KR101792237B1 - 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼 및 이를 이용한 구조물 - Google Patents

형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼 및 이를 이용한 구조물 Download PDF

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Abstract

변위가 발생한 보를 원래의 위치로 되돌릴 수 있는 복원능력, 에너지 소산 능력, 복원력과 에너지 소산 능력이 큰 두 가지 기능을 모두 가지는 것과 같이 그 설치장소나 용도에 따라 다양하게 구성할 수 있고, 압축 좌굴을 방지할 수 있는 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼가 개시된다. 상기 댐퍼는 형상기억합금으로 된 봉부재, 상기 봉부재의 일단에 결합되어 봉부재를 벤딩시키는 모멘트를 발생하는 제1모멘트발생부재 및 상기 봉부재의 타단에 결합되어 봉부재를 벤딩시키는 모멘트를 발생하는 제2모멘트발생부재 포함하는 구성을 하고 있다.

Description

형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼 및 이를 이용한 구조물{Bending-tension/compression damper using a member made of a shape memory alloy and structure using the same}
본 발명은 댐퍼에 대한 것으로, 특히 각종 구조물에 설치되어 구조물의 요소 상호간에 작용하는 충격을 완충하여 주는 데 사용되는 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼에 대한 것이다.
형상기억합금(Shape Memory Alloy, SMA)은 마르텐사이트(Martensite) 상태에 있을 때와 오스테나이트(Austenite) 상태에 있을 때의 거동특성이 상이하며, 각 상태의 거동은 다양한 분야에서 응용이 가능하다. 특히, 토목분야에서 구조물의 지진에 대한 거동특성을 개선하기 위해서 형상기억합금은 다양한 형태로 적용이 시도되고 있다.
일반적으로 형상기억합금은 와이어 또는 봉의 형태로 이용하고 있다. 와이어는 특성상 인장에 대해서만 적용이 가능하며, 봉은 인장과 압축에 모두 적용이 가능하나 압축의 경우 좌굴의 위험성 때문에 길이를 제한하거나 길이가 길어지는 경우 중간 부분을 고정해야하는 문제가 발생한다. 학술논문에서는 약 2m의 형상기억합금 봉을 인장과 압축 방향에 대해서 댐퍼로 사용할 수 있다고 언급하고 있으나, 이러한 압축에 의한 좌굴문제를 해결해야 한다.
최근 인장과 압축 또는 잡아당기기와 밀기(pulling and pushing)에 대해서 효과적으로 대응할 수 있도록 형상기억합금 관을 이용한 스프링의 개발이 연구논문에 발표되었다. 그러나 스프링의 제작은 스파이럴 형태로 관을 가공해야 하기 때문에 어려움이 있다.
도 1 내지 4를 참고하여, 위와 같은 형상기억합금의 기본 특성에 대해 살펴보면 다음과 같다.
도 1은 마르텐사이트 형상기억합금의 응력-변형률 그래프이고, 도 2는 마르텐사이드 형상기억합금의 변형 및 변태 과정을 나타낸 그래프이고, 도 3은 오스테나이트 형상기억합금의 응력-변형률 그래프이고, 도 4는 오스테나이트 형상기억합금의 변형 및 변태과정을 나타낸 그래프이다.
도 1 내지 4에서 알 수 있듯이, 형상기억합금은 마르텐사이트 상태에서 보여주는 거동과 오스테나이트 상태에서 보여주는 거동이 상이하다. 마르텐사이트 상태에서는 도 1과 같이 변형이 발생한 후 하중을 제거하면 큰 잔류변형이 남게 되고, 여기서 열을 가해서 특정 온도이상으로 상승시키면 잔류변형을 회복한다. 이러한 특성을 형상기억효과라 한다. 응력-변형률 곡선에서 곡선 내부의 면적은 에너지를 소산하는 능력을 나타낸다. 마르텐사이트 형상기억합금은 에너지 소산 능력이 크다. 이러한 거동을 보이는 이유는 도 2에 나타낸 바와 같이 트윈드 마르텐사이트(Twinned martensite) 형상기억합금은 하중에 의해서 디트윈드 마르텐사이트(Detwinned Martensite) 형상기억합금으로 바뀌면서 변형이 발생하고 하중을 제거해도 잔류변형이 남는다. 이 상태에서 온도를 Af 이상으로 상승시키면 오스테나이트 상태로 변태하면 변형을 회복하고, 온도를 Mf이하로 낮추면 다시 트윈드 마르텐사이트 상태가 된다. As는 오스테나이트 변태 시작온도, Af는 오스테나이트 변태가 끝나는 온도, Ms는 마르텐사이트 변태시작 온도, Mf는 마르텐사이트 변태가 끝나는 온도를 각각 나타낸다.
