KR102212598B1

KR102212598B1 - 이종소재의 복합적 변형에 기반한 자동복원댐퍼

Info

Publication number: KR102212598B1
Application number: KR1020190074292A
Authority: KR
Inventors: 허종완; 김영찬; 안대웅
Original assignee: 인천대학교 산학협력단
Priority date: 2019-06-21
Filing date: 2019-06-21
Publication date: 2021-02-04
Also published as: KR20200145365A

Abstract

이종소재의 복합적 변형에 기반한 자동복원댐퍼가 개시된다. 본 발명에 따른 이종소재의 복합적 변형에 기반한 자동복원댐퍼는, 양단부가 개구된 실린더; 상기 실린더의 내측에 구비되어 외력에 따라 슬라이딩되는 샤프트; 상기 실린더의 양단부에 구비되어 상기 샤프트의 슬라이딩에 따라 압축되며 외력을 감쇠시키는 제1 감쇠부; 및 상기 실린더의 둘레에 배치되어 상기 제1 감쇠부의 압축에 따라 인장되며 외력을 감쇠시키는 하나 이상의 제2 감쇠부를 포함하되, 상기 제1,2 감쇠부는, 상기 샤프트에 가해진 외력이 제거되면 형상복원되는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 외력에 따라 압축변형되며 외력을 감쇠 내지 흡수하는 제1 감쇠부와, 제1 감쇠부의 압축변형에 연동하여 인장변형되며 외력을 감쇠 내지 흡수하는 제2 감쇠부가 일체로 통합되어 외력에 대하여 순차적 또는 중첩적 감쇠작용을 수행함에 따라 댐퍼 자체의 완충성능이 효과적이고 효율적으로 운용될 수 있는 효과가 있다. 또한, 제1,2 감쇠부가 순차적 또는 중첩적 감쇠작용 후 형상복원작용을 함께 수행함에 따라 댐퍼 자체가 원래의 형태로 용이하게 복귀될 수 있는 효과가 있다.

Description

이종소재의 복합적 변형에 기반한 자동복원댐퍼{AUTOMATIC RESTORATION DAMPER BASED ON COMPLEX DEFORMATION OF DIFFERENT MATERIALS}

이종소재의 복합적 변형에 기반한 자동복원댐퍼에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 구조물에 설치되어 진동을 저감하고 충격에 의한 구조물의 손상을 방지하면서도 변형 후 원래의 형태으로 복원될 수 있는 댐퍼에 관한 것이다.

전 세계적으로 기후변화 등에 따른 자연재해의 증가와 해당 자연재해에 대한 불확실성의 확대로 인하여 구조물에 대한 소정 수준 이상의 안전성은, 근래 구조물 건축에 있어서 점차 엄격하게 요구되고 있다.

이러한 세계적 추세에도 불구하고, 최근까지 우리나라는 다양한 자연현상 중 특히, 지진으로부터 안전한 국가라는 오래된 인식으로 인해 구조물 최적화설계 및 붕괴방지 등의 연구개발에 대한 적극적 투자와 장려가 충분하게 이루어지지 못했었다.

위와 같은 결과로서, 현재 국내의 구조물과 각종 시설물들의 대부분은 지진이나 태풍과 같은 예측하기 어려운 자연재해에 대하여 더욱 취약할 수밖에 없는 상황에 놓여있는 실정이다.

다만, 최근 고층건물이나 장대 교량과 같은 대형구조물의 건설이 종전에 비해 점점 일반화되고 증가됨에 따라 외부에서 발생하는 하중(지진, 태풍)으로부터 구조물의 안전성을 확보하기 위해 구조물 자체가 직접 진동에너지를 흡수토록 하는 다양한 내진설계가 개발되어 적용되고 있다.

또한, 이미 건설된 구조물에 부가적으로 설치되어 구조물에 유입되는 진동에너지를 소산 내지 감소시키는 댐퍼와 같은 제진설계에 대한 연구개발이 활발히 이루어지고 있다.

위와 같은 내진설계 또는 제진설계와 관련하여 대한민국 등록특허공보 제1661758호에는 원형복원형 에너지 소산 댐퍼가 개시되고 있다. 등록특허공보 제1661758호는, 제1 평탄면을 갖는 제1 마찰플레이트; 제1 마찰플레이트와 X축 방향으로 슬라이드 상대이동 가능하게 형성되고, 슬라이드 상대이동시 제1 평탄면과 마찰하는 제2 평탄면을 갖는 제2 마찰플레이트; 및 제1 마찰플레이트와 제2 마찰플레이트를 연결하고, 슬라이드 상대이동시 이동방향과 반대방향의 회복력을 형성하는 형상기억강봉을 포함하는 것을 특징으로 한다.

등록특허공보 제1661758호는, X축 방향으로 서로 마찰하는 제1 마찰플레이트와 제2 마찰플레이트를 형상기억강봉이 Y축 방향으로 연결함으로써, 구조물에 가해지는 수평하중에 의해 변형이 발생한 후 원형으로 자동복원되도록 이루어지고, 설치시 복원력을 쉽게 조정할 수 있으며, 구조물의 손상으로 인한 교체작업 없이도 잔류변형이 방지되어 구조물 복원으로 인한 유지보수 비용이 발생하지 않도록 이루어지는 이점이 있다.

