KR102141780B1 - 레일형 하이브리드 면진 장치 - Google Patents

레일형 하이브리드 면진 장치 Download PDF

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KR102141780B1
KR102141780B1 KR1020200033388A KR20200033388A KR102141780B1 KR 102141780 B1 KR102141780 B1 KR 102141780B1 KR 1020200033388 A KR1020200033388 A KR 1020200033388A KR 20200033388 A KR20200033388 A KR 20200033388A KR 102141780 B1 KR102141780 B1 KR 102141780B1
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박훈양
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박훈양
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/02—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems

Abstract

본 발명은 레일형 하이브리드 면진 장치에 관한 것으로, 지면 또는 건축물에 고정되고 양측부에는 상방향으로 신장된 하부스커트가 형성된 하부레일과, 설비의 하부에 고정되고 양측부에는 하방향으로 신장된 상부스커트가 형성된 상부레일 및, 상기 하부레일과 상기 상부레일에 연결되어 배치되고 지면 또는 건축물로부터 설비로 전달되는 지진파의 진동을 완화하는 면진유닛을 포함하고, 상기 하부스커트의 상방향 신장길이와 상기 상부스커트의 하방향 신장길이는 상기 하부스커트와 상기 상부스커트가 서로 중첩되게 되는 위치까지 신장될 수 있으며, 본 발명에 따르면, 복합적인 면진 설계를 통해 지진파에 의한 수평 및 수직 방향 진동을 효과적으로 완화하여 대상 설비를 안전하게 보호할 수 있다.

Description

레일형 하이브리드 면진 장치{RAIL TYPE HYBRID SESIMIC ISOLATION APPARATUS}
본 발명은 레일형 하이브리드 면진 장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 지진파에 의해 다양한 방향 발생하는 진동을 효과적으로 완화하여 설비를 보호할 수 있는 레일형 하이브리드 면진 장치에 관한 것이다.
인류의 역사를 통틀어 다양한 진도의 수많은 지진이 발생하였으며, 그 중 높은 진도를 가진 지진은 삶의 터전을 송두리체 변화시킬 만큼 인류의 생존에 큰 영향을 주어 왔다.
지진은 전지구적인 자연현상 중의 하나로서, 아직까지는 인류의 과학기술로는 지진을 정확히 예측하고 예방하는 것을 어려운 일이다. 따라서 현재까지는 지진의 예측보다는 지진이 발생하더라도 인명, 설비, 건출물 등을 안전하게 지진으로부터 보호하는 것이 중요하다.
그동안 우리나라는 지진 안전지역으로 분류되어 왔다. 그런데 2016년 경주를 중심으로 리히터 규모 5.8의 지진이 발생하였으며, 이후에도 다수의 지진이 일어난 점에 비추어, 우리나라도 더이상은 지진에서부터 안전한 지역이 아니게 되었다. 따라서 지진 발생 상황에서 인명과 재산을 보호하기 위한 지진 대비용 안전장치가 요구된다.
일반적으로 지진은 진동방향과 진행방향이 일치되는 P파와, 진동 방향과 진행 방향이 수직을 이루는 S파와, 수평 및 수직 방향의 진동이 혼합되는 표면파가 있다. 이때 P파는 변압기에 수평 방향의 진동을 유발시키고, S파는 수직방향의 진동을 유발시키며, 표면파는 수직 방향과 수평 방향이 혼합되는 형태의 진동을 유발시킨다. 따라서 지진의 진동에 대비하기 위해서는 수직방향과 수평방향의 진동을 모두 감쇄시키거나 흡수시킬 수 있는 수단이 필요하다.
또한 지진파 중에서는 P파와 S파 이외에 장주기 진동파가 있다. 장주기 진동파는 P파와 S파에 비해 매우 느리고 오래 지속된다. 통상적인 지진에서 흔들림의 주기가 0.5초 내지 2초인 것에 비하여 장주기 진동은 몇 초에서 몇 십초이다. 특히 1985년에 발생한 멕시코시티의 지진과 2003년에 발생한 도카치 오키 지진에서 장주기 진동으로 인하여 심각한 피해가 발생했다.
장주기 진동은 P파와 S파 보다 먼 곳 까지도 큰 진폭을 유지하며 전달되는 특성이 있고, 주로 10층 이상의 고층 건물이나 높은 시설물을 파괴시키며, 건물이나 시설물이 파괴되지 않더라도 건물 내부의 중량물들은 모두 심하게 요동쳐서 어지럽게 흩어져 원위치를 이탈한다.
특히 장주기 진동파는 변위가 크므로 설비의 설치 위치가 진동 후에 원래 위치에서 큰 폭으로 이탈될 수 있어, 설비와 연결된 모선 및 주위 기기에 나쁜 영향을 미치거나 큰 사고로 이어질 수 있다.
따라서 수많은 접속점들로 인해 위치 이탈이 악영향을 끼칠 수 있는 변압기, 수배전반 등과 같은 설비의 경우, 이러한 장주기 진동에 의한 피해로 정상 가동이 중단될 수 있어 정전, 화재 등과 같은 2차적인 심각한 피해가 초래될 수 있다.
도 1a 및 도 1b에는 설비(P1)를 지면에 장착하는 종래 방식의 일 형태가 도시되어 있다. 종래에는 한 쌍의 베이스빔(10)을 지면이나 콘크리트 건축물에 볼트(B3) 체결하여 고정하고, 한 쌍의 베이스빔(10)의 상단에 십자 형태로 지지프레임(P2)을 볼트(B2) 체결하여 배치하였다. 그리고 지지프레임(P2)의 상단에 보호하기 위한 설비(P1)를 볼트(B1) 체결하여 고정하였다.