오스테나이트 상태의 형상기억합금은 도 3에서 보는 것과 같이 변형 후에 하중을 제거하면 원래의 상태로 돌아가며 잔류변형을 거의 남기지 않는다. 이러한 거동을 초탄성 거동(Superelasticity)이라 하며, 지진 발생 후 구조물을 원래의 상태로 되돌리는 데 주로 사용된다. 이러한 능력을 리센터링 능력(recentering capacity)라 하며 지진 후 구조물을 재사용하거나 보수하는데 크게 도움이 되는 특성이다. 도 4에서 보는 것과 같이 오스테나이트 형상기억합금은 하중에 의해서 디트윈드 마르텐사이트 형상기억합금으로 변형을 하게 되며, 하중을 제거하면 변형을 회복하면서 다시 오스테나이트 형상기억합금으로 되돌아간다.
본 발명의 목적은 형상기억합금이 압축력을 받을 때 발생할 수 있는 좌굴 위험성을 해결할 수 있는 형상기억합금을 이용한 댐퍼를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 간단하면서도 잡아당기기와 밀기에 동시에 저항할 수 있는 형상기억합금을 이용한 댐퍼를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 에너지 소산 능력을 가지면서 원상회복 능력도 뛰어난 형상기억합금을 이용한 댐퍼를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 댐퍼는 두 부재 사이에 설치되어 상기 두 부재 상호간에 작용하는 힘을 완충하여 주기 위한 댐퍼에 있어서, 형상기억합금으로 된 봉부재; 상기 봉부재의 일단에 결합되는 제1결합부와 상기 제1결합부에서 상기 봉부재의 길이 방향을 따르는 축선에 대해 방사상의 한 방향으로 멀어지도록 배치되며 상기 두 부재 중 하나의 부재에 결합하기 위한 제1팔부를 구비하여 구성되고, 상기 제1팔부가 상기 하나의 부재로부터 상기 봉부재의 길이방향 성분의 힘을 전달받으면 상기 봉부재를 벤딩시키는 모멘트를 발생하는 제1모멘트발생부재; 및 상기 봉부재의 타단에 결합되는 제2결합부와 상기 제2결합부에서 상기 축선에 대해 방사상의 한 방향으로 멀어지도록 배치되며 상기 두 부재 중 나머지 하나의 부재에 결합하기 위한 제2팔부를 구비하여 구성되고, 상기 제2팔부는 상기 나머지 하나의 부재로부터 상기 제1팔부에서와는 반대되는 방향으로 상기 봉부재의 길이방향 성분의 힘을 전달받으면 상기 봉부재를 벤딩시키는 모멘트를 발생하는 제2모멘트발생부재를 포함하는 구성을 한다.
상기 제1모멘트발생부재와 상기 제2모멘트발생부재는 L자 형상을 하고 있는 것이 바람직하다.
상기 봉부재는 일자형인 것이 적당하다. 하지만, 필요에 따라 만곡된 것이 사용될 수도 있다.
상기 봉부재의 양단에는 나선이 형성되어 있고, 상기 제1결합부와 상기 제2결합부에는 상기 나선에 결합되는 나사결합부가 형성되어 있는 것이 좋다.
상기 봉부재는 오스테나이트로 된 것과 마르텐사이트로 된 것을 병렬로 배치한 것이 바람직하다.
상기 제1팔부와 상기 제2팔부는 원호모양을 하고 있고, 끝부분에 상기 두 부재에 회동 가능케 연결하기 위한 힌지부가 형성된 것이 좋다.
때에 따라, 상기 봉부재의 양단은 다각형 단면으로 형성되어 있거나 다각형 단면의 캡이 나사결합되어 있는 것이고, 상기 제1결합부와 상기 제2결합부에는 상기 봉부재의 양단이 각각 결합할 수 있는 다각형 단면의 홈이 형성되어 있는 것일 수 있다.
상기 제1결합부와 상기 제2결합부 및 상기 제1결합부와 상기 제2결합부에 결합되는 봉부재는 각각 복수개가 병렬로 배치될 수 있다.
