KR20060084173A - 형상기억합금을 이용한 교량용 면진교좌장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지진하중에 대하여 잔류변형이 발생하지 않고, 에너지 소산능력이 매우 뛰어난 형상기억합금을 이용한 교량용 면진교좌장치에 관한 것으로서, 내진에 저항하는 방향으로 하나 이상의 하부플레이트 및 상부플레이트 사이에 연결됨과 더불어 베어링 주위에 형상기억합금 봉 또는 판재를 포함하는 면진수단이 더 부착되며, 상기 상부 및 하부플레이트와 면진수단의 연결부는 적어도 일측 단부가 고정부로 형성되고 수직방향으로 면진장치의 변위 또는 변형을 구속하지 않도록 타측 단부가 자유단으로 형성된다.

교좌장치, 형상기억합금, 형상기억효과, 면진장치

Description

형상기억합금을 이용한 교량용 면진교좌장치{Earthquake Isolation Bearing for Bridges Using Shape Memory Alloy}

도 1a 및 도 1b는 종래의 납-고무베어링을 도시한 것이다.

도 1c, 도 1d 및 도 1e는 형상기억합금의 응력-변형률-온도의 상관관계 그래프, 형상기억합금의 마텐사이트 상태의 거동 및 마텐사이트 상태의 형상기억합금으로 제작된 봉의 휨 거동에 관한 그래프이다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 교량용 면진장치의 예들을 도시한 것이다.

도 3은 본 발명의 교량용 면진장치에서 형상기억합금 봉 또는 판의 상부, 하부 연결부의 예를 도시한 것이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100a,100b:형상기억합금을 이용한 교량용 면진교좌장치

110a,110b:하부플레이트 120a,120b:상부플레이트

130:납-고무베어링 140a,140b:면진수단

200:면진베어링

본 발명은 형상기억합금을 이용한 교량용 면진교좌장치에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 교량용 면진교좌장치에 형상기억합금으로 제조된 면진수단을 더 설치하여 지진에 대한 저항성능이 향상된 교량용 면진교좌장치에 관한 것이다.

일반적으로 교량은 하부구조물인 교각 또는 교대와 그 상부에 설치되는 상부구조물인 상판(슬래브 등)으로 이루어진다.

상기 상판은 교각 위에 미리 설치시킨 교량용 거더(Girder) 위에 얹어져 설치되는 것이 일반적인데, 상기 상판과 거더는 지진, 바람, 온도변화, 차량 운행에 따른 수평, 수직방향의 외력이 작용하여 비틀림을 포함한 변형 또는 변위를 일으키게 된다.

이러한 상판 또는 거더의 변형 또는 변위를 흡수할 수 있는 장치가 거더 또는 교각 상부면에 설치한 교좌장치이다.

이러한 교좌장치는 본 발명과 관련하여 면진용으로 다수가 이미 개발되었는데, 이러한 교좌장치로서 크게 마찰형 포트베어링(Frictional Port Bearing)과 내부에 납판이 매설된 납-고무 베어링(Lead-Rubber Bearing, LRB) 등이 종래에 이용되었다.

상기 마찰형 포트베어링의 경우 통상의 포트부 내부에 설치되는 디스크 형상의 탄성부재인 완충패드, 상기 완충패드에 설치되며, 전달되는 하중에 의하여 기울기 운동을 하는 디스크 형상의 피스톤, 상기 피스톤과 상부플레이트 사이에 상대적인 미끄럼운동을 원할 하게 하기 위하여 설치된 PTEF계 수지(불소수지)로 제작된 베어링판 외에 기타 면진기능을 가지는 추가적인 구성을 포함할 수 있는데, 무엇보 다도 지진 발생 후 잔류변형이 남을 수밖에 없다는 가장 큰 문제점이 있었다. 상기의 문제점, 즉 잔류변형을 회복하기 위해 마찰면을 원형으로 처리하는 경우가 있으나 이 경우는 기계적 거동이 복잡하여 면진기능을 가지는 구성과 그 이외의 구성에 대한 연관설계가 매우 어렵다.

상기 납-고무 베어링을 사시도 및 단면도로 도시한 것이 도 1a 및 도 1b이다. 납-고무베어링은 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 삽입된 원주형상의 납(4)과, 원주형상의 납의 하면 및 상면에 각각 맞닿아서 탄성체의 하면 및 상면에 볼트 등에 의하여 부착된 덮개판을 구비하여 하부덮개판(5b)이 교각, 기초 등의 구조물에 고정되고, 상부덮개판(5a)에 상판 또는 거더가 얹어 놓여 상판 등의 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 탄성체를 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 하며, 무엇보다도 과도한 변형이 발생하는 경우 면진장치로서의 기본적인 기능에 대한 불안정성이 있다는 문제점이 있다는 문제점이 있었다.

