KR100994175B1 - 하이브리드 진동 격리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 하이브리드 진동 격리장치에 관한 것으로서, 교량이나 건축물 등의 구조물이 바람, 지진 등에 의한 진동발생을 줄여주어 건축물의 안전도를 향상시키기 위한 것이다.

이를 실현하기 위한 본 발명은, 내부에 반유동성오일(S)이 저장되어진 본체하우징(10)과; 상기 본체하우징(10)을 수평으로 관통하여 수평방향으로 유동 가능하게 구성되어진 감쇠봉(20)과; 상기 감쇠봉(20) 중단에서 반유동성오일과의 마찰력을 증대시키기 위해 돌출 구비된 돌출플렌지(21)와; 상기 본체하우징(10)의 상부와 하부에 각각 일체로 구성된 감쇠고무(11)와; 상기 각 감쇠고무(11) 내에 일정 이격간격을 유지하며 적층 구비된 금속플레이트(12)와; 상기 각 감쇠고무(11)의 단부에서 상부구조물 또는 하부구조물과 연결이 이루어지는 제1연결판(13,14)과; 상기 감쇠봉(20) 양단부에서 상부구조물 또는 하부구조물과 연결을 위해 구비된 제2연결판(23,24);을 포함하는 구성을 이룸을 특징으로 한다.

진동, 지진, 완충, 격리, 감쇠, 교량, 건축물

Description

하이브리드 진동 격리장치{Hybrid Isolator}

본 발명은 진동 격리장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 교량 및 건축물 등의 구조물이 지진이나 강풍 등과 같은 외부 현상에 의해 흔들리는 진동을 줄여주기 위한 격리장치에 관한 것이다.

현대 건설기술을 뒷받침하는 재료의 발달과 설계 기술, 시공기술 등의 향상으로 유연하고 날렵한 형태의 초장 대교량의 건설이 크게 증가하고 있으며, 장대교량들은 경제성이 뛰어날 뿐만 아니라, 수려한 미관으로 인하여 새로운 경관을 만드는 문화관광 산업의 한 부분으로서도 자리 잡아가고 있다.

이러한, 교량들은 날렵하고 긴 주탑, 가늘고 긴 테이블 등의 구조적인 특성상 고유주기가 길고 감쇠비가 매우 작아서 진동이 쉽게 발생하고, 발생한 진동은 오랫동안 지속된다.

특히, 최근 빈번해지고 있는 지진과 태풍 등의 자연재해로 인해 구조물의 붕괴 사고 및 그로 인한 경제적 손실이 증가함에 따라, 전 세계적으로 구조물의 안정성을 확보하려는 구조제어시스템에 대한 관심이 증폭되고 있으며, 장대교량에는 동적응답을 저감하기 위한 방안으로서 부가적인 감쇠장치를 이용하여 감쇠성능을 향 상시키는 경우가 많다.

최근에는, 대형 유압가진기(hydraulic actuator)와 대규모의 전력을 동원한 능동제어기법(active control technique)도 이론적인 연구가 활발히 진행되고 있으나 복잡한 전기전자기기 이외에도 항시 사용 가능한 대규모의 전력과 고가의 대형 유압가진기를 필요로 하는 등, 경제적인 문제로 인하여 아직은 실제 교량에의 적용이 극히 제한적이다.

또한, 작은 전력으로도 작동이 가능한 준능동형 감쇠장치(semi-active damping devices)의 적용성에 대하여 많은 관심을 갖고 있는데 특히, 적용성이 높을 것으로 알려진 MR감쇠기(magneto-rheological damper)는 여러 연구자들에 의하여 이론적, 실험적 연구가 적극적으로 진행된 바 있다.

그러나, MR감쇠장치와 같이 작은 전력을 사용하는 경우에도 제어를 위한 감지장치, 연산장치 등의 복잡한 전기 전자 기기가 실외에서 장기간 신뢰성 높게 그 기능을 수행하도록 유지 관리되어야 할 뿐 아니라, 아직까지도 실제 적용을 하기에는 시스템자체의 구성에 적지 않은 비용이 요구된다.

한편, 일반적으로 사용 가능한 수동형감쇠기들(passive dampers)은 고려의 대상이 되는 작용하중의 크기에 따라서 설계하게 되는 데, 빈도는 높으나 크기가 작은 동적하중과 빈도는 낮으나 피해규모가 큰 대규모의 지진하중 사이에서 적합한 설계점(design point)을 찾기가 어려운 실정이다.

