KR101922012B1 - 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템 및 이를 이용한 위치제어방법 - Google Patents

면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템 및 이를 이용한 위치제어방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 기초구조물(D)과 면진을 위한 감쇄장치(10)로 연결된 면진구조물(S)을 보강하기 위한 것으로,
상기 기초구조물(D) 상부에 설치된 기초측 실린더 브래킷(20);
상기 면진구조물(S) 하부에 설치된 구조물측 실린더 브래킷(30);
상기 기초측 실린더 브래킷(20)과 상기 구조물측 실린더 브래킷(30)에 양단에 힌지결합되는 위치보정 실린더(100);
를 포함하여 구성되되,
상기 위치보정 실린더(100)는 평상시에는 실린더 축력없이 작동하지 않다가 지진으로 인하여 상기 기초구조물(D)이 일측으로 이동하므로 상기 면진구조물(S)이 면진 구조물 허용 변위 구간을 이탈하면,
상기 기초구조물(D)이 타측으로 이동할 때 상기 위치보정 실린더(100)의 확장은 가능하고 수축은 불가능하도록 상기 실린더 축력이 작용하여,
상기 기초구조물(D)이 타측으로 이동하는 힘이 그대로 상기 면진구조물(S)에 전달되고,
상기 면진구조물(S)이 면진 구조물 허용 변위 구간내로 진입하면 상기 실린더 축력이 해제되는 것을 특징으로 하는 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템 및 이를 이용한 위치제어방법을 제공한다.

Description

면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템 및 이를 이용한 위치제어방법{the auto position correction cylinder system supporting isolation structure and the position control method using the same}
본 발명은 단순히 기존의 면진장치인 감쇄장치와 다르게 실린더를 능동적으로 제어하여 면진구조물을 신속하게 원위치로 환원시키므로 면진구조물에 가해지는 지진에너지를 효과적으로 상쇄하고 안정성을 확보하는 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템 및 이를 이용한 위치제어방법에 관한 것이다.
현재 지진으로부터 구조물을 보호하기 위해 내진, 제진, 면진 등 다양한 측면에서의 기술이 적용되고 있다.
그러나 현재의 기술은 지진으로부터 보호할 수 있는 범위가 제한적이어서 이를 개선해야 할 충분한 여지가 있다.
내진설계란 지진에 견딜 수 있는 강성 또는 내구성 등을 고려한 구조물의 설계방법이다. 단순하게 살펴본다면 지진에 견딜 수 있는 구조물로 설계한다는 개념이며 건물의 경우 내부의 시설이나 사람 그리고 동물 등은 고려되지 않고 있다.
그리고 제진설계 또한 비교적 고층 구조물에 적용하는 기술이라 할 수 있으며, 이 역시 지진의 진동과 구조물의 고유 진동수와의 공명이 발생하지 않도록 구조물의 진동리듬을 부조화시켜 구조물의 안전을 확보하는 것이 주된 목적이라 할 수 있다.
기존의 면진시스템은 비록 면진이라는 용어를 사용하기는 하지만 정확히는 면진보다는 지진 감쇄장치라 볼 수 있다.
보통 건물의 면진장치의 경우 교량의 면진 교좌장치를 개선 또는 보완해 건물에 적용시킨 형태가 대부분으로 지진의 규모가 크거나 시간이 길어질 경우 공진현상이 발생할 우려 있으며, 지진이 종료한 후에도 지상의 구조물이 계속 진동하여 구조물의 구조적 안전성이 위협받고 원위치로 환원하는 데 적지 않은 시간이 소요되는 문제점이 있다.
즉 어느 구조물이든 각자 고유주파수가 있고 지진파의 주파수가 배수관계에 있다면 공명현상이 생기게 되며, 이는 기존의 면진장치인 감쇄장치를 설치하더라도 지진의 진동발생기간이 길어지거나 지진의 규모가 크게 되면 감쇄장치의 기능범위를 초과하여 구조물에 공진이 생길 수 있다.
이에 본 발명자는 종래의 감쇄장치인 면진장치를 보완하여 지진의 영향을 효과적으로 빨리 차단하여 구조물을 신속히 원위치로 환원할 수 있는 차단장치인 본 발명의 시스템을 개발하였다.
[문헌 1] 대한민국 등록특허 제10-1483071호 ‘부반력 저항 면진 시스템’, 2015년01월09일 [문헌 2] 대한민국 등록특허 제10-1755127호 ‘수직 및 수평 증축 리모델링을 위한 면진 구조 시스템’, 2017년06월30일
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해서 제시되는 것이다. 그 목적은 기존의 면진장치인 감쇄장치와 다르게 지진에너지를 이용하여 실린더를 능동적으로 제어하며 면진구조물을 신속하게 원위치로 환원시키므로 면진구조물에 가해지는 지진에너지를 효과적으로 상쇄하고 안정성을 확보하는 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템 및 이를 이용한 위치제어방법을 제공하고자 한다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은 기초구조물(D)과 면진을 위한 감쇄장치(10)로 연결된 면진구조물(S)을 보강하기 위한 것으로,
상기 기초구조물(D) 상부에 설치된 기초측 실린더 브래킷(20);
상기 면진구조물(S) 하부에 설치된 구조물측 실린더 브래킷(30);
상기 기초측 실린더 브래킷(20)과 상기 구조물측 실린더 브래킷(30)에 양단에 힌지결합되는 위치보정 실린더(100);
를 포함하여 구성되되,
상기 위치보정 실린더(100)는 평상시에는 실린더 축력없이 작동하지 않다가 지진으로 인하여 상기 기초구조물(D)이 일측으로 이동하므로 상기 면진구조물(S)이 면진 구조물 허용 변위 구간을 이탈하면,
상기 기초구조물(D)이 타측으로 이동할 때 상기 위치보정 실린더(100)의 확장은 가능하고 수축은 불가능하도록 상기 실린더 축력이 작용하여,
상기 기초구조물(D)이 타측으로 이동하는 힘이 그대로 상기 면진구조물(S)에 전달되고,
상기 면진구조물(S)이 면진 구조물 허용 변위 구간내로 진입하면 상기 실린더 축력이 해제되는 것을 특징으로 하는 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템 및 이를 이용한 위치제어방법을 제공한다.
