KR102250708B1 - 내진성능 보강 구조의 실린더형 유체댐퍼 장치 - Google Patents

내진성능 보강 구조의 실린더형 유체댐퍼 장치 Download PDF

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임주택
안상억
이동환
이형석
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안상억
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Abstract

본 발명은 대상물 사이에서 내진성능을 구현하는 실린더형 유체댐퍼 장치에 있어서: 피스톤헤드(21)의 양측으로 실링재(23)를 갖추고 댐핑유체(25)를 수용하는 실린더(20); 상기 실린더(20)의 양단으로 각각의 조인트(33)와 힌지축(35)을 갖춘 연결부재(30); 및 상기 대상물과 연결부재(30) 사이에 4축 자유도 이상의 상대운동을 허용하도록 개재되는 고정부재(40);를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 한다.
이에 따라, 교량 등에서 임의의 변위 방향에 대해서 부하를 자유롭게 감당할 수 있도록 자유도를 부여하는 방식으로 높은 감쇠력을 감당하면서 내구성을 유지하여 내진성능 향상의 실효성을 제고하는 효과가 있다.

Description

내진성능 보강 구조의 실린더형 유체댐퍼 장치 {Cylindrical oil damper apparatus with seismic reinforcement structure}
본 발명은 실린더형 유체댐퍼에 관한 것으로, 보다 구체적으로는 교량 등에 설치된 상태에서 지진의 댐핑 기능을 충실하게 수행하는 내진성능 보강 구조의 실린더형 유체댐퍼 장치에 관한 것이다.
통상적으로, 교량에 있어서 교각과 교판은 각각 독립적으로 움직임이 발생한다. 지진이 발생하는 경우, 교각에 주어진 충격을 교판에 적게 전달하기 위해 유체댐퍼와 같은 제진장치의 작동이 원활하게 이루어져야 한다. 유체댐퍼 장치에 일반적인 구조의 고정부재(브라켓)를 사용하는 경우 교각과 교판의 상대운동으로 끼임이나 락킹(locking) 현상이 발생하기 쉽다. 이는 실제 지진이 발생했을 때, 장치의 원활한 기능을 방해하고 내구성을 약화시키는 주원인으로 작용한다. 현존하는 많은 제진장치가 실질적으로 이러한 위험에 노출되어 있다.
제진용 유체댐퍼 장치와 관련되는 선행기술문헌으로서 한국 등록특허공보 제1830863호, 한국 등록특허공보 제0965235호 등을 참조할 수 있다.
전자는 평상시에 교량의 온도변화에 따른 신축작용의 변위를 수용하고, 지진 발생시에 교각 고정받침과 함께 교각 가동받침이 지진하중을 분담하도록 교각 가동받침을 즉시 고정시켜 제진하고, 지진 발생시 피스톤의 연통로를 간단하게 폐쇄시킴으로써 피스톤의 활주운동을 멈춘다. 이에, 면진받침 없이도 단순한 구동 원리와 구조로 제진 성능을 기대한다.
다만, 이는 상대적으로 피스톤에 대한 지지력이 약하여 높은 감쇠력과 내구성을 기대하기 곤란하다.
후자는 한 쌍의 피스톤 사이에 위치하는 제 1 완충재; 피스톤 로드에 끼워지는 복수의 제 2 완충재; 제2완충재 사이에 끼워지는 와셔; 및 개방된 실린더의 양단을 밀봉하는 덮개;를 포함하고, 교각 및 거더 각각에는 유니버설 조인트가 개별적으로 설치된다. 이에, 진동 인가시 진동응답을 감쇠하는 동시에 진동 절연기능 저하를 방지하는 효과를 기대한다.
그러나, 이는 유니버설 조인트에 대한 세부 구성을 제시하지 않아 내진성능 향상에 한계성을 드러내고 있다.
한국 등록특허공보 제1830863호 "교량 제진용 유압식 스토퍼 및 그 시공 방법" (공개일자 : 2018.02.21.) 한국 등록특허공보 제0965235호 "방진댐퍼" (공개일자 : 2009.04.06.)
