KR20020079683A - 지반 진동 차단용 지능구조물 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지반의 진동 발생시에 판구조물의 압전재를 이용하여 진동에너지를 감쇠하여 진동을 차단하는 지능구조물에 관한 것이다.

이와같은 본 발명은 판구조물과; 상기 판구조물의 일측면에는 상기 판구조물의 공진주파수와 동일한 진반진동 주파수가 전파될때 진동을 저감시키는 압전재;가 형성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 판구조물에 압전재를 부착하거나 이러한 구조물 사이에 공기층을 형성한 형태의 구조물로서 구조물에서의 진동에너지를 전기에너지로 변환, 소산(消散)시키는 전기회로만으로 구성되어 있어 지능구조물의 구조가 간단하고 설치도 편리하다.

Description

지반 진동 차단용 지능구조물 {SMART STRUCTURE FOR THE GROUND ISOLATION}

본 발명은 지반 진동 차단용 지능구조물에 관한 것으로, 더욱 구체적으로 설명하면 지반의 진동 발생시에 판구조물의 압전재를 이용하여 진동에너지를 감쇠하여 진동을 차단하는 지능구조물에 관한 것이다.

일반적으로 지반진동을 차단하기 위한 지능구조물은 진동원과 수진구조물 사이의 지반 내에 흙 및 암반과는 응력(應力)과 저항특성이 상이한 재료를 이용한 이질매질층을 인공적으로 형성함으로써, 진동파의 간섭, 산란, 흡진, 방사현상을 이용하여 수진 구조물쪽으로 전달되는 지반 진동에너지를 감소시키는 방진구조물을 의미한다.

종래 지반진동 차단 구조물을 이용한 방진 방법으로는 개방식 방진구(open trench, 防振構)로 굴착된 공간의 공기층과 지반 사이의 이질(異質)의 매질층을 이용하여 표면파에너지의 대부분을 반사시켜 방진효과를 극대화시키는 것이 있으나, 이는 진동차단효과는 우수하나 굴착벽의 함몰로 시공깊이에 제약이 따르고 인명보호를 위한 별도의 조치를 취해야 하는 문제점을 가지고 있다.

물론 이와같은 방법 이외에 충전식 방음벽을 이용하는 방법이 적용되고 있으나 이는 진동차단효과가 크게 떨어지는 문제점을 가지고 있다.

따라서, 이러한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 지반진동에 의해 지능구조물에서 발생하는 진동에너지를 압전재를 이용하여 기계적인 진동에너지를 전기에너지로 변환하고 감쇠효과에 의해 진동을 차단하는 지능구조물을 제공하는데 있다.

본 발명의 다른 목적은 압전재를 이용하여 기계적인 진동에너지를 전기에너지로 변환하고 그 전기에너지를 축전기에 저장하여 환경친화적인 에너지원으로 활용이 가능한 지능구조물을 제공하는데 있다.

도1a 및 도1b는 본 발명에 따른 지반 진동 차단용 지능구조물의 제1실시예를 도시한 도면이고,

도2는 도1에 도시된 압전재의 전기적 특성을 나타내는 등가회로도이고,

도3은 도1에 도시된 션트회로의 예시도이고,

도4a와 도 4b는 본 발명에 따른 지능구조물의 제2실시예를 도시한 도면이며,

도5는 본 발명에 따른 지능구조물의 제3실시예를 도시한 도면이다.

*** 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ***

1 ... 판구조물 2 ... 압전재

3 ... 지반 4 ... 션트회로

5 ... 공기층 6 ... 축전기

7 ... 정류기 8 ... 축전기

본 발명은 판구조물과; 상기 판구조물의 일측면에는 상기 판구조물의 공진주파수와 동일한 진반진동 주파수가 전파될때 진동을 저감시키는 압전재;가 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 압전재는 그 압전재로부터 발생되는 전기에너지를 소산(消散)시키는 션트회로와 연결되는 것을 특징으로 한다.

상기 압전재는 진동 저감 효과를 최대화하도록 상기 판구조물의 최대변위를 발생하는 포인트(Anti-nodal point)에 부착되는 것을 특징으로 한다.

본 발명은 다수개의 판구조물들과; 상기 판구조물들 중에 서로 마주하는 판구조물의 내측면에는 그 판구조물의 공진주파수와 동일한 지반진동 주파수가 전파될때 진동을 저감시키는 압전재;가 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 서로 마주대하는 판구조물들의 내측면 사이에는 공기층이 형성되는 것을 특징으로 한다.

