KR101137474B1 - 자기장 케이블 및 이를 이용한 진동 저감 구조 - Google Patents

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Abstract

자기장에 따라 특성이 변하는 자기유변유체 및 자기민감고무를 이용하여 진동에 대한 저감능력을 조절할 수 있는 자기장 케이블 및 이를 이용한 진동 저감 구조가 제공된다.
상기 자기장 케이블은: 원형단면을 갖는 다수의 소선; 상기 소선과 소선 사이의 공극을 충진하는 자기유변유체; 상기 소선들과 함께 구비된 자기민감고무; 및 상기 자기유변유체와 상기 자기민감고무에 자기장이 발생되도록 상기 소선들과 상기 자기민감고무를 함께 감는 코일;을 포함한다.
이와 같은 본 발명에 의하면, 구조물에 별도의 부가적 장치의 설치 없이 기존의 충진재를 자기유변유체로 대체하고 소선들 중 적어도 하나를 자기민감고무로 대체하며 케이블에 코일을 감는 것으로 구조물에 작용하는 진동을 보다 정밀하게 저감시켜 제어할 수 있는 개선된 효과를 얻을 수 있다.
소선, 연선, 케이블, 자기유변유체, 자기민감고무, 코일, 진동, 저감

Description

자기장 케이블 및 이를 이용한 진동 저감 구조{MAGNETORHEOLOGICAL CABLE AND MECHANISM USING THE SAME}
본 발명은 사장교나 현수교 등의 구조물의 진동제어를 위한 자기장 케이블 및 이를 이용한 진동 저감 구조에 관한 것으로서, 좀더 구체적으로는 별도의 부가적 장치 없이 자기장에 따라 그 특성이 변하는 자기유변유체 및 자기민감고무를 이용하여 케이블 또는 연선의 진동저감능력을 변화시켜 구조물의 진동을 보다 효율적으로 제어할 수 있는 자기장 케이블 및 이를 이용한 진동 저감 구조에 관한 것이다.
사장교 및 현수교는 조형미, 경제성 등 우수한 특성으로 인해 20세기 중반 이래 현재까지 꾸준히 건설되고 있는 교량으로서, 최근 우리나라뿐만 아니라 전세계적으로도 건설이 증가하고 있는 추세이다.
이러한 사장교나 현수교에 사용되는 케이블은 교량에 전달되는 여러 하중을 장력에 의하여 주탑으로 전달시켜 주는 사장교나 현수교의 주요 부재로서, 시공뿐만 아니라 건설 후 유지관리가 매우 중요하다. 그러나 사장교나 현수교의 케이블은 매우 유연하여 외부 하중으로 인해 발생된 변형을 억제할 수 없으며 낮은 저감비를 갖기 때문에 진동에너지를 소산시키지 못하므로 풍하중과 활하중으로 인하여 발생하는 진동에 민감하게 반응한다.
사장교나 현수교의 진동 발생원인은 다음 세가지 현상에 의하여 발생된다고 알려져 있다. 첫째는 바람이 케이블을 통과하면서 와류가 발생하여 이 와류의 주파수가 케이블의 고유진동수와 일치하게 될 때 생기는 경우와, 둘째는 강우를 동반한 바람이 불 때 케이블의 상하면에 두개의 수로가 형성되어 케이블 단면이 공기역학적으로 불안정한 단면을 이루게 되면서 발생되는 강우진동(rain vibration)이 있고, 세째는 케이블이 병렬로 배치되어 있을 때 앞쪽 케이블을 통과한 바람의 흐름이 뒤쪽 케이블을 진동시키는 항적갤럽핑(wave galloping)에 의한 진동이 발생되는 것이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 사장교(1)는 하나 이상의 주탑(10)과 상기 각 주탑(10)을 지지하며 지중에 박혀있는 교각(11)과 상기 주탑(10)의 길이방향과 수직하게 배치되는 교량 상판(20)과, 각각의 일단부가 상기 주탑(10)에 고정되며 각각의 타단부가 상기 교량 상판(20)에 연결되는 다수의 케이블(30)을 구비한다.
