KR20020012787A - 구조물의 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치 - Google Patents

구조물의 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치 Download PDF

Info

Publication number
KR20020012787A
KR20020012787A KR1020000045981A KR20000045981A KR20020012787A KR 20020012787 A KR20020012787 A KR 20020012787A KR 1020000045981 A KR1020000045981 A KR 1020000045981A KR 20000045981 A KR20000045981 A KR 20000045981A KR 20020012787 A KR20020012787 A KR 20020012787A
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
mass
additional mass
main structure
tuning
displacement
Prior art date
Application number
KR1020000045981A
Other languages
English (en)
Other versions
KR100335072B1 (ko
Inventor
장승필
유홍
Original Assignee
장승필
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 장승필 filed Critical 장승필
Priority to KR1020000045981A priority Critical patent/KR100335072B1/ko
Publication of KR20020012787A publication Critical patent/KR20020012787A/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR100335072B1 publication Critical patent/KR100335072B1/ko

Links

Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/02—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems
    • F16F15/022—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using dampers and springs in combination
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F15/00—Suppression of vibrations in systems; Means or arrangements for avoiding or reducing out-of-balance forces, e.g. due to motion
    • F16F15/02—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems
    • F16F15/04—Suppression of vibrations of non-rotating, e.g. reciprocating systems; Suppression of vibrations of rotating systems by use of members not moving with the rotating systems using elastic means
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F7/00—Vibration-dampers; Shock-absorbers
    • F16F7/10—Vibration-dampers; Shock-absorbers using inertia effect
    • F16F7/1005—Vibration-dampers; Shock-absorbers using inertia effect characterised by active control of the mass
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F7/00—Vibration-dampers; Shock-absorbers
    • F16F7/10—Vibration-dampers; Shock-absorbers using inertia effect
    • F16F7/104—Vibration-dampers; Shock-absorbers using inertia effect the inertia member being resiliently mounted
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F16—ENGINEERING ELEMENTS AND UNITS; GENERAL MEASURES FOR PRODUCING AND MAINTAINING EFFECTIVE FUNCTIONING OF MACHINES OR INSTALLATIONS; THERMAL INSULATION IN GENERAL
    • F16F—SPRINGS; SHOCK-ABSORBERS; MEANS FOR DAMPING VIBRATION
    • F16F2230/00—Purpose; Design features
    • F16F2230/08—Sensor arrangement

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Acoustics & Sound (AREA)
  • Aviation & Aerospace Engineering (AREA)
  • Vibration Prevention Devices (AREA)
  • Buildings Adapted To Withstand Abnormal External Influences (AREA)

Abstract

본 발명은 구조물에 설치되어 주구조물의 진동을 줄여주는 능동형 질량동조감쇠장치에 관한 것으로서, 종래의 능동형 질량동조감쇠장치처럼 부가질량체를 소정의 제한된 진폭 범위 내에서만 변위하도록 제한하면서도, 종래의 능동형 질량동조감쇠장치와는 달리 이러한 제한된 진폭 변위로 인하여 주구조물의 변위가 크게 증가하는 것을 방지할 수 있는 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치에 관한 것이다.
본 발명의 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치에서는 부가질량체의 변위 방향에 스토퍼와 변위 잠금수단을 설치하여, 부가질량체의 변위가 소정 범위를 벗어나더라도, 부가질량체와 스토퍼와의 충돌력을 유효한 구조 제어력으로 전환하는 스토퍼의 작용과, 부가질량체와 주구조물간의 적절한 위상차를 유지할 수 있게 하는 변위 잠금수단의 작용에 의하여, 기존 능동형 질량동조감쇠장치에서처럼 부가질량체와 양쪽 측벽과의 충돌을 피하기 위해 부가질량체의 운동을 소정 범위로 제한할 필요가 없으며 그에 따라 질량동조감쇠장치의 진동억제효과를 상대적으로 크게 증대시킬 수 있게 된다.

