KR101166258B1

KR101166258B1 - 건설구조물의 진동제어장치

Info

Publication number: KR101166258B1
Application number: KR1020090105183A
Authority: KR
Inventors: 김윤석; 신군재; 김창현
Original assignee: (주)비코시스템; (주)티이솔루션
Priority date: 2009-11-02
Filing date: 2009-11-02
Publication date: 2012-07-16
Also published as: KR20110048404A

Abstract

본 발명의 실시예에 따라 구조물에 설치되어 그 진동을 흡수하여 감쇠하는 진동제어장치는, 건설구조물에 고정되고 힌지축을 구비한 고정프레임, 상기 프레임의 상기 힌지축에 회전 가능하도록 연결되어 수평 방향으로 배치되는 수평 캔틸레버, 상기 힌지축으로부터 설정된 거리에서 상기 수평 캔틸레버에 장착되는 질량체, 상기 힌지축으로부터 설정된 거리에서 상기 수평 캔틸레버를 지지하도록 장착되는 탄성체, 및 상기 힌지축으로부터 설정된 거리에서 상기 수평 캔틸레버에 연결되어 그 진동을 감쇠하는 감쇠기구를 포함한다.

따라서, 캔틸레버에 설치된, 질량체, 탄성체, 및 감쇠기구가 각각 힌지축과 떨어진 길이를 용이하게 조절함으로써 설치가 용이하고, 진동흡수 능력과 감쇠능력을 쉽게 조절할 수 있으며, 질량체를 여러 개의 단위질량으로 나누어 설치함으로써, 질량조절이 쉽고, 수정 작업이 용이하다.

교량, 건물, 건축, 건설, 외팔보, 캔틸레버, 진동, 제진, 장치, 스프링, 감쇠

Description

건설구조물의 진동제어장치{VIBRATION CONTROL DEVICE OF CONSTRUCTION STRUCTURE}

본 발명은 건설구조물의 진동제어장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 교량, 건축, 토목 구조물에서 발생하는 상하 진동을 감소시키기 위한 건설구조물의 진동제어장치에 관한 것이다.

일반적으로, 토목 및 건축구조물과 같은 모든 구조물(건물, 교량 등)은 풍하중, 지진하중, 차량하중, 및 보행하중 등의 외부하중에 의해서 상하방향으로 진동이 발생하게 되면, 그 상하진동이 설정된 수치를 넘을 경우 구조적 안정성 및 사용성에 악영향을 미치게 된다.

상기와 같은 상하진동을 감소시키는 방법으로써 진동제어장치(흡수장치)를 구조물의 상부, 하부, 또는 내부에 설치하여 그 진동을 흡수하는 방법이 연구되고 있다.

일반적인 진동제어장치(TMD, tuned mass damper)는 구조물의 모드질량에 대응하는 질량체, 강성을 형성하는 스프링, 및 감쇠율을 형성하는 감쇠기구로 구성된다.

질량체는 진동제어 대상구조물의 모드질량 및 목표 진동 제어율에 따라서 그 크기(중량)가 결정되며, 스프링은 진동제어 대상구조물의 고유진동주기에 따라서 그 강성의 크기가 결정된다. 그리고, 감쇠기구는 진동제어장치의 효율을 최적화하기 위한 감쇠계수를 갖는다.

일반적으로, 진동제어장치의 제작은 구조물이 완공되지 전에 구조물의 설계단계에서부터 착수하게 된다. 따라서, 구조물의 설계자로부터 구조물의 모드질량, 고유주기, 및 감쇠율 등의 수치를 제공받아 진동제어장치를 설계하게 된다.

그러나, 설계단계에서 예측한 모드질량, 고유주기, 및 감쇠율은 항상 실제 구조물이 완공 후에 나타나는 값과 차이가 발생할 수 있다.

따라서, 진동제어장치는 이러한 오차에 대해, 설치현장에서 진동제어장치의 동적 특성 즉, 가동질량, 고유주기, 및 감쇠율을 조정하는 것은 필수적이다.

가동질량을 증감시키면 고유주기가 변하게 되며, 고유주기를 조정하기 위해서는 스프링을 교체하거나 추가로 설치해야 한다. 뿐만 아니라 최적의 감쇠율을 구현하기 위해서는 감쇠기구를 교체하거나 추가로 설치해야 하는 번거로움이 있다.

