KR100937138B1 - 장주기 가상진자에 의해 건물 및 대상물을 진동-분리 지지하는 지진보호방법 및 장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지진활동에서 완전히 보호되는 지진보호시스템에 관한 것이다. 본 발명의 방법에 따라, 건물 및 다른 대상물은 지진보호모듈로서 설계된 가상진자(P_v)에 의해 지지된다. 설치를 위해 아주 작은 높이만을 요구할 지라도, 이런 지진보호모듈은 이들이 마치 자체의 긴 사이클을 가지는 긴 진자의 진동단부인 것처럼 지지 구조물의 지지점을 지지하는 하중을 위한 자유로운 이동을 허용한다. 결과적으로, 지지 대상물이 상당히 큰 진동수의 지진 지반 진동으로부터 효율적으로 격리된다. 시스템의 기능적 동작은 기부가속도의 연장 또는 지반진동의 진동수에 의해 영향받지 않는다. 가장 큰 진도의 지진에서 조차 지지 대상물은 유지될 것이다. 시스템은 어떤 하중 및 어떤 가능한 지반 진동 진폭에 대해서도 구성될 수 있다.

본 발명은 신규한 방법, 이로부터 다양한 적용을 위해 유도된 변형 및 장치를 적용하는 4개의 해결책의 다른 실시예를 기술한다. 부가적으로 풍력에 대항하여 지지를 제공하고 풍하중 하에 지지 대상물을 중앙위치조정하는데 필요한 장치 및 지반 진동중에, 수직 지반 진동의 격리를 위한 장치도 기술된다.

Description

장주기 가상진자에 의해 건물 및 대상물을 진동-분리 지지하는 지진보호방법 및 장치{EARTHQUAKE PROTECTION CONSISTING OF VIBRATION-ISOLATED MOUNTING OF BUILDINGS AND OBJECTS USING VIRTUAL PENDULUMS WITH LONG CYCLES}

본 발명은 강력한 지진 발생시 위험한 기부운동에 의해 건물 및 소정 종류의 구조물이나 대상물의 파손을 방지하기 위한 원리와 상응하는 지진보호장치에 관한 것이다.

본 발명에 따른 하중지지장치, 새로운 모듈은 예컨대 하중지지기둥(load bearing column)을 대신하여 건물 또는 대상물의 한 지지점을 지지하는 비교적 간단한 지지 구조체이다.

"가상진자"(Virtual Pendulum) 원리에 기초한 이들 지진보호모듈은 가벼운 중량의 지지로부터 매우 무거운 중량의 대상물까지 여러 가지 적용을 위해 설계될 수 있다.

지진보호모듈은 "가상"진자를 제조하는 본 발명에 기초하고 다음의 적용에 대해 유리하다: 수평지진운동 및 가속도와 이에 따른 파괴력 및 파괴충격으로부터 이동식 주택, 주택, 아파트 및 사무용 건물, 쇼핑센터, 주차용 구조물, 병원, 고층건물, 탑, 교량, 고가도로, 저장탱크, 사일로, 전철용 탑, 전기 기둥, 가로등, 실내조명, 파이프라인, 산업·화학·원자력 설비 및 기타 대상물과 같은, 소정 종류의 건물 또는 구조물의 면진 지지용.

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특히, 피해가 재앙에 이를 수 있는, 위험 요인을 지니는 원자력 및 화학시설과 같은 중요 설비를 보호하는데 지진보호가 매우 중요하다.

본 시스템은 교량에도 매우 적합하다. 그것은 공지된 시스템이 지금까지 해답을 제공하지 못해왔던 모든 문제점들을 해결한다.

본 시스템의 응용은, 마이크로칩 제조에서와 같이, 민감한 제조공정이 있는 산업시설에 대해서도 유리하다.

지지되는 대상물의 보호는 보호되는 건물이나 설비가 최대로 가능한 강도의 지진에서도 어떠한 파손 없이 유지될 수 있을 정도까지 증가된다.

이러한 확장된 보호는, 지진 발생시에 충분히 신속하게 대피할 수 없는 병원에 대해서도 매우 유용하고, 피해자들을 돌볼 수 있도록 지진 및 여진 중에도 방해받지 않게 작용할 수 있다. 수술실도 지진 및 여진 중에 방해받지 않는다.

본 발명의 적용은, 지반진동 중에 지반상으로 건물질량의 반응 효과를 매우 낮은 수준으로 감소시키기 때문에, 특정 지반에서 발생할 수 있는 용해의 결과를 큰 폭으로 거의 감소시킨다.

본 발명에 따라 지지되는 대상물상에서 근접 폭발의 충격도 거의 감소된다.

화재를 일으키거나 천장으로부터 추락할 수 있는 실내조명과 같은 현수된 대상물은 가상진자로부터 현수되어 또한 보호될 수 있다.

또한, 지진에 취약한 지주와 기둥의 상부에 있는 대상물은 본 발명에 따른 설계에 의해 보호될 수 있다.

상부에서 능동적으로 제어되거나 수동적으로 움직이는 질량에 의한 탑, 높은 기둥 및 공업용 굴뚝의 진동감소가 가상진자에 의해 또한 유리하게 실현될 수 있다.

가상진자에 기초한 지진보호모듈은 전형적으로 건물의 기초부나 1층에 설치되는, 조밀하고 수동적으로 작동하는 하중지지장치인 격리 시스템이다. 본 시스템은 지반으로부터 지지되는 대상물까지 진동 및 충격의 전달을 방지한다. 그것은 사실상 소정의 지반운동으로부터 건물을 분리시킨다.

부가로, 본 시스템은 다음의 특징들을 갖는다: 그것은 자기-중앙위치조정(self-centering) 방식이다. 그것은 바람 및 태풍에 의해 야기되는 미약한 힘에 의해 수평 변위되지 않게 한다. 고층건물에 대해 본 장치의 수직강성은 건물과 기초 사이가 수직 변위되지 않게 한다. 작은 종횡비를 지니는 건물에 대해서는 선택적 특징이 수직운동을 감쇄시키도록 통합될 수 있다. 필요하다면, 그것은 소정 크기의 변위에 대해 설계될 수 있다. 본 장치는 무정비(zero maintenance)를 위해 설계될 수 있다.

조밀한 치수일지라도 지진보호모듈은 지지되는 대상물이 전방향으로 크게 변위되게 하고 긴 고유 주기를 지닌다. 지지되는 구조물에 충격을 주는 최대 가속도는 0.01g 미만 수준까지 감소된다. 이것은 수학적으로 결정되고 본 시스템은 이에 따라 설계될 수 있다. 진동대 상에서 모델 테스트는 이러한 예상을 이미 확인시켰다.

특정 지역에서 때때로 발생하는, 매우 강력한 지진 발생시에는, 건축법에 따라 유효한 격리시스템 및 통상적 설계방식으로는 충분하지 않다. 파손이 상당히 커질 수 있다.

한편, 가상진자에 기초한 지진보호시스템의 경우에, 지진규모, 변위 및 지반의 진동수는 시스템의 성능에 영향을 주지 않으며, 고유주기가 긴 새로운 지진보호모듈에 의해 지지되는 건물을 효과적으로 정지시키는데 영향을 미치지 않는다.

현존하는 건물의 개장(retrofitting)

지진보호모듈을 지니는 현존하는 건물의 개장 또한 가능하다. 철골 건물에 대해 이것을 실행하기가 비교적 용이하다.

석조 구조의 오래된 건물을 개장하는 것도 대체로 가능하다. 통상적인 수단을 지니는 상기 방법은 상당한 노력을 명백하게 요구한다.

상기 경우를 위한 개장 노력을 합리화시키기 위해 새로운 기계, 장비 및 공정을 지니는 혁신적 개장기술이 개발 중에 있다. 이것은 고도로 기계화된 양식으로 개장공정을 수행하는 것을 가능하게 한다. 이러한 본 발명은 보통의 지반과 암석에 건설된 건물에 대해서도 적용 가능하다.

지구 물리학의 현상인, 대륙판의 이동은, 되풀이하여 발생하는 지진을 야기시킨다.

지진에 의한 범세계적 문제점

지진은 종종 대규모 사망사고 및 막대한 경제적 손실을 초래하므로, 지진 안전책의 개발은 매우 바람직하다. 이러한 심각한 문제를 제거시키는 해결책이 가능해야 한다. 금세기에만 약 160만 명의 사람들이 수조 달러에 해당하는 손실과 함께 지진 발생시에 사망했다. 전 세계적으로 지진으로 위협받는 40개 이상의 국가가 존재한다.

이러한 위험은 기계 물리학에 의해 현재 두려움의 고통이 회피된다: 즉 응용 물리학이 지구 물리학의 위협을 제거시킨다.

지진 안전책에 대한 건축법

지진지역에서의 건축법은, 특정 연도에 대한 통계적 확률을 가지고 이에 따라 건물 구조물의 요구강도를 결정하는, 기준 설계용 지진 강도에 통상 관련한다.

더욱이, 건물 설계는 구조물의 특정 영역의 탄성 변형에 대해 대비하는데, 이것의 결과로서, 구조물을 통해 전달되는 힘은 그러한 탄성 영역 상에서 건물의 부분적 질량이 초기 거동과 관련하여 후방에 체류하기 때문에 국부적으로 감소되고, 결과적으로 가속도의 최고치를 감소시킨다.

지진이 건축법의 기준치를 초과하는 경우에, 최근 몇 연간의 지진이 보여주었듯이, 건물이 손상되거나 파손될 것이고 사람들이 다치거나 사망할 수 있다.

그러므로, 이들 계산 및 수치 제어 방법은 강력한 지진 발생 시에 건물 및 인명 안전책이나 파손제어를 제공하는 데에 불충분하다는 것으로 설명될 수 있다.

건축법은 예상되는 힘에 대한 안전의 여유를 허용하는 구조물의 분석에 대한 기준 지진을 사용한다. 건물의 거동 및 그것의 구조적 변수에 관한 가정은 높은 수준의 불확실성을 갖는다. 상기 기준 지진에 의해 결정되는 가속도는 때때로 상당히 실제 지진보다 종종 초과된다.

매우 강력한 지진에서 구조물의 완전성을 제공하는 것은 기술적으로 불가능하고, 결과적으로 통상적으로 설계된 구조물은 상기와 같은 경우에 파손된다.

지진 운동력의 파괴적 결과는 구조물의 강도를 증가시키거나 탄성 및 감쇠 요소의 적용에 의해 제거될 수 있다는, 의견은 실현되는 것이 입증되지 않았다.

또한, 소정 형태의 추가된 감쇠 요소가 강력한 지구 거동에 의해 야기되는 파손을 방지할 수 있다는, 아이디어는 다소 가망없어 보인다.

지진 건축법의 계산법은 구조물의 부하 가정을 나타내기 위한 단순화된 모델을 사용한다. 이들 단순화된 방법은 단지 제한적으로 정확한 결과를 나타낸다. 또한 구조물의 어느 부분이 우선 파손될 것이고 구조물의 붕괴가 시작되는지를, 결정하는 것은 분석하기에 난해하거나 불가능할 수도 있다.

지진발생지역에서 건물의 지진 안전책을 결정하는 이들 계산법은 단지 작거나 중간 크기의 강도의 지진이 규칙적으로 또는 비교적 자주 발생함에 대해 충분한 구조물의 완전성을 제공할 수 있다.

이들 방법은 지진인증 건물을 설계하고 건축하는데 불충분하다는 것이 결론지어질 수 있다.

또한 막대한 물질적 피해, 수천명의 인명 손실의, 최근 지진으로 인한 전세계적인 대규모 파괴는 지진 보호 개발의 목적을 더 추구해야 할 필요성을 나타낸다.

지진 안전책에 대한 통상적 방법의 평가

건물의 무게중심은 통상 그것의 기부상에 위치된다. 결과적으로 기부운동 건물골조를 통해 건물의 무게중심으로 전달되어야 한다. 전단력과 같이 구조물을 통해 전달되는 힘은, 질량 및 질량상에 작용하는 가속도의 생성물인 질량관성의 반작용이다.

특정치 이상으로 가속되는 모든 건물체는 그것의 강도의 한계에 도달하여 초과하므로 항복 균열의 형태로 파손된다.

그러므로, 구조물이 기부와 견고하게 연결된다면, 완전한 지진 안전책을 실현하는 것이 불가능하다. 구조물의 기초에 의해 기부에 견고하게 연결되거나 약간만 거동하게 하는, 소정 구조물은 지진 및 그것의 결과적인 가속도의 특정 크기에서 파손된다.

마찰 및 감쇠에 의한 강력한 지진운동의 충격을 감소시킨다는 가정은 최대강도의 지진일 경우에는 가망 없어 보인다.

지진운동을 통해 건물에 전달되는, 제한된 비율의 파괴 에너지만이 제거될 수 있거나, 더 나쁘게 말한다면 감쇠를 통해 열로 전환될 수 있다. 실제로 강력한 지진에서 감쇠 및 마찰은 지진의 파괴 충격을 저지할 수 없다.

노스리지(Northridge) 지진시 값비싼 손실을 입은, 가요성 철골 설계 및 기부격리시스템과 같은 현대의 해결책은, 지금까지 지구의 거동이 건물 구조물로 전달하는 특정 백분율의 에너지를 완화하거나 제거할 수 있었다. 미국지질조사국(U.S. Geological Survey) 및 캘리포니아 공과대학(California Institute of Technology, CalTech)의 최근 연구는, 이러한 종류의 건물도 진앙에 충분히 근접하면 실제로 큰 지진의 경우에 파손되거나 붕괴도 가능할 수 있다는 관련성을 나타낸다.

그러므로, 건축법에 의해 포함되는 수치를 초과하는 지진일 경우에 인간 생활에 대한 파괴 및 위험성은 여전히 발생한다. 그러므로 이러한 설계법은 지진에 대해 진정 안전한 건물을 건설하는데 불충분하다.

건물 구조물의 기부 격리

건물에 대한 지진 안전성을 증가시키려는 노력은 특허공보에 표현된 대량의 새로운 해결책을 발생시켰다.

지진 파괴에 대비한 건물보호를 위한 기술적 해결책 중에는, 지진건축법에 따른 구조설계에 부가적으로 가동 지지축이나 이음쇠를 가진 지지요소에 의해 기초로부터 건물을 분리시키는 장치가 있다.

기부 격리로 분류되는 기술적 해결책인 이러한 그룹은, 건물이 기부와 상대적으로 제한되게 거동하도록 하는 특별한 중요성을 갖는다. 모든 이러한 해결책은, 높은 진동수 및 큰 변위를 지니는 지진에서 임계값이 될 수 있는, 마찰력 및 감쇠력에 의한 전단력을 전달한다. 이러한 해결책은 소정의 또는 단지 제한된 수직 인장력을 전달하지 않으므로 고층건물과 탑에 대해 적합하지 않다.

기부 격리의 일례는 금속판과 고무가 교번하는 수평층으로 구성된 블록(block)을 통해 건물을 지지하는 것이다(미국특허 제4,527,365호; 제4,599,834호; 제4,593,502호). 이들 블록은 수직으로 큰 하중지지용량을 가지며, 블록의 운동성이 제한된 범위일지라도 격리 블록의 하부층에 대하여 상부층이 수평으로 운동하게 한다.

중앙 정지위치으로터 변위가 증가함에 따라 블록의 스프링정수(spring rate)의 기울기가 증가하기 때문에 블록의 경화가 일어나고, 그 결과 건물 구조물에 가해지는 변위력(shifting force)이 증가하게 된다. 극단적인 경우에 구조물와 내부가 손상되는 결과를 가져올 수 있다.

이들 블록은 수평 변위 허용도가 제한되는 단점을 갖는다. 변위가 범위 한계를 초과한다면 건물은 위협받는다. 더욱이, 이들 탄성 블록은 매우 작은 수직인장하중만을 견딜 수 있다. 한계를 초과한다면, 그것은 파열될 수 있다.

상기 수평 탄성 블록에 의한 건물의 지지는 탄성적 감쇠력에 의해 최대 가속도를 감소시킬 수 있다. 그러나 여전히 건물로 지구운동의 전달이 특정 정도까지는 발생한다. 지반의 수평진폭이 강-탄성중합체 블록의 측방향 변위를 초과한다면, 지반운동의 속도는 지지되는 대상물에 완전히 전달되고 블록은 강판 사이에서 전단변형이 가능해질 수 있다.

지반운동의 폭이 클 경우 건물로 전달되는 운동은 상당히 클 수 있고, 상부층에서 건물 움직임은 채찍의 움직임과 유사하게 증가할 수 있다.

다른 종류의 기부 격리를 지니는 건물골조는 2개의 오목판 사이 또는 평면과 오목판 사이에서 가동하는 구름(rolling) 또는 활주(gliding) 요소에 의해 기부에 지지된다. 그러므로 건물을 지지하는 지점은 마치 진자로부터 현수된 것처럼 운동한다(미국특허 제4,644,714호; 제4,881,350호). 이들 장치는 소정 인장하중을 전달하지 않고 건물의 비틀림 모멘트에 의해 야기되는 힘을 흡수할 수 없다.

구름요소에 의한 건물 지지의 경우에는, 접촉점에서 고주파압력이 발생하는 문제가 있다. 이것의 해결책은 관련 부분의 재료와 접촉표면에 요구사항을 부과한다. 이러한 예의 기부격리시스템에서는 상향 수직력(uplift vertical force)을 전달하는 것이 불가능하다.

또한, 표면 곡률반경이 지지요소의 높이보다 큰 평판들 사이에 지지요소를 배치하는 것이 가능하다. (DPA Offenlegungsschrift 2021031). 그러므로 지지요소가 지진에 의해 움직이게 되면, 상부판이 상승되어 마치 진자로부터 현수된 것처럼 움직이게 된다.

상기 해결책에 의한 최대가능변위는 중간규모 지진에서도 불충분할 수 있다. 상기 해결책의 고유진동은 가능한 고유지진진동에 너무 가까워, 진동의 충분한 분리가 일어나지 않으며, 공진이 일어날 수 있어 인장하중이 전달될 수 없다.