Description

구조물의 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치{Restrained Stroke Active Tuned Mass Damper Device in Structures}
본 발명은 구조물의 능동형 질량동조감쇠장치에 관한 것으로서, 더 구체적으로는 구조물에 설치되어 주구조물의 진동을 제어하는 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치에 관한 것이다.
최근 토목 및 건축 구조물은 과거의 구조물에 비하여 상대적으로 더 유연하고 가벼운 장대구조로 건설되고 있다. 장대구조 형태로 건설된 구조물은 과거의 구조물에 비하여 구조물의 자중과 강도를 이용한 진동억제 능력이 저하된다. 따라서, 이러한 장대구조 형태로 건설된 토목 및 건축 구조물들은 지진 등과 같은 외부의 진동하중에 대하여 취약하며, 구조물의 진동으로 인하여 안정성, 사용성, 피로등의 구조적인 특성에 문제가 쉽게 발생하게 된다. 토목 및 건축 구조물 뿐만 아니라, 기계, 항공 등 기타 구조분야에 있어서도 위와 같은 진동문제가 상존하고 있다.
구조물에 가해지는 진동에 대한 제어방법으로서 종래에는 구조물에 감쇠기나 보강재를 추가하여 진동에 대한 구조물의 동적 특성을 향상시키는 수동제어기술, 외부의 진동하중에 상충되는 제어력을 구조물에 적극적으로 가하여 구조물의 진동감쇠성능을 향상시키는 능동제어기술, 공급되는 외부동력을 제어장치의 동역학적 특성(강성, 감쇠 등) 변화에만 투입하기 때문에 필요한 에너지 크기가 극히 적은 반능동제어기술 및 상기한 방식을 혼합한 혼합제어기술이 사용되었다.
그 중 수동제어기술 중의 한 수단으로서, 진동흡수장치라고도 불리는 질량동조감쇠장치(質量同調減衰裝置; Tuned Mass Damper)가 사용된다. 일반적으로 질량동조감쇠장치는 교량 또는 주탑과 같은 주구조물 질량의 약 1%에 해당하는 질량을 가진 부가질량체, 스프링부재 및 감쇠기로 구성되며, 부가질량체를 스프링 부재 및 감쇠기와 함께 주구조물에 장착하여 구조물의 진동감쇠능력을 향상시키게 된다.
능동제어기술 중의 한 수단인 일반적인 능동형 질량동조감쇠장치는 상기의 수동형 질량동조감쇠장치에 가진기를 추가하여 질량동조감쇠장치의 작용력을 크게 하고 하중입력시의 반응속도를 빠르게 함으로써 진동감쇠능력을 대폭 향상시킨 것이다.
도 7을 참조하여 종래의 능동형 질량동조감쇠장치의 작동원리를 살펴본다. 도 7은 종래의 능동형 질량동조감쇠장치가 장착된 구조물 시스템을 간략하게 모델링하여 도시한 것이다. 지반에 건설되어 있는 토목 및 건축구조물 또는 기계장치와 같은 주구조물을 질량 탄성체로 보아 이를 모델링하여 개념적으로 도시하면, 소정 질량(m1)을 가진 주구조물 질량체(100), 그리고 소정 탄성계수(k1)를 가진 탄성스프링(101)과 소정 감쇠계수(c1)를 가진 감쇠기(102)로 도시할 수 있다.
질량동조감쇠장치(200)는 주구조물에 장착되는데, 소정 질량의 부가질량체(201), 스프링부재(202) 및 감쇠기(203)로 구성되며, 각각의 구성부재(스프링부재, 감쇠기, 부가질량체) 자체 및 이들의 구체적인 기계적 결합관계는 공지되어 있다. 이러한 질량동조감쇠장치(200) 역시 모델링하여 개념적으로 도시하면, 도면에 도시된 바와 같이, 소정 질량(m2)의 부가질량체(201)가 스프링부재(202) 및 감쇠기(203)에 의하여 주구조물 질량체(100)에 장착되는 것으로 도시할 수 있다. 도 7에서 x와 y는 각각 주구조물 질량체(100)와 부가질량체(201)의 변위 방향을 나타낸다.
지진하중과 같은 진동하중이 주구조물에 가해지게 되면 주구조물 질량체(100)는 x방향으로 움직여 진동하게 된다. 그에 따라 부가질량체(201) 역시 y방향으로 진동하게 되는데, 주구조물 질량체(100)의 변위와 부가질량체(201)의 변위 사이에 소정의 위상차(구체적으로는 90°)가 발생하게 되면, 부가질량체(201)에 의하여 반력이 작용하므로써 주구조물 질량체(100)의 변위가 억제되어 진동을 감소시키게 된다. 질량동조감쇠장치는 이러한 원리에 의하여 주구조물 질량체(100) 즉, 주구조물의 진동을 제어하게 되는 것이다.
이러한 종래의 수동형 질량동조감쇠장치는 정현하중에 의하여 구조물에 가해지는 진동을 제어하기에는 효과적이나, 외부의 교란하중이 구조물에 불규칙하게 가해져서 발생하는 랜덤응답을 제거할 때는 비교적 효용성이 저하된다.
종래의 수동형 질량동조감쇠장치에 있어서, 질량동조감쇠장치에 구비된 스프링부재에 발생하는 반력이 구조물의 진동을 줄이는데 주된 역할을 담당하는데, 질량동조감쇠장치가 최대 진동제어성능을 발휘하기 위해서는 질량동조감쇠장치의 스프링부재가 변형되어 충분한 반력을 발생하기 위한 소정의 시간지연이 필요하다.
최근에 개발된 능동형 질량동조감쇠장치에서는 종래의 질량동조감쇠장치의 스프링부재와 감쇠기에 더하여 가진기(actuator)(204)를 더 부착하는 시도가 있었다.