상기와 같은 종래의 문제점들을 개선하기 위한 본 발명의 목적은, 교량 등에 설치된 상태에서 임의의 변위 방향에 대해서 부하를 자유롭게 감당할 수 있도록 자유도를 부여하여 지진의 댐핑 기능을 충실하게 수행하는 내진성능 보강 구조의 실린더형 유체댐퍼 장치를 제공하는 데 있다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 대상물 사이에서 내진성능을 구현하는 실린더형 유체댐퍼 장치에 있어서: 피스톤헤드의 양측으로 실링재를 갖추고 댐핑유체를 수용하는 실린더; 상기 실린더의 양단으로 각각의 조인트와 힌지축을 갖춘 연결부재; 및 상기 대상물과 연결부재 사이에 4축 자유도 이상의 상대운동을 허용하도록 개재되는 고정부재를 포함하며,
상기 고정부재는 베이스에 고정된 안내축 상으로 가동대를 상대운동 가능하게 지지하고,
상기 안내축은 양단의 조인트의 사이의 길이의 50~200%에 해당하는 곡률반경을 갖춘 곡률부를 더 구비한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 연결부재는 일측과 타측에서 연결로드 및 연결통을 개재하여 각각의 조인트에 연결되는 것을 특징으로 한다.
삭제
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 안내축은 원형, 타원형, 각형 중에 택일되는 단순형 단면 또는 평면부 및 오목부 중 적어도 하나를 갖춘 자유형 단면으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
삭제
이상과 같이 본 발명에 의하면, 교량 등에서 임의의 변위 방향에 대해서 부하를 자유롭게 감당할 수 있도록 자유도를 부여하는 방식으로 높은 감쇠력을 감당하면서 내구성을 유지하여 내진성능 향상의 실효성을 제고하는 효과가 있다.
도 1은 본 발명에 따른 장치를 설치된 상태로 나타내는 모식도
도 2는 본 발명에 따른 장치의 주요부를 확대하여 나타내는 모식도
도 3은 본 발명에 따른 장치의 작동 상태를 나타내는 모식도
도 4는 본 발명에 따른 장치의 다양한 실시예를 나타내는 모식도
도 5는 본 발명에 따른 장치의 모델링 과정을 나타내는 자료
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 다음과 같이 상세하게 설명한다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 내진성능 보강 구조의 실린더형 유체댐퍼 장치는 대상물 사이에서 내진성능을 구현하는 실린더형 유체댐퍼 장치에 있어서:
피스톤헤드(21)의 양측으로 실링재(23)를 갖추고 댐핑유체(25)를 수용하는 실린더(20);
상기 실린더(20)의 양단으로 각각의 조인트(33)와 힌지축(35)을 갖춘 연결부재(30); 및
상기 대상물과 연결부재(30) 사이에 4축 자유도 이상의 상대운동을 허용하도록 개재되는 고정부재(40)를 포함하며,
상기 고정부재(40)는 베이스(41)에 고정된 안내축(45) 상으로 가동대(42)를 상대운동 가능하게 지지하고,
상기 안내축(45)은 양단의 조인트(33)의 사이의 길이의 50~200%에 해당하는 곡률반경을 갖춘 곡률부(48)를 더 구비한다.
본 발명은 대상물 사이에서 내진성능을 구현하는 실린더형 유체댐퍼 장치에 관하여 제안한다. 도 1에서 교각(11)과 교판(12) 사이에 면진받침(15)과 함께 적용되는 내진용 실린더형 유체댐퍼를 예시지만 반드시 이에 국한되는 것은 아니다. 통상 실린더형 유체댐퍼는 Z축 방향으로 신축하는 상대운동이 원활하나 이에 직교하는 X축 및 Y축 방향의 자유도 보강이 필요하다.