기부 격리의 다른 실시예에서는, 건물 구조물의 지지점이 진자로부터 현수된다(미국특허 제1,761,321호; 제1,761,322호; 제2,035,009호; 제4,328,648호). 이들 진자의 길이는 실제 형상에 의해 제한된다. 고유지진진동으로부터 시스템의 고유진동의 분리는 불충분하다.

시스템의 운동 특성 및 진동의 고유주기는 진자의 기하학에 의해 결정된다. 지반의 진동과 지지되는 구조물의 고유진동 차는 진자로부터 현수되는 건물 질량의 운동 특성을 결정한다.

대상물이나 건물이 도 2, 도 3 또는 도 4의 실시예에 도시된 대로 진자에 의해 현수된다면, 이러한 대상물이나 건물은 수학적 진자의 동역학에 따른 운동을 한다. 지구 중력 및 가능한 부가적인 가속도 때문에, 대상물이나 건물(1)의 질량은, 지지점으로의 질량 분포에 비례하는, 진자(2)의 하부 연결점(3)에서의 힘으로 귀착된다. 진자(2)는 적절하게 설계된 하중지지구조물(5)에 의해 상부 연결점(4)에서 지지된다. 이음쇠(3,4)는 볼(ball) 이음쇠 및 소켓(socket) 이음쇠이거나 범용이음쇠(universal joint)이고 하중지지구조물에 관하여 또는 지지되는 대상물에 상대적으로 2개의 축 둘레에서 진자가 피봇되게 한다. 실시예의 운동 특성은 수학적 진자의 모델로 감소될 수 있다.

모든 인용된 해결책은 진동 가능한 시스템으로서, 고유진동수가 활동성 지진 진동수에 근접하는 시스템이다. 지진 진폭이 큰 경우에는 지진 진동수 범위에서 구조물의 공진이 가능하다. 이것은 건물을 위협할 수 있는 부가적 문제점들을 발생시킬 수 있다.

건물의 공진 진동수에 근처에서, 건물이 그것의 수직축에 대하여 경사(tilting) 모멘트를 받게 되면, 지반으로부터 더 이격된 건물의 층은 가속도 및 수반하는 하중이 증가하게 된다.

건물과 그것의 기초 사이에 고탄성 지지체와 그로 인한 수평 가요성을 가져도, 진동수의 분리가 불충분하다면 실제로 강력하게 흔들릴 경우에 정말로 만족할 만한 결과를 얻을 수 없게 된다.

공진 진동수에 가능한 근사치 및 지진 반응 스펙트럼(spectrum)의 가능한 진동수는 건물 상부에서 진폭의 큰 증폭을 발생시킬 수 있다.

결과적으로, 위와 같은 기부 격리된 건물은 상기 진동수에 의해 증가된 진동으로 힘을 받을 수 있다.

구조적 파손이 건물에 발생될 수 있고, 또한, 운동가능한 물체에 의해 발생되는 파손이 내부에 발생될 수 있으며, 이것은 사람들을 위험하게 할 수도 있다.

기술 설명과 새로운 해결책의 비교

완전한 수준의 지진 안전책

진실로 큰 지진, '대지진'에서, 상기된 시스템 및 건축법에 따른 모든 기타 통상적 설계법에 의한 보호는 불충분할 수 있거나 파손될 수도 있다. 파손 및 대량 사망 피해자들은 큰 재앙이 될 수 있다. 지진은 수십만명의 피해자들을 지니며 발생하였다.

공지된 기부 격리 시스템은 비교적 좁은 범위에서 기부에 관해 지지되는 구조물이 거동하게 한다. 증가하는 진폭과 함께 충격량 감소는 줄어든다. 대형 지진에서 파손이 가능하다.

공지된 지진보호시스템과 구별하면, 본 발명에 따른 시스템은, 에너지를 흡수하거나 분산시키는 롤러(roller) 지지체, 활동장치(sliding) 또는 탄성장치가 아니라, 어떤 방향으로든지 자유롭게 변위될 수 있는 무충격(no-impact) 전달장치라는 것이다. 본 발명에 따른 해결책은 지지되는 건물로 지반운동의 전달을 전적으로 방지하여, 에너지가 구조물로 전달되지 않는 것이다.

청구항에 의해 한정된 대로, 본 발명은 지진에 의해 발생되는 기부의 수평 진동이 구조물에 전달되지 않는다는 것이다. 지지되는 대상물은 지반의 진동 운동으로 인한 지진을 따를 수 없으므로 정지 위치에 유지되고 운동하지 않는다. 지진 파손은 효과적으로 방지된다.

지진 진동수 및 구조물을 지지하는 가상진자의 고유진동수는 크게 다르지 않아서, 지반운동이 지지되는 구조물로 전달될 수 없다. 본 발명의 원리는 모든 지진 진동수에서 충분히 효과적이다. 부동 중립위치에서 질량이 유지되므로, 가속도에 의해 야기되는 어떠한 반작용력도 건물 구조물에 충격을 주지 않는다. 결과적으로, 가장 강력한 지진을 상정하는 경우에도, 건물이나 내부가 파손되지 않는다.

한편, 고무 지지체 및 마찰 활주 지지체는, 경우에 따라 위험할 수 있는 상당한 전단력을 초강력 구조물로 계속 전달한다. 건물이 소정의 구조물 파손을 겪지 않더라도 건물 내부의 파손은 상당히 클 수 있다.

고무블록, 롤러, 볼 또는 활주요소를 지니는 기부격리 지지체가 수직인장하중을 견디지 못하는 경우에는, 가상진자의 원리에 기초한 지진보호모듈이 모든 수직인장하중을 충분히 전달할 수 있게 된다.

본 발명에 따른 지진보호시스템은, 조밀하고 수동적으로 작동하는 하중지지장치가 건물의 기부 또는 1층에 장착되는, 완전 기부격리시스템이다. 그것은 기부에 대해 모든 방향으로 자유로운 변위를 가능케 하며, 동시에 풍력에 대한 충분한 저항력을 제공한다.

지진보호모듈의 완전한 작동은 조파에 관계없이 충격의 정도, 지진의 크기, 기부의 가속도, 변위 및 지진 진동수에 의해 영향받지 않는다. 결과는 항상 동일하다: 건물은 계속 서 있고, 운동하지 않는다. 실제로 어떠한 힘도 구조물에 충격을 주지 않는다. 모든 청구항들은 수학적으로 확증된다.

본 발명의 지진보호모듈은 에너지 흡수장치가 아니고, 자유롭게 변위되게 하는 무충격 전달장치이다. 그것은, 지진이 야기하는, 지지되는 대상물의 가속도를 지진의 크기와 무관하고 지반 운동의 진동수 및 진폭과 무관하게 거의 0으로(0.01g 이하로) 감소시킬 수 있다. 결과적으로 지반 운동에 의해 유도되는 건물로의 에너지의 어떠한 변환도 발생하지 않는다. 구조물에 충격을 주는 전단력은 미미한 값으로 감소된다.

가장 강력한 지진도 구조물, 외부 또는 내부에 어떠한 파손도 야기하지 않는다. 건물 내부의 사람은 지진이 막 발생했다는 것을 인지하지 못할 수도 있다.

건물보호는 너무 완벽해서, 지진의 크기와는 무관하게 어떠한 파괴력도 건물로 전달될 수 없다. 이러한 새로운 방법과 함께, 지반이 큰 변위와 높은 가속도로 운동할지라도, 실제로 대상물이 제자리에 유지되는, 지지되는 대상물의 부동성을 실현시키는 것이 가능하다.

고무 지지체 및 마찰 활주 지지체는 수직인장력에 대한 강성을 제한했다. 지진이 높은 수직가속도를 발생시킨다면, 그것은 지지체 및 지지되는 구조물의 파손으로 귀결될 수 있거나, 그 구조물이 기초로부터 분리되는 심각한 결과를 가져올 수 있다. 이러한 문제점들은 고층 구조물에 대한 이들 격리장치의 응용을 불가능하게 한다. 고층건물은 바람으로 인해 그리고 지진에 의한 경사(tilting)로 인해 그것의 기부에서 상승력(uplift force)을 받는다.

다른 한편 가상진자에 기초한 지진보호모듈은, 큰 지반 변위 중에도 모듈이 건물의 기초에 건물을 견고하게 고착시키기 때문에, 이러한 상승력에 관한 문제점을 해결한다.

이러한 방식으로 보호되는 건물은 고층건물이 지진발생 시에 필연적으로 경험하는 소정의 "편달"(whiplash) 효과를 받지 않는다. 창문의 파손이 없고, 방 전체를 날아다니는 치명적인 비산물도 없다.

그러한 설계 원리의 장점에 의해, 이러한 기술로 지지되는 고층건물은 통상적으로 설계되는 철골 구조물만큼이나 안정되고 견고하다. 부가적으로, 구조물이 지반운동에 의한 어떠한 운동력을 받지 않으므로 외부와 내부 파손을 수반하는 어떠한 변형도 일어나지 않는다는 장점이 있다. 상기 보호되는 고층건물은 완벽하게 지진에 대해 안전하다.

본 발명의 방법에 따르면, 하중지지 지지점이 마치 장주기 진자의 단부와 같이 움직이는 지지장치를 통하여 건물 및 대상물을 지지하는, "가상진자"를 실현하는 것이 가능하다. 지진 안전책은 완전한 수준까지 향상된다.

공지된 격리장치에 관한 최대 가능 변위는 대형 지진에서는 충분하지 않을 수 있다. 이러한 변위한계가 초과되면 건물은 파손되거나 파괴될 수 있다.

모든 현존 보호시스템을 압도하는, 지반의 대 변위가 일어날 수 있는 강력한 지진의 진앙에 근접한 장소에서도, 본 발명에 따른 시스템은 최대 변위에 대해 설계될 수 있기 때문에 안전성을 보증할 수 있다.

본 발명에 따른 시스템은 0.01g 이하의 미미한 값으로 기부로부터 건물로 전달될 수 있는 수평 가속도를 제한함으로써 이러한 수준의 보호를 실현한다.

이러한 능력 및 시스템 특성을 지니고 본문에 기술된 지진 기술은 현존 기술과 비교하여 구별되는 장점을 제공한다.

비교할만한 작용을 가능하게 하는 공지된 방법 및 시스템은 없다.

이러한 새로운 혁신적인 원리는 지진의 위협에 대한 완벽한 해결책을 찾으려는 전세계적 노력의 약진을 나타낸다.

발명의 요약

본 발명은 기부격리시스템을 나타낸다. 그것은 건물의 기초나 1층에 장착되는, 조밀하고 수동적으로 작동하는 하중지지장치이다. 본 시스템은 지지되는 대상물로 지반의 진동 및 충격이 전달되는 것을 방지한다.

보호되는 건물은, 기부의 고유진동으로부터 지지되는 대상물의 고유진동을 부조화되게 분리시키는 새로운 지지장치에 의해 지반의 수평거동으로부터 완전히 격리된다.

지진파손은 효과적으로 방지된다. 가상진자의 원리는 모든 지진진동수 및 모든 기부 가속도에서 효과적이고, 본 장치는 소정의 요구되는 진폭에 대해 설계될 수 있다. 본 장치는 지반진동으로부터 대상물을 분리시킴으로써 어떠한 종류의 대상물에도 지진보호를 위해 적합하다. 그것은 이미 현존하는 대상물을 개조하는데 사용될 수도 있다.

상기된 과제는, 건물이나 대상물을 지지하는 지진보호모듈로 구성되는 지지 구조물의 새로운 해결책으로 해결된다. 이러한 보호모듈은 공통 기초를 통해 또는 각 보호모듈에 관한 개별적인 기초를 통해 지반에 견고하게 연결된다. 본 모듈은 견고하게 연결되는 수 개의 지점에서 구조물을 지지하고, 연결점에서 구조물이 가능한 큰 진폭과 낮은 유효 복귀력으로 임의의 방향으로 가동되게 하여, 최소 가속만이 일어나도록 한다.

본 발명은 건물, 교량, 탑, 산업설비 및 원자력 발전소 또는 소정 종류의 대상물 같은 어떠한 종류의 지지 구조물에서도 내진성이 있는 하중지지 지지시스템을 나타낸다. 본 시스템은 기초와 지지되는 구조물 사이에 위치되고, 구조물에 충격을 가하는, 교번하는 수평지반운동과 가속도에 의한 동적 힘을 방지하여 지진손상으로부터 구조물을 보호한다.

수직지반진동의 감쇠 또는 제거를 위해, 역학적 스프링 시스템, 유압적 스프링 시스템 또는 스프링정수가 낮은 점탄성 스프링 시스템이 가상진자와 조합하여 기부격리 지지장치로서 적용될 수 있다.

과제 및 목적

이러한 해결책의 목적은, 지진의 크기와 무관하게 어떠한 파괴력도 건물로 전달되지 않는 정도로 지반거동으로부터 지지되는 건물이나 대상물을 격리시키는 지진보호 방법 및 장치를 제공하는 것이다.

지반이 진동하는 경우 건물의 비공진성을 실현하기 위해, 지지되는 건물의 고유진동수는 지반 진동수로부터 격리되어 두 진동시스템이 효과적으로 분리되어야 한다. 결과적으로 지반거동에 의해 발생되는 수평가속력과 전단력이 건물 구조물로 전달되지 않는다.

지진진동수와 지지되는 구조물을 포함하는 지지시스템의 고유진동수가 20 이상의 계수차가 있다면, 상당히 높은 지반 진동수가 지지되는 구조물의 진동을 유발할 것이라고 예상되지 않는다. 어떤 경우에서든 20초의 주기를 지니는 지지되는 구조물의 진동이 가능하다면 어떠한 파손도 전혀 발생하지 않는다. 건물의 완만한 반응 및 결과적으로 낮은 가속도는 신체적으로 거의 인지할 수 없다.

도 1은 긴 길이(1_V)의 긴 진자로부터 현수된 것처럼 주택을 거동시키는 매우 긴 길이의 가상진자에 상당하는 지진보호모듈에 의해 지지된 주택을 나타낸다.

도 2 내지 도 4는 각각의 문헌(참고 문헌)의 도면들에서 취해진, 종래 기술에 따른 지진보호용 장치를 도시한다.

도 5는 수학적 진자의 계략도이며, 발명의 상세한 설명에서 기본적으로 논의되는데 사용되는 참조부호와 함수값을 나타낸다.

도 6 및 도 7은 상승 및 하강 조화 운동의 중첩을 도시한다.

도 8은 본 발명을 예시하며 지지 요소로서 안정 및 비안정 진자의 비교를 개략적으로 도시한다.

도 9는 실제 수직연장에 비해서 매우 긴 길이의 가상진자에 상당하는 장치의 예를 나타내는 단순 개략도이다. 동역학적 설계상의 점은 지지되는 대상물의 지지점으로서 기능하고, 이 점은 긴 진자의 진동단부인 것처럼 공간에서 거동하므로, 본 발명의 해법의 효과적인 원리가 도시된다.

도 10은 도 9의 도면 상부에서 수직으로 본 단순한 예시도이다.

도 11 진자의 도면을 위해 사용된 참고 부호를 도시한다.

도 12는 도 9에 도시된 것처럼 설계의 변형을 예시하는 개략도이다.

도 13은 현수식(hanging) 안정진자를 연결시키는 수단과 직립식(standing) 불안정진자를 연결시키는 수단이 다른 수준에서 위치되는, 도 12에 도시된 것처럼 설계의 변형으로서 가상진자를 도시한다.

도 14 내지 도 16은 운동의 다른 단계에서의 도 13에 도시된 것과 같은 가상진자를 도시한다.

도 17은 진동기부에 대하여 도 13에 도시된 것과 같은 가상진자의 운동을 도시한다.

도 18은 도 9에 도시된 것과 같은 실시예로 실현된 하나와 다른 가상진자의 실현을 위한 제2해결책의 단순화된 개략도이다.

도 19는 도 18의 실시예의 상부로부터 수직으로 보여진 개략도이다.

도 20 및 도 21은 매우 긴 가상진자를 실현하기 위해 도 18 및 도 19의 실시예에 부가하여 예시된 단순화된 개략도이다.

도 22는 가상진자의 변형 개략도이다.

도 23, 23a, 23b, 23c는 가상진자 및 그 운동위치의 도해이다.

도 24는 가상진자에 대한 기부의 운동을 도시한다.

도 25는 개념적 예시로의 가상진자에 의해 지지된 대상물을 위한 중앙위치조정 및 풍력보정장치를 도시한다.

도 26은 탄성중합체 스프링 블록을 통해 가상진자에 의해 지지된 대상물의 중앙위치조정을 위한 장치의 예시도이다.

도 27은 스프링력에 의해 중앙위치조정 추로 압축되는 구체(rolling ball)에 의해, 가상진자에 의해 지지된 대상물을 위한 중앙위치조정 및 풍력보정장치이다.

도 28은 가상진자에 의해 지지된 대상물의 중앙위치조정 및 풍력보정을 위한 유압제어시스템에 대한 단순 예시 도해이다.

도 29는 유압 스프링 힘을 통해 기초 벽에 대항하여 건물을 수평으로 지지하여, 가상진자에 의해 지지되는 대상물의 중앙위치조정 및 풍력보정을 위한 장치를 도시한다.

도 30은 지진 동안 기부운동으로부터 동력을 끌어내는 유압펌프가 조합된, 도 29에서와 동일한 장치를 도시한다.

도 31은 어떤 풍력도 받지 않는 건물 부분을 위치 기준으로 한, 중앙위치조정 및 내풍하중을 위한 시스템을 도시한다.

도 32는 가속도를 감소시키기 위한 수직 스프링 시스템을 개략적으로 도시한다.

도 33은 수직스프링시스템 및 내풍하중이 통합된 지진보호모듈을 도시한다.

도 34는 임계진동 중에 가로등 지주의 탄성변형을 도시한다.

도 35는 지주 상부의 가상진자를 도시한다.

도 35a는 도 35의 횡단면도이다

도 35b는 도 35의 상부 평면도이다.

도 36, 36a, 36b는 진동 격리성 가상진자를 가지는 지주 상부의 전등과 상세부분을 도시한다.

도 37 내지 도 39는 지주상에서 진동 격리된 전등의 변형을 도시한다.