그러나 등록특허공보 제1661758호는, 일단 제조된 후에는 복원력에 대한 조절이 구조적으로 어렵고, 마찰 댐퍼(friction damper)를 통해 진동 에너지를 마찰에 의한 열 에너지로 변환함으로써 소산시키는 방식을 일부 적용하고 있어서 댐퍼 자체의 완전한 원상복원이 근본적으로 어렵다는 점에서 구조적인 개량 내지 개선이 필요하다 할 것이다.

대한민국 등록특허공보 제1661758호 (등록일: 2016.09.26)

본 발명의 목적은, 댐퍼 자체의 복귀를 어렵게 하는 마찰력을 이용하여 진동을 흡수하는 방식이 아니라 탄성을 갖는 다양한 이종소재의 복합적 변형에 기반하여 외부로부터 전달된 진동이나 충격을 효과적, 차별적으로 흡수할 수 있고, 변형 후 용이하게 원래의 형태로 복귀될 수 있는 자동복원댐퍼를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 양단부가 개구된 실린더; 상기 실린더의 내측에 구비되어 외력에 따라 슬라이딩되는 샤프트; 상기 실린더의 양단부에 구비되어 상기 샤프트의 슬라이딩에 따라 압축되며 외력을 감쇠시키는 제1 감쇠부; 및 상기 실린더의 둘레에 배치되어 상기 제1 감쇠부의 압축에 따라 인장되며 외력을 감쇠시키는 하나 이상의 제2 감쇠부를 포함하되, 상기 제1,2 감쇠부는, 상기 샤프트에 가해진 외력이 제거되면 형상복원되는 것을 특징으로 하는 이종소재의 복합적 변형에 기반한 자동복원댐퍼에 의해 달성된다.

상기 제1 감쇠부는, 상기 실린더의 일단에 결합되어 상기 실린더의 외측으로 노출된 상기 샤프트의 작용단에 의해 관통되는 제1 캡과, 상기 작용단에 인장력이 작용할 때 상기 샤프트와 함께 이동하는 제1 작용판과, 상기 제1 캡과 상기 제1 작용판 사이에 구비되어 상기 제1 작용판의 이동에 따라 압축변형되는 제1 우레탄블록으로 구성된 제1 변형부를 포함할 수 있다.

상기 제1 감쇠부는, 상기 실린더의 타단에 결합되는 제2 캡과, 상기 작용단의 반대쪽 단부와 접하도록 배치되어 상기 작용단에 압축력이 작용할 때 상기 샤프트와 함께 이동하는 제2 작용판과, 상기 제2 캡과 상기 제2 작용판 사이에 구비되어 상기 제2 작용판의 이동에 따라 압축변형되는 제2 우레탄블록으로 구성된 제2 변형부를 포함할 수 있다.

상기 제2 감쇠부는, 상기 제1,2 작용판 사이에 구비되어 상기 제1, 2 우레탄블록의 압축변형에 따라 각각 같은 방향으로 인장변형되고, 상기 제1,2 우레탄블록의 형상복원에 따라 각각 같은 방향으로 복원되는 초탄성 형상기억와이어로 이루어질 수 있다.

상기 형상기억와이어는, 외력에 대한 감쇠능력의 조절을 위해, 상기 제1,2 작용판 사이에서 복수 개가 이격되며 탈착가능하게 설치될 수 있다.

상기 목적은, 양단부가 개구된 실린더; 상기 실린더의 내측에 구비되어 외력에 따라 슬라이딩되는 샤프트; 상기 실린더의 양단부에 구비되어 상기 샤프트의 슬라이딩에 따라 압축되며 외력을 감쇠시키는 제1 감쇠부; 상기 실린더의 둘레에 배치되어 상기 제1 감쇠부의 압축에 따라 인장되며 외력을 감쇠시키는 하나 이상의 제2 감쇠부; 및 상기 실린더의 내측에 구비된 상기 샤프트와 상기 실린더의 사이에 구비되어 상기 샤프트의 상기 실린더에 대한 상대이동에 따라 전단변형되며 외력을 감쇠시키는 제3 감쇠부를 포함하여, 상기 제1,2,3 감쇠부는, 상기 샤프트에 가해진 외력이 제거되면 형상복원되는 것을 특징으로 하는 이종소재의 복합적 변형에 기반한 자동복원댐퍼에 의해 달성될 수 있다.

상기 제3 감쇠부는, 상기 외력에 대한 감쇠능력의 조절을 위해, 상기 실린더의 둘레를 따라 복수 개가 이격되며 선택적으로 설치될 수 있다.

상기 제3 감쇠부는, 상기 실린더의 장착공을 통해 일단부가 상기 샤프트의 장착홈에 끼워진 상태에서 타단부가 상기 장착공에 거치되어 상기 샤프트의 상대이동에 따라 변형되는 납블록; 및 상기 장착공을 차폐시키는 덮개판을 포함할 수 있다.