그동안 우리나라는 지진 안전지역으로 인식되어 왔기 때문에, 현재 우리나라에 지면이나 콘크리트 건축물상에 배치되는 설비들은 대체로 면진이 되지 않는 이러한 구조로 설치되어 왔다.
상술한 구조의 경우, 지진이 발생하면, 도 1a 및 도 1b에 도시된 A1,A2,A3 지점에 진동이 강하게 전달되고, 볼트들(B1,B2,B3)은 손상되거나 또는 풀릴 수 있다. 만약 다수의 볼트들(B1,B2,B3)이 손상되거나 또는 풀리는 경우, 설비(P1)는 쓰러지게 되고, 설비(P1)는 제대로 작동하지 않게 된다.
만약 설비(P1)가 변압기, 수배전반 등과 같은 전력 관련 설비인 경우에는, 정전, 화재 등의 2차 사고가 발생하여 인류의 생활, 생존에 큰 영향을 줄 수 있다.
따라서 지진으로부터 안정적으로 설비를 보호할 수 있는 면진 장치가 요구되는 실정이다.
본 발명은 상기와 같이 관련 기술분야의 과제를 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 지진파에 의해 다양한 방향으로 발생되는 진동을 효과적으로 완화하여 설비를 보호할 수 있는 레일형 하이브리드 면진 장치를 제공하는 데에 있다.
상기와 같은 목적들을 달성하기 위한 본 발명은 레일형 하이브리드 면진 장치에 관한 것으로, 지면 또는 건축물에 고정되고, 양측부에는 상방향으로 신장된 하부스커트가 형성된 하부레일; 설비의 하부에 고정되고, 양측부에는 하방향으로 신장된 상부스커트가 형성된 상부레일; 및 상기 하부레일과 상기 상부레일에 연결되어 배치되고, 지면 또는 건축물로부터 설비로 전달되는 지진파의 진동을 완화하는 면진유닛;을 포함하고, 상기 하부스커트의 상방향 신장길이와 상기 상부스커트의 하방향 신장길이는 상기 하부스커트와 상기 상부스커트가 서로 중첩되는 위치까지 신장될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 면진유닛은, 중앙측에는 내공간부가 형성되고, 상기 상부레일과 상기 하부레일 사이에 배치되는 면진흡수체; 상기 내공간부에 배치되는 면진봉; 및 상기 내공간부에서 상기 면진봉의 외측 둘레를 감싸며 배치되는 면진스프링;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 면진흡수체는, 상기 상부레일의 하부에 고정되는 상부베이스; 상기 하부레일의 상부에 고정되는 하부베이스; 및 상기 상부베이스와 상기 하부베이스 사이에 배치되며, 중앙측에는 상기 면진봉과 상기 면진스프링이 배치되는 내공간부가 형성되고 탄성재질로 이뤄진 유동체;를 포함하고, 상기 면진봉 및 상기 면진스프링의 상부와 하부는 상기 상부베이스와 상기 하부베이스에 의해 밀폐되고, 상기 면진봉과 상기 면진스프링의 측부는 상기 유동체에 의해 밀폐될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 면진흡수체는, 상기 유동체의 상단에 배치되며, 상기 상부베이스의 하단에 접촉하는 상부지지판; 상기 유동체의 하단에 배치되며, 상기 하부베이스의 상단에 접촉하는 하부지지판; 및 상기 유동체에서 상기 상부지지판과 상기 하부지지판 사이에 복수의 디스크가 복수의 층을 이루며 배치되는 디스크부;를 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 디스크부는, 상기 유동체의 내부에서 소정 공간을 형성하며 배치되고, 상기 내공간부와 연결되는 내간격부; 상기 유동체의 내부에서 상기 내간격부의 상부에 배치되는 제1 디스크; 상기 유동체의 내부에서 상기 내간격부의 하부에 배치되는 제2 디스크; 및 상기 내간격부의 내부에서 상기 제1,2 디스크와 각각 접촉되어 배치되는 탄성재질로 형성된 댐퍼판;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 댐퍼판은, 일방향으로 곡선지게 형성된 제1 댐퍼판면; 상기 제1 댐퍼판면에 연결되고, 상기 제1 댐퍼판면과 반대방향으로 곡선지게 형성된 제2 댐퍼판면; 및 상기 내간격부에 존재하는 유체가 상기 제1,2 댐퍼판면 사이를 이동할 수 있도록, 상기 제1,2 댐퍼판면에 형성된 댐퍼홀;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 디스크부는, 상기 유동체의 내부에서 소정 공간을 형성하고 상기 내공간부와 연결되며 배치되는 내간격부; 상기 유동체의 내부에서 상기 내간격부의 상부에 배치되는 제1 디스크; 상기 유동체의 내부에서 상기 내간격부의 하부에 배치되는 제2 디스크; 상기 제2 디스크에 형성되는 제2 디스크홈; 상기 제2 디스크홈의 내부에 배치되는 디스크스프링; 및 하부는 상기 제2 디스크홈의 내부에 배치되며 상기 디스크스프링의 상단에 접촉되고, 상부는 상기 제1 디스크의 하단에 접촉되는 돌기블록;을 포함할 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 돌기블록은, 상기 제2 디스크의 상부에서 원주방향을 따라 호 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 돌기블록은, 상기 제2 디스크의 상부에서 원기둥 형상으로 형성될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 돌기블록은 상기 제2 디스크의 상부에 방사방향 또는 원주방향으로 복수개가 배치될 수 있다.