이와 같이 가진기(204)를 질량동조감쇠장치에 부착하게 되면, 진동하중 작용시 질량동조감쇠장치의 진폭과 스프링부재에 작용하는 반력은 상대적으로 크고 빠르게 늘어난다. 따라서, 이러한 능동형 질량동조감쇠장치에 의하면, 비교적 제한된 가진력만으로도 구조물의 진동응답을 효율적으로 줄일 수 있게 된다.
일반적으로 능동형 질량동조감쇠장치의 진동이 커질수록 주구조물의 진동에너지를 빨리 분산시켜 주구조물의 진동을 줄여주므로, 같은 크기의 외부하중이 주어진다고 가정할 때, 능동형 질량동조감쇠장치의 진폭과 주구조물의 진폭은 대체적으로 반비례 관계가 있다고 볼 수 있다.
그러나, 상기한 종래의 능동형 질량동조감쇠장치에서는 부가질량체의 변위에 대한 제한과 가진력의 크기에 대한 제한이 존재한다. 즉, 능동형 질량동조감쇠장치는 일반적으로 주구조물의 소정 위치에 설치되는데, 그 설치 위치가 특정한 위치로 제한되므로 부가질량체의 변위를 임의로 크게 할 수 없으며 소정의 물리적 한계 범위 내로 제한할 수밖에 없다. 이러한 제한으로 인하여, 종래의 능동형 질량동조감쇠장치는 외부하중이 커질 때에도 주구조물과의 충돌을 피하기 위해 필요한 진폭을 충분히 사용하지 못하므로 제어 성능 약화의 요인으로 작용한다. 그리고 그 결과로 제어에 필요한 진폭이 커지는 강진의 범위에서는 진동제어효과가 떨어지는 문제점이 있었다.
가진력의 크기를 충분히 증가시키는 것은 가진기 자체의 기계적인 개선 및 제어 알고리즘의 개선을 통하여 달성할 수 있다. 그러나, 능동형 질량동조감쇠장치가 설치되는 토목 또는 건축 구조물에서 능동형 질량동조감쇠장치의 변위를 허용할 수 있는 이동공간이 충분하지 않기 때문에 이러한 변위에 대한 물리적 제한이 존재하게 되는 것이므로, 설치공간 협소로 인한 변위의 제한이라는 종래의 능동형 질량동조감쇠장치가 가지는 물리적인 한계로 인한 제어성능의 저하를 극복하기 위해서는 새로운 구성의 능동형 질량동조감쇠장치의 개발이 절실히 요구된다.
본 발명은 위와 같은 종래의 능동형 질량동조감쇠장치가 가지는 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 부가질량체의 이동 변위에 대한 제한을 대폭 줄인 새로운 형태의 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
구체적으로는, 종래의 능동형 질량동조감쇠장치 처럼 부가질량체가 소정의 제한된 운동범위 내에서만 변위하도록 하면서도, 종래의 능동형 질량동조감쇠장치와는 달리 이러한 제한된 변위로 인하여 제어성능이 크게 저하되는 것을 방지할 수 있는 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
도 1은 본 발명에 따른 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치의 일실시예를 모델링하여 개념적으로 도시한 개략도이고,
도 2는 본 발명에 따른 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치의 또다른 실시예를 모델링하여 개념적으로 도시한 개략도이고,
도 3a 내지 도 3e는 능동형 질량동조감쇠장치가 설치된 주구조물에서 일정한 진동 발생시에 주구조물 질량체와 능동형 질량동조감쇠장치의 부가질량체에서 진동에너지 감쇠가 제일 큰 90°위상차를 유지하는 변위관계를 개략적으로 도시한 것이며,
도 4a 내지 도 4b는 본 발명에 따른 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치에서의 부가질량체와 스토퍼 및 변위 잠금수단간의 작동관계를 설명하기 위한 개략도이고,
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치에서의 부가질량체와 스토퍼 및 변위 잠금수단간의 작동관계를 설명하게 위한 추가적인 개략도이고,
도 6은 본 발명에 따른 능동형 질량동조감쇠장치의 효과를 확인하기 위하여해석을 수행한 해석예로 사용된 교량 주탑의 개략도이고,
도 7은 종래의 능동형 질량동조감쇠장치를 모델링하여 개념적으로 도시한 개략도이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1 주구조물 2 주구조물 질량체
10 능동형 질량동조감쇠장치 11 부가질량체
12 스프링부재 13 감쇠기
14 가진기 20 스토퍼
30 변위 잠금수단
본 발명에서는 위와 같은 목적을 달성하기 위하여, 주구조물에 장착되어 주구조물과 소정 위상차를 가지고 진동하여 주구조물의 진동을 제어하는 능동형 질량동조감쇠장치로서, 소정의 탄성계수(k2)를 가진 스프링부재와, 소정의 감쇠계수(c2)를 가진 감쇠기와, 상기 스프링부재 및 감쇠기에 의하여 주구조물에 장착되는 소정 질량(m2)의 부가질량체와, 선형의 소정 탄성계수(k2,add)를 가지는 탄성부재와, 가진기로 구성되며 상기 부가질량체의 변위 방향의 양측에 설치되어 부가질량체가 충돌할 때 압축되어 부가질량체의 운동을 정지시킨 후 소정 시간 경과 후 다시 부가질량체에 작용력을 가하는 스토퍼와, 상기 부가질량체가 스토퍼에 의하여 운동이 정지되는 순간을 검지하는 위치센서와, 상기 부가질량체와 주구조물 간에 소정의 위상차를 유지하도록 상기 위치센서에서 부가질량체의 운동이 정지되는 순간을 검지하게 되면 부가질량체의 운동을 소정 시간동안 정지시켰다가 해제하는 변위 잠금수단을 구비하는 것을 특징으로 하는 토목 및 건축구조물의 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치가 제공된다.