본 발명에 의하면, 외력에 따라 압축변형되며 외력을 감쇠 내지 흡수하는 제1 감쇠부와, 제1 감쇠부의 압축변형에 연동하여 인장변형되며 외력을 감쇠 내지 흡수하는 제2 감쇠부가 일체로 통합되어 외력에 대하여 순차적 또는 중첩적 감쇠작용을 수행함에 따라 댐퍼 자체의 완충성능이 효과적이고 효율적으로 운용될 수 있는 효과가 있다. 또한, 제1,2 감쇠부가 순차적 또는 중첩적 감쇠작용 후 형상복원작용을 함께 수행함에 따라 댐퍼 자체가 원래의 형태로 용이하게 복귀될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이종소재의 복합적 변형에 기반한 자동복원댐퍼의 사시도이다.
도 2는 도 1의 분해사시도이다.
도 3은 도 1의 절단선 A-A'에 따른 단면도이다.
도 4는 도 3에 기초하여 도 1의 자동복원댐퍼가 외력에 대하여 작동하는 상태를 각각 보여주는 작동상태도이다.
도 5는 도 1의 자동복원댐퍼에 구비된 제1,2,3 감쇠수단의 역학적 거동(외력 대비 변위 관계)을 구분하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1의 자동복원댐퍼가 설치된 기둥-보 프레임과 면진받침을 각각 도시한 정면도이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 상세하게 설명하면 다음과 같다. 다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 이미 공지된 기능 혹은 구성에 대한 설명은, 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 이종소재의 복합적 변형에 기반한 자동복원댐퍼의 사시도이고, 도 2는 도 1의 분해사시도이고, 도 3은 도 1의 절단선 A-A'에 따른 단면도이고, 도 4는 도 3에 기초하여 도 1의 자동복원댐퍼가 외력에 대하여 작동하는 상태를 각각 보여주는 작동상태도이고, 도 5는 도 1의 자동복원댐퍼에 구비된 제1,2,3 감쇠부의 역학적 거동(외력 대비 변위 관계)을 구분하여 나타낸 그래프이고, 도 6은 도 1의 자동복원댐퍼가 설치된 면진받침과 기둥-보 프레임을 각각 도시한 정면도이다.

발명의 설명 및 청구범위 등에서 방향을 지칭하는 상(위쪽), 하(아래쪽), 좌우(옆쪽 또는 측방), 전(정,앞쪽), 후(배,뒤쪽) 등은 권리의 한정의 용도가 아닌 설명의 편의를 위해서 도면 및 구성 간의 상대적 위치를 기준으로 정한 것으로, 특별히 다르게 한정하는 경우 외에는 이에 따른다.

본 발명에 따른 이종소재의 복합적 변형에 기반한 자동복원댐퍼(100)는, 외부에서 발생된 외력(지진, 태풍)에 의해 흔들리게 되는 구조물에 설치되어 전달된 진동을 흡수 내지 감쇠시킴으로써 구조물의 손상을 방지하는 한편, 필요에 따라 완충성능을 적절하게 조절할 수 있으며, 외력의 흡수에 의해 일단 변형되더라도 이후 스스로 원래의 형태로 복구될 수 있도록 이루어진다.

상술한 바와 같은 기능 내지 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 이종소재의 복합적 변형에 기반한 자동복원댐퍼(100)는, 도 1 내지 도 5에 도시된 바와 같이, 실린더(110), 샤프트(120), 제1 감쇠부(130), 제2 감쇠부(140) 및 제3 감쇠부(150) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 제1,2,3 감쇠부(130,140,150)는, 구조물에 전달되는 외력의 감쇠를 위해 외력에 대응하여 각각 차별적으로 변형된 후 외력 제거시 원래의 형태로 형상복원되는 구성요소이다.

이러한 제1,2,3 감쇠부(130,140,150)는 서로 다른 소재로 이루어지고, 외력에 대응한 변형의 형태가 다름에도 본 발명에서 하나의 유기적 구조로 통합됨으로써, 각 소재적 단점과 변형의 형태에 따른 단점 등은 상호 보완되어 본 발명에 따른 자동복원댐퍼(100)는 상승적인 완충성능과 복원성능을 발휘하게 된다.

이에 대한 보다 구체적인 설명은 상술한 각 구성들에 대하여 설명하는 과정에서 기술하기로 한다.

먼저, 실린더(110)는 외력에 따라 슬라이딩되는 샤프트(120)를 수용하기 위해 양단부가 개구된 통형상의 구성요소로서, 도 2에 도시된 바와 같이, 길이방향을 따라 단면이 대체적으로 일정한 중공(112)이 내부에 관통형성된다.

이러한 실린더(110)의 양단부에는 후술할 제1 감쇠부(130)나 제2 감쇠부(140)와의 결합을 위해 외측으로 확장형성된 플랜지(114)가 각각 구비되고, 후술할 제3 감쇠부(150)의 설치를 위한 장착공(116)이 외주면을 따라 복수 개 관통형성될 수 있다.

샤프트(120)는, 외부로부터 전달된 진동과 같은 외력을 직접 전달받아 슬라이딩 작동을 수행하는 막대형상의 구성요소로서, 상술한 실린더(110)의 내측에 구비된 상태에서 실린더(110)의 외측으로 노출된 작동단이 일단부에 형성되어 외부로부터 인장력(TF) 또는 압축력(CF)을 전달받게 된다.

이때, 작용단(122) 측과 작용단(122)의 반대쪽 단부(124)에는, 후술하는 바와 같이 제1 감쇠부(130)가 각각 구비되어 작용단(122)에 인가된 인장력(TF)을 감쇠 내지 완충하거나 작용단(122)에 인가된 압축력(CF)을 선택적으로 감쇠 내지 완충하게 된다.

