KR101400414B1 - 건축 구조물의 능동형 액체 댐퍼 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 건축 구조물의 능동형 액체 댐퍼는, 건축 구조물의 움직임에 따라 수조내의 액체를 액추에이터를 이용해 건축 구조물의 움직임과 반대방향으로 이동시킴으로써, 상기 건축 구조물의 움직임에 따른 감쇠율 제어가 가능하여, 보다 정확하고 효율적으로 건축 구조물의 진동 감쇠를 제어할 수 있는 효과가 있다. 또한, 수조 크기에 비해 감쇠 효과가 크기 때문에, 설치 공간에 대한 제약이 해소될 수 있으며, 구조가 간단하기 때문에 제작, 설치 및 유지 비용이 절감될 수 있는 이점이 있다.

Description

건축 구조물의 능동형 액체 댐퍼{Active Liquid Column Damper for building construction}

본 발명은 건축 구조물의 능동형 액체 댐퍼에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지진이나 바람 등에 의한 건축 구조물의 움직임에 따라 액체의 유동을 제어하여, 건축 구조물의 진동 감쇠 효과가 향상될 수 있는 건축 구조물의 능동형 액체 댐퍼에 관한 것이다.

최근 건축 구조물의 초고층화가 늘어나고 있는 추세인 바, 건축 구조물 높이의 증가는 건물의 유연성 증가로 인한 구조적 감쇠의 감소를 초래하게 된다. 지진이나 바람 등의 풍하중에 의해 건물의 수평 진동이 발생하며, 건물의 상층부로 갈수록 진동이 심하기 때문에 사용자의 구토 및 어지럼 증상 등의 불쾌감 유발과 신뢰성 및 안정성이 저하된다. 이러한 건물의 수평 진동을 감쇠시키기 위해 건물의 상층부에 감쇠장치(Damper)를 설치한다. 상기 댐퍼는, 질량체의 관성력에 의한 힘을 이용해 건물의 진동을 저감시키는 질량형 댐퍼(Tuned Mass Damper, TMD)와, 액체의 출렁임을 이용해 건물의 진동을 저감시키는 액체형 댐퍼(Tuned Liquid Column Damper, TLCD)로 구분된다. 상기 질량형 댐퍼는, 스프링의 강성을 조절하여 구조물의 주기에 동조시키는 것으로 추가적인 부가 설비가 필요하며, 상기 액체형 댐퍼는 수조내의 액체 수위를 조절하여 건물의 주기에 동조시키기 때문에 설치 및 유지관리가 용이하다.

한국공개특허 2010-0039952호에서는 진동 감쇠율 조절이 가능한 유체식 제진장치가 개시되어 있으며, 이 유체식 제진장치는 구조물의 진동시 제진 유체가 수동적으로 움직이면서 진동을 감쇠시킨다. 이러한 수동형 액체 댐퍼는 최적의 감쇠율을 얻기 위해서 액체가 충진되는 수조의 크기와 액체의 양이 증가되어야 하기 때문에, 설치 공간에 제약이 따르므로 다양한 건축물에 설치가 용이하지 못한 문제점이 있을 뿐만 아니라, 감쇠율의 조절이 어려운 문제점이 있다.

본 발명의 목적은, 구조가 간단하면서도 제어 효율이 향상될 수 있는 건축 구조물의 능동형 액체 댐퍼를 제공하는 데 있다.

본 발명에 따른 건축 구조물의 능동형 액체 댐퍼는, 건축 구조물의 상층부에 설치되고, 액체가 수용된 수조와, 상기 건축 구조물의 움직임을 감지하는 센서와, 상기 수조내의 액체를 가압하여, 상기 액체를 상기 건축 구조물이 움직이는 방향과 반대방향으로 이동시키는 액추에이터와, 상기 센서에서 감지된 값에 따라 상기 액추에이터를 작동시키는 제어부를 포함한다.