도 40 및 도 41은 도 21의 도해에 따라 진동 격리성 가상진자를 가지는 현수식 전등을 도시한다.

도 42는 도 9의 도해에 따라 가상진자로부터의 현수된 일렬의 전등을 도시한다.

도 43은 도 9의 도해에 따라 가상진자에 의해 지지되는 진동 감쇠기(reducer)를 도시한다.

도 44는 도 21의 도해에 따라 가상진자에 의해 지지되는 위치기준질량을 가지는, 도 43에서와 같은 진동 감쇠기를 도시한다.

도 45는 도 13의 도해에 따라 가상진자에 의해 지지되는 진동 감쇠기를 도시한다.

도 46은 진동 감쇠기 질량 또는 기준질량이 될 수 있는, 도 21의 도해에 따른 가상진자에 의해 지지되는 질량을 도시한다.

도 47은 관형 기둥(tubing mast) 상에서 가상진자에 의해 지지되는 진동 감쇠기를 도시한다.

도 48은 격자형 기둥 상에서 가상진자에 의해 지지되는 진동 감쇠기를 도시한다.

도 49는 가상진자용 기초로서의 지진보호 기초를 도시한다.

도 50은 가상진자용 기초로서의 기초 말뚝(pile)을 가지는 지진보호 기초를 도시한다.

도 51은 기부 격리된 건물의 운동간극(movement gap)의 밀봉을 도시한다.

도 52는 건물의 수평기부격리 및 수직기부격리를 위한 운동간극 밀봉을 도시한다.

도 53은 기부 격리된 건물의 본체에 관한 접촉 상태를 도시한다.

도 54는 지진 중에 지진보호모듈에 의해 지지되는 건물 하부의 지반 열개(opening)의 영향을 예시한다.

도 55는 도 21에 도시된 것과 같은 설계에 따라, 건물의 지층에 설치된 가상진자를 실현하는, 건물 및 대상물을 지지하기 위한 장치로서 지진보호모듈을 도시한다.

도 56은 건물의 지층에 수직스프링이 구비된 지진보호모듈을 도시한다.

도 57은 도 25의 도해에 따라 중앙위치조정 및 풍력보정장치가 통합된, 도 21에 도시된 것과 같은 지진보호모듈을 도시한다.

도 58은 중심 스프링 및 내풍장치로서 탄성중합체 블록과 조합된, 도 55에 도시된 것과 같은 지진보호모듈이다.

도 59는 도 12에 도시된 것과 같은 설계 원리에 따라, 가상진자를 실현하는 건물 및 대상물 지지 장치인, 지반에 설치된 지진보호모듈을 도시한다.

도 60은 건물의 중앙위치조정 및 내풍력을 위한 수평지지장치를 도시하는, 도 59에 도시된 것과 같은 지진모듈에 의해 지지되는 건물의 수직 절단도이다.

도 61은 장치의 위치를 도시하는, 도 30의 실시예에 따른 중앙위치조정장치가 설치되는 평면에서 건물의 지층 및 그 골조 기초를 통한 수평단면부이다.

도 62는 정지상태를 유지하고 있는 건물 지층에 대하여 기초를 두고 있는 기부의 건물벽에 평행한 일 방향에 있어서 변위를 도시한다.

도 63은 정지상태를 유지하고 있는 걸물에 대하여 기초를 두고 있는 기부의 건물 벽에 각진 방향에 있어서 변위를 도시한다.

도 64, 64a, 64b는 고층건물을 지지하기 위한 가상진자를 도시한다.

도 65는 콘크리트 기부로 설치된, 도 21의 도해에 따른 가상진자를 도시한다.

도 66은 지주상의 가상진자에 의한 도로 지지를 도시한다.

도 67은 기부에서 가상진자에 의한 지주 지지를 도시한다.

도 68은 도 21의 도해에 따른 가상진자에 의한 격자 기둥 지지를 도시한다.

도 69는 가상진자에 의한 수송관로 지지를 도시한다.

도 70은 가상진자에 의한 수송관로 교량 지지를 도시한다.

초기의 고려 사항은 우선 주어진 과제의 바람직한 해결에 관한 추론을 위한 기초이다.

분석의 개시 논점은 진자로부터 질량의 현수이다.

도 5. 질량(1)은 진자의 하단부의 지점에서 유효 질량을 갖는다. 진자(2)의 하단부(3)의 질량(1)이 거리 e로 진자의 정지위치(static resting position)로부터 운동된다면, 진자는, 길이 l을 지니는 진자(2)가 r=l의 반경을 지니고 상부 현수점(4) 둘레를 진자의 하단부(3)와 함께 원을 그리기 때문에, h만큼 상승된다. 진자의 하단부의 임의의 방향으로 모든 운동은 두 축 둘레에서 발생할 수 있기 때문에, 현수되는 질량의 연결점은, 위에서 볼 경우, 오목한 구면을 그린다.

질량(1)의 상승(h)은 질량의 포텐셜 에너지(potential energy)의 증가로 귀결된다. 질량(1)의 운동(e) 및 h만큼의 상승으로 야기되는, 힘이 사라지는 경우, 진자의 현수력(Z) 및 지구 중력과 질량(mㆍg)으로부터 발생되는 힘은, 진자의 단부에서 진자의 정지위치로 질량(1)을 복귀하게 하는 복원력(R)으로 귀결된다.

질량(1)이 질량의 정지위치로부터 움직이지 않고, 진자(2)의 상부 현수점(4)이 기부(6)의 측방향 운동을 통해 하중지지 구조물(5)에 의해 운동된다면, 동일한 관련 사항이 발생한다. 이로써 진자는 현수되는 질량의 관성 때문에 각을 이루는 위치를 경험하고, 그러므로 질량의 위치가 상승된다. 그런 후 결과적으로 질량 운동은 진자의 진동특성에 따라 발생한다.

진동의 원진동수(circular frequency)는

(1)

삭제

g .......... 중력 가속도

l........... 진자 길이

이다.

결과적으로 진자의 진동 특성은 진자의 길이로만 결정된다.

진자의 진동수는

(2)

이다.

진자의 진동은 진자 길이에 의해서만 결정된다.

주기는

(3)

이다.

그러므로 긴 진자 길이는 낮은 진동수 및 긴 주기로 귀결된다.

진자의 진동수 및 기부의 진동수가 크게 다르면, 즉 그것들이 부조화되면, 두 운동은 상당히 크게 분리된다.

예컨대, 진자의 상부 현수점이 0.5 내지 2 Hz의 주 진동수를 통상 가지는 지진으로 인한 기부의 수평진동에 의해 움직이고, 긴 진자가 기부의 자극 진동수에 비해 매우 작은 주파수를 가진다면, 질량은 기부의 운동에 따를 수 없다. 질량은 거의 운동하지 않고 유지된다. 질량이 자신의 고유진동의 긴 주기에 따라 매우 낮은 속도로 운동을 시작하는 경우, 진자의 상부 현수점의 반전 운동은, 현수되는 질량이 초기 위치로부터 조금이라도 운동하기 전에, 기부를 통한 상당히 높은 진동수로 발생한다. 이러한 반전 운동은, 거의 동일 위치상에서 질량이 계속 정지되는 효과를 가지고, 진동 계속 중에 반복적으로 발생한다.

진동수의 바람직한 최대 비공진 주파수를 얻기 위해서, 진자는 긴 길이를 가져야 한다. 그렇지만 긴 길이의 진자 실현은 매우 비실용적이다.

지금까지 고찰된, 상단부의 접속부로부터 현수되는 진자는 안정된 하중지지요소인데, 그것의 초기 안정상태 및 중력중심에 있어 최저 높이에 있는 정지위치로 복귀하려고 하기 때문이다.

낮은 물리적 높이를 갖지만 긴 진자 길이와 주기를 가진 진자 특성을 효과적으로 수행하는 소위 "가상진자"의 실현은, 현수되는 질량을 상승시키는 안정 하중지지요소와 지지되는 질량을 하강시키는 불안정 하중지지요소의 작용이 안정적인 위치상승 작용이 약간 있지만 충분히 지배적인 방식으로 연결된다는 원리에 기초된다.

중력가속도 영향 하에서, 안정 하중지지요소로부터 현수되는 질량은 그것의 운동 영역 내에서 최소 포텐셜 에너지 위치를 추구한다.

질량이 진자에 의해 운동하도록 유도된다면, 그것의 정지위치로부터 소정 변위는 그것의 포텐셜 에너지를 증가시킨다. 지구중력에 의해 가속된다면 그것은 최초의 정지위치로 복귀한다.

질량 상태는 안정하다고 간주된다.

정반대로, 질량운동의 영역 내에서 질량의 초기위치로부터 변위된다면 질량은 그것의 포텐셜 에너지를 감소시키고, 지구중력에 의해 가속되어 포텐셜 에너지를 계속 감소시킨다.

질량 상태는 불안정하다고 간주된다.

연결요소(coupling element)의 기하적 배열의 적절한 선택을 통하여,안정한 질량 변위 및 불안정한 질량 변위의 두 영향을 연결하고 중첩시킴으로써, 단지 작은 상승 운동만이 일어나고 그 결과 질량의 포텐셜 에너지를 약간만 증가시킨다. 변위된 진자는 진자의 최소 정지위치로 서서히 복귀하여, 시스템의 고유주기가 길게 된다.

이것은 긴 진자의 작용을 나타낸다.

본 발명에 따라, 물리적으로 긴 진자가 실제 존재하지 않지만 긴 주기를 가진 긴 진자의 작용을 효과적으로 모방하는 장치가 존재한다면, 그 진자의 상대적으로 작은 실제 물리적 치수에도 불구하고, 긴 주기를 가진 "가상" 진자로서 정의된다.

소위 가상진자는 낮은 물리적 구조적 높이를 가져도, 긴 고유진동주기를 가진 긴 진자의 특성을 지니고 운동한다.

진자(2)의 길이(l)를 결정하는 설치공간의 실제 높이에 한도가 있어서, 상승(h)이 너무 커져 중첩하는 음의 값을 추가해야 한다면, 하강을 감소시키는 상승 변위를 바람직한 값까지 감소시키는 것이 필요하게 된다. 이것은 안정된 현수식 진자와 불안정한 직립식 진자를 적절한 방식으로 연결함으로써 수행될 수 있다. 수평으로 변위되면, 연결된 직립식 및 현수식 지지요소들과 그것들각각의 양과 음의 수직변위들이 더해져서 최종적인 수직변위가 된다.

두 지지요소의 수직변위들은 원함수에 기인하는 수평변위와 조화되게 발생하기 때문에, 두 수직변위들의 차(중첩)도 수평변위와 조화되게 발생한다.

도 6은 이러한 상호관계를 도시한다. 길이(l)을 가진 안정 진자(2)의 질량점(point of mass)(3)은 수평으로 e만큼 변위되는 경우 h만큼 상승한다.

(4)

길이 l_s를 가진 직립식 불안정진자(7)의 상단부는 e_s만큼 수평으로 변위되는 경우 s만큼 수직으로 하강된다.

(5)

두 지지요소의 수직운동이 합해지는 경우, 그 결과 h_res만큼 상승이 일어난다.

:

와 e:e_s의 관계는 사용되는 연결 종류 및 자유 선택이 가능한 관계 l:l_s에 의해 영향받는다.

안정진자와 불안정진자의 수직변위의 합에 의해 도 6에 도시되는 것과 같은 결과가 발생한다.

안정진자와 불안정진자의 연결은 다양한 방식으로 실현될 수 있다. 지레(lever)가 다른 것에 비례해서 상승과 하강이 영향을 받게 되므로, 지지요소나 연결요소에 관한 값을 변화시키는데 적합한 하중지지 지지점을 결정하는 것이 가능하고, 이 지지점에 있어서 각 진자에 비례하는 상승변위와 하강변위을 결합하여 원하는 상승을 얻을 수 있다.

도 7. 가상진자의 하단부인, 선택된 하중 지지점의 수평변위 e_p는 현수되는 안정진자의 변위 e의 함수이거나 변위 e에 거의 비례한다.

가상진자 하단점에 상당하는 하중지지 지지점에 있어서 상승과 함께 중첩 하강도 동일하게, 현수식 안정진자 및 직립식 불안정 진자의 질량점의 상승 또는 하강에 비례하거나 그것의 함수이다.

가상진자의 질량점의 상승변위 h_p는, 중앙정지위치로부터의 변위의 함수로서, 우선 원에 근사하게 된다. 두 개의 축 둘레를 곡선운동시 점 P는 위에서 볼 경우 오목한 구면 궤적을 그린다.

반경(

)는 가상진자의 길이(l_p)다.

도 8. 지지요소(2)는 길이(l_h)를 가진 현수되는 안정진자이고, 지지요소(7)은 길이(l_s)를 가진 직립하는 불안정진자이다.

현수식 진자인 지지요소(2)가 각

로 운동한다면, 진자의 가동 단부는 h만큼 상승된다.. 직립식 진자인 지지요소(7)가

의 각으로 운동한다면, 진자의 가동 단부는 s만큼 하강된다. 현수식 진자인 지지요소(2)의 가동 단부는 위에서 볼 경우 오목구면을 그린다. 직립식 진자인 지지요소(7)의 가동 단부는 위에서 볼 경우 볼록구면을 그린다.

도 9. 본 발명에 따라서, 현수식 진자인 지지요소(2)와 직립식 진자인 지지요소(7)의 가동 단부는 연결요소(8)에 의해 연결된다. 두 진자의 연결된 진동을 지닌, 직립식 진자인 지지요소(7)에 더 가까운 연결요소(8)의 부분은 진동중에 하강된다. 현수식 진자인 지지요소(2)에 더 가까운 연결요소(8)의 부분은 진동중에 상승된다.

길이 c를 가진 연결요소(8) 상의 임의의 위치에서, a:b의 비율로 연결요소(8)의 길이를 분할하는, 지지되는 대상물의 하중지지 지지점인 점 P는 예상되는 수평변위의 범위 내에서 두 지지요소의 진동중에 임의의 방향으로 소폭 상승된다.

이것은 l_s, l_h, c의 상대적인 치수의 적절한 선택 및 a 대 b의 비율에 의해 결정된다. 진자의 진폭 e가 변하면서 현수식 진자인 지지요소(2)의 길이 l_h가 짧아지면 현수식 진자의 단부의 상승변위 h가 증가한다. 동일한 진자의 진폭 e에서, 직립식 진자인 지지요소(7)의 길이 l_s가 커지고, 하강변위 s는 감소한다.

연결요소(8) 상에서 길이 c를 a:b의 비율로 분할하는 점 P는, 현수식 진자인 연결요소(2)의 진폭 e을 통한 점 P의 상승이 항상 정(possitive)의 최소치가 되게 위치되어야 한다. 수직축 H를 중심으로 연결요소(8)의 회전이 적합한 지지체에 의해 방지된다면, 도 10에서 도시된 것처럼, 지지요소(2,7)의 진동이 다른 방향으로 발생하는 경우에도 동일한 결과를 얻게 된다.

도 10. 연결요소(8)는 지지되는 질량에 견고하게 연결되는, 지지체(B)에서 축 Q 둘레를 회전하므로 수직축 H 둘레를 회전하는 것이 방지된다. 현수직 진자인 지지요소(2)의 자유 단부는, 위에서 볼 경우, 오목구면 K를 그린다. 직립식 진자인 지지요소(7)는, 위에서 볼 경우, 볼록구면 V를 그린다. 현수식 진자인 요소(2)의 자유 단부가 임의의 방향으로 e만큼 회전한다면, 연결요소(8)의 점 P 및 축 Q는 회전이 X-축의 방향으로 발생하는 것과 동일한 방식으로 상승된다.

진자인 지지요소(2,7)가 임의의 방향으로 운동하는 경우, 연결요소(8)와 지지요소(7)을 연결하는 하중지지 지지점은 진자가 X-축 방향에서 일어나는 경우와 동일하게 하강된다. 그러므로, 연결요소(8) 상의 점 P는 연결된 진자의 진동에 의해서 임의의 방향으로 상승된다.

도 9에 도시된 바와 같이, 점 P는 길이 l_v를 지니는 현수된 긴 진자의 자유단부처럼 운동한다. 그것은 길이가 긴 가상진자의 자유 단부를 나타낸다.

도 11. 도 9의 연결요소(8)의 정지위치로부터 변위 e, 점 P의 상승변위 h_p와 함께 가상진자의 길이는 도 9에 따른다.

(6)

가상진자의 원진동수는

(7)

이다.

가상진자의 진동수는

(8)

이다.

가상진자의 주기는

(9)

이다.

가상진자 자유 단부의 점 P의 최대 속도는

(10)

이다.

가상진자의 자유단부의 최대 가속도 및 지지 대상물은

(11)

거의 동일한 기능성을 가지고서, 지지요소(2)는 인장부하만을 받는다면, 기계적 연결을 절약하기 위해 밧줄(rope)로서 설계될 수 있다.

도 12는 원리의 변형을 도시한다.

l_h 대 l_s 및 a 대 b의 비율의 선택 외에도, 연결요소(8)의 유효 지레(b)의 각도(

)의 선택 및 유효 지레(a)에 관한 각도의 도입 또한 점(P)의 상승변위와 가상진자의 유효 길이를 결정한다.

치수는 가상진자의 유효 길이(l_v)가 다수의 지진보호장치의 높이인 방식으로 선택될 수 있다. 이를 통해 가상진자 및 이것이 지지하는 질량(m)의 진동수를 지진의 수평운동에 의해 유발된 기부(6)의 진동수보다 상당히 낮게 하는 것이 가능하다.

이것은 가상진자 지지 대상물에 의해 지반의 수평운동으로부터 위치를 격리시키는 결과를 초래한다. 건물 또는 어떤 지지 대상물에라도 영향을 미칠 최대 가속도는 방정식(11)에 따라 수학적 진자의 동작으로 유도될 수 있다.

적절한 설계 및 치수결정은 최대가속도를 생리학적으로 미세하게 감지하는 정도까지 감소시킬 수 있다. 이런 유효성은 기부(6)가 지진 때문에 겪게되는 수평가속도의 크기에 영향을 받지 않는다.

