KR20010011886A - 구조물의 지진격리용 마찰감쇠형 포트받침 - Google Patents

Abstract

본 발명은 국내 지진에 적합한 마찰감쇠를 제공하도록 제작된 포트받침으로 구조물의 지진격리(내진)을 위한 마찰감쇠기에 속한다. 윤활유를 사용한 포트받침이 마찰감쇠기로서 제 역할을 수행하기에는 마찰계수가 너무 작고, 윤활유를 제거하여 사용하면 과도한 마찰계수로 인하여 감쇠 성능을 제대로 발휘할 수 없다. 따라서 본 발명에서는 지역적 지진특성에 적합한 마찰감쇠를 발휘하도록 하기 위하여 윤활유를 사용한 불소수지판(71)과 윤활유를 사용하지 않은 불소수지판(72)을 조합하여 사용하였다. 본 발명은 포트(1)위에 고무판(4)과 피스톤(3)을 설치하여 완충 및 회전자유도를 제공한다. 그리고 피스톤(3)위에 윤활유 저장홈과 윤활유를 사용한 불소수지(71)와 윤활유를 사용하지 않은 불소수지(72)를 조합 배치함으로써 지역별 지진특성에 따라 효과적인 마찰감쇠 성능을 발휘하도록 하였다. 불소수지판(71, 72) 위에는 평탄도가 우수한 매끄러운 스테인레스판(5)을 얹고 그 위에 상판(2)이 있으며 스테인레스 강판(5)과 상판(2)은 일체로 되어 있다. 본 발명은 우수한 상부구조물의 지지능력으로 광범위한 구조물에 적용할 수 있으며, 지역별 지진특성에 적합한 마찰감쇠를 통하여 구조물의 내진성능을 향상시킨다.

Description

구조물의 지진격리용 마찰감쇠형 포트받침{Pot Bearing Using Friction Damping Mechanism for Base Isolation System}

본 발명은 교량의 가동받침으로 널리 사용되고 있는 포트받침에 마찰계수를 변화시킨 구조물의 지진격리용 마찰감쇠형 포트받침에 관한 것이다. 본 발명은 구조물의 지진격리(내진)를 위한 마찰감쇠기로서 사용되어 진다.

지진이 발생하면 상부구조물의 관성력에 의하여 구조물의 저층에는 큰 전단력이 발생한다. 이에 따라 구조물의 저층에 위치한 기둥 및 벽체에 균열이 발생하고, 심한 경우에는 붕괴가 일어나기도 한다. 이러한 구조물의 지진에 대한 피해를 줄이고자 하는 것이 내진설계이며 내진설계의 한가지 방법으로 지진격리시스템이 사용된다. 이러한 구조물의 지진격리시스템에 사용되는 지진격리장치로는 적층고무받침과 불소수지(PTFE)를 사용한 FPS(Friction Pendulum System) 등이 있다. 이러한 지진격리시스템은 지진발생시 구조물의 변위의 증가란 문제점을 내포하고 있다. 따라서 이러한 문제점을 해결하고자 적층고무받침의 내부에 납을 삽입하여 감쇠성능을 향상시킨 납면진받침을 사용하거나 마찰감쇠기, 점성유체감쇠기 및 점탄성감쇠기 등의 감쇠기를 이용하기도 한다.

마찰감쇠기는 지진발생시 마찰력을 동반한 미끄러짐에 의해 발생되는 마찰감쇠를 이용하여 지진에너지를 소산하는 장치이다. 일반적으로 마찰감쇠기는 적층고무받침 등의 복원장치와 조합하여 사용된다. 마찰감쇠는 Coulomb 감쇠라고도 하며 미끄러짐을 위하여 마찰계수가 비교적 작은 고체 윤활제인 불소수지판과 스테인레스판을 주로 이용한다. 윤활유와 윤활유 저장홈을 갖는 불소수지판과 스테인레스의 판간의 마찰계수는 아주 작은 값을 나타내고 있다. 따라서 이러한 작은 마찰계수를 이용하여 교량의 가동받침으로 제작된 것이 포트받침이다. 그러나 이러한 윤활유를 사용한 포트받침이 마찰감쇠기로서 제 역할을 수행하기에는 마찰계수가 너무 작고, 윤활유를 제거하여 사용하면 과도한 마찰계수로 인하여 감쇠 성능을 제대로 발휘할 수 없다.