현장에서 진동제어장치의 동적 특성을 조정할 경우, 기계적인 한계에 의하여 조정이 힘든 경우가 발생하여, 효율적인 진동제어장치의 구현이 불가능하게 되는 문제점이 있으며, 추가적인 질량체, 스프링, 및 감쇠기구 등의 제작비용이 발생하고, 제진장치 설치공사 기간이 증가에 따른 추가비용이 발생하는 문제점이 있다.

따라서, 본 발명은 상기한 바와 같은 문제점을 해결하기 위하여 창출된 것으로, 본 발명의 목적은 풍하중이나 지진하중 그리고 차량하중이나 보행하중에 의한 상하진동을 보다 효과적으로 저감하기 위하여 진동주기 및 감쇠율의 조정이 용이하여 진동제어장치의 튜닝(조정)을 효율적으로 수행할 수 있는 건설구조물의 진동제어장치를 제공하는 것이다.

이러한 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따라, 건설구조물의 진동을 감쇠하기 위한 진동제어장치는, 상기 건설구조물에 고정되고 힌지축을 구비한 고정프레임, 상기 고정프레임의 상기 힌지축에 회전 가능하도록 연결되어 수평 방향으로 배치되는 수평 캔틸레버, 상기 힌지축으로부터 설정된 거리에서 상기 수평 캔틸레버에 장착되는 질량체, 상기 힌지축으로부터 설정된 거리에서 상기 수평 캔틸레버를 지지하도록 장착되는 탄성체, 및 상기 힌지축으로부터 설정된 거리에서 상기 수평 캔틸레버에 연결되어 그 진동을 감쇠하는 감쇠기구를 포함한다.

상기 질량체, 상기 탄성체, 및 상기 감쇠기구 중 적어도 하나는 상기 힌지축과의 거리가 조절 가능할 수 있고, 상기 질량체의 상기 힌지축으로부터 설정된 거리는 조절이 가능하며, 상기 탄성체의 상기 힌지축으로부터 설정된 거리는 조절이 가능하며, 상기 감쇠기구의 상기 힌지축으로부터 설정된 거리는 조절이 가능한 것이 바람직하다.

상기 질량체, 상기 탄성체, 또는 상기 감쇠기구는, 상기 캔틸레버의 길이방향으로 배치되는 가이드를 따라서 움직이고, 상기 질량체, 상기 탄성체, 또는 상기 감쇠기구를 상기 가이드에 고정하는 고정부재를 더 포함할 수 있다.

상기 질량체는 복수의 질량부재를 포함하고, 상기 힌지축과 상기 캔틸레버는 베어링을 통해서 연결될 수 있거나 상기 캔틸레버는 토션스프링를 통하여 상기 고정프레임에 연결될 수 있다.

상술한 바와 같이 본 발명에 따른 건설구조물의 진동제어장치에 의하면, 캔틸레버에 설치된, 질량체, 탄성체, 및 감쇠기구가 각각 힌지축과 떨어진 길이를 용이하게 조절함으로써 설치가 용이하고, 진동흡수 능력과 감쇠능력을 쉽게 조절할 수 있으며, 질량체를 여러 개의 단위질량으로 나누어 설치함으로써, 질량조절이 쉽고, 수정작업이 용이하다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 건설구조물의 진동제어장치가 교량에 적용된 모습을 개략적으로 보여준다.

도 1을 참조하면, 진동제어장치(100)는 교량의 상판의 상부면에 장착되거나, 상판의 하부면에 장착된다. 한편, 상기 진동제어장치(100)는 진동이 발생되는 부분에 설치되므로, 그 설치부분에 대한 제한은 없다.

상기 교량(105)이 바람, 지진, 교통흐름, 및 군중의 움직임 등으로 흔들리는데, 본 발명의 실시예에 따른 상기 진동제어장치(100)는 그 흔들림의 진동폭을 감 소/제거하여 그 내구성과 안정성을 동시에 향상시키는 효과를 발휘한다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 건설구조물의 진동제어장치가 건물에 적용된 모습을 개략적으로 보여준다.

도 2를 참조하면, 진동제어장치(100)는 건물(205)의 층 사이 바닥의 상부면, 또는 하부면에 장착될 수 있다.

상기 건물(205)이 바람, 지진, 등으로 흔들리는데, 본 발명의 실시예에 따른 상기 진동제어장치(100)는 그 흔들림의 진동폭을 감소/제거하여 상기 건물(205)의 내구성과 안정성을 동시에 향상시키는 효과를 발휘한다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 진동제어장치(100)는 흔들림을 감소시켜 건설구조물의 안정성을 향상시킬 뿐만 아니라, 건설구조물을 이용하는 이용자들의 마음을 안정시키는 심미적인 효과도 크다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 건설구조물의 진동제어장치의 개략적인 측면도이고, 도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 건설구조물의 진동제어장치의 개략적인 평면도이다.