도 13은 기본원리에 있어서 도 9 및 도 12에 따른 해결책과 같이 한다. 여기에서, 유효길이(b)를 가진 지레가 길이(a)를 가진 지레로부터 분리되어, 질량(m)을 적절히 지지하기 위해 보다 높은 위치에서 하중지지요소(W_L)에 피봇되게 결합된다.

이런 해결책에 따라, 각각 길이 l_h 및 l_s를 가지는 현수식 안정진자(2) 및 직립식 불안정진자(7)는 이용가능한 공간의 높이의 대부분을 차지한다. 그러므로, 2축으로 피봇되게 결합된 지지요소(2,7)의 진동의 최대 허용각이 동일한 경우에, 시스템은 이용가능한 설치공간의 높이에 관해서 매우 큰 허용변위를 가질 수 있다.

결합요소(8)는 연결요소(8_a)를 통해 연결요소(8_b)에 연결되고, 연결요소(8_a)는 양단에 단축 관절(hinge)을 가진다. 연결요소(8_b)는 지지요소(W_L)에 피봇되게 결합되고 직립식 불안정진자(7)에 의해 2축으로 피봇되게 지지된다.

도 14 및 도 15는 지지되는 질량이 기부에 대해 2방향으로 진동하는 범위를 도시한다.

도 16은 진동진폭 S를 가진 3종의 이동상태가 표시되어 있는, 기부에 대한 지지되는 대상물의 진동범위를 도시한다.

도 17에서, 기부(6)의 진동행정(S)으로, 기부에 연결된 가상진자(P_v)의 가상지지점(C_v)에 관해서, 안정지지요소인 현수식 진자(2)는 그것의 하부지지점을 변위(h)만큼 상승시키고, 불안정지지요소인 직립식 진자(7)은 그것의 상부지지점을 변위(s)만큼 하강시켜, 지지되는 대상물(O)은 가상진자(P_v)의 상승에 상응하는 상승변위(h_p)를 받게 된다.

도 18은 삼각 연결요소(9)를 구비한 시스템을 도시한다.

도 19는 도 18에 도시된 시스템을 상부에서 본 수직도이다.. 삼각 연결요소(9)는 3개의 지지요소(11)에 2축으로 피봇되게 결합된다. 각각의 지지요소(11)는 각도(δ)에서 3개의 지지점(10)의 기부(6)에 2축으로 피봇되게 결합된다.

기부(6)의 운동하는 것과, 기부(6)의 운동에 대하여 연결요소(9)가 자신의 관성 및 결합요소(9)의 중심(13)에서 지지되는 대상물 질량의 관성에 의해서 부동상태인 것에 의해, 연결요소(9)의 일측에서 지지요소(11)의 상부 지지점(10)이 연결요소(9)의 중심으로부터 멀어지게 움직이는 결과, 지지요소(11)는 본래 중앙위치에서 수직이 아닌 자신들의 공통 중앙부를 향해 경사지기 때문에 연결요소(9)의 대향측에서 지지요소(11)의 접속점(12)이 하강된다.

지지요소(11)가 각도(δ)에서 초기 경사지기 때문에, 연결요소(9)의 일측의 하강은 대향측면 상승보다 작게 되어, 연결요소(9)의 중심(13)은 상승한다..

연결요소(9)의 일측에서 상승에 대한 대향측에서 하강의 비율은 연결요소(9)의 중앙정지위치를 기준으로 각도(δ)의 선택과 지지요소 및 연결요소의 상대적 기하학적 치수의 선택에 의해 영향을 받는다.

기부가 모든 방향으로 움직인다면, 연결요소(9)의 중심(13)은 곡선 반경(ρ)으로 상향 개방된, 오목구체 형태의 궤적을 이동한다.

연결요소(9)의 중심(13)이 길이(ρ)를 가지는 "가상"진자로부터 현수되는 것처럼 움직인다. 변위

만큼 수평으로 이동한다면, 연결요소(9)의 중심(13)은 변위 h만큼 상승되고, 연결요소(9)는 각도 ζ만큼 경사진다.

도 20에서, 연결요소(9)의 중심(13)이 높이(l_p)로 견고하게 고정된 수직 지지요소(14)라면, 이 자체는 물리적으로 불안정한 직립식 진자를 나타낸다. 물리적 연장 하부에서, 직립식 진자는 가상적으로 지지되고 2축으로 피봇되게 결합되며, 도 19에 도시된 바와 같이, 하부의 순간 피벗 둘레에서 경사질 때, 도19에 도시된 것과 같이, 연결요소(9)를 통해 지지요소(11)로 연결되기 때문에 하부 순시 피봇 주위로 경사질 때 h만큼 상승한다.

각도(ζ)에 의한 경사로, 연결요소(9)와 결합하여 높이(l_p)를 가지는 지지요소(14) 상부에서, 지지되는 질량의 지지점(P)은 하기 식에 의한 변위만큼 상대적으로 하강되고,

s_p = l_p(1-cosζ) (12)

부수적 편심 변위는,

u = l_p ·sinζ (13)

점(P)의 총 편심 변위 하기 식으로 표현된다.

삭제

e =

+ u

e =

+ l_{p ·}sinζ (14)

삭제

점(P)의 결과적인 상승은 하기 식으로 표현된다.

h_p = h - s_p

h_p = h - l_p(1 - cosζ) (15)

삭제

도 21에서, 지지요소(14)의 상단에 있는 점(P)는 만곡이 평탄하게 상향 개방된 오목궤적을 이동한다. 만곡정도와 안정위치는 서로에 대한 각 요소의 상대적 치수 및 특히, 높이(l_p)에 의해 결정된다.

높이(l_p)의 선택은 시스템이 불안정해지는 높이에 의해 제한된다. 도 21에 따른 장치는, 지지되는 대상물이 반경(ρ)의 곡면을 움직이는 길이가 l_v인 긴 진자로부터 현수되는 것처럼 2축 지지체의 점(P)에서 대상물을 지지하는 가상진자를 나타낸다.

방정식(14) 및 (15)로부터 e 및 h_p를 유도하고, 가상진자의 길이는 방정식(6)으로 결정된다.

이런 접시형체(dish)의 궤적에 있어서, 하중지지지 지지점은 항상 최저점, 즉 용기의 중심을 향하여 움직인다.

접시형체의 만곡이 평탄할수록, 중력에 의한 접시형체의 중심을 향한 복원력은 작아지고 접시형체의 중심을 향한 항중지지 지지점의 움직임이 느려진다.

방정식(7) 내지 (11)이 더 적용된다.

거의 동일한 기능성을 가지고서, 지지요소(11)가 인장부하만을 받는다면, 기계적 연결을 절약하기 위해 지지요소(11)를 밧줄로서 설계할 수도 있다.

지진보호모듈의 하중지지 지지점은 그것이 초장 진자의 하단부인 것처럼 공간상에서 가동된다. 이 점은 만곡이 평탄힌 가상구면을 이동한다.

도 22는 청구항 1에서 한정되는 방법에 따른 가상진자의 또 다른 실시예를 도시하고 있다.

기부(6)에 연결되는 지지구조물(5)에는, 2개 이상의 안정진자요소, 즉 수직평행 현수식 진자(2)가 2축으로 피봇되게 연결되고, 현수식 진자는 교차 빔(cross beam) 연결요소 또는 플랫폼(platform) 연결요소(8)를 지지한다.

수직지지요소(14)는 연결요소(8)의 중심을 통해서 2축으로 가동하게 수직하중을 받는 지지체에 고정된다. 상기 지지요소(14)의 하단부는 축방향으로 가동되나 수평방향으로는 고정되어 구형 지지체(43)에 위치한다. 상기 지지체(43)에서 수직지지요소(14)는 모든 수평축 주위를 회전할 수 있다.

지지체(59)의 중심은 길이(l_h)로 현수식 진자(2)의 하단부로서 공간상에서 동일한 이동성을 가지고 수평으로 e만큼 변위될 때 h만큼 상승된다.

도 22의 실시예에 있어서, 지지요소(14)의 상부에 대해서, 최종 상승은 음의 값이고, 하강하는 결과가 된다. 따라서 이 점은 하중지지 지지점으로서는 불안정하다.

상기 상부가 중앙위치로부터 임의의 방향으로 변위되는 경우, 위에서 보면, 직립식 진자의 상부가 그런 것처럼 볼록면으로 나타난다. 이 거동은 길이(L_vi)를 갖는 불안정한 역향 가상진자를 나타낸다.

다른 연결된 요소(2,8)의 치수에 대해서, 자신의 치수를 가진 지지요소(14)의 상부에 하중이 있으면 그 상태는 불안정한 것이 된다.

다른 요소에 결합되지 않고는 단독으로는 항상 불안정하다. 하중을 받는 상태에서 안정화 영향이 지배적인 다른 요소와의 결합에 의해서만이, 전체 시스템이 안정하고, 하중지지 가상진자를 구성한다.
하중지지 안정성을 실현하기 위해서는, 상부에서 양의 상승(h_res)을 얻도록 길이(l_o)을 선택하는 것이 필요하다. 따라서 하중지지 지지점(9)은 위에서 볼 때 오목면으로 나타난다. 그렇게 선택된, 지지체(59)로부터 거리(l_p)를 가진 하중지지 지지점(P)은, 중앙위치로부터 변위되는 경우 작은 변위 h_p만큼 상승된다. 따라서 하중지지 지지점(P)은 길이(l_v)를 가진 가상진자의 단부를 나타낸다.

도 23은 현수식 진자(2)의 하부 하중지지 지지점, 연결요소(8)의 중심 및 수직지지요소(14)의 상부에 위치한 하중지지 지지점에 의해 묘사되는 곡률을 도시하고 있다.

도 23a, 23b, 23c는 최대 변위 및 중첩 위치에서 기부(6)에 관해 지지되는 대상물(1)의 거동 위치를 도시한다.

도 24는 도 22 및 도 23c에서 도시되는 원리에 따른 가상진자의 간략도로서, 중앙정지위치와 지지되는 대상물(1)에 대한 기부(6)의 변위상태를 나타낸다. 기부(6)가 지진에 기인하는 변위(e)에 의해 움직이면, 가상진자에 의해 지지되는 대상물(1)은 약간의 변위 h_p만큼 상승된다.

지진보호모듈의 높이(H_M)에 대한 기부(6)의 변위(s)는 평균적인 계층에 있어서 시스템의 진동진폭에 비례적으로 커지는 것이 가능함을 나타낸다.

운동특성은 수학적 진자를 의미하고 있다. 그것의 고유주기는 가상진자의 유효길이에 의해서만 결정된다.

시계진자가 이것을 예시한다.

지진 중에, 진동하는 기부에 연결된 진자(2)의 상부 지지점이 전후로 빠르게 움직인다면, 가상진자로부터 현수된 질량은 가상진자의 특성에 의해 결정되는 관성 때문에 진자의 상부 지지점의 급격한 반전운동을 따를 수 없다.

운동방향의 반전이 급격하게 발생하면, 지지되는 질량은 실질적으로 정지상태를 유지한다.

문제해결 결과

본 발명에 따른 문제 해결은 청구항 1에 따른 방법 및 그 방법으로부터 유출되는 장치를 통해 실현된다.

본 발명에 따른 바람직한 설계는 종속항의 주제이다.

본 발명은 지진으로 인해 지반의 진동이 발생하는 경우 건물의 무공진을 보증한다. 지반의 거동에서 기인하는 수평 가속도 및 전단력은 건물구조로 전달되지 않는다. 이것은 건물 또는 대상물을 수평 지반 강진동에 대해서 신뢰할 수 있을 정도로 보호하는 완전한 지진 보호를 실현시킨다.

본 발명의 방법 및 적절한 설계 변수의 선택에 의해, 지반이 큰 진폭과 높은 가속도로 움직인다 하더라도, 지지되는 대상물은 거의 부동상태를 유지하는 것이 가능하다.

본 발명의 원리의 적용에 있어, 지지되는 대상물의 고유진동주기가 길게 된다. 그 결과, 질량의 관성 때문에 대상물은 지반과 기초의 진동운동에 따르지 않게 된다. 보호되는 대상물 또는 건물은 최대규모의 지진에 대해서도 완전히 부동상태를 유지한다.

그러한 효능은 수학적으로 분명하게 증명가능하다.

유효한 지진보호로서 본 발명의 기능은 소형모형 모의시험을 통해 1.2g의 가속도까지 이미 실증되었다.

따라서 대상물은 지반의 수평운동으로부터 완전히 격리된다. 이것은 효과적인 기부 격리시스템으로서, 작은 높이의 지지구조물에 의해 아주 긴 진자로부터 현수되는 것 같이 지지되는 대상물이 공간에서 가동하도록 한다. 지지장치는 긴 진동주기를 갖는 가상진자로 칭한다.

상기 장치의 설계 변수는 넓은 범위에서 선택될 수 있다. 이로써 시스템이 고유진동수와 지진진동수 사이의 차는 구조물과 기부의 진동시스템이 완전히 분리되는 정도로 결정될 수 있다. 따라서 지지되는 구조물은 여전히 정지위치에서 부동상태를 유지한다.

지지되는 구조물이 지반의 진동운동을 따르지 않기 때문에, 가속도에 의해 야기되는 질량 반작용이 발생하지 않는다. 그 결과 임계 전단력이 발생하지 않으며 모든 지진 손상이 회피된다.

건물의 질량은 공간상에서 긴 유효진자길이를 가진, 현수점이 건물 상방에서 높이 위치한 "가상"진자로부터 현수된다.

지진보호모듈로 불리는 가상진자 지진보호모듈은 최대 진폭과 파괴 잠재력을 가진 지진에 대해 효과적인 보호를 제공한다. 우선, 고층 건축물과 세장형 탑을 포함하는 어떠한 종류의 구조물이든 설계하고 개장하는 것이 가능하며, 완전히 지진을 막아낸다.

신규한 지진보호모듈은 수직방향으로 확대시키지 않고서 초장 진자의 동작특성을 실현시킨다. 따라서 긴 유효진자 길이를 가상 "가상"진자에 상당한다. 설치에 필요한 높이가 낮기 때문에 1층 또는 건물의 기부의 한 층 이내가 바람직하다.

가상진자의 상단의 지지점은 지진보호모듈의 지지 구조물을 통해 기부와 견고하게 연결된다.

초장 진자로부터 현수되는 질량은 매우 완만한 속도로만 움직일 수 있다. 한 진동에 대한 주기는 매우 크다. 이러한 기술로 가상진자 시스템의 고유주기가 자유롭게 선택될 수 있으며, 따라서 상기 장치의 구성요소의 설계는 예를 들면 20초 또는 그 이상의 주기로 결정된다. 통상적으로 지진 진동주기는 0.5 내지 2초 사이이다. 진자의 상단 지지점이 빠르게 변위되면, 진자로부터 현수된 질량은 긴 길이를 갖는 진자의 진동특성에 의해 결정되는 속도만으로 새로운 위치로 따라간다.

지진보호시스템의 성능은 충격의 크기에 의해 결정되지 않는다. 지진의 강도가 어느 정도이든, 지표를 얼마나 빠르게 이동하든, 건물의 기초가 얼마나 강하게 가속되든, 지진 진동수가 얼마나 높든 또는 낮든, 또는 얼마나 조화되는지 전혀 문제가 되지 않고, 그 결과는 항상 동일하다.

지지되는 구조물에 전달되는 어떠한 가속도도 거의 지각할 수 없을 정도의 수치인 0.01g 이하의 값으로 감소된다.

이러한 원리의 보호효율은 모든 지반 속도 및 가속도에서 항상 동일하다,

상기의 지지되는 구조물은 가능한 최대 강진이나 약진에서도 움직이지 않는다.

본 발명의 원리에 따라서, 어떤 에너지의 전송, 변형 또는 흡수가 없으며, 어떤 동역학적 에너지가 건물 구조물 내로 전달되지 않는다.

지지되는 구조물이 진동운동에 따르지 않기 때문에, 가속도에 의해 야기되는 질량 반작용력이 발생하지 않으며, 지진에 의한 손상이 방지된다.

지지되는 대상물이 지반의 수평 거동으로부터 완전 격리되어, 가장 효율적인인 기부 격리가 된다.

이러한 이유로 해서 현대 건물체계에서 요구되는 건물에 대한 추가적인 지진강화는 필요하지 않게 된다.

작은 규모의 원형은 소정의 기대되는 성능을 이미 증명하였다.

수평 변위에서 크게 감소되는 마찰

본 발명에 따른 해결책의 설계 원리 때문에, 구조요소의 지지체점에서 물리적으로 존재하는 마찰은 효율적으로 큰 폭으로 감소되어, 그 결과 이동 질량의 횡변위 저항이 작게 된다.

그 결과 마찰계수가 극도로 작게 된다. 따라서 마찰을 통해 기부로부터 구조물로 전달되는 현저한 가속력이 없게 된다. 결과적으로 건물은 용이하게 움직일 수 있다. 따라서 풍력에 의해, 지지되는 대상물을 허용 최대 변위범위의 중앙위치로부터 변위될 수 있다. 그 결과, 중앙위치로부터 변위되는 경우 지진이 발생하게 되면, 실제 가능변위범위가 풍력에 의해 유발된 초기 이동 방향으로 짧아진다.

신규한 해결책에 있어 지지 구조물의 설계 원리는 물리적으로 유효마찰을 고 감소율로 매우 작은 값까지 감소시킬 수 있다. 변위저항은 아래와 같다.

W = m*g*μ_red (16)

여기서, μ_red는 실현가능 값으로 0.002∼0.004이다.

결과적으로, 낮은 유효 정지마찰때문에, 매우 낮은 가속도만이 지지되는 질량으로 전달된다.

추가 변위에 대한 가능공간은 발생하는 지진의 잠재 가능 변위보다 작게 될 수 없다. 따라서 지지되는 대상물을 지반의 운동으로부터 단절하는 주요목적에 더하여, 지진발생시에 구조물을 중심위치에 유지시키기 위한 요소를 전체 해결책에 통합하는 것이 필요하다.

