KR100962575B1 - 사장교 주탑용 진자형 제진장치 - Google Patents

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김대영
곽영학
김윤석
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    • EFIXED CONSTRUCTIONS
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    • F16F15/02Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems

Abstract

본 발명은 사장교 주탑용 진자형 제진장치에 관한 것으로서, 특히 양측면 중앙부에 수직 방향으로 지지 프레임과, 중앙부 내측에 스토퍼 고정 프레임이 구비되는 외부 프레임과; 상기 외부 프레임의 지지 프레임을 통해 상기 외부 프레임의 내측 중앙부에서 길이 방향으로 이동 가능하도록 고정되는 수평 부재와; 상기 수평 부재를 축으로 회전되도록 상단이 상기 수평 부재와 힌지 결합되는 진자팔과; 상기 진자팔의 저면과 이의 결합되어 상기 진자팔의 회전에 따라 수평으로 회전하는 질량체; 및 상기 질량체의 최대 이동 거리를 제한하도록 일단이 상기 외부 프레임의 스토퍼 고정 프레임과 힌지 결합되고, 타단이 상기 질량체와 결합되는 스토퍼를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 주탑부에 교축 방향으로 진자형 제진장치를 설치하고, 주형부 및 케이블부를 단계별로 시공시 진자형 제진장치를 단계별로 동조시킴으로써 풍하중에 의해 발생하는 주형부의 상하 진동 및 주탑부의 수평진동을 제어하여 주형부 및 주탑부의 구조적 안정성 및 사용성 그리고 시공성을 향상시킬 수 있다.
사장교, 가설단계, 풍하중, 진동제어, 진자형 제진장치, 스토퍼

Description

사장교 주탑용 진자형 제진장치{PENDULUM TYPE VIBRATION DAMPING DEVICE FOR CABLE-STAYED BRIDGE OF MAIN TOWER}
본 발명은 사장교 주탑용 진자형 제진장치에 관한 것으로서, 상세하게는 사장교의 가설단계에 있어서 주탑부에 진자형 제진장치를 설치하여 풍하중에 의한 주형부의 상하진동 및 주탑부의 수평진동 을 제어하도록 하는 사장교 주탑용 진자형 제진장치에 관한 것이다.
장대교량 형식중의 하나인 사장교는 도 1에 도시된 바와 같이 주탑부(1)와, 케이블부(3)와, 주형부(5)로 구성된다.
이러한 사장교는 주탑부(1)와, 케이블부(3) 및 주형부(5)가 일체화되어 안정된 구조계를 이루게 된다.
그러나, 이러한 사장교는 가설 초기단계에서는 도 2에 도시된 바와 같이 주탑부(1)가 우선 시공되어 주탑부(1)가 독립적인 상태가 당분간 유지된다. 이후 도 3에 도시된 바와 같이 가설 중간단계에 있어서는 케이블부(3)와 주형부(5)가 단계적으로 설치된다.
이러한 가설 초기단계 및 가설 중간단계에 있어서는 주형부(5)가 서로 연결 되어 있지 않기 때문에 구조적으로 불안정한 상태가 된다.