본 발명에서 이용하는 형상기억합금(Shape Memory Alloy, SMA)은 상온에서 두 가지 형태를 가지며, 하나는 도 1c의 세 번째 상태인 마텐사이트 상태로, 응력에 의해서 변형을 일으키며, 응력이 제거되면 상당한 잔류변형이 남지만, 도1d와 같이 열을 가하여 온도를 상승시키면 잔류변형을 회복하여 원상태로 되돌아 갈 수 있는 상태의 형상기억합금이다. 이렇게 온도에 의해서 원래의 상태로 회복하는 거동을 형상기억효과(shape memory effect)라 한다. 또 하나는 도 1c의 두 번째 상태인 오스텐나이트 상태로 응력을 가하며 변형이 발생하지만 응력을 제거하면 잔류변형 없이 원래의 상태로 복원하는 상태의 형상기억합금이다. 이러한 거동은 초탄성(superelastic behavior)라 한다. 이러한 거동들은 형상기억합금의 변태과정을 거쳐 일어나게 된다. 특히 도 1e에서는 마텐사이트 상태의 형상기억합금 봉의 휨(bending) 거동이 나타나 있는데, 결국, 형삭기억합금은 적어도 마텐사이트 상태로 제작시키는 경우 힘에 대한 변위의 거동에 있어 원래의 상태로 변형을 회복할 수 있게 됨을 알 수 있다.

본 발명의 목적은 오스텐나이트 및/또는 마텐사이트 상태의 형상기억합금으로 제작한 봉 또는 판을 교량용 교좌장치에 설치한 면진용교좌장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 종래의 교좌장치에 간단하게 형상기억합금 재질의 면진수단을 부착시키는 것으로 종래의 교좌장치의 기능을 확보하면서도 추가적으로 면진성능을 추가 또는 보완할 수 있는 교량용 면진교좌장치를 제공하는 것이다.

상기 기술적과제를 달성하기 위하여, 본 발명은

첫째, 상,하부플레이트 사이에 설치된 베어링을 포함하는 교량용 교좌장치에 있어서, 베어링 주위 및 상,하부플레이트 사이에 형상기억합금으로 제작한 봉 또는 판형태의 면진수단을 설치하도록 하되, 일측단부는 고정단 타측단부는 자유단으로 상,하부플레이트에 연결되도록 하였다.

이러한 면진수단은 기본적으로 종래의 베어링에 부가하여 설치되어, 수직방향으로 교좌장치의 변위 또는 변형에 의한 이동을 구속하지 않도록 하여, 교좌장치가 수직방향으로의 변위 도는 변형을 흡수할 수 있도록 하였고, 내진성능을 확보하 기 위한 수평방향으로의 변위 또는 변형은 특히 형상기억합금에 의한 형상기억효과및 초탄성거동을 이용하여 이를 흡수할 수 있도록 하였다.

둘째, 상기 면진수단을 설치함에 있어서, 면진수단의 일측단부는 플레이트에 고정되도록 하였고, 타측단부는 교좌장치의 변위 또는 변형이 구속되지 않도록 상부플레이트에 부착되도록 하였다.

예컨대 특히 상기 고정단은 면진수단의 일측단부가 용접을 포함한 고정수단에 의하여 고정되고, 상기 자유단은 면진수단의 타측 단부에 가이드판이 형성되며, 상기 가이드판은 상부, 하부플레이트의 하부 또는 상부면에 형성된 연결홈 내부공간에 위치하도록 상기 내부공간 보다 작은 크기로 크기가 정해져 연결홈 내부에서 적어도 수직방향으로 변위이동이 구속되지 않도록 이격공간이 형성된 면진수단의 연결구성을 제시한다.

이하, 본 발명에 따른 교량용 면진교좌장치를 도면에 도시된 실시예를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 교량용 면진장치의 단면도들을 도시한 것이다.

도 2a에 도시된 본 발명의 교량용 면진장치(100a)는 하부플레이트(110a), 상부플레이트(120a), 상기 상부 및 하부플레이트 사이에 설치된 고무베어링(130) 및 상기 고무베어링(130) 주위 및 하부, 상부플레이트(110a,120a) 사이에 설치된 형상기억합금으로 제조된 봉 또는 판형태의 면진수단(140a)을 도시한 것이다.

