KR20010085005A - 면진장치에 공명현상을 방지하기 위하여 사용되는수직하중지지부틸고무 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 건물, 교량, LNG 저장탱크등의 구조물에 설치되어 지진발생시 발생할 수 있는 구조물의 파손 및 붕괴로부터 안전하게 구조물, 장치 및 인명등을 보호하도록 구조물의 하부구조물과 상부구조물사이에 설치되는 면진장치 또는 지진격리장치에 관한것으로 지진시 구조물에 전달되는 수직진동하중으로 인한 구조물의 고유주파수와 지진시 구조물로 유입되는 지진기진력진동수가 일치되거나 근사한 값을 가질 경우 구조물에서 발생되는 공명현상으로 인한 구조물의 파손을 막기 위하여 일반적인 포트베어링받침 또는 면진고무등의 면진장치에 수직하중을 지지하는 부위에 천연고무를 사용하지 않고 감쇠성능이 높은 부틸고무를 사용하여 지진등의 외력에 의한 진동수의 공명현상을 억제하여 교량에서 발생될 수 있는 동하중으로 인한 파손으로부터 구조물을 안전하게 보호하도록 하는 수직하중지지 부틸고무에 관한것으로 지진이나 구조물에 영향을 미치는 동하중으로 부터 획기적으로 구조물을 보호한다.

Description

면진장치에 공명현상을 방지하기 위하여 사용되는 수직하중지지 부틸고무{Vertical load supporting butyl rubber, which is used for the prevention of resonance of isolator}
본 발명은 지진시 지반에서 건물로 전달되는 지진하중으로 부터 발생되는 수직공명현상으로 인한 건물의 파손을 최소화하기 위하여 사용되는 면진장치에 있어서 구조물의 수직하중 지지체를 감쇠성능이 우수한 부틸고무를 사용하여 구조물에 발생될 수 있는 파손 및 붕괴현상을 줄여 주는 것이다.
지구 곳곳에는 많은 지진이 발생하여 인명 및 구조물을 파손하여 인명 및 재산상의 피해가 극심하며 또한 최근에는 페루 남부와 볼리비아, 칠레 북부지역에서 2001년 6월23일 오후(현지시간) 진도 6∼7.9 규모의 강진이 발생, 최소한 70여명이 사망하고 수백명이 부상하는 한편 집과 교회 등 건물 수백채가 붕괴하는 등의 많은피해를 인류에게 주고 있다.
그래서 토목구조인들은 구조물에서 발생되는 풍하중, 지진하중, 활하중, 파랑하중에 대하여 구조물의 안전성을 확보하기 위하여 다양한 형태의 진동제어기법을 개발하여 왔다.
특히 면진장치는 구조물에 전달되는 지진의 파괴적인 에너지를 감소시키는 것으로 유연한 횡강성과 에너지 소산능력을 공통적으로 가지도록 설계하고 있느냐 수직하중에 대하여서는 단순히 지지기능만 부여하고 있다.
예를들어 면진장치로 많이 사용되고 있는 면진고무 중 고감쇠면진고무, 납삽입면진고무의 경우 천연고무를 사용하여, 설계의 기본 방향이 횡방향, 구조물에 전달되는 지진의 전단력을 위주로 설계하며 그러한 결과로 단순히 보강철판의 수량을 이용한 형상계수로만 수직하중 지지기능을 부여하여 설계하고 있으며, 포트받침으로 구성된 면진장치를 보면 포트내부에 장착되어 있는 고무덩어리 역시 천연고무로 제작하여 만들어지며, 포트받침 또한 천연고무로 제작하고 있다.
현재 많은 면진장치중 고무를 사용하는 장치들의 고무구성물은 거의 천연고무나 클로로프렌고무로 구성이 되어 수직에 대한 기능으로는 단순히 지지기능만을 부여하고 있어, 구조물에서 발생되는 동하중이나 지진발생시 지반으로 부터 전달되는 수직진동으로 부터 구조물이 진동을 흡수하지 못하고 특히 천연고무의 경우 다른 고무보다 탄성력이 높아, 지진주파수나 기타 다른 기진력주파수와 구조물의 고유 주파수의 비가 1에 접근할때 도 1에서 처럼 공명현상이 발생하여 구조물이 전복될 확률이 매우 높다.
