KR101545652B1 - 진동저감장치를 갖는 가로등주 및 그 설계방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 진동저감장치를 갖는 가로등주 및 그 설계방법에 관한 것으로, 지면에 수직으로 설치되고, 램프 및 상기 램프가 설치된 암이 구비되며 그 내부가 중공된 폴 및 상기 폴의 상단 내부에 설치되어 외력에 의해 폴이 휘어질 때 폴의 진동방향과 대향하는 방향으로 무게중심이 이동하는 진동저감장치를 포함하되, 상기 진동저감장치는, 상기 폴의 축선과 교차하는 방향으로 배치되며 폴의 상단 내부에 설치되는 플레이트와, 상기 플레이트를 관통하여 상단과 하단이 각각 플레이트의 상부와 하부에 위치하는 연결부와, 상기 연결부의 하단에 마련되어 진자운동하는 하부 질량체 및 상기 하부 질량체와 대응하여 진자운동하며 상기 연결부의 상단에 마련되는 상부 질량체로 구성되는 것을 특징으로 하는 진동저감장치를 갖는 가로등주가 개시된다.

Description

진동저감장치를 갖는 가로등주 및 그 설계방법{STREETLAMP POST STRUCTURE WITH TUNED MASS DAMPER}

본 발명은 가로등주에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 내부에 진동저감장치가 마련되어 외력에 의해 가로등주가 진동이 발생할 때 신속하게 진동을 저감시킬 수 있는 진동저감장치를 갖는 가로등주 및 그 설계방법에 관한 것이다.

일반적으로 도로 혹은 인도를 밝히는 가로등은 차도와 인도의 경계 그리고 항만시설 등에 설치되며 이와 같은 가로등은 여러 가지 형태로 다양하게 제안되어 있다.

그러나, 이와 같은 종래의 가로등 또는 조명타워 등의 가로조명용 교통시설물은 자동차의 주행, 태풍, 지진, 바람으로 인한 진동이 본체에 전달되어 가로등의 피로 하중을 증대시켜 가로등의 수명을 단축시키게 된다. 또한, 가로등의 전구에 진동이 반복적으로 전달되므로 잦은 고장으로 인해 빈번하게 유지보수가 필요하여 막대한 비용이 소요되는 문제가 있다.

즉, 종래의 가로등은 진동에 대한 대책 없이 설치되므로서 수명이 단축되는 것은 물론이고, 가로등의 전구에서 빈번한 접촉불량이 발생되어 보수유지비용이 과다하게 소요되는 문제가 있다.

또한, 상기와 같은 교통시설물의 파손은 유지보수 시 도로의 일정부분을 차지하기 때문에 도로를 지나는 차량의 통제가 불가피할 뿐만 아니라 가로등이 전도되는 경우 차량 및 보행자의 안전을 위협하는 요소로 작용하게 된다.

상기와 같은 문제를 개선하기 위한 선행기술로 한국특허등록 제1316696호의 "지주구조물용 방진장치"가 있다. 이를 도 1에 의거하여 설명한다.

선행기술에 따른 가로등주용 방진장치는 지주구조물(100)의 내부에 마련되는 하우징(210), 하우징(210)의 길이방향과 교차하게 하우징(210)의 상부에 마련되는 플레이트(220), 안착부(241)와 연장로드(242)로 구성되어 안착부(241)가 플레이트(240)의 상부에 위치되고 연장로드(242)가 플레이트(220)를 관통하여 하우징(210)의 내부에 위치하는 이동부재(240), 연장로드(242)의 하단에 마련되는 중량부(250) 및 중량부(250)와 지주구조물(100) 사이에 마련되는 진동흡수부재(260)로 구성된다.

이와 같은 선행기술에 따르면 지주구조물(100)이 진동에 의해 휨이 발생하게 되면 지주구조물(100)의 휨방향에 따라 이동부재(240)가 플레이트(20)를 중심으로 움직이게 되고 따라서, 지주구조물(100)에 작용되는 진동에너지가 진동흡수부재(260)에서 사용되어 지주구조물(100)의 진동을 저감시키게 된다.

그러나, 상기와 같은 선행기술에 따른 지주구조물용 방진장치는 안착부(241)가 플레이트(220)와 접촉된 상태에서 이동하기 때문에 이동부재(240)가 신속하게 작동하지 않아 진동에너지를 신속하게 저감시키기 어렵다.

즉, 지주구조물(100)이 진동하는 것에 따라 중량부(250)가 신속하게 지주구조물(100)의 진동방향과 대향하는 방향으로 이동해야 하지만 안착부(241)와 플레이트(220)간에 마찰력이 발생하여 중량부(250)가 진동방향과 대향하는 방향으로 이동하는 것을 방해하기 때문에 결국 지주구조물(100)에 작용하는 진동에너지를 신속하게 저감시키기 어려운 문제가 있다.

