KR20050082943A - 형상기억합금 와이어를 이용한 면진장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 교량과 같은 구조물에 지진이 작용하는 경우 그 지진에 의한 에너지(수평진동에너지)를 감쇄시켜 구조물의 손괴를 방지하는 면진장치에 관한 것으로서, 덮개판 사이에 위치하는 탄성체를 포함하는 면진장치에서, 외력에 의한 탄성체의 변형에 대응하여 형상기억합금 와이어(Shape Memory Alloy Wire)를 상기 상부 및 하부 덮개판이 서로 연결되도록 설치함으로서 외력에 대하여 면진장치가 일체로 거동하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 와이어를 이용한 면진장치에 관한 것이다.

Description

형상기억합금 와이어를 이용한 면진장치{Shape memory alloy rubber bearing}

본 발명은 형상기억합금 와이어를 이용한 면진장치에 관한 것으로서, 교량과 같은 구조물에 지진이 작용하는 경우 그 지진에 의한 에너지(수평진동에너지)를 감쇄시켜 구조물의 손괴를 방지하는 면진장치에 관한 것이다.

지진에 의한 진동에너지를 흡수하기 위한 면진장치로서 소위 교량상판 및 교량상판을 지지하는 교각과 같은 2개의 구조물 사이에 설치되는 납-고무베어링(10)이 소개되어 있다.

상기 납-고무 베어링을 사시도 및 단면도로 도시한 것이 도 1a 및 도 1b이다. 납-고무베어링(10)은 탄성재료층을 구성하는 고무 등으로 이루어진 탄성판(1)과 강성재료층을 구성하는 고리형상의 강성판(2)을 번갈아 적층하고 상호 고정하여 이루어진 고리형상의 탄성체(3)와, 탄성체의 중공부에 삽인된 원주형상의 납(4)과, 원주형상의 납의 하면 및 상면에 각각 맞닿아서 탄성체(10)의 하면 및 상면에 볼트 등에 의하여 부착된 덮개판(5a,5b)를 구비하여 하부덮개판(5b)이 교각, 기초 등의 구조물에 고정되고, 상부덮개판(5a)에 교량상판이 얹어 놓여 교량상판의 자중을 포함하는 연직하중(F1)을 지지할 수 있도록 하고, 지진에 의한 수평하중(F2)에 대하여 탄성체가 수평하중에 의하여 상대변위를 일으키도록 하여 에너지를 발산되어 교량을 지진으로부터 보호하도록 하고 있다. 즉, 원주형상의 납(4)이 일정한 크기의 수평하중에 대하여 소성 변형하는 성질을 이용하여 수평하중에 의한 수평진동에너지가 흡수되도록 하고, 소성 변형에 의한 상대적 변위가 탄성체(10)를 구성하는 탄성판(1)의 탄성복원력에 의하여 복원될 수 있도록 하고 있다.

하지만 이러한 면진장치는 원주형상의 납(4)이 탄성판 중앙부에 빈틈없이 구속되어 설치되어야 그 기능을 충분히 확보할 수 있는데 만약 양자 사이에 틈새가 발생하는 경우 납에 의한 진동에너지 흡수교과를 얻을 수 없다는 문제점이 있다. 즉 수평하중(F1)에 의 한 수평변위 곡선 즉, 이력곡선이 상당히 불안정해진다는 문제점 때문에 통상 납(4)의 직경이 약간 크도록 제작하고 탄성체의 중공부의 직경을 약간 작게 형성되도록 함으로서, 납(4)이 중공부에 밀어 넣으면서 끼워지도록 설치하여, 납이 탄성체에 꽉 끼워져 설치되도록 하고 있다. 하지만 이러한 납의 설치작업은 탄성체의 두께에 따라서는 작업성이 매우 떨어질 뿐 만 아니라, 납은 항복 후 저항력이 거의 없으므로 큰 상대변위에 효과적으로 저항할 수 없으며 납은 그 성질 상 가해지는 힘이 제거되는 경우에도 잔류변형이 원상회복되지 않기 때문에 탄성체에 잔류변형을 남길 수 있으며 상기 납의 영구변형에 의하여 지진 후 반드시 교체되어야 한다는 문제점이 있었다.

