KR102240482B1

KR102240482B1 - 자동복원 스프링댐퍼

Info

Publication number: KR102240482B1
Application number: KR1020190110869A
Authority: KR
Inventors: 허종완; 김영찬
Original assignee: 인천대학교 산학협력단
Priority date: 2019-09-06
Filing date: 2019-09-06
Publication date: 2021-04-14
Also published as: KR20210029524A

Abstract

자동복원 스프링댐퍼가 개시된다. 본 발명에 따른 자동복원 스프링댐퍼는, 양단에 고정판이 각각 결합된 중공형 실린더; 상기 고정판을 각각 관통하며 외력에 따라 슬라이딩되는 제1,2 샤프트; 마주보는 상기 제1,2 샤프트의 단부에 각각 결합되어 상기 실린더의 내부를 따라 슬라이딩되는 제1,2 이동판; 상기 제1,2 이동판 사이에 개재되어 상기 제1,2 이동판의 슬라이딩에 따라 탄성변형되며 외력을 감쇠시키는 우레탄블록; 및 상기 제1,2 이동판과 마주하는 상기 고정판 사이에 각각 개재되어 상기 제1,2 이동판의 슬라이딩에 따라 탄성변형되며 외력을 감쇠시키는 제1,2 코일스프링을 포함하는 것을 특징으로 한다. 본 발명에 의하면, 댐퍼 자체의 완충성능이 효율적으로 운용될 수 있고, 감쇠작용 후 외력이 제거되는 경우, 큰 저항이나 간섭없이 우레탄블록과 제1,2 코일스프링은 선형적으로 원래의 형태로 용이하게 복원될 수 있는 효과가 있다.

Description

자동복원 스프링댐퍼{AUTO RESTORATION SPRING DAMPER}

본 발명은 자동복원 스프링댐퍼에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 구조물에 설치된 상태로 외부에서 가해지는 하중을 저감시켜 구조물의 손상을 방지하면서도 변형 후 원래의 형태로 복원될 수 있는 자동복원 스프링댐퍼에 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, 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 증가함에 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 전면적으로 분해하지 않고서는 복원력에 대한 조절이 구조적으로 어려운 문제가 있다.

그리고 위의 선행기술은, 마찰 댐퍼(friction damper)를 통해 진동 에너지를 마찰에 의한 열로 변환함으로써 소산시키는 방식을 일부 적용하고 있어서 댐퍼 자체의 완전한 원상복원이 근본적으로 어렵고, 외력에 의해 일부 부품이 변형된 경우 간단한 보수 및 보강으로 관리하기가 곤란하다는 점에서 구조적인 개량 내지 개선이 필요한 실정이다.

대한민국 등록특허공보 제1661758호(등록일: 2016.09.26)

본 발명의 목적은, 댐퍼 자체의 복귀를 어렵게 하는 마찰력을 이용하여 진동 등의 외력을 흡수하는 방식이 아니라 탄성을 갖는 다양한 이종소재의 변형에 기반하여 외부에서 가해지는 하중이나 충격을 순차적 또는 중첩적으로 완충할 수 있고, 변형 후 용이하게 원래의 상태로 복귀할 수 있는 자동복원 스프링댐퍼를 제공하는 것이다.

상기 목적은, 양단에 고정판이 각각 결합된 중공형 실린더; 상기 고정판을 각각 관통하며 외력에 따라 슬라이딩되는 제1,2 샤프트; 마주보는 상기 제1,2 샤프트의 단부에 각각 결합되어 상기 실린더의 내부를 따라 슬라이딩되는 제1,2 이동판; 상기 제1,2 이동판 사이에 개재되어 상기 제1,2 이동판의 슬라이딩에 따라 탄성변형되며 외력을 감쇠시키는 우레탄블록; 및 상기 제1,2 이동판과 마주하는 상기 고정판 사이에 각각 개재되어 상기 제1,2 이동판의 슬라이딩에 따라 탄성변형되며 외력을 감쇠시키는 제1,2 코일스프링을 포함하는 것을 특징으로 하는 자동복원 스프링댐퍼에 의해 달성된다.