한국특허등록 제1316696호(2013.10.02) 한국특허등록 제1164068호(2012.07.03) 한국특허등록 제1066589호(2011.09.15) 한국특허등록 제0770309호(2007.10.19)

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 지주구조물에 진동에너지가 작용할 때 중량물을 신속하게 진동방향과 대향하는 방향으로 이동시킬 수 있도록 하여 진동에너지를 이중으로 저감시킬 수 있는 진동저감장치를 갖는 가로등주 및 그 설계방법을 제공하는데 그 목적이 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 기술적 사상으로는, 지면에 수직으로 설치되고, 램프 및 상기 램프가 설치된 암이 구비되며 그 내부가 중공된 폴 및 상기 폴의 상단 내부에 설치되어 외력에 의해 폴이 휘어질 때 폴의 진동방향과 대향하는 방향으로 무게중심이 이동하는 진동저감장치를 포함하되, 상기 진동저감장치는, 상기 폴의 축선과 교차하는 방향으로 배치되며 폴의 상단 내부에 설치되는 플레이트와, 상기 플레이트를 관통하여 상단과 하단이 각각 플레이트의 상부와 하부에 위치하는 연결부와, 상기 연결부의 하단에 마련되어 진자운동하는 하부 질량체 및 상기 하부 질량체와 대응하여 진자운동하며 상기 연결부의 상단에 마련되는 상부 질량체로 구성되는 것을 특징으로 하는 진동저감장치를 갖는 가로등주에 의해 달성된다.

여기서, 상기 상부 질량체는 상기 하부 질량체의 10~30%의 중량을 갖는 것이 바람직하다.

또한, 상기 연결부는 상기 폴의 상단 내부에 설치된 플레이트의 관통 홀을 관통하여 플레이트의 상부에 위치하는 상부 연결대 및 상기 상부 연결대와 대향하여 상기 플레이트의 하부에 위치하는 하부 연결대로 구성되고, 상기 연결부는 상기 플레이트의 관통 홀을 중심점으로 상부 연결대의 길이가 하부 연결대의 길이보다 짧게 형성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 진동저감장치는 상기 플레이트를 관통한 연결부의 하단이 원추운동할 수 있게 연결부를 플레이트에 지지하는 조인트 수단을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 조인트 수단은 상기 플레이트의 상면과 선접촉하도록 반구의 형상을 갖고 상기 연결부에 고정되는 걸림부인 것이 바람직하다.

또한, 상기 조인트 수단은 상기 연결부에 고정되는 걸림부 및 상기 걸림부가 안착되어 걸리고 상기 연결부가 관통하는 플레이트에 형성된 관통 홀에 마련되는 볼 베어링을 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 조인트 수단은 구의 형상을 갖고 상기 연결부에 형성되는 회동부 및 상기 회동부의 외측면을 감싸며 상기 플레이트에 형성되는 지지부를 포함하는 것이 바람직하다.

그리고, 상기 연결부는 상기 하부 질량체 및 상부 질량체의 위치가 조절되도록 하부 질량체 및 상부 질량체를 관통하여 나사산 체결되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 진동저감장치는 상기 플레이트의 하부에 마련되고, 그 내부에 상기 하부 질량체가 진자운동할 수 있는 수용공간이 형성되는 케이스를 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상기 진동저감장치는 상기 하부 질량체와 폴의 내측면 사이에 개재되며 탄성복원력이 발휘되는 탄성부재로 구성되는 것이 바람직하다.

또한, 상기 하부 질량체의 중량은 식 (1)에 의한 공식에 의해 산출되는 것이 바람직하다.

식 (1)

여기서, M1은 하부 질량체의 중량, W는 가로등주 중 요동치는 부분의 총 중량, μ는 질량비(1~3%)이다.

한편, 상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 다른 기술적 사상으로는, 가로등주의 상단 내부에 상부 질량체와 하부 질량체가 설치된 진동저감장치를 갖는 가로등주를 설계하는 방법으로서, a. 진동에 따라 휨변형이 일어나는 부분부터 최상단까지의 가로등주 중량을 구하는 단계와 b. a단계에서 구해진 중량을 근거로 하부 질량체의 중량을 구하는 단계와, c. b단계에서 구해진 하부 질량체의 중량을 근거로 상부 질량체의 중량을 구하는 단계 및 d. 상부 질량체와 하부 질량체가 각각 설치되는 상부 연결대와 하부 연결대의 길이를 구하는 연결부 길이산출단계 를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동저감장치를 갖는 가로등주의 설계방법에 의해 달성된다.

여기서, 상기 b단계는 식 (1)을 이용하여 구하는 것이 바람직하다.

식 (1)

여기서, M1은 하부 질량체의 중량, W는 가로등주 중 요동치는 부분의 총 중량, μ는 질량비(1~3%)이다.

또한, 상기 c단계의 상부 질량체의 중량은 b단계에서 구해진 하부 질량체 중량의 10~30%인 것이 바람직하다.

그리고, 상기 연결부 길이산출단계는 상기 하부 연결대의 길이를 구하는 하부 연결대의 길이산출단계 및 상기 하부 연결대의 길이산출단계에서 구해진 하부 연결대의 길이를 근거로 상부 연결대의 길이를 구하는 상부 연결대의 길이산출단계를 포함하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 하부 연결대의 길이산출단계는 식 (2)를 이용하여 구하는 것이 바람직하다.

식 (2)

여기서, Tf는 TMD 진동수, f는 가로등 진동수, μ는 질량비(1~3%), g는 중력가속도이다.