또한, 본 발명의 실시예에서는 상기 내간격부에는 유체가 존재하고, 상기 제1,2 디스크 사이의 간격이 좁아지면, 유체는 상기 내공간부로 이동하며, 상기 내공간부로 이동한 유체는 상방향으로 유압에 의한 반발력을 인가할 수 있다.
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본 발명에 따르면, 복합적인 면진 설계를 통해 지진파에 의해 다양한 방향으로 발생되는 진동을 효과적으로 흡수하고 완화하여 설비를 안전하게 보호할 수 있는 효과가 있다.
도 1a 및 도 1b는 설비를 지면이나 콘크리트 건축물에 고정하는 종래 구조를 나타낸 도면.
도 2a는 본 발명인 레일형 하이브리드 면진 장치가 설비의 하부에 적용된 구조를 나타낸 정면도.
도 2b는 본 발명인 레일형 하이브리드 면진 장치가 설비의 하부에 적용된 구조를 나타낸 측면도.
도 3a는 본 발명인 레일형 하이브리드 면진 장치가 지진파에 의해 발생된 상하(Z축) 방향 진동을 완화되는 상태를 나타낸 정면도.
도 3b는 본 발명인 레일형 하이브리드 면진 장치가 지진파에 의해 발생된 수평(X축) 방향 진동을 완화되는 상태를 나타낸 정면도.
도 3c는 본 발명인 레일형 하이브리드 면진 장치가 지진파에 의해 발생된 수평(Y축) 방향 진동을 완화되는 상태를 나타낸 측면도.
도 4a는 본 발명인 레일형 하이브리드 면진 장치의 제1 실시예 구조를 나타낸 도 2b에 표시된 B-B 단면도.
도 4b는 도 4a에 개시된 본 발명인 레일형 하이브리드 면진 장치에 대한 조립도.
도 5a는 본 발명인 레일형 하이브리드 면진 장치의 제2 실시예 구조를 나타낸 도 2b에 표시된 B-B 단면도.
도 5b는 본 발명인 레일형 하이브리드 면진 장치의 제2 실시예에서 댐퍼판의 구조를 나타낸 부분사시도.
도 5c는 도 5b에 개시된 C-C 단면에 대한 본 발명인 레일형 하이브리드 면진 장치의 제2 실시예에서 댐퍼판이 내간격부에 배치되는 구조를 나타낸 도면.
도 6a는 본 발명인 레일형 하이브리드 면진 장치의 제3 실시예 구조를 나타낸 도 2b에 표시된 B-B 단면도.
도 6b는 도 6a에 개시된 Y 부분에 대한 본 발명인 레일형 하이브리드 면진 장치의 제3 실시예에서 디스크부의 구조를 나타낸 단면도.
도 6c는 본 발명인 레일형 하이브리드 면진 장치의 제3 실시예에서 돌기블록의 일 형태를 나타낸 도면.
도 6d는 본 발명인 레일형 하이브리드 면진 장치의 제3 실시예에서 돌기블록의 다른 형태를 나타낸 도면.
도 8은 종래 기술과 본 발명인 레일형 하이브리드 면진 장치의 제1 실시예에 의한 진동 완화 성능을 비교한 실험데이터.
이하, 첨부된 도면을 참고하여 본 발명에 따른 레일형 하이브리드 면진 장치의 바람직한 실시예들을 상세히 설명하도록 한다.
이하 설명하는 다수의 실시예들은 개별적으로 설명하더라도 서로 상충되지 않는 범위내에서 함께 적용되어 하나의 실시예로 설계될 수 있다.
도 2a 내지 도 4a, 도 4b를 참고하면, 본 발명인 레일형 하이브리드 면진 장치의 제1 실시예는 하부레일(120), 상부레일(110) 및 면진유닛(200)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 하부레일(120)은 길이방향으로 신장된 레일 형태일 수 있으며, 지면(G) 또는 콘크리트, 철제 등의 건축물(G)에 볼트(R3) 체결되어 고정될 수 있다. 상기 하부레일(120)의 양측부에는 상방향으로 신장된 하부스커트(122)가 형성될 수 있다.
상기 상부레일(110)은 길이방향으로 신장된 레일 형태일 수 있으며, 상기 상부레일(110)의 상단에는 지진으로부터 보호하고자 하는 설비가 볼트(R2) 체결되어 고정될 수 있다. 상기 상부레일(110)의 양측부에는 하방향으로 신장된 상부스커트(112)가 형성될 수 있다.
여기서 도 4a 및 도 4b를 참고하면, 상기 하부스커트(122)의 상방향 신장길이(D1)와 상기 상부스커트(112)의 하방향 신장길이(D2)는 상기 하부스커트(122)와 상기 상부스커트(112)가 서로 중첩되는 위치까지 신장될 수 있다.
상기 하부스커트(122)의 상방향 신장길이(D1)와 상기 상부스커트(112)의 하방향 신장길이(D2)는 서로 중첩길이(D3)를 형성하고 있다. 이러한 중첩길이(D30)는 X축 방향 진동에 대한 스토퍼의 기능을 할 수 있다.