본 발명의 다른 측면에 따른 건축 구조물의 능동형 액체 댐퍼는, 건축 구조물의 상층부에 설치되고 액체가 채워지는 메인 수조부와, 상기 메인 수조부에서 연직방향으로 연장 형성되어 상기 액체가 부분적으로 충진되는 복수의 실린더 수조부들과, 상기 복수의 실린더 수조부들의 상측을 상호 연결하여, 공기를 이동시키는 공기 이동관과, 상기 복수의 실린더 수조부들 중 적어도 하나의 액체를 가압하여, 상기 액체를 상기 건축 구조물이 움직이는 방향과 반대방향으로 이동시키는 액추에이터와, 상기 건축 구조물의 가속도를 감지하는 센서와, 상기 센서에서 감지된 값에 따라 상기 액추에이터의 작동을 제어하는 제어부를 포함한다.

본 발명에 따른 건축 구조물의 능동형 액체 댐퍼는, 건축 구조물의 움직임에 따라 수조내의 액체를 액추에이터를 이용해 건축 구조물의 움직임과 반대방향으로 이동시킴으로써, 상기 건축 구조물의 움직임에 따른 감쇠율 제어가 가능하여, 보다 정확하고 효율적으로 건축 구조물의 진동 감쇠를 제어할 수 있는 효과가 있다.

또한, 수조 크기에 비해 감쇠 효과가 크기 때문에, 설치 공간에 대한 제약이 해소될 수 있으며, 구조가 간단하기 때문에 제작, 설치 및 유지 비용이 절감될 수 있는 이점이 있다.

도 1은 본 발명에 따른 건축 구조물의 능동형 액체 댐퍼의 작동 상태가 개략적으로 도시된 도면이다.
도 2는 도 1에 도시된 수조와 액추에이터가 도시된 도면이다.

이하, 본 발명의 실시예에 따른 건축 구조물의 능동형 액체 댐퍼를 첨부된 도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명에 따른 건축 구조물의 능동형 액체 댐퍼의 작동 상태가 개략적으로 도시된 도면이다. 도 2는 도 1에 도시된 수조와 액추에이터가 도시된 도면이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 건축 구조물의 능동형 액체 댐퍼(20)는, 센서(10)와, 수조(30)와, 액추에이터(40)(50)와, 제어부(60)로 구성된다.

상기 센서(10)는 상기 건축 구조물(1)의 가속도를 감지하는 가속도 센서가 사용된다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 센서(10)는 지진이나 바람 등에 의한 상기 건축 구조물(1)의 움직임을 감지할 수 있는 센서라면 사용이 가능하다. 본 실시예에서는, 상기 센서(10)는 상기 건축 구조물(10)의 우측면에 설치된 것으로 예를 들어 설명하나, 감지하고자 하는 상기 건축 구조물(10)이 움직이는 방향에 대한 측면에 설치되면 된다.

상기 수조(30)는 상기 건축 구조물(1)의 상층부에 설치되고 내부에 액체가 수용된다. 본 실시예에서는 상기 수조(30)는 상기 건축 구조물(1)의 옥상에 설치된 것으로 예를 들어 설명하나, 이에 한정되지 않고 상기 건축 구조물(1) 내부 상측의 일정 공간에 설치되는 것도 물론 가능하다. 상기 수조(30)는 액체가 채워진 메인 수조부(33)와, 상기 메인 수조부(33)에서 연직방향으로 연장 형성되고 상기 액체가 부분적으로 채워지는 복수의 실린더 수조부들(31)(32)로 이루어진다. 상기 복수의 실린더 수조부들(31)(32)은, 2개가 좌우방향으로 소정간격 이격된 위치에 형성된 것으로 예를 들어 설명한다. 즉, 상기 복수의 실린더 수조부들(31)(32)은, 상기 메인 수조부(33)의 좌측 상부에 연장 형성된 제1실린더 수조부(31)와, 상기 메인 수조부(33)의 우측 상부에 연장 형성된 제2실린더 수조부(32)로 이루어다. 다만, 이에 한정되지 않고, 2개의 실린더 수조부들이 좌우방향 이외에 전후방향으로 이격되게 배치되는 것도 가능하고, 2개 이상의 복수의 실린더 수조부들이 좌우방향 및 전후방향으로 서로 이격되게 배치되는 것도 물론 가능하다. 상기 제1실린더 수조부(31)와 상기 제2실린더 수조부(32)는 각각 액체가 부분적으로 충진되고 내부 상측에는 공기실이 형성되며, 후술하는 제1,2액추에이터(40)(50)의 제1,2피스톤(42)(52)이 각각 삽입되어 상기 액체를 가압하는 공간을 형성한다.