본 발명에 따르면 기존의 면진장치인 감쇄장치와 다르게 실린더를 능동적으로 제어하여 면진구조물을 신속하게 원위치로 환원시키므로 면진구조물에 가해지는 지진에너지를 효과적으로 상쇄하고 안정성을 확보하는 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템 및 이를 이용한 위치제어방법을 제공한다.
도 1은 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템의 개념도이다.
도 2는 도 1에서 위치보정 실린더의 확대도이다.
도 3은 지진이 발생하지 않은 평상시 모드단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
도 4 및 5는 지진이 발생했으나 면진구조물 절대 기준선이 면진 구조물 허용 변위 구간내를 유지하고 있는 평상시 모드단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
도 6은 지진이 종료한 이후의 평상시 모드단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
도 7은 도 3과 같이 지진이 발생하지 않은 평상시 모드단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
도 8은 지진이 발생하여 면진구조물 절대 기준선이 면진 구조물 허용 변위 구간을 이탈하고 있는 허용변위구간 이탈단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
도 9는 도 8에 이어서 면진구조물의 이탈 변위량이 계속 증가하고 있는 상태의 허용변위구간 이탈단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
도 10은 제1회복단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
도 11은 제2회복단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
이하 첨부한 도면과 함께 상기와 같은 본 발명의 개념이 바람직하게 구현된 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템의 개념도이다.
도 2는 도 1에서 위치보정 실린더의 확대도이다.
도 3은 지진이 발생하지 않은 평상시 모드단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
도 4 및 5는 지진이 발생했으나 면진구조물 절대 기준선이 면진 구조물 허용 변위 구간내를 유지하고 있는 평상시 모드단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
도 6은 지진이 종료한 이후의 평상시 모드단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
도 7은 도 3과 같이 지진이 발생하지 않은 평상시 모드단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
도 8은 지진이 발생하여 면진구조물 절대 기준선이 면진 구조물 허용 변위 구간을 이탈하고 있는 허용변위구간 이탈단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
도 9는 도 8에 이어서 면진구조물의 이탈 변위량이 계속 증가하고 있는 상태의 허용변위구간 이탈단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
도 10은 제1회복단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
도 11은 제2회복단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템은,
기초구조물(D)과 면진을 위한 감쇄장치(10)로 연결된 면진구조물(S)을 보강하기 위한 것으로,
상기 기초구조물(D) 상부에 설치된 기초측 실린더 브래킷(20);
상기 면진구조물(S) 하부에 설치된 구조물측 실린더 브래킷(30);
상기 기초측 실린더 브래킷(20)과 상기 구조물측 실린더 브래킷(30)에 양단에 힌지결합되는 위치보정 실린더(100);
를 포함하여 구성되되,
도 1 내지 7에 도시된 바와 같이 상기 위치보정 실린더(100)는 평상시에는 실린더 축력없이 작동하지 않다가, 도 8 이하에 도시된 바와 같이 지진으로 인하여 상기 기초구조물(D)이 일측으로(도면에서 서(W)쪽) 이동하므로 상기 면진구조물(S)이 면진 구조물 허용 변위 구간을 이탈하면,
도 10에 도시된 바와 같이 상기 기초구조물(D)이 타측으로(도면에서 동(E)쪽) 이동할 때 상기 위치보정 실린더(100)의 확장은 가능하고 수축은 불가능하도록 상기 실린더 축력이 작용하여,
상기 기초구조물(D)이 타측으로(도면에서 동(E)쪽) 이동하는 힘이 그대로 상기 면진구조물(S)에 전달되고,
도 11에 도시된 바와 같이 상기 면진구조물(S)이 면진 구조물 허용 변위 구간내로 진입하면 상기 실린더 축력이 해제되는 것을 특징으로 한다.
도 2는 도 1에서 위치보정 실린더의 확대도이다.
도 2에 도시된 바와 같이,
상기 위치보정 실린더(100)는,
상기 구조물측 실린더 브래킷(30)에 타단이 힌지결합된 실린더케이싱(130);
상기 기초측 실린더 브래킷(20)에 일단이 힌지결합되고 타단이 상기 실린더케이싱(130) 일단 내부로 삽입되어 확장 및 수축이 가능한 실린더로드(110);
를 포함하여 구성되되,
상기 실린더케이싱(130)의 일단과 타단에는 각각 로드측포트(A)와 너클측포트(B)가 형성되고,
상기 로드측포트(A)와 상기 너클측포트(B)에는 유압 또는 공압을 조절하는 밸브(200, 300, 400, 500, 600, 700)가 연결되는 것을 특징으로 한다.
