KR101522711B1 - 수직방향 지진격리장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 수직방향 지진격리장치에 관한 것이다. 본 발명은 하부프레임(100), 상기 하부프레임(100)의 상부에 설치되는 상부프레임(101), 상기 하부프레임(100)과 상부프레임(101) 사이에 형성되는 내부공간에 설치되며 수직방향 진동을 수평방향으로 전환하여 지진력을 감쇠시키는 지진력변환감쇠부(10)를 포함하고, 상기 지진력변환감쇠부(10)는 수평방향으로 서로 반대방향으로 선형이동하는 두 개의 슬라이딩부(12), 상기 두 개의 슬라이딩부(12) 사이를 서로 연결하고 압축과 인장을 반복하면서 수평방향으로 전달되는 힘을 감쇠시키는 댐퍼(15), 일단부가 상기 슬라이딩부(12)에 회동가능하게 결합되고, 타단부가 상기 상부프레임(101)의 저면에 회동가능하게 결합되는 전환링크(13)를 포함하여 구성된다. 본 발명에 따르면, 지진이 있을 때 지진력변환감쇠부가 수직방향 변위량을 수평방향으로 전환하고, 전환된 진동을 소산시키는데, 슬라이딩부가 2개 설치되고 댐퍼가 2개의 슬라이딩부를 연결하는 구성이며, 댐퍼가 인장력과 압축력에 대한 두가지 방향에 대한 발생 에너지를 모두 소산하므로, 에너지 소산력이 2배로 증가하는 효과를 갖는다.

Description

수직방향 지진격리장치{Device for vertical seismic isolation}

본 발명은 수직방향 지진격리장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지진 등의 외부 충격에 민감한 첨단 장비로 전달되는 수직성분 진동을 감쇠시키는 수직방향 지진격리장치에 관한 것이다.

지진 발생 시 건물에 영향을 미치는 지진력의 크기는 건물의 높이나 형태, 재질 등 구조적인 특성에 따라 다르게 나타나며, 건물 내에 설치된 첨단 장비에 영향을 주게 된다. 특히, 진동에 매우 민감한 전기 및 통신 장비는 지진에 견딜 수 있는 한계가 있고, 장비 자체에 내진 설계를 적용하는 것으로는 충분한 안정성 확보가 어렵기 때문에 이러한 장비들을 지진력으로부터 격리하기 위해 지진격리장치가 개발되고 있다.

종래의 지진격리 장치에는 마찰력이나 스프링 등의 탄성 복원 성능을 이용하여 수직방향 진동을 감쇠시키는 장치가 있는데, 마찰력을 이용한 예로서 대한민국 특허출원 제10-2000-0033090호가 있다. 그러나 이러한 마찰장치의 경우 마찰면의 넓이 및 조도에 그 성능이 영향을 받기 때문에 협소한 공간에 설치되는 것에 한계가 있으며, 아울러 마찰면의 마모에 의해 마찰재의 교체가 필요하다는 단점이 있다.

한편, 지진이 발생했을 때 수직방향에 대해서는 중력 및 지진격리장치의 상부에 설치되는 탑재 장비의 자중이 고려되어야 하므로, 구조적인 장비를 지지함과 동시에 수직 방향의 지진격리 성능을 갖추는 것은 쉽지 않다. 지진격리장치가 너무 유연하면 상부 자중을 지지하기 힘들고, 너무 강하면 탑재 장비를 지진격리시키기가 어렵기 때문에 적절한 유연성과 강성을 갖도록 지진격리장치를 설계할 필요가 있다.

본 발명의 목적은, 제어하기 힘든 수직방향 지진 격리 장치 개념에 대한 새로운 방법을 제공하여 수직방향 운동을 능동적으로 제어할 수 있는 지진격리장치를 제공함에 있다.