상기 자동복원 스프링댐퍼는, 상기 제1,2 이동판과 마주하는 상기 고정판 사이에 각각 설치되어 대응하는 상기 제1,2 코일스프링과 함께 인장되거나 독립적으로 인장되며 외력을 감쇠시키는 초탄성의 제1,2 형상기억강봉을 더 포함할 수 있다.

상기 제1,2 형상기억강봉는, 외력에 대한 감쇠능력의 조절을 위해, 상기 제1,2 코일스프링의 둘레를 따라 각각 다수 개가 이격되며 탈착가능하게 설치될 수 있다.

상기 제1,2 코일스프링은, 상기 제1,2 샤프트에 의해 관통된 상태로 초탄성 형상기억합금을 소재로 제작될 수 있다.

상기 제1,2 형상기억강봉는, 일단이 상기 고정판에 각각 고정되고, 타단이 상기 제1,2 이동판에 관통설치된 슬리브를 통과한 후 상기 제1,2 이동판에 걸림 고정되어, 대응하는 상기 제1,2 코일스프링과 함께 인장되거나 독립적으로 인장되며 외력을 감쇠시키고, 대응하는 상기 제1,2 코일스프링의 압축시 상기 슬리브에 대하여 슬라이딩되며 휨변형이 방지될 수 있다.

본 발명에 의하면, 제1,2 샤프트의 단부에 각각 결합되어 실린더의 내부를 따라 슬라이딩되는 제1,2 이동판의 사이에서 탄성변형되는 우레탄블록과, 제1,2 이동판과 마주하는 고정판 사이에서 제1,2 이동판의 슬라이딩에 따라 탄성변형되는 제1,2 코일스프링은 선형적으로 서로 연동하여 외력에 대하여 순차적 또는 중첩적 감쇠작용을 수행함에 따라 댐퍼 자체의 완충성능이 효율적으로 운용될 수 있고, 감쇠작용 후 외력이 제거되는 경우, 큰 저항이나 간섭없이 우레탄블록과 제1,2 코일스프링은 선형적으로 원래의 형태로 용이하게 복원될 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자동복원 스프링댐퍼의 사시도이다.
도 2는 도 1의 분해사시도이다.
도 3은 도 1의 절단선 A-A'에 따른 단면도이다.
도 4는 도 3에 기초하여 도 1의 자동복원 스프링댐퍼가 외력에 대하여 작동하는 상태를 각각 보여주는 작동상태도이다.
도 5는 도 1의 자동복원 스프링댐퍼에 구비된 각 감쇠수단의 역학적 거동(외력 대비 변위 관계)을 구분하여 나타낸 그래프이다.
도 6은 도 1의 자동복원 스프링댐퍼가 설치된 기둥-보 프레임과 면진받침의 몇가지 예를 각각 도시한 도면이다.

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 자동복원 스프링댐퍼의 사시도이고, 도 2는 도 1의 분해사시도이고, 도 3은 도 1의 절단선 A-A'에 따른 단면도이고, 도 4는 도 3에 기초하여 도 1의 자동복원 스프링댐퍼가 외력에 대하여 작동하는 상태를 각각 보여주는 작동상태도이고, 도 5는 도 1의 자동복원 스프링댐퍼에 구비된 각 감쇠수단의 역학적 거동(외력 대비 변위 관계)을 구분하여 나타낸 그래프이고, 도 6은 도 1의 자동복원 스프링댐퍼가 설치된 기둥-보 프레임과 면진받침의 몇 가지 예를 각각 도시한 도면이다.

