KR20030048984A - 낙교방지 및 과다변위를 방지하기 위한 2단계 충격흡수장치 - Google Patents

낙교방지 및 과다변위를 방지하기 위한 2단계 충격흡수장치 Download PDF

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KR20030048984A
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Abstract

본 발명은 낙교방지 및 과다변위를 방지하기 위해 속도 의존성이 높은 실린더형 유체감쇠기와 변형경화형 탄성받침으로 구성된 2단계 충격흡수장치로 이루어짐으로서, 유체감쇠기의 상시변위 흡수능력으로 변위제한장치와의 접촉을 유지하여 지진시 충돌전 속도를 감소시키며 유체감소기와 탄성받침의 우수한 에너지 흡수능력으로 충돌력을 감소시켜 교량의 파손을 방지하고 나아가서는 낙교방지를 위한 것이다. 즉, 본 발명의 2단계 충격흡수장치에 충격이 발생하면, 유체감쇠기의 압축에 필요한 충격력에 도달하기 전까지 탄성받침에 초기압축이 발생하며, 이후에 유체감쇠기가 압축되어 수축이 완료되면 탄성받침에 최종압축이 발생하는 일련의 과정에 의하여 2단계의 힘-변위 관계가 나타남으로서 우수한 에너지 흡수 능력을 발휘한다. 나아가 점성유체의 속도 의존특성으로 인하여 저속으로 수축시에는 작은 저항력이 발생하여 상시변위를 수용할 수 있으며, 고속으로 수축시에는 큰 저항력이 발생하여 충격에너지 흡수능력이 탁월하다. 뿐만 아니라 유체감쇠기의 외부에 복원고무가 설치되어 점성유체의 유출을 방지하고 유체감쇠기의 압축변형을 용이하게 할 뿐만 아니라, 상시변위가 감소하거나 충돌한 이후에는 유체감쇠기를 자체 복원시켜 충격흡수장치로서의 기능을 인위적 조치 없이 다시 수행할 수 있다.

Description

낙교방지 및 과다변위를 방지하기 위한 2단계 충격흡수장치 {Two Step Shock Absorber for Unseating Prevention}
본 발명은 교량의 낙교방지 및 과다변위 방지를 위한 2단계 충격흡수장치에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 교량의 상판과 교대 또는 교각 사이에 완충재로서 설치하여 지진시 낙교를 방지하고 교량받침의 과다변위를 방지할 수 있는 충격흡수장치로서 유체감쇠기와 탄성받침의 이중 구조로 이루어져 2단계에 걸친 충격흡수구조로 우수한 충격에너지 흡수능력을 발휘할 수 있는 2단계 충격흡수장치에 관한 것이다.
일반적으로 구조물 내진설계의 기본원칙은 다음 2가지 측면으로 나눌 수 있다. 첫째는 소규모의 지진에 대해서는 구조물이 손상을 입지 않아야 하고, 둘째는 대규모의 지진에 대해서는 구조물의 손상을 피할 수는 없으나 최소한 구조물의 붕괴로 인한 인명피해는 막아야 한다는 것이다. 대규모 지진발생시 교량에 과다변위가 발생하면 교량받침이 탈락하거나 낙교가 발생하여 교량전체가 붕괴되기도 한다. 이를 방지하기 위하여 교량에 낙교방지장치를 설치한다.
상기한 낙교방지장치는 연결방식과 변위제한방식으로 나뉘며, 연결방식은 교량 상판간 또는 상판과 하부구조(교각 또는 교대)를 케이블, 체인 또는 핀 등을 이용하여 서로 구속하여 낙교를 방지하는 방식이다. 그리고 변위제한방식의 경우에는 상판과 교대 또는 교각에 전단키 등의 변위제한장치를 설치하여 과다변위를 방지하므로써 낙교를 방지하는 방식이다.