또한, 샤프트(120)에는 후술하는 바와 같이 제3 감쇠부(150)의 설치를 위한 장착홈(126)이 상술한 장착공(116)에 대응하여 샤프트(120)의 외주면을 따라 복수 개 관통형성될 수 있다.

제1 감쇠부(130)는, 실린더(110)의 양단부에 구비되어 샤프트(120)의 슬라이딩에 따라 압축되며 외력을 1차적으로 감쇠시키고, 외력이 제거되면 원래의 형상으로 복원되는 구성요소로서, 도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이 제1 변형부(131) 및 제2 변형부(132) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 제1 변형부(131)는, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이 상술한 샤프트(120)의 작용단(122)에 인장력(TF)이 인가된 경우, 이에 대응하여 압축되며 인가된 인장력(TF)을 감쇠 내지 완충시키는 구성요소로서, 제1 캡(131a), 제1 작용판(131b) 및 제1 우레탄블록(131c) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

제1 캡(131a)은, 실린더(110)의 일단에 결합되어 실린더(110)의 외측으로 노출된 샤프트(120)의 작용단(122)에 의해 관통되며 내측에 제1 작용판(131b)과 제1 우레탄블록(131c)을 수용하는 구성요소로서, 도 2 등에 도시된 바와 같이 실린더(110)의 플랜지(114)에 대응하는 형태로 외주면이 확장형성되어 볼트와 같은 체결수단을 통해 실린더(110)와 결합될 수 있다.

제1 작용판(131b)은, 작용단(122)에 인장력(TF)이 작용할 때 샤프트(120)와 함께 이동하며 후술할 제1 우레탄블록(131c)을 가압하는 판상의 구성요소로서, 실린더(110)의 중공(112)의 직경보다 크게 형성되어 제1 캡(131a) 내부에 배치될 수 있다.

이러한 제1 작용판(131b)의 중앙부에는 작용단(122)과 소정의 유격을 형성하며 작용단(122)에 의해 관통되는 관통공이 형성된다.

이때, 관통공은, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 작용단(122)에 압축력(CF)이 인가된 경우 압축력(CF) 방향으로 작용단(122)의 슬라이딩을 허용(도 4의 (b) 참조)하는 한편, 작용단(122)에 인장력(TF)이 인가된 경우 작용단(122)과 샤프트(120)의 연결지점에 형성된 단턱(123)에 걸려 인장력(TF) 방향으로 제1 작용판(131b)의 이동(도 4의 (a) 참조)을 강제하게 된다.

제1 우레탄블록(131c)은, 제1 캡(131a)과 제1 작용판(131b) 사이에 구비되어 제1 작용판(131b)의 이동에 따라 압축변형(CD)되고 원래의 형태로 복원되는 구성요소로서, 우레탄 결합을 가진 열가소성의 고분자 화합물인 폴리우레탄을 소재로 제작될 수 있다.

이때, 폴리우레탄은, 강도 변화를 통해 폭넓은 범위의 탄성 구현이 용이하고 탄성과 내구성이 우수한 소재적 특성으로 인해 본 발명에 따른 자동복원댐퍼(100)의 복원능력과 진동 감쇠능력은 제1 우레탄블록(131c)의 변경이나 교체를 통해 다양하게 조절될 수 있다.

이러한 제1 우레탄블록(131c)의 중앙부에도, 작용단(122)과 소정의 유격을 형성하며 작용단(122)에 의해 관통되는 관통공이 형성될 수 있고, 도시된 바와 달리 복수 개의 블록형태로 이루어져 작용단(122)의 둘레를 따라 배치될 수도 있다.

그리고 제2 변형부(132)는, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이 상술한 샤프트(120)의 작용단(122)에 압축력(CF)이 인가된 경우, 이에 대응하여 압축되며 인가된 압축력(CF)을 감쇠 내지 완충시키는 구성요소로서, 제2 캡(132a), 제2 작용판(132b) 및 제2 우레탄블록(132c) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

이때, 상술한 바와 같이 제1,2 변형부가 작용단(122)에 인가된 인장력(TF)과 그 반대방향의 압축력(CF)에 대하여 서로 연계(제1 변형부(131) 압축시 제2 변형부(132) 신장)되어 동시에 감쇠기능을 수행하도록 구성하지 않고 각각 독립적으로 감쇠기능(제1 변형부(131) 압축시 제2 변형부(132) 변위되지 않음)을 수행하도록 구성한 이유는, 구조물이 설치된 지역이나 구조물의 구조적 특성에 따라 인장력(TF) 또는 압축력(CF)에 대한 감쇠능력을 필요에 맞게 서로 달리 설정할 수 있도록 하기 위함이다. 이로 인해 외력에 대한 효과적인 맞춤식 완충 내지 감쇠가 이루어질 수 있게 된다.

제2 캡(132a)은, 실린더(110)의 타단에 결합되어 내측에 후술할 제2 작용판(132b)과 제2 우레탄블록(132c)을 수용하는 구성요소로서, 도 2 등에 도시된 바와 같이 실린더(110)의 플랜지(114)에 대응하는 형태로 외주면이 확장형성되어 볼트와 같은 체결수단을 통해 실린더(110)와 결합될 수 있다.