상기 교량 상판(20)은 상판 본체(21)와 상기 상판 본체(21)에 고정되는 다수의 고정부재(22)를 구비한다. 상기 각 케이블(30)의 타단부에는 소켓 또는 앵커헤드가 결합되어 있으며, 그 소켓 또는 앵커헤드가 상기 교량 상판의 각 고정부재(22)에 고정되게 되는데, 상기 고정부재(22)로는 앵커리지가 사용된다. 그리고, 상기 소켓 또는 앵커헤드는 상기 교량 상판에 결합된 앵커리지(22)에 고정됨으로써 그 교량 상판(20)에 고정되나, 그 앵커리지 없이 상기 교량 상판(20)에 직접적으로 고정될 수도 있다. 상기 교량 상판의 상판 본체(21)는 거더로 명명되기도 한다.
한편, 상기 케이블(30)에 있어서는 일반적으로 버페팅, 와류진동, 갤로핑, 그리고 주탑(10)이나 인접 케이블(30)에 의한 웨이브 갤로핑과 같은 바람 및 비바람에 의해 진동이 발생하게 되며, 이 발생된 진동은 상기 사장교(1)의 수명을 감소시키게 되므로 이 진동을 적절히 저감하기 위한 방법들이 연구되어 왔다.
상기 케이블(30)에서 발생되는 진동을 저감하는 방법으로는 공기역학적 방법, 보조케이블에 의한 진동제어방법, 그리고 저감장치를 이용한 진동제어방법 등이 있다.
이들 중 상기 공기역학적 방법은 실물풍동실험을 거쳐 진동의 저감여부를 확인해야 하는 불편함이 있고, 상기 보조케이블에 의한 진동제어방법은 유지관리에 신경을 써야 하며 교량의 미관을 해칠 수 있다는 단점이 있다.
한편, 상기 저감장치를 이용한 진동제어방법은 상기 케이블(30)에 저감장치(40)를 설치하여 그 케이블에서 발생하는 진동을 저감하는 방법으로서 그 진동제어 성능이 우수하여 최근 각광받고 있다. 상기 저감장치(40)로는 점성 댐퍼, 점탄성 댐퍼, 마찰 댐퍼, 탄소성 댐퍼 등의 수동 저감장치가 일반적으로 사용되며, 그 저감장치의 위치에 따라 외부 댐퍼와 내부 댐퍼로 구별된다. 그리고 상기 저감장치(40)는, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 각 케이블(30)과 상기 교량 상판(20) 사이에 설치되며, 그 저감장치(40)의 구성 및 기능은 대한민국 공개특허 제2004-15461호 또는 대한민국 공개특허 제2005-24605호 등에서와 같이 이미 널리 알려져 있다.
상기 저감장치를 이용한 진동제어방법 중 종래의 기술들은 부가적인 장치를 부착하여 진동을 저감시키는 방법을 이용하였다. 그러나, 부가적인 장치를 교량에 설치하기 위한 공간이 한정되어 있고, 이를 제조하고 설치하는 비용이 추가로 소요되는 문제가 있다. 따라서 이러한 부가적인 장치를 설치하기 보다는 사장교나 현수교의 기존 부재나 시스템을 이용하여 외부전력원을 사용하지 않거나 최소한의 외부전력만을 사용하는 기술 개발이 절실히 요청되고 있다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 별도의 부가적 장치 없이 자기장에 따라 그 특성이 변하는 자기유변유체 및 자기민감고무를 이용하여 진동에 대한 저감능력을 보다 효율적으로 조절할 수 있는 자기장 케이블 및 이를 이용한 진동 저감 구조를 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 원형단면을 갖는 다수의 소선; 상기 소선과 소선 사이의 공극을 충진하는 자기유변유체; 상기 소선들과 함께 구비된 자기민감고무; 및 상기 자기유변유체와 상기 자기민감고무에 자기장이 발생되도록 상기 소선들과 상기 자기민감고무를 함께 감는 코일;을 포함하는 구조물에 작용하는 진동을 저감시키는 자기장 케이블을 제공한다.
상기 소선들은 일정 개수별로 묶이어 연선들을 구성하고, 상기 자기민감고무는 상기 연선들에 적어도 하나씩 구비되며, 상기 자기유변유체는 상기 연선과 연선 사이의 공극에도 충진되고, 상기 코일은 상기 연선들을 하나로 묶는 피복에 감긴 것이 바람직하다.