도 3 및 도 4를 참조하면, 진동제어장치는 고정프레임(305), 수평 캔틸레버(300), 질량체(310), 탄성체(320), 및 감쇠기구(330)를 포함한다. 여기서, 상기 고정프레임(305)은 힌지(305a), 서포트(305b), 및 하부고정부재(305c)를 포함한다.

건설구조물 즉, 교량이나 건물에 상기 하부고정부재(305c)가 고정되고, 그 위로 상기 서포트(305b)가 양측에 고정 설치되고, 양측에 설치된 상기 서포트(305b)를 연결하여 상기 힌지축(305a)이 구비된다.

여기서, 상기 수평 캔틸레버(300)의 일단부가 상기 힌지축(305a)에 회전 가능하도록 연결되고, 상기 힌지축(305a)의 반대측 방향의 상기 수평 캔틸레버(300)에는 상기 질량체(310)가 구비된다.

여기서, 상기 질량체(310)는 여러 개의 단위 질량부재들(310a)을 포함한다. 여기서, 상기 질량체(310)의 무게에 따라서 상기 수평 캔틸레버(300)의 상하방향 진동주기가 가변된다.

상기 수평 캔틸레버(300)의 하부에는 그 길이방향으로 가이드(340a)가 배치되고, 상기 탄성체(320)의 하단부는 상기 가이드(340a)에 연결되고, 상기 탄성체(320)의 상단부는 상기 수평 캔틸레버(300)에 연결된다.

여기서, 상기 탄성체(320)는 상기 질량체(310)가 구비된 상기 수평 캔틸레버(300)를 탄성적으로 지지하여 그 상하 방향 진동주기를 조절한다.

상기 감쇠기구(330)의 하단부는 상기 가이드(340a)에 연결되고, 상기 감쇠기구(330)의 상단부는 상기 수평 캔틸레버(300)에 연결된다. 여기서, 상기 감쇠기구(330)는 상기 질량체(310)가 구비된 상기 수평 캔틸레버(300)의 진동을 감쇠한다.

한편, 상기 가이드(340a)에는 베어링부재(350a)가 구비되고, 상기 베어링부재(350a)는 상기 가이드(340a)를 따라서 슬라이딩 가능하도록 배치되며, 상기 탄성체(320)의 하단부는 상기 베어링부재(350a)에 연결된다.

아울러, 상기 탄성체(320)의 상단부는 베어링부재를 통해서 상기 수평 캔틸레버(300)에 연결된다. 아울러, 상기 감쇠기구(330)도 베어링부재를 통해서 상기 수평 캔틸레버에 연결된다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 탄성체(320) 및 상기 감쇠기구(330)는 상기 베어링부재(350a)를 통해서 상기 캔틸레버(300)의 길이방향으로 움직이는 구조를 갖고 있다.

여기서, 상기 베어링부재(350a)에는 고정볼트와 같은 고정부재(360a)가 구비되어, 상기 고정부재(360a)를 풀고, 상기 탄성체(320)와 상기 감쇠기구(330)를 상기 가이드(340a)를 따라서 움직일 수 있다.

아울러, 상기 고정부재(360a)를 조여서 상기 탄성체(320)와 상기 감쇠기구(330)를 상기 가이드(340a) 상의 기 설정된 위치에 정할 수 있다.

본 실시예에서, 여러 개의 단위질량부재들(310a)로 구성되는 상기 질량체(310)도 상기 수평 캔틸레버(300) 상에서 그 길이방향으로 움직이는 구조를 갖는다.

도면을 참조하면, 상기 캔틸레버(300)의 단부에 상기 질량체(310)가 배치되고, 상기 질량체(310)를 관통하여 가이드(340b)가 배치된다.

아울러, 상기 가이드(340b)에 너트와 같은 구조의 고정부재(360b)가 장착되고, 상기 고정부재(360b)를 회전시킴으로써 상기 질량체(310)를 상기 가이드(340b)의 길이방향으로 움직이거나 설정된 위치에 고정할 수 있다. 여기서, 상기 질량체(310)가 여러 개의 단위질량부재(310a)로 구성되므로, 무게조절이 쉽고 진동주기를 튜닝하는 것이 용이하다.