또한, 상기 상부 연결대의 길이산출단계는 식 (3)을 이용하여 구하고, 이때 임의 길이비율(γ)는 1보다 작게 하는 것이 바람직하다.

식 (3)

여기서, L1은 상부 연결대의 길이, L2는 하부 연결대의 길이, γ는 L1과 L2의 임의 길이비율이다.

본 발명에 따른 진동저감장치를 갖는 가로등주는 다음과 같은 효과를 갖는다.

첫째, 플레이트를 관통하는 연결부의 하단과 상단에 각각 하부 질량체와 상부 질량체가 마련되기 때문에 하부 질량체의 축선이 중력작용 방향으로 향하는 힘과 함께 상부 질량체의 축선이 중력작용 방향으로 향하는 힘이 더해져 동일 축선 상에 위치하되어 하부 질량체는 신속하게 그 축선이 중력작용 방향을 향하게 되고 따라서, 폴의 내측면과 하부 질량체 사이에 개재된 탄성부재로부터 발휘되는 탄성복원력에 대한 응답속도가 빨라져 신속하게 폴에 발생하는 진동을 저감시킨다.

둘째, 하부 질량체 및 상부 질량체를 가로등주에 가해지는 진동수에 부합하게 그 중량 및 위치를 조절할 수 있어 가로등주에 가해지는 진동을 효과적으로 저감시킨다.

셋째, 가로등주의 진동을 저감시킴으로써 가로등주에 가해지는 피로도를 감소시킬 수 있어 가로등주의 내구성을 향상시킬 뿐만 아니라 가로등주에 설치되는 램프의 점등 성능을 향상시키며 램프의 수명이 연장된다.

넷째, 본 발명에 의하면 하부 질량체 및 상부 질량체와 각각 연결되는 하부 연결대 및 상부 연결대의 최적화된 길이를 구할 수 있고, 이에 따라 가로등주에 가해지는 진동을 보다 효과적으로 저감시킨다.

도 1은 선행기술에 따른 지주구조물용 방진장치를 나타낸 분해사시도이다.
도 2는 본 발명에 따른 진동저감장치를 갖는 가로등주을 나타낸 측면도이다.
도 3은 본 발명에 따른 진동저감장치를 갖는 가로등주을 나타낸 분해사시도이다.
도 4는 도 2의 P부를 확대한 것으로 본 발명에 따른 진동저감장치의 결합상태를 나타낸 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 진동저감장치의 개념을 설명한 개념도이다.
도 6은 본 발명에 따른 진동저감장치의 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 7은 본 발명에 따른 진동저감장치의 또 다른 실시예를 나타낸 단면도이다.
도 8은 본 발명에 따른 진동저감장치를 갖는 가로등주의 원리를 나타낸 개념도이다.
도 9는 본 발명에 따른 진동저감장치를 갖는 가로등주 중 하부 질량체와 상부 질량체의 중량을 구하기 위해 가로등주 각부분의 중량을 나타낸 도면이다.

본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.

이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다.

도 2는 본 발명에 따른 진동저감장치를 갖는 가로등주을 나타낸 측면도이고, 도 3은 본 발명에 따른 진동저감장치를 갖는 가로등주을 나타낸 분해사시도이며, 도 4는 도 2의 P부를 확대한 것으로 본 발명에 따른 진동저감장치의 결합상태를 나타낸 단면도이다.

도면을 참조하여 설명하면, 본 발명에 따른 진동저감장치를 갖는 가로등주는 크게 하단이 지면에 고정되고, 상단에 램프가 설치되는 암(14)이 형성된 폴(10)과 폴(10)의 상단 내부에 설치되어 외력에 의해 폴(10)이 휘어질 때 폴(10)의 진동방향과 대향하는 방향으로 무게중심이 이동하는 진동저감장치로 구성된다.

폴(10)은 지면에 고정되기 위해 하부 끝단에 폴(10)의 단면적보다 큰 면적을 갖는 고정판(11)이 형성되고, 앵커볼트가 고정판(11)을 관통하여 지면에 체결되어 고정된다. 또한, 폴(10)의 내부는 중공되어 폴(10)의 내부에 램프에 전기를 공급하기 위한 배선이 포설되며, 폴(10)의 하부에는 램프의 작동을 제어하는 전자부품(콘텐서, 인쇄회로기판 등)을 점검하기 위한 점검구(12)가 형성된다. 그리고, 지면으로부터 대략 2~3미터에 해당하는 폴의 외측에 깃대(13)가 형성된다.

이와 같은 폴(10)은 도 2에 도시된 바와 같이 지면으로부터 일정 높이에서 그 단면적이 감소(또는 증가)하는 다단으로 형성될 수 있도 있고, 폴(10)의 하부 끝단에서 상부 끝단까지 동일한 단면적을 갖도록 형성될 수 도 있다.

한편, 폴(10)의 상단 내부에는 폴(10)이 강풍 등의 외력에 의해 진동이 발생할 때 그 진동을 저감시켜 가로등주를 안정적으로 유지시키는 진동저감장치가 설치된다.