형상기억합금(Shape Memory Alloy, SMA)은 오스테나이트(Austenite)의 안정된 상태에서 응력(Stress)이 가해지는 경우 불안정한 마텐사이트(Martensite) 상태로 변하게 된다. 이를 응력에 의해서 유발되는 마텐사이트(Stress-induced martensite, SIM)라고 한다. 이러한 SIM 상태에서 응력이 제거되면 다시 안정한 오스테나이트(Austenite)상태로 복귀된다. 이러한 합금의 거동과정에서 상당한 에너지 흡수능력을 보이게 되며, SIM 상태에서 합금의 강성이 증가되고(Stiffness Hardening), 큰 변형 후에도 원상으로 복원되는 능력이 매우 뛰어나다. 즉 잔류변형이 발생되지 않는다. 이러한 에너지 흡수 능력은 면진장치에서 댐퍼(Damper)로서 기능하도록 하며, SIM 상태에서의 강성증가는 면진장치의 과도한 상대변위를 제어하는데 매우 효과적이 된다.

이러한 형상기억합금의 특성을 이용한 종래의 면진장치는 형상기억합금을 바(Bar)형태로 하고, 그 길이를 2-3m 정도로 하여 면진장치 외부에 설치하는 것이 소개된 바 있다. 하지만 형상기억합금을 바 형태로 설치하는 경우 외력에 의하여 좌굴(Buckling)이 발생할 수 있다는 문제점이 있었으며 또한 상기 바(Bar)는 면진장치의 외부에 설치되어야 하므로 추가적인 작업을 요구하여 시공성이 떨어진다는 문제점이 지적되었다.

본 발명의 목적은 형상기억합금을 이용하되 면진장치에 보다 용이하게 설치될 수 있는 형상기억합금을 이용한 면진장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 형상기억합금을 이용하여 보다 큰 에너지 흡수 능력이 확보될 수 있는 형상기억합금을 이용한 면진장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 형상기억합금에 의하여 과도한 상대변위가 발생되더라도 충분히 이를 제어할 수 있는 형상기억합금을 이용한 면진장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 형상기억합금에 의하여 면진장치에 잔류변형이 발생하지 않는 형상기억합금을 이용한 면진장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 기술적과제를 달성하기 위하여

첫째, 형상기억합금을 와이어 형태로 이용하되 설치 시, 선행응력이 도입되도록 하였다.

본 발명의 형상기업합금 와이어(SMA Wire, 300)는 형상기억합금을 와이어 형태로 형성시킨 것이다. 형상기업합금 자체는 니티놀 형상기억합금(Ni-Ti alloy)과 같이 형상기업합금의 기본적 특성을 가진 다른 조성의 합금도 이용할 수 있으며, 길이에 대한 직경이 비가 작아 와이어로서 운반, 설치 및 가공이 매우 편리한 정도로 제작된 것을 이용하게 된다. 이로서 바(Bar) 형상의 형상기억합금(SMA)을 이용하는 경우와 비교하여 시공성이 매우 뛰어나며, 면진장치(400) 외부가 아닌 내부에 설치될 수 있도록 하여 형상기억합금의 설치를 용이하게 할 수 있도록 하였다.

형상기업합금(SMA)은 응력이 가해진 상태에서 상기 응력이 제거될 때 즉, 마텐사이트(Martensite)상태에서의 안정된 오스테나이트(Austenite)상태로 변태될 때 형상기억효과를 가질 수 있음을 이용하여 본 발명에서는 와이어(WIRE) 형태로 성형시킨 상태에서 면진장치(400)에 설치할 때 미리 선행응력이 도입된 상태 즉, 인장응력에 의한 선행응력이 도입된 상태로 면진장치에 설치될 수 있도록 한다. 이러한 선행응력(Pre-strain)을 도입시키게 되면 형상기억합금 와이어는 항상 인장 선행응력이 도입되어 있으므로 도 2와 같이 수평진동에너지 흡수능력(빗금 친 부분의 면적,A)을 항상 발휘할 수 있게 될 뿐만 아니라, 어떠한 방향의 수평하중에 의하여도 잔류변형 없이 소성변형 이후에 수평하중이 제거되면 원래의 상태로 복원될 수 있게 된다. 즉, 도 3b 및 도 3c와 같이 면진장치에 수평하중(F2)이 가해지는 경우 면진장치(400)에 상대변위가 발생되는데 미리 선행응력이 가해진 형상기업합금 와이어(300)가 수평하중에 따라 소성변형을 일으키면서 수평진동에너지를 흡수하고, 최종적으로 형상기업합금 와이어(300)의 탄성복원력에 의하여 원래의 위치로 탄성체(200)가 복원될 수 있도록 한다.