상기 자기유변유체는 상기 코일로 인가되는 전류에 의해 형성되는 자기장으로 인하여 고형화가 진행되어 감쇠가 높아지는 것이 바람직하다.
상기 자기민감고무는 상기 코일로 인가되는 전류에 의해 형성되는 자기장으로 인하여 더욱 단단해짐으로써 강성이 높아지는 것이 바람직하다.
또한, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은, 상기 자기장 케이블; 상기 자기장 케이블을 구비하는 구조물에 설치된 센서; 상기 센서를 통해 진동을 측정하는 진동측정부; 및 상기 진동측정부에서 측정된 진동의 크기에 따라 계산된 전류를 상기 자기장 케이블의 코일에 연결된 전원부로 송신하는 제어부;를 포함하는 구조물에 작용하는 진동 저감 구조를 제공한다.
본 발명에 따르면, 자기장 케이블이 설치된 구조물의 진동감지에 따라 제어부를 통해 계산된 전류를 송신하여 코일을 통해 입력함으로써 자기유변유체 및 자기민감고무의 진동저감능력을 증가시켜 진동을 보다 효율적으로 제어할 수 있고, 구조물에 별도의 부가적 장치의 설치 없이 구조물에 작용하는 진동을 자기장 케이블의 감쇠와 강성의 변화로 효과적으로 저감시켜 제어할 수 있다.
이하 본 발명에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.
도 2는 소선과 연선으로 구성된 일반적인 케이블의 단면도, 도 3은 본 발명에 의한 자기장 케이블(a) 및 연선(b)의 단면도, 도 4는 본 발명에 의한 코일을 감은 연선의 사시도, 도 5는 입력전압에 따른 자기유변유체의 제어력을 나타낸 그래프, 도 6은 도금된 소선, 자기민감고무 및 자기유변유체로 구성된 자기장 케이블의 단면도, 도 7은 자기민감고무 및 자기유변유체가 구비되며 피복되지 않은 연선으로 구성된 자기장 케이블의 단면도, 도 8은 자기민감고무 및 자기유변유체를 이용한 사장교(a) 및 현수교(b)의 진동 저감 구조의 구성도이다.
본 발명의 일측면에 따른 구조물에 작용하는 진동을 저감시키는 자기장 케이블(100)은, 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이, 원형단면을 갖는 다수의 소선(111)과, 소선(111) 및 소선(111) 사이의 공극을 충진하는 자기유변유체(120)와, 소선(111)들과 함께 구비된 자기민감고무(130)와, 자기유변유체(120) 및 자기민감고무(130)에 자기장이 발생되도록 소선(111)들과 자기민감고무(130)를 함께 감는 코일(140)을 포함한다.
또한, 본 발명은 원형단면을 갖는 다수의 소선(111)으로 이루어진 다수의 연선(110)이 구성될 수 있다. 도 2에 도시된 바와 같이, 통상의 케이블(30)은 다수의 연선(31)으로 구성되어 있고, 상기 각각의 연선은 다수의 소선(33)으로 구성되어 있다. 따라서 본 발명에 의한 자기장 케이블(100)도 다수의 소선(111)으로 이루어진 다수의 연선(110)으로 구성되어 있으므로 기본적으로 통상의 케이블(30)과 유사한 구조를 갖고 있다.
또한, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 본 발명은 상기 연선(110)과 연선(110) 사이의 공극에 자기유변유체(120)가 충진되어 있다. 기본적으로 소선(111)과 연선(110)은 원형단면으로 형성되어 있기 때문에 연선(110)이나 자기장 케이블(100)의 내부에는 공극이 존재한다. 이러한 공극에 의한 연선(110)이나 소선(111)의 부식을 방지하기 위해 왁스와 같은 충진재를 사용해 왔으나, 이러한 기존의 케이블은 별도의 진동제어 기능이 없다는 문제가 있다.
다시 설명하면, 본 발명의 소선(111)들은 일정 개수(예컨대, 7개 정도)별로 묶이어 각각의 연선(110)들을 구성하고, 자기민감고무(130)는 상기 연선(110)들에 적어도 하나씩 구비되며, 자기유변유체(120)는 상기 소선(111)과 소선(111) 사이의 공극뿐만 아니라 상기 연선(110)과 연선(110) 사이의 공극에도 충진되고, 코일(140)은 연선(110)들을 하나로 묶는 피복(113)에 감길 수 있다.