이러한 진동저감장치는 도 3에 도시된 바와 같이, 폴(10)의 최상단에서 대략 1/3부분에 해당하는 위치에 설치되어 가로등주가 강풍, 지진 등에 의해 진동이 발생할 때 가로등주의 진동방향과 대향하는 방향으로 무게중심이 이동되어 가로등주의 진동을 저감시키게 된다.

이와 같이 가로등주에 발생하는 진동을 저감시키는 진동저감장치는 플레이트(20), 상부 연결대(30a)와 하부 연결대(30b)로 구성된 연결부(30), 하부 연결대에 설치되는 하부 질량체(40), 상부 연결대에 설치되는 상부 질량체(50)로 구성되는데, 플레이트(20)는 폴(10)의 축선과 교차하는 방향으로 배치되며 폴(10)의 상단 내부에 설치되는 것으로, 소정의 두께를 갖는 강재로 이루어진 판 형상으로 이루어지며, 플레이트(20)의 중심에 연결부(30)가 관통하는 관통 홀(21)이 형성된다.

연결부(30)는 폴(10)의 상단 내부에 설치된 플레이트(20)의 관통 홀(21)을 관통하여 상부 연결대(30a)가 플레이트(20)의 상부에 위치되고, 하부 연결대(30b)가 플레이트(20)의 하부에 위치된다.

이러한 연결부(30)는 강재로 이루어진 봉의 형상을 갖되 플레이트(20)에 형성된 관통 홀(21)의 직경보다 작은 지름을 갖도록 형성되어 플레이트(20)를 관통한 연결부(30)의 하단이 원활하게 원추운동할 수 있게 된다.

이와 같이 플레이트(20)를 관통하여 폴(10)의 축선과 동일한 축선을 갖도록 설치되는 연결부(30)의 하단, 즉 하부 연결대(30b)에는 하부 질량체(40)가 마련되어 폴(10)의 강풍, 지진 등의 외력에 의해 진동하게 될 때 하부 질량체(40)가 폴(10)의 진동방향과 대향하는 방향으로 진자운동(무게중심 이동)하게 된다.

그리고, 하부 질량체(40)와 대향하여 연결부(30)의 상단, 즉 상부 연결대(30a)에는 상부 질량체(50)가 마련되어 하부 질량체(40)의 진자운동과 대응하여 진자운동하게 된다.

이때, 상부 질량체(50)는 하부 질량체(40)의 10~30%의 중량을 갖도록 형성된다. 또한, 연결부(30)는 플레이트(20)의 관통 홀(21)을 중심점으로 하여 상부 연결대(30a)의 길이(L1)가 하부 연결대(30b)의 길이(L2)보다 짧게 형성(도 5참조)된다.

또한, 앞서 설명한 상부 질량체(50) 및 하부 질량체(40)는 도 3에 도시된 바와 같이 원기둥의 형상을 갖도록 형성될 수 있지만 경우에 따라서는 다각기둥의 형상을 갖거나 구, 원추의 형상으로 이루어질 수도 있다.

한편, 하부 질량체(40)와 폴(10)의 내측면 사이에는 탄성부재(60)가 개재될 수도 있다. 이러한 탄성부재(60)는 3에 도시된 바와 같이 코일 스프링이 될 수도 있지만 경우에 따라서는 판 스프링이거나 판 스프링과 코일 스프링이 복합된 형태일 수 있다.

상기와 같이, 플레이트(20)를 관통한 연결부(30)의 상부 연결대(30a) 및 하부 연결대(30b)에 각각 상부 질량체(50)와 하부 질량체(40)가 마련되면, 플레이트(20)를 중심으로 하부 질량체(40)와 상부 질량체(50)가 시소효과를 갖게 되어 폴(10)이 외력에 의해 진동하게 될 때 하부 질량체(40)가 중력이 작용하는 방향으로 복귀하려는 응답속도가 빨라져 가로등주에 발생하는 진동을 신속하게 저감시킬 수 있다.

부연하자면, 하부 질량체(40)는 폴(10)이 외력에 의해 진동이 발생하게 될 때 하부 질량체(40)의 축선이 중력작용 방향으로 향하게 된다. 이에 따라 외력이 가해지는 방향에 해당하는 폴(10)의 내측면과 이와 대면하는 하부 질량체(40)의 외측면은 가까워지는 진자운동(무게중심 이동)을 하게 되어 탄성부재(60)가 압축되며, 이렇게 탄성부재(60)가 압축됨에 따라 폴(10)에 외력이 가해지는 방향과 반대의 방향으로 탄성복원력이 발휘되어 폴(10)의 진동을 저감시키게 된다.

특히, 상기와 같이 연결부(30)에 마련된 하부 질량체(40)와 대향하여 상부 질량체(50)가 마련되면 도 5에 도시된 바와 같이 하부 질량체(40)의 축선이 중력작용 방향으로 향하는 힘(F1)과 함께 상부 질량체(50)의 축선이 중력작용 방향으로 향하는 힘(F2)이 더해져 동일 축선 상에 위치하기 때문에 하부 질량체(40)는 신속하게 그 축선이 중력작용 방향을 향하게 된다.