상기 하부플레이트(110a)는 교량의 교각 또는 교대 상부면에 앵커볼트 등을 이용하여 설치되며, 도시되지 않았지만 소울플레이트에 의하여 간접적으로 교각 또 는 교대 상부면에 설치될 수 있다.

통상은 사각형 또는 원형으로 소정의 두께를 가지는 강판 또는 스테일레스 판으로 제작되며, 상부플레이트(120a)와 함께 교좌장치를 교대 또는 교각에 설치하기 위한 베이스판 역할 및 전달되는 수직하중을 교대 또는 교각에 전당하는 기능을 가진다.

상기 상부플레이트(120a)는 슬래브 또는 교량용 거더의 하부면에 직접 또는 소울플레이트를 통해 교량 상부구조물로부터 하중이 전달되는 기능을 가지며, 역시 사각형 또는 원형으로 소정의 두께를 가지는 강판 또는 스테일레스 판으로 제작될 수 있고, 상부에 설치되는 상판(교량용 슬래브 및 거더로부터 전달되는 하중을 납-고무베어링(130) 및 면진수단(140a)에 전달하는 역할을 하게 된다.

본 발명에서는 특히 지진하중에 의한 수평력이 전달됨에 있어서, 후술되는 고무베어링(130) 및 면진수단(140a)이 이러한 수평력에 저항하는 역할을 하게 된다.

상기 고무베어링(130)은 통상의 교좌장치용 베어링으로서 탄성재료층을 구성하는 고무 등으로 이루어진 탄성판(131)과 강성재료층을 구성하는 고리형상의 강성판(132)을 번갈아 적층하고 상호 고정하여 이루어진 고리형상의 고무 베어링(130)이 설치될 수 있으며, 다양한 형태로 재구성될 수 있다.

지진하중은 통상 수평하중의 상태로 교량용 교좌장치(100a)에 작용하게 된다. 이로서 교량용 교좌장치(100a)는 수평하중이 가해지는 방향으로 원래의 위치에서 상대변위가 발생하며, 1차적으로는 본 발명의 상기 고무베어링(130)을 구성하 는 탄성판(131)과 강성판(132)이 상기 상대변위를 흡수하게 되며, 이러한 상대변위 흡수가 도 3의 이격공간인 s4 또는 s3보다 크게 되면 본 발명의 형상기억합금으로 제작된 면진수단(140a)이 2차적으로 상기 상대변위의 초과부분을 상쇄하게 된다.

즉, 본 발명에서는 고무베어링(130)이 가지는 면진기능을 향상시키기 위하여 형상기억합금으로 제작된 면진수단(140a)을 설치하게 되는데, 이러한 면진수단(140a)은 형상기억합금으로 제작하며 봉 또는 판 형태로 제작된 것을 상부, 하부 플레이트 사이 및 고무 베어링 주위에 부착하는 방식으로 간단하게 설치할 수 있다.

따라서 종래의 교량용 교좌장치에 있어 추가로 설치하는 경우 면진성능을 충분히 보완할 수 있으며, 교좌장치를 처음 제작할 때 함께 설치해도 상관없다.

형상기억합금은 가공이 용이하므로 봉 형태로 제작하는 경우 상부, 하부플레이트 사이에 고무베어링 주위를 따라 소정의 간격을 두고 다수를 부착시킬 수 있으며, 이 경우 봉은 단면이 원형이므로 제 1 수평방향과 이에 수직인 제 2 수평방향에 대하여 동일한 강성을 가지며,

판 형태로 제작하는 경우, 봉과 같이 고무베어링 주위를 따라 다수를 부착이 가능하나, 판의 단면이 직사각형으로 구성되며 제 1 수평방향과 제 2 수평방향의 강성에 차이가 있을 수 있다. 이러한 특성은 교량의 면진기능에서 교축직각 방향의 수평변위를 제어하기 위한 기능으로 활용하기 위해 상기의 교축직각방향으로 판의 강성을 크게 하여 부착이 가능하다.

이러한 면진수단(140a)은 특히 고무베어링(130)이 소성 변형되어 그 원래의 상태로 복원되지 않을 정도의 변위 또는 변형이 발생하는 경우에 함께 수평방향으로 변위 또는 변형이 발생하게 된다.

만약 이러한 변위 또는 변형량은 형상기억합금을 오스텐사이트 상태의 봉 또는 판을 이용하였다면 별도로 조치하지 않아도 면진수단의 초탄성 거동 의하여 고무 베어링은 원래의 위치 및 상태로 복원될 수 있게 된다.