제2 작용판(132b)은, 작용단(122)에 압축력(CF)이 작용할 때 샤프트(120)와 함께 이동하며 후술할 제2 우레탄블록(132c)을 가압하는 판상의 구성요소로서, 실린더(110) 중공(112)의 직경보다 크게 형성되어 제2 캡(132a) 내부에 배치될 수 있다.

이러한 제2 작용판(132b)은 작용단(122)의 반대쪽 단부(124)를 통해 가압력이 전달되는 구조이면 충분하므로, 제1 작용판(131b)과 달리 제2 작용판(132b)에는 관통공이 형성되지 않아도 무방하다.

다만, 제2 작용판(132b)의 중앙부에도 작용단(122)의 반대쪽 단부(124)와 소정의 유격을 형성하며 해당 단부가 끼워지는 관통공이 형성될 수도 있음은 물론이다.

이때, 작용단(122)의 반대쪽 단부(124)의 길이는, 제2 캡(132a)을 통해 외부로 노출되지 않으면서도 제2 우레탄블록(132c)의 원활한 압축변형(CD)을 방해 내지 제한하지 않는 한도 내에서 결정될 수 있다.

제2 우레탄블록(132c)은, 제2 캡(132a)과 제2 작용판(132b) 사이에 구비되어 제2 작용판(132b)의 이동에 따라 압축변형(CD)되고 원래의 형태로 복원되는 구성요소로서, 제1 우레탄블록(131c)과 마찬가지로 우레탄 결합을 가진 열가소성의 고분자 화합물인 폴리우레탄을 소재로 제작될 수 있다.

이러한 제2 우레탄블록(132c)도 다양한 탄성이나 강도로 제작되어 필요에 따라 변경 또는 교체됨으로써, 본 발명에 따른 자동복원댐퍼(100)의 복원능력과 진동 등(외력)에 대한 감쇠능력을 다양하게 조절할 수 있게 된다.

제2 우레탄블록(132c)의 중앙부에는, 제1 우레탄블록(131c)과 달리 작용단(122)의 반대쪽 단부(124)와 소정의 유격을 형성하며 끼워지는 관통공이 형성되지 않아도 무방하다.

다만, 제1 우레탄블록(131c)과 범용적으로 교체되며 사용될 수 있도록, 제2 우레탄블록(132c)은, 작용단(122)과 소정의 유격을 형성하며 작용단(122)에 의해 관통되는 관통공이 형성된 원판형상으로 제작될 수 있다.

또한, 도시된 바와 달리 제2 우레탄블록(132c)은, 복수 개의 블록형태로 이루어져 제2 캡(132a)과 제2 작용판(132b) 사이에 배치되어 이루어질 수도 있다.

상술한 바와 같은 제1 감쇠부(130)는, 도 5의 (a)에 도시된 제1,2 우레탄블록(131c,132c)의 압축변형-복원 응력(F1)과 변위량(△)에 따른 역학적 거동 그래프에 따라 각각 구조물에 인가되는 외력을 흡수하고, 외력이 제거되면 완전하게 원래의 형상으로 복원되는 거동을 수행하게 된다.

이때, 제1 감쇠부(130)는, 압축변형-복원 응력(F1)과 변위량(△)에 의해 도시되는 폐곡선의 내부 면적에 대응하는 만큼의 외력 에너지를 흡수하는 제진 성능을 발휘하게 되고, 특히 본 발명에 따른 자동복원댐퍼(100)에 복원능력을 제공하여 잔류변위를 감소시키는 역할을 수행하게 된다.

제2 감쇠부(140)는, 실린더(110)의 둘레에 하나 이상이 배치되어 제1 감쇠부(130)의 압축에 따라 인장되며 외력을 감쇠시키는 구성요소로서, 외력을 감쇠시키기 위해 변형되는 양태가 상술한 제1 감쇠부(130)와 반대로 인장변형(TD)되는 방식인 점에서 제1 감쇠부(130)와 구별되며, 이에 따라 제1 감쇠부(130)의 기능이 상승적으로 보완될 수 있게 된다.

이러한 제2 감쇠부(140)는, 인장변형(TD)과 복원이 가능한 수축형 코일스프링이 상술한 제1,2 작용판(131b,132b) 사이에 구비되도록 함으로써 이루어질 수 있고, 이와 달리 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 초탄성 형상기억와이어(142)가 제1,2 작용판(131b,132b) 사이에 구비되도록 함으로써 이루어질 수 있다.

이때, 실린더(110)의 길이방향을 따라 제1,2 작용판(131b,132b) 사이에 구비된 초탄성 형상기억와이어(142)는, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 작용단(122)에 인가된 인장력(TF)으로 인해 제1 우레탄블록(131c)이 압축변형(CD)되면, 제1 우레탄블록(131c)과 같은 방향으로 인장변형(TD)되고, 제1 우레탄블록(131c)의 형상복원과 같은 방향으로 복원되게 된다.

반면에 초탄성 형상기억와이어(142)는, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 작용단(122)에 인가된 압축력(CF)으로 인해 제2 우레탄블록(132c)이 압축변형(CD)되면, 제2 우레탄블록(132c)과 같은 방향으로 인장변형(TD)되고, 제2 우레탄블록(132c)의 형상복원과 같은 방향으로 복원되는 작동을 수행하게 된다.