본 발명의 일실시예로서, 자기민감고무(130)는 자기장 케이블(100)이나 연선(110)에 적어도 하나씩 소선(111)과 함께 구비된 것으로 설명하지만, 본 발명의 또 다른 실시예로서, 자기민감고무(130)는 자기장 케이블(100)의 제작과정 중 다수의 연선(110)들 중 적어도 하나 이상의 연선(110)에서 소선(111)들 전부를 대체하여 연선(110)을 구성할 수도 있다.
한편, 자기유변유체(magnetorheological fluid)(120)란 자기장의 특성에 따라 특성이 변하는 유체를 말한다. 즉, 자기유변유체(120)는 코일(140)로 인가되는 전류에 의해 형성되는 자기장으로 인하여 고형화가 진행되어 감쇠가 높아진다.
본 발명은 자기장 케이블(100) 내부의 연선(110)과 연선(110) 사이에 존재하는 공극을 자기유변유체(120)로 충진시켜서, 부가적인 저감장치의 설치 없이도 자기장의 변화에 따라 분자구조의 배열이 바뀌면서 유체에서 고체화되면서 감쇠가 증가하여 진동제어 기능을 갖게 되는 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 입력전압이 클수록 자기유변유체(120)의 제어력도 커짐을 알 수 있다.
자기민감고무(130)는 자기장에 의해 역학적 성질을 변화시킬 수 있는 제어가 가능한 지능형 재료로서, 코일(140)로 인가되는 전류에 의해 형성되는 자기장으로 인하여 더욱 단단해짐으로써 강성이 높아진다. 본 발명의 일실시예로서, 자기민감고무(130)는 폴리머, 실리콘 고무 또는 천연고무 등과 같은 재료에 철가루와 같은 작은 입자를 첨가함으로써 마련될 수 있으며, 이에 자기장이 가해지면 입자 배열이 즉각적으로 바뀌어 강성이 변하게 된다.
이에 따라, 운동방정식에서 진동에 영향을 미치는 질량, 저감, 강성 세가지 인자들 중 저감는 자기민감고무(130)로 제어하고 강성은 자기유변유체(120)로 제어하게 됨으로써 진동을 보다 효율적으로 제어할 수 있다.
또한, 본 발명은 자기민감고무(130) 및 자기유변유체(120)에 자기장을 형성하기 위하여 피복된 케이블 전체에 코일(140)을 감는다. 상기 코일(140)에 전류가 흐르게 되면 코일(140) 내부에 자기장이 형성되어 자기장 케이블(100) 내부의 자기민감고무(130) 및 자기유변유체(120)의 진동저감능력이 증가하게 된다.
도 3(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명은 상기 연선(110)의 내부에 형성된 소선(111)과 소선(111) 사이의 공극에도 자기유변유체(120)가 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 자기장 케이블(100)을 포함하는데, 상술한 바와 같이, 연선(110) 내부에 존재하는 다수의 소선(111)들도 원형단면을 갖고 있어 각 소선(111)과 소선(111) 사이에는 공극이 존재하므로, 본 발명은 자기장 케이블(100)의 내부뿐만 아니라 연선(110) 내부의 공극에도 자기유변유체(120)를 충진하여 자기장의 변화에 따라 진동제어 기능을 갖도록 한 것이다.
다만, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 연선(110) 내부의 자기민감고무(130) 및 자기유변유체(120)를 제어하기 위해서는 연선(110)에 코일(140)을 감아줘야 한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 연선은 피복이 되지 않은 경우도 있으므로, 피복전 또는 피복후의 연선에 코일(140)을 감아 전류를 코일(140)에 흐르게 하여 자기장을 발생시켜 자기민감고무(130) 및 자기유변유체(120)의 진동저감능력을 증가시킬 수 있다.
또한, 자기장 케이블(100) 또는 연선(110) 내부의 소선(111)은 부식이 발생하기 쉽기 때문에 본 발명에서는 이러한 부식을 방지하기 위해 도금 절차를 거쳐 제품의 수명을 연장시킬 수 있다.
또한, 본 발명의 연선(110)은 피복이 안된 것은 물론이고, 피복이 된 것도 포함하는데, 연선(110)을 부식 등으로부터 보호하기 위하여 피복(113)을 하는 것이 바람직할 것이다.