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 자동복원 스프링댐퍼(100)는, 외부에서 발생된 외력(지진, 태풍) 내지 하중에 의해 흔들리게 되는 구조물에 설치된 상태로 탄성을 갖는 다양한 이종소재의 변형에 기반하여 전달된 외력을 순차적 또는 중첩적으로 완충함으로써 구조물의 손상을 방지하는 한편, 필요에 따라 완충성능을 손쉽게 조절할 수 있으며, 외력에 의해 변형되더라도 이후 스스로 원래의 형태로 복원될 수 있도록 안출된 발명이다.

상술한 바와 같은 기능 내지 작용을 구체적으로 구현하기 위해, 본 발명의 실시예에 따른 자동복원 스프링댐퍼(100)는, 도 1 내지 도 4에 도시된 바와 같이, 실린더(110), 제1,2 샤프트(120a,120b), 제1,2 이동판(130a,130b), 우레탄블록(140), 제1,2 코일스프링(150a,150b) 및 제1,2 형상기억강봉(160a,160b) 등을 포함하여 구성될 수 있다.

여기서 우레탄블록(140), 제1,2 코일스프링(150a,150b) 및 제1,2 형상기억강봉(160a,160b)은, 구조물에 전달되는 외력의 감쇠를 위해 외력에 대응하여 각각 설계된 순서대로 또는 동시적으로 변형된 후 외력 제거시 원래의 형태로 형상복원되는 감쇠수단이다.

위와 같은 감쇠수단들은, 탄성을 갖는 서로 다른 이종의 소재로 제작되고, 외력에 대응한 각각의 변형이 서로 연동되도록 본 발명에서 하나의 유기적 구조로 통합됨으로써, 본 발명에 따른 자동복원 스프링댐퍼(100)는 각 소재적 단점과 변형에 따른 단점 등이 상호 보완되어 상승적인 완충성능과 복원성능을 발휘하게 된다.

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

먼저, 실린더(110)는 후술하는 바와 같이 외력에 따라 각각 슬라이딩되는 제1,2 샤프트(120a,120b) 및 제1,2 이동판(130a,130b)과, 우레탄블록(140) 및 제1,2 코일스프링(150a,150b) 등을 내부에 수용하기 위해 마련된 통형상의 구성요소로서, 그 형상은 원기둥 또는 다각기둥 등으로 다양하게 변형될 수 있다.

이러한 실린더(110)의 중앙부에는, 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 길이방향을 따라 단면이 대체로 일정한 중공(112)이 관통형성되고, 그 양단부에는 제1,2 샤프트(120a,120b)에 의해 관통된 상태로 상술한 중공(112)을 차폐하는 한 쌍의 고정판(114a,114b)이 고정볼트(FB)에 의해 견고하게 결합될 수 있다.

제1,2 샤프트(120a,120b)는, 상술한 한 쌍의 고정판(114a,114b)을 각각 관통하며 외부로부터 전달된 진동과 같은 외력을 직접 전달받아 슬라이딩 작동을 수행하게 되는 한 쌍으로 구성된 막대형상의 구성요소로서, 그 형상도 원기둥 또는 다각기둥 등으로 다양하게 변형될 수 있다.

이러한 제1,2 샤프트(120a,120b) 각각은 상술한 실린더(110)의 내측에 타단부가 구비된 상태에서 고정판(114a,114b)을 관통하여 실린더(110)의 외측으로 노출된 일단부의 작동단을 통해 외부로부터 인장력(TF) 또는 압축력(CF)을 전달받게 된다.

제1,2 이동판(130a,130b)은, 실린더(110) 내부에 구비되어 서로 마주보는 제1,2 샤프트(120a,120b)의 단부인 타단부에 각각 결합되어 실린더(110)의 내부를 따라 슬라이딩되는 한 쌍으로 구성된 원판형상의 구성요소로서, 도 3에 도시된 바와 같이 상술한 제1,2 샤프트(120a,120b)와의 결합을 통해 단면 형상은 각각 'T'자를 이루게 된다.

이때, 제1,2 이동판(130a,130b)은 상술한 중공(112)의 안내에 따라 실린더(110) 내부에서 원활하게 슬라이딩될 수 있도록, 중공(112)에 대하여 일정한 유격을 둔 크기로 형성하게 된다.