상기 선행응력은 형상기업합금 와이어(300)에 있어 탄성범위를 지나 항복응력(F2y)에 도달할 정도로 도입시켜 형상기업합금 와이어(300)가 가지는 높은 항복응력 이후의 소성변형이 곧바로 발휘될 수 있도록 한다. 이로서 면진장치(400)로서 기능을 탄성체의 중공부에 설치된 납 없이도 덮개판(5a,5b), 탄성체(200) 및 형상기억합금 와이어(300)로서 확보할 수 있게 된다.

둘째, 형상기업합금 와이어(300)를 면진장치(400) 내부에 직접 설치할 수 있도록 하였다. 도 3a는 본 발명의 형상기업합금 와이어(300)가 덮개판(5a,5b) 사이에 설치된 상태의 개념도이다.

형상기업합금(SMA) 와이어(300)는 면진장치(400)의 외부에 설치되는 것이 아니라 상부 및 하부덮개판(5a,5b)을 안쪽에서 서로 연결시켜 상부 및 하부덮개판 및 탄성판(210) 내부에 강성판(220)이 형성된 탄성체(200)가 형상기업합금 와이어(300)에 의하여 구속되면서 서로 하중에 대하여 일체로 거동하도록 한다.

도 3b 및 도 3c는 본 발명의 형상기업합금 와이어(300)가 면진장치(400)에 설치된 상태에서 수평하중(F2)이 가해지는 경우의 거동을 도시한 것이다.

면진장치(400)의 전면부에 1개의 형상기업합금 와이어(300)가 설치되는 경우가 도시되어 있으나 후면부를 포함하여 좌, 우측면에도 설치될 수 있으며, 설치개수는 면진받침의 크기, 설치개수에 따라 조정될 수 있다.

본 발명의 가장 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 살펴본다.

<실시예>

본 발명의 면진장치는 상부 및 하부 커버덮개판(5a,5b) 사이에 위치하는 탄성체(200)와 형상기억합금 와이어(300)를 상기 상부 및 하부 덮개판(5a,5b)을 서로 연결시켜 이루어진다.

상부 및 하부덮개판(5a,5b)은 통상의 강판으로서 제작될 수 있으며 하부덮개판(5b) 하면에는 교각과 같은 하부구조물이 설치되고, 상부덮개판(5a)에는 교량상판과 같은 교량상부구조물이 얹어져 설치됨으로서 기본적으로 면진장치는 연직방향의 하중을 지지할 수 있도록 한다.

상부 및 하부덮개판(5a,5b) 사이에는 탄성재료층을 구성하는 고무 등으로 이루어진 탄성판(210)과 강성재료층을 구성하는 고리형상의 강성판(220)을 번갈아 적층하고 상호 고정하여 이루어진 고리형상의 탄성체(200)가 도 3a와 같이 설치될 수 있다.

지진하중은 통상 수평하중의 상태로 면진장치(400)에 작용하게 된다. 이로서 면진장치는 수평하중이 가해지는 방향으로 원래의 위치에서 상대변위가 발생하며 이는 수평진동에너지를 형상기억합금 와이어(300)가 흡수하는 과정에서 상쇄된다.

형상기억합금 와이어(300)에는 미리 선행응력이 도입되어 상부 및 하부덮개판(5a,5b)에 설치될 수 있어야 한다. 즉, 도 3a와 같이 상부덮개판 및 하부덮개판(5a,5b)의 한쪽 단부를 삼각쐐기 형상으로 형성시키고 상기 삼각쐐기 형상의 단부를 고정구에 삽입시켜 지지되도록 한 상태에서, 와이어가 하부덮개판 및 상부 덮개판의 연결구를 차례로 관통하여 하부덮개판 및 상부덮개판을 감싸도록 설치시키고, 타 단부가 고정구 쪽으로 모여지면서 선행응력이 도입된 상태에서 형상기억합금 와이어(SMA WIRE)의 타단부를 정착부에 정착시키는 방식으로 설치할 수 있다. 이때 상기 고정구, 연결구 및 정착부를 연결수단(500)으로 정의하고, 연결수단(500)에 형상기억합금 와이어(300)를 설치하는 방식은 쐐기를 이용하여 정착시킬 수 도 있고 용접도 가능하다.