이와 같이 하부 질량체(40)의 축선이 신속하게 중력작용 방향으로 향하게 되면, 폴(10)의 내측면과 하부 질량체(40) 사이에 개재된 탄성부재(60)로부터 발휘되는 탄성복원력에 대한 응답속도가 빨라져 신속하게 폴(10)에 발생하는 진동을 저감시키게 된다.

한편, 본 발명에 따른 진동저감장치를 갖는 가로등주는 플레이트를 관통한 연결부(30)의 하단이 원추운동할 수 있게 연결부(30)를 플레이트(20)에 지지하는 조인트 수단(70)이 마련된다.

이러한 조인트 수단(70)은 도 3 및 도 4에 도시된 바와 같이 플레이트(20)의 상면과 선접촉하도록 반구의 형상을 갖고 연결부(30)에 고정되는 걸림부(71)일 수 있다.

상기와 같이 반구의 형상을 갖는 걸림부(71)가 플레이트(20)의 상면에 위치한 연결부(30)에 형성되면 걸림부(71)와 플레이트(20)의 상면이 선접촉한 상태를 갖게 되어 마찰력을 최소화시킨 상태로 연결부(30)를 플레이트(20)에 지지할 수 있다.

또한, 조인트 수단(70)은 경우에 따라서 도 6에 도시된 바와 같이 걸림부(71)와 볼 베어링(72)으로 구성될 수 있다.

부연하자면, 도 6에 도시된 조인트 수단(70)은 플레이트(20)의 상면과 선접촉하도록 반구의 형상을 갖고 연결부(30)에 고정되는 걸림부(71) 및 걸림부(71)와 점접촉하도록 연결부(30)가 관통하는 플레이트(20)에 형성된 관통 홀(21)에 마련되는 볼 베어링(72)으로 구성된다.

이와 같이 조인트 수단(70)이 걸림부(71)와 볼 베어링(72)으로 구성되는 경우 볼 베어링(72)의 상부에 걸림부(71)가 위치하여 걸림부(71)의 저면이 볼 베어링(72)과 점접촉하게 되어 마찰력을 최소화시킨 상태로 연결부(30)를 플레이트(20)에 지지할 수 있다.

이때, 걸림부(71)는 앞서 설명한 바와 같이 반구의 형상으로 형성될 수도 있지만 경우에 따라서는 평판의 형상을 갖고, 연결부(30)와 일체로 형성되거나 또는 걸림부(71)가 볼트와 와셔에 의해 연결부에 고정될 수도 있다. 이처럼 걸림부(71)가 평판의 형상을 갖게 되면 볼 베어링(72)의 상부에 걸림부(71)가 안착되어 플레이트(20)의 관통 홀(21) 내에서 연결부(30)가 진자운동(무게중심 이동)하게 된다.

또한, 조인트 수단(70)은 도 7에 도시된 바와 같이 연결부(30)에 형성되는 회동부(73)와 회동부(73)를 감싸는 플레이트(20)에 형성되는 지지부(74)로 구성될 수 있다.

부연하자면, 도 7에 도시된 조인트 수단(70)은 하부 질량체(40)와 상부 질량체(50)를 연결하는 연결부(30)의 적정 위치에 구의 형상을 갖는 회동부(73)가 형성되며, 상기 회동부(73)에 대응하는 곡율을 갖고 회동부(73)의 외측면을 감싸는 지지부(74)가 플레이트(20)에 형성된 관통 홀(21)의 연부를 따라 형성된다.

이와 같이 회동부(73)와 지지부(74)가 각각 연결부(30)와 플레이트(20)의 관통 홀(21)에 형성되면 폴(10)이 외력에 의해 진동하더라도 하부 질량체(40) 및 상부 질량체(50)를 연결하는 연결부(30)의 축선이 회동부(73)를 기점으로 중력작용 방향으로 향하게 되며 안정적으로 연결부(30)를 플레이트(20)에 지지할 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따른 진동저감장치를 갖는 가로등주는 플레이트(20)를 관통하는 연결부(30)의 하단과 상단에 각각 하부 질량체(40)와 상부 질량체(50)가 마련되기 때문에 하부 질량체(40)의 축선이 중력작용 방향으로 향하는 힘과 함께 상부 질량체(50)의 축선이 중력작용 방향으로 향하는 힘이 더해져 동일 축선 상에 위치하게 된다.

이에 따라 하부 질량체(40)는 신속하게 그 축선이 중력작용 방향을 향하게 되는 진자운동(무게중심 이동)이 이루어져 폴(10)의 내측면과 하부 질량체(40) 사이에 개재된 탄성부재(60)로부터 발휘되는 탄성복원력에 대한 응답속도가 빨라져 신속하게 폴(10)에 발생하는 진동을 저감시키게 된다.

한편, 앞서 설명한 본 발명에 따른 진동저감장치를 갖는 가로등주는 다음과 같은 설계방법에 의해 구현된다.

a. 진동에 따라 휨변형이 일어나는 부분부터 최상단까지의 가로등주 중량을 구하는 단계;

b. a단계에서 구해진 중량을 근거로 하부 질량체(40)의 중량을 구하는 단계; 및

c. b단계에서 구해진 하부 질량체(40)의 중량을 근거로 상부 질량체(50)의 중량을 구하는 단계; 및

d. 상부 질량체와 하부 질량체가 각각 설치되는 상부 연결대와 하부 연결대의 길이를 구하는 연결부 길이산출단계;에 의해 구현된다.