본 발명은 기존 포트받침이 마찰감쇠기로 사용되기에 부적합한 단점을 보완하여 지역적 지진특성에 적합한 마찰감쇠 성능을 발휘하도록 창작된 것이다. 지역적 지진특성에 적합한 마찰감쇠를 발휘하도록 하기 위하여 윤활유를 사용한 불소수지판과 윤활유를 사용하지 않은 불소수지판을 조합하여 사용하였다. 윤활유와 윤활유 저장홈을 가지는 불소수지판과 스테인레스 판과의 동적마찰계수는 1 ∼ 3%이며 윤활유를 사용하지 않은 경우는 8 ∼ 12%의 동마찰계수를 나타내고 있다. 그런데 지진에 대하여 효율적인 성능을 발휘하기 위해서는 3 ∼ 8%의 동마찰계수가 적절함을 연구를 통해 얻을 수 있었다. 따라서 2종류의 불소수지판을 일정 면적비로 적절한 마찰계수를 갖도록 구성하면 구조물의 감쇠기로서 우수한 성능을 발휘한다. 그리고 포트받침의 사용시 별도의 탈락방지장치를 설치하는 번거로운 사례가 있으므로 교량용 마찰감쇠형 포트받침의 경우에는 탈락방지용 측면키를 설치하여 안전성, 경제성 및 작업성 향상을 꾀하였다.

도 1은 일실시예(일반 구조물 적용시)에 의한 마찰감쇠형 포트받침의 평면도

도 2는 동 정면도

도 3은 다른 실시예(교량 적용시)에 의한 마찰감쇠형 포트받침의 평면도

도 4는 동 정면도

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 포트 2 : 상판

3 : 피스톤 4 : 고무판

5 : 스페인레스 판 6 : 봉함링

71 : 윤활유 저장홈이 있고 윤활유를 사용한 불소수지판

72 : 윤활유 저장홈이 없고 윤활유를 사용하지 않은 불소수지판

8 : 상판 체결공 9 : 포트 체결공

10 : 지침 바늘 11 : 눈금판

12 : 측면 키 13 : 측면 키 체결볼트

첨부도면은 각종 구조물의 하부나 교각 또는 교대의 상단에 설치하는 것으로, 제 1도 및 제 2도는 일반 구조물에 적용할 마찰감쇠형 포트받침의 실시예를 도시한 것이며 제 3도와 제 4도는 교량에 적용할 마찰감쇠형 포트받침의 실시예를 도시한 것이다.

먼저, 제 1도와 제 2도에 나타나 있는 일반 구조물용 마찰감쇠형 포트받침을 설명하면 다음과 같다. 본 실시예의 특징은 스테인레스 강판(5)의 미끄러짐에 대한 여유폭이 불소수지(71, 72)와 스테인레스 강판(5)과의 접촉면 전방향에 대하여 일정하다는 것이다.

구체적으로 설명하면, 강재 또는 주강품으로 된 정방형의 포트(1) 가장자리에 체결공(8)을 천공하고 중앙에 원형의 홈을 둔다. 이 원형 홈 내부에는 수직반력을 골고루 분포시키고 회전각을 얻기 위하여 홈 높이 보다 얇은 고무판(4)을 안장하고, 고무판(4)의 상면 가장자리에 고무판의 돌출을 방지하기 위하여 황동 재질의 봉함링(6)을 얹은 다음에 피스톤(3)을 얹는다.

본 실시예에서 피스톤(3) 상면의 중앙에 원형 홈을 두고 그 홈에서 일정간격 떨어진 곳에 환형 홈을 둔다. 원형홈에는 윤활유 저장홈을 갖는 불소수지(71)를 홈 밖으로 돌출되도록 안장하고 그 위에 윤활유를 바르며 환형홈에는 윤활유 저장홈이 없는 평평한 불소수지(72)를 안장한다. 이 때 두 불소수지(71, 72)의 상면의 높이가 일치되도록 한다.