그리고 본 발명에서 상기 면진 구조물 허용 변위 구간은 면진구조물 절대 기준선을 기준으로 위치 제어반에서 GPS 또는 가속도센서를 포함한 센서를 가지고 측정하는 것을 특징으로 하며,
상기 위치 제어반은 상기 밸브(200, 300, 400, 500, 600, 700)의 개폐를 조절하는 것을 특징으로 한다.
상기 밸브(200, 300, 400, 500, 600, 700)는,
필요에 따라 솔레노이드밸브(200, 300, 500), 체크밸브(400, 600) 및 완충밸브(700)로 분류된다. 그리고 본 발명은 이와 같은 밸브의 특성을 조합해 일체화 하거나 성능을 개선한 밸브가 출시되는 경우 이를 대체할 수 있다.
본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 이용한 위치제어방법은,
상기 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 이용한 것으로,
도 3 내지 7에 도시된 바와 같이 (1) 지진의 발생 유무와 무관하게 상기 면진구조물(S)의 상기 면진구조물 절대 기준선이 면진 구조물 허용 변위 구간내를 유지하면 상기 솔레노이드밸브(200, 500)는 폐쇄되고 상기 솔레노이드밸브(300)는 개방되어 상기 실린더로드(110)의 타단은 상기 실린더케이싱(130) 내부를 활주하여 확장 및 수축이 자유로운 평상시 모드단계;
도 8 및 9에 도시된 바와 같이 (2) 상기 기초구조물(D)이 일측으로(도면에서 서(W)쪽) 이동하므로 상기 면진구조물(S)의 상기 면진구조물 절대 기준선이 면진 구조물 허용 변위 구간을 이탈하면 상기 솔레노이드밸브(200)는 개방되고 상기 솔레노이드밸브(300)는 폐쇄되어 상기 실린더로드(110)의 타단은 상기 실린더케이싱(130) 내부를 활주하여 확장만 가능하고 수축은 불가능한 허용변위구간 이탈단계;
도 10에 도시된 바와 같이 (3) 상기 기초구조물(D)이 타측으로(도면에서 동(E)쪽) 이동하면 상기 솔레노이드밸브(200)는 개방되고 상기 솔레노이드밸브(300)는 폐쇄되어 상기 실린더로드(110)의 타단은 상기 실린더케이싱(130) 내부를 활주하여 확장만 가능하고 수축은 불가능한 상태를 유지하여 상기 기초구조물(D)이 타측으로(도면에서 동(E)쪽) 이동하는 힘이 그대로 상기 면진구조물(S)에 전달되도록 하는 제1회복단계;
도 11에 도시된 바와 같이 (4) 상기 면진구조물(S)의 상기 면진구조물 절대 기준선이 면진 구조물 허용 변위 구간내로 진입하면 상기 솔레노이드밸브(200)는 폐쇄되고 상기 솔레노이드밸브(300)는 개방되어 상기 실린더로드(110)의 타단은 상기 실린더케이싱(130) 내부를 활주하여 확장 및 수축이 자유로운 상태로 환원되어 상기 기초구조물(D)과 상기 면진구조물(S) 상호간의 진동 전달을 차단하는 제2회복단계;
를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이상, 본 발명에 대하여 개념적으로 간략히 살펴보았고 이하에서 자세히 설명하기로 한다.
본 발명의 개념은 면진구조물(S)의 절대위치 즉 면진구조물 절대 기준선을 입력하고 면진구조물 허용변위 구간의 한계를 설정한 다음, 이를 벗어나면 유압 또는 공압을 이용한 위치보정 실린더(100)를 이용하여 면진구조물의 위치가 최초의 면진구조물 허용변위 구간 범위 내에서 위치하도록 제어하는 시스템이다.
여기서 면진구조물(S)의 절대위치 즉 면진구조물 절대 기준선은 평상시에 면진구조물의 위치를 GPS나 가속도센서 등의 센서를 이용해 검출하게 되며 검출방식은 통상적인 기술을 이용할 수 있다.
면진구조물(S)의 평상시 평면상 기준으로 면진구조물 허용변위 구간의 범위를 설정하게 되는 데, 이론적으로 옵셋 ‘0’ 으로 세팅하게 되면 구조물의 하부이동이 없도록 제어한다는 개념이지만, 현실적으로 옵셋 ‘0’으로 설정하면 너무 민감해 이를 제어하는 신호의 주기가 상당히 짧고 많은 횟수를 필요로 하기 때문에 내구성이나 오작동 등의 제어 장애요인이 발생할 가능성이 있다.
따라서 면진구조물(S)의 고유주파수와 강도 등 다양한 부분을 고려하여 최대 면진구조물 허용변위 구간을 설정하게 되며, 본 발명에서는 ±2 ~ ±30mm 범위내에서 제어되어야 효과적이다.