한편, 강성이 큰 두 물체간에 충돌이 발생하면 짧은 시간내에 큰 하중이 발생하여 물체에 심한 손상이 발생할 수 있다. 이때 강성이 작은 완충재를 통하여 충돌이 발생하도록 하면 충돌시간이 지연되며 충돌력이 감소한다. 따라서 충돌력을 감소시키기 위하여 충돌체간의 접촉면에 충격흡수장치 등의 완충재를 사용한다. 본 발명은 이러한 낙교방지를 위한 변위제한방식의 완충재로 사용되는 충격흡수장치이다.
상기한 완충재는 일반적으로 역학특성(힘-변위 관계)상 변형경화형과 탄소성형으로 분류할 수 있다. 고무 등을 사용한 완충재는 변형경화형이며 탄소성형에비하여 에너지흡수율이 떨어지기 때문에 범용고무 대신 고감쇠고무를 이용하기도 하며, 완충재의 구조형상을 벌집구조로 개선하거나 PRF(Poly Rubber Fiber) 및 FRP(Fiber Reinforced Plastic) 등의 재료를 사용하여 에너지흡수율을 높인 제품이 일본내에 선보이고 있다. 그러나 구조적 또는 재료적 한계로 인하여 충격흡수에 한계를 지니고 있다.
또한, 교량의 상판은 온도신축, 건조수축 및 크리이프 등에 의하여 수평방향으로 신축한다. 이를 교량의 상시변위라 하며 가동 교량받침을 사용하여 상시변위를 원활히 수용하도록 하기도 한다. 종래 변위제한방식에 의한 낙교방지장치의 경우에는 상시변위 수용능력이 작기 때문에 교대 또는 교각과 충돌체(상판 또는 변위제한장치)간의 간격을 상시변위 이상으로 두어야 한다. 이러한 충돌거리의 증대는 충돌속도 증가로 이어져 완충재를 사용했음에도 불구하고 교량에 큰 충격을 주어 파손을 초래하기도 한다.
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 낙교방지를 위한 변위제한장치내에 완충재로 설치되어, 상시에는 상시변위를 수용하며 지진시에는 2단계 충격흡수를 통하여 우수한 충격흡수능력을 갖춤으로서 구조물을 보호할 수 있는 교량의 낙교방지 및 과다변위 방지를 위한 2단계 충격흡수장치를 제공하는 데에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 낙교방지를 위한 변위제한장치에사용하는 충격흡수장치에 있어서, 상·하부 플레이트(201, 204)와 상기 상·하부 플레이트(201, 204) 사이에서 적층되어 있는 탄성재(202)와 내부보강강판(203)으로 이루어지는 변형경화형 탄성받침(304); 상기 상부 플레이트(201) 상면 일부와 체결볼트(112)에 의해 체결되는 체결 플레이트(103), 충돌체와 접촉되는 접촉 플레이트(101), 일단은 상기 체결플레이트(103)에 타단은 상기 접촉 플레이트(101)에 접합되어 압축변형되는 복원고무(102), 상기 접촉플레이트(101) 하면에 부착되어 있고 상부에 오리피스(106)가 관통되어 설치된 실린더(105), 일단은 상기 실린더(105) 내부로 삽입되고 타단은 상기 상부 플레이트(201)와 소켓 형태로 원형볼트(113)에 의해 볼트결합되는 피스톤(107) 및 상기 오리피스(106)를 통하여 상기 실린더(105) 내외부를 유통하도록 압축밀봉되어 있는 점성유체(110, 110`)를 포함하여 이루어지는 실린더형 유체감쇠기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 한다.
도 1은 본 발명에 의한 2단계 충격흡수장치의 단면도,
도 2은 본 발명에 의한 2단계 충격흡수장치의 설치예를 나타내는 도면이고,
도 3은 본 발명에 의한 2단계 충격흡수장치의 단계별 변형도,
도 4는 본 발명에 의한 2단계 충격흡수장치의 힘-변위 관계도,
도 5는 본 발명에 의한 2단계 충격흡수장치의 충격속도에 따른 힘-변위 관계도,
도 6는 본 발명에 사용한 점성유체의 속도의존 특성도,
도 7는 완충재의 유무에 따른 충돌시간-하중 관계도,
도 8는 기존 방법에 의한 변형경화형 충격흡수장치의 힘-변위 관계도,
도 9는 기존 방법에 의한 탄소성형 충격흡수장치의 힘-변위 관계도이다.