본 발명에 따른 구조물은 제1방향으로 배치된 제1구조부재; 상기 제1구조부재의 일 측면에 결합된 연결부재; 상기 연결부재에 결합되어 제2방향으로 배치되고, 상기 제1구조부재의 상기 일 측면과 간격을 두고 설치되어 상기 제1구조부재에 대해 회전방향으로 진동 가능한 제2구조부재; 및 상기 제1구조부재와 상기 제2구조부재 사이에 설치되어 상기 제2구조부재의 상기 회전방향 진동을 완충하여주는 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼를 포함하는 구성을 한다.
상기 제2구조부재가 진동하는 방향의 한 면은 상기 제1구조부재 또는 그 주변에 설치된 부재의 지지를 받는 롤러에 의해 지지가 된 것일 수 있다.
본 발명에 따른 댐퍼를 사용하는 경우, 변위가 발생한 보를 원래의 위치로 되돌릴 수 있는 복원능력이 있어 지진 후 구조물이 원상태로 되돌아가게 할 수 있다.
본 발명에 따른 댐퍼는 큰 복원력을 가지는 것, 에너지 소산 능력이 큰 것, 복원력과 에너지 소산 능력이 큰 두 가지 기능을 모두 가지는 것과 같이 그 설치장소나 용도에 따라 다양하게 구성할 수 있다.
본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 댐퍼는 휨-인장 또는 휨-압축 거동 시 에너지를 소산하기 때문에 지진에 의해서 주어지는 에너지의 상당량을 소산하여 구조물 전체의 변위를 제어하는데 기여 할 수 있다.
형상기억합금으로 된 봉부재를 직접 인장하는 경우, 인장 시에는 문제가 없으나, 압축할 경우 좌굴에 의한 휨 파괴가 발생할 수 있으며, 인장 및 압축의 거동이 상이하게 발생할 수 있지만, 본 발명에 따르면 그럴 염려가 없다.
기존의 볼트연결의 경우 연결부에서 회전이 거의 허용되지 않기 때문에 지진 시에 보의 플렌지 등에서 국부좌굴이 발생하지만, 본 발명에 따르면 상부를 볼트연결로 하고, 하부를 가동이 가능한 연결로 하여 보가 회전할 수 있어 보의 국부좌굴을 방지할 수 있다.
도 1은 마르텐사이트 형상기억합금의 응력-변형률 그래프,
도 2는 마르텐사이드 형상기억합금의 변형 및 변태 과정을 나타낸 그래프,
도 3은 오스테나이트 형상기억합금의 응력-변형률 그래프,
도 4는 오스테나이트 형상기억합금의 변형 및 변태과정을 나타낸 그래프,
도 5는 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 댐퍼의 정면도,
도 6은 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 댐퍼가 양쪽으로 당겨질 때의 변형 예를 나타낸 정면도,
도 7은 양쪽에서 서로를 향해 미는 힘을 받을 때의 변형 예를 나타낸 정면도,
도 8은 도 5의 댐퍼가 구조물에 설치된 상태의 일례를 나타낸 도면,
도 9는 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼의 변형 예를 나타낸 사시도,
도 10은 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼의 다른 변형 예를 나타낸 사시도,
도 11은 도 10의 분해사시도이다.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명의 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다.
도 5는 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 댐퍼의 정단면도이고, 도 6은 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 댐퍼가 양쪽으로 당겨질 때의 변형 예를 나타낸 정단면도이고, 도 7은 양쪽에서 서로를 향해 미는 힘을 받을 때의 변형 예를 나타낸 정단면도, 도 8은 도 5의 댐퍼가 구조물에 설치된 상태의 일례를 나타낸 도면이다.
도 5 내지 8에 나타낸 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 댐퍼(100)는 상호 간에 힘이 작용하는 동일 구조물 또는 서로 다른 구조물의 두 부재 사이에 설치되어 두 부재 상호간에 작용하는 힘을 완충하여 주기 위한 것으로, 형상기억합금으로 된 봉부재(110)를 구비한다. 형상기억합금으로는 댐퍼(100)가 설치되는 장소에 따라 마르텐사이트로 된 것 또는 오스테나이트로 된 것이 사용될 수 있다. 두 부재 상호간에 작용하는 힘의 소산이 중요한 경우, 마르텐사이트로 된 것을 주로 이용하고, 힘의 소산보다는 복원력이 중요한 경우에는 오스테나이트로 된 것을 주로 이용한다.