본 발명의 핵심기술로서,
유압 또는 공압으로 작동하는 위치보정 실린더(100)가 주된 기계장치이며, 이를 제어해 면진구조물(S)의 수평이동을 억제하고, 면진 구조물 허용 변위 구간내로 수평력을 가하는 구조이다.
즉, 위치보정 실린더(100)는 복동실린더로서 필요에 따라 실린더를 무부하(무응력)상태 또는 어느 편측으로만 저항(응력)하도록 위치센서의 데이터(면진구조물 허용변위 구간)를 기반으로 밸브를 제어하는 시스템이며, 결과적으로 지진의 에너지(진동 등)가 일부 전달되어 면진구조물(S)이 활동(진동)하여도 안전을 고려한 “면진구조물의 허용변위구간” 이내로 면진구조물을 유도하도록 수평력을 가하는 구조이다.
특히 상기 위치보정 실린더(100)를 구동할 주 동력원은 지진의 진동에서 얻어지므로 유압 또는 공압 펌프 유닛 등 별도의 동력장치가 필요 없고,
이를 위치 제어반에서 제어하기 위한 각종 센서 및 분석, 처리장치 등의 각종 제어시스템, 각종 밸브 등의 작동은 적은 전력으로도 가능하므로, 평상시에는 외부전원으로부터 공급받아 작동하며 이와 연동해 축전지를 충전하고, 지진 등 비상시에 단전 등으로 외부전원 공급이 차단되면 충전된 자체 축전지로 일정시간을 운용할 수 있다.
상기 위치보정 실린더(100)는 일반적인 복동실린더로 로드측과 너클측에 각각 유압 포트인 로드측포트(A)와 너클측포트(B)가 있다.
상기 위치보정 실린더(100)는 상기 실린더케이싱(130)의 일단과 타단에는 각각 로드측포트(A)와 너클측포트(B)가 형성되어 상기 로드측포트(A)와 상기 너클측포트(B)가 외부에서 다수개의 관로를 가지고 연결되어 있으며, 관로에 직렬로 2개의 체크밸브(400, 600)가 대칭으로 설치되고,
우회관로에는 실린더의 단면에 비해 훨씬 작은 개방 라인(예를 들어 실린더 단면적의 2%이내의 단면적으로 계산 및 시험을 거쳐 결정)이 있으며, 이 우회관로 단면의 크기는 조정할 수 있으며, 밸브 등을 설치해 유량을 조절한다.
즉, 우회관로는 실린더의 단면에 비해 훨씬 작은 단면을 가지도록 단면의 크기를 조정할 수 있는 밸브를 설치하거나, 릴리프밸브(압력조절밸브)를 설치해 실린더의 허용유압 범위를 초과하지 않도록 최대유압을 제어해 유압실린더를 안전을 유지한다.
부연하면 상기 위치보정 실린더(100)는 작동유(유압유 등)를 충진하는 과정 외에는 외부의 동력을 지원 받지 않으며 평상시에는 로드측포트(A)와 너클측포트(B)가 개방된 상태(300)로 연결되어 외력에 의한 수축과 확장에도 실린더 내부에 저항이 걸리지 않는 무부하 상태의 대기모드를 유지하다가 지진발생 시 지진으로 인하여 상기 기초구조물(D)이 일측으로 이동하면 면진(감쇄)장치의 기능에도 불구하고 지진에너지 일부가 상기 면진구조물(S)에 영향을 주게 되는데 이 때 면진 구조물이 면진구조물 허용 변위 구간을 이탈하면,
상기 기초구조물(D)이 타측으로 이동할 때 상기 위치보정 실린더(100)의 확장은 가능하고 수축은 불가능하도록 상기 실린더 축력이 작용하여,
상기 기초구조물(D)이 타측으로 이동하는 힘이 그대로 상기 면진구조물(S)에 전달되고,
상기 면진구조물(S)이 면진 구조물 허용 변위 구간내로 진입하면 상기 실린더 축력이 해제되는 것을 특징으로 한다.
상기 기초구조물(D)은 지반에 직접 구축되며 면진구조물(S)을 지지하는 지하층, PIT층, 기초 매트 등이 적용될 수 있다.
상기 면진 구조물(S)은 지진으로 부터 안전이 요구되어 면진이 목적인 구조물을 말하며, 건축물이나 기계장치 등 각종 시설물이 포함된다.
상기 기초측 실린더 브래킷(20)과 상기 구조물측 실린더 브래킷(30)은 각각 상기 기초구조물(D)과 상기 면진 구조물(S)에 상기 위치보정 실린더(100)를 고정 설치하기 위한 구조물이다.
상기 위치보정 실린더(100)는 면진구조물(S)의 위치를 제어하기 위해 기초구조물(D)과 면진구조물(S)을 연결하여 장착되는 유압 또는 공압실린더가 주로 사용된다.
상기 위치 제어반은 면진구조물 절대 기준선으로 부터의 이격거리를 가속도센서 또는 GPS등의 센서를 사용하여 면진구조물의 이동데이터를 검출하고 연산하는 기능을 수행한다.
그리고 상기 이격거리가 면진 구조물 허용 변위 구간을 이탈하면 이에 대한 정보를 분석해 위치보정 실린더(100)의 솔레노이드밸브를 제어해 유로의 방향을 설정함으로서 필요한 체크밸브를 활성화하여 위치보정 실린더(100)가 면진구조물의 위치를 제어하는 응력을 갖도록 한다.