위와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 본 발명은 하부프레임, 상기 하부프레임(100)의 상부에 설치되는 상부프레임, 상기 하부프레임과 상부프레임 사이에 형성되는 내부공간에 설치되며 수직방향 진동을 수평방향으로 전환하여 지진력을 감쇠시키는 지진력변환감쇠부를 포함하고, 상기 지진력변환감쇠부는 수평방향으로 서로 반대방향으로 선형이동하는 두 개의 슬라이딩부, 상기 두 개의 슬라이딩부 사이를 서로 연결하고 압축과 인장을 반복하면서 수평방향으로 전달되는 힘을 감쇠시키는 댐퍼, 일단부가 상기 슬라이딩부에 회동가능하게 결합되고, 타단부가 상기 상부프레임의 저면에 회동가능하게 결합되는 전환링크를 포함한다.

여기에서 상기 하부프레임에 설치되고 상기 두 개의 슬라이딩부의 선형이동을 안내하는 가이드레일이 더 포함될 수 있다.

또한, 상기 하부프레임과 상부프레임 사이에 형성되는 내부공간에는 하부프레임과 상부프레임 사이 간격을 유지시키기 위한 압축스프링이 더 설치될 수 있다.

그리고, 상기 상부프레임과 하부프레임의 결합 상태를 유지하며, 상부프레임과 하부프레임의 수직방향으로의 이동을 안내하는 전도방지부를 더 포함하며, 상기 전도방지부는 상기 상부프레임과 하부프레임 중 어느 한쪽에 고정되고 상부에 가이드홀이 형성되는 가이드홀더, 상기 상부프레임과 하부프레임 중 상기 가이드홀더가 설치되지 않은 다른 한쪽에 고정되고 상기 가이드홀에 삽입되어 상하이동 가능한 가이드봉을 포함하여 구성된다.

본 발명에 따른 수직방향 지진격리장치에 의하면, 지진이 있을 때 지진력변환감쇠부가 수직방향 변위량을 수평방향으로 전환하고, 전환된 진동을 소산시키는데, 슬라이딩부가 2개 설치되고 댐퍼가 2개의 슬라이딩부를 연결하는 구성이며, 댐퍼가 인장력과 압축력에 대한 두가지 방향에 대한 발생 에너지를 모두 소산하므로, 에너지 소산력이 2배로 증가하는 효과를 갖는다.

또한, 본 발명에 따르면, 기존의 지진격리장치에서 제어하기 힘든 수직성분 진동 제어가 가능한 구성을 제공함으로써, 전기 및 통신장비에 진동이나 충격이 발생하더라도 고가장비의 내부 부품을 안전하게 보호할 수 있다.

도 1은 본 발명 제1실시예에 따른 수직방향 지진격리장치를 보인 분해사시도.
도 2는 본 발명 제1실시예에 따른 수직방향 지진격리장치를 보인 단면도.
도 3은 본 발명 제1실시예에 따른 수직방향 지진격리장치를 보인 동작상태도.
도 4는 본 발명 수직방향 지진격리장치의 동작에 따른 각 구성의 궤적을 보인 동작상태도.
도 5는 본 발명 제1실시예의 일부 구성인 전도방지부를 보인 부분절개 사시도.
도 6은 본 발명 제1실시예의 일부 구성인 전도방지부를 보인 동작상태도.
도 7은 본 발명 제2실시예에 따른 수직방향 지진격리장치를 보인 사시도.
도 8은 본 발명 제2실시예에 따른 수직방향 지진격리장치를 보인 동작상태도.

이하, 본 발명의 제1실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 수직방향 지진격리장치는 지면과 연결되는 하부프레임(100), 상기 하부프레임(100)의 상부에 구비되고 전기 및 통신 장비를 지지하는 상부프레임(101)과 상기 상부프레임(101)의 중앙부에 형성된 개구부를 차폐하기 위한 상부커버(102)를 포함한다. 하부프레임(100)과 상부프레임(101) 사이에 형성되는 내부공간에는 전기 및 통신 장비를 안전하게 지지하면서 수직방향의 지진력을 감쇠시키기 위한 구성들 즉, 지진력변환감쇠부(10), 압축스프링(20), 전도방지부(30)가 구비된다.