위와 같은 형상기억합금으로 된 봉부재의 휨 거동은 아래 표 1과 같다.
오스테나이트 형상기억합금
봉부재의 휨 거동		 마르텐사이트 형상기억합금
봉부재의 휨 거동
Figure 112016025033969-pat00001
Figure 112016025033969-pat00002
위 표 1에서 알 수 있는 바와 같이, 오스테나이트 형상기억합금을 사용하는 경우 하중이 제거된 상태에서 잔류변형(약 7㎜)이 매우 작게 나타나며, 마르텐사이트 형상기억합금을 사용하는 경우 하중이 제거된 상태에서 잔류변형(약 20㎜)이 상대적으로 월등히 크게 발생한다.
바람직하게, 이 봉부재(110)의 양단은 그 사이에서보다 상대적으로 큰 단면으로 형성되고, 그 외주면에 나선(112)이 각각 형성되어 있다.
위와 같은 봉부재(110)는 일자형인 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 댐퍼(100)는 제1모멘트발생부재(120)와 제2모멘트발생부재(130)를 구비한다.
제1모멘트발생부재(120)는 바람직하게 L자 모양을 하고 있다. 이러한 제1모멘트발생부재(120)의 한 쪽 끝에는 나선(112)이 형성된 봉부재(110)의 일단에 결합되는 제1결합부(122)가 설치되어 있다. 제1결합부(122)는 봉부재(110)의 일단이 나사결합 될 수 있도록 암나사 형태의 나사결합부로 형성된 것이 좋다. 이러한 제1결합부(122)에는 제1팔부(124)가 연결되어 있다. 제1팔부(124)는 댐퍼(100)가 설치되는 두 부재 중 하나의 부재에 결합되는 것으로, 제1결합부(122)에서 봉부재(110)의 길이 방향을 따르는 축선에 대해 방사상의 한 방향으로 멀어지도록 배치된다. 이러한 제1팔부(124)는 직선형으로 설치될 수 있으나, 도 5 내지 8에 나타낸 바와 같이 원호모양으로 형성하는 것이 바람직하고, 봉부재(110)의 좌우 중심부 쪽으로, 즉 안쪽으로 휘어진 것이 좋고, 바람직하게 봉부재(110)와는 90보다 작은 각도를 이룬다.
바람직하게, 제1팔부(124)의 끝 부분에 두 부재 중 하나의 부재에 회동 가능케 연결할 수 있도록 하기 위한 힌지부(126)가 형성되어 있다.
위와 같은 제1모멘트발생부재(120)는 제1팔부(124)가 거기에 연결된 하나의 부재로부터 봉부재(110)의 길이방향 성분의 힘을 전달받으면 봉부재(110)를 벤딩시키는 모멘트를 발생한다.
제2모멘트발생부재(130) 역시 바람직하게 L자 모양을 하고 있고, 바람직하게, 제1모멘트발생부재(120)와 좌우 대칭으로 배치된다. 이러한 제2모멘트발생부재(130)의 한 쪽 끝에는 나선(112)이 형성된 봉부재(110)의 타단에 결합되는 제2결합부(132)가 설치되어 있고, 제2결합부(132)는 봉부재(110)의 타단이 나사결합 될 수 있도록 암나사 형태의 나사결합부로 형성되어 있다. 제2결합부(132)에는 제2팔부(134)가 연결되어 있다. 제2팔부(134)는 댐퍼(100)가 설치되는 두 부재 중 나머지 하나의 부재에 결합되는 것으로, 제2결합부(132)에서 봉부재(110)의 길이 방향을 따르는 축선에 대해 방사상의 한 방향으로 멀어지도록 배치된다. 이러한 제2팔부(134)는 직선형으로 설치될 수 있으나, 도 5 내지 8에 나타낸 바와 같이 원호모양으로 형성하는 것이 바람직하고, 제1모멘트발생부재(120)와 좌우 대칭으로 설치된다.
바람직하게, 제2팔부(130)의 끝 부분에 두 부재 중 나머지 하나의 부재에 회동 가능케 연결할 수 있도록 하기 위한 힌지부(136)가 형성되어 있다.