상기 체크밸브(400, 600)는 포괄적인 의미이며 위치보정 실린더(100)의 기능에 무리가 가지 않도록 충분한 단면용량을 가져야 한다.
본 발명의 실시예는 위치보정 실린더(100)에 각각 2개를 반대방향으로 병렬배치해 장착하고 있으며, 평상시에는 전원이 차단되어 개방된 상태로 직렬배치되어 위치보정 실린더(100)의 부하(load)가 작용하지 않아 활동이 자유롭다.
상기 솔레노이드밸브(200, 300, 500)는 본 발명의 실시예에서 위치보정 실린더(100)에 3개가 필요하나 밸브의 유량이 충분해 상시 개방라인이 필요 없는 경우에는 2개의 밸브만 장착해도 된다. 도 2에서 상기 로드측포트(A)와 상기 너클측포트(B)를 연결하는 4개의 유압라인중 그림과 같이 3개의 유압라인에 설치되어 면진구조물의 위치에 따라 3개의 유압라인 중 1개의 라인을 선택하고 개방하는 기능을 한다.
완충밸브(700)는 두 개의 체크밸브를 우회하도록 옵션으로 병렬 배치하며 체크밸브에서 상기 로드측포트(A)와 상기 너클측포트(B)를 어느 한 방향으로 차단하더라도 완전히 차단하지 않고 일정 흐름을 유지하여 충격을 완화함으로서 체크밸브에 의한 실린더 제어시 위치보정 실린더(100)와 각종 브래킷 그리고 면진구조물 등에 가해질 수 있는 충격하중을 최소화하여 피로하중을 감소시키고 내구성을 확보한다.
더불어 상기 완충밸브(700)는 통상적인 릴리프밸브를 사용할 수 있으며, 실린더의 보정기능 작동시 실린더내의 최대유압을 실린더의 허용압력(내압)이하로 유지함으로서 실린더의 파열 방지 및 씰을 보호하는 기능을 한다.
상기 체크밸브(400, 600)의 활성화로 면진구조물(S)에 압력을 주게 되면 순간적으로 응력이 집중되어 위치보정 실린더(100)의 내구성 및 면진구조물(S)에 충격에너지가 가해지게 되는데, 다수의 시험을 거쳐 위치보정 실린더(100)의 단면 및 원활한 요구속도를 예측함으로서 위치보정 실린더(100) 및 면진구조물(S)의 내구성을 향상시킬 수 있다.
상기 완충밸브(700)는 우회로(bypass)의 단면적을 조정하기 위한 수단이며 이는 중량 속도 등의 예측 및 경험치 그리고 다수의 시험을 통해 데이터화해 적용한다. 또한 단순히 압력라인(유로) 단면을 계산으로 결정할 수 없는 경우에는 압력제어밸브인 릴리프밸브를 장착하는 것이 바람직하다.
상기 면진 구조물 허용 변위 구간은 본 발명의 실시예에서 ±2~30mm이내로 설정 범위를 예상하나, 실질적으로는 10mm이내에서 제어하는 것이 효과적일 것이며, 실험 데이터, 고유주파수, 내진 등을 고려해 계산된 결과를 근거하여 설정하는 것이 바람직하다.
상기 절대 기준선은 평상시 안정된 면진구조물(S)의 위치이며, 지진발생시 면진구조물(S) 이외의 지진범위 내 지반 또는 모든 사물은 지진에 의한 활동을 하기 때문에 위치를 기준할 대상이 없으므로 GPS 또는 가속도센서를 장착하여 주변 지진지대의 지반이나 사물에 관계없이 평상시 구조물의 위치를 절대 기준으로 설정하고 지진발생시 기초구조물(D)의 진동이 면진구조물(S)로 일부 전달되면 절대 기준선에서의 이격거리를 검출해 체크밸브의 활성화 여부를 제어하게 된다.
상기 위치보정 실린더(100)는 유압 또는 공압을 이용한 일반적인 복동 실린더이며, 규격은 면진구조물의 자중 및 지진파의 적용 주파수, 파장, 가속도 등을 고려해 결정하고 최초 세팅 이외에는 외부 동력없이 작동하도록 로드측포트(A)와 너클측포트(B)를 연결하고 연결라인에 체크밸브와 완충밸브 등을 배치한다.
상기 감쇄장치(10)는 개량형 탄성받침 또는 스페리컬, 포트 받침장치 등의 기성제품이나 별도의 면진장치를 사용한다.
이하, 면진구조물이 면진 구조물 허용 변위 구간내를 유지하면서 거동할 때를 설명한다. 이때는 솔레노이드밸브(300)가 개방되어 실린더로드(110)가 어떠한 부하(load)도 작용하지 않고 거동하는 상태를 말한다.
도 3은 지진이 발생하지 않은 평상시 모드단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
도 3에서 상기 평상시 모드단계;는 상기 솔레노이드밸브(200, 500)는 폐쇄되고 상기 솔레노이드밸브(300)는 개방되어 상기 실린더로드(110)의 타단은 상기 실린더케이싱(130) 내부를 활주하여 확장 및 수축이 자유로운 상태를 말한다.