먼저, 지진력변환감쇠부(10)는 수직방향으로 작용하는 지진력을 수평방향으로 변환하여 감쇠시킴으로써 결과적으로 수직방향의 진동을 감쇠시키는 기능을 한다.

지진력변환감쇠부(10)는 하부프레임(100)에 고정되는 가이드레일(14)을 따라 수평방향, 서로 반대방향으로 선형 이동하는 두 개의 슬라이딩부(12)를 포함한다. 즉, 가이드레일(14)의 양단부에 슬라이딩부(12)가 각각 설치되고, 두 개의 슬라이딩부(12)가 댐퍼(15)에 의해 연결된다.

댐퍼(15)는 압축 또는 인장되면서 상기 슬라이딩부(12)의 선형운동 속도를 감소시키는 기능을 한다. 본 실시예에서 댐퍼(15)는 유압 정속 제어기(Rate Control Series)와 같은 것을 활용하여 압축 및 인장 양방향 모두에 대해 감쇠 효과를 나타낼 수 있다.

즉, 상부프레임(101)과 하부프레임(100)이 서로 가까워지도록 하는 압축력이 작용하면, 양쪽의 슬라이딩부(12)가 서로 가까워지는 방향으로 이동하고, 댐퍼(15)가 압축된다. 반대로 상부프레임(101)과 하부프레임(100)이 서로 멀어지도록 하는 인장력이 작용하면, 양쪽의 슬라이딩부(12)가 서로 멀어지는 방향으로 이동하고, 댐퍼(15)는 인장된다.

그리고 댐퍼(15)는 그 양단에 슬라이딩부(12)가 연결되므로 댐퍼에 적용되는 변위량은 2배로 증가한다. 댐퍼(15)는 압축방향과 인장방향 모두에 대해서 발생 에너지를 소산시키는 성능을 갖추어 수직방향에서 수평방향으로 변환시킨 지진력을 소산한다.

또한, 상기 상부프레임(101)의 저면에는 프레임결합부(11)가 체결되어 있으며, 프레임결합부(11)와 슬라이딩부(12) 사이에 전환링크(13)가 연결되어 있다. 즉, 전환링크(13)의 일단이 슬라이딩부(12)에 회동가능하게 결합되고, 타단이 프레임결합부(11)의 하면에 회동가능하게 결합된다. 상기 전환링크(13)는 상부프레임(101)과 하부프레임(100)에 전달되는 수직방향 지진력을 슬라이딩부(12)에 전달하는 역할을 한다.

도 3과 같이, 상부프레임(101)이 하부프레임(100)을 향해 하강하면 전환링크(13)는 각각의 슬라이딩부(12)를 밀고, 한 쌍의 슬라이딩부(12)는 서로 가까워지는 방향으로 이동하고, 댐퍼(15)가 압축된다. 반대로, 상부프레임(101)이 하부프레임(100)으로부터 멀어지면 전환링크(13)가 각각의 슬라이딩부(12)를 끌어 당겨 한 쌍의 슬라이딩부(12)는 서로 멀어지며 댐퍼(15)가 인장된다.

한편, 도 4에는 수직방향의 지진력이 발생했을 때 전환링크(13)와 슬라이딩부(12)의 궤적이 도시되어 있다. 도시된 바와 같이, 슬라이딩부(12)는 전환링크(13)의 연결에 의해 상기 프레임결합부(11)의 저면에 있는 힌지를 중심으로 원형의 궤도로 운동하며, 전환링크(13)가 상부프레임(101)에 대해 45도 이하의 각도를 가지도록 배치하면 수직변위량(Y)이 수평변위량(X)으로 증폭되어 상기 슬라이딩부(12)에 연결된 댐퍼(15)에 결국 수직방향 변위량보다 훨씬 큰 수평 변위량이 전달된다. 그리고 이렇게 전달된 수평방향의 변위량에 따른 진동은 댐퍼(15)에 의해 감쇄된다.