특히, 풍하중에 대해서는 매우 취약하여 풍하중에 의해 가설 초기단계에서는 주탑부(1)가 좌우로, 가설 중간단계에 있어서는 주형부(5)가 상하방향으로 크게 흔들릴 수 있다. 주형부(5)의 상하진동은 케이블부(3)에 의해 주탑부(1)에 전달되므로 결국, 가설 초기단계 및 중간단계에 있어서 주탑부(1)의 수평진동으로 인하여 구조적 안정성과, 시공성 및 사용성에 문제가 생길 수 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 주탑부의 상부에 진자형 제진장치를 설치하고 가설 초기단계 및 가설 중간단계에 있어서 주탑부의 진동주기에 동조하여 진자형 제진장치의 진동주기를 효율적으로 조절하여 풍하중에 의해 발생하는 주탑부의 수평진동을 제어하여 가설 초기단계의 독립 주탑부 및 가설 중간단계의 주형부의 구조적 안정성과 사용성 및 시공성을 향상시키도록 하는 사장교 주탑용 진자형 제진장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
그리고 본 발명은 비상시에 대비하여 진자형 제진장치의 질량체를 안정되게 정지시키는 스토퍼를 설치하여 진자형 제진장치의 과다 작동에 대한 안정성을 향상시키도록 하는 사장교 주탑용 진자형 제진장치를 제공하는 데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 진자형 제진장치의 상단에 작업 크레인을 설치하여 진자형 제진장치와 작업 크레인의 상호간섭을 제거하여 진자형 제진장치의 제진성능과 작업 크레인의 작업성을 향상시키도록 하는 사장교 주탑용 진자형 제진장치를 제공하 는 데 또 다른 목적이 있다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징은,
양측면 중앙부에 수직 방향으로 지지 프레임과, 중앙부 내측에 스토퍼 고정 프레임이 구비되는 외부 프레임과; 상기 외부 프레임의 지지 프레임을 통해 상기 외부 프레임의 내측 중앙부에서 길이 방향으로 이동 가능하도록 고정되는 수평 부재와; 상기 수평 부재를 축으로 회전되도록 상단이 상기 수평 부재와 힌지 결합되는 진자팔과; 상기 진자팔의 저면과 이의 결합되어 상기 진자팔의 회전에 따라 수평으로 회전하는 질량체; 및 상기 질량체의 최대 이동 거리를 제한하도록 일단이 상기 외부 프레임의 스토퍼 고정 프레임과 힌지 결합되고, 타단이 상기 질량체와 결합되는 스토퍼를 포함하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 외부 프레임은 상단에 작업 크레인이 설치된다.
여기에서 또한, 상기 진자팔은 길이가 가변되도록 그 하단부가 복수의 단위 진자팔이 상호 결합되어 연결된다.
여기에서 또, 상기 스토퍼는 각각 반구 형태로 이루어져 한 쌍이 결합되어 타원형으로 이루어져 상단이 상기 외부 프레임의 스토퍼 고정 프레임과 힌지 결합되는 판 스프링과; 각각의 상기 판 스프링 사이의 거리를 일정하게 유지시키도록 상기 각각의 판스프링의 내측면 중앙부에 고정되는 방진 고무; 및 이의 상단이 상기 판스프링의 하단과 연결되고, 이의 하단이 상기 질량체와 결합되되, 다수의 커플러에 의해 길이가 조정되는 와이어로 이루어진다.
여기에서 또, 상기 사장교 주탑용 진자형 제진장치는 사장교 가설시 상기 주탑부에 설치된다.
상기와 같이 구성되는 본 발명인 사장교 주탑용 진자형 제진장치에 따르면, 길이 조정이 용이한 진자와, 진자를 지지하고 상하이동이 용이한 수평부재에 의하여 가설단계별 진동주기의 조정이 용이하게 되어 초기단계의 독립 주탑부 및 가설 중간단계의 주형부의 구조적 안정성 및 사용성 그리고 시공성을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면 상기 진자를 지지하는 수평부재와 질량체 사이에 판스프링을 이용한 스토퍼를 설치하게 되면 진자형 제진장치의 회전반경보다 작은 회전반경으로 인하여 임의의 진폭을 초과하게 되면 스토퍼가 작동하여 제진장치의 과다 작동에 대한 안정성을 확보할 수 있다.
또, 본 발명에 따르면 진자형 제진장치의 상단에 작업 크레인을 일체화하여
설치함으로써 진자형 제진장치와 작업 크레인의 상호간섭을 제거하여 진자형 제진장치의 제진성능과 작업 크레인의 작업성을 향상시킬 수 있다.
이하, 본 발명에 따른 사장교 주탑용 진자형 제진장치를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
하기에서 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략할 것이다. 그리고 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고 려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 그러므로 그 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 사장교 주탑용 진자형 제진장치의 구성을 나타낸 사시도이고, 도 6은 본 발명에 따른 사장교 주탑용 진자형 제진장치중 수평 부재와, 진자팔 및 질량체의 구성을 나타낸 사시도이며, 도 7은 도 6의 분해 사시도이고, 도 8은 본 발명에 따른 사장교 주탑용 진자형 제진장치중 지지 프레임과 스토퍼의 연결 관계를 나타낸 사시도이다.