도 4 및 5는 지진이 발생했으나 면진구조물 절대 기준선이 면진 구조물 허용 변위 구간내를 유지하고 있는 평상시 모드단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
도 4 및 5는 각각 기초구조물(B)이 각각 동(E)쪽 및 서(E)쪽으로 이동할 때를 도시한 것으로, 상기 이동방향은 상대적인 것으로 설명을 위하여 편의상 좌우, 동서를 가정해서 설정한 것이므로 반드시 설정방향에 구애받지 않고 본 발명을 이해할 것이다. 또한 지진의 진동방향 및 세기는 일정하지 않으므로 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템은 1개만 적용되는 것이 아니라 여러개가 방향을 달리하여 상호 보완하면서 적용될 수 있다. 다만 평면도상 상호 마주보면서 동심원을 형성할 수 있도록 배치하는 것이 보다 바람직할 것이다.
도 4 및 5에서 상기 평상시 모드단계;는 상기 솔레노이드밸브(200, 500)는 폐쇄되고 상기 솔레노이드밸브(300)는 개방되어 상기 실린더로드(110)의 타단은 상기 실린더케이싱(130) 내부를 활주하여 확장 및 수축이 자유로운 상태를 말한다.
도 6은 지진이 종료한 이후의 평상시 모드단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
도 6에서 상기 평상시 모드단계;는 상기 솔레노이드밸브(200, 500)는 폐쇄되고 상기 솔레노이드밸브(300)는 개방되어 상기 실린더로드(110)의 타단은 상기 실린더케이싱(130) 내부를 활주하여 확장 및 수축이 자유로운 상태를 말한다.
이하, 면진구조물이 면진 구조물 허용 변위 구간을 이탈하면서 거동할 때를 설명한다.
이때 평상시 모드단계에서는 솔레노이드밸브(300)가 개방되어 실린더로드(110)는 자유로운 상태가 되어 실린더축력이 발생하지 않으나, 면진 구조물 허용 변위 구간을 이탈하면 솔레노이드밸브(300)가 폐쇄되고, 변위 방향에 따라 체크밸브(400, 600)를 개방하여 실린더로드(110)의 어느 한축방향 활동을 억제하면 지진의 진동에 의한 축력이 생기게 되고, 이는 곧 면진구조물(S)을 면진 구조물 허용 변위 구간으로 유도하는 위치교정 축력 역할을 하게 되며, 면진구조물(S)이 면진 구조물 허용 변위 구간내로 진입하게 되면 모든 밸브는 다시 평상시 모드로 환원하여 대기하게 된다.
도 7은 도 3과 같이 지진이 발생하지 않은 평상시 모드단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
도 7의 평상시 모드단계는 상기 솔레노이드밸브(200, 500)는 폐쇄되고 상기 솔레노이드밸브(300)는 개방되어 상기 실린더로드(110)의 타단은 상기 실린더케이싱(130) 내부를 활주하여 확장 및 수축이 자유로운 단계를 말한다.
도 8은 지진이 발생하여 면진구조물 절대 기준선이 면진 구조물 허용 변위 구간을 이탈하고 있는 허용변위구간 이탈단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이고,
도 9는 도 8에 이어서 면진구조물의 이탈 변위량이 계속 증가하고 있는 상태의 허용변위구간 이탈단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
도 8 및 9의 허용변위구간 이탈단계는 상기 기초구조물(D)이 일측으로(도면에서 서(W)쪽) 이동하므로 상기 면진구조물(S)의 상기 면진구조물 절대 기준선이 면진 구조물 허용 변위 구간을 이탈하면 상기 솔레노이드밸브(200)는 개방되고 상기 솔레노이드밸브(300)는 폐쇄되어 상기 실린더로드(110)의 타단은 상기 실린더케이싱(130) 내부를 활주하여 확장만 가능하고 수축은 불가능한 단계를 말한다.
도 10은 제1회복단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
도 10의 제1회복단계는 상기 기초구조물(D)이 타측으로(도면에서 동(E)쪽) 이동하면 상기 솔레노이드밸브(200)는 개방되고 상기 솔레노이드밸브(300)는 폐쇄되어 상기 실린더로드(110)의 타단은 상기 실린더케이싱(130) 내부를 활주하여 확장만 가능하고 수축은 불가능한 상태를 유지하여 상기 기초구조물(D)이 타측으로(도면에서 동(E)쪽) 이동하는 힘이 그대로 상기 면진구조물(S)에 전달되도록 하는 단계를 말한다.
이때 1회의 작용으로 목적달성에 실패하면 이후 지진파동에 의하여 연속하여 반복하여 실시한다.
도 11은 제2회복단계에서 본 발명의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 도시한 것이다.
도 11의 제2회복단계는 상기 면진구조물(S)의 상기 면진구조물 절대 기준선이 면진 구조물 허용 변위 구간내로 진입하면 상기 솔레노이드밸브(200)는 폐쇄되고 상기 솔레노이드밸브(300)는 개방되어 상기 실린더로드(110)의 타단은 상기 실린더케이싱(130) 내부를 활주하여 확장 및 수축이 자유로운 상태로 환원되어 상기 기초구조물(D)과 상기 면진구조물(S) 상호간의 진동 전달을 차단하는 단계를 말한다.