상기 액추에이터(40)(50)는, 상기 복수의 실린더 수조부들(31)(32)의 개수에 대응되는 개수가 설치된다. 즉, 상기 액추에이터(40)(50)는 2개의 제1,2액추에이터(40)(50)가 설치된다. 상기 제1액추에이터(40)는 상기 제1실린더 수조부(31)에 삽입되어, 상기 제1실린더 수조부(31)내의 액체를 가압하는 제1피스톤(42)과, 상기 제1피스톤(42)에 힘을 제공하는 제1펌프(41)로 구성된다. 상기 제1실린더 수조부(31)는 상기 제1피스톤(42)을 기준으로 하측에는 액체가 채워지고 상측에는 공기가 채워지는 공기실이 형성된다. 상기 제2액추에이터(50)는 상기 제2실린더 수조부(32)에 삽입되어 상기 제2실린더 수조부(32)내의 액체를 가압하는 제2피스톤(52)과, 상기 제2피스톤에 힘을 제공하는 제2펌프(51)로 구성된다. 상기 제2실린더 수조부(32)는 상기 제2피스톤(52)을 기준으로 하측에는 액체가 채워지고 상측에는 공기가 채워지는 공기실이 형성된다. 상기 제어부(60)의 신호에 따라 상기 제1,2액추에이터(40)(50)는 작동한다. 상기 제어부(60)의 신호에 따라 상기 제1피스톤(42)이 상기 제1실린더 수조부(31)내의 액체를 가압하게 되면, 상기 제1실린더 수조부(31)내의 액체가 가압되면서 상기 제2실린더 수조부(32)내로 이동하게 된다. 한편, 상기 제어부(60)의 신호에 따라 상기 제2피스톤(52)이 상기 제2실린더 수조부(32)내의 액체를 가압하게 되면, 상기 제2실린더 수조부(32)내의 액체가 가압되면서 상기 제1실린더 수조부(31)내로 이동하게 된다.

상기 제1펌프(41)와 제2펌프(51)는 양방향 펌프로 이루어지는 것도 가능하고, 일방향 펌프로 이루어지는 것도 가능하다. 이하, 본 실시예에서는 일방향 펌프로 이루어진 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 제1실린더 수조부(31)와 상기 제2실린더 수조부(32)는, 각 상측에 형성된 공기실의 공기 출입을 조절하는 공기 조절수단이 구비된다. 상기 제1실린더 수조부(31)와 상기 제2실린더 수조부(32)는 각각의 공기실이 밀폐되고, 상기 공기 조절수단으로만 연통되도록 형성된다. 상기 공기 조절수단은, 상기 제1실린더 수조부(31)와 상기 제2실린더 수조부(32)의 상측을 상호 연결하여 공기를 이동시키는 공기 이동관(70)인 것으로 예를 들어 설명한다. 상기 공기 이동관(70)의 직경이나 크기는 감쇠율에 따라 설정될 수 있다. 다만, 이에 한정되지 않고, 상기 공기 조절수단은, 상기 제1,2실린더 수조부(31)(32)의 각 상측에 각각 통기공을 형성하여 사용하는 것도 물론 가능하다.

상기 제어부(60)는, 상기 센서(10)에서 감지된 신호를 전송받고, 전송받은 신호에 따라 상기 건축 구조물(1)의 움직임을 판단하고, 상기 제1,2액추에이터(40)(50) 중 어느 하나가 작동하도록 제어한다. 즉, 상기 제어부(60)는, 상기 수조(30)내의 액체가 상기 건축 구조물(1)이 움직이는 반대방향으로 이동하도록 상기 제1,2액추에이터(40)(50)의 작동을 제어한다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 실시예에 따른 건축 구조물의 능동형 액체 댐퍼의 작동을 설명하면, 다음과 같다.

지진이나 바람 등에 의해 상기 건축 구조물(1)이 좌우방향으로 흔들리게 되고, 상기 센서(10)는 상기 건축 구조물(1)의 움직임을 감지하게 된다.