또한, 본 발명에 따른 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치의 일 실시예로서, 상기 스토퍼는 부가질량체와 맞닿게 되는 접촉판과 소정 탄성계수를 가지는 스프링부재로 구성될 수 있다.
이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 구성을 설명한다.
본 발명에 따른 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치에는 부가질량체, 감쇠기, 스프링부재 및 가진기(actuator)가 구비되어 있다. 상기 부가질량체는 주구조물의 질량(m1)에 대하여 소정 퍼센트의 질량(m2)을 가지고 있으며, 상기 주구조물에 설치된다. 상기 감쇠기, 스프링부재 및 가진기는 주구조물과 부가질량체 사이에 설치된다. 상기 가진기의 일종으로는 전기 모터가 사용될 수 있다.
도 1 및 도 2에는 본 발명에 따른 질량동조감쇠장치(10)가 모델링되어 개념도로서 도시되어 있는데, 도 1에서 주구조물(1)이 주구조물 질량체(2)와, 소정 탄성계수(k1)를 가진 탄성스프링(3)과 소정 감쇠계수(c1)를 가진 감쇠기(4)로 모델링되어 개념적으로 도시되어 있다.
질량동조감쇠장치(10) 역시 소정 질량(m2)의 부가질량체(11), 소정 탄성계수(k2)를 가진 스프링부재(12)와 소정 감쇠계수(c2)를 가진 감쇠기(13) 및 가진기(14)로 모델링되어 개념적으로 도시되어 있다.
일반적으로 질량동조감쇠장치는 주구조물의 소정 위치에 형성된 격실 내에 설치된다. 설명을 위하여 도 1 및 도 2에서 질량동조감쇠장치(10)는, 주구조물(1)에 형성된 격실(5) 내에 설치되어 있는 것으로 도시하였다. 도 1 및 도 2에서 x와 y는 각각 주구조물 질량체(2)의 변위 방향과 부가질량체(11)의 변위(스트로크) 방향을 나타낸다. 도 1은 주구조물 질량체(2)와 부가질량체(11)가 도면에서 지면(300)에 대하여 좌우방향으로 변위를 하게 되는 형태로 도시한 것이며,도 2는 주구조물 질량체(2)와 부가질량체(11)가 도면에서 지면(300)에 대하여 위아래로 변위 하게 되는 형태로 도시한 것이다.
본 발명의 능동형 질량동조감쇠장치(10)에는, 스토퍼(20) 및 변위 잠금수단(30)이 더 구비된다. 스토퍼(20)는 선형의 소정 탄성계수(k2,add)를 가지는 탄성부재로 구성되며, 질량동조감쇠장치(10)의 부가질량체(11)가 움직이는 방향 즉, 개념상 부가질량체(11)의 변위 방향의 양측에 설치되어, 부가질량체(11)의 변위를 제한하는 기능을 한다.
요컨대, 상기 스토퍼(20)는 일종의 에너지 보관수단으로서 부가질량체(11)의 운동에너지를 위치에너지(탄성에너지)로 변환하여 저장하였다가, 부가질량체(11)가 잠금상태에서 해제될 때 저장되었던 위치에너지를 방출하고, 부가질량체의 양측 격실벽으로의 충돌 및 반발력을 유효한 제어력으로 전환시키는 역할을 한다.
본 발명의 구체적인 실시예에서는, 상기 스토퍼(20)가 도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이, 부가질량체(11)의 변위 방향에 맞추어, 주구조물(1)에 형성되어 있는 격실(5)의 양측 격실벽(6)에 장착되어 있다. 상기 스토퍼(20)는 부가질량체(11)와 직접 접촉하게 되는 접촉판(21)과 탄성을 가진 스프링부재(22)로 구성될 수 있다.
스토퍼(20)의 또다른 실시예로서, 클러치 등의 단속장치를 사용하는 경우, 스토퍼(20)가 반드시 양측벽에 나누어 장착할 필요가 없어지므로 스토퍼(20)는 질량동조감쇠장치의 다른 부속장치와 같이 부가질량체(11)의 중앙부분에 설치될 수있으며, 그에 따라 설치 공간을 절약할 수도 있다.
한편, 변위 잠금수단은 부가질량체의 에너지 방출시기를 조절하여 진동시 구조물과 부가질량체간의 위상차를 조절하는 기능을 한다.
구체적으로, 변위 잠금수단(30)은 주구조물(1)과 부가질량체(11) 간의 위상차가 적정해질 때까지 부가질량체(11)를 잠시 고정시켰다가 다시 풀어주는 기능을 한다. 즉, 상기 변위 잠금수단(30)은, 스프링 스토퍼(20)에 의하여 부가질량체(11)의 운동에너지가 위치에너지로 변환되어 부가질량체(11)의 속도가 0이 되었을 때 부가질량체(11)의 운동을 정지시켰다가 소정 시점(주구조물과 질량동조감쇠장치의 위상차가 90°일 때)에서 다시 부가질량체(11)가 운동할 수 있도록 정지상태를 해제하게 된다. 이를 위하여 본 발명에는 위치센서(도시되지 않음)가 구비된다. 위치센서는 부가질량체(11)의 속도가 0이 되었을 때를 감지하여 상기 변위 잠금수단(30)을 작동시킨다.