지진에 의한 진동 발생시 상기 상부레일(110)은 X축 방향으로 흔들릴 수 있는데, 이때 상기 상부스커트(112)가 상기 하부스커트(122)에 맞닿으며 상기 상부레일(110)의 지나친 흔들림으로 인해 변위 허용범위를 이탈하는 것을 차단하는 기능을 할 수 있다.
즉 상기 상부스커트(112)와 상기 하부스커트(122)는 스토퍼 기능을 수행함으로써, 지진 발생시 수평방향 변위를 억제하고 전도를 방지한다.
그리고 상기 하부레일(120)과 상기 상부레일(110)은 분리되어 있어 운반이 용이하고, 상기 하부레일(120)의 상부에 상기 상부레일(110)을 얹는 방식이므로, 시공이 편리한 특징이 있다.
다음으로, 상기 면진유닛(200)은 상기 하부레일(120)과 상기 상부레일(110)에 연결되어 배치되고, 지면 또는 건축물로부터 설비로 전달되는 지진파의 진동을 완화할 수 있다.
도 4a 및 도 4b를 참고하면, 본 발명의 제1 실시예에서 상기 면진유닛(200)은 면진봉(300), 면진스프링(400) 및 면진흡수체(500)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 면진흡수체(500)는 중앙측에는 내공간부(580)가 형성되고, 상기 상부레일(110)과 상기 하부레일(120) 사이에 배치될 수 있다.
이러한 상기 면진흡수체(500)는 상부베이스(521), 하부베이스(523), 유동체(510), 상부지지판(531), 하부지지판(533) 및 디스크부(540)를 포함하여 구성될 수 있다.
상기 상부베이스(521)는 사각판 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 상부레일(110)의 하부에 볼트(R4) 체결되어 고정될 수 있다.
상기 하부베이스(523)는 사각판 형상으로 형성될 수 있으며, 상기 하부레일(120)의 상부에 볼트(R5) 체결되어 고정될 수 있다.
상기 유동체(510)는 상기 상부베이스(521)와 상기 하부베이스(523) 사이에 배치될 수 있으며, 중앙측에는 상기 면진봉(300)과 상기 면진스프링(400)이 배치되는 내공간부(580)가 형성될 수 있다.
상기 유동체(510)는 고밀도 압축 고무와 같은 탄성재질로 이뤄질 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 진동을 흡수하고 일정 무게를 견딜 수 있는 탄성재질이면 다른 재질도 포함할 수 있다.
상기와 같은 배치를 통해, 상기 면진봉(300) 및 상기 면진스프링(400)의 상부와 하부는 상기 상부베이스(521)와 상기 하부베이스(523)에 의해 밀폐될 수 있고, 상기 면진봉(300)과 상기 면진스프링(400)의 측부는 상기 유동체(510)에 의해 밀폐될 수 있다.
상기 상부지지판(531)은 상기 유동체(510)의 상단에 배치되며, 상기 상부베이스(521)의 하단에 접촉할 수 있다.
상기 하부지지판(533)은 상기 유동체(510)의 하단에 배치되며, 상기 하부베이스(523)의 상단에 접촉할 수 있다.
상기 디스크부(540)는 상기 유동체(510)에서 상기 상부지지판(531)과 상기 하부지지판(533) 사이에 복수의 디스크가 복수의 층을 이루며 배치될 수 있다.
상기 상부지지판(531)과 상기 하부지지판(533)은 상기 유동체(510)의 상단과 하단에 각각 배치되어 상기 상부레일(110)과 상기 하부레일(120)과의 접촉에 의한 하중을 지지하는 기능을 할 수 있다.
그리고 상기 디스크부(540)는 상기 유동체(510)의 중간부위에서 복수의 층을 이루며 배치되어, 도 2a 내지 도 2c에 나타난 X,Y,Z축 방향 진동에서 상기 유동체(510)를 지지하는 기능을 할 수 있다.
즉 도 2a 내지 도 2c에 나타난 X,Y,Z축 방향 발생 진동의 크기가 큰 경우, 상기 유동체(510)가 변위 허용범위를 이탈하여 과도한 탄성변형을 일으키고, 결국 상기 유동체(510)는 손상될 수 있다. 이때 상기 디스크부(540)를 구성하는 복수의 디스크가 상기 유동체(510)의 중간부위에서 복수의 층을 이루며 배치되어 있어, 큰 진동이 발생하더라도 과도한 탄성변형이 일어나는 것이 억제될 수 있다.
즉 본 발명의 실시예에서 상기 면진유닛(200)은 지진파에 의한 수평변위 제어 및 진동에너지를 흡수하는 기능을 수행할 수 있다. 지진 종료 후에는 탄성 재질로 인해 다시 원래 형태로 복원되려는 특성이 발생되고, 이로 인해 설비가 다시 원위치하는데 기여하게 된다.
다음 상기 면진봉(300)은 상기 내공간부(580)에 배치될 수 있으며, 상기 면진봉(300)의 상단은 상기 상부베이스(521)의 하단에 접촉되고, 상기 면진봉(300)의 하단은 상기 하부베이스(523)의 상단에 접촉될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 면진봉(300)은 납 재질일 수 있다.
일반적으로 납의 특성은 고연성, 저융점 및 고비중을 들 수 있다.
고연성에 대해 납은 연성이 높아 저온에서도 신율이 켜져서 변형능력이 뛰어나고, 작은 변형에서 큰 변형까지의 에너지 흡수가 가능하다.