천연고무의 감쇠계수가 보통 0.08정도이나 이는 천연고무를 배합함에 따라서 0.3~0.15까지 조정이 가능하지만 도 1에서 보듯이 감쇠계수가 0.15이하인 경우 공명현상으로 구조물의 흔들림 및 진동 주기가 과다하게 증폭되므로 구조물의 고유주기와 지반이나 다른 외부로 부터 유입되는 기진에너지, 즉 지진, 발파에너지, 및 차량운행시 발생되는 동하중, 그리고 풍하중등의 외력으로 구조물이 붕괴 또는 파손이 될수 있으며, 특히 차량이 교량을 통과시 그러한 현상이 발생할 경우 승객들은 사고의 위험에 대한 불안감을 느낄수 있다.
미국등 외국에서 설치된 교량을 보면 구조물의 주기와 외부로 부터 유입되는 기진주파수와 동일한 영역에 들어서서 교량이 전복되거나 파손되는 경우가 많이 발생하였으며, 특히 아직 검토중이지만 최근 국내에서 붕괴되거나 전복된 교량중에 일부는 천연고무로 수직하중을 지지하는 포토받침등을 사용한 교량등이 있는것을 보면 단순히 수직지지능력만으로 구조물의 하부에 절연체로 사용하는것은 매우 위험한 일이며 그로 인하여 사고 발생시 많은 인적, 물적 피해가 발생된다.
이것은 공진상태에 있는 조화진동자의 경우로 외부로 유입되는 기진력과 구조물의 응답에 대하여 해석해 보면 속도항을 0으로 가정하고 기진력과 그에 대한 응답에 대하여 복소수벡터를 사용할 필요가 없으므로 운동방정식에서 구해진 식 1은 2식으로 축소할 수 있으며 2 식을 다시 치환에 의하여 3식과 같이 쉽게 증명할 수가 있으며 이식은 시간에 비례하여 응답 진폭이 증가함을 보여주는데 이것은 시간이 흐름에 따라 응답이 점진적으로 거칠게 동요되지만 실제 상황에서는 어떤 특정한 시간에서 선형계에 암시적으로 쓰여지는 미소운동의 가정이 무너지기 때문에구조물의 응답변위가 무한대로 증가 할수는 없으나 매우 크게 증폭됨을 알수 있으며 외부로 부터 유입되는 기진력이 코사인(cosine)함수이고 응답은 사인(sine)함수이기 때문에 도 2처럼 결론 내릴 수 있으며 외부로 부터 유입되는 기진력과 구조물의 응답사이에는 90도의 위상차가 있으며 또한 식 3으로 주어진 구조물의 응답변형은 도 2처럼 시간의 함수로 나타나는 것처럼 점성감쇠계수가 0에 수렴할수록 응답은 계속하여 증폭된다
여기서
이다.
종래의 면진장치는 지반과 구조물사이에 설치되어 지반이나 외부로부터 구조물로 유입되는 진동에너지를 횡방향으로 변형을 하면서 충격에너지를 흡수하였으나 실질적으로 수직하중에 대해서는 지지기능만 부여하여 수직으로 전달되는 하중의주파수에 대한 진동에 대해서는 원할히 흡수하거나 감쇠하는 기능을 천연고무나 클로프렌 고무를 사용하므로써 상기에 기술된 바와 같이 면진장치에 수직하중지지기능으로 사용되는 천연고무 및 클로프렌의 특성상 공명현상으로 인하여 구조물의 흔들림, 위험성등을 항상 내포하고 있다.
중량이 M인 1차 자유도계의 구조물이 면진장치에 의해 지지될 경우 그림 3에서 처럼 면진장치는 스프링계수와 감쇠계수로 묘사되며, 기진력을 받지 않은 상태의 구조물의 1식을 아래와 같이 표현할수 있다.
유동분산힘 f0가 구조물의 질량에 적용되어지며 면진장치를 통하여 지지구조체인 구조물로 전이된 힘은 F1은 4식으로 표현할수 있으며 역학적인 진동은 힘이 가해진 상태에서 기진주파수에서 기진력의 최대값에 전이된 힘의 최대비를 얻기 위해 벡터를 회전시킴으로써 미분 방정식으로 풀 수 있으며 이러한 두 가지 힘사이의 비를 전달율이라 하며 이러한 전달역학에서는 고무로 구성된 면진장치가 매우 적합하며, 그것은 고무의 경우 동적거동원리가 주파수와 진폭에 따라 변하기 때문이다.
여기서
이다.
그러므로 공명에서의 고무의 감쇠기능은 최대전달율을 제한하며 감쇄계수의 일반적인 값은 경도(Shore A) 50인 고무들의 특성은 배합마다 약간의 차이가 있지만 시험치에서 볼때 표 1에서 처럼 보여진다.