이렇게 'T'자 형상을 이루도록 일체화된 제1 샤프트(120a)와 제1 이동판(130a) 및 제2 샤프트(120b)와 제2 이동판(130b)은, 제1,2 샤프트(120a,120b)에 의해 관통된 고정판(114a,114b)과 실린더(110)의 중공(112)을 통한 중첩적인 안내에 따라 각각 정확한 슬라이딩 작동을 수행하게 된다.

우레탄블록(140)은, 실린더(110) 내부에서 서로 마주보는 제1,2 이동판(130a,130b) 사이에 개재되어 제1,2 이동판(130a,130b)의 슬라이딩에 따라 탄성변형되며 외력을 감쇠시키고, 외력이 제거되면 원래의 형상으로 복원되는 기둥형상의 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 특성이 있으므로, 본 발명에 따른 자동복원 스프링댐퍼(100)는, 설치장소나 용도에 대응한 우레탄블록(140)의 변경이나 교체를 통해 복원능력과 진동 감쇠능력을 다양하게 조절할 수 있게 된다.

우레탄블록(140)의 양측면 중앙부에는, 제1,2 이동판(130a,130b) 사이에서 이탈되지 않도록 제1,2 이동판(130a,130b)의 고정돌기(134)와 계합되는 끼움공이 형성될 수 있다.

이러한 우레탄블록(140)은, 도 3에 도시된 바와 같이 서로 마주보는 제1,2 이동판(130a,130b) 사이에 개재되는 형태로 배치됨에 따라 제1 샤프트(120a)(제2 샤프트(120b))의 일측에 가해진 외력(인장력(TF) 또는 압축력(CF))은 후술하는 바와 같이 도 4의 제1,2 코일스프링(150a,150b) 등을 거친 후 우레탄블록(140)의 압축변형(CD)을 통해 일부 완충된 후 제2 샤프트(120b)(제1 샤프트(120a))로 전달되며 감쇠될 수 있다.

또한, 우레탄블록(140)은, 경우에 따라서 제1 샤프트(120a)와 제2 샤프트(120b)가 서로 마주하는 방향으로 각각 가해지는 외력에 대하여 압축변형(CD)되며 양측 외력을 완충하는 감쇠기능을 수행하게 된다.

한편, 우레탄블록(140)은, 압축 후 복원력이 제1,2 이동판(130a,130b)에 즉각적으로 발휘될 수 있고, 제1,2 이동판(130a,130b) 사이에서 유격 없이 외력에 반응(압축)하며 외력을 완충할 수 있도록 하기 위해 일정 수준으로 미리 압축된 상태로 제1,2 이동판(130a,130b) 사이에 개재될 수 있다.

이렇게 우레탄블록(140)을 미리 압축된 상태로 설치하는 것은, 일례로 구조물에 결합되는 제1,2 샤프트(120a,120b)의 길이를 조절하거나 또는 후술하는 바와 같이 우레탄블록(140)의 양측면을 압박하도록 설치되는 제1,2 코일스프링(150a,150b)의 탄성력을 우레탄블록(140)보다 크게 함으로써 이루어질 수 있다.

상술한 바와 같은 우레탄블록(140)은, 도 5의 (a)에 도시된 압축변형-복원 응력(F1)과 변위량(△)에 따른 역학적 거동 그래프에 대응하는 양상으로 구조물에 인가된 외력을 흡수하고, 외력이 제거되면 완전하게 원래의 형상으로 복원되는 거동을 수행하게 된다.

이때, 우레탄블록(140)은, 변형-복원 응력(F1)과 변위량(△)에 의해 도시되는 폐곡선의 내부 면적에 대응하는 만큼의 외력 에너지를 흡수하는 제진 성능을 발휘하게 되고, 특히 본 발명인 자동복원 스프링댐퍼(100)에 일정한 복원능력을 제공하여 잔류변위를 감소시키는 역할을 수행하게 된다.

