KR101389771B1 - 고집적 제진댐퍼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 원주 방향으로 배열되어 다수 개로 집중되어 있는 댐핑요소를 가지고 진동 에너지를 소산시키고, 제진폭을 크게 할 수 있도록 한 토글식 고집적 제진댐퍼를 제공한다. 본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 서로 대향하는 한 쌍의 제1 및 제2링크 지지몸체와; 상호 일단이 겹쳐저 힌지 연결되고 상호 타단이 제1링크 지지몸체와 제2링크 지지몸체에 각기 힌지 연결되어 원주 방향으로 일정 간격을 두고 배치되어 있는 복수쌍의 제1링크 및 제2링크와; 상기 제1링크와 제2링크가 연결되는 힌지 부위에 각기 설치되어 댐핑요소에 면압을 일으키는 조임볼트; 및 상기 조임볼트에 삽입되어 상기 제1링크와 제2링크의 사이에 배치되어 있는 댐핑요소가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

고집적 제진댐퍼{High Density Damper}

본 발명은 제진댐퍼에 관한 것으로, 특히 원주 방향으로 배열되어 다수 개로 집중되어 있는 댐핑요소를 가지고 진동 에너지를 소산시키고, 제진폭을 크게 할 수 있도록 한 고집적 제진댐퍼에 관한 것이다.

제진장치에는 강재의 항복 메커니즘을 이용하여 에너지를 소산하도록 제작된 강재 댐퍼(Metallic Damper), 마찰메커니즘을 에너지 소산 장치로 사용한 마찰 댐퍼(Friction Damper), 속도 의존성을 보이는 점성 물질을 이용하여 입력 에너지를 소산시키는 점성 댐퍼(Viscous Damper), 속도 의존성과 변위 의존성을 함께 보이는 점·탄성물질을 이용하여 시스템으로 입력되는 에너지를 소산시키는 점탄성 댐퍼 등이 있다. 이 같은 강재 댐퍼, 마찰 댐퍼, 점성 댐퍼 등을 시발점으로 최근 20년 동안 제진장치는 지진공학 및 구조공학계로부터 구조물의 내진성능을 향상시킬 수 있는 하나의 방법으로 폭넓은 인정을 받기 시작하였으며 그 적용성이 점점 증가되고 있는 추세이다.

그러나 제진장치를 사용한 제진구조물의 우수한 내진성능에 대한 연구와 다양한 실 적용사례가 있음에도 불구하고 중약진 지역으로 분류되고 있는 국내에서는 제진장치의 사용이 지극히 제한적인 것이 현실이다. 그러나 최근 들어 일본에서 발생한 지진으로 인한 간접 피해에 대한 우려가 확산되고 지진 피해 지역에 대한 불확실성이 증가되면서 국내의 제진장치에 대한 연구와 적용을 위한 시도가 활발히 진행되고 있다.

하지만, 강재 댐퍼는 소성변형으로 인하여 잔류변형이 발생하여 댐퍼를 교체해야 하는 단점이 있고, 마찰 댐퍼의 경우 마찰력도 중요하지만 반복횟수가 증가함에 따라 발생하는 마찰재의 마모, 마찰열로 인한 모재의 팽창등 다양하고 복잡한 마찰현상으로 인한 내력 감소와 강기간 수직압력이 작용된 상태에서의 마찰거동이 발생하지 않을 경우 발생할 수 있는 Cold Welding 등으로 인한 마찰력의 불확실성이 제거되어야 한다는 단점이 있다. 뿐만 아니라, 강재 댐퍼와 마찰 댐퍼는 작동 후 잔류변형이 발생하므로 탄성설계를 지향하는 내풍설계 개념과 어울리지 않아 바람에 의한 진동제어에는 사용할 수 없는 추가적인 단점이 있다. 점성 댐퍼는 지속적인 유지관리와 아울러 강재댐퍼나 마찰 댐퍼에 비하여 고가인 점이 단점이라 할 수 있다.