부연하면 본 발명은 상기 위치 제어반으로부터 신호가 전달되면 상기 위치보정 실린더(100)를 ‘무부하상태’, ‘일측으로만 지지력을 갖는 상태’ 및 ‘타측으로만 지지력을 갖는 상태’로 최단시간내 제어할 수 있는 밸브(200, 300, 400, 500, 600, 700)를 이용해 이를 필요한 상태로 제어하는 것을 특징으로 한다.
결론으로,
(1) 본 발명의 주동력원은 지진파의 진동에너지이므로 지진발생으로 외부 동력이 차단되어도 센서 및 밸브제어 시스템, 밸브 구동에 필요한 최소한의 동력(전력)만을 필요로하는 장점이 있다. 그리고 평상시 충전배터리(상기 최소한의 동력)만으로도 시스템가동에 필요한 동력원이 될 수 있으므로 어떠한 상황에서도 면진제어가 가능하다.
(2) 면진구조물(S)의 면진구조물 절대 기준선을 스캔하기 위하여 GPS를 이용하는 방법도 좋으나, 경제성 및 외부의 지원의 불확실성을 고려해 가능하면 외부의 지원없이 자체적으로 데이터 수집이 가능한 가속도센서를 이용하는 것이 바람직하다.
(3) 기존의 면진장치는 완전한 면진기능보다는 진동 감쇄장치의 개념이 크므로 지진파의 주파수와 면진구조물의 고유주파수간 동조조건(유사주파수, 주파수의 배수관계 등)이 발생할 경우, 지진의 규모가 5.0 이상으로 크거나 지진 진행시간이 길어질 경우 공진으로 면진구조물에 진동이 전달되어 위험상태까지 이르는 단점이 있었으나 본 발명은 이를 원천적으로 차단하고 제어하는데 목적이 있다.
(4) "면진 구조물 허용 변위 구간"의 설정은 시스템의 안정성을 확보하기 위한 방법으로 이를 옵셋 "0"으로 설정하면, 각 밸브의 ON-OFF상태가 무한 반복되는 상태가 되고, 위치 제어반의 시스템 및 각 밸브의 반복적인 동작은 기계적 또는 시스템에 치명적 오류를 가져올 수 있다. 따라서 "면진 구조물 허용 변위 구간"의 설정으로 안정성을 확보할 수 있다.
(5) 완충밸브(700)는 상술한 바와 같이 실린더내 최대 압력을 제어할 수 있는 "릴리프밸브" 등을 대체해 제시한 대안으로, 경제성 및 내구성을 고려한 것이나, 완충밸브(700)의 허용 유량산정이 복잡하거나 범위가 커 불확실한 경우에는 "릴리프밸브"를 사용할 수 있다.
(6) 면진구조물(S)이 면진 구조물 허용 변위 구간내에 위치할 때 개방상태인 솔레노이드밸브(300) 및 해당 라인은 지진발생시 유압실린더의 보다 자유로운 활동을 확보하기 위한 수단으로 배치된 것으로, 유압실린더의 활동에 장애가 되면 기초지반의 진동을 차단하는 기능이 저하되므로 이를 고려하여야하고, 솔레노이드밸브(200, 400) 및 해당 라인을 개방하는 것으로 실린더로드의 활동에 저항이 되지 않을 만큼의 규격(유량)으로 대체 된다면 제어시스템이 간소화되므로 솔레노이드밸브(300) 및 해당라인을 생략하는 것이 바람직하다.
본 발명은 상기에서 언급한 바와 같이 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 다양한 분야에서 사용 가능하다.
따라서 본 발명의 청구범위는 이건 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.
A: 로드측포트
B: 너클측포트
D: 기초구조물
S: 면진구조물
10: 감쇄장치
100: 위치보정 실린더
110: 실린더로드
130: 실린더케이싱
200, 300, 500: 솔레노이드밸브
400, 600: 체크밸브
700: 완충밸브

Claims (6)

  1. 기초구조물(D)과 면진을 위한 감쇄장치(10)로 연결된 면진구조물(S)을 보강하기 위한 것으로,
    상기 기초구조물(D) 상부에 설치된 기초측 실린더 브래킷(20);
    상기 면진구조물(S) 하부에 설치된 구조물측 실린더 브래킷(30);
    상기 기초측 실린더 브래킷(20)과 상기 구조물측 실린더 브래킷(30)에 양단에 힌지결합되는 위치보정 실린더(100);
    를 포함하여 구성되되,
    상기 위치보정 실린더(100)는 평상시에는 실린더 축력없이 작동하지 않다가 지진으로 인하여 상기 기초구조물(D)이 일측으로 이동하므로 상기 면진구조물(S)이 면진 구조물 허용 변위 구간을 이탈하면,
    상기 기초구조물(D)이 타측으로 이동할 때 상기 위치보정 실린더(100)의 확장은 가능하고 수축은 불가능하도록 상기 실린더 축력이 작용하여,
    상기 기초구조물(D)이 타측으로 이동하는 힘이 그대로 상기 면진구조물(S)에 전달되고,
    상기 면진구조물(S)이 면진 구조물 허용 변위 구간내로 진입하면 상기 실린더 축력이 해제되는 것을 특징으로 하며,
    상기 위치보정 실린더(100)는,
    상기 구조물측 실린더 브래킷(30)에 타단이 힌지결합된 실린더케이싱(130);
    상기 기초측 실린더 브래킷(20)에 일단이 힌지결합되고 타단이 상기 실린더케이싱(130) 일단 내부로 삽입되어 확장 및 수축이 가능한 실린더로드(110);
    를 포함하여 구성되되,
    상기 실린더케이싱(130)의 일단과 타단에는 각각 로드측포트(A)와 너클측포트(B)가 형성되고,