지지되는 대상물의 중앙위치조정 및 풍력보정

지진보호모듈 상에서 지지되는 대상물의 지지축점의 움직임은 위에서 보게 되면, 매우 평탄한 오목구면 영역 내에서 발생하게 되는데, 구면영역은 정밀한 구면은 아니지만 구면에 매우 근사한 것이다. 중앙지점으로부터 변위될 때 지지점이 그리는 영역의 만곡은 일정하지 않아 상관성과 시스템의 성능에 따르지 않는다. 완전히 변위되는 경우, 상승변위는 지지점의 자기-중앙위치조정을 일으키는, 중력에 의해 유발되는 재위치조정력이 된다. 그럼에도 불구하고, 지지점은 거의 존재하지 않는 정지마찰로 인해 중앙지점으로 완전히 재위치조정되지 못한다.

중앙위치로부터 변위된 후 복원력인 수평 유효 추력은 가상진자로부터 현수되는 대상물의 질량관성으로 인한 것이며, 다음 식과 같다.
가상진자에 의해 현수되는 대상물의 질량관성으로 인한, 중앙지점으로부터 변위후 복원력인 수평 유효 추력은 아래와 같다.

(17)

여기서, S_H는 중력에 기인하는 수평 추력,

m은 지지되는 질량,

g는 지구중력,

e는 중앙지점으로부터의 변위,

l_v는 가상진자의 길이다.

마찰에 기인하는 변위에 대한 수평저항은 아래와 같다.

(18)

여기서, W_H는 변위에 대한 수평저항,

μ_red는 감소된 마찰계수이다.

지진보호모듈의 설계원리에 따라, 변위에 대한 수평저항은 매우 낮다. 이것은 진자지지요소의 지지체 직경의 1/2과 진자의 유효길이의 관계에 따라서 마찰계수가 감소된다는 것에 기인한다.

감소되는 마찰계수는 아래와 같이 된다.

(19)

여기서, μ는 진자 지지체의 마찰계수,

D_L 은 진자 지지요소의 지지체의 직경,

L_P 는 진자 지지요소의 길이다.

소정의 설계에 따라, 지반운동으로부터 분리된 소망 효과 때문에 가상진자 하단의 이동구면의 만곡은 중앙영역에 있어서 매우 평탄하므로, 진동 후 마찰이 매우 작음에도 중앙위치로부터의 잔류변위(remaining deviation)를 수반하는 이력현상(hysteresis)이 존재한다.

A_H = l_v/sin(arc sin·arc cosμ_red) (20)

삭제

A_H : 중앙위치로부터의 최종 수평변위.

지진보호모듈의 개념은, 초기위치가 중앙위치에 있지 않은 경우에도, 기부에 대한 변위에 대해 충분한 공간을 얻을 수 있으며, 극심한 지반 운동의 경우에서의 극심한 변위를 위해 설계하는 것이 가능하다. 건물의 초기위치는 풍력의 변화 및 지진 정지 후 다른 가능한 위치 때문에 변할 수 있다. 이것이 상관없다면, 건물의 부가적 중앙위치조정 및 풍력에 대항한 저항력은 필요하지 않을 것이다. 그러나 건물이 언제나 동일한 지점에 유지되는 것이 필요하다면, 정확한 중앙위치조정을 위한 부가적인 장치가 하기와 같이 설치될 수 있다.

도 25는 수평 중앙위치조정 및 고정을 위한 단순한 해결책을 도시한다. 이런 장치는 건물의 적어도 2점에서 필요하다. 이것은 또한 지진보호모듈 자체에 통합될 수 있다.

선하중된 인장스프링(preloaded extension spring)(41)은 그 하단부에서 기부에 연결된다. 그 상단부에서는 스프링이 구형 지지체(43)에 축방향으로 가동되게 삽입 고정된 축(42)을 지지하여, 지지되는 구조물에 견고하게 연결된다. 인장스프링(41)은 지지체(43)의 위치에서 수평 지레작용(leverage)이 임의의 예상 최대 풍력에 반작용하여, 스프링의 일측에서 코일을 상승시켜 축(42)을 경사지게 하는 스프링(41) 굽힘이 없을 정도로 고정된다.

그러나, 큰 가속도를 수반하는 지진에 의해서, 예상 풍하중을 크게 초과하는 충격이 건물질량에 가해져서 지지되는 건물의 질량에 대해서 기부의 수평운동이 발생하면 축(42)의 지레를 통하여 스프링(41)이 굽혀진다. 기부는 건물에 대한 변위(ε)를 받는다. 부가적인 변동에 따라, 이런 초기 모멘트(moment)를 극복한 후, 힘은 선형증가하지 않고 하감한다. 그러므로 스프링의 반작용력은 진동진폭(S)를 통해 작은 상태로 유지된다.

이 수평고정은 반전위치에서도 적용될 수 있어, 접합부(43)는 기부(6)와 연결되거나 기초에 포함되고, 축(42)은 건물구조물(51)에 연결된 스프링(41)과 함께 하향 현수된다.

도 26은 탄성중합체 스프링 블록(48)으로 중앙위치조정된 건물을 유지하기 위한 상응하는 해결책을 도시한다. 적절하게 치수화된다면, 이런 해결책은 도 25의 해결책과 상응하는 성능을 보여준다. 차이점은 여기에는 명료한 모멘트 중지(break off moment)가 없다는 것이다. 시작에서부터, 모멘트는 수평력에 의존하여 선형으로 발생한다.

반전 위치도 이런 해결책이 또한 가능하다.

도 27은 중앙위치조정된 건물을 유지하기 위한 장치를 도시하는 것으로, 지지되는 구조물(51) 아래의 적어도 두 점에 견고하게 연결된 위치설정장치(50)가 있다. 복수의 구체를 구비한 접시형체(49)에 유지되는 회전구(44)는 풍하중에 의한 예상 최대 수평력(F_h)을 균등하게 하는 수직력(F_v)를 가진 스프링(47)에 의해 중앙추(centering cone)(45)로 압축된다.

F_v = F_h tg(γ/2) (21)

F_v : 수직력

F_h : 수평력

γ : 중앙추의 개방 각도

지진의 충격에 의해서만 유발될 수 있는 힘 F_v가 임의의 가능한 최대 풍력보다 크게 된다면, 기부(6)의 이동에 의해 유발된 중앙추(45)의 이동은 피스톤(52)을 통해 스프링(47)에 대항하여 회전구(44)를 압축한다. 스프링(47)은 압축된다. 결과적으로, 회전구(44)는 경사가 감소되거나 또는 개방각 γ가 증가하는 중앙추(45)의 영역으로 움직인다. 이에 의해 수평으로 전달 가능한 힘을 감소되어 회전구가 중앙추의 영역을 떠나 평평한 표면상에서 구를 때 0이 된다.

피스톤(52)에 의해 변위된 유체는 역류방지밸브(check valve)(53)를 통해 외부 용기 또는 통합된 용기(55)에 유입된다. 이 스프링이 압축될 때, 이동하는 피스톤(52)의 속도는 유체가 조절판구(throttle orifice)(30)를 통해서만 다시 흐를 수 있기 때문에 느려진다.

기부의 고속 진동으로 인해, 느리게 복귀하는 회전구(44)는 중앙추(45)의 경사가 급한 중심부에는 도달하지 못하지만 경사가 작은 부분에는 가능하다. 결과적으로, 전달 가능한 수평력이 작게 된다.

진동이 중지될 때, 복귀 회전구(44)는 중앙추에서 경사가 급한 부분에 놓이고, 보다 큰 유효 수평 억제력 F_h로 지지되는 대상물을 중앙위치조정한다.

도 28은 구조물 중앙위치조정 및 풍하중 보정을 위한 또 다른 방법 및 장치를 표시한다. 지층의 벽(22)과 기부(6)에 위치한 기초의 벽(20) 사이에는 직사각형 건물에 대항하는 두 측면의 각각의 측에 적어도 2개의 수평방향지지요소(24)가 존재하고, 직사각형 건물의 나머지 두 측면에는 각각의 측에 적어도 1개의 수평방향지지요소(24)가 존재한다.

수평지지요소(24)는 상부에서 본 단면도로서 도시된다. 구체(25)의 회전방향은 수평이고, 기초벽(20) 상에 있어 동일 수평선상에 있다. 도해의 모든 다른 대상물은 수직 단면도로서 도시된다.

수평지지요소(24)는 완전히 신장된 피스톤 축을 구비한 유압실린더로 구성되고, 상기 실린더의 단부에는 하나 또는 복수의 구체(25)와 함께 구름기어(rolling gear)가 장착된다. 지층의 위치가 정확히 기부의 중심에 조정되는 경우, 각각의 구체와 기부의 벽에 고정된 평탄한 활주로(26) 사이에는 최소한의 간극이 있다. 구체의 회전방향은 수평이다.

구름기어와 함께 피스톤 축의 동일 방향성을 보장하기 위해, 피스톤 축의 단부는 회전을 방지하기 위한 힌지 연결을 통해 실린더(40)에 연결된다.

기초의 벽(20)이 구조물(22)를 향해 움직일 경우, 피스톤은 구체(25)와 피스톤 축에 의해 압축되어 실린더(40) 내로 이동하고, 내부의 유체를 하나 또는 복수의 유압식 완충장치(127) 내로 압축한다. 이 압축장치(127)는 막형(membrane-type), 기포형(bubble-type) 또는 피스톤형 저장소일 수 있으며, 막(28)의 다른 축에서 기체, 공기 또는 질소를 압축할 수 있다. 이에 의해, 유압실린더는 기체의 탄성작용에 의해 스프링식 지지체와 같이 작용한다.

피스톤 축이 실린더(40) 내부의 기계적 정지에 대항하여 완전히 신장되면, 피스톤 축에 지배되는 제어밸브(29)는 개방 위치에 있게 된다. 완충장치 내의 가스압력에 의해 유체는 조절판구(30)를 압출되고, 개방된 제어밸브(29)를 통해 저장소(32)에 연결되는 배관 내로 압출된다. 건물 벽(22)에 접근하는 기초벽(20)에 의해 피스톤 축이 실린더 내로 압축되면, 제어밸브(29)가 개방되고, 유체는 압력관(33)으로부터 유압식 완충기(127) 내로 이동하고, 그 결과 실린더 내에 발생하는 힘이 피스톤 축을 다시 압축하고, 건물을 본래의 위치에 복귀시킬 때까지 압력을 증가시킨다.

이런 과정은, 건물이 풍력을 받아서 기부에 대한 중앙위치로부터 압축되는 경우에 효과적이다.

풍력이 돌변하지 않고 어느 정도 필요한 시간에 걸쳐서 증가하고 감소하기 때문에, 조절판구(30)를 통한 유체의 유입과 유출의 처리는 요구되는 속도로 조절 과정을 유지하기에 충분히 빠르며, 건물이 그것의 본래 중앙위치에서 유지되는 것을 보증한다.

지진 발생시 볼 수 있는 것과 같이, 기부의 벽이 빠르게 건물을 향해 움직이고 건물로부터 멀어지는 경우, 피스톤의 빠른 운동과 이에 수반하는 제어밸브(29)의 빠른 연속적인 개폐에 의해, 조절판구(30)를 통한 공기 스프링 시스템 내외로 유출입하는 유체는 적다. 실린더(40)의 기체 탄성력은 초기는 어떤 풍력과도 균형을 이루고 있지만, 작은 스프링정수 때문에, 그리고 지진주파수와 피스톤 및 제어밸브(29)의 운동으로 인한 조절판구(30)를 통한 교호하는 유출입 때문에, 조금 변화한다.

시스템은 이러한 결과적인 가속력을 아주 적게 유지하여, 건물의 질량에 대한 유효가속도가 지진주파수와 함께 방향을 변화시킴에 따라 아주 작은 유효 가속도가 되도록 설계될 수 있다.

유압 시스템은 저장소(32)로부터 펌프(36)를 통해 집중적으로 공급될 수 있고, 펌프(36)는 압력제어스위치(35)에 의해 제어되는 모터(34)에 의해 구동된다. 모터를 위한 에너지는 태양 에너지나 풍력 에너지를 통해 독립적으로 공급될 수 있다. 유압 에너지는 유압 저장소(38)의 배열로 완충되어, 펌프(36)의 필요 동력이 낮게 유지될 수 있다. 지진 중에, 이 시스템에 사용될 수 있는 다수의 외부 에너지가 이용 가능하며, 이 경우 수평지지장치의 피스톤을 피스톤 펌프(37)와 결합할 수 있다.

기부의 기초부분이 건물지층을 향하여 빠르게 움직일 때, 피스톤 펌프(37)는 저장소(32)로부터 압력저장소(38)로 유체를 보낸다. 그러므로, 제어 밸브(29)가 지진주파수에 따른 진동의 1/2 간격으로 개방될 때, 실린더(40) 및 완충장치(127)로 구성되는 스프링 시스템으로부터 조절판구(30)를 통해 배관 내로 복귀하는 액체질량의 흐름이 발생한다.

도 29는 변동지레(swing lever)(39)에 의한 수평지지를 도시한다. 이런 형태를 사용하여, 기초 벽을 향한 매우 큰 변위 및 거리 변화가 가능하다. 변동지레(39)는 건물에 고정되는 프레임(46)에 접합되고 하나 또는 복수의 실린더(40)에 의해 지층의 건물벽(22)을 향하여 지지한다. 변동지레(39)는 지지하중에 의해 하나 또는 복수의 구체(25)를 구비한 구름기어를 단부에서 지지하고, 구체(25)는 기초벽(20) 상의 평탄 활주로(26)를 따라 가동된다. 구체 대신에, 활주패드(gliding pad)가 적절한 활주물질과 함께 사용될 수 있다. 프레임(46)에는, 도 28의 밸브와 동일한 기능을 가지는, 변동지레(39)에 의해 작동되는 제어밸브(29)가 있다. 유압장치는 도 28의 실시예와 동일하다.

이런 해결책을 위해서는, 3개의 축, 2개의 수평축 및 1개의 수직축에 대해 건물의 0 위치를 유지하기 위해서, 적어도 6개의 장치가 건물을 위해 또한 필요하다. 이런 수평지지장치는 기부 쪽으로 건물의 큰 변위를 허용한다.

유압실린더(40) 및 그것에 연결된 도 28의 실시예와 유사한 유압완충장치로 구성되는 스프링 시스템은 외부 수평풍력이 없을시 하기 방정식에 따른 초기 스프링정수를 가진다.

F₀ = C₀ ·f (22)

여기서, f는 탄성 변형에 의해 이동한 거리다. 큰 탄성 운동이 있는 경우에는, 스프링정수는 폴리트로프(polytropic) 기체 압축으로 인해 일정하지 않다. 지지되는 구조물 쪽으로 기초가 값 ε만큼 변위시, 시스템의 탄력에 의해 발생하는 힘 ΔF₀는 가속력처럼 건물질량에 충돌한다. 풍력의 경우, 시스템의 지지력은 건물이 그 본래 위치로부터 크게 이동하지 않고서 도 28의 실시예에서 설명된 것처럼 풍력과 균형 잡히게 자동적으로 증가한다. 수평지지장치에 의해 풍력 F_w 에 대하여 건물이 정지 상태에 있는 경우 지진에 의한 기부의 운동이 발생하고, 건물 쪽으로 기부가 값 ε로 변위시, 지지 스프링 시스템에서 힘은 다음 방정식에 따라 증가한다.

F_w = C₂ ·f + F_w (23)

삭제

이 함수는 0점으로부터 발생한 함수보다 큰 경사를 가지는데, 기체용적과 배제된 유체용적의 관계가 스프링력과 기체압축이 크게 되는 것에 의해 변화하기 때문이다. 기부의 벽(20)이 값 ε만큼 이동할 때, 수평지지력은 값 ΔF_w만큼 증가하고, 이 힘의 차 ΔF_w만이 가속력처럼 건물질량에 충돌하는데, 이 가속력은 평상시의 힘 ΔF₀을 크게 상회하지 않는다.

도 30은 도 29에 대해 기술된 것과 같은 변동지레에 의한 동일한 수평 지지 시스템을 도시한다. 또한, 이 장치는 변동지레(39)과 프레임(46) 사이에 실린더(40)처럼 위치된 피스톤 펌프(37)를 구비한다. 피스톤 펌프(37)는 도 28에 따라 기술된 장치와 동일한 기능을 가진다.

도 31은 중앙위치조정 및 풍력보정시스템의 원리를 도시하는 것으로, 건물본체(51)는 1층의 하측에서 지진보호모듈(56)에 의해 지지되고, 건물의 일부분에 있어 상측의 건물과 다른 하나 또는 복수의 지층은 전용 지진보호모듈(56u)에 의해 지지된다.

건물부분(22)은 자기-중앙위치조정성 있고 작은 마찰로 지지되고 어떤 풍력도 받지 않기 때문에, 그 부분은 풍력보정장치가 필요하지 않다. 이 부분은 진동 중에도 항상 중앙위치조정되고, 건물 상측부분의 중앙위치조정에 대한 기준위치를 제공한다. 2개의 축을 따라서 그리고 2개의 기준점(60) 사이에서 각각 기계적 또는 무접촉 거리 측정에 의해, 풍력보정장치(27)의 제어에 필요한 값이 결정된다.

4.6 지지되는 대상물의 수직충격격리(Vertical shock isolation of the supported object)

경사를 고려하지 않는 특정 종횡비를 가지는 건물들에 대해, 임의의 특징을 통합하여 수직가속도를 감소시키거나 거의 제거할 수 있다. 이것은 병원, 마이크로칩 제조 같은 민감한 생산 공정을 가지는 산업시설, 또는 화학설비와 핵설비에 매우 바람직하다.

이런 기술을 사용하여 지지되는 건물은 지진 발생시 공간에서 수직 정지상태를 유지한다.

수평으로 진동하는 기부로부터의 가속도에 대한 건물의 관성은 건물의 구조 내에 반작용 전단력(reaction shear force)을 발생시키고, 이 전단력은 지진 발생시 건축재료가 견딜 수 있는 전단력을 초과하는 가능성이 있다. 수평 전단력은 지진 발생시 구조결함을 유발하는 주원인이 된다.