최근 지진에 대한 구조물의 설계에서 급격한 도시화, 인구집중, 건물의 고층화 등의 영향으로 인하여 지진으로 인한 경제적인 피해를 최소화하기 위하여 설계지진보다 큰 최대레벨지진에 대한 통계적 안전율을 검토하는 것이 국제적인 추세이다. 경제성을 고려할 때, 앞서 언급한 개별 댐퍼를 구조물에 장착하여 바람과 지진으로 인한 구조물의 진동을 동시에 제어하기에는 어려움이 있을 뿐만 아니라 국제적인 추세인 최대레벨지진에 대한 적절한 안전율을 확보하기는 더욱 힘들어진다.

본 발명의 배경이 되는 기술로는 한국 등록특허 등록번호 제10-0977041호로서 '건축물의 제진용 헌치'가 있다. 이는 건축물의 보-기둥 접합부 또는 벽체-바닥판 접합부에 설치되는 건축물의 제진용 헌치로서, 보 또는 바닥판에 고정되는 수평판과; 기둥 또는 벽체에 고정되는 수직판과; 일측이 상기 수평판 및 상기 수직판에 힌지 결합되어 진동을 흡수하며, 적어도 하나 이상의 납심을 가지는 제진유닛과; 일단이 힌지부를 매개로 상기 수평판에 힌지 결합되고 타단이 상기 제진 유닛의 타측에 결합되는 제1 링크와; 일단이 힌지부를 매개로 상기 수직판에 힌지 결합되고 타단이 상기 제진 유닛의 타측에 결합되는 제2 링크를 포함하여, 복수의 링크 및 제진 유닛에 의해 건축물에 입력되는 에너지(지진력 등)가 효율적으로 흡수됨으로써 건축물의 변형을 최대한 방지할 수 있게 되어 있다.

그러나 상기 배경기술은 제진폭이 작아 구조물의 큰 변형 에너지를 소산시키기 어려운 단점을 가진다.

한국 등록특허 등록번호 제10-1070259호 한국 등록특허 등록번호 제10-0982240호

본 발명은 원주 방향으로 배열되어 다수 개로 집중되어 있는 댐핑요소를 가지고 진동 에너지를 소산시키고, 제진폭을 크게 할 수 있도록 한 토글식 고집적 제진댐퍼를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면,

서로 대향하는 한 쌍의 제1 및 제2링크 지지몸체와;

상호 일단이 겹쳐져 힌지 연결되고 상호 타단이 제1링크 지지몸체와 제2링크 지지몸체에 각기 힌지 연결되어 원주 방향으로 일정 간격을 두고 배치되어 있는 복수쌍의 제1링크 및 제2링크와;

상기 제1링크와 제2링크가 연결되는 힌지 부위에 각기 설치되어 댐핑요소에 면압을 일으키는 조임볼트; 및

상기 조임볼트에 삽입되어 상기 제1링크와 제2링크의 사이에 배치되어 있는 댐핑요소가 구비되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 제1링크 지지몸체는 제1엔드 연결구와; 열십자형 단면을 갖고 제1엔드 연결구에 연결된 제1간격부재와; 상기 제1간격부재의 열십자형 단면의 직각면에 각기 장착되어 있는 L자형 단면을 갖는 복수 개의 링크 연결부재로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 제2링크 지지몸체는 제2엔드 연결구와; 열십자형 단면을 갖고 제2엔드 연결구에 연결된 제2간격부재로 이루어진 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 댐핑요소는 판상형의 고감쇠 고무인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 댐핑요소는 알루미늄 또는 알루미늄합금에 세라믹입자를 분산강화시킨 알루미늄 복합재료, 탄소-탄소 복합재, 금속섬유를 사용하는 세미 메탈릭계 마찰재, 금속섬유 및 유ㆍ무기계 섬유를 혼용 사용하는 로 스틸계 마찰재, 금속섬유를 전혀 사용하지 않고 유ㆍ무기계 섬유만 사용하는 논스틸계 마찰재 중 어느 하나로 제작된 마찰패드로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 댐핑요소는 원판의 표면에 마찰패드가 돌출되어 원주 방향으로 다수 개로 배열되어 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 토글식 고집적 제진댐퍼에 의하면 링크간 힌지 부위를 통해 원주 방향으로 배열되어 다수 개로 집중되어 있는 댐핑요소를 가지고 진동 에너지를 소산시켜 제진 성능이 향상되고, 직선 운동을 댐핑요소에 회전 운동으로 변환시켜서 탄성 변형 또는 마찰을 일으킴으로써 제진폭을 크게 할 수 있다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 토글식 고집적 제진댐퍼의 사시도.
도 2는 도 1의 A-A선 단면도.
도 3은 본 발명에 따른 토글식 고집적 제진댐퍼의 정면도.
도 4a는 본 발명에 적용되는 마찰패드의 일예를 나타낸 평면도.
도 4b는 도 4a의 B-B선 단면도.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