상기 압전재로 부터 발생되는 전기에너지를 저장하기 위한 축전지를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 지반 진동 차단용 지능구조물을 첨부한 도면을 참고로 하여 이하에 상세히 기술되는 실시예에 의하여 그 특징들을 이해할 수 있을 것이다.

도1a 및 도1b는 본 발명에 따른 지반 진동 차단용 지능구조물의 제1실시예를 도시한 도면이고, 도2는 도1에 도시된 압전재의 전기적 특성을 나타내는 등가회로도이고, 도3은 도1에 도시된 션트회로의 예시도이고, 도 4a와 도 4b는 본 발명의 제2실시예에 따른 지능구조물을 나타내는 도면이고, 도5는 본 발명의 제3실시예에 따른 지능구조물을 나타내는 도면이다.

도1a 및 도1b에 의하면, 지반 진동 차단용 지능구조물은 진동원에서 발생한 진동이 지반(3)을 통해 전파되어 지반(3)과 판구조물(1) 사이의 재질특성인 임피던스(impedence)의 차이에 의해서 일부가 감쇠되고, 일부는 판구조물(1)의 진동을 발생시키게 된다. 이러한 판구조물(1)의 진동을 압전감쇠를 통하여 저감시키는 것이다.

이하, 좀더 구체적으로 각각의 예를 설명한다.

도1a에 의하면, 지반진동 차단용으로 사용되는 지능구조물은 주된 구조물인 판구조물(1)에 다수의 압전재(2)를 부착한 구조로 되어 있다.

진동에너지의 소산에 사용되는 압전감쇠는 판구조물(1)에 부착한 압전재(2)에 션트회로(4)를 연결시켜 판구조물(1)의 공진주파수에서 진동에너지를 전기적 에너지로 변환시켜 소산시키게 된다.

도1b에 의하면, 지능구조물은 임피던스차에 의한 지반진동 차단효과를 높이기 위하여 판구조물(1)과 판구조물(1') 사이에 공기층(5)을 둔 형태의 구조물인 이중패널형 지능구조물로 형성하되, 판구조물(1)과 판구조물(1') 사이에 일정한 거리의 공간을 유지시켜 공기층(5)을 형성하여 판구조물(1)과 판구조물(1') 사이의 공간을 유지시키는 역할을 하는 지지대와 진동에너지 감쇠를 위한 압전재(2)를 적층한 형태의 압전 적층봉(2')을 이용한다.

진원지에서 전파된 지반 진동파는 지반과 이중패널형 지능구조물의 매우 큰 임피던스차에 의해서 진동파가 반사되어 진동 전파가 차단되는 효과를 얻을 수 있으며 일부 전달된 진동은 구조물의 진동을 유발시켜 구조물에 부착된 적층 압전재의 변형에 의한 전기에너지를 션트회로에서 소산시키는 압전감쇠를 이용하여 진동 저감효과를 얻을 수 있다.

지능구조물은 도1a 및 도1b에 도시한 바와 같이 판구조물(1), 압전재(2) 및 션트회로(4)로 구성된다. 상기 판구조물(1)은 진동전파 차단역할을 수행하여 지반진동을 저감시킨다.

압전부는 구조물 면에 부착되는 다수의 압전재(2)와, 각 압전재(2)에 전기적으로 접속되는 션트회로(4)로 구성되어 상기 판구조물(1)의 공진주파수(resonant frequency)에서의 삽입손실을 높여준다.

상기 압전재(2)와 션트회로(4)를 연결시키는 이유는 판구조물(1)의 공진주파수에서의 삽입손실을 높여준다. 상기 압전재(2)와 션트회로(4)를 연결시키는 이유는 판구조물(1)에 부착된 압전재(2)의 전기적 임피던스(impedence)값을 측정한 후 션트회로(4)를 통해 임피던스값을 조절하여 전기적 공진이 되도록 함으로써 최대의 방진 효과를 얻도록 하기 위함이다.

이하 상술한 구성을 가지는 지반 진동 차단용 지능구조물의 동작 과정을 설명한다.

우선 진동의 형태로 에너지를 전달하는 진동에너지가 지능구조물에 도달하면, 일부의 에너지는 판구조물(1)에 의해 흡수되고, 판구조물(1)의 공진주파수를 가진 진동은 지능구조물에 의해 흡수되지 않고 투과하게 된다.