※ 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명
101 : 접촉 플레이트 102 : 복원고무
103 : 복원고무 체결플레이트 104, 104` : 유체주입구
105 : 실린더 106 : 오리피스
107 : 피스톤 108, 108` : 가이드링
109 : 가동용 실링재 110, 110` : 점성유체
111, 111` : 고정용 실링재 112 : 체결 볼트
113 : 원형 볼트
201 : 상부플레이트 202 : 탄성재
203 : 내부 보강강판 204 : 하부플레이트
205 : 체결공
301 : 본 발명에 의한 2단계 충격흡수장치
302 : 변위제한장치(전단키) 303 : 교량 상판
304 : 교량받침(탄성받침) 305 : 교각 또는 교대
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 구성 및 작용을 상세히 설명하고자 한다.
도 1은 본 발명에 의한 2단계 충격흡수장치의 단면도이다.
두 물체의 강성에 따라 충돌시 발생되는 힘의 크기가 변화한다. 따라서 두 물체간에 완충재를 삽입하면 충돌력이 감소하며 이러한 충돌력의 감소원인은 두 물체의 충돌시 접촉시간의 지연 때문이다. 즉 충격흡수장치의 성능여부는 충돌시간의 지연여부에 달려있다고 해도 과언은 아니다. 따라서, 상기한 충돌시간의 지연을 위하여 본 발명은 충격시 탄소성형 역학특성을 지닌 실린더형 유체감쇠기와 변형경화형 역학특성을 지닌 탄성받침의 이중 구조에 의한 2단계의 충격흡수를 통하여 교량을 충격으로부터 보호하는 충격흡수장치를 개발하였다.
도시된 바와 같이, 본 발명은 변위제한장치(302) 등의 충돌체와의 접촉부에 완충재로 설치되어 상시변위를 수용할 뿐만 아니라 지진시에는 2단계 충격흡수를 통한 우수한 에너지 흡수능력으로 인하여 낙교를 방지하고 교량의 파손을 방지함에 있어서, 충돌체와의 접촉이 이루어지는 접촉 플레이트(101)와 체결 플레이트(103)를 복원고무(102)와 일체로 제작한다. 이때 접촉 플레이트(101)의 접촉면을 구면화하여 충격력이 편심으로 작용하는 것을 최소화하도록 하며, 복원고무(102)의 우수한 변형능력에 의하여 유체감쇠기의 수축이 용이하게 이루어지고 점성유체(110`)의 외부누출을 방지할 뿐만 아니라, 상시변위가 감소하거나 충돌 이후에 유체감쇠기를 원상태로 복원시킨다. 복원고무(102)는 크리이프가 작은 고무재질을 사용하는 것이 좋으며, 복원력을 키우기 위해서 섬유 등을 내부에 삽입하여 제작할 수 있다.
상기 접촉 플레이트(101) 하면에는 실린더(105)를 부착하며 실린더(105) 상부 측면에 수개의 오리피스(106)를 두어 충돌시 점성유체(110)가 실린더(105) 외부로 배출되도록 하며, 실린더(105)의 내측 하면에는 피스톤(107)을 삽입한다. 상기 피스톤(107)은 탄성받침의 상부플레이트(201) 상면에 소켓 형태로원형볼트(113)에 의하여 볼트 체결되며, 피스톤(107)과 실린더(105)의 접촉면에는 고체윤활 재질의 가이드링(108, 108`)을 설치하여 피스톤의 수직운동을 원활히 할 뿐만 아니라 실린더(105) 내측면을 보호하고, 가이드링(108, 108`)간의 사이에 가동용 실링재(109)를 설치하여 실린더(105) 내부의 점성유체(110)가 피스톤(107)의 측면으로 유출되는 것을 방지한다. 그리고 피스톤(107)의 상단 테두리에 홈을 두어 유체감쇠기가 수축하여 피스톤(107)이 실린더(105)의 내부 하면과 접촉하는 경우에 오리피스(106)를 막지 않도록 한다. 이 외에도 고정용 실링재(111, 111`)을 유체감쇠기 금속간의 접합부에 설치하여 점성유체(110, 111`)가 외부로 유출되는 것을 방지한다.