저융점에 대해 납은 재결정 온도가 20℃ 정도로 다른 금속에 비해 낮기 때문에 원래의 분자 구조로 복원하기 쉬워 면진 재료로 적합하다.
고비중에 대해 납은 비중이 11.3으로 다른 금속에 비해 무거운 특성이 있으나, 고주파의 방진에는 유리하다.
상술한 납의 특성으로 인하여 면진 관련 기술분야에서 납은 지진파에 의한 변형 속도를 축소하고, 지진파의 진동에 의한 작은 변형에서 큰 변형까지 넒은 진동 범위에서의 에너지를 흡수한다.
그리고 변형된 납 금속분자가 원래의 분자구조로 되돌아가는 온도가 낮기 때문에, 20℃ 즉 상온에서 납 금속분자가 다시 재결정화될 수 있다. 따라서 지진 종료 후에는 사후처리 없이 상온에서 자연스럽게 납 금속분자는 원상태로 재결정화되고, 설비는 다시 원래 위치로 복원되게 된다.
본 발명의 실시예에서는 상기 면진봉(300)의 재질로 상술한 납을 채택할 수 있다. 이에 따라 상기 면진봉(300)은 지진 에너지를 감쇄하는 기능을 할 수 있으며, 지진 종료 후에는 다시 재결정화되면서 원래 상태로 복원되고, 이와 함께 설비는 다시 원위치될 수 있다.
다음 상기 면진스프링(400)은 상기 내공간부(580)에서 상기 면진봉(300)의 외측 둘레를 감싸며 배치될 수 있다. 본 발명의 실시예에서 상기 면진스프링(400)은 코일스프링 형태일 수 있으나, 반드시 이에 한정되는 것은 아니고, 탄성력 및 복원력을 발휘하는 다른 장치도 포함될 수 있다.
본 발명의 실시예에서 상기 면진스프링(400)의 기능은 지진파에 의한 수직변위 제어 및 진동을 완충하는 기능을 수행할 수 있다.
상기 면진스프링(400)의 탄성력에 의해 수직 방향 진동을 완충함은 물론, 지진 종료 후에는 탄성력 및 복원력으로 상기 상부레일(110)을 상방향으로 밀어 설비가 원위치로 되돌아갈 수 있도록 한다.
상술한 바와 같이, 본 발명인 레일형 하이브리드 면진 장치는 상기 면진봉(300), 상기 면진스프링(400) 및 상기 면진유닛(200)이 복합적으로 작용하며 지진파에 의한 진동 및 수직/수평 방향 변위를 효과적으로 흡수 및 억제함으로써, 지진 발생시 설비를 안전하게 보호할 수 있다.
한편, 도 5a 내지 도 5c를 참고하면, 본 발명인 레일형 하이브리드 면진 장치의 제2 실시예에서는 하부레일(120), 상부레일(110) 및 면진유닛(200)을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서 상기 하부레일(120), 상기 상부레일(110) 및 상기 면진유닛(200)에 대한 기본 설명은 본 발명의 제1 실시예와 동일하므로 생략하도록 한다.
이하에서는 본 발명의 제1 실시예와 다른 구성인 상기 디스크부(540)에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 제2 실시예에서 상기 디스크부(540)는 내간격부(550), 제1 디스크(541), 제2 디스크(543) 및 댐퍼판(560)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 내간격부(550)는 상기 유동체(510)의 내부에서 소정 공간을 형성하며 배치되고, 상기 내공간부(580)와 연결될 수 있다.
상기 제1 디스크(541)는 상기 유동체(510)의 내부에서 상기 내간격부(550)의 상부에 배치될 수 있다. 상기 제2 디스크(543)는 상기 유동체(510)의 내부에서 상기 내간격부(550)의 하부에 배치될 수 있다.
상기 댐퍼판(560)은 상기 내간격부(550)의 내부에서 상기 제1,2 디스크(541,543)와 각각 접촉되어 배치될 수 있으며, 본 발명의 실시예에서 상기 댐퍼판(560)은 탄성재질로 이뤄질 수 있다.
도 5b를 참고하면, 상기 댐퍼판(560)은 제1 댐퍼판면(561), 제2 댐퍼판면(562) 및 댐퍼홀(563)을 포함하여 구성될 수 있다. 상기 제1 댐퍼판면(561)은 일방향으로 곡선지게 형성될 수 있으며, 상기 제2 댐퍼판면(562)은 상기 제1 댐퍼판면(561)에 연결되고, 상기 제1 댐퍼판면(561)과 반대방향으로 곡선지게 형성될 수 있다. 그리고 상기 댐퍼홀(563)은 상기 내간격부(550)에 존재하는 유체가 상기 제1,2 댐퍼판면(561,562) 사이를 이동할 수 있도록, 상기 제1,2 댐퍼판면(561,562)에 형성될 수 있다.
도 5c를 참고하면, 상기 내간격부(550)에 상기 댐퍼판(560)이 배치되고, 상기 댐퍼판(560)의 상단은 상기 제1 디스크(541)의 하단과 접촉되고, 상기 댐퍼판(560)의 하단은 상기 제2 디스크(543)의 상단과 접촉된다.
지진 발생으로 인해 Z축 방향 변위가 발생하면, 제1,2 디스크(541,543)간의 간격이 축소될 수 있으며, 이때 상기 댐퍼판(560)은 탄성에 의해 변형되면서 제1,2 디스크(541,543)간의 변위속도 및 크기를 완화하게 된다. 즉 진동 및 진동에 의한 변형을 자연스럽게 흡수하게 된다. 지진 종료 후에는 복원력을 발휘하여 제1,2 디스크(541,543)간의 간격을 원위치시키며, 이는 상기 유동체(510)의 형상복원에 기여하게 된다.
