KR101649320B1 - Ｍｒ유체 케이블 및 그 시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 구조물의 진동제어를 위한 케이블 및 그 시스템에 관한 것으로서, 자기장에 따라 특성이 변하는 MR유체를 이용하여 진동에 대한 감쇠능력을 조절할 수 있는 케이블 및 그 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다. 본 발명은 원형단면을 갖는 다수의 소선으로 이루어진 다수의 연선과, 상기 연선과 연선 사이의 공극을 충진하는 MR유체와, 상기 MR유체에 자기장을 부여하기 위해 피복전 또는 피복후의 케이블에 감기는 코일을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 구조물에 작용하는 진동을 감쇠시키는 MR유체 케이블과 상기 MR유체 케이블을 구비하는 구조물에 설치된 센서를 통해 진동을 측정하는 진동측정부와, 상기 측정된 진동의 크기에 따라 계산된 전류를 상기 MR유체 케이블 또는 연선에 송신하는 제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 구조물에 작용하는 진동 감쇠 시스템에 관한 것이다. 본 발명은 구조물에 별도의 부가적 장치의 설치없이 기존의 충진재를 MR유체로 대체하고 케이블에 코일을 감는 것으로 구조물에 작용하는 진동을 감쇠시켜 제어할 수 있는 효과가 있다.

소선, 연선, 케이블, MR유체, 코일, 진동, 감쇠

Description

ＭＲ유체 케이블 및 그 시스템{MAGNETORHEOLOGICAL FLUID CABLE AND SYSTEM THEREOF}

본 발명은 사장교나 현수교 등의 구조물의 진동제어를 위한 케이블에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 별도의 부가적 장치없이 자기장에 따라 그 특성이 변하는 MR유체를 이용하여 케이블 또는 연선의 감쇠능력을 변화시켜 구조물의 진동을 제어할 수 있는 케이블 및 그 시스템에 관한 것이다.

사장교 및 현수교는 조형미, 경제성 등 우수한 특성으로 인해 20세기 중반 이래 현재까지 꾸준히 건설되고 있는 교량으로써. 최근 우리나라뿐만 아니라 세계적으로 건설이 증가하고 있는 추세이다.

이러한 사장교나 현수교에 사용되는 케이블을 교량에 전달되는 여러 하중을 장력에 의하여 주탑으로 전달시켜 주는 사장교나 현수교의 주요 부재로써 시공뿐만 아니라 건설후 유지관리가 매우 중요하다. 그러나 사장교나 현수교의 케이블은 매우 유연하여 외부 하중으로 인해 발생된 변형을 억제할 수 없으며 낮은 감쇠비를 갖기 때문에 진동에너지를 소산시키지 못하므로 풍하중과 활하중으로 인하여 발생하는 진동에 민감하게 반응한다.

사장교나 현수교의 진동 발생원인은 다음 세가지 현상에 의하여 발생된다고 알려져 있다. 첫째는 바람이 케이블을 통과하면서 와류가 발생하여 이 와류의 주파수가 케이블의 고유진동수와 일치하게 될 때 생기는 경우와, 둘째는 강우를 동반한 바람이 불 때 케이블의 상하면에 두개의 수로가 형성되어 케이블 단면이 공기역학적으로 불안전한 단면을 이루게 되면서 발생되는 강우진동(Rain vibration)이 있고, 세째는 케이블이 병렬로 배치되어 있을 때 앞쪽 케이블을 통과한 바람의 흐름이 뒤쪽 케이블을 진동시키는 항적갤럽핑(Wave gallopping)에 의한 진동이 발생되는 것이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 종래의 사장교(1)는 하나 이상의 주탑(10)과 상기 각 주탑(10)을 지지하며 지중에 박혀있는 교각(11)과 상기 주탑(10)의 길이방향과 수직하게 배치되는 교량 상판(20)과, 각각의 일단부가 상기 주탑(10)에 고정되며 각각의 타단부가 상기 교량 상판(20)에 연결되는 다수의 케이블(30)을 구비한다. 상기 교량 상판(20)은 상판 본체(21)와 상기 상판 본체(21)에 고정되는 다수의 고정부재(22)를 구비한다. 상기 각 케이블(30)의 타단부에는 소켓 또는 앵커헤드(31)가 결합되어 있으며, 그 소켓 또는 앵커헤드가 상기 교량 상판의 각 고정부재(22)에 고정되게 되는데, 상기 고정부재(22)로는 앵커리지가 사용된다. 그리고 상기 소켓 또는 앵커헤드는 상기 교량 상판에 결합된 앵커리지(22)에 고정됨으로써 그 교량 상판(20)에 고정되나, 그 앵커리지 없이 상기 교량 상판(20)에 직접적으로 고정될 수도 있다. 상기 교량 상판의 상판 본체(21)는 거더로서 명명되기도 한다.