한편, 상기 감쇠기구(330)는 상기 힌지축(305a)으로부터 상기 수평 캔틸레 버(300)를 따라서 제1길이(Ld) 떨어진 지점에 배치되고, 상기 탄성체(320)는 상기 힌지축(305a)으로부터 상기 수평 캔틸레버(300)를 따라서 제2길이(Ls) 떨어진 지점에 배치되며, 상기 질량체(310)는 상기 힌지축(305a)으로부터 상기 수평 캔틸레버(300)를 따라서 제3길이(Lm) 떨어진 지점에 배치된다.

상기 힌지축(305a)으로부터 상기 질량체(310)의 무게중심 사이의 상기 제3길이(Lm)가 길어지면, 상기 진동제어장치(100)의 진동주기도 이에 정비례하여 길어진다. 반대로, 상기 제3길이(Lm)가 짧아지면 그 주기는 짧아진다. 그리고, 주기의 역수인 진동수는 상기 제3길이(Lm)의 길이에 반비례한다.

고유주기를 조정하는 한 방법은 상기 수평 캔틸레버(300)를 탄성적으로 지지하는 상기 탄성체(320)의 위치를 상기 가이드(340a) 및 상기 베어링부재(350a)를 이용하여 이동하는 것이다.

즉, 상기 힌지축(305a)으로부터 상기 탄성체(320)까지의 거리 상기 제2길이(Ls)가 길어지면 상기 진동제어장치(100)의 주기는 이에 비례하여 짧아지고, 상기 제2길이(Ls)가 짧아지면 그 주기는 길어진다. 그리고, 주기의 역수인 진동수는 상기 제2길이에 비례한다.

아울러, 상기 진동제어장치(100)의 감쇠율을 조정하기 위해서, 상기 감쇠기구(330)를 상기 가이드(340a) 및 상기 베어링부재(350a)를 이용하여 이동한다.

도 3을 참조하면, 상기 진동제어장치(100)의 감쇠율은 상기 제1길이(Ld)의 제곱에 비례하여 증가한다. 반대로 상기 제1길이(Ld)가 짧아지면 그 감쇠율은 상기 제1길이(Ld)의 제곱에 반비례한다.

본 발명의 실시예에서, 상기 질량체(310), 상기 탄성체(320), 및 상기 감쇠기구(330)의 이동이 상기 가이드(340a, 340b) 및 상기 베어링부재(350a)를 이용하였으나, 그 외의 방법도 가능하다. 여기서, 상기 가이드는 LM(linear motion) 가이드 구조를 가질 수 있다.

아울러, 상기 진동제어장치(100)를 설치할 때 그 진동주기나 감쇠율과 같은 특성들을 조정하기 위해서 상기 제1길이(Ld), 상기 제2길이(Ls), 및 상기 제3길이(Lm)를 조절하였으나, 이는 진동제어장치(100)의 제작과정이나 실험과정에서도 유용하게 사용될 수 있다.

도 5는 본 발명의 제2실시예에 따른 건설구조물의 진동제어장치의 개략적인 측면도이다.

도 5를 참조하면, 본 발명의 제2실시예에 따른 진동제어장치에는 상기 캔틸레버에 별도의 가이드가 설치된다.

도 3과 도 5의 동일한 부분에 대해서는 상세한 설명을 생략한다. 즉, 도 3에 따른 진동제어장치(100)에는 상기 수평 캔틸레버를 따라서 상기 탄성체와 상기 감쇠기구가 움직이는 구조인 반면에, 도 5에 따른 진동제어장치(100)에서는 상기 수평 캔틸레버(300)에 별도로 장착된 상기 가이드(340c)를 따라서 상기 감쇠기구(330)와 상기 탄성체(320)가 움직이는 구조를 갖는다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 건설구조물의 진동제어장치에서 힌지축과 캔틸레버의 연결부위의 실시예들을 보여준다.

도 6의 (a)를 참조하면, 상기 힌지축(305a)에 베어링(605)이 장착되고, 상기 베어링(605)의 일측 외주면에 상기 수평 캔틸레버(300)의 일단부가 연결된다. 상기 베어링(605)의 중심으로 상기 힌지축(305a)이 관통하는 구조를 갖고 있으며, 상기 수평 캔틸레버(300)의 타단부는 상기 베어링(605)을 통해서 마찰이 없이 상기 힌지축(305a)의 중심을 기준으로 회전하는 구조를 갖는다.

도 6의 (b)를 참조하면, 나선형 구조의 토션스프링(610)의 외측 일단부가 고정부재(305)에 고정되고, 그 중심부 타단부는 상기 힌지축(305a)이 고정된다. 여기서, 상기 토션스프링(610)은 상기 힌지축(305a)의 외주면 둘레를 따라서 설정된 횟수 만큼(예를 들어, 1회 내지 수회)감긴 구조를 갖고 있다.