상기 불소수지(71, 72) 위에 스테인레스 강판(5)을 얹고 스테인레스 강판(5)위에 상판(2)을 얹는다. 이 때 스테인레스 강판(5)은 불소수지의 마모를 방지하고 미끄러짐이 원활히 발생할 수 있도록 평탄도 및 평활도가 우수한 것을 사용하며 상판(2)과 일체가 되도록 한다. 그리고 스테인레스 강판(5)은 불소수지(71, 72)와 스테인레스 강판(5)과의 접촉면내 전방향에 대하여 지진시 발생할 변위에 충분할 만큼의 여유폭을 둔다. 상부구조물과의 체결을 위하여 정방형의 상판(2) 가장자리에 체결공(9)을 둔다.

상기 일실시에 의한 마찰감쇠형 포트받침은 수직하중 지지능력과 마찰감쇠 능력이 우수하므로 상시에는 구조물의 수직하중을 지지하며 지진시 마찰감쇠기로서의 역할을 수행한다.

제 3도, 제 4도에 나타난 교량용 마찰감쇠형 포트받침의 실시예에 대하여 설명하면 다음과 같다. 본 실시예의 특징은 교량에 사용하기 때문에 지진시의 변위 뿐만이 아니라 상판의 온도에 의한 신축팽창 및 크리프와 건조수축 등에 의해 발생할 변위를 확보해야 하므로 불소수지와 미끄러짐이 발생할 스테인레스 강판의 여유폭이 교축직각방향에 비하여 교축방향이 크게 확보되어 있다는 점이다. 그 외에도 교축직각방향으로의 상판의 탈락을 방지하기 위한 측면 키를 설치하여 교량의 안전성을 확보하였다.

구체적으로 설명하면, 강재 또는 주강품으로 된 정방형의 포트(1) 가장자리에 체결공(8)을 천공하고 중앙에 원형의 홈을 둔다. 이 원형 홈 내부에는 수직반력을 골고루 분포시키고 회전각을 얻기 위하여 홈 높이 보다 얇은 고무판(4)을 안장하고, 고무판(4)의 상면 가장자리에 고무판의 돌출을 방지하기 위하여 활동 재질의 봉함링(6)을 얹은 다음에 피스톤(3)을 얹는다. 그리고 피스톤(3) 상면의 중앙에 원형 홈을 두고 그 홈에서 일정간격 떨어진 곳에 환형 홈을 둔다. 원형홈에는 윤활유 저장홈을 갖는 불소수지(71)를 홈 밖으로 돌출되도록 설치되도록 안장하고 그 위에 윤활유를 바르며 환형홈에는 윤활유 저장홈이 없는 평평한 불소수지(72)를 안장한다. 이 때 두 불소수지(71, 72)의 상면의 높이가 일치되도록 한다. 그리고 포트의 교축방향 측면에 탈락방지용 측면 키(12) 체결을 위한 볼트공을 둔다.

상기 불소수지(71, 72) 위에 스테인레스 강판(5)을 얹고 스테인레스 강판(5)위에 상판(2)을 얹는다. 이 때 스테인레스 강판(5)은 불소수지의 마모를 방지하고 미끄러짐이 원활히 발생할 수 있도록 평탄도 및 평활도가 우수한 것을 사용하며 상판(2)과 일체가 되도록 한다. 그리고 스테인레스 강판(5)은 교축방향에 대하여 지진시 발생할 변위뿐만 아니라 상판의 온도에 의한 신축팽창 및 크리프와 건조수축 등에 의해 발생할 변위 이상의 미끄러짐이 발생할 수 있도록 여유폭을 두며 교축직각 방향에 대해서 지진시 발생할 변위 이상의 미끄러짐이 발생할 수 있도록 여유폭을 둔다. 상부구조물과의 체결을 위하여 상판(2) 가장자리에 체결공(10)을 두며 상판의 교축방향 측면에 측면키 유도를 위한 2단의 유도궤도를 두며 유도궤도의 길이는 측면 키가 지진시 발생할 변위 및 상판의 온도에 의한 신축팽창 등에 의해 변위가 발생함에 지장이 없을 정도로 확보되어야 한다.