변위 잠금수단(30)의 물리적인 구성은 다양한데, 도면에서 도시된 바와 같이 부가질량체(11)와 주구조물(1) 사이에 장착되는 기계장치로서, 일종의 브레이크 장치로 구성될 수 있다.
다음에서는 도 3a 내지 도 3e, 도 4a 내지 도 4d를 참조하여 본 발명의 질량동조감쇠장치의 작동과정을 설명한다.
도 3a 내지 도 3e는 질량동조감쇠장치가 구비된 구조물에 있어서, 외부의 진동하중이 주구조물(1)에 가해졌을 때의 주구조물 질량체(2)와 부가질량체(11)의 이상적인 변위 관계를 간략하게 도시한 것으로서, 도 3a에서는 주구조물 질량체(2)와부가질량체(11)가 원래 위치에 있는 형태이며, 도 3b는 주구조물 질량체(2)가 진동하중에 의하여 도면에서 좌측으로 이동한 상태이다. 주구조물 질량체(2)가 이동하게 되면, 부가질량체(11)는 소정의 시차를 두고 즉, 위상차(도면에 도시된 경우는 90°)를 두고 도 3b의 화살표 방향으로 이동하게 된다.
도 3b에서와 같이 이동되었던 주구조물 질량체(2)가 다시 도 3c에서와 같이 원래 위치로 돌아오게 될 때, 부가질량체(11)는 앞서 도 3b에서의 작용력에 의하여 소정 위치로 변형된 상태에 있게 된다. 주구조물 질량체(2)가 도 3c의 화살표 방향으로 계속 움직이게 되면, 주구조물 질량체(2)는 도 3d에서와 같이 도면에서 우측으로 변위되는데, 이 때 부가질량체(11)는 원래 위치에 있게 되며, 부가질량체(11)에는 다시 작용력이 가해지게 된다. 도 3e는 주구조물 질량체(2)가 다시 원래 위치로 돌아온 형태이다.
이와 같이, 주구조물 질량체(2)와 부가질량체(11)가 소정의 위상차(도 3a 내지 도 3e에서는 90°의 위상차)를 가지고 움직이게 되어 주구조물의 운동방향에 반대되는 작용력을 가해주게 되므로 주구조물 질량체(2)의 진동을 제어하게 된다.
도 4a 및 도 4b에는 본 발명에 따른 능동형 질량동조감쇠장치가 구비된 경우에 있어서, 부가질량체의 변형 형태가 모델링되어 개념적으로 도시되어 있다. 도면에서 능동형 질량동조감쇠장치는 주구조물 질량체(2) 위에 설치되어 있으며, 주구조물 질량체(2)의 변위 형상은 도시하지 아니하고 능동형 질량동조감쇠장치의 변위 형상만을 도시하였다.
주구조물 질량체(2)의 이동에 후속하여 부가질량체(11)에 작용력(F)이 가해지게 되면 도 4a에 도시된 바와 같이 부가질량체(11)가 부가질량체(11)의 변위 방향(y방향)의 일측방향으로(도 4a에서는 도면의 우측으로) 움직이게 된다. 만일, 부가질량체(11)의 변위가 소정 범위 내에 있는 경우 즉, 격실벽(6)에 설치되어 있는 스토퍼(20)에 맞닿지 않는 경우에는, 종래의 질량동조감쇠장치와 같이 거동하게 된다.
만일, 부가질량체(11)의 변위가 소정 범위를 벗어나게 되면, 격실벽(6)에 설치되어 있는 스토퍼(20)에 맞닿게 된다. 스토퍼(20)에 맞닿은 후에도 부가질량체(11)가 계속 움직이게 되면, 도 4b에 도시된 바와 같이, 부가질량체(11)와 맞닿은 스토퍼(20)의 스프링부재(22)가 압축된다. 이 과정에서 부가질량체(11)의 운동에너지는 스토퍼(20)의 탄성위치에너지로 변환되며 부가질량체의 스토퍼로의 충돌 관성력은 주구조물의 제어력으로 작용하게 된다. 스프링부재(22)가 완전히 압축되어 부가질량체(11)의 움직임이 정지되는 순간 즉, 부가질량체(11)의 이동 속도가 0이 되는 순간을 위치센서(도시되지 않음)가 검지하여 변위 잠금수단(30)을 작동시켜 부가질량체(11)를 고정시키게 된다.
상기 변위 잠금수단(30)은 주구조물 질량체(2)와 부가질량체(11) 간의 변위 위상차가 적정해질 때까지(위상차가 90°일 때까지) 소정 시간동안 부가질량체(11)를 고정시킨 후에 고정상태를 해제한다. 부가질량체(11)의 고정상태가 해제되면, 압축되었던 스프링부재(22)의 탄성력에 의하여 부가질량체(11)는 다시 원위치로 복귀한 후 다시 타측방향으로 움직이게 된다.
타측방향으로 움직인 부가질량체(11)는 반대편에 설치된 또다른 스토퍼(20)와 변위 잠금수단(30)에 의하여 위와 같은 작용을 반복하게 된다.
도 5a 내지 도 5d는 본 발명에 따른 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치의 변형과정을 순차적으로 도시한 것이다.
이와 같이, 본 발명의 질량동조감쇠장치에서는, 부가질량체(11)의 변위가 소정 범위를 벗어나게 되더라도 스토퍼(20)와 변위 잠금수단(30)의 작용에 의하여 지속적으로 주구조물과의 적절한 위상차를 유지시킬 수 있게 된다.
종래의 능동형 질량동조감쇠장치에서는 부가질량체(11)의 변위가 소정 범위를 벗어나게 되면, 예를 들면 격실의 격실벽과 같은 주위의 설치물에 부가질량체(11)가 닿게 되어 제기능을 발휘할 수 없으므로, 이를 방지하기 위해서는 부가질량체(11)의 변위를 소정 범위로 제한할 수밖에 없으며, 일반적으로 부가질량체와 주구조물의 진폭은 반비례관계가 있으므로, 주구조물의 진동저하효과에 한계가 있었다.