압축스프링(20)은 상단이 상부프레임(101)에 고정되고, 하단이 하부프레임(100)에 고정된다. 압축스프링(20)은 상부프레임(101)과 하부프레임(100) 사이의 하중을 지지하고, 수직방향을 따라 압축 및 인장을 반복하면서 수직방향에 대한 진동을 흡수하며, 하부프레임(100)과 상부프레임(101) 사이 간격을 유지하는 기능을 한다. 도 1의 실시예와 같이, 압축스프링(20)은 하부프레임(100)의 각 모서리 부분에 각각 설치된다.

전도방지부(30)는 상기 압축스프링(20)과 인접한 위치에 각각 설치되는 것으로, 상부프레임(101)이 하부프레임(100)으로부터 최대한 멀어지더라도 상부프레임(101)과 하부프레임(100)의 결합 상태를 유지하기 위한 구성이다. 또한, 전도방지부(30)는 상부프레임(101)과 하부프레임(100)의 수직방향으로의 이동을 안내하는 역할도 한다.

도 5와 도 6과 같이, 전도방지부(30)는 하부프레임(100)에 고정되고 상부에 가이드홀(33)이 형성되는 가이드홀더(31)와, 상기 가이드홀(33)에 삽입되어 상하이동 가능하며 상단이 상부프레임(101)에 고정되는 가이드봉(32)을 포함한다. 상기 가이드봉(32)의 길이는 상부 및 하부프레임(100)의 이동거리에 대비하여 설정될 수 있고, 가이드봉(32)이 하부프레임(100)을 통과할 수 있도록 하부프레임(100)에 통공(35)이 형성되기도 한다.

또한, 도시된 실시예와 다르게, 가이드홀더(31)가 상부프레임(101)에, 가이드봉(32)이 하부프레임에 고정될 수도 있다.

이하, 본 발명의 제2실시예를 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 설명한다.

도 7과 도 8에 도시된 수직방향 지진격리장치는 가이드레일(114)과 전환링크(113)의 연결위치 및 댐퍼(115)의 동작에 있어서 위에 설명한 제1실시예와 차이가 있다. 여기에서 제1실시예와 동일한 구성에 대해서는 동일한 번호를 부여하고 자세한 설명을 생략하고, 대응되고 차별되는 구성에 대해서는 100번대 번호를 부여하여 이를 중심으로 설명한다.

먼저, 하부프레임(100)에 가이드레일(114)이 수평방향으로 길게 설치된다. 여기에서 상기 가이드레일(114)은 그리고 가이드레일(114)의 양쪽에 슬라이딩부(112)가 가이드레일(114)을 따라 수평방향으로 선형 이동하도록 구비된다. 본 실시예에서는 가이드레일(114)이 리니어볼 부쉬형 레일로 구성되어, 가이드레일(114)이 슬라이딩부(112)의 하부를 관통하여 슬라이딩부(112)의 선형이동을 안내한다.

상기 두 개의 슬라이딩부(112)는 댐퍼(115)에 의해 연결된다. 상기 댐퍼(115)는 압축 또는 인장되면서 상기 슬라이딩부(112)의 선형운동 속도를 감소시키는 기능을 한다.

또한, 상기 슬라이딩부(112)에는 전환링크(113)의 일단부가 회동가능하게 연결되고, 상부프레임(101)의 프레임결합부(111)에는 상기 전환링크(113)의 타단부가 회동가능하게 연결된다.

이때, 도 8과 같이, 두 개의 전환링크(113)가 각각 댐퍼(115)를 기준으로 예각을 이루도록 설치되어 있다. 따라서 수직방향으로 압축력이 작용하면, 상부프레임(101)이 하부프레임(100) 방향으로 하강하며, 댐퍼(115)와 전환링크(113)가 이루는 예각이 작아지고, 양쪽의 슬라이딩부(112)가 서로 멀어지는 방향으로 이동하며, 이와 동시에 댐퍼(115)가 인장하게 된다.