위와 같은 형상기억와이어(142)는, 힘을 가해서 소성변형을 가하더라도 일정한 온도 이상으로 가열하면 본래의 형상으로 복원하는 성질을 갖는 얇은 막대형상의 형상기억합금(shape memory alloy, 形狀記憶合金)을 말한다.

그리고 초탄성 형상기억합금(superelasticity shape memory alloy, 超彈性形狀記憶合金)이란 소성변형이 가해지고 난 후에 열이 가해지지 않더라도 실온에서 본래의 형상으로 복원하도록 제작된 합금을 가리킨다.

본 발명의 실시예에 따른 초탄성 형상기억와이어(142)는, 잔류변형이 최소화되며 별도의 열처리 없이도 상온에서 원형으로 복원이 원활하게 이루어질 수 있는 초탄성의 구현을 위해 니티놀 합금 재료를 사용하여 제작될 수 있다.

또한, 초탄성 형상기억와이어(142)는, 필요에 따라 굵기가 다른 형상기억와이어(142)로 교체설치하거나 제1,2 작용판(131b,132b) 사이에 설치된 형상기억와이어(142)의 장력을 제1,2 작용판(131b,132b) 쪽에서 볼트와 너트 방식을 이용하여 조절함으로써 외력에 대한 감쇠능력을 다양하게 가변시킬 수 있게 된다.

한편, 초탄성 형상기억와이어(142)는, 제1,2 작용판(131b,132b) 사이에서 복수 개가 이격되며 선택적으로 탈착가능하게 설치될 수 있는데, 이는 필요에 따라 외력에 대한 감쇠능력과 복원능력을 손쉽게 가변 조절하기 위함이다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 실린더(110)의 외측 둘레를 따라 4개의 초탄성 형상기억와이어(142)가 배치된 상태에서 제1,2 작용판(131b,132b) 사이에 걸쳐 구비될 수 있고, 필요에 따라서는 3개가 등간격으로 실린더(110)의 외측 또는 내측 둘레(중공(112)의 내측면)를 따라 이격배치될 수 있다.

상술한 바와 같은 제2 감쇠부(140)는, 도 5의 (b)에 도시된 형상기억와이어(142)의 인장변형-복원 응력(F2)과 변위량(△)에 따른 역학적 거동 그래프에 따라 구조물에 인가되는 외력을 흡수하고, 외력이 제거되면 완전하게 원래의 형상으로 복원되는 거동을 수행하게 된다.

이때, 제2 감쇠부(140)는, 압축변형-복원 응력(F1)과 변위량(△)에 의해 도시되는 폐곡선의 내부 면적에 대응하는 만큼의 외력 에너지를 흡수하는 제진 성능을 발휘하면서도 본 발명에 따른 자동복원댐퍼(100)에 복원능력을 강화시키는 역할을 수행하게 된다.

위와 같은 제2 감쇠부(140)는, 제1 감쇠부(130)와 사용조건, 기계적 특성 등이 상이한 형상기억 소재로 이루어지는 한편, 외력에 대하여 제1 감쇠부(130)와 다른 양태로 변형되고 복원되도록 구성함으로써, 결국 제1 감쇠부(130)의 기능을 상승적으로 보완하게 되고, 보다 넓은 범위에 걸쳐 외력을 중첩적으로 감쇠시키게 된다.

그리고 제2 감쇠부(140)의 개수 증감에 의한 자기 치유적 복원능력의 강화와 조절을 통해 자동복원댐퍼(100)의 효율적인 운용과 관리가 이루어질 수 있게 된다.

제3 감쇠부(150)는, 실린더(110)의 내측에 구비된 샤프트(120)와 실린더(110)의 사이에 구비되어 샤프트(120)의 실린더(110)에 대한 상대이동에 따라 전단변형(SD)되며 외력을 감쇠시키는 구성요소이다.

여기서 제3 감쇠부(150)의 변형되는 양태는, 상술한 제1,2 감쇠부(130,140)와 다르게 전단변형(SD)되는 방식인 점에서 제1,2 감쇠부(130,140)와 분명히 구별되며, 이에 따라 본 발명의 자동복원댐퍼(100)는 복원능력보다 외력에 대한 감쇠능력이 보다 강화될 수 있게 된다.

이러한 제3 감쇠부(150)는, 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 납블록(152) 및 덮개판(154) 등을 포함하여 이루어지게 된다.

납블록(152)은, 실린더(110)의 장착공(116)을 통해 일단부가 샤프트(120)의 장착홈(126)에 끼워진 상태에서 타단부가 장착공(116)에 거치되어 샤프트(120)의 상대이동에 따라 전단변형(SD)되는 구성요소이다.

이러한 납블록(152)은, 납을 소재로 제작되어, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이 대략 20℃ 상온에서 외력에 의해 변형된 후 재결정과 분자복원의 과정을 통해 원래의 형상으로 복원이 이루어지게 된다.

즉, 납블록(152)은, 도 5의 (c)에 도시된 납블록(152)의 변형-복원 응력(F3)과 변위량(△)에 따른 역학적 거동 그래프에 따르면, 구조물로부터 작용단(122)에 인가된 인장력(TF) 또는 압축력(CF)으로 인한 실린더(110)에 대한 샤프트(120)의 상대이동에 의해 전단변형(SD)됨으로써 외력을 흡수하고, 외력이 제거되면 상온에서 원래의 형상으로 서서히 복원되는 거동을 수행하게 된다.