그리고 상·하부 플레이트(201, 204)의 사이에 탄성재(202)와 내부 보강철판(203)이 적층되어 제작된 탄성받침에 있어서, 상기 탄성재(202)로는 범용고무, 고감쇠 고무 또는 기타 점탄성물질 등을 탄성재를 이용하고 탄성재(202)의 두께와 상기 내부 보강철판(203)의 두께 및 수량을 조절하여 탄성받침에 요구되는 수직강성을 맞춘다. 또한 탄성받침의 하부 플레이트(204) 외곽에 체결공(205)을 두어 교량에 장착시 볼트체결을 할 수 있도록 한다.
또한, 상기한 유체감쇠기 부분과 탄성받침 부분은 체결볼트(112)로 체결하며, 높은 체결력으로 체결하여 복원고무의 체결플레이트(103)와 탄성받침의 상부플레이트(201)간의 접촉면을 밀착되게 함과 동시에 고정용 실링재(111)에 압력을 가해지도록 하여 유체감쇠기 내부의 점성물질(110`)이 유체감쇠기 외부로 유출됨을 방지한다.
도 1에서 104, 104`는 점성유체(110, 110`)가 주입되는 유체주입구를 의미하며, 상기 유체주입구는 유체가 주입된 이후에는 누출을 방지하기 위해 완전히 압력 밀봉되며, 유체가 다시 충전될 필요가 있을 경우에 개봉된다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 상기한 구성하에서 이루어지는 본 발명의 작용을 더욱 상세히 설명하고자 한다.
도 2는 본 발명에 의한 2단계 충격흡수장치의 설치예를 나타내는 도면이고, 도 3은 본 발명에 의한 2단계 충격흡수장치의 단계별 변형도이고, 도 4는 본 발명에 의한 2단계 충격흡수장치의 힘-변위 관계도이며, 도 5는 본 발명에 의한 2단계 충격흡수장치의 충격속도에 따른 힘-변위 관계도이며, 도 6은 본 발명에 사용한 점성유체의 속도의존 특성도이고, 도 7은 완충재의 유무에 따른 충돌시간-하중 관계도이다.
도 2에서 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 실린더형 유체감쇠기와 탄성받침부분으로 구성된 2단계 충격흡수장치는 교량상판(303)에 설치된 변위제한장치(302)와의 접촉부에 완충재로 설치되어, 상시변위 수용능력을 통하여 변위제한장치(302)와 접촉이 유지되므로 지진에 의한 충격시에도 변위제한장치와의 간격이 없기 때문에 충돌전 속도가 감소하여 충돌전의 운동량을 크게 줄일 수 있을 뿐만 아니라 자체의 우수한 에너지 흡수능력으로 충돌후의 운동량도 크게 줄일 수 있도록 한다. 도 2에서 도면부호 305는 교각 또는 교대를 의미하며, 도면부호 304는 상기 교량 상판(303)과 교각 또는 교대(305) 사이에 설치되는 교량받침을 의미한다.