이를 해결하기 위해 본 발명에서는 압전재(2)를 판구조물(1)에 부착한다. 이때 압전재(2)들은 판구조물(1)의 최대변위를 발생하는 포인트(anti-nodal point)들에 부착되는 것이 바람직하다.

여기서 최대 변위를 발생하는 포인트들은 삽입손실을 최대로 하는 포인트들로서, 일반적으로는 판구조물(1)의 진동이 가장 큰 포인트가 되겠으나 가진하는 주파수가 변하면 이 위치는 변하게 되므로 최적화기법을 이용하여 구하게 된다.

이와같이 압전재(2) 들을 상기 판구조물(1)에 부착하므로서, 지능구조물의 공진주파수 성분을 가진 진동이 상기 압전재(2)에 의해 전기적 에너지로 변환된다.

상기 압전재(2)를 회로도로 나타내면 도2에 도신된 바와 같이 저항(R₁)과 인덕터(L₁) 및 커패시터(C₁)로 나타낼 수 있다.

한편, 압전재(2) 자체에 공진이 일어나지 않으면 상기 언급한 진동에너지를 압전재(2)가 받아들일 수 있는 최대 에너지량으로 흡수함이 불가능하다.

이를 해결하기 위해 션트회로(4)를 압전재(2)에 연결하였으며, 상기 압전재(2)의 전기적 성분과 함께 전기적 공진이 일어나도록 상기 션트회로(4)를 튜닝(tunning)함으로써, 압전재(2)가 최대에너지량을 흡수하도록 하였다.

이러한 션트회로(4)의 특징은 서로 다른 공진주파수를 가지는 판구조물들에서 진동저감효과를 최대로 얻을 수 있다는 점이다.

이하 상기 압전부를 전기적 공진이 되도록 튜닝하는 방법을 설명하면, 우선 판구조물(1)에 압전재(2)를 부착한 후 압전재(2)에서 전기적 임피던스를 측정하고, 측정된 임피던스를 가지고 상기 판구조물(1)이 전기적 공진이 되도록 션트회로(4)를 구성하는 저항(R)과 인덕터(L) 소자의 크기를 조절한다.

이를 좀 더 구체적으로 설명하면, 다수의 압전재(2)를 에너지가 전달되는 상기 판구조물(1)의 최대변위점에 부착하고, 임피던스 측정기를 사용하여 전기적 임피던스를 측정한다. 측정된 압전재(2)의 전기적 임피던스를 도2에 도시한 바와같이 상기 압전재(2)의 등가회로모델인 반 다이크(Van Dyke)모델로 구성하되 판구조물(

1)에 부착한 각 압전재(2)의 전기적 임피던스에 따라 회로요소들의 크기를 정한다.

반 다이크 모델의 각 계수는 전용 프로그램을 사용하여 구할 수 있다.

상기 션트회로(4)는 도3에 도시한 바와 같이 저항(R)과 인덕터(L)가 직렬 또는 병렬로 연결된 회로로서, 이러한 션트회로(4)를 판구조물(1)의 각 공진모드를나타내는 반 다이크 모델과 연결시킨다.

그리고 상기 션트회로(4)의 저항(R)과 인덕터(L)의 값을 전기적 에너지 값이 최대가 되도록 최적설계한다. 즉 전기적 공진이 되도록 설계한다.

도 4a와 도 4b에 따르면, 지능구조물은 일정거리 이격된 복수의 판구조물(1)들과, 마주보는 상기 판구조물(1)들 중 어느 하나의 판구조물(1)에 부착되어 나머지 판구조물(1)과의 사이에 공기층(5), 압전부인 압전재(3)와 션트회로(4)로 구성된다. 압전부의 일부 구성요소인 압전재(2)는 마주보고 있는 상기 판구조물(1)들의 배향면에 부착되어 있으며, 션트회로(4) 각각은 상기 판구조물(1)들에 부착된 압전재(2)에 전기적으로 접속되어 있다.

또한, 판구조물(1)의 감쇠능을 능대시키기 위하여 댐핑재(6)를 표면에 도포한 판구조물을 이용하기도 한다.

도 4a와 도 4b에 도시한 바와 같은 지능구조물 역시 도1에서 언급한 바와같이 판구조물(1)들에 부착된 압전재(2)의 전기적 임피던스값을 측정한 후 션트회로

(4)를 통해 임피던스값을 조절하여 전기적 공진이 되도록 구성한다.