여기서, 상기 b단계는 a단계에서 구해진 가로등주의 상단에서 1/3에 해당하는 지점까지의 중량에 대해 질량비를 곱하는 것이 바람직하다.

이를 수식으로 나타내면 식 (1)과 같이 된다.

식 (1)

이때, M1은 하부 질량체의 중량, W는 가로등주 중 요동치는 부분의 총 중량, μ는 질량비(1~3%)이다.

또한, 상기 c단계의 상부 질량체(50)의 중량은 b단계에서 구해진 하부 질량체(40) 중량(M1)의 10~30%인 것이 바람직하다.

상기와 같은 단계에 의해 진동저감장치의 하부 질량체(40) 및 상부 질량체(50)의 중량이 설계되면 가로등주에 진동이 발생할 때 효과적으로 진동을 저감시킬 수 있다.

아래에서는 본 발명의 설계방법에 의해 가로등주에 설치되는 진동저감장치의 상부 질량체와 하부 질량체의 중량을 구해 본다.

먼저, 하부 질량체의 중량(M1)을 구하기 위해 도 9를 참조하여 진동에 따라 휨변형이 일어나는 부분부터 최상단까지의 가로등주 중량을 구하게 된다(a단계).

이때, 가로등주의 하단은 지면에 고정되어 바람 또는 지진 등과 같은 외력으로부터 진동이 거의 발생하지 않기 때문에 가로등주의 중량을 구할 때에는 도 9에 도시된 L의 위치에 대한 중량의 총합계를 구한다.

부연하자면, 도 9에 도시된 A는 폴을 나타내는 것으로 이 부분에 대한 중량은 44Kg이며, B는 암과 연결되는 폴의 헤드로 이 부분에 대한 중량은 9.8Kg이다.

또한, C는 폴의 헤드와 암을 지지하는 보강 브라켓으로 이 부분에 대한 중량은 0.3Kg이며, D는 암으로 이 부분에 대한 중량은 12.8Kg이고, E는 램프를 나타낸 것으로 이 부분에 대한 중량은 10.5Kg이다.

따라서, 도 9에서 A부터 E까지의 중량 합계는 77.4Kg이다. 이렇게 진동에 따라 휨변형이 일어나는 부분부터 최상단까지의 가로등주 중량이 구해지면 이를 식(1)에 대입하여 하부 질량체의 중량(M1)을 구하게 된다(b단계).

이때, 질량비(μ)는 0.02로 하여 하부 질량체의 중량(M1)은 0.516Kg인 것으로 계산되었다.

상기와 같이 하부 질량체의 중량(M1)이 구해진 후에는 상부 질량체(M2)의 중량을 구하게 되는데(c단계), 이때 상부 질량체의 중량(M2)은 하부 질량체의 중량에 대해 10~30%의 중량을 갖는 것이 바람직하다. 따라서 하부 질량체의 중량에 대해 20%의 중량을 계산하면 상부 질량체의 중량(M2)는 약 0.1KG이 된다.

따라서, 상기와 같은 계산식에 의하면 가로등주에 설치되는 진동저감장치의 하부 질량체 중량(M1)은 0.516Kg이고 상부 질량체 중량(M2)의 약 0.1Kg인 것을 알 수 있다.

한편, 상기와 같이 상부 질량체와 하부 질량체의 중량이 구해지면 연결부(30)의 상부 연결대(30a) 및 하부 연결대(30b)의 길이를 구하게 된다.

즉, c단계 후에는 상부 질량체와 하부 질량체가 각각 설치되는 상부 연결대와 하부 연결대의 길이를 구하는 연결부 길이산출단계가 실시되는데, 연결부 길이산출단계는 하부 연결대의 길이를 구하는 하부 연결대의 길이산출단계와 하부 연결대의 길이산출단계에서 구해진 하부 연결대의 길이를 근거로 상부 연결대의 길이를 구하는 상부 연결대의 길이산출단계로 구성된다.

이때, 하부 연결대의 길이산출단계는 식 (2)에 의해 구할 수 있다.

식 (2)

여기서, Tf는 TMD 진동수, f는 가로등 진동수, μ는 질량비(1~3%), g는 중력가속도이다.

상기 식 (2)를 이용하여 하부 연결대의 길이를 구해본다. 이를 위해, 먼저 가로등 진동수(f)를 구해야 하는데, 가로등 진동수(f)는 식 (2-1)에 의해 구할 수 있다.

식 (2-1)

이때, k는 가로등의 휨변형값이고, m은 풍압이다. 식 (2-1)을 이용하여 가로등 진동수(f)를 구하기 위해 가로등에 3㎏의 풍압이 가해졌을 때 가로등이 50㎜ 유동한다고 가정했을 때 m은 0.003이고, k는 0.5이다.

이를 식 (2-1)에 대입하여 보면,

임을 알 수 있다.

따라서, 가로등 진동수(f)는 약 2㎐이다.