반면에, 수직가속도에 대해서는, 하중(dead load)과 활하중(live load)에 대해 안전율(safty factor) 또는 재료강도와 하중의 곱을 가산하는 건물강도의 설계계산에 의해, 건물은 손상을 받지 않고 견딜 수 있다. 결과적으로, 수직가속도가 지지되는 대상물을 그것의 기초로부터 이탈시키는 1g을 초과하지 않는다면, 수직가속도에 의한 구조물의 위험이 없게 된다.

수직진동감쇠가 실제로 유리하다고 생각되는 경우에는, 지진보호모듈에 부가적인 수직스프링요소를 조합할 수 있다.

도 32는 건물(51)의 스프링 지지체의 예를 개략적으로 도시한다. 건물 지지체(16)는 내장형 높이제어밸브(61)를 구비한 유압실린더(64)로 설계되며, 피스톤 막대(62) 상부에서 건물하중을 지지한다. 연결요소(8)는 실린더(64)의 하부에서 피봇되게 결합된다. 변동지레(63)는 수직으로 가동하는 실린더(64)의 회전을 방지하여, 연결요소(8)가 그 수직축을 중심으로 회전하는 것을 방지하기 위한 것이다.

유체의 유입은 유체공급관(65)을 통해 일어나고, 배관(66)은 스프링 지지체에 있는 유체순환을 완화한다. 실린더 압력실(67)은 도관(68)을 통해 하나 또는 복수의 유압탱크(38)와 연결된다. 유압탱크의 체적은 유압 스프링 스프링정수를 결정한다.

기부의 수직운동에 의해 초래된, 실린더의 행정에 의해 압출되는 실린더 유체의 용적이 유압탱크 내의 용적에 비해 작다면, 유압탱크 내의 압력은 조금만 증가한다.

초기압력에 대한 압력 상승비는, 지반이 수직방향으로 움직이는 동안, 지지되는 질량이 수직가속도를 받는 1g을 기준으로 한 가속의 정도를 나타낸다. 적절한 설계를 통해, 어떤 원하는 가속도 감속도 달성될 수 있다. 특히 점탄성 유체를 사용하면 매우 낮은 스프링정수를 실현할 수 있다.

도 33은 도 32의 예와 동등한 수직 스프링 시스템을 도시하며, 스프링 지지체(69)가 도 21에 따른 지진보호모듈(56)의 상부에 설치되고, 지진보호모듈 내부에는 도 25에 도시된 것과 같은 중앙위치조정 및 내풍 장치(70)가 조합되어 있다.

가상진자에 의한 지주상의 대상물의 지진보호

조명설비나 지주(pole) 또는 기둥(mast) 상부의 간판 같은 대상물은, 지반이 수평방향으로 강하게 진동하는 중에, 공진에 의해 운동의 증폭과 가속도의 증대가 발생하여 휘거나 부서질 수 있다.

수평 및 수직 진동 중에, 기본적으로 기부는 그 본래의 위치에 대하여 평행을 유지하지만, 대상물 또는 지진보호모듈에 대한 기부인 지주 또는 기둥으의 상부는 도 34에 표시되는 것과 같이, 지주의 휨과 높은 기부의 경사로 인한 뒤틀림 때문에 부가적인 운동축을 얻게 된다.

지주의 정부에 의해 지지되는 질량 값은 지주의 진동 특성을 크게 좌우한다. 수평가속도에 의한 질량 반작용력으로부터의 굽힘 모멘트는 정부 질량이 없는 지주의 경우에 작게 되고, 이 경우 지주의 상단의 굽힘 및 경사각은 지주 질량에 의해서만 질량에 의해서만 발생한다면 작게 된다.

지진보호모듈이 기둥 정부 및 지지되는 대상물 사이에 위치된다면, 기둥 정부는 지지되는 대상물의 질량보다 상당히 작은 상기 모듈의 질량력만을 받게 된다. 기둥 단부의 굽힘 각은 감소된다.

경사축 주위의 이런 진동이 지지되는 대상물을 위험하게 하거나 손상시킬 수 있기 때문에, 지지되는 대상물이 지주 경사의 부가적인 변화를 받게 되는 것을 방지하기 위해, 지진보호모듈은 경사변화를 보정하거나 적어도 감소시키는 것이 필요하다.

도 35는 기둥(71) 정부에 있는 지진보호장치의 측면 부분 단면도이다. 장치는 실예로 조명 기구를 지지할 수 있는 빔(72)을 지지한다.

도 35a는 도 35의 횡단면도이며 도 35b는 상부 평면도이다.

기둥은 그 정부에서 4개의 지지 빔(73)을 지지하고, 2개의 빔은 각각 막대(74)를 지지한다. 막대(74)의 4개의 단부 각각에는 현수식 진자(2)가 2축으로 힌지 결합된다. 빔(72)은 2개의 지지 빔(75)을 통해 2개의 연결요소(8)에 힌지 결합된다. 연결요소(8)는 2개의 현수식 진자(2)로부터 2축으로 힌지 결합되어 현수되고, 하단부에서 기둥(71)의 정상부에 2축으로 힌지 결합되는 직립식 진자(7)의 상단부인 제3지지점에 2축으로 힌지 결합된다. 지지요소에 있는 진자(2) 및 진자(7)는, 기둥(71)이 그 정상부에서 수직 상태로부터 벗어나 만곡 경사시, 빔(72)이 그 수평 위치를 유지하는 식으로, 공간에서 배치되고 경사진다. 지지하중을 가진 빔(72)의 진동을 지반운동으로 인한 기둥 진동으로부터의 분리하기 때문에, 정상부에 지지되는 질량이 질량 반작용력처럼 기둥에 충돌하지 않는다. 그러므로 기둥의 동적 부하는 감소한다.

도 36은 도 21과 같은 원리에 따라 가상진자를 채용하는, 지주(71) 정상부에 위치한 조명기구의 지진보호를 도시한다. 지주의 정상부에는 3개의 지지요소(76)가 고리형태로 위치되고, 각각이 정점에서 2축으로 힌지 결합되어 지지요소(11), 즉 공간에서 경사상태로 있는 현수식 진자를 지지한다. 3개의 현수식 진자(11)는 각각의 하단(12)에서 2축으로 힌지 결합된 결합요소(9)를 지지하고, 상기 결합요소는 도 36a에 있어 위에서 볼 때 3점 별모양으로 표시된다. 연결요소(9)는 그 정부에서 범용이음쇠(77)에 의해 지지요소(78)을 지지하고, 지지요소(78)는 3개 이상의 막대(79) 내로 연장되며, 막대(79)는 수 개의 전등(81)를 지지하는 고리(80)에 연결된다. 진자(11)는 도 36b에 도시된 바와 같은 밧줄로 디자인될 수도 있다. 탄성 벨로(bellow) 관을 사용하여 전기배선을 기둥(71)과 전등(81) 사이에 설치할 수 있다.

도 37은 지반의 진동에 중첩하는 진동으로 진동하는 지주(71)로부터 전등지지빔(82)의 진동격리에 관해, 도 21에 관해 설명된 원리에 의한 가상진자를 이용하는 제2의 실시예를 도시한다. 지주(71)는 정부에서 3개의 지지암(support arm)(76)에 접합된다. 지지암 각각의 단부는 2축으로 힌지 결합된 강성 막대(11) 또는 밧줄로 된 3개의 현수식 진자에 연결된다. 현수식 진자의 하단은 2축으로 힌지 결합된 3족 결합요소(9)를 지지하고, 결합요소(9)는 범용이음쇠(77)에 의해 현수식 지지요소(78)을 고정하며, 상기 지지요소(78)는 3개의 전등지지빔(82)에 견고하게 연결된다.

도 38은 도 23에 도시된 것과 같은 원리를 기초한 가상진자를 이용한, 지주 정부의 전등군의 진동 분리된 지지를 예시한다. 지주(71)의 정부에는, 3개 이상의 지지암(76)이 설치되고, 각 지지암은 그 상단에서 현수식 진자와 접속되고, 현수식 진자는 양단에서 범용이음쇠를 가진 밧줄(83) 또는 봉(2)이 있어 하단에서 연결요소(8)를 지지하고, 연결요소(8)는 진자의 수에 대응하는 지지봉(73)을 가진다. 결합요소(8)의 중심(13)에는 수직 지지막대(14)가 범용이음쇠 내로 지지된다. 지지막대(14)의 하단은 축방향으로 가동되고 지주(71)의 정부에서 방사상으로 및 2축으로 지지된다. 수직 지지막대(14)의 정부에서, 범용이음쇠에 의해 전등지지요소(82)가 지지되고, 상기 지지요소는 복수의 지지봉(79)과 함께 전등(81)을 지지한다.

도 39는 도 38의 실시예에서와 동일한 원리의 적용의 변형을 도시하는 것으로, 여기서 지지암(76)은 현수식 진자의 배치 내에 위치된다. 현수식 진자는 양단에 있어서 2축으로 가동되고, 2축 지지체를 구비한 밧줄(83) 또는 강성 막대(2)로서 고리(80)를 지지하고, 상기 고리는 스포크(spoke)(73)를 통해 그 중심에서 허브(84)를 고정한다. 허브(84)는 범용이음쇠(77)를 통해 수직지지요소(14)를 지지한다. 그 외의 설계는 도 38의 실시예와 상응한다.

가상진자에 의한 현수 대상물의 지진 보호

천장으로부터 현수된 대상물, 예컨대, 전등 또는 광고간판 및 표시기는 또한 건물이 진동될 때 흔들리기 시작한다. 현수 대상물 자체는 보통 치수를 가지고 공진할 수 있는 진자를 나타낸다. 진동 진폭은 매우 커질 수 있으며 대상물이 천장에 부딪힐 수 있어 손상을 입거나 파손되고 때때로 떨어진다. 현수된 대상물은 회로 단락 때문에 화염을 일으킬 수 있는 위험이 존재한다. 홀 및 강당 등에 있는 무거운 샹들리에 같은, 무거운 현수 대상물이 떨어진다면 또한 사람들에게 위협이 될 수 있다.

현수된 대상물을 안전하게 하기 위해, 가상진자로부터 이들을 현수시키는 것이 가능하다.

도 40은 도 21에 도시된 것과 같은 원리에 따라 가상진자로부터의 조명기구의 현수를 도시한다. 천장에는 3개의 케이블이 각각 정삼각형의 정점이 되는 위치에 부착되어 공통중심에 동일 각도로 이들의 공통 중심까지 동일 각도로 하향한다. 하단부는 피라미드(85)의 등변 저면 삼각형의 정점에 부착된다. 피라미드의 정점에는, 봉(86)이 2개의 연쇄 고리에 의해 2축으로 힌지 결합되어 전등의 지지체로서 작용한다.

도 41은 도 40에 따른 실시예와 상응하는, 길이가 긴 가상진자로부터 현수된 전등을 도시한다. 여기서 연결요소(9)는 3각 피라미드의 모서리를 나타내는 3개의 지지암(76)으로 구성된다.

도 42에서, 전등(87)은 도 11에 따른 2개의 가상진자로부터 일렬로 현수된다. 2축 봉(2), 또는 밧줄 또는 사슬(83)로서 현수식 안정진자는 천장에 연결된다. 상기 진자는 그 하단에서 2축으로 가동하는 연결요소(8)의 일단부를 지지한다. 봉, 밧줄 또는 사슬로 된 4개의 요소로 구성되는 지지구조물(5)은 2축으로 가동되게 천장에 연결되며, 4개의 지지요소는 도립 피라미드의 모서리다. 그 정부에 있어서, 불안정한 직립식 진자(7)의 2축 지지체점이 되는 지지점(88)을 형성하고, 상기 진자(7)는 그 상단에서 연결요소(8)의 타단부와 2축으로 힌지 결합된다. 연결요소(8)로부터는 단축으로 힌지 결합되는 지지봉(89)이 현수되고, 이 지지봉은 전등(87)을 수직방향에 탄성적으로 유지한다.

가상진자를 통한 진동 감소

높은 건물, 긴 탑, 높은 기둥 및 굴뚝은 지진 및 강한 바람에 의해 자극되어 위험한 결과를 미칠 수 있는 측방향 진동을 일으킨다. 변형에 의해 유발되는 교번 굽힘 하중(alternating bending load)를 감소시키고 재료의 피로를 방지하기 위해, 매우 효과적인 진동 감쇠기가 사용되어 진폭을 감소시킬 수 있다. 이런 목적을 위해, 부수적인 질량이 구조물의 정부에 배치되며, 세장형 굴뚝 또는 지주의 경우에는 최대 진폭이 발생하는 부위에 철사로서 고정된다. 이 부가적인 질량은 진동가능하고, 스프링 지지요소 및 감쇠장치에 의해 구조물에 연결되거나 진동 감쇠기의 이동질량의 반작용력에 의해 구조물의 운동을 방해하는 능동형 시스템에 의해 이동한다. 이런 질량의 지지를 위해 가상진자의 적용이 가장 유리하다. 가상진자는 지지되는 진동감쇠기 질량의 임의의 고유주파수에 관해서 치수화 변수의 관계를 자유롭게 선택하는 것에 의해 용이하게 설계 가능하다. 능동형 진동감소시스템에 관해서 가상진자를 적용하는 것은 질량지지점의 마찰이 매우 작고 시스템 고유주파수의 자유선택이 가능하다는 점 때문에 매우 유리하다.

도 43은 탑에 있는 수동형 진동 감쇠기를 도시한다. 도 11에 도시된 원리에 따른 3개의 가상진자(P_v)는 감쇠기 질량(90)을 지지한다. 스프링 감쇠장치(91)는 건물 질량에 대항하여 수평으로 감쇠장치 질량을 지지한다.

도 44에서, 능동형 진동감소시스템은 도 11에 도시된 원리에 따른 3개의 가상진자에 의해 지지되는 감쇠기 질량(90) 및 도 9에 도시된 원리에 따른 3개의 가상진자에 의해 지지되는 기준 질량(92)으로 구성된다. 이런 기준 질량(92)을 위한 가상진자는 극소의 마찰, 극소의 이력현상 및 매우 긴 고유주기를 가지도록 설계된다. 구조물의 위치에 대해서 기준 질량(92)의 위치를 결정하는 센서(93)는 구조물의 모든 수평운동으로부터 분리되고, 작동기(94)를 통한 감쇠기 질량(90)의 운동에 관해서 제어장치로부터 입력제어 변수를 제공받는다.

도 45는 도 13에 도시된 것과 같은 원리에 따라 수동형 또는 능동형 시스템에 사용될 수 있는, 3개의 가상진자(P_v)를 통해 감쇠기 질량(90)을 지지하는 진동감소시스템을 도시한다. 이런 실시예의 인장하중 지지요소(tension load support element)는 밧줄(83)로서 설계될 수 있다.

도 46은 도 21에 도시된 것과 같은 원리에 따른 3개의 가상진자(P_v)에 의한 능동형 시스템을 위한 감쇠기 질량(90) 또는 기준 질량(92)의 지지를 도시한다. 이런 실시예의 안정한 현수식 진자(11)는 밧줄로 설계된다.

도 47에서, 관형 기둥을 위한 진동감소시스템을 위해, 감쇠기 질량(90)은 기둥 둘레의 고리로 설계되고, 도 11에 도시된 것과 같은 원리에 따라 3개의 가상진자(P_v)에 의해 지지된다. 안정한 현수식 진자(2)는 연결요소(8)에 직접 연결되지는 않지만, 진자로 작용하지 않는 연장부(95)를 통해 연결되며 중계 지레(96)는 높은 수준으로 이동된다. 이에 의해 필요한 반경방향 공간이 작아져서 풍저항이 감소된다. 벽판(paneling)(97)은 풍력이 진동 감쇠기의 작용에 중첩하는 것을 방지한다.

도 48에서, 격자 기둥용 수동형 진동감소시스템에 관해, 진동 감쇠기 질량은 풍저항을 감소시키기 위해 기둥 둘레로 평탄한 고리로서 설계된다. 감쇠기 질량(90)은 도 11에 도시된 것과 같은 원리에 따라 3개의 가상진자(P_v)에 의해 지지된다. 본래 위치로의 복귀는 가상진자(P_v)의 자기 중앙위치조정력과 불안정한 직립식 진자(7)의 하부 접합부에서 스프링(98)을 통해 달성된다. 감쇠는 마찰 원반(99)에 의해 달성된다. 안정한 현수식 진자(2)는 밧줄로 설계된다. 풍력에 의해 손상받지 않도록, 감소시스템 구조물은 공기역학적으로 효과적인 벽판(97)에 의해 덮어진다.

토양 액화 위협의 대폭 저하

지진 시에 지반이 진동할 때, 건물 질량의 변화 모멘트에 의해 기초하중이 증가하고, 그 결과 어떤 종류의 지반에 있어서는 지반의 연약화 및 지반의 내하중력의 감소가 일어난다. 건물이 지반으로 가라앉을 수 있다.

가상진자에 의해 지지되는 건물이 지반의 수평진동으로부터 격리되기 때문에, 경사 모멘트에 의해 유발된 반작용력이 발생하지 않아서 액화에 이르는 결과를 회피할 수 있다.

진동하는 건물의 질량 반작용력은 특정 지반에서 액화를 초래하여 치명적인 결과를 가진다. 지반은 고점도의 액체가 되어 건물이 기울고 지반으로 가라않는다. 건물의 질량이 건물에 의해 변위되는 지반의 질량보다 작다면, 건물은 솟아올라 액화된 지반의 상부에서 부유한다. 가상진자를 기초한 지진보호모듈은 3/1000까지 건물의 반작용력을 감소시킨다. 경우에 따라서는, 액화가 전적으로 회피된다.

지반의 수평진동 중에, 건물의 가속 질량의 기울기 모멘트는 기초상의 정하중에 가산되어, 지반 진동주파수와 방향이 변하는 동적 증대 하중이 된다.

건물질량의 가속도에 의해 발생하는, 기초의 유발된 기초의 모서리 상의 교번하는 부가 하중은 다음 식으로 표현된다.

L_a = m·a·(h_m/W) (24)

m : 건물의 질량

a : 건물의 중력 중심에서 가속도

h_m : 경사 모서리 상부의 건물의 중력 중심의 높이

W : 기부진동 쪽으로 경사 모서리의 최대 거리

교번하는 지반압력은 습윤 지반에서 지중의 수분에 대해 펌프 작용을 일으킨다. 이 현상에 의해, 모래와 암석 같은 지반 구성요소 간에 접착마찰은 상기 구성요소가 서로 파동 부유하는 상태가 되어 감소되고, 그 결과 지반은 점착성 유체가 되고 걸쭉하게 액화된다.