그러나 본 발명의 능동형 질량동조감쇠장치에서는 부가질량체(11)의 변위 방향에 스토퍼(20)와 변위 잠금수단(30)을 설치하여, 부가질량체(11)의 변위가 소정 범위를 벗어나더라도, 스토퍼(20)를 사용하여 부가질량체의 충격력을 유효한 제어력으로 전환하고 아울러 변위 잠금수단(30)을 활용하여 부가질량체와 주구조물간의 위상차를 유지할 수 있게 되므로, 부가질량체(11)의 운동량을 소정 범위로 제한할 필요가 없으며 그에 따라 진동저하효과를 상대적으로 크게 증대시킬 수 있게 된다.
다음에서는 본 발명에 따른 능동형 질량동조감쇠장치의 진동저하효과를 확인하기 위하여 본 발명의 능동형 질량동조감쇠장치를 예제 구조물에 적용하여 해석한 해석예를 살펴본다.
도 6에는 해석예로 사용된 교량 주탑(400)이 도시되어 있다. 교량 주탑(400)의 진동에 의한 변위가 가장 큰 교량 주탑(400)의 정점부에 격실을 형성하고, 앞서 설명한 바와 같이, 격실 내에 본 발명에 따른 질량동조감쇠장치를 설치한 것으로 가정하였다.
해석에 사용된 교량 주탑 즉 주구조물의 동적 특성값, 본 발명에 따른 동조감쇠장치의 동적 특성값 및 해석 결과는 다음과 같다.
1. 주구조물의 동적 특성값
주구조물의 질량(m1) : 554.5478 ton
주구조물의 탄성계수(k1) : 2581.6615 kN/m
주구조물의 감쇠계수(c1) : 5.2647 kN·sec/m
2. 질량동조감쇠장치의 동적 특성값
부가질량체의 질량(m2) : 5.545478 ton
스프링부재의 탄성계수(k2) : 25.43445 kN/m
감쇠기의 감쇠계수(c2) : 1.183166 kN·sec/m
스토퍼의 스프링부재 탄성계수(k2,add) : 508.689 kN/m
가진기의 최대 제어력 : 25 kN
목표 위상차 : 90°
스트로크 제한비율 : 0.3 (스트로크 제한비율은 부가질량체와 스토퍼 사이의 간격을 스토퍼가 없는 일반 질량동조감쇠장치의 최대 스트로크로 나눈 값이다.)
3. 적용 하중
위 해석예제에 사용된 하중은 0.3g로 정규화된 엘 센트로(El Centro) 지진하중이 가해지는 것으로 설정하였다. 여기서, g는 중력가속도이다.
4. 해석 결과
xmax: 0.2681 m
ymax: 3.6130 m
xr, max: 0.2863 m
yr, max: 2.001 m
xr, max/xmax: 1.0677 (6.77% 증가)
yr, max/ymax: 0.5537 (44.63% 감소)
여기서, xmax는 스토퍼 및 변위 잠금수단을 구비하지 아니한 종래의 능동형 질량동조감쇠장치의 경우 주구조물의 최대 응답(변위)이며, ymax는 스토퍼 및 변위 잠금수단을 구비하지 아니한 종래의 능동형 질량동조감쇠장치의 경우 부가질량체의 최대 응답(변위)이다. xr, max는 스토퍼 및 변위 잠금수단을 구비한 본 발명의 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치의 경우 주구조물의 최대 응답(변위)이며, yr, max는 스토퍼 및 변위 잠금수단을 구비한 본 발명의 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치의 경우 부가질량체의 최대 응답(변위)이다.
위의 해석 결과로부터 알 수 있듯이, 본 발명의 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치를 장착하는 경우, 능동형 질량동조감쇠장치의 스트로크가 44.6% 감소한 경우에도, 주구조물의 최대 변위는 단지 6%만이 증가되었다.
즉, 본 발명의 능동형 질량동조감쇠장치에 의하면, 부가질량체의 변위를 제한하더라도 주구조물의 최대 변위가 조금만 증가하게 됨을 알 수 있으며, 이러한 결과는 본 발명의 능동형 질량동조감쇠장치에서는 부가질량체와 스토퍼 간의 충격력이 유효한 제어력으로 작용하여 주구조물의 진동감쇠능력을 향상시키게 된다는 것을 보여주는 것이다.
앞서 종래 기술과 관련하여 설명한 바와 같이, 종래의 능동형 질량동조감쇠장치에서는 큰 외부하중을 받을 경우에도 부가질량체의 변위를 소정 범위내로 제한 할 수밖에 없었고, 그에 따라 능동형 질량동조감쇠장치의 진동제어성능이 저하되는 단점이 있었으나, 본 발명의 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치에서는 부가질량체의 변위를 소정 범위내로 제한하면서도 진동제어성능이 유지되어 주구조물의 변위 증가폭이 크지 않게 된다.
이상에서는 본 발명에 따른 실시예를 기준으로 본 발명의 구성과 특징을 설명하였으나, 본 발명은 이에 한정되지 아니하며, 본 발명의 기술적 사상에 따라 자유로운 변형이 가능하다.
이상에서는 주로 본 발명의 장치가 토목 및 건축 구조물에 설치되는 실시예에 대하여 설명하였으나, 본 발명의 장치가 적용되는 구조물에는 토목 및 건축 구조물 뿐만 아니라, 기타 일반 기계장치도 포함된다.