제1,2 코일스프링(150a,150b)은, 제1,2 이동판(130a,130b)과 이와 마주하는 고정판(114a,114b) 사이에 각각 개재되어 제1,2 이동판(130a,130b)의 슬라이딩에 따라 탄성변형되며 상술한 우레탄블록(140)과 함께 외력을 감쇠시키는 구성요소로서, 코일 내지 나선형태로 이루어져 압축과 복원이 원활하게 이루어질 수 있는 소재이면 충분하므로 금속이나 합성수지 등을 소재로 제작될 수 있다.

다만, 본 발명의 실시예에 따른 제1,2 코일스프링(150a,150b)은, 초탄성 형상기억합금을 소재로 제작하여 중앙부가 제1,2 샤프트(120a,120b)에 의해 관통된 상태로 고정부와 제1,2 이동판(130a,130b)에 의해 양단부가 각각 지지되도록 배치될 수 있다.

여기서 초탄성 형상기억합금(superelasticity shape memory alloy, 超彈性形狀記憶合金)이란, 소성변형이 가해지고 난 후에 열이 가해지지 않더라도 실온에서 원래의 형상으로 복원되도록 제작된 합금 소재로서, 본 발명의 실시예에서는 외력에 대한 잔류변형의 최소화와 원형 복원이 실온의 작동환경에서 원활하게 이루어질 수 있도록 하기 위해 니티놀 합금을 사용하여 제1,2 코일스프링(150a,150b)을 제작하게 된다.

이러한 제1,2 코일스프링(150a,150b)은 상술한 바와 같이 초탄성 형상기억합금이라는 소재적 특성은 물론, 코일이라는 형상 자체에 기반하여 외력에 대한 감쇠 및 복원능력을 필요에 따라 다양하게 가변시킬 수 있게 된다.

일례로, 본 발명이 적용되는 설치장소나 용도에 대응하여 제1,2 코일스프링(150a,150b)의 나선 굵기를 다르게 하거나 나선의 턴 수를 증감하는 변형 등을 통해 제1,2 코일스프링(150a,150b)의 복원능력과 감쇠능력은 다양하게 조절 및 제한될 수 있게 된다.

한편, 제1,2 코일스프링(150a,150b)도, 압축 후 복원력이 제1,2 이동판(130a,130b)과 고정판(114a,114b)에 즉각적으로 발휘될 수 있고, 제1,2 이동판(130a,130b)을 사이에 두고 상술한 우레탄과 각각 유격 없이 견고한 지지관계를 유지하며 함께 외력을 완충할 수 있도록 하기 위해 일정 수준으로 미리 압축된 상태로 제1,2 이동판(130a,130b)과 고정판(114a,114b) 사이에 개재될 수 있다.

제1,2 형상기억강봉(160a,160b)은, 제1,2 이동판(130a,130b)과 마주하는 고정판(114a,114b) 사이에 각각 대칭을 이루며 설치되어 대응하는 제1,2 코일스프링(150a,150b)과 함께 인장되거나 독립적으로 인장되며 외력을 감쇠시키는 구성요소로서, 실시예에 따른 제1,2 코일스프링(150a,150b)과 동일하게 외력에 대한 잔류변형의 최소화와 원형 복원이 실온의 작동환경에서 원활하게 이루어질 수 있도록 니티놀 합금을 사용하여 제작할 수 있다.

이러한 제1,2 형상기억강봉(160a,160b)은, 외력을 감쇠시키기 위해 변형되는 양태가 제1,2 샤프트(120a,120b)에 가해지는 인장력(TF)에 대하여는 전혀 반응하지 않는 반면에 압축력(CF)에 대하여는 각각 대응하는 제1,2 코일스프링(150a,150b)과 같이 인장변형(TD)이 이루어진다는 점에서 제1,2 코일스프링(150a,150b)의 기능을 상승적으로 보완하는 기능을 하게 된다.