이때, 납블록(152)은, 변형-복원 응력(F3)과 변위량(△)에 의해 도시되는 폐곡선의 내부 면적에 대응하는 만큼의 외력 에너지를 흡수하는 제진 성능을 발휘하게 되므로, 상술한 제1,2 감쇠부(130,140)와 비교시 본 발명에 따른 자동복원댐퍼(100)에 강한 외력 감쇠능력을 제공하는 역할을 수행하게 된다.

이렇게 상술한 제1,2 감쇠부(130,140)과 대비시 강한 감쇠능력을 갖는 납블록(152)을 통한 외력 감쇠능력의 조절은, 실린더(110)의 둘레를 따라 복수 개의 납블럭이 이격되며 선택적으로 설치됨으로써 이루어질 수 있다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이 실린더(110)의 외측 둘레를 따라 4개의 납블록(152)이 배치된 상태에서 대응된 작동공을 통해 실린더(110)의 장착홈(126)에 안착될 수 있고, 필요에 따라서는 실린더(110)를 따라 3개가 등간격으로 이격배치될 수 있는 것이다.

또한, 납블록(152)을 통한 외력 감쇠능력의 조절은, 블록의 크기(두께, 폭, 길이)의 증감에 의해 이루어질 수 있음은 쉽게 알 수 있다.

덮개판(154)은, 납블록(152)의 이탈을 방지하고 납블록(152)의 전단변형(SD)을 안정적으로 지지하기 위해 마련된 판상의 구성요소로서, 볼트와 같은 소정의 체결수단을 통해 선택적으로 실린더(110)의 외주면에 탈착결합됨으로써, 장착공(116)을 차폐하며 납블록(152)을 지지하게 되고, 변형된 납블록(152)의 교환 등을 가능하게 한다.

위와 같은 제3 감쇠부(150)는, 제1,2 감쇠부(130,140)와 사용조건, 기계적 특성 등이 상이한 납 소재로 구성되는 한편, 외력에 대하여 제1,2 감쇠부(130,140)와 다른 양태로 변형되고 복원되도록 구성함으로써, 결국, 도 5의 (d)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 자동복원댐퍼는, 제1,2 감쇠부(130,140)의 기능을 더욱 상승적으로 보완하게 되고, 보다 넓은 범위에 걸쳐 외력을 중첩적으로 감쇠시키는 능력을 갖게 되며, 전체로서 우수한 복원능력이 발휘될 수 있게 된다.

그리고 제3 감쇠부(150)의 개수 증감에 의한 감쇠능력의 조절을 통해 자동복원댐퍼(100)의 맞춤식 운용관리가 효율적으로 이루어질 수 있게 된다.

이상에서 살펴본 본 발명의 실시예에 따른 자동복원댐퍼(100)는, 기본적으로 제3 감쇠부(150)를 통해 댐퍼의 전체적인 감쇠능력을 결정한 후, 제1,2 감쇠부(130,140)를 통해 복원능력을 적절히 조절하게 되면, 구조물에 가해질 수 있는 외력에 대한 감쇠가 최적화됨은 물론이고, 잔류 변위가 최소화된 상태로 복원되는 댐퍼의 설계가 가능해질 수 있다.

일례로, 제1,2 감쇠부(130,140)인 제1,2 우레탄블록(131c,132c)과 초탄성 형상기억와이어(142)에 의해 발생되는 복원능력이 제3 감쇠부(150)인 납블록(152)의 감쇠능력과 거의 대등하게 하거나 약간 크게 설계되며, 본 발명에 따른 자동복원댐퍼(100)는 가장 이상적인 거동을 발현할 수 있게 된다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 자동복원댐퍼(100)가 구조물에 설치된 사용상태를 도 6을 참조하여 간략하게 설명하면 다음과 같다.

먼저, 도 6의 (a)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자동복원댐퍼(100)는, 보(12)와 기둥(14) 등의 주요 프레임과 가새(18)를 연결하기 위해 사용되는 거셋(16)을 매개로 역 V자형, V자형, 토글형 등 다양한 형태의 가새(18)가 구비된 프레임구조물(10)에 설치될 수 있다.

이때, 거셋(16)은, 기본적으로 가새(18)를 갖는 프레임구조물(10)에서 마찰 거동하며 외력을 감쇠하는 퓨즈역할을 수행하게 되고, 본 발명에 따른 자동복원댐퍼(100)는, 가새(18)와 거셋(16) 사이에서 발생하는 잔류 변위를 제거함으로써 복원능력 증진 및 프레임구조물(10)의 손상을 방지하게 된다.

그리고 도 6의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 자동복원댐퍼(100)는, 주로 수직하중이 문제되는 교량구조물(20)의 하부를 지지하는 면진받침(26)과 연동되도록 설치될 수 있다.

이대, 면진받침(26) 중에서 고무계열의 경우, 수직하중에 대한 저항력이 약할 뿐만 아니라 특히, 수평하중에 대한 떨림과 변위가 크게 발생하는 문제가 있고, 납 면진받침(26)이나 주석 면진받침(26)의 경우, 지진 등의 외력에 의한 변형으로 인해 유지보(22)수나 교체 등이 수반되는 문제가 있었다.