위와 같은 제2모멘트발생부재(130)는 제2팔부(134)가 거기에 연결된 나머지 하나의 부재로부터 제1팔부(124)에서와는 반대되는 방향으로 봉부재(110)의 길이방향 성분의 힘을 전달받으면 봉부재(110)를 벤딩시키는 모멘트를 발생한다. 제1모멘트발생부재(120)와 제2모멘트발생부재(130)는 서로 반대방향의 모멘트를 발생한다. 예를 들어, 제1모멘트발생부재(120)가 시계방향의 모멘트를 발생하면 제2모멘트발생부재(130)는 반시계방향의 모멘트를 발생한다.
본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼(100)는 도 5 내지 7에서 알 수 있는 바와 같이 형상기억합금으로 된 봉부재(110)와 이 봉부재(110)의 양단에 고정되어 있는 L 형상의 제1, 제2모멘트발생부재(120, 130)로 구성되어 있다. 제1, 제2모멘트발생부재(120, 130)는 L자 모양으로 되어 있으며, 봉부재(110)와 제1, 제2팔부(120, 130)의 각도는 90ㅀ보다 작은 예각의 각도를 이루는 것이 바람직하다.
도 5에 나타낸 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼(100)에서, 제1, 제2팔부(124, 134)를 서로 반대 방향으로 잡아당기는 경우(pulling), 도 6과 같이 형상기억합금으로 된 봉부재(100)는 휨 변형과 인장 변형을 일으킨다.
반대로, 제1, 제2팔부(124, 134)를 서로를 향해 미는 경우, 도 7과 같이 인장과는 반대방향으로 휨 변형과 압축 변형을 일으킨다.
즉, 본 발명에 따른 댐퍼(100)는 제1, 제2팔부(124, 134)를 서로 반대방향으로 잡아당기는 경우, 휨 변형과 인장 변형이 동시에 발생하고, 서로를 향해 미는 경우, 휨 변형과 압축 변형이 동시에 발생한다. 힌지부(126, 136)에는 미는 힘 또는 당기는 힘만이 작용하지만, 제1, 제2모멘트발생부재(120, 130)가 모멘트 팔의 역할을 하여 형상기억합금으로 된 봉부재(110)에는 휨이 추가로 발생하게 된다.
위와 같은 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼(100)가 구조물에 설치된 상태의 일례는 도 8을 보면 알 수 있다.
도 8을 참고하면, 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼(100)는 제1방향으로 배치된 제1구조부재(210)와 제1방향에 대해 경사진, 바람직하게 제1방향에 수직한 제2방향으로 배치된 제2구조부재(220) 사이에 설치되어 제2구조부재(220)의 회전방향 진동을 완충하여 줄 수 있다. 제2구조부재(220)는 연결부재(230)를 통해 제1구조부재(210)의 일 측면과 간격을 두고 배치되어 제1구조부재(210)에 대해 회전방향으로 진동 가능케 설치된다. 연결부재(230)로는 L자 모양의 앵글이 적당하다.
제1구조부재(210)와 제2구조부재(220)에는 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼(100)를 연결하기 위해 돌출된 연결부(212, 222)가 각각 형성되어 있고, 이 연결부(212, 222)에 제1팔부(124)와 제2팔부(134)에 형성된 힌지부(126, 136)가 각각 회동 가능케 결합되어 있다.
또한, 제1구조부재(210)에는 롤러 받침부(214)가 설치되고, 롤러 받침부(214)와 제2구조부재(220)의 회전진동 방향의 한 측면과의 사이에 롤러(240)가 설치되어 있다. 롤러 받침부(214)는 제1구조부재(210) 또는 제2구조부재(220) 주변의 여타의 다른 부재에 설치될 수 있다. 롤러(240)는 제2구조부재(220)가 회전진동 시 제2구조부재(220)의 한 측면을 받쳐주어서 제2구조부재(220)의 심한 회전진동을 억제하고 연결부재(230)에 무리한 힘이 가해지는 것을 방지한다.
기존의 볼트연결의 경우 연결부에서 회전이 거의 허용되지 않기 때문에 지진 시에 보의 플렌지 등에서 국부좌굴이 발생하지만, 도 8에 나타낸 바와 같은 본 발명에 따른 구조물(200)을 만드는 경우, 하부를 가동이 가능한 연결로 인하여 제2구조부재(220)와 같은 보가 제1구조부재(210)와 같은 기둥에 대해 회전할 수 있어 보의 국부좌굴을 방지할 수 있다.