도 1 내지 도 3과 같이 본 실시 예에 따른 제진댐퍼(10)는 서로 대향하는 한 쌍의 제1 및 제2링크 지지몸체(20,30)가 구비된다. 제1 및 제2링크 지지몸체(20,30)는 일정한 간격을 두고 일직선(X)에 서로 마주보고 배치된다.

제1링크 지지몸체(20)는 제1엔드 연결구(21)와, 열십자형 단면부(221)를 갖고 제1엔드 연결구(21)에 연결된 제1간격부재(22)와, 제1간격부재(22)의 열십자형 단면부(221)의 직각면에 각기 장착되어 있는 L자형 단면을 갖는 복수 개의 링크 연결부재(23)로 이루어져 있다.

제1엔드 연결구(21)는 연결구멍(21a)을 갖는 한 쌍의 플레이트로 구성되어 있다. 제1엔드 연결구(21)는 볼트(B1)와 너트(N1)의 체결을 통해 제1간격부재(22)와 연결되어 있다. 본 발명에서 제1엔드 연결구(21)는 이러한 판형 구조에 한정되는 것은 아니다. 제1간격부재(22)에서 열십자형 단면부(221)의 두께는 후술할 제1링크(40)의 두께와 같거나 이보다 약간 크게 구성할 수 있다. 링크 연결부재(23)는 L자형 단면을 갖기 때문에 L형강으로 제작될 수 있다. 이때 링크 연결부재(23)의 일단은 제1간격부재(22)에 복수 개의 볼트(B2)와 너트(N2)를 통해 연결되어 있다.

제2링크 지지몸체(30)는 제2엔드 연결구(31)와 열십자형 단면부(321)을 갖고 제2엔드 연결구(31)에 연결된 제2간격부재(32)로 이루어져 있다. 제2엔드 연결구(31)는 연결구멍(31a)을 갖는 한 쌍의 플레이트로 구성되어 있다. 제2엔드 연결구(31)는 볼트(B3)와 너트(N3)의 체결을 통해 제2간격부재(32)와 연결되어 있다. 본 발명에서 제2엔드 연결구(31)는 이러한 판형 구조에 한정되는 것은 아니다.

제1링크 지지몸체(20)와 제2링크 지지몸체(30)의 사이에는 원주 방향으로 일정 간격을 두고 배치되어 있는 복수쌍의 제1링크 및 제2링크(40,50)가 설치되어 있다. 각 쌍의 제1링크(40)와 제2링크(50)는 각기 그의 일단이 겹쳐저 조임볼트(60)를 통해 힌지 연결되어 있다. 이때 제1링크(40)의 타단은 제1링크 연결부재(23)에 제2링크(50)의 타단은 제2간격부재(32)에 각기 볼트와 너트를 통해 힌지 연결되어 있다. 이때 각 쌍의 제1링크(40)와 제2링크(50)는 내측으로 일정하게 벌어진 가변각(θ)을 갖고 있다. 이 가변각()은 최초에 180˚ 보다는 작고 45˚보다는 크게 설정된다. 본 실시 예에서 제2링크(50)는 한 쌍으로 구성하였으나 하나의 몸체로 구성될 수도 있다.