여기서 상기 내간격부(550)상에는 소정 공간이 형성되어 있고, 소정 공간에는 공기와 같은 유체가 존재될 수 있다. 설계사양에 따라서는 압축된 상태의 고압공기가 주입되어 배치될 수 있다.
지진파가 발생하면 Z축 방향 진동에 의해 제1,2 디스크(541,543) 사이의 간격이 좁아질 수 있으며, 이때 상기 내간격부(550)에 존재하는 유체는 상기 내공간부(580)로 이동하게 된다.
상기 내공간부(580)로 이동한 유체는 동일 크기의 내공간부(580)상에 유체가 추가로 유입된 것이므로 유압이 증가하게 되고, 이러한 유압은 상방향으로 반발력을 발휘하게 된다. 이에 따라 진동에 의한 Z축 방향 변위는 완충되고, 지진 종료 후에는 유압에 의한 반발력이 발생하여 설비가 원위치하는데 도움을 주게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 제2 실시예에서는 제1,2 디스크(541,543), 내간격부(550) 및 댐퍼판(560)과 함께 주입된 유체에 의한 유압 거동에 의해 Z축 방향 진동을 완화하고, 상기 유동체(510) 및 설비의 위치 복원에 기여를 하게 된다.
한편, 도 6a 내지 도 6c를 참고하면, 본 발명인 레일형 하이브리드 면진 장치의 제3 실시예에서는 하부레일(120), 상부레일(110) 및 면진유닛(200)을 포함하여 구성될 수 있다. 여기서 상기 하부레일(120), 상기 상부레일(110) 및 상기 면진유닛(200)에 대한 기본 설명은 본 발명의 제1 실시예와 동일하므로 생략하도록 한다.
이하에서는 본 발명의 제3 실시예와 다른 구성인 상기 디스크부(540)에 대해 설명하도록 한다.
본 발명의 제3 실시예에서 상기 디스크부(540)는 내간격부(550), 제1 디스크(541), 제2 디스크(543), 제2 디스크홈(571), 디스크스프링(574) 및 돌기블록(572,573)을 포함하여 구성될 수 있다.
상기 내간격부(550)는 상기 유동체(510)의 내부에서 소정 공간을 형성하며 배치되고, 상기 내공간부(580)와 연결될 수 있다.
상기 제1 디스크(541)는 상기 유동체(510)의 내부에서 상기 내간격부(550)의 상부에 배치될 수 있다. 상기 제2 디스크(543)는 상기 유동체(510)의 내부에서 상기 내간격부(550)의 하부에 배치될 수 있다.
도 6b를 참고하면, 상기 제2 디스크(543)의 상부에는 제2 디스크홈(571)이 형성될 수 있다. 상기 제2 디스크홈(571)의 내부에는 디스크스프링(574)이 배치될 수 있으며, 상기 디스크스프링(574)은 판스프링일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.
여기서 상기 돌기블록(572,573)의 하부는 상기 제2 디스크홈(571)의 내부에 배치되며 상기 디스크스프링(574)의 상단에 접촉될 수 있으며, 상기 돌기블록(572,573)의 상부는 상기 제1 디스크(541)의 하단에 접촉될 수 있다.
도 6c를 참고하면, 본 발명의 실시예에서 상기 돌기블록(572)의 일 형태는 상기 제2 디스크(543)의 상부에서 원주방향을 따라 호 형상으로 형성될 수 있다. 그리고 상기 돌기블록(572)은 상기 제2 디스크(543)의 상부에서 방사방향 또는 원주방향으로 복수개가 배치될 수 있다. 이때 도 6c에서는 방사방향 또는 원주방향으로 배치되는 상기 복수개의 돌기블록(572)들이 서로 소정 간격으로 이격되어 배치됨에 따라 이격 간격으로는 유체가 이동할 수 있다.
도 6d을 참고하면, 본 발명의 실시예에서 상기 돌기블록(573)의 다른 형태는 상기 제2 디스크(543)의 상부에서 원기둥 형상으로 형성될 수 있다. 그리고 상기 돌기블록(573)은 상기 제2 디스크(543)의 상부에서 방사방향 또는 원주방향으로 복수개가 배치될 수 있다. 이때 도 6d에서는 방사방향 또는 원주방향으로 배치되는 상기 복수개의 돌기블록(573)들이 서로 소정 간격으로 이격되어 배치됨에 따라 이격 간격으로는 유체가 이동할 수 있다.
지진 발생으로 인해 Z축 방향 변위가 발생하면, 제1,2 디스크(541,543)간의 간격이 축소될 수 있으며, 이때 상기 디스크스프링(574)의 탄성 변형에 의해 돌기블록(572,573)의 위치가 서서히 변경되면서 제1,2 디스크(541,543)간의 변위속도 및 크기를 완화하게 된다.
즉 상기 제1 디스크(541)를 상기 돌기블록(572,573)을 지지하는 상태에서 상기 디스크스프링(574)이 탄성 변형되므로, 제1 디스크(541)의 Y축 방향 변위는 서서히 진행되게 된다. 이에 따라 진동 및 진동에 의한 변형은 완화하게 된다. 지진 종료 후에는 상기 디스크스프링(574)이 복원력을 발휘하여 상기 돌기블록(572,573)을 상방향으로 밀어, 제1,2 디스크(541,543)간의 간격을 원위치시키며, 이는 상기 유동체(510)의 형상복원에 기여하게 된다.