상기와 같이 식 (2-1)에 구해진 가로등 진동수(f)를 식 (2)에 대입하면,

와 같은 식이 성립되어 TMD 진동수(Tf)는 1.96을 구할 수 있다.

이렇게, 구해진 TMD 진동수(Tf)를 근거로 하부 연결대의 길이(L2)를 계산해 보면,

가 성립된다.

따라서, 하부 연결대의 길이(L2)는

가 된다.

그리고, 상기와 같이 식 (2)에 의해 하부 연결대의 길이를 구하게 되면 식 (3)에 의해 상부 연결대의 길이를 구하게 된다.

식 (3)

여기서, L1은 상부 연결대의 길이, L2는 하부 연결대의 길이, γ는 L1과 L2의 임의 길이비율이다.

상기의 식 (3)을 이용하여 상부 연결대의 길이를 구해본다. 이때 임의 길이비율(γ)은 1.5라고 가정한다.

이 되고, 따라서, L1은 97.5mm가 된다.

상기와 같이 구해진 하부 연결대의 길이(L2) 및 상부 연결대의 길이(L1)에 대한 각각의 모멘트를 계산하여 상부 연결대의 길이(L1)가 적합한지 살펴본다.

이를 위해, 하부 질량체에 작용하는 모멘트와 상부 질량체에 작용하는 모멘트를 구하게 되는데,

하부 질량체에 작용하는 모멘트(MT1)는, 하부 질량체 중량(M1) 곱하기 하부 연결대(L2)의 길이에 해당한다. 이를 앞서 구해진 하부 질량체 중량(M1)을 대입하여 계산해 보면,

그리고, 상부 질량체에 작용하는 모멘트(MT2)는, 하부 질량체 중량(M2) 곱하기 하부 연결대(L1)의 길이에 해당한다. 이를 앞서 구해진 하부 질량체 중량(M2)을 대입하여 계산해 보면,

가 된다.

이와 같은 결과에 의하면, 상부 연결대의 길이(L1)가 하부 연결대의 길이(L2)보다 큰 경우 진동저감 효과가 감소하는 것을 알 수 있다.

따라서, 식 (3)에 의해 상부 연결대의 길이를 구할 때에는 임의 길이비율(γ)을 1보다 작게하는 것이 진동저감 효과를 향상시키게 된다.

한편, 본 발명은 앞서 설명한 실시예로 한정되는 것이 아니라 본 발명의 요지를 벗어나지 않는 범위 내에서 수정 및 변형하여 실시할 수 있고, 그러한 수정 및 변형이 가해진 것도 본 발명의 기술적 사상에 속하는 것으로 보아야 한다.

예를 들어, 본 발명에 따른 하부 질량체(40) 및 상부 질량체(50)는 도 4 및 도 7에 도시된 바와 같이 연결부(30)의 상단과 하단에 제각기 마련되는 상부 질량체(50)와 하부 질량체(40)는 연결부(30)에 나사산 체결되어 관통된다. 또한, 연결부(30)를 관통한 상부 질량체(50) 및 하부 질량체(40)의 상단과 하단 각각에는 와셔 및 너트가 연결부(30)와 체결된다.

이와 같이 상부 질량체(50) 및 하부 질량체(40)가 각각 연결부(30)를 관통하여 나사산 체결되는 경우 연결부(30) 내에서의 상부 질량체(50) 및 하부 질량체(40)의 위치를 필요에 따라 변경할 수 있어 폴(10)에 발생하는 진동에 부합하게 상부 질량체(50) 및 하부 질량체(40)의 위치를 변경하여 더욱 효과적은 폴(10)에 발생하는 진동을 저감시킬 수 있다.

또한, 경우에 따라서는 진동저감장치는 모듈화되어 조립성을 향상시킬 수 있다. 이를 위해 진동저감장치는 플레이트(20)의 하부에 케이스(미도시)가 일체화되어 마련된다. 이때, 케이스는 그 내부에 하부 질량체(40)가 진자운동(무게중심 이동)할 수 있는 수용공간이 형성된다.

이와 같이 플레이트(20)의 하부에 케이스가 마련되고 케이스의 내부에 하부 질량체(40)가 수용되면 진동저감장치가 모듈화됨으로써, 모듈화된 진동저감장치를 신속하게 폴(10)의 내부에 설치하거나 분리시킬 수 있어 조립성이 향상된다.

또한, 경우에 따라서 플레이트(20)이 하부에 케이스가 마련될 때 케이스의 내부에 하부 질량체와 함께 작동유체가 수용되어 작동유체의 이동에 따라 더욱 효과적으로 가로등주에 발생하는 진동을 저감시킬 수 있다.

상기와 같은 본 발명에 따른 가로등주에 설치되는 진동저감장치의 원리를 도 8에 의거하여 설명하면, 최근에 지어진 고층건물에는 도 8에 도시된 바와 같은 TMD(Tuned Mass Damper)이 설치된다.

이러한 TMD는 크게 질량과 감쇠장치 및 스프링의 3부분으로 구성되어 있으며, 이를 고층건물의 적정 위치에 설치한 경우 구조물의 진동을 효과적으로 저감시키는 것으로 알려져 TMD를 이용한 제진이 활발히 연구 개발되고 있다.