한편, 상기 케이블(30)에 있어서는 일반적으로 버페팅, 와류진동, 갤로핑, 그리고 주탑(10)이나 인접케이블(30)에 의한 웨이크 갤로핑과 같은 바람 및 비바람에 의해 진동이 발생하게 되며, 이 발생된 진동은 상기 사장교(1)의 수명을 막소시키게 되므로 이 진동을 적절히 저감하는 방향이 연구되어 왔다.

상기 케이블(30)에서 발생되는 진동을 저감하는 방법으로는 공기역학적 방법, 보조케이블에 의한 진동제어방법, 그리고 감쇠장치를 이용한 진동제어방법 등이 있다.

상기 공기역학적 방법은 상기 케이블의 표면에 helical fillet, dimple, axial stripe 등의 형상을 가진 돌출부를 형성하여 상기 케이블(30) 주위를 유동하는 유체의 공기역학적 특성을 변화시켜주는 방법이다. 이러한 돌출부를 통해서 진동을 저감하고자 하는 경우에는 반드시 실물풍동실험을 거쳐 그 진동의 저감여부를확인해야 하는 불편함이 있다.

또한, 상기 보조케이블에 의한 진동제어방법은 상부 케이블(30)들을 서로 연결함으로써 상기 케이블(30)들의 진동장을 감소시키고 이에 따라 고유진동수를 높일 뿐만 아니라 부가적으로 감쇠의 효과도 가지는 방법이다. 이와 같이 고유진동수가 변화하게 되면 상기 케이블(30)들의 공진을 막을 수 있고 바람에 의한 진동시 임계 풍속을 증가시킬 수 있어서 진동제어방법으로 효과적이다. 그러나 이 방법은 유지관리에 신경을 써야 하며 교량의 미관을 해칠 수 있다는 단점이 있다.

상기 감쇠장치를 이용한 진동제어방법은 상기 케이블(30)에 감쇠장치(40)를 설치하여 그 케이블에서 발생하는 진동을 저감하는 방법으로서 그 진동제어 성능이 우수하여 최근 각광받고 있다. 상기 감쇠장치(40)로는 점성 댐퍼, 점탄성 댐퍼, 마 찰 댐퍼, 탄소성 댐퍼 등의 수동 감쇠장치가 일반적으로 사용되며, 그 감쇠장치의 위치에 따라 외부 댐퍼와 내부 댐퍼로 구별된다. 그리고 상기 감쇠장치(40)는 도 1에 도시된 바와 같이 상기 각 케이블(30)과 상기 교량 상판(20) 사이에 설치되며, 그 감쇠장치(30)의 구성 및 기능은 대한민국 공개특허 제2004-15461호 또는 대한민국 공개특허 제2005-24605호 등에서와 같이 이미 널리 알려져 있다.

상기 감쇠장치를 이용한 진동제어방법중 종래의 기술들은 부가적인 장치(100)를 부착하여 진동을 감쇠시키는 방법을 이용하였다. 그러나, 부가적인 장치를 교량에 설치하기 위한 공간이 한정되어 있고, 이를 제조하고 설치하는 비용이 추가로 소요되는 문제가 있다. 따라서 이러한 부가적인 장치를 설치하기 보다는 사장교나 현수교의 기존 부재나 시스템을 이용하여 외부전력원을 사용하지 않거나 최소한의 외부전력만을 사용하는 기술 개발이 절실히 요청되고 있다.

본 발명은 구조물의 진동제어를 위한 케이블 및 그 시스템에 관한 것으로서, 자기장에 따라 특성이 변하는 MR유체를 이용하여 진동에 대한 감쇠능력을 조절할 수 있는 케이블 및 그 시스템을 제공하는데 그 목적이 있다.

본 발명은 원형단면을 갖는 다수의 소선으로 이루어진 다수의 연선과, 상기 연선과 연선 사이의 공극을 충진하는 MR유체와, 상기 MR유체에 자기장을 부여하기 위해 케이블에 감은 코일을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 구조물에 작용하는 진동을 감쇠시키는 MR유체 케이블에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 상기 연선의 내부에 형성된 소선과 소선 사이의 공극에 MR유체가 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 구조물에 작용하는 진동을 감쇠시키는 MR유체 케이블을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기 연선의 내부의 공극에 충진된 MR유체에 자기장을 부여하기 위해 피복전 또는 피복후의 연선에 코일을 감은 것을 특징으로 하는 구조물에 작용하는 진동을 감쇠시키는 MR유체 케이블을 제공한다.

또한, 본 발명의 상기 소선은 부식을 방지하기 위해 도금된 것을 특징으로 하는 구조물에 작용하는 진동을 감쇠시키는 MR유체 케이블을 제공한다.