여기서 상기 내간격부(550)상에는 소정 공간이 형성되어 있고, 소정 공간에는 공기와 같은 유체가 존재될 수 있다. 설계사양에 따라서는 압축된 상태의 고압공기가 주입되어 배치될 수 있다.
지진파가 발생하면 Z축 방향 진동에 의해 제1,2 디스크(541,543) 사이의 간격이 좁아질 수 있으며, 이때 상기 내간격부(550)에 존재하는 유체는 상기 내공간부(580)로 이동하게 된다.
상기 내공간부(580)로 이동한 유체는 동일 크기의 내공간부(580)상에 유체가 추가로 유입된 것이므로 유압이 증가하게 되고, 이러한 유압은 상방향으로 반발력을 발휘하게 된다. 이에 따라 진동에 의한 Z축 방향 변위는 완충되고, 지진 종료 후에는 유압에 의한 반발력이 발생하여 설비가 원위치하는데 도움을 주게 된다.
상술한 바와 같이, 본 발명의 제3 실시예에서는 제1,2 디스크(541,543), 내간격부(550) 및 돌기블록(572,573)과 함께 주입된 유체에 의한 유압 거동에 의해 Y축 방향 진동을 완화하고, 상기 유동체(510) 및 설비의 위치 복원에 기여를 하게 된다.
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한편, 도 8에는 종래 기술과 본 발명인 레일형 하이브리드 면진 장치의 제1 실시예에 의한 진동 완화 성능을 비교한 실험데이터가 개시되어 있다.
실험조건에서 설비는 변압기가 채택되었으며, 변압기의 스팩은 용량 1000kVA 이고, 사이즈는 폭(W), 길이(D), 높이(H)가 각각 1633mm, 1000mm, 2110mm 이고, 무게는 3.8ton 이다.
도 8을 참고하면, 도 1a 및 도 1b에 개시된 종래 구조의 경우에는, 지진파에 의한 진동을 인가하면 X축 방향으로 98mm 정도의 변위가 발생하고, Y축 방향으로 160.15mm 정도의 변위가 발생하였으며, Z축 방향으로 78mm 정도의 변위가 발생하였다.
이에 대해 본 발명의 제1 실시예 구조의 경우에는, 지진파에 의한 진동을 인가하였을 때, 상기 면진유닛(200)이 진동을 완화하였다. 그 결과 X축 방향으로 19.6mm 정도의 변위가 발생하고, Y축 방향으로 10.8mm 정도의 변위가 발생하였으며, Z축 방향으로 2.8mm 정도의 변위가 발생하였다.
결과적으로 종래 구조에 따른 변압기 변위값에 대해 본 발명의 제1 실시예에 따른 변압기 변위값은 X축, Y축, Z축에 대해 각각 80%, 93.3%, 96.4% 감소하였다. 즉 면진 성능이 현저하게 향상되어 지진 발생시 설비를 안전하게 보호할 수 있음이 입증되었다.
상술한 구조를 바탕으로 본 발명의 실시예들은 복합적인 면진 설계를 통해 지진파에 의한 수평 및 수직 방향 진동을 효과적으로 완화하여 설비를 안전하게 보호하는 효과를 달성하게 된다.
이상의 사항은 레일형 하이브리드 면진 장치의 특정한 실시예를 나타낸 것에 불과하다.
따라서 이하의 청구범위에 기재된 본 발명의 취지를 벗어나지 않는 한도내에서 본 발명이 다양한 형태로 치환, 변형될 수 있음을 당해 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 용이하게 파악할 수 있다는 점을 밝혀 두고자 한다.
100:레일형 하이브리드 면진 장치
110:상부레일 112:상부스커트
120:하부레일 122:하부스커트
122a:제2 나사산
200:면진유닛 300:면진봉
400:면진스프링
500:면진흡수체 510:유동체
521:상부베이스 523:하부베이스
531:상부지지판 533;하부지지판
540:디스크부 541:제1 디스크
543:제2 디스크 550:내간격부
560:댐퍼판 561:제1 댐퍼판면
562:제2 댐퍼판면 563:댐퍼홀
571:제2 디스크홈 572,573:돌기블록
574:디스크스프링 580:내공간부

Claims (20)

  1. 지면 또는 건축물에 고정되고, 양측부에는 상방향으로 신장된 하부스커트가 형성된 하부레일;
    설비의 하부에 고정되고, 양측부에는 하방향으로 신장된 상부스커트가 형성된 상부레일; 및
    상기 하부레일과 상기 상부레일에 연결되어 배치되고, 지면 또는 건축물로부터 설비로 전달되는 지진파의 진동을 완화하는 면진유닛;을 포함하고,
    상기 하부스커트의 상방향 신장길이와 상기 상부스커트의 하방향 신장길이는 상기 하부스커트와 상기 상부스커트가 서로 중첩되는 위치까지 신장되고,
    상기 면진유닛은,
    중앙측에는 내공간부가 형성되고, 상기 상부레일과 상기 하부레일 사이에 배치되는 면진흡수체;
    상기 내공간부에 배치되는 면진봉; 및
    상기 내공간부에서 상기 면진봉의 외측 둘레를 감싸며 배치되는 면진스프링;를 포함하고,
    상기 면진흡수체는,
    상기 상부레일의 하부에 고정되는 상부베이스;
    상기 하부레일의 상부에 고정되는 하부베이스;
    상기 상부베이스와 상기 하부베이스 사이에 배치되며, 중앙측에는 상기 면진봉과 상기 면진스프링이 배치되는 내공간부가 형성되고 탄성재질로 이뤄진 유동체;
    상기 유동체의 상단에 배치되며, 상기 상부베이스의 하단에 접촉하는 상부지지판;
    상기 유동체의 하단에 배치되며, 상기 하부베이스의 상단에 접촉하는 하부지지판; 및
    상기 유동체에서 상기 상부지지판과 상기 하부지지판 사이에 복수의 디스크가 복수의 층을 이루며 배치되는 디스크부;를 포함하고,
    상기 디스크부는,
    상기 유동체의 내부에서 소정 공간을 형성하며 배치되고, 상기 내공간부와 연결되는 내간격부;
    상기 유동체의 내부에서 상기 내간격부의 상부에 배치되는 제1 디스크;
    상기 유동체의 내부에서 상기 내간격부의 하부에 배치되는 제2 디스크; 및
    상기 내간격부의 내부에서 상기 제1,2 디스크와 각각 접촉되어 배치되는 탄성재질로 형성된 댐퍼판;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 레일형 하이브리드 면진 장치.