표 1
물질 감쇠계수 최대 전달율
이상적인 스프링 0.00 무한대
천연고무 0.08 12
SBR 0.15 6.7
부틸고무 0.30 4.3
표 1에서 나타난 바와 같이 부틸고무는 일반적으로 천연고무보다 3.5배 정도의 감쇠성능을 가지고 있으며 이것은 배합하기에 따라 모래가 가지는 감쇠기능을 가질수있을 정도로 높일 수 있음을 의미하며 시험 결과 0.5이상의 감쇠성능을 부틸고무배합에 부여하는데 아무런 문제가 없는 것으로 판명되었다.
그러므로 이러한 감쇠 성능을 식 5에 대입하면 주파수응답크기()와 감쇠계수간()의 비를 알 수 있는데 이는 식 5로 표현되면 식5를 그래프로 표현하면 도 1과 같은 그래프를 볼 수 있다.
------ 5 식
5 식에서 의미하듯이 현재 교량용 및 건물용으로 사용되는 면진장치중에 포트받침이나 면진고무 또는 포트받침을 이용한 2차적인 면진창치에 수직하중 지지용으로 사용되는 천연고무의 경우 감쇠계수가 낮아 구조물의 고유주파수와 외부로 부터 유입되는 기진주파수가 비슷해질 경우 매우 크게 증폭되어 구조물의 파손 및 붕괴를 초례할 수 있다는 것을 예상할 수 있으며 또한 외부로 부터 구조물에 유입되는 에너지의 전달율이 매우 높아 짐을 알수 있다.
그러므로 현재 교량용 및 건물용으로 사용되는 면진장치중에 포트받침이나 면진고무 또는 포트받침을 이용한 2차적인 면진장치에 수직하중 지지용으로 사용되는 수직하중 지지체인 천연고무의 감쇠성능 때문에 기진주파수와 구조물의 주파수가 일치하거나 비슷해질 경우 구조물이 붕괴 및 파손될 수 있는 단점이 있다.
본 발명은 지반과 구조물 사이에 연결 지지체로 장착되어 외부충격하중이나 지진시 발생하는 파손에너지가 구조물로 전달되는것을 차단하고, 구조물에 유입되는 진동에너지를 흡수하여 감쇠하는 목적으로 사용되는 면진장치에 있어서 구성된 포트받침이나 면진장치 및 포트받침과 면진장치를 이용한 2차적인 구성물에 수직하중지지역활을 하는 스프링을 천연고무로 제작함에 따라, 천연고무 특성상 낮은 감쇠계수에 있어서 발생될 수 있는 외부기진력과 구조물의 고유주파수가 근사값을 가지므로서 발생하는 공명현상으로 구조물에 유입되는 충격에너지의 증폭으로 파손되는 것을 감쇠성능이 높은 부틸고무를 사용하므로서 구조물을 외부의 기진주파수에 의해 구조물이 상하진동의 증폭을 차단하며, 높은 감쇄성능으로 외부에서 유입되는 에너지를 구조물에 최소화하여 전달함으로써 구조물을 어떤 주파수대역에서도 보호하는 면진장치를 제공함에 있다.
도 1은 감쇠계수에 따른 기진주파수와 구조물의 고유주파수에 대한 구조물의 응답그래프
도 2는 시간에 따른 구조물의 응답 증폭 그래프
본 발명은 상부구조물과 하부구조물사이에 설치되어 구조물 외부로 부터 유입되는 충격하중 및 진동을 흡수하여 구조물을 보호하기 위해 설치하는 면진장치에있어서 포트받침, 면진고무, 포트받침 및 면진고무를 이용한 2차적인 창작 면진장치에 수직하중지지용으로 사용되는 부분을 부틸고무를 사용하여 설치함으로서, 부틸고무의 높은 감쇠특성으로 외부에서 구조물로 유입되는 수직하중 기진력 및 수직 주파수에 대한 에너지의 전이가 구조물로 이동되는 것을 방지하여 구조물에 발생될 수 있는 공명현상과 기진력에 대한 응답의 증폭을 방지함으로서 구조물을 안전하게 보호하는 것을 특징으로 한다.
첫째 본 발명은 포트받침의 포트 내부에 수직하중지지용으로 사용되는 스프링적 역활을 하는 지지체에 부틸 고무를 사용하여 제작된 원판형 또는 사각형 가황된 부틸고무 덩어리를 포트받침 실린더 내부에 장착하여 그 위에 불소수지로 구성된 마찰판을 상부에 장착하여 구성된 포트받침.