도 5 내지 도 8을 참조하면, 본 발명에 따른 사장교 주탑용 진자형 제진장치(100)는, 외부 프레임(110)과, 수평 부재(120)와, 진자팔(130)과, 질량체(140)와, 스토퍼(150)로 이루어진다.
먼저, 외부 프레임(110)은 H빔으로 직육면체 틀형상으로 형성되어 상단에 작업 크레인(101)이 설치되도록 크레인용 프레임(111)과, 양측면 중앙부에 수직 방향으로 지지 프레임(113)과, 중앙부 내측에 스토퍼 고정 프레임(115)이 구비된다. 여기에서, 외부 프레임(110)은 주탑부(1)에 교축 방향으로 설치되며, 주탑부(1)와 결합을 위해 저면에는 받침대(117)가 구비된다. 여기에서 또한, 외부 프레임(110)의 지지 프레임(113)은 하기에서 설명할 수평 부재(120)가 결합되도록 길이 방향으로 복수의 제 1볼트홀(113a)이 구비된다. 여기에서 또, 지지 프레임(113)에는 길이 방향으로 복수의 작업 발판(113b)이 설치되는 것이 바람직하다.
그리고, 수평 부재(120)는 외부 프레임(110)의 지지 프레임(113)에서 승하강 되어 외부 프레임(110)의 내측 중앙부에서 길이 방향으로 이동 가능하도록 H빔으로 형성되고, 양단이 체결판(121)에 의해 외부 프레임(110)의 지지 프레임(113)에 형성된 제 1볼트홀(113a)에 볼트 결합된다.
또한, 진자팔(130)은 수평 부재(120)를 축으로 회전되도록 한 쌍을 이루며, 각각의 상단이 수평 부재(120)에 힌지 결합된다. 여기에서, 진자팔(130)은 자체 길이가 가변되도록 그 하단부가 복수의 단위 진자팔(131)이 상호 결합되어 연결되고, 단위 진자팔(131)은 상하면에 각각 플렌지(133)가 형성되어 이웃하는 단위 진자팔과 볼트 결합된다.
또, 질량체(140)는 주형부(5)에 상하 진동 발생시 주탑부(1)에서 교축 방향으로 진자 운동을 수행하여 주형부(5)에 발생한 상하 진동을 제거하도록 각각의 진자팔(130)의 저면과 이의 상면이 볼트 결합되고, 상면 중앙부에 와이어 고리(141)가 구비된다. 여기에서, 질량체(140)는 이동 및 인양이 용이하도록 다수의 강판(143)이 볼트(145)에 의해 적층된 형태로 분해 조립이 가능하다. 여기에서, 질량체(140)는 진자 운동 방향이 주탑부(1)에서 교축 방향으로 이루어지도록 그 무게 중심선이 교축 중심선과 일치하도록 설치된다.
한편, 스토퍼(150)는 각각 반구 형태로 이루어져 한 쌍이 결합되어 타원형으로 이루어져 상단이 외부 프레임(110)의 스토퍼 고정 프레임(115)과 힌지 결합되는 판 스프링(151)과, 각각의 판 스프링(151) 사이의 거리를 일정하게 유지시키도록 각각의 판 스프링(151)의 내측면 중앙부에 고정되는 방진 고무(153)와, 이의 상단이 판 스프링(151)의 하단과 연결되고, 이의 하단이 질량체(140)의 와이어 고 리(141)와 결합되되, 다수의 커플러(155)에 의해 길이가 조정되는 와이어(157)로 이루어진다.
이하, 본 발명에 따른 사장교 주탑용 진자형 제진장치의 동작을 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.
도 9 내지 도 11은 본 발명에 따른 사장교 주탑용 진자형 제진장치의 스토퍼의 동작을 나타낸 사시도이고, 도 12는 본 발명에 따른 사장교 주탑용 진자형 제진장치가 사장교에 적용된 모습을 나타낸 설명도이다.