본 발명에 따르면 실린더(20)가 피스톤헤드(21)의 양측으로 실링재(23)를 갖추고 댐핑유체(25)를 수용하는 구조를 이룬다. 도 2에서, 실린더(20)는 협의적으로 원통체로 나타내지만 광의적으로 피스톤헤드(21), 피스톤로드(22), 실링재(23), 댐핑유체(25)를 포함한다. 피스톤로드(22)는 피스톤헤드(21) 및 양측의 실링재(23)에 의한 3점 지지로 높은 감쇠력을 감당하면서 내구성을 유지할 수 있다. 피스톤헤드(21)는 다수의 축방향 오리피스를 구비한다. 실링재(23)는 강도, 내마모성, 내후성, 밀봉성이 양호한 소재를 사용한다. 댐핑유체(25)는 광물유보다 온도 민감도와 경년변화가 둔감한 실리콘 오일 사용한다.
물론 유체댐퍼를 구성하는 실린더(20), 피스톤헤드(21), 실링재(23) 등의 가공 정밀도가 높아도 대상물인 교각(11)과 교판(12) 사이에 지진에 의한 상대변위가 발생하면 누유, 작동불량 또는 급격한 내구성 저하의 문제가 유발되기 쉽다. Z축 방향에 직교하는 X축 및 Y축 방향의 자유도가 미흡하면 교각(11)과 교판(12) 사이의 오프셋(offset)으로 문제를 심화시킨다.
또한, 본 발명에 따르면 연결부재(30)가 상기 실린더(20)의 양단으로 각각의 조인트(33)와 힌지축(35)을 갖춘 구조를 이루고 있다. 도 1 및 도 2에서, 실린더(20)의 양단에 동일한 형태의 조인트(33)를 갖춘 연결부재(30)가 나타난다. 조인트(33)는 동일한 규격의 힌지축(35)을 개재하여 후술하는 고정부재(40)를 상대운동 가능하게 지지한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 연결부재(30)는 일측과 타측에서 연결로드(31) 및 연결통(32)을 개재하여 각각의 조인트(33)에 연결되는 것을 특징으로 한다.
도 1 및 도 2에서, 일측으로 교각(11)에는 연결로드(31)가 배치되고 타측으로 교판(12)에서는 연결통(32)이 배치된다. 연결로드(31)는 피스톤로드(22)의 일단에 직결된다. 연결통(32)은 내부에 피스톤로드(22)의 타단을 수용하면서 실린더(20)의 타단에 직결된다. 교각(11)에서 교판(12)으로 전달되는 지진 에너지를 소산하는 과정에서 댐핑 기능을 충실하게 수행하기에 유리하다.
한편, 연결부재(30)는 조인트(33)와 힌지축(35)을 연결하는 부분에 구면베어링(37)을 더 개재하는 것이 바람직하다. 도 2는 연결통(32)에 연결되는 조인트(33)의 힌지축(35)에 구면베어링(37)이 설치된 상태를 나타낸다. 도시에는 생략하나 연결로드(31)에 연결되는 조인트(33)의 힌지축(35)에 구면베어링(37)을 대체적ㆍ부가적으로 설치할 수도 있다. 구면베어링(37)은 조인트(33)의 롤링모션, 궁극적으로 실린더(20)와 피스톤로드(22) 간의 롤링모션을 조력한다.
또한, 본 발명에 따르면 고정부재(40)가 상기 대상물과 연결부재(30) 사이에 4축 자유도 이상의 상대운동을 허용하도록 개재되는 구조를 이룬다. 도 1처럼, 일측의 고정부재(40)는 교각(11)에 고정되고 타측의 고정부재(40)는 교판(12)에 고정된다. 지진 등의 강한 외력이 발생하면 교각(11)에 충격 형태의 변위가 발생하고 그 변위량은 일측 고정부재(40)에서 연결로드(31)를 통하여 피스톤로드(22)를 움직이게 된다. 피스톤헤드(21)와 피스톤로드(22)가 움직일 때 내부에 충진된 댐핑유체(25)가 피스톤헤드(21)의 오리피스거쳐 이동하면서 감쇠력을 발생한다.