도5에 따르면, 판구조물(1)에 부착되는 압전재(2)는 정류(7)를 통해 축전기

(8)에 전하를 충전하게 되는 것이다.

이와같이 충전된 축전기(8)의 전원을 이용하여 다양하게 사용할 수 있다. 아울러, 압전재(2)를 이용하여 전기에너지를 생산하므로 환경의 훼손이 없이 지반 진동의 청정 전기에너지와 기계적 진동의 청정 전기에너지를 생산하는 것이 가능하게된다.

이상과 같이 본발명의 실시예에 대하여 상세히 설명하였으나, 본 발명의 권리범위는 이에 한정되지 않으며, 본 발명의 일실시예와 실질적으로 균등의 범위에 있는 것까지 본 발명의 권리범위가 미친다.

이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따르면 압전재가 부착된 판구조물과 그 판구조물들에 부착된 압전재를 전기적 공진이 되도록 함으로써 판구조물의 방진효과를 극대화시키는 션트회로를 이용하여 지반진동의 차단이 가능하므로, 지반을 토굴하는 등의 작업이나 기타 부대 시설이 필요없다.

또한, 지능구조물을 구성하는 판구조물에 압전재를 부착하거나 이러한 구조물들 사이에 공기층을 형성하여 진동에너지를 전기에너지로 변환 및 소산(消散)시키는 전기회로만으로 구성되어 있어 지능구조물의 구조가 간단하고 설치도 편리하다.

아울러, 굴착벽의 함몰이나 인명보호를 위한 별도의 제반시설물이나 장치가 불필요하고, 방진 성능면에서도 기존 방법에서 사용하는 단순한 임피던스차에 의한 차단효과 뿐만 아니라 진동이 크게 발생하는 저주파 영역의 진동에너지를 소산시키는 효과를 부가하여 보다 우수한 효과를 발휘한다.

그리고, 이와같이 진동에 의해 발생되는 진동에너지를 전기에너지로 변환하여 축전기에 저장하여 지반진동의 청정 전기에너지와 기계적 진동의 청정 전기에너지원으로 사용이 가능하다.

Claims (8)

1. 판구조물과;

   상기 판구조물의 일측면에는 상기 판구조물의 공진주파수와 동일한 진반진동 주파수가 전파될때 진동을 저감시키는 압전재;가 형성되는 것을 특징으로 하는 지반 진동 차단용 지능구조물.
2. 제 1 항에 있어서,

   상기 압전재는 그 압전재로부터 발생되는 전기에너지를 소산(消散)시키는 션트회로와 연결되는 것을 특징으로 하는 지반 진동 차단용 지능구조물.
3. 제 2 항에 있어서,

   상기 압전재는 진동 저감 효과를 최대화하도록 상기 판구조물의 최대변위를 발생하는 포인트(Anti-nodal point)에 부착되는 것을 특징으로 하는 지반 진동 차단용 지능구조물.
4. 다수개의 판구조물들과;

   상기 판구조물들 중에 서로 마주하는 판구조물의 내측면에는 그 판구조물의 공진주파수와 동일한 지반진동 주파수가 전파될때 진동을 저감시키는 압전재;가 형성되는 것을 특징으로 하는 지반 진동 차단용 지능구조물.
5. 제 4 항에 있어서,

   상기 서로 마주대하는 판구조물들의 내측면 사이에는 공기층이 형성되는 것을 특징으로 하는 지반 진동 차단용 지능구조물.
6. 제 4 항에 있어서,

   상기 판구조물들의 내측면에 댐핑재가 도포된 그 판구조물들 사이에 공기층이 형성되는 것을 특징으로 하는 지반진동 차단용 지능구조물.
7. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 압전재로부터 발생되는 전기에너지를 저장하기 위한 축전지를 더 구비 시켜 지반진동의 청정 전기 에너지 생산이 가능한 것을 특징으로 하는 지반 진동 차단용 지능구조물.
8. 제 1 항 또는 제 4 항에 있어서,

   상기 압전재로부터 발생되는 전기에너지를 저장하기 위한 축전기를 더 구비시켜 기계적 진동의 청정 전기에너지 생산이 가능한 것을 특징으로 하는 지반 진동 차단용 지능구조물.