본 발명에 따른 사장교 주탑용 진자형 제진장치(100)는 풍하중에 의하여 주탑부(1)가 교축방향으로 진동하게 되거나, 주형부(5)가 상하진동을 하게 되면, 질량체(140)가 수동적으로 교축방향으로 서서히 움직이면서 진자운동을 하게 되고 이러한 진자운동에 의하여 주탑부(5)의 진동에너지를 흡수하여 주탑부(1)의 진동을 감소시키게 된다.
이러한 사장교 주탑용 진자형 제진장치(100)가 효율적으로 작동하기 위해서는 가설단계의 사장교의 고유 진동주기와 동조되어야 한다. 즉, 가설단계별로 변화하는 주탑부(1)의 진동주기에 대응하여 사장교 주탑용 진자형 제진장치(100)의 진동주기가 쉽게 조정되어야 한다.
도 7을 참조하면, 미리 진자팔(130)을 복수의 단위 진자팔(131)로 분할하여 제작하고, 장주기로 조정시에는 단위 진자팔(131)을 삽입하고 단주기로 조정시에는 단위 진자팔(131)을 제거하여 주기조정을 용이하게 수행한다.
또한, 진자팔(130)을 지지하는 수평 부재(120)가 외부 프레임(110)의 지지 프레임(113)에서 상하이동이 가능하도록 하여 진자팔(130)의 길이조정에 따라서 상하이동이 가능하도록 한다. 이때, 질량체(140)는 수톤~수십톤의 무게를 가지므로 진자팔(130)의 길이조정에 따라 질량체(140)를 상하로 이동하는 것은 현장 여건상 매우 어려운 작업이다. 따라서 역으로 수평 부재(120)를 상하로 이동시킴으로서 진자팔(130)의 주기조정을 용이하게 수행할 수 있다.
도 8을 참조하면, 진자팔(130)을 지지하는 수평 부재(120)와 질량체(140) 사이에 스토퍼(150)를 설치하여 질량체(140)의 과도한 작동을 방지하게 된다. 상기 수평 부재(120)와 질량체(140) 사이의 적절한 위치에 설치되는 스토퍼(150)는 2개의 판 스프링(151)이 서로 마주보는 형태로 결합되고 그 내부에는 방진고무(163)가 삽입된다.
그리고, 판 스프링(151)의 상단은 회전 가능하도록 외부 프레임(110)의 스토퍼 고정 프레임(115)에 힌지 고정된다. 이때, 스토퍼(150)는 와이어(157)에 의해 질량체(140)와 연결하되, 와이어(157)의 길이를 질량체(140)의 회전 제한 길이 만큼 여유를 두고 연결하는 것이 바람직하다.
도 9를 참조하여 구체적인 스토퍼(150)의 작동원리를 설명하면, 도 9의 (a)상태의 사장교 주탑용 진자형 제진장치(100)가 도 9의 (b)와 같이 작동하게 되면, 진자팔(130)은 수평 부재(120)에 고정되어 수평으로 회전하게 되고, 스토퍼(150)는 스토퍼 고정 프레임(115)에 고정되어 수평으로 회전하게 된다. 도 9의 (b)에서 나타난 바와 같이 진자팔(130)의 회전반경보다 스토퍼(150)의 회전반경이 작기 때문에 질량체(140)가 이동함에 따라서 스토퍼(150)의 와이어(157)의 길이는 길이 방향 으로 늘어나게 된다. 즉, 초기에 여유를 두고 질량체(140)와 연결한 와이어(157)는 어느 순간부터 팽팽하게 인장력이 걸리게 되고, 이러한 와이어(157)의 인장력은 도 10에 도시한 바와 같이 판 스프링(151)을 당기게 되어 결국 판 스프링(151)에서 내부 방향으로 변형이 발생하게 된다.
그리하여, 판 스프링(151)이 내부방향으로 변형이 발생하게 되면, 방진고무(163)의 간격이 좁아지고, 이로 인해 두 방진고무(163)가 충돌하게 되며, 이 충돌에 의하여 충돌에너지가 흡수되어 결국 질량체(140)의 수평회전운동을 제한하게 된다.