도 1b에 도시된 바와 같이. 상기 건축 구조물(1)이 좌측방향으로 움직이게 되면, 상기 제어부(70)는 상기 제1액추에이터(40)의 제1펌프(41)를 작동시킨다. 도 2b에 도시된 바와 같이, 상기 제1펌프(41)가 작동되면, 상기 제1피스톤(42)이 상기 제1실린더 수조부(31)내의 액체를 가압하게 되고, 상기 제1피스톤(42)의 가압력에 의해 상기 수평 수조부(33)내의 액체는 우측으로 이동하게 된다. 상기 제1실린더 수조부(31)내의 액체는 줄어들어 수면이 하강하게 되고, 상기 제2실린더 수조부(32)내의 액체는 증가하여 수면이 상승하게 된다.

상기 제2실린더 수조부(32)내의 수면이 상승하게 되면, 상기 제2피스톤(52)은 상향 이동한다. 이 때, 상기 제2피스톤(52)은 상기 액체의 가압력에 의해 상측으로 밀려나는 것도 가능하고, 상기 제2펌프(51)가 양방향 펌프인 경우 상기 제2펌프(51)가 상기 제2피스톤(52)을 당기는 방향으로 작동하여 상기 제2피스톤(52)이 상측으로 당겨지는 것도 가능하다. 이하, 본 실시예에서는, 상기 제1펌프(41)의 작동시 상기 제2펌프(51)의 작동은 정지되고, 상기 제2피스톤(52)은 상기 액체의 가압력에 의해 상측으로 밀려나는 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 제2실린더 수조부(32)내의 수면이 상승하게 되고, 상기 제2피스톤(52)은 상향 이동하면, 상기 제2실린더 수조부(32)내의 상측 공기실에 있던 공기는 가압된다. 상기 제2실린더 수조부(32)내의 상측 공기실은 밀폐되어 있기 때문에, 상기 제2실린더 수조부(32)내의 상측 공기실의 공기는 상기 공기 연결관(70)을 통해 상기 제1실린더 수조부(31)내로 이동한다.

상기와 같이, 상기 건축 구조물(1)이 좌측방향으로 움직일 때, 상기 수조(30)의 액체를 상기 건축 구조물(1)의 움직임 방향과 반대방향인 우측방향으로 이동시킴으로써, 상기 건축 구조물(1)의 가속도 응답을 감소시킨다. 따라서, 상기 건축 구조물(1)의 흔들림을 최소화시킬 수 있다.

한편, 상기 건축 구조물(1)이 우측방향으로 움직이는 경우에는, 상기 제어부(60)는 상기 제2액추에이터(50)의 제2펌프(51)를 작동시켜, 상기 제2피스톤(52)이 상기 제2실린더 수조부(32)내의 액체를 가압하도록 한다. 상기 제2실린더 수조부(32)내의 액체가 가압되면, 상기 수평 수조부(33)내의 액체는 좌측방향으로 이동하고 상기 제1실린더 수조부(31)내의 액체는 상향 이동하게 된다. 따라서, 상기 제2실린더 수조부(32)내의 액체는 줄어들어 수면이 하강하게 되고, 상기 제1실린더 수조부(31)내의 액체는 증가하여 수면이 상승하게 된다.

상기 제1실린더 수조부(31)내의 수면이 상승하게 되면, 상기 제1피스톤(42)은 상향 이동한다. 이 때, 상기 제1피스톤(42)은 상기 액체의 가압력에 의해 상측으로 밀려나는 것도 가능하고, 상기 제1펌프(41)가 양방향 펌프인 경우 상기 제1펌프(41)가 상기 제1피스톤(42)을 당기는 방향으로 작동하여 상기 제1피스톤(42)이 상측으로 당겨지는 것도 가능하다. 이하, 본 실시예에서는, 상기 제2펌프(51)의 작동시 상기 제1펌프(41)의 작동은 정지되고, 상기 제1피스톤(42)은 상기 액체의 가압력에 의해 상측으로 밀려나는 것으로 예를 들어 설명한다.