또한, 본 발명의 상기 연선은 피복된 것을 특징으로 하는 구조물에 작용하는 진동을 감쇠시키는 MR유체 케이블을 제공한다.

또한, 본 발명은 제1항 내지 제5항중 어느 한 항의 MR유체 케이블을 구비하는 구조물에 설치된 센서를 통해 진동을 측정하는 진동측정부와, 상기 측정된 진동의 크기에 따라 계산된 전류를 상기 MR유체 케이블 또는 연선에 송신하는 제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 구조물에 작용하는 진동 감쇠 시스템을 제공한다.

본 발명은 MR유체 케이블이 설치된 구조물의 진동감지에 따라 제어부를 통해 계산된 전류를 송신하여 코일을 통해 입력함으로써 MR유체의 감쇠능력을 증가시켜 진동을 제어하게 되고, 구조물에 별도의 부가적 장치의 설치없이 구조물에 작용하는 진동을 효과적으로 감쇠시켜 제어할 수 있는 효과가 있다.

이하 본 발명에 대하여 첨부도면을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명에 의한 케이블(a) 및 연선(b)의 단면도, 도 4는 본 발명에 의한 코일을 감은 연선의 사시도, 도 5는 입력전압에 따른 MR유체의 제어력을 나타낸 그래프, 도 6는 도금된 소선으로만 구성된 케이블의 단면도, 도 7은 피복되지 않은 연선으로 구성된 케이블의 단면도, 도 8은 MR유체 케이블을 이용한 사장교(a) 및 현수교(b)의 진동제어 시스템의 구성도이다.

본 발명은 원형단면을 갖는 다수의 소선으로 이루어진 다수의 연선이 구성된다. 도 2에 도시된 바와 같이, 통상의 케이블(100)은 다수의 연선(110)으로 구성되어 있고, 상기 각각의 연선은 다수의 소선(120)으로 구성되어 있다. 따라서 본 발명에 의한 MR유체 케이블도 다수의 소선으로 이루어진 다수의 연선으로 구성되어 있으므 로 기본적으로 통상의 케이블과 유사한 구조를 갖고 있다.

또한, 도 3(a)에 도시된 바와 같이, 본 발명은 상기 연선(110)과 연선(110) 사이의 공극에 MR유체(150)가 충진되어 있다. 기본적으로 소선(120)과 연선(110)은 원형단면으로 형성되어 있기 때문에 연선(110)이나 케이블(100)의 내부에는 공극이 존재한다. 이러한 공극에 의한 연선(110)이나 소선(120)의 부식을 방지하기 위해 왁스와 같은 충진재를 사용해 왔으나, 이러한 기존의 케이블은 별도의 진동제어 기능이 없다는 문제가 있다.

한편, MR유체(Magnetorheological fluid)란 자기장의 특성에 따라 특성이 변하는 유체를 말한다. 본 발명은 케이블 내부의 연선(110)과 연선(110) 사이에 존재하는 공극을 MR유체(150)로 충진시켜서, 부가적인 감쇠장치의 설치 없이도 자기장의 변화에 따라 분자구조의 배열이 바뀌면서 유체에서 고체화되면서 감쇠능력이 증가하여 진동제어 기능을 갖게 되는 것이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 입력전압이 클수록 MR유체의 제어력도 커짐을 알 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 MR유체(150)에 자기장을 형성하기 위하여 피복된 케이블 전체에 코일(160)을 감는다. 상기 코일(160)에 전류가 흐르게 되면 코일(160) 내부에 자기장이 형성되어 케이블(100) 내부의 MR유체(150)가 감쇠능력이 증가하게 된다.

도 3(b)에 도시된 바와 같이, 본 발명은 상기 연선(110)의 내부에 형성된 소선(120)과 소선(120) 사이의 공극에도 MR유체(150)가 충진되어 있는 것을 특징으로 하는 MR유체 케이블을 포함하는데, 상술한 바와 같이, 연선(110) 내부에 존재하는 다수의 소선(120)들도 원형단면을 갖고 있어 각 소선과 소선 사이에는 공극이 존재하므로, 본 발명은 케이블의 내부 뿐만 아니라 연선(110) 내부의 공극에도 MR유체(150)를 충진하여 자기장의 변화에 따라 진동제어 기능을 갖도록 한 것이다.

다만, 도 4에 도시된 바와 같이, 상기 연선(110) 내부의 MR유체(150)를 제어하기 위해서는 연선(110)에 코일(160)을 감아줘야 한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 연선은 피복(140)이 되지 않은 경우도 있으므로, 피복전 또는 피복후의 연선에 코일을 감아 전류를 코일(160)에 흐르게 하여 자기장을 방생시켜 MR유체의 감쇠능력을 증가시킬 수 있다.