Claims (2)

  1. 주구조물에 장착되어 주구조물과 소정 위상차를 가지고 진동하여 주구조물의 진동을 제어하는 구조물의 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치로서,
    소정의 탄성계수(k2)를 가진 스프링부재(12)와,
    소정의 감쇠계수(c2)를 가진 감쇠기(13)와,
    가진기(14)와,
    상기 스프링부재(12) 및 감쇠기(13)에 의하여 주구조물에 장착되는 소정 질량(m2)의 부가질량체(11)와,
    선형의 소정 탄성계수(k2,add)를 가지는 탄성부재로 구성되며 상기 부가질량체(11)의 변위 방향의 양측에 설치되어 부가질량체(11)가 충돌할 때 압축되어 부가질량체(11)의 운동을 정지시킨 후 소정 시간 경과 후 다시 부가질량체(11)에 작용력을 가하는 스토퍼(20)와,
    상기 부가질량체(11)가 스토퍼(20)에 의하여 운동이 정지되는 순간을 검지하는 위치센서와,
    상기 위치센서에서 부가질량체(11)의 운동이 정지되는 순간을 검지하게 되면 부가질량체(11)의 운동을 소정 시간동안 정지시켰다가 해제하는 변위 잠금수단(30)을 구비하여, 상기 부가질량체(11)와 주구조물 질량체(2)가 소정의 위상을 가지고 변위하도록 하는 것을 특징으로 하는 구조물의 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 스토퍼(20)는, 부가질량체(11)와 직접 접촉하게 되는 접촉판(21)과, 탄성을 가진 스프링 부재(22)로 구성되는 것을 특징으로 하는 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치.
KR1020000045981A 2000-08-08 2000-08-08 구조물의 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치 KR100335072B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020000045981A KR100335072B1 (ko) 2000-08-08 2000-08-08 구조물의 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020000045981A KR100335072B1 (ko) 2000-08-08 2000-08-08 구조물의 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치