건물은 지반에 침하될 수 있고, 힘이 대칭적으로 발생하지 않는 경우에는 또한 지반을 향해 기울어질 수 있다.

건물이 본 발명에 다른 장치에 의해 지지된다면, 질량이 어떤 의미 있는 가속도도 받지 않기 때문에, 지지되는 질량에 관한 상기 반작용은 발생하지 않는다. 정하중에 경사 모멘트로 인한 상기 동적 하중이 중첩되지 않는다. 액화의 위협은 크게 감소된다.

도 49에서는, 매우 연약하고 습윤한 지반에서 액화의 위험을 더 감소시키기 위해, 가상진자(P_v) 하부에는 지진보호모듈을 위한 기부로서 부가적으로 설치된 지진보호 기초가 존재한다. 기초는 변위된 지반의 질량이 전체 건물의 질량과 동일한 치수를 가지는 방식으로 강성 및 경량의 구조체로서 설계된다.

지반 조밀파가 기초에 제공하는 역학적 힘의 충격을 감소시키기 위해서, 지진보호 기초(100)의 하측은 가장자리 쪽으로 곡률이 증가하게 만곡된다.

도 50에서, 습윤하고 유연한 침전물 아래에 단단한 지반이나 암석이 있는 경우, 부가 기초 말뚝(103)이 도 49에 도시된 것과 같은 지진보호 기초로 사용될 수 있다.

기부와 지지되는 대상물 사이의 건물밀봉

도 51에서, 지반에 매입되고 지진 중에 진동하는 지층의 벽과 가상진자 지진보호모듈에 의해 지지되고 정지 상태를 계속 유지하는 건물 구조물(51) 사이에는 바람, 먼지, 습기 및 해충에 의해 침투되지 않는 움직임을 위해 제공된 간극(113)이 존재한다. 간극의 일측에는, 바람직하게는 상측에는 철사 브러시(101) 조각(strip)이 부착되고, 그 사이에는 진동격리울(stuffed isolation wool)(104)이 있다. 간극의 타측에는 모서리가 경사진 활주프레임(gliding frame)(102)이 장착된다.

도 52에서, 수직 가속도의 보정을 위해, 지진보호모듈에 부가적인 수직 스프링 및 감쇠장치를 설치하는 경우, 상기 간극에도 수직 스프링을 설치하는 것이 필요하다.

격리된 건물 구조물(51) 또는 부가적 활주 보호판(105)에 대해서, 스프링 요소(107) 예컨대, 코일 스프링 또는 판 스프링에 의해서 압축된 U자형 밀봉 프레임(106)이 압축된다. 프레임(106)은 지층의 벽(22)에 고정되는 U자형 프레임(108)에 의해 수직으로 안내된다. 스프링에 의해 압축된 밀봉조각(seal strip)(109)은 프레임(106)에 대해 프레임(108)을 밀봉한다. 또한 스프링에 의해 압축되는 밀봉조각(109) 및 밀봉팩(110)은 기부 격리된 건물 또는 활주 보호판(105)에 대해 프레임(106)을 밀봉한다.

개선된 접촉을 통한 감소된 화재 위험

도 53에서, 건물질량이 지진 중에 앞뒤로 가속되기 때문에, 질량 반작용력은 지층의 벽(22)의 수직면을 통해 건물 주변의 지반에 압력을 가한다. 지반은 압축되거나 또는 이완된다. 응력은 지중의 가스, 물 및 전기 본선(111)과 건물 내의 배관과 배선 사이에서 일어나서 이들을 파열시킬 수 있다.

가스관 및 전기배선의 손상은 단락에 의해 화재를 유발시킬 수 있다. 어떤 가속도 반작용력도 건물질량에 의해 발생하지 않고 지층의 상당히 작은 질량에 의해서만 발생하기 때문에, 지반의 압축과 본선에 대한 응력이 감소되어 화재 위험이 줄어든다. 파손 가능성은 매우 감소한다.

건물 내에서, 지중의 본관 및 배관 전선을 가요성으로 연결하는 U자형 루프(112) 설계는 기부 격리된 건물 구조물(51)에 대한 진동하는 기부의 상대 운동이 어떤 손상도 일으키지 않도록 하는 가동성을 제공한다.

건물 아래의 개방에 대한 내성

단층선(fault line)이 건물 바로 아래에서 반대방향으로 이동하거나 지반이 바로 아래에서 열개(open)하는 경우에서조차도, 장치에 있어서 상호 독립적인 운동 기능과 기부에 있어서 변화하는 지점간 거리(span)를 균등화하는 기능에 의해, 건물은 존속할 가능성이 크다.

장치는 여전히 지지되는 구조물에 대해 위한 안정성을 제공할 것이다.

도 54에서, 견고하게 부착된 구조물(51)을 지지하는 지지요소들 간의 피치(pitch)(t)는 변하지 않는다. 기초(20) 상의 지진보호모듈들(56) 사이의 피치는 동일하다.

지진조밀파로 인해 지진보호모듈들(56) 사이에서 지반의 개열(opening)이 발생한다면, 보호모듈(56) 간의 거리는 간극(S_p)의 폭에 의해 넓혀진다. 지진보호모듈은 가상진자로서 있기 때문에, 상기 모듈은 가상 현수점 아래 있는 진자의 진폭 중심에 하중지지 지지점을 집중시킨다.

2개의 가상진자의 2개의 가상 현수점들의 거리가 넓어지면, 견고하게 연결된 하중지지 지지점들은 본래의 중앙위치로부터의 변위가 2개의 가상진자 사이의 간격과 동일하게 되어 균등화되는 위치를 취한다.

폭발의 충격 감소

부가적으로, 가장 강력한 폭풍의 동압하중을 초과하는 강한 공기압 하중을 가지는 폭발이 건물 근처에 발생하는 경우, 본 발명의 지지구성을 구비한 건물 또는 대상물은 임의의 방향으로 변위 가능해서 공기하중 모멘트를 감소시킨다.

풍저항 시스템은 풍력 변화율에 상응하는 변수제어 반응성에 의해 풍력에 자동으로 반응한다.

폭발에 의한 공기압 하중의 증가는 극도로 짧은 시간에 일어나서, 자동제어에 의해 풍력보정을 위한 저항력이 그 시간 내에 현저히 증가하지 않는다. 그러므로, 공기 압력파에 의해 갑작스런 충격을 받게되면, 건물은 작은 반작용력으로 후퇴하여 순간충격이 큰 폭으로 감소된다.

도 1은, 본 발명에 따라서, 지진으로부터 보호되어야 하는 건물 또는 임의의 대상물이 소위 지진보호모듈인 하중지지장치에 의해 지지되고 있는 상태를 도시한다. 지진보호모듈은 하나의 공통 기초 또는 각각의 모듈을 위한 개별적인 기초에 의해 지반에 견고하게 연결된다.

지진보호모듈(56)은 건물 구조물을 지지하며 그 지지점에서 건물이 매우 긴 진자로부터 현수되는 것과 같이 움직이는 것을 가능하게 한다. 상기한 바와 같이, 현수 대상물은 지진지반운동의 가속도에 비해서 최소의 가속도만을 받게 된다.

필요한 높이가 작지만, 지진보호모듈은 긴 가상길이(l_v) 및 긴 주기를 가지는 가상진자(P_v)로서 작용한다. 이 지지장치는 어떠한 소망 또는 필요한 지구운동 진폭에 대해서도 설계될 수 있어, 극심한 수평기부운동도 지지되는 대상물에 전달되지 않는다.

모듈의 적절한 설계 및 치수화를 통해, 지진보호모듈에 의해 지지되는 건물의 고유진동수는 지진에서 일반적으로 발생하는 지반진동의 주 진동수보다 매우 낮게 실현될 수 있다.

도 55는 도 21의 설계에 따라, 건물의 지층에 지진보호모듈(56)의 설치를 도시한다. 3개의 지지요소(11)는 각각의 상부에서 2축 구형 지지체(15) 또는 대체적인 범용이음쇠나 볼 이음쇠를 가져서, 상단에서 지지구조물(5)에 연결되고 하단에서 연결요소(9)에 연결되며, 상기 연결요소는 이들 3개의 지지요소에 의해 현수된다. 상단부에서, 연결요소(9)는 그 상단에서 연결구체(17)를 통해 건물 지지체(16)와 결합되고, 건물 지지체는 지지되는 구조물(1)에 접속된다. 탄성중합 물질 또는 금속으로 된 가요성 벨로(18)는 연결구체 지지체를 기밀하게 밀봉시킨다. 미끄럼 밀봉(19)은 기부(6)에 대해 상대적으로 이동할 수 있는 지지되는 구조물과 기부(6)의 지층 벽 사이의 간극을 밀봉시킨다.

도 56은 건물의 지층에 설치된, 도 12의 도해에 따른 지진보호모듈(56)을 도시한다. 도 32의 도해에 따라 수직진동 격리가 건물지지요소(16)로 통합된다. 이런 해결책은 공간을 절약하는 장점을 지닌다. 기부 및 격리되는 건물 사이의 운동 간극 밀봉(114)은 도 52의 도해에 따라 설계된다.
도 57은 도 21에서의 모듈과 유사한 지진보호모듈(56)을 나타낸다. 여기서는 도 25에 따른 중앙위치조정 및 풍력보정장치(57)가 통합된다. 이 해법은 공간을 절약하는데 유리하다. 대상물을 지지하고 그것을 정확하게 중앙위치조정되게 유지시키고 풍력에 대항하여 반작용력을 발생시키는 기능이 하나의 모듈에 통합된다.

도 58은 지지기능과 중앙위치조정 기능의 조합이 상기 예와 다른 지진보호모듈(56)을 도시한다. 중앙위치조정 기능은 탄성중합체 스프링 블록(48)에 의해 구현된다.

도 59는 도 12의 도해에 따른 지진보호모듈 설계를 도시하며, 지상에 설치된 고층건축물을 위한 중하중 구조물을 지지하는 경우가 도시된다. 현수되는 안정진자(2)는 그 양단 구형 지지축 또는 범용이음쇠를 가진다. 진자(2)는 그 상단에서 지지구조물(5)로부터 현수된다. 진자(2)는 그 하단부에서 연결요소인 대들보(girder)에 연결된다. 연결요소(8)의 타단은 연결구체 지지체(17) 또는 대체적인 범용이음쇠 또는 구형 지지체를 통해 연결된 불안정한 직립식 진자(7) 상에 위치된다. 직립식 진자(7)는 그 하단에서 그 상단과 동일한 지지축(17)을 통해 기초(20)에 연결된다. 대들보(8)는 단축 지지체를 통해 건물 구조물(1)을 지지하는 건물 지지체(16)와 연결된다.

건물의 1층 및 지층(22)은 건물 구조물(1)의 일부이다. 지층(22)과 기초(20) 사이의 간극(23)은 1층 바닥에 의해 덮어지고 미끄럼 밀봉(19)을 통해 기초에 대해 밀봉된다. 물, 에너지, 통신을 위한 유용 접속부(21)는, 건물에 대한 기부의 움직임이 상기 접속부를 손상시키지 않게 하기 위해서, 기초(20)와 지층(22) 사이에서 U자형으로 유연하게 현수되도록 배치된다.

도 60은 도 59에 도시된 지진보호모듈(56)에 의해 지지되는 고층건물의 수직 부분 단면을 도시하며, 상기 모듈은 건물의 가장자리에 배치된다. 지층(22)의 평면(54)에는, 도 28에 따른 상응하는 유압장치를 구비하고 있는 도 29 또는 도 30에 따른 종류의 수평지지장치(24)가 배치되어 건물과 접속하고 있다.

도 61은 지층(22) 및 기초(20)를 통한 도 60의 평면(54)에 있는 수평방향 단면을 도시하고, 지층 주위의 골조는 지진보호모듈의 지지체로서 기능한다. 임의의 방향으로 가동하는 지층(22)의 각 단에는, 풍력에 대해 수평으로 보정을 행하고, 기초에 대해서 건물을 정확히 중앙에 위치 조정하기 위해서 2개의 장치(24)가 고정되어 있다. 수평지지장치는 도 30에 도시된 것과 같은 설계에 상응한다. 건물을 향한 풍력이 증가하면, 건물은 도 61에 도시된 위치와 동일한 위치에서 여전히 유지된다. 수평지지장치는 임의의 탄력작용에 즉각 반응하고 스프링 요소에 있는 억제력을 증가시켜 풍력과 균형을 이루게 한다. 정확한 중앙위치에서, 외부 풍력이 없는 상태에서도 벽 사이에 최소 간극이 존재한다. 모든 스프링 실린더들은 유압제어되는 정지부까지 완전히 신장된다.

도 62에서, 지진에 의해 기부운동이 화살표(58)의 방향으로 기부의 운동이 발생한다고 가정하면, 수평지지장치(24)는 건물이 기초벽에 가까워지는 측에서 자신의 스프링력에 대항하게 압축된다. 건물의 반대측에서는, 상기 수평지지장치는 벽으로부터 이격된다.

도 63에서, 기부가 건물의 어떤 가장자리에도 평행하지 않은 방향(58)으로 움직인다면, 수평지지장치는 건물의 두 측면에 있어 자신의 스프링력에 대항하여 압축되고, 반대측의 두 측면에 있어 벽으로부터 이격된다.

도 64는 가상진자의 원리에 따른 지진보호모듈(56)이 지상에서 보이기 위해서, 상기 모듈에 의해 지지되는 고층건물의 부분적 외관을 도시한다. 도 12에 도시된 것과 같은 도해에 따른 가상진자는 서로 대칭 쌍이 되게 위치된다. 현수식 안정진자(2)는 공차를 보정하기 위해서 지주(116)에 의해 단축 지지축에서 지지되는 균형 대들보(115)에 의해 쌍으로 지지된다. 지진보호모듈의 구조는 현존 철골 구조물의 개장을 위해 적합하다는 것을 나타낸다. 현존 지주에 있는 구역 G는 가상진자의 요소들로 교체된다.

삭제

도 64a 및 64b는 도 64의 수직 횡단면도를 나타내고 지반과, 운동 간극 및 운동 간극 밀봉(114)에 대한 건물의 경계면을 도시한다. 하나는 건물 외측에 위치된 지진보호모듈을 도시하며, 나머지는 건물 외관 내에 위치된 지진 보호 모듈을 도시한다.

도 65는 도 21에 도시된 것과 같은 원리에 따른 지진보호모듈로서 가상진자를 도시한다. 기부(6) 내로 콘크리트 고정되는 외피(117) 내에, 미리 조립된 모듈이 배치되고, 플랜지(flange) 연결을 통해 고정된다. 지지요소(89)는 플랜지 연결을 통해 지지되는 대상물에 연결된다. 안정지지요소인 현수식 진자(11)는 밧줄로서 설계된다. 지지요소(14)는 중앙위치조정되고, 스프링(118)에 의해 풍력에 대항하여 지지되며, 스프링(119)에 의해 아래로 인장되어 음의 수직가속도를 보정한다. 지지요소(89)는 2축 연결구체(17)에 의해 지지요소(14) 상에 지지되며, 텔레스코픽(telescopic) 안내(120) 및 역학적 스프링(126), 또는 대체적인 공기압 스프링을 통해 지지되는 대상물의 하중을 지지한다.

도 66은 지주 대(platform)(121)의 수평운동으로부터의 고가도로 대(122)의 진동 격리를 도시한다. 이 구성에 의해, 수평으로 가속되는 경우, 지주는 도로 대의 질량에 의해 반작용력을 받지 않고, 본질적으로 자신의 질량과 일부 모듈질량에 의한 반작용력만을 받기 때문에, 지주에 걸리는 좌굴(buckle) 하중이 감소한다. 가상진자의 설계는 도 13에 도시된 바와 같은 설계에 따른다. 도로 대의 지지점이 고정 지지축이라면, 연결요소는 수평스프링요소(126)에 의해 그 중앙위치에 유지된다. 스프링력보다 큰 힘이 걸리는 경우에만, 도로 대(122) 및 지주 대(121) 사이의 상대적 자유운동이 가능하다.

도 67은 고가도로용 지주를 그 기부에서 진동격리하는 예를 나타낸다. 가상진자는 도 9에 도시된 것과 같은 원리에 기초한다. 여기서, 도로 대의 지주는 교량부유 지지축에 상당한다. 현수식 진자인 안정지지요소(2)는 2개의 수직 인장봉(123) 및 2개의 횡 대들보(124)로 구성된다.

도 68은 도 21에 도시된 것과 같은 설계에 따른 지진보호모듈에 의해 지지되는 격자형 기둥을 도시하고, 상기 모듈은 내풍장치를 구비한다.

도 69는 도 9의 도해에 따른, 안정 및 불안정 진자(2,7)에 의한 수송관로의 지지를 도시한다. 연결요소(8)는 자체가 도관을 위한 지지체로 설계된다. 도관이 수평으로 설치되는 경우, 도관 단면의 중심은 도관이 마치 긴 진자의 단부에 있는 것처럼 곡선을 그린다. 그러므로 도관은 가상진자로부터 현수된다. 직립식 진자(7)는 스프링(47)에 의해 소정 위치에 유지된다. 진자(7)의 특정 경사 모멘트만이 스프링(47)을 압축하고 지지시스템을 운동시킬 수 있다. 경사 모멘트는 지진가속도의 값에 상응하는 수평가속도에 의해 발생하는 질량 반작용력만이 이런 운동을 유발할 수 있도록 결정된다.

도 70은 가상진자에 의해 지지되는, 화학시설과 정제소에서 사용되는 수송관로 교량을 나타낸다. 하중지지체(89)는 안정지지요소인 현수식 진자(2)와 불안정 지지요소인 직립식 진자(7)에 의해 지지되는 연결요소(8)에 의해 지지된다.