조임볼트(60)는 제1링크(40)와 제2링크(50)가 연결되는 힌지 부위에 각기 설치되어 너트(62)와의 체결력으로 댐핑요소(70)에 가해지는 면압을 조절할 수 있게 되어 있다.

조임볼트(60)에는 댐핑요소(70)가 삽입되어 있다. 본 실시 예에서 댐핑요소(70)는 제1링크(40)와 제2링크(50)의 사이에 배치되어 있다. 본 실시 예에서 제2링크(50)는 한 쌍으로 구성되어 하나의 조임볼트(60)에 2개의 댐핑요소(70)가 설치되어 있다. 따라서 본 실시 예에서 제1링크(40)와 제2링크(50)는 원주 방향으로 90도 간격마다 설치되어 모두 4개소에 설치되므로 댐핑요소(70)는 모두 8개가 설치된다.

댐핑요소(70)는 예로 높은 탄성 강성과 큰 에너지 소산능력을 갖는 판상형의 고감쇠 고무가 될 수 있다. 고감쇠 고무는 개별적으로 제작되어 설치되거나 형틀내에서 사출하여 설치될 수 있다. 댐핑요소(70)는 다른 예로 판상형의 마찰패드로 구성될 수 있다. 마찰패드는 알루미늄 또는 알루미늄합금에 세라믹입자를 분산강화시킨 알루미늄 복합재료, 탄소-탄소 복합재, 금속섬유(Steel-Fiber)를 사용하는 세미 메탈릭(Semi-Metalic)계 마찰재, 금속섬유 및 유ㆍ무기계 섬유를 혼용 사용하는 로 스틸(Low-Steel)계 마찰재, 금속섬유를 전혀 사용하지 않고 유ㆍ무기계 섬유만 사용하는 논스틸(Non-Steel)계 마찰재 중 어느 하나로 제작된 것이 될 수 있다. 또한 댐핑요소(70)는 도 4a 및 도 4b와 같이 원판(71)의 표면에 마찰패드(72)가 돌출되어 원주 방향으로 다수 개로 배열되어 구성된 것이 될 수 있다.

이와 같이 구성된 제진댐퍼의 작용을 설명한다.

먼저, 제진댐퍼(10)는 제1 및 2엔드 연결구(21,31)에 작용하는 하중의 방향에 따라 제1링크(40)와 제2링크(50)의 가변각(θ)이 감소되거나 증가되면서 제진을 수행한다.

즉, 도 3과 같이 제1 및 2엔드 연결구(21,31)에 화살표 C방향으로 압축 하중이 작용하면 제1링크 지지몸체(20)와 제2링크 지지몸체(30)는 서로 가까운 방향으로 이동하게 되고, 이 과정에서 하나의 댐핑요소(70)를 살펴보면 서로 방향을 달리하는 전단력이 작용하게 된다. 그 결과 제1링크(40)와 제2링크(50)의 가변각(θ)은 작아진다. 따라서 댐핑요소(70)가 고감쇠 고무로 제작된 경우 탄성 변형이 일어나고 이 과정에서 발생되는 전단 변형의 저항으로 진동 에너지를 흡수하게 된다.

또한 제1 및 2엔드 연결구(21,31)에 화살표 T방향으로 인장 하중이 작용하면 제1링크 지지몸체(20)와 제2링크 지지몸체(30)는 서로 먼 방향으로 이동하게 되고, 이 과정에서 하나의 댐핑요소(70)를 살펴보면 서로 방향을 달리하는 전단력이 동일하게 작용하게 된다. 그 결과 제1링크(40)와 제2링크(50)의 가변각(θ)은 증가된다. 따라서 댐핑요소(70)가 고감쇠 고무로 제작된 경우 탄성 변형이 일어나고 이 과정에서 발생되는 전단 변형의 저항으로 진동 에너지를 흡수하게 된다.

여기서 제1 및 2엔드 연결구(21,31)에 작용하는 방향에 상관없이 댐핑요소(70)가 마찰패드인 경우 마찰 에너지로 지진 하중을 소산시키게 된다.