위와 같은 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼(100)는 복수 개가 병렬로 연결되어 큰 용량의 댐퍼로 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼(100)는 강구조물에서 기둥과 보의 연결 부위에 사용할 수 있다. 연결부위의 구성적 특징을 정리하면 다음과 같다.
① 보와 기둥은 휨에 대해서 회전할 수 있도록 틈(gap)을 두고 설치한다.
② 보의 상부는 볼트접합과 같이 강결로 연결한다.
③ 보의 하부는 롤러 또는 슬롯 등으로 수평이동과 회전이 가능하도록 연결한다.
④ 기둥과 보를 댐퍼로 연결한다. 이때 연결봉은 보 및 기둥과 강결되지만, 댐퍼와 힌지로 연결하여 회전이 가능하도록 하여야 한다. 댐퍼의 힌지 커넥션(hinge connection)에는 순수하게 미는 힘 또는 당기는 힘만이 작용하도록 한다.
본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼(100)를 이용하여 보-기둥연결을 위와 같이 하면 강구조물의 기둥-보 연결 부위에서 다음과 같은 장점이 있다.
㉠ 기존의 볼트연결의 경우 연결 부위에서 회전이 거의 허용되지 않기 때문에 지진 시에 제2구조부재(220)에 해당하는 보의 플렌지 등에서 국부좌굴이 발생한다. 그러나 보의 상부를 볼트연결로 하고, 하부를 가동이 가능한 연결로 하는 경우 보가 회전할 수 있어 보의 국부좌굴을 방지할 수 있다.
㉡ 댐퍼의 사용은 변위가 발생한 보를 원래의 위치로 되돌릴 수 있는 복원능력을 제공하여 지진 후 구조물이 원상태로 되돌아가게 한다.
㉢ 댐퍼의 형상기억합금 봉부재는 휨-인장 또는 휨-압축 거동 시 에너지를 소산하기 때문에 지진에 의해서 주어지는 에너지의 상당량을 소산하여 구조물 전체의 변위를 제어하는데 기여 한다.
㉣ 형상기억합금 바를 직접 인장하는 경우, 인장 시에는 문제가 없으나, 압축할 경우, 좌굴에 의한 휨 파괴가 발생할 수 있으며, 인장 및 압축의 거동이 상이하게 발생할 수 있지만, 본 발명에서는 이런 문제를 해결하였다.
도 5 내지 8을 통해 설명한 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼(100)는 2개 이상이 병렬로 설치될 수 있다.
두 형상기억합금의 특성을 활용하여 하나의 댐퍼에 두 종류의 형상기억합금 봉부재를 접합하거나 병렬로 배치하여 동시에 이용하면 매우 효과적인 거동 특성을 얻을 수 있다. 이렇게 하면, 오스테나이트 형상기억합금의 봉부재(110)는 복원력을 제공하고, 마르텐사이트 형상기억합금 봉부재(110)는 에너지 소산을 제공하여 효과적인 댐퍼가 될 수 있다.
이와 관련하여, ANSYS 구조해석 프로그램을 이용하여, 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼(100)의 복원 능력과 에너지 소산 능력을 해석적으로 검토하였다.
참고도 1은 오스테나이트 형상기억합금과 마르텐사이트 형상기억합금이 반씩 각각 병렬로 접합된 봉부재(110)의 지름이 10 mm, 길이가 200 mm 이며, 모멘트 암의 길이가 200 mm 인 댐퍼의 해석모델을 보여주고 있다.
참고도 2(a)와 (2b)는 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼(100)가 인장(pulling) 및 압축(pushing)의 힘을 받는 경우 형상기억합금으로 된 봉부재(101)의 휨 거동을 보여주고 있으며, 참고도 3은 이때의 힘-변위 이력곡선을 보여주고 있다.
참고도 1
Figure 112016025033969-pat00003
참고도 2(a): 압축(Pushing) 상태의 휨 거동
Figure 112016025033969-pat00004
Figure 112016025033969-pat00005
참고도 2(b): 인장(Pulling) 상태의 휨 거동
Figure 112016025033969-pat00006
Figure 112016025033969-pat00007
참고도 3: 형상기억합금 봉부재 휨 댐퍼의 힘-변위 곡선
Figure 112016025033969-pat00008
참고도 3과 같은 거동은 외부하중(Force)이 제거 되면, 변위(Displacement)가 사라져 원래의 위치로 100% 복원하는 복원력을 제공한다. 그리고 참고도 3 그래프에서 깃발모양(flag-shape) 거동을 통해서 에너지를 소산하게 된다. 깃발모양(flag-shape) 거동의 그래프 내부 면적이 소산되는 에너지의 크기이다.