그러므로, 실용적인 측면을 고려한다면, 능동형이나 준능동형 제어장치와 같이 교량의 진동상태 및 가진력의 특성에 따라 감쇠특성을 변화시킬 수 있는 장점, 즉, 외부하중의 환경에 적응하여 적절한 감쇠력을 발휘하면서도 구성이 간단하고 유지관리가 손쉬운 경제적인 제진장치의 개발이 절실한 시점이라고 하겠다.

이러한, 종래의 진동 흡수 감쇠기는 진동에너지를 흡수하고 소산시켜 진동을 줄여주는 감쇠기에는 크게 점성감쇠형과 이력감쇠형(탄소성감쇠기)의 2가지가 있다.

상기 점성감쇠형 감쇠기는 변위 속도에 따라 에너지를 흡수하고, 이력감쇠기는 변위량에 따라 에너지를 흡수한다.

이와 같이, 외부 에너지를 필요로 하지 않는 감쇠기를 수동형 감쇠기라고도 한다.

이에 따라, 각 감쇠기의 진동에너지 흡수 특성은 제작시 결정되어, 구조물의 진동제어 효율성은 주어진 특정조건하에서만 최고가 된다. 예로, 점성감쇠형 감쇠기는 최고 효율성을 발휘하는 변위속도를 가지고, 이력감쇠기는 최고 효울성을 발휘하는 변위량을 가진다.

그리고, 오일감쇠기 및 점성형감쇠기는 반복되는 진동에 대하여 효율성을 가지며, 최대감쇠력과 최대변위의 증가에 따라 가격이 급격히 증가한다.

또한, 이력형감쇠기는 반복되는 진동에 대한 에너지 흡수과정에서 강재의 피로문제가 발생하기에 안정적으로 진동에너지를 흡수할 수 있는 왕복회수가 오일감쇠기나 점성감쇠기 비하여 크게 적다. 그에 반하여 상대적으로 저가로 큰 왕복하중을 구현할 수 있기에 빈도가 낮은 큰 진동에너지를 흡수하는 데는 경제적이라고 할 수 있다.

위와 같은, 감쇠기의 한계를 극복하고자, 외부에너지를 이용하여 진동을 제어하는 능동형, 반능동형 등이 개발되었다.

이러한, 능동형 및 반능동형 감쇠기는 그 제진효과는 수동형 보다 뛰어나나, 그 구조가 복잡하고 대단히 고가이다. 각종 센서, 엑추에이터, 전기모터, 컴퓨터, 기록장치 등을 포함하여 그 부품수도 많아서 에너지 비용뿐만 아니라 유지관리에도 지속적인 비용이 필요한 문제점이 있다.

본 발명은 상기한 종래 기술에서의 문제점을 개선하기 위해 제안된 것으로서, 교량의 하중 받침부위 또는 건축물의 이격 연결부위에서 진동전달을 격리 감쇠시키기 위한 진동격리장치를 제공함으로서 구조물의 안전성을 극대화 하는데 목적이 있다.

상기 목적을 이루기 위한 본 발명은, 교량상판과 교각의 연결부위에 설치되어 상호간의 진동력 전달을 감쇠시키기 위한 진동 격리장치에 있어서, 내부에 반유동성오일이 저장되어진 본체하우징과; 상기 본체하우징을 수평으로 관통하여 수평방향으로 유동 가능하게 구성되어진 감쇠봉과; 상기 감쇠봉 중앙부위에서 반유동성오일과의 마찰력을 증대시키기 위해 돌출 구비된 돌출플렌지와; 상기 본체하우징의 상부와 하부에 각각 일체로 구성된 감쇠고무와; 상기 각 감쇠고무 내에 일정 이격간격을 유지하며 적층 구비된 금속플레이트와; 상기 각 감쇠고무의 단부에서 교량상판 또는 교각과 각각 연결이 이루어지는 제1연결판과; 상기 감쇠봉 양단부에서 교량상판 또는 교각과 연결을 위해 구비된 제2연결판;을 포함하는 구성을 이룸을 특징으로 한다.

이러한 본 발명은, 교량이나 건축물의 상부구조물 받침부위에 설치하여 강풍이나 지진등에 의해 구조물의 급격한 유동 발생을 방지함으로서 구조물을 안전하게 보호하는 효과를 나타낸다.

특히, 본체하우징 내부에 저장된 실리콘오일의 반작용력에 의한 종방향 감쇠력에 더하여 초고감쇠 고무에 의한 횡방향 감쇠력이 복합적으로 동시에 작용하여 구조물의 진동 흡수효율을 극대화할 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 살펴보기로 한다.