ㄱ자 형태의 측면 키(12)를 포트(1) 양편에 볼트(13)로 각각 체결한다. 이때 측면 키(12)는 불소수지(71, 72)와 스테인레스 강판(5)의 미끄러짐 발생에 지장을 주지 않도록 닿지 않아야 하며, 교축 직각방향으로의 측면 키(12)와 상판(2)의 간격은 지진시 발생변위 이상이어야 한다. 그리고 한쪽 측면 키(12)의 중앙 상단에 눈금판(11)을 부착하고 눈금판이 부착된 면의 상판(2)에 지침 바늘(10)을 설치하여 이동 변위를 측정할 수 있도록 한다.

상기 교량용 마찰감쇠형 포트받침은 수직하중 지지능력이 우수하고 마찰계수가 크지 않으므로 상시에 교량의 가동받침으로 사용될 수 있을 뿐만 아니라 지진시 교량의 마찰감쇠기로서 효과적인 성능을 발휘한다.

이상 설명한 바를 종합하면 본 발명은 포트에 고무판과 피스톤을 설치하여 완충 및 회전자유도를 제공한다. 그리고 피스톤 위에 윤활유 저장홈과 윤활유를 첨가한 불소수지와 윤활유를 사용하지 않은 순수한 불소수지를 조합 배치함으로써 상시에는 교량의 가동받침으로 작용할 뿐만 아니라 지진발생시 효과적인 마찰감쇠 성능을 발휘하도록 하였다. 본 발명은 타 지진격리장치에 비하여 상부하중 지지능력이 월등하므로 자중이 큰 구조물에도 적용 가능하여 상부하중 지지능력에 한계를 지니고 있는 기존의 지진격리장치의 단점을 보완해 준다. 그리고 교량 뿐만이 아니라 일반 구조물에 적용 가능하기 때문에 광범위한 구조물에 지진격리시스템을 적용할 수 있도록 하며, 효과적인 감쇠성능으로 인하여 지진시 구조물 뿐만 아니라 인명보호를 통해 사회적, 경제적 손실방지라는 측면에서 잠재적 가치가 매우 크다.

교량에 사용할 경우, 기존 포트받침과 가격면에서 큰 차이가 없으므로 별도의 추가비용 없이 내진성능을 확보할 수 있고 탈락방지용 측면 키가 장착되어 있으므로 내진성능 향상 이외에 추가적인 교량의 안전성 향상을 도모할 수 있다.

Claims (3)

1. 포트(1)의 상면 내부공간에 고무판(4)을 안장하고 고무판(4)의 상면 가장자리에 봉함링(6)을 얹고 그 위에 피스톤(3)을 안장하고, 피스톤(3)의 상면에 윤활유 저장홈이 있는 원형의 불소수지(71)와 윤활유 저장홈이 없는 평평한 환형의 불소수지(72)를 구속되게 안장하여 상판(2) 저면에 설치된 스테인레스 강판(5)과 미끄러짐에 의하여 마찰감쇠가 발생하는 구조물의 마찰감쇠형 포트받침.
2. 제 1항에 있어서, 윤활유 저장홈이 있는 불소수지(71)에 윤활유를 주입하고 윤활유 저장홈이 없는 평평한 불소수지(72)에는 윤활유를 사용하지 않음으로써 지역별 지진강도에 적절한 평균마찰계수로 인해 구조물의 지진격리효과를 증대시키는 마찰감쇠형 포트받침.
3. 제 1항에 있어서, 교량용의 경우에는 포트(1)의 교축방향에 대한 양측면에 측면 키(12)를 설치하여 교량의 교축직각방향에 대한 과도한 변위 발생시 상판의 탈락을 방지하는 교량의 마찰감쇠형 포트받침.