이때, 고정부재(40)에 의한 자유도는 실린더(20)의 피스톤로드(22)가 신축하는 Z축을 중심으로 설정될 수 있다. 고정부재(40)의 4축 자유도는 후술하는 것처럼 Z축에 수직하게 직교하는 X축모션, Z축에 수평하게 직교하는 Y축모션, Z축 중심으로 회전하는 롤링모션의 상대운동을 포함한다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 고정부재(40)는 베이스(41)에 고정된 안내축(45) 상으로 가동대(42)를 상대운동 가능하게 지지하는 것을 특징으로 한다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 고정부재(40)를 구성하는 베이스(41), 가동대(42), 안내축(45) 등이 나타난다. 베이스(41)는 바닥판에 2개의 측판이 대략 U자형으로 대향하는 구조이다. 가동대(42)도 바닥판에 2개의 측판이 대략 U자형으로 대향하는 구조이다. 가동대(42)의 측판에는 상하로 안내공(43)이 형성된다. 안내축(45)은 베이스(41)의 대향하는 측판에 긴밀하게 고정된다. 가동대(42)는 안내축(45) 상에 Y축모션 가능하게 지지된다. 가동대(42)에서 안내축(45)의 상측으로 조인트(33)가 힌지축(35)을 개재하여 연결된다. 안내축(45)은 원형으로 예시하지만 다양한 형태의 단면으로 구현 가능하다. 안내공(43)의 내면 및 안내축(45)의 외면은 적어도 일부에 마찰저항을 축소하기 위한 코팅층을 포함할 수 있다.
도 2에서 부호 SP는 베이스(41)의 측판 사이의 대향하는 거리(스팬)로서 도 3처럼 가동대(42)의 Y축 상대운동을 허용하는 범위(폭)를 결정한다. 도 3(a)는 가동대(42)가 베이스(41)의 좌측으로 이동한 상태를 나타내고, 도 3(b)는 가동대(42)의 베이스(41)의 우측으로 이동한 상태를 나타낸다. 유체댐퍼의 X축 자유도는 연결부재(30)의 힌지축(35)에 의하여 구현되고, 유체댐퍼의 Y축 자유도는 고정부재(40)에 설정되는 스팬(SP)에 의하여 구현된다.
작동예로서, 교각(11)의 고정부재(40)의 상대변위가 특정 값 이상으로 발생할 때 허용되는 모션은 실린더(20)와 피스톤로드(22)의 Z축 상대운동, 힌지축(35)에 의한 X축 상대운동에 더하여 구면베어링(37)에 의한 대략 6˚정도의 롤링이 전부이므로 그 이상으로 감당할 수 없는 경우가 발생한다. 양단의 고정부재(40)에 의한 상대변위가 심할 경우에 실린더(20)의 내벽이나 오일링의 손상에 의한 피스톤헤드(21)의 끼임현상이나 실링재(23)를 통한 누유가 발생할 수 있다. 반면 본 발명의 고정부재(40)가 베이스(41)와 가동대(42)를 통하여 Y축 상대운동을 허용하므로 실제 지진 등이 발생할 때 유체댐퍼의 고유한 기능을 유지할 수 있다.
본 발명의 세부 구성으로서, 상기 안내축(45)은 원형, 타원형, 각형 중에 택일되는 단순형 단면 또는 평면부(46) 및 오목부(47) 중 적어도 하나를 갖춘 자유형 단면으로 구성되는 것을 특징으로 한다.
도 4을 참조하면, 안내축(45)의 단면에 대한 기본예와 변형예를 다양하게 나타낸다. 안내축(45)은 기본예인 원형 단면이 가장 선호되지만 타원형 단면이나 각형 단면을 적용할 수도 있다. 대상물의 종류, 감쇠성능, 설치환경 등을 고려하여 원형ㆍ타원형ㆍ각형의 단순형 단면 외에 상대적으로 복잡한 자유형 단면을 적용할 수도 있다. 도 4(a)에서, 원형 단면의 일부에 평면부(46)를 형성하는 구성도 가능하다. 도 4(b)와 같이 평면부(46)와 오목부(47)를 복수로 혼합하는 단면의 구성도 가능하다. 다만 자유형 단면은 그 형태가 복잡화될수록 유지보수의 측면에서 불리하다.