상기 제1실린더 수조부(31)내의 수면이 상승하게 되고, 상기 제1피스톤(42)은 상향 이동하면, 상기 제1실린더 수조부(31)내의 상측 공기실에 있던 공기는 가압된다. 상기 제1실린더 수조부(31)내의 상측 공기실은 밀폐되어 있기 때문에, 상기 제1실린더 수조부(31)의 상측 공기실에 있던 공기는 상기 공기 연결관(70)을 통해 상기 제2실린더 수조부(32)의 상측으로 이동한다. 따라서, 상기 건축 구조물(1)이 우측방향으로 움직일 때, 상기 수조(30)의 액체를 상기 건축 구조물(1)의 움직임 방향과 반대방향인 좌측방향으로 이동시킴으로써, 상기 건축 구조물(1)의 가속도 응답을 감소시킨다. 따라서, 상기 건축 구조물(1)의 흔들림을 최소화시킬 수 있다.

상기 건축 구조물(1)이 좌우방향으로 계속 흔들리게 되면, 상기 수조(30)내의 액체를 상기 건축 구조물(1)의 움직임 방향과 반대방향으로 계속해서 이동하도록 제어하여, 상기 건축 구조물(1)의 움직임을 감소시킬 수 있다.

상기와 같이, 상기 센서(10)를 통해 상기 건축 구조물(1)의 움직임을 감지하고, 상기 건축 구조물(1)의 움직임 정도에 따라 상기 제1,2액추에이터(40)(50)의 제1,2펌프(41)(51)의 구동력 크기를 제어할 수 있기 때문에, 감쇠율 제어가 가능하여 제어 효율 및 감쇠 효과가 향상될 수 있다.

또한, 상기 제1,2액추에이터(40)(50)를 이용해 액체를 이동시키기 때문에, 상기 수조(30)내에 저장된 액체의 관성력을 이용하는 수동형 액체 댐퍼의 경우에 비해, 상기 수조(30)의 크기를 줄이고도 상기 건축 구조물(1)의 움직임을 감쇠시킬 수 있는 감쇠력을 충분히 얻을 수 있다.

또한, 금속재나 콘크리트 등의 고체형 질량을 추가하는 능동형 고체 댐퍼의 경우보다 구조가 간단하기 때문에, 제작, 설치 및 유지 비용이 절감될 수 있다.

본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 예시적인 것에 불과하며, 본 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 다른 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다. 따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호 범위는 첨부된 특허청구범위의 기술적 사상에 의하여 정해져야 할 것이다.

1: 건축 구조물 10: 센서
20: 능동형 액체 댐퍼 30: 수조
31: 제1실린더 수조부 32: 제2실린더 수조부
33: 수평 수조부 40: 제1액추에이터
41: 제1펌프 42: 제1피스톤
50: 제2액추에이터 51: 제2펌프
52: 제2피스톤 70: 공기 연결관

Claims (7)

1. 건축 구조물의 상층부에 설치되고, 액체가 수용되는 메인 수조부와, 상기 메인 수조부에서 연직방향으로 연장 형성되어 상기 액체가 부분적으로 충진되는 복수의 실린더 수조부들로 이루어진 수조와;
   상기 복수의 실린더 수조부들에 각각 삽입되어 상기 실린더 수조부내의 액체를 가압하는 복수의 피스톤들과, 상기 피스톤들에 각각 힘을 제공하는 복수의 펌프들을 각각 포함하는 복수의 액추에이터들과;
   상기 건축 구조물의 움직임을 감지하기 위하여, 상기 건축 구조물의 가속도를 감지하는 가속도 센서와;
   상기 가속도 센서에서 감지된 값에 따라 상기 복수의 펌프들 중에서 상기 건축 구조물이 움직이는 방향에 위치하는 펌프를 작동하여, 상기 작동되는 펌프에 대응되는 상기 실린더 수조내의 액체를, 상기 복수의 실린더 수조부들 중 상기 건축 구조물이 움직이는 방향과 반대방향에 위치하는 실린더 수조부로 이동시키도록 제어하는 제어부를 포함하고,
   상기 복수의 실린더 수조부들은 각 상측에 공기실이 밀폐되게 형성되고, 상기 공기실간의 공기 출입을 조절하기 위한 공기 조절수단이 구비되되, 상기 공기 조절수단은, 상기 복수의 실린더 수조부들의 공기실들을 상호 연결하여 공기를 이동시키는 공기 이동관을 포함한는 건축 구조물의 능동형 액체 댐퍼.
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