도 2 내지 4에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 제1,2 형상기억강봉(160a,160b)의 일단은 고정판(114a,114b)에 각각 고정될 수 있는데, 고정의 방식은 고정판(114a,114b)을 관통하여 노출된 나사산과 이와 나사결합을 하는 고정너트(N)에 의해 이루어질 수 있다.

그리고 제1,2 형상기억강봉(160a,160b)의 타단은 제1,2 이동판(130a,130b)에 관통설치된 슬리브(132)를 통과한 후 제1,2 이동판(130a,130b)에 걸림 고정될 수 있는데, 고정의 방식은 슬리브(132)를 통과하여 돌출된 나사산과 이와 나사결합을 하는 고정너트(N)에 의해 이루어질 수 있다.

위와 같이 제1,2 형상기억강봉(160a,160b)의 타단이 슬리브(132)를 통과하여 제1,2 이동판(130a,130b)에 견고히 고정되는 것이 아니라 각각 걸림 고정됨으로 인해 제1,2 형상기억강봉(160a,160b)은, 대응하는 제1,2 코일스프링(150a,150b)과 함께 인장되거나 독립적으로 인장되며 외력을 감쇠시킬 수 있게 되는 것이고, 대응하는 제1,2 코일스프링(150a,150b)의 압축시 슬리브(132)에 대하여 슬라이딩되며 휨변형이 방지될 수 있는 것이다.

한편, 본 발명의 실시예에 따른 제1,2 형상기억강봉(160a,160b)은, 제1,2 코일스프링(150a,150b)의 둘레를 따라 각각 다수 개가 이격되며 탈착가능하게 설치될 수 있는데, 이는 필요에 따라 외력에 대한 감쇠능력과 복원능력을 제1,2 형상기억강봉(160a,160b)에 기반하여 손쉽게 가변 조절할 수 있도록 하기 위함이다.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 4개의 초탄성 형상기억강봉이, 제1,2 코일스프링(150a,150b)의 둘레를 따라 실린더(110)의 내측에 배치된 상태에서 제1,2 이동판(130a,130b)과 마주하는 고정판(114a,114b) 사이에 각각 구비되도록 하거나, 도시되지 않았지만 3개가 등간격으로 제1,2 코일스프링(150a,150b)의 둘레를 따라 이격배치되도록 할 수 있는 것이다.

이렇게 제1,2 형상기억강봉(160a,160b)에 대한 설치개수의 용이한 증감을 통해 자기 치유적 복원능력의 강화와 조절이 손쉽게 이루어짐에 따라 본 발명에 따른 자동복원 스프링댐퍼(100)는 보다 효율적으로 운용되고 관리될 수 있게 된다.

위와 같이 제1,2 형상기억강봉(160a,160b)에 기반한 감쇠능력과 복원능력의 가변적인 조절은, 굵기가 다른 형상기억강봉으로 교체설치하거나 제1,2 이동판(130a,130b)과 마주하는 고정판(114a,114b) 사이에 설치된 형상기억강봉의 장력을 상술한 고정너트(N)의 조절로 다양하게 변경함으로써 이루어질 수 있다. 나아가 형상기억강봉의 장력을 상술한 고정너트(N)를 통해 조절하게 되면, 외력에 반응하게 되는 시점도 가변시킬 수 있게 된다.

상술한 바와 같은 제1,2 형상기억강봉(160a,160b)은, 도 5의 (b)에 도시된 변형-복원 응력(F2)과 변위량(△)에 따른 역학적 거동 그래프에 대응하는 양상으로 구조물에 인가되는 외력을 흡수하고, 외력이 제거되면 완전하게 원래의 형상으로 복원되는 거동을 수행하게 된다.

이때, 제1,2 형상기억강봉(160a,160b)은, 변형-복원 응력(F2)과 변위량(△)에 의해 도시되는 폐곡선의 내부 면적에 대응하는 만큼의 외력 에너지를 흡수하는 제진 성능을 발휘하면서도 본 발명에 따른 자동복원 스프링댐퍼(100)에 복원능력을 강화시키는 역할을 수행하게 된다.