본 발명의 변형예로서, 상기 안내축(45)은 양단의 조인트(33)의 사이의 길이의 50~200%에 해당하는 곡률반경을 갖춘 곡률부(48)를 더 구비하는 것을 특징으로 한다.
도 4(c)에서, 안내축(45)은 베이스(41)에 고정되는 영역을 제외하고 스팬(SP)의 영역에 곡률부(48)를 형성한 상태를 나타낸다. 곡률부(48)는 과장적으로 도시하고 있으나 유체댐퍼의 무부하 장착 길이의 50~200% 범위에 해당하는 곡률반경으로 미세하게 만곡된다. 곡률부(48)를 갖춘 안내축(45)은 일단의 고정부재(40)에만 적용할 수도 있고 양단의 고정부재(40)에 모두 적용할 수도 있다. 물론 곡률부(48)는 안내축(45)의 단면 형상과 무관하게 적용 가능하다.
도 5를 참조하면, 연결부재(30)와 고정부재(40)의 연계에 의하여 유체댐퍼에서 4축 자유도 이상의 상대운동을 구현하는 상태를 시뮬레이션한다. 유체댐퍼의 장착 길이(a2) 1020㎜, 스트로크(d2) 200㎜, 구면베어링(37)의 여유각(θ2) 6˚ 등으로 가정한 결과 고정부재(40)에 의한 Y축 상대변위는 20㎜로 나타난다. 즉, 유체댐퍼에 부하가 작용하지 않은 상태에서 고정부재(40)는 20㎜의 자기정렬(self-align)이 가능하다.
본 발명은 기재된 실시예에 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 사상 및 범위를 벗어나지 않고 다양하게 수정 및 변형할 수 있음이 이 기술의 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 자명하다. 따라서 그러한 변형예 또는 수정예들은 본 발명의 특허청구범위에 속한다 해야 할 것이다.
11: 교각 12: 교판
15: 면진받침 20: 실린더
21: 피스톤헤드 22: 피스톤로드
23: 실링재 25: 댐핑유체
30: 연결부재 31: 연결로드
32: 연결통 33: 조인트
35: 힌지축 37: 구면베어링
40: 고정부재 41: 베이스
42: 가동대 43: 안내공
45: 안내축 46: 평면부
47: 오목부 48: 곡률부

Claims (5)

  1. 대상물 사이에서 내진성능을 구현하는 실린더형 유체댐퍼 장치에 있어서:
    피스톤헤드(21)의 양측으로 실링재(23)를 갖추고 댐핑유체(25)를 수용하는 실린더(20);
    상기 실린더(20)의 양단으로 각각의 조인트(33)와 힌지축(35)을 갖춘 연결부재(30); 및
    상기 대상물과 연결부재(30) 사이에 4축 자유도 이상의 상대운동을 허용하도록 개재되는 고정부재(40)를 포함하며,
    상기 고정부재(40)는 베이스(41)에 고정된 안내축(45) 상으로 가동대(42)를 상대운동 가능하게 지지하고,
    상기 안내축(45)은 양단의 조인트(33)의 사이의 길이의 50~200%에 해당하는 곡률반경을 갖춘 곡률부(48)를 더 구비하는 내진성능 보강 구조의 실린더형 유체댐퍼 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 연결부재(30)는 일측과 타측에서 연결로드(31) 및 연결통(32)을 개재하여 각각의 조인트(33)에 연결되는 것을 특징으로 하는 내진성능 보강 구조의 실린더형 유체댐퍼 장치
  3. 삭제
  4. 청구항 1에 있어서,
    상기 안내축(45)은 원형, 타원형, 각형 중에 택일되는 단순형 단면 또는 평면부(46) 및 오목부(47) 중 적어도 하나를 갖춘 자유형 단면으로 구성되는 것을 특징으로 하는 내진성능 보강 구조의 실린더형 유체댐퍼 장치.
  5. 삭제
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KR102437019B1 (ko) * 2021-05-14 2022-08-29 이은이앤씨 주식회사 연결단의 마모방지 구조를 갖는 교량용 댐퍼

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