먼저, 본 실시 예에 따라 교량에 설치되어지는 진동 격리장치의 구조를 살펴보면, 원통형상을 이루는 있는 본체하우징(10) 내부에는 반유동성오일(S)이 저장되어져 있으며, 본체하우징(10)을 수평으로 관통하는 감쇠봉(20)에는 본체하우징(10) 내부에 위치되도록 돌출플렌지(21)가 감쇠봉(20)의 길이방향을 기준으로 중앙부에 일체로 돌출 구비되어져 있어 감쇠봉(20)의 유동이 반유동성오일(S)에 의해 조절되어지는 오일감쇠기(oil damper) 구조를 이루고 있다. 이때, 돌출플렌지(21)의 외경은 본체하우징(10)의 내경보다 작은 크기를 이루도록 함으로서 반유동성오일(S)의 유동이 가능하게 되며, 상기 반유동성오일(S)은 돌출플렌지(21)가 3mm/sec 이하의 작은 진동속도에서는 유동성질을 가지고 있으며, 3mm/sec 이상의 진동속도에서는 유동성이 없이 고체처럼 딱딱하게 변하는 설질을 갖는 실리콘오일을 사용함이 바람직하다.

그리고, 감쇠봉(20) 양단에는 각각 교량상판(1)과 상판연결구(3)를 통해 연결을 위한 제2연결판(23,24)이 유니버셜 조인트(25)에 의해 연결되어져 있다.

한편, 본체하우징(10)에는 양측에 대칭형태로 감쇠고무(11)가 결합되어져 있 는데, 감쇠고무(11)에는 내구성 및 지지력 강화를 위해 다수의 금속플레이트(12)가 일정 간격을 유지하며 적층 결합된 일체형 구조를 이룸으로서 전후방향의 진공 감쇠가 가능하도록 하였다.

또한, 감쇠고무(11)의 단부에는 교각(2)과 교각연결구(4)를 통해 연결을 위한 제1연결판(13,14)이 각각 연결 구성되어져 있다.

이와 같은 구조를 이루는 본 발명 진동 격리장치의 동작에 따른 작용효과를 살펴보기로 한다.

도 3 및 도 4는 본 발명의 격리장치가 교량에 설치된 상태를 나타낸 것으로서, 감쇠고무(11) 양측의 제1연결판(13,14) 각각에는 교각연결구(4)를 연결하여 교각(2)과 고정이 이루어지도록 하며, 감쇠봉(20) 양측의 제2연결판(23,24) 각각에는 상판연결구(3)를 통해 교량상판(1)과 고정된 상태를 이루도록 설치하게 된다.

도 4에서 미설명 부호 30은 통상의 교량받침을 나타낸 것으로서, 본 발명의 격리장치는 교량받침(30) 사이에 설치함이 바람직하다.

이와 같은 설치상태에서 지진 또는 강풍발생에 따라 교량상판(1)에 순간적인 유동력이 발생하게 되더라도, 본 발명의 진동 격리장치에 의해 진동력을 효과적으로 감쇠시킬 수 있게 된다.

즉, 교량상판(1)의 종방향 왕복 진동이 발생하게 되면 이러한 진동력에 의해 하부에 설치되어져 있는 본 발명 유동 격리장치의 감쇠봉(20)이 함께 유동되어지게 되나, 감쇠봉(20)은 본체하우징(10) 내에서 반유동성오일(S)에 의한 댐핑 지지작용이 이루어지고 있기 때문에 돌출플랜지(21) 부분이 반유동성오일(S)과의 작용에 의 해 진동에너지가 흡수되어 교량상판(1)의 유동량을 감쇠시킬 수 있게 되는 것이다.

이와 함께, 상기 본체하우징(10)은 감쇠고무(11)에 의해 양측이 교각(2)면에 고정된 구조를 이루고 있기 때문에, 소진폭의 빈번한 진동에 대해서 사이클당 에너지 흡수량이 크게 작용하여 교량의 유동발생을 더욱 완화시킬 수 있게 됨을 알 수 있다.

특히, 감쇠고무(11) 내부에는 다수의 금속플레이트(12)가 일정 간격으로 내장된 구조를 이루고 있기 때문에 교축방향의 유동성 및 내구성 보강이 이루어질 수 있게된다.

한편, 도 5는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 진동 격리장치의 본체하우징(1) 내부를 확대하여 도시한 단면도이다.

즉, 도시된 바와 같이 본체하우징(10)에는 돌출플렌지(21)의 유동을 간섭하기 위한 간섭브러쉬(15)를 내주면에 구비함으로서, 감쇠봉(20)에 대한 댐핑 감쇠력을 증강시킬 수 있도록 하였다.

이때, 간섭브러쉬(15)에 의한 반유동성오일(S)의 유동력 감쇠를 최소화 하기 위하여 감쇠봉(20)의 돌출플랜지(21)에 반유동성오일(S)의 유동을 위한 통공(21a)을 다수개 형성시킴이 바람직하다.