따라서 기존에 설치되어 운용되고 있는 면진받침(26)의 일측에 본 발명에 따른 자동복원댐퍼(100)를 설치함으로써, 외부 하중(태풍, 지진 등)에 의한 면진받침(26)의 횡방향 변위가 한계상태를 초과하여 받침탈락되지 않도록 제어하게 된다.

앞에서, 본 발명의 특정한 실시예가 설명되고 도시되었지만 본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음은 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 일이다. 따라서, 그러한 수정예 또는 변형예들은 본 발명의 기술적 사상이나 관점으로부터 개별적으로 이해되어서는 안 되며, 변형된 실시예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 하여야 할 것이다.

TF: 인장력 TD: 인장변형
CF: 압축력 CD: 압축변형
SD: 전단변형 10: 프레임구조물
12,22: 보 14,24: 기둥
16: 거셋 18: 가새
20: 교량구조물 26: 면진받침
100: 이종소재의 복합적 변형에 기반한 자동복원댐퍼
110: 실린더 112: 중공
114: 플랜지 116: 장착공
120: 샤프트 122: 작용단
123: 단턱 124: 작용단의 반대쪽 단부
126: 장착홈 130: 제1 감쇠부
131: 제1 변형부 131a: 제1 캡
131b: 제1 작용판 131c: 제1 우레탄블록
132: 제2 변형부 132a: 제2 캡
132b: 제2 작용판 132c: 제2 우레탄블록
140: 제2 감쇠부 142: 형상기억와이어
150: 제3 감쇠부 152: 납블록
154: 덮개판

Claims

양단부가 개구된 실린더;
상기 실린더의 내측에 구비되어 외력에 따라 슬라이딩되는 샤프트;
상기 실린더의 양단부에 구비되어 상기 샤프트의 슬라이딩에 따라 압축되며 외력을 감쇠시키는 제1 감쇠부;
상기 실린더의 둘레에 배치되어 상기 제1 감쇠부의 압축에 따라 인장되며 외력을 감쇠시키는 하나 이상의 제2 감쇠부; 및
상기 실린더의 내측에 구비된 상기 샤프트와 상기 실린더의 사이에 구비되어 상기 샤프트의 상기 실린더에 대한 상대이동에 따라 전단변형되며 외력을 감쇠시키는 제3 감쇠부를 포함하여,
상기 제1,2,3 감쇠부는, 상기 샤프트에 가해진 외력이 제거되면 형상복원되는 것을 특징으로 하는 이종소재의 복합적 변형에 기반한 자동복원댐퍼.
제1항에 있어서,
상기 제1 감쇠부는,
상기 실린더의 일단에 결합되어 상기 실린더의 외측으로 노출된 상기 샤프트의 작용단에 의해 관통되는 제1 캡과, 상기 작용단에 인장력이 작용할 때 상기 샤프트와 함께 이동하는 제1 작용판과, 상기 제1 캡과 상기 제1 작용판 사이에 구비되어 상기 제1 작용판의 이동에 따라 압축변형되는 제1 우레탄블록으로 구성된 제1 변형부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종소재의 복합적 변형에 기반한 자동복원댐퍼.
제2항에 있어서,
상기 제1 감쇠부는,
상기 실린더의 타단에 결합되는 제2 캡과, 상기 작용단의 반대쪽 단부와 접하도록 배치되어 상기 작용단에 압축력이 작용할 때 상기 샤프트와 함께 이동하는 제2 작용판과, 상기 제2 캡과 상기 제2 작용판 사이에 구비되어 상기 제2 작용판의 이동에 따라 압축변형되는 제2 우레탄블록으로 구성된 제2 변형부를 포함하는 것을 특징으로 하는 이종소재의 복합적 변형에 기반한 자동복원댐퍼.
제3항에 있어서,
상기 제2 감쇠부는,
상기 제1,2 작용판 사이에 구비되어 상기 제1, 2 우레탄블록의 압축변형에 따라 각각 같은 방향으로 인장변형되고, 상기 제1,2 우레탄블록의 형상복원에 따라 각각 같은 방향으로 복원되는 초탄성 형상기억와이어로 이루어지는 것을 특징으로 하는 이종소재의 복합적 변형에 기반한 자동복원댐퍼.
제4항에 있어서,
상기 형상기억와이어는,
외력에 대한 감쇠능력의 조절을 위해, 상기 제1,2 작용판 사이에서 복수 개가 이격되며 탈착가능하게 설치되는 것을 특징으로 하는 이종소재의 복합적 변형에 기반한 자동복원댐퍼.
삭제
제1항에 있어서,
상기 제3 감쇠부는,
상기 외력에 대한 감쇠능력의 조절을 위해, 상기 실린더의 둘레를 따라 복수 개가 이격되며 선택적으로 설치되는 것을 특징으로 하는 이종소재의 복합적 변형에 기반한 자동복원댐퍼.
제1항에 있어서,
상기 제3 감쇠부는,
상기 실린더의 장착공을 통해 일단부가 상기 샤프트의 장착홈에 끼워진 상태에서 타단부가 상기 장착공에 거치되어 상기 샤프트의 상대이동에 따라 변형되는 납블록; 및
상기 장착공을 차폐시키는 덮개판을 포함하는 것을 특징으로 하는 이종소재의 복합적 변형에 기반한 자동복원댐퍼.