즉, 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼(100)는 인장과 압축에 대해서 안정적으로 복원능력과 에너지 소산을 제공한다.
도 9는 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼의 변형 예를 나타낸 사시도이다.
때에 따라, 제1모멘트발생부재(120)와 제2모멘트발생부재(130)에 제1, 제2결합부(122, 132)를 2개씩 각각 설치하고, 봉부재(110a, 110b)를 병렬로 2개 설치하여 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼(100)를 구성할 수 있다. 나란하게 병렬로 배치된 봉부재(110a, 110b)로는 하나는 오스테나이트 형상기억합금으로 된 봉부재(110a)를 사용하고 나머지 하나는 마르텐사이트 형상기억합금으로 된 봉부재(110b)를 사용할 수 있다. 댐퍼(100)가 설치되는 장소나 용도에 따라 오스테나이트 형상기억합금으로 된 봉부재(110a) 2개를 설치하거나 마르텐사이트 형상기억합금으로 된 봉부재(110b) 2개를 설치하여 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼(100)를 구성할 수 있다.
여기에서, 2개의 봉부재(110a, 110b)를 제1모멘트발생부재(120)와 제2모멘트발생부재(130)에 나사결합하기 위해서는 봉부재(110a, 110b) 각각의 양단에 형성되는 나선을 일단에는 오른 나사를 형성하고, 타단에는 왼나사를 형성하여 봉부재(110a, 110b) 각각을 한 방향으로 돌리면 제1결합부(122)와 제2결합부(132)에 동시에 결합될 수 있도록 하고, 2개의 봉부재(110a, 110b)를 동시에 결합하여야 한다.
때에 따라, 견고한 결합을 위해 2개의 봉부재(110a, 110b) 양단의 경사진 부분에 도구를 결합하여 봉부재(110a, 110b)를 회전시킬 수 있도록 하기 위한 홈들을 형성해둘 수 있다.
나머지는 도 5 내지 8을 통해 설명한 것과 같다.
도 9을 참고하면, 제1, 제2결합부와 봉부재의 개수를 3개 이상씩 설치하여 구성할 수 있음은 쉽게 알 수 있다.
도 10은 본 발명에 따른 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼의 다른 변형 예를 나타낸 사시도, 도 11은 도 10의 분해사시도이다.
때에 따라, 도 10과 11에 나타낸 바와 같이, 제1, 제2결합부(122, 132)에 봉부재(110a, 110b)의 회전 방지를 위해 사각 등 다각형 홈을 형성하고, 봉부재(110a, 110b)의 양단에 사각 등의 다각형 단면을 가지는 캡(114)을 결합하여 본 발명에 따른 휨-인장/압축 댐퍼(100)를 구성할 수 있다. 이렇게 하면 앞 실시예들에 사용된 봉부재들을 활용하여 봉부재(110a, 110b)를 병렬로 설치한 것도 쉽게 만들 수 있다. 때에 따라, 봉부재의 단부에 나선을 형성하지 않고, 봉주재의 단부를 직접 다각형 단면으로 형성한 것을 사용할 수 있음은 물론이다.
이러한 결합방식은 봉부재를 1개 사용하는 도 5 내지 7에 나타낸 실시예에도 그대로 적용될 수 있다.
나머지는 도 9를 통해서 설명한 것과 같다.
본 발명은 동일 구조물 또는 서로 다른 구조물의 두 부재 사이에 설치되어 두 부재 상호간에 작용하는 충격을 완충하여 주는 댐퍼의 제작 및 구조물에 설치된 보의 좌굴을 방지하는 구조물을 만드는 데에 이용될 가능성이 있다.