Publications (2)

Publication Number Publication Date
KR20020012787A true KR20020012787A (ko) 2002-02-20
KR100335072B1 KR100335072B1 (ko) 2002-05-03

Family

ID=19682344

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020000045981A KR100335072B1 (ko) 2000-08-08 2000-08-08 구조물의 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR100335072B1 (ko)

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102306466A (zh) * 2011-09-09 2012-01-04 华南理工大学 机械系统动力学教学实验装置
US8727660B2 (en) 2010-04-16 2014-05-20 Ammann Schweiz Ag Arrangement for providing a pulsing compressive force
CN113211164A (zh) * 2021-04-21 2021-08-06 西安工业大学 一种干涉测量系统的减振反馈系统及其检测方法
CN116556757A (zh) * 2023-07-04 2023-08-08 上海材料研究所有限公司 一种调谐质量阻尼器

Cited By (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US8727660B2 (en) 2010-04-16 2014-05-20 Ammann Schweiz Ag Arrangement for providing a pulsing compressive force
CN102306466A (zh) * 2011-09-09 2012-01-04 华南理工大学 机械系统动力学教学实验装置
CN113211164A (zh) * 2021-04-21 2021-08-06 西安工业大学 一种干涉测量系统的减振反馈系统及其检测方法
CN113211164B (zh) * 2021-04-21 2022-04-08 西安工业大学 一种干涉测量系统的减振反馈系统及其检测方法
CN116556757A (zh) * 2023-07-04 2023-08-08 上海材料研究所有限公司 一种调谐质量阻尼器
CN116556757B (zh) * 2023-07-04 2023-10-17 上海材料研究所有限公司 一种调谐质量阻尼器

Also Published As

Publication number Publication date
KR100335072B1 (ko) 2002-05-03

Similar Documents

Publication Publication Date Title
JP5018936B2 (ja) 走行式クレーンの免震構造
JP4545920B2 (ja) 橋梁における免震構造系
JPH04360976A (ja) 構造物の振動制御装置
JPH10115122A (ja) 防振装置
KR100335072B1 (ko) 구조물의 진폭제한 능동형 질량동조감쇠장치
KR20090058430A (ko) 납-고무베어링과 전동식 브레이크가 장착된 준능동동조질량감쇠기
JPH1136657A (ja) 免振装置
JPH09310531A (ja) 制振力制限付き制振装置
JP6871645B1 (ja) 精密機器搭載用除振装置
Hiemenz et al. Seismic response of civil structures utilizing semi-active MR and ER bracing systems
JPH06300081A (ja) 制振支持構造
KR102602629B1 (ko) 제진장치
JPH01247666A (ja) 減衰装置
JP2015068151A (ja) 免震建物の制振方法及び装置
Akbay et al. Abating earthquake effects on buildings by active slip brace devices
JP2011012427A (ja) 建物の初期変位付与型ｔｍｄ制振システム
KR101866057B1 (ko) 가변형 브레이크를 이용한 준능동형 tmd 시스템
Son et al. Reduction of floor shock vibration by active momentum exchange impact damper
JP3835145B2 (ja) 制振装置
KR100769818B1 (ko) 가변마찰받침
JPS62220734A (ja) 振動エネルギ吸収装置
JP2988882B2 (ja) 構造物の制振装置
JP2954984B2 (ja) ハイブリッド動吸振器
KR102388199B1 (ko) 동흡진 장치 및 이를 포함하는 진동 저감 설비
Cao et al. A Novel Variable Friction Device for Natural Hazard Mitigation

Legal Events

Date Code Title Description
A201 Request for examination
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant
FPAY Annual fee payment

Payment date: 20121018

Year of fee payment: 11

FPAY Annual fee payment

Payment date: 20130417

Year of fee payment: 12

LAPS Lapse due to unpaid annual fee