반대로, 수직방향으로 인장력이 작용하면, 상부프레임(101)이 하부프레임(100)으로부터 멀어지는 방향으로 상승하며, 댐퍼(115)와 전환링크(113)가 이루는 예각이 점점 커지고, 양쪽의 슬라이딩부(112)가 서로 가까워지는 방향으로 이동하며, 이와 동시에 댐퍼(115)가 압축된다.

이와 같이, 수직방향의 지진력이 발생했을 때, 상부프레임(101)과 하부프레임(100)이 상승 또는 하강함에 따라 전환링크(113)가 슬라이딩부(112)를 밀고 당기게 되며, 슬라이딩부(112)가 선형이동함에 따라 댐퍼(115)가 압축 또는 인장함으로써 수평방향으로 전환된 지진력이 감쇠되는 것이다.

본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여 정의되고, 본 발명의 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다.

예를 들어, 상기 하부프레임(100)은 지면에 연결되어진 것에 한정되는 것이 아니라 하단에 수평방향 지진격리장치를 연결하여 3차원 지진격리장치를 갖출 수도 있다. 즉, 마찰 볼과 곡률이 있는 판, 볼트랜스퍼, 가이드레일, 적층고무 등의 지진력 저감성능을 갖춘 수평방향 지진격리장치를 하단에 설치하면 수평방향으로 작용하는 지진력은 수평방향 지진격리장치에서 소산되고 수직방향 지진력만이 상부로 전달되어 본 발명에 따른 수직방향 지진격리장치에 의해 소산되는 성능을 갖출 수 있다.

참고로, 미설명 부호 34는 가이드홀(33)을 형성하기 위한 관통체이며, 상기 관통체(34)는 가이드홀더(31)에 체결되어 고정된다.

10: 지진력변환감쇠부 11, 111: 프레임결합부
12,112 슬라이딩부 13,113: 전환링크
15,115: 댐퍼 20: 압축스프링
30: 전도방지부 31: 가이드홀더
32: 가이드봉 33: 가이드홀
100: 하부프레임 101: 상부프레임

Claims (4)

1. 하부프레임(100),
   상기 하부프레임(100)의 상부에 설치되는 상부프레임(101),
   상기 하부프레임(100)과 상부프레임(101) 사이에 형성되는 내부공간에 설치되며 수직방향 진동을 수평방향으로 전환하여 지진력을 감쇠시키는 지진력변환감쇠부(10),
   상기 하부프레임(100)과 상부프레임(101) 사이에 형성되는 내부공간에 설치되고 하부프레임(100)과 상부프레임(101) 사이 간격을 유지시키기 위한 압축스프링(20),
   상기 상부프레임(101)과 하부프레임(100)의 결합 상태를 유지하며, 상부프레임(101)과 하부프레임(100)의 수직방향으로의 이동을 안내하는 전도방지부(30)를 포함하고,
   상기 지진력변환감쇠부(10)는 상기 하부프레임(100)에 설치되는 가이드레일(14)에 안내되어 수평방향으로 서로 반대방향으로 선형이동하는 두 개의 슬라이딩부(12),
   상기 두 개의 슬라이딩부(12) 사이를 서로 연결하고 압축과 인장을 반복하여 압축방향 및 인장방향에 대해 발생한 에너지를 소산하는 댐퍼(15),
   일단부가 상기 슬라이딩부(12)에 회동가능하게 결합되고, 타단부가 상기 상부프레임(101)의 저면에 회동가능하게 결합되는 전환링크(13)를 포함하여 구성되고,
   상기 전도방지부(30)는 상기 상부프레임(101)과 하부프레임(100) 중 어느 한쪽에 고정되고 상부에 가이드홀(33)이 형성되는 가이드홀더(31),
   상기 상부프레임(101)과 하부프레임(100) 중 상기 가이드홀더(31)가 설치되지 않은 다른 한쪽에 고정되고 상기 가이드홀(33)에 삽입되어 상하이동 가능한 가이드봉(32)을 포함하여 구성되는 수직방향 지진격리장치.
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