위와 같은 제1,2 형상기억강봉(160a,160b)은, 상술한 우레탄블록(140)과 사용조건, 기계적 특성 등이 상이한 초탄성의 형상기억 소재로 이루어진 한편, 도 4와 같이 우레탄블록(140)의 인장변형(TD)(도 4의 (a) 참조) 또는 압축변형(CD)(도 4의 (b) 참조)시 각각 다른 위치에서 교대로 인장변형(TD)되고 복원되도록 구성함으로써, 결국 우레탄블록(140)의 기능도 상승적으로 보완하며 보다 넓은 범위에 걸쳐 외력을 중첩적으로 감쇠시키는 매개자 역할을 수행하게 되는 것이다.

또한, 제1,2 형상기억강봉(160a,160b)은, 도 4를 참조할 때, 상술한 제1,2 코일스프링(150a,150b)과 다음과 같은 보완 내지 보강관계로 정리될 수 있다.

즉, 도 4의 (a)에 도시된 바와 같이, 제2 샤프트(120b)에 작용한 인장력(TF)에 의해 제2 코일스프링(150b)이 압축변형(CD)되면, 반대쪽의 제1 형상기억강봉(160a)은, 제2 샤프트(120b)에 작용한 인장력(TF)에 대하여 이를 보완 내지 보강하기 위해 순차적 또는 동시적으로 인장변형(TD)되며 감쇠능력을 발휘하게 되고, 이때, 반대쪽의 제1 코일스프링(150a)도 인장변형(TD)되며 감쇠작용을 수행하게 된다.

반면에, 도 4의 (b)에 도시된 바와 같이, 제2 샤프트(120b)에 작용한 압축력(CF)에 의해 제2 코일스프링(150b)이 인장변형(TD)되면, 같은 쪽의 제2 형상기억강봉(160b)은, 제2 샤프트(120b)에 작용한 압축력(CF)에 대하여 이를 보완 내지 보강하기 위해 순차적 또는 동시적으로 인장변형(TD)되며 감쇠능력을 발휘하게 되고, 이때, 반대쪽의 제1 코일스프링(150a)은 압축변형(CD)되며 감쇠작용을 수행하게 된다.

결국, 제1,2 형상기억강봉(160a,160b)과 함께 상술한 우레탄블록(140) 및 제1,2 코일스프링(150a,150b)이 서로 유기적으로 연동되도록 선형 배치됨에 따라 본 발명은, 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 더욱 상승적으로 보완되어 넓은 범위에 걸쳐 외력을 중첩적으로 감쇠시키는 능력을 갖게 되며, 전체로서 우수한 복원능력을 발휘할 수 있게 된다.

이상에서 살펴본 본 발명의 실시예에 따른 자동복원 스프링댐퍼(100)는, 기본적으로 가장 감쇠능력이 큰 제1,2 형상기억강봉(160a,160b)을 통해 댐퍼의 전체적인 감쇠 범위를 결정한 후, 우레탄블록(140)과 제1,2 코일스프링(150a,150b)을 통해 복원능력을 세밀하게 조절하게 되면, 각각의 감쇠수단들은 서로 연동하여 구조물에 가해진 외력에 대하여 순차적 또는 중첩적으로 감쇠작용을 최적 수행할 수 있게 되고, 잔류 변위가 최소화된 상태로 복원될 수 있게 된다.

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

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

이때, 면진받침(26) 중에서 고무계열의 경우, 수직하중에 대한 저항력이 약할 뿐만 아니라 특히, 수평하중에 대한 떨림과 변위가 크게 발생하는 문제가 있고, 납이나 주석계열의 면진받침(26)의 경우, 지진 등의 외력에 의한 변형으로 인해 유지보수나 교체 등이 수반되는 문제가 있었다.