설사, 마텐사이트 상태 형상기억합금의 봉 또는 판이 사용되었다 하여도 이때는 면진수단의 형상기억의 효과를 발현시키기 위하여 소정의 열을 가함으로서 고무 베어링은 역시 원래의 위치 및 상태로 복원될 수 있게 된다.

상기 면진수단(140a)의 상부 및 하부플레이트(110a,120a)와의 연결부를 도시한 것이 도 3이다.

면진수단(140a)의 하부는 하부플레이트에 용접 등의 방법으로 강결되어 있어 고정단이 형성되며, 이는 면진수단을 교좌장치에 고정시키는 수단이 된다.

면진수단(140a)의 상부는 상부플레이트에 고정되는 것이 아닌 고무베어링의 탄성체(131)의 수직 및/또는 수평방향 변위 또는 변형을 어느 정도 미리 흡수할 수 있도록 부착되어 자유단이 형성된다.

상기 자유단으로의 부착방법으로 본 발명에서는 하부플레이트(120a) 하부면에 사각형의 연결홈(121a)을 형성시키되 면진수단이 삽입될 수 있는 구멍(122a)이 형성되도록 한다.

상기 연결홈(121a)에는 연결홈이 차지하는 공간보다 작은 크기로 삽입된 가이드판(123a)이 설치된다.

상기 가이드판(123a)의 상,하, 좌,우에는 이격공간(s1,s2,s3,s4)이 형성되어 탄성체(131)의 수직, 수평방향의 변위, 온도팽창 및 수축에 의한 이동을 흡수할 수 있고, 상기 구멍(121a)의 경우 면진수단(140a)의 상부 단부가 삽입될 수 있도록 그 크기를 조정하게 된다.

구체적으로 좌, 우 이격공간(s3,s4)의 경우에는 교량 거더의 온도팽창 및 수축에 대한 수평방향 변위를 흡수할 수 있는 이동공간의 역할을 하게 되고,

상, 하 이격공간(s1,s2)의 경우에는 납-고무베어링(130)을 구성하는 탄성체의 탄성변형 및 수직방향으로의 변위 및 변형을 흡수할 수 있는 공간으로 활용된다.

적어도, 상, 하 이격공간(s1,s2)을 확보할 수 있도록 함으로서 면진수단으로서의 기능을 확보할 수 있도록 한다.

나아가, 면진수단(140a)의 하부를 자유단으로 하고, 상부를 고정단으로 할 수도 있고, 면진수단의 양 단부를 고정단으로도 할 수 있다. 이는 면진수단의 작용에 따라 그 기능을 한정시킬 필요가 있을 경우에 고정단, 자유단의 위치를 조합하여 결정하며, 단지, 상, 하부 모두를 자유단으로 하는 경우는 배제한다.

도 2b에 도시된 본 발명의 교량용 면진장치(100b)는 상부플레이트(110b) 하면에 설치된 불소수지판(210); 상기 불소수지판(210)과 고무판(220) 사이에 형성된 강재플레이트(220); 상기 하부플레이트(120b) 상면에 설치된 고무판(230); 및 상기 하부플레이트와 고무판을 관통하도록 설치된 전단키(240)를 포함하는 면진 베어링(200); 상기 상부 및 하부플레이트 사이에 설치된 면진 베어링(200) 및 상기 면진 베어링(200) 주위 및 상부, 하부플레이트 사이에 설치된 형상기억합금으로 제조된 봉 또는 판형태의 면진수단(140b)을 도시한 것이다.

도 2b에 도시된 상기 교량용 면진장치(100b)는 도 2a의 교량용 면진장치(100a)와 비교하여 단지 설치되는 베어링에 차이가 있을 뿐 면진수단(140b)의 기능 및 작용은 동일하다.

상기 면진베어링(200)을 구성하는 불소수지판(210)은 지진하중에 의하여 전달되는 수평력을 마찰력에 의한 소산시키기 위하여 설치되는 것으로서 하부플레이트(120b)의 하부면에 부착된다.

상기 불소수지판(210) 하부에는 강재플레이트(220)가 설치되며 지진하중에 의한 수평력에 저항하는 역할을 하며 또한 수직하중을 하부의 고무판(230)에 전달하는 역할을 하게 된다. 강재플레이트(220)는 상부플레이트(120b)와 면진수단(140b)이 수평력에 의해서 수평방향으로 변형 또는 변위가 발생할 때 전단키(240)에 의해서 저지되므로 수평 변위를 일으키지 않는다.