그러나 상기와 같은 TMD는 고층건물과 같은 대형 구조물을 대상으로 하고 있기 때문에 가로등주와 같은 비교적 소형 구조물에 적용하기는 어려움이 있었으나 본 발명과 같이 가로등주의 상단 내부에 플레이트(20)가 설치되고, 플레이트(20)를 관통한 연결부(30)의 상단과 하단에 각각 상부 질량체(50)와 하부 질량체(40)가 마련되면, 플레이트(20)를 중심으로 하부 질량체(40)와 상부 질량체(50)가 시소효과를 갖게 되어 폴(10)이 외력에 의해 진동하게 될 때 하부 질량체(40)가 중력이 작용하는 방향으로 복귀하려는 응답속도가 빨라져 가로등주에 발생하는 진동을 신속하게 저감시킬 수 있다.

10 : 폴 11 : 고정판
12 : 점검구 13 : 깃대
14 : 암 20 : 플레이트
21 : 관통 홀 30 : 연결부
30a : 상부 연결대 30b : 하부 연결대
40 : 하부 질량체 50 : 상부 질량체
60 : 탄성부재 70 : 조인트 수단
71 : 걸림부 72 : 볼 베어링
73 : 회동부 74 : 지지부

Claims (14)

1. 삭제
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3. 삭제
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9. 지면에 수직으로 설치되고, 램프 및 상기 램프가 설치된 암이 구비되며 그 내부가 중공된 폴; 및
   상기 폴의 상단 내부에 설치되어 외력에 의해 폴이 휘어질 때 폴의 진동방향과 대향하는 방향으로 무게중심이 이동하는 진동저감장치;를 포함하되,
   상기 진동저감장치는,
   상기 폴의 축선과 교차하는 방향으로 배치되며 폴의 상단 내부에 설치되는 플레이트;
   상기 플레이트를 관통하여 상단과 하단이 각각 플레이트의 상부와 하부에 위치하는 연결부;
   상기 연결부의 하단에 마련되어 진자운동하는 하부 질량체; 및
   상기 하부 질량체와 대응하여 진자운동하며 상기 연결부의 상단에 마련되는 상부 질량체;로 구성되고,
   상기 연결부는,
   상기 폴의 상단 내부에 설치된 플레이트의 관통 홀을 관통하여 플레이트의 상부에 위치하는 상부 연결대; 및
   상기 상부 연결대와 대향하여 상기 플레이트의 하부에 위치하는 하부 연결대;로 구성되고,
   상기 연결부는 상기 플레이트의 관통 홀을 중심점으로 상부 연결대의 길이가 하부 연결대의 길이보다 짧게 형성되는 진동저감장치를 갖는 가로등주를 설계하는 방법으로,
   a. 진동에 따라 휨변형이 일어나는 부분부터 최상단까지의 가로등주 중량을 구하는 단계;
   b. 상기 a단계에서 구해진 중량을 근거로 하부 질량체의 중량을 구하는 단계;
   c. 상기 b단계에서 구해진 하부 질량체의 중량을 근거로 상부 질량체의 중량을 구하는 단계; 및
   d. 상부 질량체와 하부 질량체가 각각 설치되는 상부 연결대와 하부 연결대의 길이를 구하는 연결부 길이산출단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동저감장치를 갖는 가로등주의 설계방법.
   
10. 청구항 9에 있어서,
    상기 b단계는 식 (1)을 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 진동저감장치를 갖는 가로등주의 설계방법.
    식 (1)

    

    
    여기서, M1은 하부 질량체의 중량, W는 가로등주 중 요동치는 부분의 총 중량, μ는 질량비(1~3%) 임.
    
11. 청구항 9에 있어서,
    상기 c단계의 상부 질량체의 중량은 b단계에서 구해진 하부 질량체 중량의 10~30%인 것을 특징으로 하는 진동저감장치를 갖는 가로등주의 설계방법.
    
12. 청구항 9에 있어서,
    상기 연결부 길이산출단계는,
    상기 하부 연결대의 길이를 구하는 하부 연결대의 길이산출단계; 및
    상기 하부 연결대의 길이산출단계에서 구해진 하부 연결대의 길이를 근거로 상부 연결대의 길이를 구하는 상부 연결대의 길이산출단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 진동저감장치를 갖는 가로등주의 설계방법.
    
13. 청구항 12에 있어서,
    상기 하부 연결대의 길이산출단계는 식 (2)를 이용하여 구하는 것을 특징으로 하는 진동저감장치를 갖는 가로등주의 설계방법.
    식 (2)

    

    
    여기서, Tf는 TMD 진동수, f는 가로등 진동수, μ는 질량비(1~3%), g는 중력가속도 임.
    
14. 청구항 12에 있어서,
    상기 상부 연결대의 길이산출단계는 식 (3)을 이용하여 구하고, 이때 임의 길이비율(γ)는 1보다 작게 하는 것을 특징으로 하는 진동저감장치를 갖는 가로등주의 설계방법.
    식 (3)

    

    
    여기서, L1은 상부 연결대의 길이, L2는 하부 연결대의 길이, γ는 L1과 L2의 임의 길이비율 임.

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