또한, 통공(21a)의 단면 구조를 양단부에서 중앙으로 갈수록 지름(d)이 점차 감소하는 형상으로 형성시킴으로서, 반유동성오일(S)과의 마찰 댐핑력이 극대화 되어지도록 함이 바람직하다.

또한, 통공(21a)의 양측 입구부에는 메쉬망(21b)을 설치함으로서 이물질이 통공(21a)으로 유입되어 막힘현상이 발생하는 것을 방지함은 물론, 메쉬망(21b)에 의한 반유동성오일(S)과의 댐핑 작용력이 향상되어질 수 있도록 하였다.

따라서, 이러한 도 5의 다른 실시예에 따른 구조를 통해 감쇠봉(20)에 대한 댐핑효과를 향상시킴으로서, 진동에너지 흡수능력을 극대화 할 수 있게 됨을 알 수 있다.

그리고, 상기에서 본 발명의 특정한 실시 예가 설명 및 도시되었지만 본 발명의 진동 격리장치 구조 및 설치형태가 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 수 있음은 자명한 일이다.

예를 들면, 상기 실시예에서는 감쇠봉(20)의 양단이 교량상판(1)에 연결된 상태가 설명되었으나, 감쇠봉의 일단만 교량상판(1)에 연결되고 타단은 하부의 교각(2)에 연결 시공이 이루어질 수도 있게 된다.

또한, 감쇠고무(11) 역시 일측을 교량상판(1)에 연결 설치할 수도 있게 된다.

따라서, 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위 내에 포함된다 해야 할 것이다.

도 1은 본 발명 진동 격리장치의 외관 사시도.

도 2는 본 발명 진동 격리장치의 내부 단면 구조도.

도 3은 본 발명 격리장치의 교량 설치상태도.

도 4는 본 발명 격리장치의 교량 설치상태 정단면도.

도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 격리장치의 부분 단면 확대도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 교량상판 2 : 교각

3 : 상판연결구 4 : 교각연결구

10 : 본체하우징 11 : 감쇠고무

12 : 금속플레이트 13,14 : 제1연결판

15 : 간섭브러쉬 20 : 감쇠봉

21 : 돌출플랜지 21a: 통공

21b: 메쉬망 23,24 : 제2연결판

25 : 유니버셜 조인트 30 : 교량받침

S : 반유동성오일

Claims (5)

1. 교량상판(1)과 교각(2)의 연결부위에 설치되어 상호간의 진동력 전달을 감쇠시키기 위한 진동 격리장치에 있어서,

   내부에 반유동성오일(S)이 저장되어진 본체하우징(10)과;

   상기 본체하우징(10)을 수평으로 관통하여 수평방향으로 유동 가능하게 구성되어진 감쇠봉(20)과;

   상기 본체하우징(10) 내에 위치되도록 하여 반유동성오일과의 마찰력을 증대시킬 수 있도록 감쇠봉(20) 외벽면에 일체로 돌출 구비된 돌출플렌지(21)와;

   상기 본체하우징(10)의 상부와 하부에 각각 일체로 구성된 감쇠고무(11)와;

   상기 각 감쇠고무(11) 내에 일정 이격간격을 유지하며 적층 구비된 금속플레이트(12)와;

   상기 각 감쇠고무(11)의 단부에서 교량상판(1) 또는 교각(2)에 고정 설치된 연결구(4)와 연결이 이루어지는 제1연결판(13,14)과;

   상기 감쇠봉(20) 양단부에서 교량상판(1) 또는 교각(2)에 고정 설치된 연결구(3)와 연결을 위해 구비된 제2연결판(23,24);

   을 포함하는 구성을 이룸을 특징으로 하는 하이브리드 진동 격리장치.
2. 청구항 1에 있어서,

   상기 본체하우징(10)에는 돌출플렌지(21)의 유동을 간섭하기 위한 간섭브러 쉬(15)가 내주면에 구비된 것을 특징으로 하는 하이브리드 진동 격리장치.
3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,

   상기 돌출플렌지(21)에는 다수의 통공(21a)이 형성된 것을 특징으로 하는 하이브리드 진동 격리장치.
4. 청구항 3에 있어서,

   상기 통공(21a)은 양단부에서 중심부로 갈수록 지름(d)이 점차 감소하는 형상을 이루는 것을 특징으로 하는 하이브리드 진동 격리장치.
5. 청구항 3에 있어서,

   상기 통공(21a)의 양측 입구에는 반유동성오일(S)과의 댐핑 작용력 증강과 함께 이물질이 통공(21a)으로 유입되는 것을 방지하기 위한 메쉬망(21b)이 구비된 것을 특징으로 하는 하이브리드 진동 격리장치.

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