Claims (29)

1. 대상물(1)을 지지하는 지지점(P)을 가지며 기부(6)에 대향하여 가동되게 배열된 연결요소(8,9)를 제공하여, 기부(6)의 가속에 기인하는 동적 힘으로부터 건물 같은 대상물(1)을 보호하는 방법에 있어서,

   대상물(1)의 상승시키는 안정지지요소(2,11) 및 대상물(1)을 하강시키는 불안정지지요소(7,14)를 제공하는 단계로서, 지지요소들(2,7,11,14)이 기부연결지지점들(10)에 의해 기부(6)에 피봇되게 배열되고 연결요소(8,9)와 가동되게 연결되는 단계; 및

   연결요소(8,9)에 의해 안정지지요소(2,11)의 상승과 불안정지지요소(7,14)의 하강을 중첩시키는 단계로서, 기부(6)의 수평 가속에 의해 유발된 대상물(1)의 관성질량의 위치에 대하여 지지요소들(2,7,11,14)의 기부연결지지점들(10)을 변위시켜 그 결과 연결요소(8,9)의 지지점(P)을 중립위치로부터 소폭 상승시키고 중립위치 쪽으로 소규모 안정화 복원력(F_R)을 발생시켜서 장주기의 고유진동으로 대상물(1)이 소폭 가속되는 단계;

   를 특징으로 하는 대상물 보호 방법 (도 9,12,13,16,17,21,22,23,24).
2. 기부(6)의 진동에 대항하여 건물 같은 대상물(1)을 보호하기 위한 제1항에 따른 방법을 수행하는 장치에 있어서,

   진동하는 기부(6) 쪽에 정적하중지지점(P)을 가지는 대상물(1)의 진동-분리 지지에 관해서, 대상물(1)은 연결요소(8,9) 또는 불안정지지요소(14) 상의 지지점(P)에 의해 지지되고, 연결요소(8,9) 및 불안정지지요소(14)는 지지요소들(2,7,11)에 의해 진동하는 기부(6) 쪽으로 지지되고 연결되며, 지지요소들(2,7,11)은 임의의 방향으로 회전할 수 있고 연결요소(8,9) 또는 불안정지지요소(14)에 의해 함께 연결되며, 지지요소들(2,7,11,14)의 초기 정지상태에서 치수설정 및 위치설정이, 기부(6)의 수평 가속에 비해 대상물(1)의 가속을 최소화하도록 장주기를 갖는 2축으로 현수된 진자의 자유단이 그리는 오목구면 궤적에서의 이동경로에 상당하는 임의의 측방향으로 대상물(1)의 지지점(P)이 자유롭게 움직일 수 있도록 선택되어, 임의의 방향으로 진동 가능한 가상진자를 구현하는 것을 특징으로 하는 장치 (도 9,12,13,16,17,21,22,23,24).
3. 제2항에 있어서, 진동하는 기부(6)의 수평진폭 중에, 연결요소(8,9)는 지지요소들(2,7,11,14)에 연결되는 일측에서 상승되고 대향측에서 하강되며, 대상물(1)을 지지하는 연결요소(8,9,14) 상의 지지점(P)은 최소 상승으로 변위되고 평탄곡선 오목궤적을 그리면서 움직이는 것을 특징으로 하는 장치 (도 9,12,13,16,17,21).
4. 제2항 또는 제3항에 있어서, 두 개의 지지요소들(2,7)이 하나의 연결 요소(8,8b)에 2축으로 피봇되게 연결되며, 여기서 상기 지지요소들(2,7) 중 하나(2)는 기부(6)에 견고하게 연결된 지지점(10)에 상단부가 2축으로 피봇되게 연결되는 현수식 안정진자로서 실현되고, 상기 지지요소들(2,7) 중 다른 하나(7)는 기부(6)에 하단부가 2축으로 피봇되게 연결되는 직립식 불안정진자로서 실현되며, 연결요소(8,8b)는 대상물(1)에 대하여 수평축을 형성하는 2개의 지지축을 통해 대상물(1)에 연결되어 연결요소(8)가 그것의 수직축에 대하여 회전하지 않은 것을 특징으로 하는 장치 (도 9,12,13,16,17).
5. 제4항에 있어서, 연결요소(8)는 수직 연결요소(8a)를 통해 추가 연결요소(8b)와 단축으로 피봇되게 연결되고, 추가 연결요소(8b)는 일단부에서 하중지지체(W_L)에 단축으로 피봇되게 지지되며 타단부에서 불안정지지요소(7) 상에 2축으로 피봇되게 현수되는 것을 특징으로 하는 장치 (도 13∼17).
6. 제2항 또는 제3항에 있어서, 3개의 지지요소들(11)이 연결요소(9)의 둘레를 따라 3개의 지점들(12)에서 2축으로 피봇되게 연결되고, 각각의 지지요소(11)는 정지상태에서 연결요소(9)의 중심으로부터 상향 외측으로 경사지게 위치되며, 기부(6)에서 2축으로 피봇되게 현수되는 것을 특징으로 하는 장치 (도 18,19).
7. 제6항에 있어서, 대상물(1)을 지지하는 지지점(P)이 지지요소들(11)에 관한 연결요소(9) 상의 지점들(12)에 의해 형성된 평면상에 위치되는 것을 특징으로 하는 장치 (도 19,20,21).
8. 제2항에 있어서, 연결요소(8)는 2개 이상의 평행 안정지지요소들(2)의 하단부에서 평행 안정지지요소들(2)과 2축으로 피봇되게 연결되고, 평행 안정지지요소들(2)은 그것들의 상단부에서 상기 지지점들(10)과 2축으로 피봇되게 연결되며, 연결요소(8)는 그것의 중앙에 위치한 단축 지지축(59)으로 불안정지지요소(14)를 지지하고, 불안정지지요소(14)의 피봇 운동은 연결요소(8)와 평형 안정지지요소들(2)을 연결하는 상기 지지점들(10)의 방향으로 향하며, 불안정지지요소(14)는 연결요소(8)의 지지축(59)의 하부에서 지지축(43)에 피봇되게 연결되고, 연결요소(8)의 지지축(59)의 상부에서 피봇되게 연결되는 지지점(P)에서 대상물(1)을 지지하는 것을 특징으로 하는 장치 (도 22,23,24).
9. 제2항 또는 제8항에 있어서, 연결요소(8)는 수 개의 대칭으로 위치된 평행 안정지지요소들(2)에 의해 지지되고, 불안정지지요소(14)는 연결요소(8)에 연결되어 2축으로 피봇되는 것을 특징으로 하는 장치 (도 22,23,24).
10. 제2항 또는 제3항에 있어서, 지지되는 대상물(1)에 가해지는 풍하중을 보정하기 위해서, 횡방향 힘을 억제하는 축(42)이 지지되는 대상물(1) 아래로 기부(6)와 대상물(1) 사이에 배치되고, 여기서 축(42)의 일단부는 선하중을 받은 인장스프링(41)의 일단부와 고정되게 연결되고, 인장스프링(41)의 타단부는 기부(6) 또는 대상물(1)에 고정되게 연결되며, 축(42)의 타단부는 대상물(1) 또는 기부(6)에 연결된 2축으로 가동하는 구형 지지축(43) 내로 축방향으로 가동되게 연결되어, 그 결과 대상물(1)과 기부(6)의 위치가 서로에 대해 고정되고, 대상물(1)과 기부(6)의 상대 변위가 선하중을 받은 인장스프링(41)의 인장력을 초과하는 횡방향 힘이 축(42)에 가해질 때에만 발생하는 것을 특징으로 하는 장치 (도 25).
11. 제2항 또는 제3항에 있어서, 지지되는 대상물(1)에 가해지는 풍하중을 보정하기 위해서, 횡방향 힘을 억제하는 축이 지지되는 대상물(1) 아래로 기부(6)와 대상물(1) 사이에 배치되고, 여기서 축의 일단부는 기부(6) 또는 대상물(1)에 고정되게 연결된 탄성중합체 스프링블록(48)에 고정되게 연결되며, 축의 타단부는 대상물(1) 또는 기부(6)에 연결된 2축으로 가동하는 구형 지지축(43) 내로 축방향으로 가동되게 연결되어, 대상물(1)과 기부(6)의 위치가 서로에 대하여 탄성적으로 고정되는 것을 특징으로 하는 장치 (도 26).
12. 제2항 또는 제3항에 있어서, 지지되는 대상물(1)에 가해지는 풍하중을 보정하기 위해서, 하나 이상의 풍하중 보정장치(50)가 지지되는 대상물(1) 아래에 설치되고, 여기서 풍하중 보정장치(50)는 임의의 방향으로 회전가능한 수직으로 안내되는 구체(44)를 포함하고, 구체(44)는 기부(6)와 고정되게 연결된 중공추(45)의 중심으로 역학적 스프링 또는 유체 스프링(47)의 소정의 힘에 의해 하향 압축되고, 중공추(45)는 중공추의 중심으로부터 거리가 증가함에 따라 180°까지 증가하는 소정의 개구각과 중공추의 중심으로부터 거리가 증가함에 따라 감소하는 경사를 가져서 상기 개구각과 스프링력에 의해 결정되는 한계치까지 수평력을 전달할 수 있는 고정결합을 대상물(1)과 기부(6) 사이에 제공하고, 이에 의해 지진에 의해 유발된 기부(6)와 대상물(1)의 상대이동 중에 수평으로 전달 가능한 힘이 상기 한계치를 초과할 경우, 중공추(45)의 경사는 스프링력에 대항하여 구체(44)를 수직으로 상승시키고 구체(44)는 중공추(45)의 경사가 감소하는 영역으로 구르게 되어, 수평으로 전달 가능한 힘이 감소하여 중공추(45)의 상기 영역 외측에서 0이 되고, 진동진폭에 따라 작거나 실질적으로 0인 수평력만이 기부(6)로부터 대상물(1)로 전달되는 것을 특징으로 하는 장치 (도 27).
13. 제12항에 있어서, 지지되는 대상물을 중앙에 위치시키고 유지력을 제공하기 위해서, 복수의 회전구를 구비한 접시형체(49)에서 지지되고 피스톤(52)에 의해 수직으로 안내되는 구체(44)가 역학적 스프링, 유체 스프링 또는 점탄성 스프링(47)에 의해 중공추(45)로 압축되고, 그 결과 주 구조물(51)에 수평으로 작용하는 풍하중이 구체(44)와 중공추(45)의 접촉점에서 구체(44)를 스프링력에 대항하여 상향으로 밀어올릴 수 있는 수직성분(F_V)을 갖는 반작용력을 생성하지 못하는 것을 특징으로 하는 장치 (도 27).
14. 제12항에 있어서, 구체(44)의 중공추(45) 내 최하위치에서 구체(44)와 중공추(45)의 접촉선에 의해 형성되는 원 외측에, 중공추(45)는 180°까지 증가하는 개구각(

    

    )을 가져서, 구체(44)와 중공체(45)의 접촉점에서 수직항력의 수평성분(F_H)은 중공체(45)에 있어서 반경 방향 외측으로 감소하고, 최대 수평 풍하중보다 큰 수평 변위력이 구체(44)를 통해 수직 스프링(47)을 압축할 경우 구체(44)와 중공추(45)의 접촉점이 중공추(45)에 있어서 반경 방향 외측으로 이동하는 것을 특징으로 하는 장치 (도 27).
15. 제12항에 있어서, 중공체(45)의 수평 변위에 의해 발생한 수직력(F_v)이 스프링력을 초과하는 경우 구체(44)는 수직 안내구 내에서 불감쇠 이동할 수 있고, 구체(44)와 함께 수직 안내구의 스프링에 의한 압축 복귀는 유압 감쇠를 통해 저속으로 저하되어서, 완전한 스프링 복귀에 필요한 주기가 최대 지진진동주기의 배수인 것을 특징으로 하는 장치 (도 27).
16. 제2항 또는 제3항에 있어서, 풍하중의 보정을 목적으로, 기부(6)의 측벽(20)과 지지되는 대상물 사이에, 스프링정수가 낮은 3쌍 이상의 역학적 스프링 또는 유압 스프링(24)이 각각의 운동축에 대해 1쌍, 수직축에 대해 1쌍 및 2개의 수평축에 대해 2쌍으로 대상물 주위에 거울상 대칭형으로 배열되고, 기부(6)의 측벽(20) 쪽으로 하나 이상의 롤과 함께 활동기어 또는 구름기어(25)를 수평으로 가동되게 장착되어 연장형 안내 시스템을 형성하게 되는 것을 특징으로 하는 장치 (도 28,29,30).
17. 제16항에 있어서, 기부(6)의 측벽(20)과 지지되는 대상물의 벽(22) 사이의 거리를 대상물의 전체 벽(22)에 관해서 균등하게 유지하기 위해, 풍력에 의해 대상물이 기부(6)에 대해서 변위되어 기부의 측벽(20)과 대상물 사이에 위치한 스프링(24)이 압축되면, 스프링(24)의 스프링력은 대상물을 본래의 중립위치로 복귀시킬 때까지 유압제어밸브(29)에 의해 제어되어 자동으로 증가하고, 풍력에 의한 스프링 운동 중에 부가적으로 기부의 지진진동이 발생할 경우, 풍력에 대항하는 반작용력은 스프링정수가 작기 때문에 약간만 증가하고, 그 결과 작은 차동력만이 가속력으로서 대상물의 질량에 가해지는 것을 특징으로 하는 장치 (도 28,29,30).
18. 제16항에 있어서, 가상진자에 의해 지지되어 기부 진동으로터 분리되는 대상물과 진동하는 기부(6) 사이의 상대운동이 부가 에너지를 위한 하나 이상의 펌프(37)를 구동하는데 사용되고, 상기 펌프(37)는 단독으로 또는 상기 상대운동에 반응하는 풍하중 보정을 위한 스프링(24)과 결합하여 배치되는 것을 특징으로 하는 장치 (도 28,30).
19. 제2항 또는 제3항에 있어서, 대상물의 주 구조물(51)로부터 분리되게 지지되고 풍하중에 노출되지 않으며 가상진자(56u)에 의해 지지되는 대상물의 부분(22)이 풍하중을 받는 주 구조물(51)의 위치 제어를 위한 기준위치로서 사용되는 것을 특징으로 하는 장치 (도 31).
20. 제2항 또는 제3항에 있어서, 가상진자의 하중 지지점(P)과 대상물의 주 구조물(51) 사이에 대상물의 하중을 지지하기 위한 하중지지요소(16)가 배치되고, 상기 하중지지요소(16)는 수직지반진동을 감쇠시키도록 스프링정수가 낮은 수직 스프링요소로서 설계되며, 상기 스프링요소는 역학적, 유압식 또는 유체탄성적인 것을 특징으로 하는 장치 (도 32).
21. 제4항에 있어서, 대상물의 하중을 지지하기 위해 지진보호모듈(56) 상부에 배치된 스프링 지지체(69) 및 지지되는 대상물에 가해지는 풍하중을 보정하고 대상물의 중앙위치조정을 위한 중앙위치조정 및 내풍 장치(70)가 통합되어 단일 장치를 형성하며, 상기 중앙위치조정 및 내풍 장치(70)는 지진보호모듈과 기부 사이에 배치되어 횡방향 힘을 억제하는 축과, 선하중을 받은 인장스프링과, 지진보호모듈 또는 기부에 연결되어 2축으로 가동하는 구형 지지축을 포함하고, 여기서 축의 일단부는 인장스프링의 일단부와 고정되게 연결되고, 인장스프링의 타단부는 기부 또는 지진보호모듈에 고정되게 연결되며, 축의 타단부는 구형 지지축 내로 축방향으로 가동되게 연결되어, 그 결과 지진보호모듈과 기부의 위치가 서로에 대해 고정되고, 지진보호모듈과 기부의 상대 변위가 선하중을 받은 인장스프링의 인장력을 초과하는 횡방향 힘이 축에 가해질 때에만 발생하는 것을 특징으로 하는 장치 (도 33).
22. 제4항에 있어서, 지주 상의 가상진자의 연결요소가 현수식 진자인 안정지지요소(2)와 직립식 진자인 불안정지지요소(7)에 의해 지지되고, 지지요소들(2,7)은 중앙에서 떨어진 각으로 공간배치되어, 진동 중에 지주 단부의 뒤틀림을 보정하고, 격리된 대상물의 지지점이 동일한 뒤틀림을 받게 되는 것을 방지하는 것을 특징으로 하는 장치 (도 35,35a,35b).
23. 제4항에 있어서, 연결요소(8,9)가 그것의 하측에 하중 지지점(P)을 가지며, 현수하는 대상물을 지지하고, 안정지지요소(2,11)는 밧줄로 제조되는 것을 특징으로 하는 장치 (도 37,40,41,42).
24. 제8항에 있어서, 안정지지요소(2)는 밧줄로서 설계되는 것을 특징으로 하는 장치 (도 38,39).
25. 제4항에 있어서, 건물을 통해 기부에 연결되는, 현수식 진자인 안정지지요소(2)는 천장으로부터 현수되고, 직립식 진자인 불안정지지요소(7)는 그것의 하단부에서 지지체(88)에 의해 지지되며, 지지체(88)는 천장으로부터 현수된 4개 또는 3개의 경사봉, 밧줄 또는 사슬(5)로 형성되는 것을 특징으로 하는 장치 (도 42).
26. 제4항에 있어서, 대상물의 측방향 진동을 감쇠시키기 위해 대상물의 상부에 진동감쇠기 질량(90)이 제공되고, 3개 이상의 가상진자가 상기 진동감쇠기 질량(90)을 지지하는 것을 특징으로 하는 장치 (도 43,44,45,46,47,48).
27. 제4항에 있어서, 현수식 진자인 안정지지요소가 밧줄 또는 사슬로서 설계될 수 있는 것을 특징으로 하는 장치 (도 36b,37,38.39,40,41,42,45,46,47, 48).
28. 제2항 또는 제3항에 있어서, 가상진자를 구성하고 지지되는 대상물의 하중을 지반에 전달하기 위한 기부로서, 기초(100)가 그것의 하측에 있어 가장자리 쪽으로 경사진 만곡을 가지는 것을 특징으로 하는 장치 (도 49,56).
29. 제4항에 있어서, 연결요소(8)는 대상물용 지지축으로서 직접 기능하는 것을 특징으로 하는 장치 (도 69).

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