이와 같이 작용하는 제진댐퍼(10)는 원주 방향으로 배열되어 다수 개로 집중되어 있는 댐핑요소(70)를 가지고 있기 때문에 에너지 소산능력이 커진다. 또한 제1링크(40)와 제2링크(50)의 가변각을 이용함으로써 제진폭을 크게 할 수 있다.

따라서 제진댐퍼(10)는 예로 도 5와 같이 보(1)와 기둥(2)에 브레이스(100)를 통해 설치되어 토글댐퍼와 유사하게 변위를 증폭시켜 제진을 수행할 수 있다.

한편, 본 발명은 90간격마다 제1링크(40)와 제2링크(50)를 배열하는 구조로 구성하였으나 제1 및 제2링크 지지몸체(20,30)의 형상과 구조 및 크기를 변경하여 그 각도보다 작은 각도의 간격을 가지고 설치될 수도 있다. 또한 위 실시 예와 반대로 제2링크(50)는 제1링크 지지몸체(20)측에 제1링크(40)는 제2링크 지지몸체(30)측에 설치되어 구성될 수도 있다.

지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

20: 제1링크 지지몸체
21: 제1엔드 연결구
22: 제1간격부재
23: 링크 연결부재
30: 제2링크 지지몸체
31: 제2엔드 연결구
32: 제2간격부재
40: 제1링크
50: 제2링크
60: 조임볼트
70: 댐핑요소

Claims (6)

1. 서로 대향하는 한 쌍의 제1 및 제2링크 지지몸체(20,30)와;
   상호 일단이 겹쳐져 힌지 연결되고 상호 타단이 제1링크 지지몸체(20)와 제2링크 지지몸체(30)에 각기 힌지 연결되어 원주 방향으로 일정 간격을 두고 배치되어 있는 복수쌍의 제1링크 및 제2링크(40,50)와;
   상기 제1링크(40)와 제2링크(50)가 연결되는 힌지 부위에 각기 설치되어 댐핑요소(70)에 면압을 일으키는 조임볼트(60); 및
   상기 조임볼트(60)에 삽입되어 상기 제1링크(40)와 제2링크(50)의 사이에 배치되어 있는 댐핑요소(70)를 포함하며,
   제1링크 지지몸체(20)는
   제1엔드 연결구(21)와;
   열십자형 단면을 갖고 제1엔드 연결구(21)에 연결된 제1간격부재(22)와;
   상기 제1간격부재(22)의 열십자형 단면의 직각면에 각기 장착되어 있는 L자형 단면을 갖는 복수 개의 링크 연결부재(23)로 이루어지고,
   제2링크 지지몸체(30)는
   제2엔드 연결구(31)와;
   열십자형 단면을 갖고 제2엔드 연결구(31)에 연결된 제2간격부재(32)로 이루어진 것을 특징으로 하는 토글식 고집적 제진댐퍼.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1항에 있어서,
   상기 댐핑요소(70)는 판상형의 고감쇠 고무인 것을 특징으로 하는 토글식 고집적 제진댐퍼.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 댐핑요소(70)는 알루미늄 또는 알루미늄합금에 세라믹입자를 분산강화시킨 알루미늄 복합재료, 탄소-탄소 복합재, 금속섬유(Steel-Fiber)를 사용하는 세미 메탈릭(Semi-Metalic)계 마찰재, 금속섬유 및 유ㆍ무기계 섬유를 혼용 사용하는 로 스틸(Low-Steel)계 마찰재, 금속섬유를 전혀 사용하지 않고 유ㆍ무기계 섬유만 사용하는 논스틸(Non-Steel)계 마찰재 중 어느 하나로 제작된 마찰패드로 구성된 것을 특징으로 하는 토글식 고집적 제진댐퍼.
6. 제 5항에 있어서,
   상기 댐핑요소(70)는 원판(71)의 표면에 마찰패드(72)가 돌출되어 원주 방향으로 다수 개로 배열되어 구성된 것을 특징으로 하는 토글식 고집적 제진댐퍼.

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