또한 상부 및 하부덮개판(5a,5b)에 소정의 구멍을 형성시키고 와이어를 상부 및 하부덮개판에 형성된 구멍을 관통하면서 최종적으로 선행응력이 도입되도록 한 상태에서 형상기억합금 와이어를 고정, 연결 및 정착시킬 수도 있으며 다양한 설치방법으로 형상기억합금 와이어(300)를 덮개판(5a,5b)에 설치할 수 있다.

즉, 본 발명의 형상기억합금 와이어(300)는 상부 및 하부덮개판(5a,5b) 내부에 설치되어 상부 및 하부덮개판을 서로 연결시키는 방식으로 하여 면진장치(400)와 함께 거동하게 되면 상기와 같이 고정구, 연결구 및 정착구와 같은 연결수단(500)을 이용해도 되고 구멍이 형성된 상부 및 하부덮개판(5a,5b)을 이용하여 형상기억합금 와이어(SMA WIRE)를 설치해도 상관없다. 도 4는 본 발명의 형상기억합금 와이어(300)가 설치된 면진장치(400)에 있어 수평하중(F2)에 대한 수평변위가 표시된 이력곡선을 도시한 것이다. 수평하중이 인장(+)이든 압축(-)이든 대칭적인 이력곡선이 도시됨을 알 수 있으며 소성변형 이후의 수평하중에 의하여 개략 6%정도의 변형경화가 발생한다 할지라도 잔류변형 없이 원래의 상태로 복귀될 수 있음을 알 수 있다.

본 발명의 형상기억합금 와이어(SMA WIRE)는 면진장치에 직접 용이하게 설치되어 시공성이 뛰어나고, 수평하중에 대한 수평진동에너지의 흡수 능력이 뛰어나고, 상당히 큰 변형이 발생한다할지라도 잔류변형 없이 원 위치로 복원될 수 있어 내구성 및 피로에 강한 면진장치의 제작이 가능하다.

도 1a 및 도 1b는 종래의 납-고무 베어링의 사시도 및 단면도를 도시한 것이다.

도 2는 형상기억합금 와이어의 이력곡선으로 선행응력을 도입하는 기법을 도시한 것이다.

도 3a는 본 발명의 면진장치에 형상기억합금 와이어가 설치된 상태를 도시한 것이고, 도 3b 및 도 3c는 수평하중이 가해진 상태에서 수평변위가 발생한 면진장치를 도시한 것 이다.

도 4는 본 발명의 면진장치의 이력곡선을 도시한 것이다.

<도면의 주요 부호의 설명>

5a,5b:상부 및 하부덮개판

200:탄성체

210:탄성판 220:강성판

300:선행응력이 도입된 형상기업합금 와이어(SMA WIRE)

400:본 발명의 면진장치

Claims (3)

1. 상부 및 하부덮개판(5a,5b) 사이에 위치하는 탄성체(200)를 포함하는 면진장치(400)에서, 외력에 의한 탄성판의 변형에 대응하여 형상기억합금 와이어(SMA WIRE,300)를 상기 상부 및 하부 덮개판(5a,5b)이 서로 연결되도록 설치하여 외력에 대하여 면진장치(400)가 일체로 거동하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 와이어를 이용한 면진장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 상부 및 하부 덮개판(5a,5b)에 형상기억합금 와이어(300)가 연결되는 연결수단(500)이 형성되고, 상기 연결수단(500)에 형상기억합금 와이어(300)를 연결시켜 상부 및 하부덮개판(5a,5b)이 형성기억합금 와이어(300)에 의하여 감싸도록 설치되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 와이어를 이용한 면진장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 형상기억합금 와이어(300)는 선행응력이 도입된 상태에서 설치되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 와이어를 이용한 면진장치.