도 3에 나타난 본 발명에 의한 2단계 충격흡수장치의 충격시 변형과정을 설명하면, 충돌이 발생하면 유체감쇠기를 압축시키는데 필요한 충격력이 작용할때까지 탄성받침에 초기압축이 발생하고, 이후에 유체감쇠기가 압축되어 피스톤(107)이 실린더(105) 내부와 맞닿아 유체감쇠기의 압축이 완료되면 탄성받침에 최종압축이 발생한다. 이러한 일련의 과정에 의하여 충격시 2단계 충격흡수장치의 힘-변위 관계를 나타내면 도 4와 같으며, 힘-변위 곡선 하부의 면적이 크기 때문에 충격에너지 흡수 능력이 우수하다. 뿐만 아니라 유체감쇠기 부분에 사용된 점성유체(110, 110`)는 도 6에 나타난 바와 같이 속도 의존도가 높기 때문에 유체감쇠기의 압축시 실린더 내부의 점성유체(110`)가 오리피스(106)를 통하여 배출될때, 저속으로 수축시에는 작은 저항력이 발생하고 고속으로 수축시에는 큰 저항력이 발생한다.
따라서 도 5에 나타난 바와 같이 상시변위시에는 저속이므로 작은 저항력이 발생하기 때문에 상시변위를 용이하게 수용하고, 고속의 충격시 큰 저항력이 발생하여 우수한 에너지 흡수능력을 발휘한다.
그리고 본 발명에 의한 충격흡수장치의 상시변위의 수용능력은 유체감쇠기의 속도의존성에 기인하며 이러한 속도의존성은 유체감쇠기 내부에 사용된 점성유체의 특성으로부터 발생한다. 점성유체의 경우 속도의존성이 높기 때문에 미속으로 이동시 저항력이 작게 발생하며 속도가 증가할수록 저항력이 크게 증가한다. 따라서 상시변위는 미속의 변위이므로 유체감쇠기의 저항력이 작기 때문에 상시변위를 용이하게 수용할 수 있다. 또한 피스톤(107)과 실린더(105)간의 간격을 상시변위 이상이 되도록 제작하면 모든 상시변위를 수용함과 동시에 충돌체와 충격흡수장치간의 간격을 없앨 수 있으므로 지진시 충격력을 크게 줄일 수 있다.
또한 복원고무(102)는 점성유체의 유출을 방지하고 유체감쇠기의 압축변형을 용이하게 할 뿐 아니라, 상시변위가 감소하거나 지진시 충돌 이후에 자체 복원력을 통한 복원기능을 가지고 있어 충돌체와의 간격이 없도록 항상 유지됨과 동시에 충격흡수장치로서의 기능을 인위적 조치 없이 다시 수행할 수 있도록 한다.
그리고 본 발명에 의한 충격흡수장치는 유체감쇠기 하부에 변형경화형 역학특성을 지닌 탄성받침이 장착되어 유체감쇠기에 의한 충격흡수이외의 추가적으로 충격흡수를 통하여 2차 충격흡수기능과 변위제한기능을 제공하며, 이와 동시에 강재로 제작된 피스톤(107)과 실린더(105)를 포함한 유체감쇠기를 충격으로부터 보호한다.
실린더형 유체감쇠기를 통하여 기존의 변형경화형 완충재에 비하여 충돌시간이 크게 지연되며, 오리피스(6)의 단면적을 축소하여 충돌시 점성유체(110)의 배출시간을 늘이거나 피스톤(107)과 실린더(105)간의 간격을 증가시켜 압축시간을 늘임으로써 충돌시간을 더욱 지연시킬 수 있다.
종래 변위제한방식에 의한 낙교방지장치는 상시변위에 대비하기 위하여 완충재와 충돌체(상판, 교대 또는 교각)간의 간격을 상시변위 이상으로 두어야 하며, 이러한 간격으로 인하여 충돌속도가 증가하기 때문에 교량에 큰 충격을 주어 파손을 초래하기도 한다. 그러나 본 발명에 의한 충격흡수장치는 유체감쇠기에서 상시변위를 흡수하여 충돌체와 충격흡수장치간의 간격이 없기 때문에 이러한 단점을 보완할 수 있다.