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  6. 제1항에 있어서,
    상기 댐퍼판은,
    일방향으로 곡선지게 형성된 제1 댐퍼판면;
    상기 제1 댐퍼판면에 연결되고, 상기 제1 댐퍼판면과 반대방향으로 곡선지게 형성된 제2 댐퍼판면; 및
    상기 내간격부에 존재하는 유체가 상기 제1,2 댐퍼판면 사이를 이동할 수 있도록, 상기 제1,2 댐퍼판면에 형성된 댐퍼홀;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 레일형 하이브리드 면진 장치.
  7. 지면 또는 건축물에 고정되고, 양측부에는 상방향으로 신장된 하부스커트가 형성된 하부레일;
    설비의 하부에 고정되고, 양측부에는 하방향으로 신장된 상부스커트가 형성된 상부레일; 및
    상기 하부레일과 상기 상부레일에 연결되어 배치되고, 지면 또는 건축물로부터 설비로 전달되는 지진파의 진동을 완화하는 면진유닛;을 포함하고,
    상기 하부스커트의 상방향 신장길이와 상기 상부스커트의 하방향 신장길이는 상기 하부스커트와 상기 상부스커트가 서로 중첩되는 위치까지 신장되고,
    상기 면진유닛은,
    중앙측에는 내공간부가 형성되고, 상기 상부레일과 상기 하부레일 사이에 배치되는 면진흡수체;
    상기 내공간부에 배치되는 면진봉; 및
    상기 내공간부에서 상기 면진봉의 외측 둘레를 감싸며 배치되는 면진스프링;를 포함하고,
    상기 면진흡수체는,
    상기 상부레일의 하부에 고정되는 상부베이스;
    상기 하부레일의 상부에 고정되는 하부베이스;
    상기 상부베이스와 상기 하부베이스 사이에 배치되며, 중앙측에는 상기 면진봉과 상기 면진스프링이 배치되는 내공간부가 형성되고 탄성재질로 이뤄진 유동체;
    상기 유동체의 상단에 배치되며, 상기 상부베이스의 하단에 접촉하는 상부지지판;
    상기 유동체의 하단에 배치되며, 상기 하부베이스의 상단에 접촉하는 하부지지판; 및
    상기 유동체에서 상기 상부지지판과 상기 하부지지판 사이에 복수의 디스크가 복수의 층을 이루며 배치되는 디스크부;를 포함하고,
    상기 디스크부는,
    상기 유동체의 내부에서 소정 공간을 형성하고 상기 내공간부와 연결되며 배치되는 내간격부;
    상기 유동체의 내부에서 상기 내간격부의 상부에 배치되는 제1 디스크;
    상기 유동체의 내부에서 상기 내간격부의 하부에 배치되는 제2 디스크;
    상기 제2 디스크에 형성되는 제2 디스크홈;
    상기 제2 디스크홈의 내부에 배치되는 디스크스프링; 및
    하부는 상기 제2 디스크홈의 내부에 배치되며 상기 디스크스프링의 상단에 접촉되고, 상부는 상기 제1 디스크의 하단에 접촉되는 돌기블록;
    을 포함하는 것을 특징으로 하는 레일형 하이브리드 면진 장치.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 돌기블록은, 상기 제2 디스크의 상부에서 원주방향을 따라 호 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 레일형 하이브리드 면진 장치.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 돌기블록은, 상기 제2 디스크의 상부에서 원기둥 형상으로 형성되는 것을 특징으로 하는 레일형 하이브리드 면진 장치.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 돌기블록은 상기 제2 디스크의 상부에 방사방향 또는 원주방향으로 복수개가 배치되는 것을 특징으로 하는 레일형 하이브리드 면진 장치.
  11. 제1항 또는 제7항에 있어서,
    상기 내간격부에는 유체가 존재하고,
    상기 제1,2 디스크 사이의 간격이 좁아지면, 유체는 상기 내공간부로 이동하며,
    상기 내공간부로 이동한 유체는 상방향으로 유압에 의한 반발력을 인가하는 것을 특징으로 하는 레일형 하이브리드 면진 장치.




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