따라서 기존에 설치되어 운용되고 있는 면진받침(26)의 일측에 본 발명에 따른 자동복원 스프링댐퍼(100)를 설치함으로써, 외부 하중(태풍, 지진 등)에 의한 면진받침(26)의 횡방향 변위가 한계상태를 초과하여 받침 탈락되지 않도록 적절히 제한할 수 있게 된다.

그리고 도 6의 (b) 및 (c)에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 자동복원 스프링댐퍼(100)는, 보(12) 및 기둥(14)과 같은 주요 프레임에 역 V자형, V자형, 토글형 등 다양한 형태의 보강재인 가새(18)를 연결하는 데에 사용되는 거셋(16)을 매개로 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 자동복원 스프링댐퍼(100)는, 가새(18)와 거셋(16) 사이에서 발생하는 잔류 변위를 제거함으로써 거셋(16)과 함께 프레임구조물(10)의 손상을 효과적으로 방지하게 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
10: 프레임구조물 12: 보
14: 기둥 16: 거셋
18: 가새 20: 교량구조물
26: 면진받침
100: 자동복원 스프링댐퍼
110: 실린더 112: 중공
114a,114b: 고정판 FB: 고정볼트
120a,120b: 제1,2 샤프트 130a,130b: 제1,2 이동판
132: 슬리브 134: 고정돌기
140: 우레탄블록 150a,150b: 제1,2 코일스프링
160a,160b: 제1,2 형상기억강봉 N: 고정너트

Claims

양단에 고정판이 각각 결합된 중공형 실린더; 상기 고정판을 각각 관통하며 외력에 따라 슬라이딩되는 제1,2 샤프트; 마주보는 상기 제1,2 샤프트의 단부에 각각 결합되어 상기 실린더의 내부를 따라 슬라이딩되는 제1,2 이동판; 상기 제1,2 이동판 사이에 개재되어 상기 제1,2 이동판의 슬라이딩에 따라 탄성변형되며 외력을 감쇠시키는 우레탄블록; 및 상기 제1,2 이동판과 마주하는 상기 고정판 사이에 각각 개재되어 상기 제1,2 이동판의 슬라이딩에 따라 탄성변형되며 외력을 감쇠시키는 제1,2 코일스프링을 포함하고,
상기 제1,2 이동판과 마주하는 상기 고정판 사이에 각각 설치되어 대응하는 상기 제1,2 코일스프링과 함께 인장되거나 독립적으로 인장되며 외력을 감쇠시키는 초탄성의 제1,2 형상기억강봉을 더 포함하며,
상기 제1,2 형상기억강봉은,
외력에 대한 감쇠능력의 조절을 위해, 상기 제1,2 코일스프링의 둘레를 따라 다수 개가 이격되며 탈착가능하게 설치되되,
상기 제1 코일스프링 둘레의 상기 제1 형상기억강봉과 상기 제2 코일스프링 둘레의 상기 제2 형상기억강봉은, 서로 대칭을 이루며 마주보도록 배치되는 것을 특징으로 하는 자동복원 스프링댐퍼.
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제1항에 있어서,
상기 제1,2 코일스프링은,
상기 제1,2 샤프트에 의해 관통된 상태로 초탄성 형상기억합금을 소재로 제작되는 것을 특징으로 하는 자동복원 스프링댐퍼.
제1항에 있어서,
상기 제1,2 형상기억강봉은,
일단이 상기 고정판에 각각 고정되고,
타단이 상기 제1,2 이동판에 관통설치된 슬리브를 통과한 후 상기 제1,2 이동판에 걸림 고정되어,
대응하는 상기 제1,2 코일스프링과 함께 인장되거나 독립적으로 인장되며 외력을 감쇠시키고, 대응하는 상기 제1,2 코일스프링의 압축시 상기 슬리브에 대하여 슬라이딩되며 휨변형이 방지되는 것을 특징으로 하는 자동복원 스프링댐퍼.