상기 강재플레이트(220) 하부에는 고무판(230)이 설치되어 강재플레이트(220)로 전달되는 수직 및 수평하중에 대하여 그 자체의 탄성력에 의하여 저항할 수 있게 된다. 이러한 고무판(220)은 하부플레이트(110b)에 부착되는데 그 부착성능을 높이기 위하여 전단키(240)를 설치하게 된다. 상기 전단키는 적어도 고무판(220) 및 하부플레이트(110b)를 관통하도록 설치되며, 그 설치개수는 적어도 1개 이상을 설치하면 된다.

상기 면진수단(140b)은 도 2a의 면진수단(140a)과 동일하게 설치되며, 상부 및 하부플레이트와 부착방법도 동일하게 적용될 수 있다.

본 발명에서는 형상기억효과를 가지는 형상기업합금으로 제조된 봉 또는 판 형태의 면진수단(140a,140b)을 상부 및 하부플레이트(110a,110b,120a,120b) 사이에 부착시키고, 그 하부 및 상부는 자유단 및 고정단을 조합시켜 여러 형태의 베어링에 따른 수평 및 수직방향의 변위 또는 변형을 흡수할 수 있도록 부착시키는 것을 기술적 특징으로 하므로, 상기 베어링의 형태는 수평방향으로 변위 또는 변형이 발생하며 1차적으로 이러한 변위 또는 변형을 흡수할 수 있는 여러 다른 형태의 종래의 면진용 교좌장치를 모두 포함하게 된다.

본 발명의 형상기억합금을 이용한 교량용 면진교좌장치는 면진수단을 종래 또는 새로운 교좌장치에 설치하는 것만으로, 상기 면진수단 자체의 강성도 크기 때문에 교량의 상부구조물의 변위 또는 변형제어능력이 향상될 뿐만 아니라고, 매우 큰 변위 또는 변형이 발생한다 할지라도 열을 가하는 경우 교좌장치가 원래의 상태로 용이하게 복원될 수 있게 된다.

따라서 본 발명의 교좌장치는 지진에 의한 잔류변형이 남지 않는 교좌장치로 이용이 가능하게 된다.

또한 철도교량에 사용되는 경우 형상기억합금의 봉 또는 판이 수평방향에 대해서 스프링 역할을 하므로 온도팽창으로 인하여 발생하는 교량의 수평방향 변위를 제하여 온도하중에 의해 레일에 발생하는 응력 저감에 매우 유용하게 이용될 수 있다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적 사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상을 다양한 형태로 개량 변경하는 것이 가능하다. 따라서 이러한 개량 및 변경은 통상의 지식을 가진 자에게 자명한 것인 한 본 발명의 보호범위에 속하게 된다.

Claims (3)

1. 상, 하부플레이트 사이에 설치된 베어링을 포함하는 교량용 교좌장치에 있어서,

   내진에 저항하는 방향으로 적어도 하나 이상의 하부플레이트 및 상부플레이트 사이에 연결됨과 더불어 베어링 주위에 형상기억합금 봉 또는 판재를 포함하는 면진수단이 더 부착되며, 상기 상부 및 하부플레이트와 면진수단의 연결부는 적어도 일측 단부가 고정부로 형성되고 수직방향으로 면진장치의 변위 또는 변형을 구속하지 않도록 타측 단부가 자유단으로 형성되는 것을 특징으로 하는 교량용 면진교좌장치.
2. 제 1항에 있어서, 상기 면진수단의 연결부에 있어서,

   상기 고정단은 면진수단의 일측단부가 용접을 포함한 고정수단에 의하여 고정되고, 상기 자유단은 면진수단의 타측 단부에 가이드판이 형성되며, 상기 가이드판은 상부, 하부플레이트의 하부 또는 상부면에 형성된 연결홈 내부공간에 위치하도록 상기 내부공간 보다 작은 크기로 크기가 정해져 연결홈 내부에서 적어도 수직방향으로 변위이동이 구속되지 않도록 이격공간이 형성되도록 하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금을 이용한 교량용 면진교좌장치.
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 베어링은 고무 베어링 또는 상부플레이 트 하면에 설치된 불소수지판; 상기 하부플레이트 상면에 설치된 고무판; 상기 불소수지판과 고무판 사이에 형성된 강재플레이트; 및 상기 하부플레이트와 고무판을 관통하도록 설치된 전단키를 포함하는 면진베어링인 것을 특징으로 하는 교량용 면진교좌장치.

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