또한 종래 변형경화형 완충재의 경우에는 충격에너지 흡수율이 떨어지며, 탄소성형 완충재의 경우에는 자체 복원력이 없어 충격 이후에 재기능을 수행하기 어렵다. 그러나 본 발명에 의한 충격흡수장치는 탄소성형 유체감쇠기와 변형경화형 탄성받침을 조합하여 서로의 단점을 상호 보완할 뿐만 아니라 유체감쇠기에 상시변위 수용능력과 자체 복원능력을 부여하였기 때문에 충격흡수장치로서 기능을 우수한 성능으로 수행할 수 있다.
상기한 바와 같이, 본 발명에 의한 2단계 충격흡수장치는 낙교방지용 변위제한장치의 완충재로 설치함으로서 상시변위 흡수능력에 의하여 지진시 충돌전의 속도를 감소시켜 충돌전 운동량을 크게 감소시킬 뿐만 아니라 자체의 우수한 에너지 흡수능력과 충돌시간 지연으로 충돌후의 운동량도 크게 감소시키므로 지진으로부터 교량의 충돌부위를 보호할 뿐만 아니라 낙교를 방지하는 효과를 갖는다.
나아가, 그로 인해 큰 경제적 가치를 파생시키는 효과를 갖는다.

Claims (5)

  1. 낙교방지를 위한 변위제한장치에 사용하는 충격흡수장치에 있어서,
    상·하부 플레이트(201, 204)와 상기 상·하부 플레이트(201, 204) 사이에서 적층되어 있는 탄성재(202)와 내부보강강판(203)으로 이루어지는 변형경화형 탄성받침(304);
    상기 상부 플레이트(201) 상면 일부와 체결볼트(112)에 의해 체결되는 체결 플레이트(103), 충돌체와 접촉되는 접촉 플레이트(101), 일단은 상기 체결플레이트(103)에 타단은 상기 접촉 플레이트(101)에 접합되어 압축변형되는 복원고무(102), 상기 접촉플레이트(101) 하면에 부착되어 있고 상부에 오리피스(106)가 관통되어 설치된 실린더(105), 일단은 상기 실린더(105) 내부로 삽입되고 타단은 상기 상부 플레이트(201)와 소켓 형태로 원형볼트(113)에 의해 볼트결합되는 피스톤(107) 및 상기 오리피스(106)를 통하여 상기 실린더(105) 내·외부를 유통하도록 압축밀봉되어 있는 점성유체(110, 110`)를 포함하여 이루어지는 실린더형 유체감쇠기를 포함하여 이루어진 것을 특징으로 하는 낙교방지 및 과다변위 방지를 위한 2단계 충격흡수장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 피스톤(107) 주변에는 상기 실린더(105)와 실린더(107)간의 수직운동이 원활히 이루어지고 상기 실린더(105) 내측면을 보호하도록 고체 윤활 재질의 가이드링(108, 108`)이 설치되어 있음을 특징으로 하는 낙교방지 및 과다변위 방지를 위한 2단계 충격흡수장치.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 유체감쇠기의 금속간 접합부에는 상기 점성유체(110, 110`)가 외부로 누출됨을 방지하도록 고정용 실링재(111, 111`)가 설치되어 있음을 특징으로 하는 낙교방지 및 과다변위 방지를 위한 2단계 충격흡수장치.
  4. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 접촉 플레이트(101)의 양면 중 충돌체와 접촉하는 면은 충격력이 편심으로 작용하는 것을 최소화하도록 구면화되어 있음을 특징으로 하는 낙교방지 및 과다변위 방지를 위한 2단계 충격흡수장치.
  5. 제 2항에 있어서, 상기 점성유체(110)가 오리피스(106) 이외의 피스톤(107) 주변으로 누출되는 것을 방지하도록 상기 가이드링(108, 108`) 사이에는 가동용 실링재(109)가 설치되어 있음을 특징으로 하는 낙교방지 및 과다변위 방지를 위한 2단계 충격흡수장치.
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