    상기 로드측포트(A)와 상기 너클측포트(B)에는 유압 또는 공압을 조절하는 밸브(200, 300, 400, 500, 600, 700)가 연결되는 것을 특징으로 하며,
    상기 밸브(200, 300, 400, 500, 600, 700)는,
    솔레노이드밸브(200, 300, 500), 체크밸브(400, 600) 및 완충밸브(700)로 분류되는 것을 특징으로 하고,
    상기 위치보정 실린더(100)는 상기 실린더케이싱(130)의 일단과 타단에는 각각 상기 로드측포트(A)와 상기 너클측포트(B)가 형성되어 상기 로드측포트(A)와 상기 너클측포트(B)가 외부에서 다수개의 관로를 가지고 연결되어 있으며, 관로에 직렬로 2개의 상기 체크밸브(400, 600)가 대칭으로 설치되되,
    상기 위치보정 실린더(100)에 상기 체크밸브(400)와 상기 체크밸브(600)가 각각 반대방향으로 병렬배치해 장착하고 있으며,
    상기 완충밸브(700)는 2개의 상기 체크밸브(400, 600)를 우회하도록 병렬 배치하며 상기 체크밸브(400, 600)에서 상기 로드측포트(A)와 상기 너클측포트(B)를 어느 한 방향으로 차단하더라도 완전히 차단하지 않고 일정 흐름을 유지하여 충격을 완화함으로서 상기 체크밸브(400, 600)에 의한 실린더 제어시 상기 위치보정 실린더(100)에 가해질 수 있는 충격하중을 최소화하여 피로하중을 감소시키고 내구성을 확보하는 것을 특징으로 하는 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템.
  2. 삭제
  3. 제1항에서,
    상기 면진 구조물 허용 변위 구간은 면진구조물 절대 기준선을 기준으로 위치 제어반에서 GPS 또는 가속도센서를 포함한 센서를 가지고 측정하는 것을 특징으로 하는 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템.
  4. 제3항에서,
    상기 위치 제어반은,
    제2항의 밸브(200, 300, 400, 500, 600, 700)의 개폐를 조절하는 것을 특징으로 하는 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템.
  5. 삭제
  6. 제4항의 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 이용한 것으로,
    (1) 지진의 발생 유무와 무관하게 상기 면진구조물(S)의 상기 면진구조물 절대 기준선이 면진 구조물 허용 변위 구간내를 유지하면 상기 솔레노이드밸브(200, 500)는 폐쇄되고 상기 솔레노이드밸브(300)는 개방되어 상기 실린더로드(110)의 타단은 상기 실린더케이싱(130) 내부를 활주하여 확장 및 수축이 자유로운 평상시 모드단계;
    (2) 상기 기초구조물(D)이 일측으로 이동하므로 상기 면진구조물(S)의 상기 면진구조물 절대 기준선이 면진 구조물 허용 변위 구간을 이탈하면 상기 솔레노이드밸브(200)는 개방되고 상기 솔레노이드밸브(300)는 폐쇄되어 상기 실린더로드(110)의 타단은 상기 실린더케이싱(130) 내부를 활주하여 확장만 가능하고 수축은 불가능한 허용변위구간 이탈단계;
    (3) 상기 기초구조물(D)이 타측으로 이동하면 상기 솔레노이드밸브(200)는 개방되고 상기 솔레노이드밸브(300)는 폐쇄되어 상기 실린더로드(110)의 타단은 상기 실린더케이싱(130) 내부를 활주하여 확장만 가능하고 수축은 불가능한 상태를 유지하여 상기 기초구조물(D)이 타측으로 이동하는 힘이 그대로 상기 면진구조물(S)에 전달되도록 하는 제1회복단계;
    (4) 상기 면진구조물(S)의 상기 면진구조물 절대 기준선이 면진 구조물 허용 변위 구간내로 진입하면 상기 솔레노이드밸브(200)는 폐쇄되고 상기 솔레노이드밸브(300)는 개방되어 상기 실린더로드(110)의 타단은 상기 실린더케이싱(130) 내부를 활주하여 확장 및 수축이 자유로운 상태로 환원되어 상기 기초구조물(D)과 상기 면진구조물(S) 상호간의 진동 전달을 차단하는 제2회복단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하고,
    상기 위치 제어반으로부터 신호가 전달되면 상기 위치보정 실린더(100)를 ‘무부하상태’, ‘일측으로만 지지력을 갖는 상태’ 및 ‘타측으로만 지지력을 갖는 상태’로 최단시간내 제어할 수 있는 밸브(200, 300, 400, 500, 600, 700)를 이용해 이를 필요한 상태로 제어하는 것을 특징으로 하는 면진구조 보강용 위치보정 실린더 시스템을 이용한 위치제어방법.
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JP2002139096A (ja) * 2000-11-02 2002-05-17 Kajima Corp セミアクティブ免震システム
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