둘째 면진고무의 내부에 중공 홀 부위보다 높게 또는 동일한 높이로 제작한 부틸고무 원통을 면진고무 내부에 삽입하여 공명현상을 방지하는 면진장치의 구성
셋째 적층고무와 보강철판으로 구성된 면진고무나 탄성받침에 사용되는 적층고무를 부틸고무로 제작한 구성
넷째 첫째, 둘째, 셋째 항을 사용하여 다른 부가적인 장치로 구성된 면진장치
본 발명의 이론은 아래와 같다.
진동이나 외부에너지에 대한 구조물의 응답의 크기와 위상각이 기진력진동수에 따라 어떻게 변하는지 관찰함으로서 시스템의 행동형태를 분석할수 있으며 도 1에서는 여러 가지 감쇠값에 대하여 구조물의 고유진동수와 기진 주파수에 비에 대한 구조물의 응답 변화를 보여 주고 있으며 1도에서 보듯이 감쇠는 진폭을 감소시키고 최고점이 구조물의 고유진동수와 기진주파수에 비의 수직선상의 좌측으로 이동하는 경향을 나타내며 최고점을 찾기 위하여 대수방법을 사용하여 최고점이 일어나는 공식은 6식으로 알수 있으며 이것은 응답의 최고점이 구조물의 고유진동수에서 일어나는것이 아니고 감쇠의 양에 좌우되어 기진주파수/구조물의 고유진동수가 1보다 작을때 일어나며 정확하게는 감쇠계수가 1/보다 클 때에는 구조물의 응답 최고점이 없고 감쇠계수가 0일때 구조물의 고유진동수와 기진주파수에 비가 1인 지점에서 불연속이며 외부로 부터 유입되는 기진주파수가 구조물의 고뮤진동수에 접근함에 따라 조화진동자의 응답은 무한대로 증하가는 경향을 보이며 그런 경우 구조물은 격렬한 수직진동으로 공진상태에 이르른다.
여기서
는 외부로부터 유입되는 기진진동수
은 구조물의 고유진동수 이다
상기 내용에서부터 구조물에 전달되는 하중에 대한 구조물의 응답을 작게하고 공명현상을 방지하여 구조물에 설치된 면진장치가 그 기능을 원할히 수행하기 위해서는 도 1에서 처럼 감쇠계수가 0.25보다 높은 부틸고무를 면진장치의 수직하중지지체로 사용하여 수직하중지지기능뿐만 아니라 수직충격하중에 대한 감쇠기능,공명현상방지기능을 부가 하는 것을 특징으로 한다.
이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이 지진 및 외부로부터 발생하는 충격하중으로 부터 구조물을 안전하게 보호하기 위한 면진장치에 있어서 수직하중지지부틸고무를 포트받침이나 면진고무 및 포트받침과 면진고무를 사용한 2차 면진장치에 있어서 그 성능은 기존 천연고무를 사용한 것과는 확연하게 차이가 나며 우수한 성능을 아래와 같이 보인다.
첫째 어떤 주파수대역을 가진 기진력에서도 구조물에 공명현상이 발생되지 않게 하여 외부로부터 구조물로 유입되는 충격에너지를 원활히 흡수하여 구조물을 보호한다.
둘째 구조물로 유입되는 외부기진력을 구조물에 전달하지 않고 높은 감쇠성능으로 충격에너지를 흡수하여 구조물을 보호한다.
셋째 기존 면진장치의 낮은 감쇠 성능으로 인하여 교좌부 및 구조물의 받침 연결부의 파손이 발생하는 것을 높은 감쇠성능으로 흡수하여 구조물이 안전하게 유지시킨다.
넷째 구조물에 충격에너지 전달시 구조물에 입력되는 충격에너지를 최소화 하여 구조물내부의 장치 및 인명을 보호하여 충격시 발생하는 사고를 방지한다.
다섯째 구조물을 외부의 충격에서 부틸고무의 감쇠성능으로 보호하므로 구조물의 수명을 연장한다.

Claims (5)

  1. 하부구조물이나 지반과 상부구조물 사이에 설치되어 외부로부터 유입되는 충격하중을 흡수하는 면진장치에 있어서,
    수직하중지지 및 상하충격에너지 감쇠용으로 사용되는 것을 특징으로 하는 부틸고무.
  2. 제 1항에 있어서 수직하중지지체로 포트받침 실린더 내부의 사용되는 부틸고무를 장착한 포트받침
  3. 제 1항에 있어서 면진고무의 적층고무 및 수직하중 지지체로 사용되는 부틸고무로 구성된 면진고무
  4. 제 1항에 있어서 면진고무 및 포트받침을 이용한 면진장치에 사용되는 부틸고무
  5. 제 1항에 있어서 면진고무 내부의 중공부위에 원통형으로 삽입되어 수직하중 지지체 역활을 수행하는 부틸고무
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