이때는 형상기억합금봉을 오스텐나이트 상태로 사용하게 되면, 에너지 소산과 더불어 원래 위치로 돌아가는 복원력 기능을 얻을 수 있다.

도 6은 본 발명에 의한 댐퍼(100)의 변형예를 도시한 것이다.

즉, 각각의 댐퍼(100)를 서로 연결시켜 복수로 제작할 수 있음을 보인 것이다.

예컨대 각 댐퍼(100)의 ㄱ자형 강재봉(130)의 측면을 서로 용접 등의 방법으로 연결, 고정되도록 하게 되면 서로 동일한 상태 또는 다른 상태(오스텐사이트 또는/및 마텐사이트)의 댐퍼를 서로 조합하여 설치할 수 있어 그 사용의 효율성을 높일 수 있게 된다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

도 1a 및 도 1b는 형상기억합금의 상태에 따른 특성을 그래프로 도시한 것이다.

도 2는 본 발명의 댐퍼를 도시한 것이다.

도 3은 본 발명의 댐퍼에 의한 작용상태를 도시한 것이다.

도 4는 본 발명의 댐퍼의 변형예를 도시한 것이다.

도 5a 및 도 5b는 본 발명의 적용예를 도시한 것이다.

도 6은 본 발명의 다른 예를 도시한 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 댐퍼 110: 수평강재봉

120: ㄱ자 형태의 형상기억합금봉

130: ㄱ자형 강재봉 140: 연결부재

200: 지주 300: 강재와이어

Claims (6)

1. 양 단부에 각각 ㄱ자 형태의 형상기억합금봉이 고정된 수평강재봉;

   상기 각각 형상기억합금봉의 상단에 고정된 수직부 및 수평부로 형성된 ㄱ자형 강재봉:을 포함하되, 상기 수평강재봉 상부에 ㄱ자형 강재봉이 위치하여 ㄱ자형 강재봉에 작용하는 하중에 의하여 형상기억합금봉이 휘어지면서 하중이 감쇄되도록 하는 강재와 형상기억합금으로 구성된 댐퍼.
2. 제 1항에 있어서, 상기 ㄱ자형 강재봉은 수직부에 수평부가 힌지상태로 결합되도록 하는 강재와 형상기억합금으로 구성된 댐퍼.
3. 제 1항에 있어서, 상기 댐퍼는 전체적인 형상이 U자형으로 형성되는 강재와 형상기억합금으로 구성된 댐퍼.
4. 제 1항 내지 제 3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 댐퍼는 ㄱ자형 강재봉이 서로 연결되어 다수 조합으로 형성되도록 하는 강재와 형상기억합금으로 구성된 댐퍼.
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