한편, 도 11을 참조하면, 외부 프레임(110)의 상단에 설치된 크레인용 프레임(111)에 작업 크레인(101)을 설치하여 일체화시킴으로써 상호간의 간섭을 제거하여 제진장치의 제진성능과 작업크레인의 시공성을 향상시키도록 한다.
본 발명은 다양하게 변형될 수 있고 여러 가지 형태를 취할 수 있으며 상기 발명의 상세한 설명에서는 그에 따른 특별한 실시 예에 대해서만 기술하였다. 하지만 본 발명은 상세한 설명에서 언급되는 특별한 형태로 한정되는 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 오히려 첨부된 청구범위에 의해 정의되는 본 발명의 정신과 범위 내에 있는 모든 변형물과 균등물 및 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
도 1 내지 도 3은 종래의 사장교를 나타낸 도면,
도 4 및 도 5는 본 발명에 따른 사장교 주탑용 진자형 제진장치의 구성을 나타낸 사시도,
도 6은 본 발명에 따른 사장교 주탑용 진자형 제진장치중 수평 부재와, 진자팔 및 질량체의 구성을 나타낸 사시도,
도 7은 도 6의 분해 사시도,
도 8은 본 발명에 따른 사장교 주탑용 진자형 제진장치중 지지 프레임과 스토퍼의 연결 관계를 나타낸 사시도,
도 9 내지 도 11은 본 발명에 따른 사장교 주탑용 진자형 제진장치의 스토퍼의 동작을 나타낸 사시도,
도 12는 본 발명에 따른 사장교 주탑용 진자형 제진장치가 사장교에 적용된 모습을 나타낸 설명도.
<도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명>
1 : 주탑부 3 : 케이블부
5 : 주형부 110 :외부 프레임
120 : 수평 부재 130 : 진자팔
140 : 질량체 150 : 스토퍼

Claims (5)

  1. 양측면 중앙부에 수직 방향으로 지지 프레임과, 중앙부 내측에 스토퍼 고정 프레임이 구비되는 외부 프레임과;
    상기 외부 프레임의 지지 프레임을 통해 상기 외부 프레임의 내측 중앙부에서 길이 방향으로 이동 가능하도록 고정되는 수평 부재와;
    상기 수평 부재를 축으로 회전되도록 상단이 상기 수평 부재와 힌지 결합되는 진자팔과;
    상기 진자팔의 저면과 이의 결합되어 상기 진자팔의 회전에 따라 수평으로 회전하는 질량체; 및
    상기 질량체의 최대 이동 거리를 제한하도록 일단이 상기 외부 프레임의 스토퍼 고정 프레임과 힌지 결합되고, 타단이 상기 질량체와 결합되는 스토퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 사장교 주탑용 진자형 제진장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 외부 프레임은,
    상단에 작업 크레인이 설치되도록 크레인용 프레임이 구비되는 것을 특징으로 하는 사장교 주탑용 진자형 제진장치.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 진자팔은,
    길이가 가변되도록 그 하단부가 복수의 단위 진자팔이 상호 결합되어 연결되는 것을 특징으로 하는 사장교 주탑용 진자형 제진장치.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 스토퍼는,
    각각 반구 형태로 이루어져 한 쌍이 결합되어 타원형으로 이루어져 상단이 상기 외부 프레임의 스토퍼 고정 프레임과 힌지 결합되는 판 스프링과;
    각각의 상기 판 스프링 사이의 거리를 일정하게 유지시키도록 상기 각각의 판스프링의 내측면 중앙부에 고정되는 방진 고무; 및
    이의 상단이 상기 판스프링의 하단과 연결되고, 이의 하단이 상기 질량체와 결합되되, 다수의 커플러에 의해 길이가 조정되는 와이어로 이루어지는 것을 특징으로 하는 사장교 주탑용 진자형 제진장치.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 사장교 주탑용 진자형 제진장치는,
    사장교 가설시 상기 주탑부에 설치되는 것을 특징으로 하는 사장교 주탑용 진자형 제진장치.
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