또한, 케이블(100) 또는 연선(110) 내부의 소선(120)은 부식이 발생하기 쉽기 때문에 본 발명에서는 이러한 부식을 방지하기 위해 도금 절차를 거쳐 제품의 수명을 연장시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 연선(110)은 피복(140)이 안 된 것은 물론이고, 피복이 된 것도 포함하는데, 연선(110)을 부식 등으로부터 보호하기 위하여 피복(140)을 하는 것이 바람직할 것이다.

본 발명은 청구항 제1항 내지 제5항중 어느 한 항의 MR유체 케이블을 구비하는 구조물에 설치된 센서를 통해 진동을 측정하는 진동측정부와, 상기 측정된 진동의 크기에 따라 계산된 전류를 상기 MR유체 케이블 또는 연선에 송신하는 제어부로 구성되는 것을 특징으로 하는 구조물에 작용하는 진동 감쇠 시스템을 포함한다.

도 8에 도시된 바와 같이, 사장교나 현수교에 바람이나 지진과 같은 진동이 가해졌을 때, 구조물에 설치된 센서(200)가 작동하여 상기 진동을 감지하고 상기 감지된 진동자료를 송신받은 진동측정부(210)에서 진동의 크기가 계산되며, 제어부(220)는 진동측정부(210)에서 계산된 진동의 크기에 따라 전류를 계산하고, 계산된 전류를 상기 MR유체 케이블 또는 연선으로 송신하여 감겨진 코일에 전류를 흐르게 하여 그 내부에 자기장을 발생시키므로 상기 자기장에 따라 MR유체의 감쇠능력이 증가하여 진동을 적절히 제어할 수 있게 된다.

도 1은 종래의 진동감쇠장치가 설치된 사장교의 개략도이다.

도 2는 소선과 연선으로 구성된 통상의 케이블의 단면도이다.

도 3은 본 발명에 의한 케이블(a) 및 연선(b)의 단면도이다.

도 4는 본 발명에 의한 코일을 감은 연선의 사시도이다.

도 5는 입력전압에 따른 MR유체의 제어력을 나타낸 그래프이다.

도 6는 도금된 소선으로만 구성된 케이블의 단면도이다.

도 7은 피복되지 않은 연선으로 구성된 케이블의 단면도이다.

도 8은 MR유체 케이블을 이용한 사장교(a)와 현수교(b)의 진동제어 시스템의 구성도이다.

* 도면의 주요 부호에 관한 설명 *

1. 사장교 2. 현수교

10. 주탑 11. 교각

20. 교량 상판 21. 상판 본체

22. 고정부재 30. 케이블

40. 감쇠장치

100. 케이블 110. 연선

120. 소선 140. 피복

150. MR유체 160. 코일

200. 센서 210. 진동측정부

220. 제어부

Claims (6)

1. 지면과 나란하게 배치되는 교량 상판 및 상기 교량 상판 상에 서로 이격되어 기립배치되는 복수의 주탑들에 각각 일단 및 타단이 연결되어 장력을 제공하는 MR유체 케이블에 있어서,

   상기 MR유체 케이블은,

   원형단면을 갖는 다수의 소선으로 이루어진 다수의 연선들;

   상기 다수의 연선들을 외부로부터 감싸는 케이블;

   상기 케이블 내에 충진되며, 상기 다수의 소선들 사이에 형성된 공극 및 상기 다수의 연선들 사이에 형성된 공극에 충진되는 MR유체; 및

   상기 케이블의 외주면을 따라 나선형으로 감기도록 배치되며, 상기 케이블 내에 자기장을 형성 가능한 코일을 포함하는, MR유체 케이블.
2. 제1항에 있어서,

   상기 MR유체 케이블은,

   상기 연선의 외주면을 따라 나선형으로 감기도록 배치되며, 상기 연선 내에 자기장을 형성 가능한 내부코일을 더 포함하는, MR유체 케이블.
3. 제2항에 있어서,

   상기 연선은 상기 다수의 소선들을 외부로부터 감싸는 피복층을 포함하며,

   상기 내부코일은 상기 피복층의 외주면에 감기도록 배치되는, MR유체 케이블.
4. 제1항에 있어서,

   상기 소선의 외주면에는 부식 방지용 도금층이 형성된, MR유체 케이블.
5. 삭제
6. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 MR유체 케이블을 구비하는 진동 감쇠 시스템에 있어서,

   건축 구조물의 일측에 배치되어 진동을 측정하는 진동측정부; 및

   상기 진동측정부에서 측정된 상기 진동의 크기에 다라 계산된 전류를 상기 MR 유체 케이블에 공급하도록 제어하는 제어부를 포함하는, 진동 감쇠 시스템.

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