본 발명의 다른 측면에 따른 구조물에 작용하는 진동 저감 구조(200)는, 상기 자기장 케이블(100)과, 자기장 케이블(100)이 구비된 구조물에 설치된 센서(210)와, 센서(210)를 통해 진동을 측정하는 진동측정부(220)와, 진동측정부(220)에서 측정된 진동의 크기에 따라 계산된 전류를 자기장 케이블(100)의 코일(140)에 연결된 전원부(230)로 송신하는 제어부(240)를 포함하여 구성될 수 있다.
도 8에 도시된 바와 같이, 사장교나 현수교에 바람이나 지진과 같은 진동이 가해졌을 때, 구조물에 설치된 센서(210)가 작동하여 상기 진동을 감지하고 상기 감지된 진동자료를 송신 받은 진동측정부(220)에서 진동의 크기가 계산되며, 제어부(240)는 진동측정부(220)에서 계산된 진동의 크기에 따라 전류를 계산하고, 계산된 전류를 상기 자기장 케이블(100) 또는 연선(110)에 감겨진 코일(140)에 연결된 전원부(230)로 송신하여 감겨진 코일(140)에 전류가 흐르게 하여 그 내부에 자기장 을 발생시키므로 상기 자기장에 따라 자기민감고무(130) 및 자기유변유체(120)의 진동저감능력이 증가하여 진동을 적절히 제어할 수 있게 된다.
도 1은 종래의 진동저감장치가 설치된 사장교의 개략도,
도 2는 소선과 연선으로 구성된 일반적인 케이블의 단면도,
도 3은 본 발명에 의한 자기장 케이블(a) 및 연선(b)의 단면도,
도 4는 본 발명에 의한 코일을 감은 연선의 사시도,
도 5는 입력전압에 따른 자기유변유체의 제어력을 나타낸 그래프,
도 6은 도금된 소선, 자기민감고무 및 자기유변유체로 구성된 자기장 케이블의 단면도,
도 7은 자기민감고무 및 자기유변유체가 구비되며 피복되지 않은 연선으로 구성된 자기장 케이블의 단면도,
도 8은 자기민감고무 및 자기유변유체를 이용한 사장교(a) 및 현수교(b)의 진동 저감 구조의 구성도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
110: 연선 111: 소선
120: 자기유변유체 130: 자기민감고무
140: 코일 210: 센서
220: 진동측정부 230: 전원부
240: 제어부

Claims (5)

  1. 원형단면을 갖는 다수의 소선; 상기 소선과 소선 사이의 공극을 충진하는 자기유변유체; 상기 소선들과 함께 구비된 자기민감고무; 및 상기 자기유변유체와 상기 자기민감고무에 자기장이 발생되도록 상기 소선들과 상기 자기민감고무를 함께 감는 코일;을 포함하며,
    상기 소선들은 일정 개수별로 묶이어 연선들을 구성하고, 상기 자기민감고무는 상기 연선들에 적어도 하나씩 구비되며, 상기 자기유변유체는 상기 연선과 연선 사이의 공극에도 충진되고, 상기 코일은 상기 연선들을 하나로 묶는 피복에 감긴 것을 특징으로 하는 구조물에 작용하는 진동을 저감시키는 자기장 케이블.
  2. 삭제
  3. 제1항에 있어서,
    상기 자기유변유체는 상기 코일로 인가되는 전류에 의해 형성되는 자기장으로 인하여 고형화가 진행되는 것을 특징으로 하는 구조물에 작용하는 진동을 저감시키는 자기장 케이블.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 자기민감고무는 상기 코일로 인가되는 전류에 의해 형성되는 자기장으로 인하여 더욱 단단해지는 것을 특징으로 하는 구조물에 작용하는 진동을 저감시키는 자기장 케이블.
  5. 제1항, 제3항, 및 제4항 중 어느 한 항의 자기장 케이블;
    상기 자기장 케이블을 구비하는 구조물에 설치된 센서;
    상기 센서를 통해 진동을 측정하는 진동측정부; 및
    상기 진동측정부에서 측정된 진동의 크기에 따라 계산된 전류를 상기 자기장 케이블의 코일에 연결된 전원부로 송신하는 제어부;
    를 포함하는 구조물에 작용하는 진동 저감 구조.
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