100: 댐퍼 110: 봉부재
114: 캡 120: 제1모멘트발생부재
122: 제1결합부 124: 제1팔부
126, 136: 힌지부 130: 제2모멘트발생부재
132: 제2결합부 134: 제2팔부
200: 구조물 210: 제1구조부재
212, 222: 연결부 214: 롤러받침
220: 제2구조부재 230: 연결부재
240: 롤러

Claims (11)

  1. 두 부재 사이에 설치되어 상기 두 부재 상호간에 작용하는 힘을 완충하여 주기 위한 댐퍼에 있어서,
    형상기억합금으로 된 봉부재;
    상기 봉부재의 일단에 결합되는 제1결합부와 상기 제1결합부에서 상기 봉부재의 길이 방향을 따르는 축선에 대해 방사상의 한 방향으로 멀어지도록 배치되며 상기 두 부재 중 하나의 부재에 결합하기 위한 제1팔부를 구비하여 구성되고, 상기 제1팔부가 상기 하나의 부재로부터 상기 봉부재의 길이방향 성분의 힘을 전달받으면 상기 봉부재를 벤딩시키는 모멘트를 발생하는 제1모멘트발생부재; 및
    상기 봉부재의 타단에 결합되는 제2결합부와 상기 제2결합부에서 상기 축선에 대해 방사상의 한 방향으로 멀어지도록 배치되며 상기 두 부재 중 나머지 하나의 부재에 결합하기 위한 제2팔부를 구비하여 구성되고, 상기 제2팔부는 상기 나머지 하나의 부재로부터 상기 제1팔부에서와는 반대되는 방향으로 상기 봉부재의 길이방향 성분의 힘을 전달받으면 상기 봉부재를 벤딩시키는 모멘트를 발생하는 제2모멘트발생부재를 포함하고,
    상기 제1팔부와 상기 제2팔부는 원호모양을 하고 있고, 끝부분에 상기 두 부재에 회동 가능케 연결하기 위한 힌지부가 형성된 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼.
  2. 제1항에 있어서, 상기 제1모멘트발생부재와 상기 제2모멘트발생부재는 L자 형상을 하고 있는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼.
  3. 제1항에 있어서, 상기 봉부재는 일자형인 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼.
  4. 제1항에 있어서, 상기 봉부재의 양단에는 나선이 형성되어 있고, 상기 제1결합부와 상기 제2결합부에는 상기 나선에 결합되는 나사결합부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼.
  5. 제1항에 있어서, 상기 봉부재는 오스테나이트로 된 것과 마르텐사이트로 된 것을 병렬로 배치한 것임을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼.
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서, 상기 봉부재의 양단은 다각형 단면으로 형성되어 있거나 다각형 단면의 캡이 나사결합되어 있는 것이고, 상기 제1결합부와 상기 제2결합부에는 상기 봉부재의 양단이 각각 결합할 수 있는 다각형 단면의 홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼.
  8. 제1항 내지 제5항 및 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1결합부와 상기 제2결합부 및 상기 제1결합부와 상기 제2결합부에 결합되는 상기 봉부재는 각각 복수개가 병렬로 배치된 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 휨-인장/압축 댐퍼.
  9. 제1방향으로 배치된 제1구조부재;
    상기 제1구조부재의 일 측면에 결합된 연결부재;
    상기 연결부재에 결합되어 제2방향으로 배치되고, 상기 제1구조부재의 상기 일 측면과 간격을 두고 설치되어 상기 제1구조부재에 대해 회전방향으로 진동 가능한 제2구조부재; 및
    상기 제1구조부재와 상기 제2구조부재 사이에 설치되어 상기 제2구조부재의 상기 회전방향 진동을 완충하여주는 청구항 제1항 내지 제5항 및 제7항 중 어느 한 항의 휨-인장/압축 댐퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물.
  10. 제9항에 있어서, 상기 제2구조부재가 진동하는 방향의 한 면은 상기 제1구조부재 또는 그 주변에 설치된 부재의 지지를 받는 롤러에 의해 지지가 된 것을 특징으로 하는 구조물.
  11. 제1방향으로 배치된 제1구조부재;
    상기 제1구조부재의 일 측면에 결합된 연결부재;
    상기 연결부재에 결합되어 제2방향으로 배치되고, 상기 제1구조부재의 상기 일 측면과 간격을 두고 설치되어 상기 제1구조부재에 대해 회전방향으로 진동 가능한 제2구조부재; 및
    상기 제1구조부재와 상기 제2구조부재 사이에 설치되어 상기 제2구조부재의 상기 회전방향 진동을 완충하여주는 청구항 제8항의 휨-인장/압축 댐퍼를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물.
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