여기서, 상기 수평 캔틸레버(300)가 상기 힌지축(305a)에 연결되고, 상기 수평 캔틸레버(300)가 상기 힌지축(305a)을 중심으로 상하로 진동하면 상기 토션스프링(610)이 탄성적으로 변형되는 구조를 갖는다.

상기 수평 캔틸레버(300)가 상기 힌지축(305a)과 상기 토션스프링(610)에 의해서 고정부재인 고정프레임에 연결되는 구조이므로 별도의 베어링을 사용하지 않아서, 내구성이 높고 마찰손실이 적은 장점이 있다.

본 발명의 실시예에 따른 상기 탄성체는 코일스프링 구조나 판 스프링 구조를 포함하여 여러 가지 타입의 탄성구조로 구성될 수 있다.

아울러, 상기 감쇠기구는 그 내부에 오일이나 가스가 봉입된 구조를 갖고 있으며, 그 상세한 구조에 대한 설명은 생략한다.

이상으로 본 발명에 관한 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되지 아니하며, 본 발명의 실시예로부터 당해 발명이 속하는 기술분 야에서 통상의 지식을 가진 자에 의한 용이하게 변경되어 균등하다고 인정되는 범위의 모든 변경을 포함한다.

도 3은 본 발명의 제1실시예에 따른 건설구조물의 진동제어장치의 개략적인 측면도이다.

도 4는 본 발명의 제1실시예에 따른 건설구조물의 진동제어장치의 개략적인 평면도이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100: 진동제어장치

105: 교량

205: 건물

300: 수평 캔틸레버

305: 고정프레임

305a: 힌지

305b: 서포트

305c: 하부고정부재

310: 질량체

310a: 단위질량부재

320: 탄성체

330: 감쇠기구

340a, 340b, 340c: 가이드

350a: 베어링부재

360a, 360b: 고정부재

Ld, Ls, Lm: 제1길이, 제2길이, 제3길이

605: 베어링

610: 토션스프링

Claims

건설구조물의 진동을 감쇠하기 위한 진동제어장치로서,

상기 건설구조물에 고정되고 힌지축을 구비한 고정프레임;

상기 고정프레임의 상기 힌지축에 회전 가능하도록 연결되어 수평 방향으로 배치되는 수평 캔틸레버;

상기 힌지축으로부터 설정된 거리에서 상기 수평 캔틸레버에 장착되는 질량체;

상기 힌지축으로부터 설정된 거리에서 상기 수평 캔틸레버를 지지하도록 장착되는 탄성체; 및

상기 힌지축으로부터 설정된 거리에서 상기 수평 캔틸레버에 연결되어 그 진동을 감쇠하는 감쇠기구; 를 포함하고,

상기 질량체, 상기 탄성체, 및 상기 감쇠기구 중 적어도 하나는 상기 힌지축과의 거리가 조절 가능한 것을 특징으로 하는 건설구조물의 진동제어장치.
삭제
제1 항에서,

상기 질량체의 상기 힌지축으로부터 설정된 거리는 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 건설구조물의 진동제어장치.
제3 항에서,

상기 탄성체의 상기 힌지축으로부터 설정된 거리는 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 건설구조물의 진동제어장치.
제1 항에서,

상기 감쇠기구의 상기 힌지축으로부터 설정된 거리는 조절이 가능한 것을 특징으로 하는 건설구조물의 진동제어장치.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에서,

상기 질량체, 상기 탄성체, 또는 상기 감쇠기구는, 상기 캔틸레버의 길이방향으로 배치되는 가이드를 따라서 움직이는 것을 특징으로 하는 건설구조물의 진동제어장치.
제6 항에서,

상기 질량체, 상기 탄성체, 또는 상기 감쇠기구를 상기 가이드에 고정하는 고정부재; 를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 건설구조물의 진동제어장치.
제1항, 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에서,

상기 질량체는 복수의 질량부재를 포함하는 것을 특징으로 하는 건설구조물의 진동제어장치.
제1항, 제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에서,

상기 힌지축과 상기 캔틸레버는 베어링을 통해서 연결되는 것을 특징으로 하는 건설구조물의 진동제어장치.
제3항 내지 제5항 중 어느 한 항에서,

상기 캔틸레버는 토션스프링를 통하여 상기 고정프레임에 연결되는 것을 특징으로 하는 건설구조물의 진동제어장치.