KR20070096140A

KR20070096140A - 형상기억합금 부재를 이용한 교량의 지진변위제어장치

Info

Publication number: KR20070096140A
Application number: KR1020060014203A
Authority: KR
Inventors: 안숙희; 백낙현
Original assignee: 안숙희; 양경택
Priority date: 2006-02-14
Filing date: 2006-02-14
Publication date: 2007-10-02

Abstract

본 발명은 교량상부구조물에 설치되어 지진하중 작용방향으로 이동하되 중공실린더를 포함하는 단부수용부재; 및 일단부가 상기 단부수용부재에 연결되며, 타단부가 교량하부구조물에 설치되되, 오스텐나이트 또는 마텐사이트 상태로 제작된 연결바를 포함하는 형상기억합금부재;를 포함하여, 지진하중에 의한 교량상부구조물의 변위를 효과적으로 제어할 수 있는 형상기억합금 부재를 이용한 교량의 지진변위제어장치에 관한 것이다.

형상기억합금, 지진하중, 낙교방지,지진변위제어

Description

형상기억합금 부재를 이용한 교량의 지진변위제어장치{EARTHQUAKE PROOF APPARATUS FOR GRIDGE USING MEMORY STEEL ALLOY MEMBER}

도 1은 종래의 케이블을 이용한 낙교방지장치를 도시한 것이다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 형상기억합금 부재를 이용한 지진변위제어장치의 설치상태도를 도시한 것이다.

도 3a 및 도 3b는 본 발명의 형상기억합금부재와 단부수용부재와의 연결상태도를 도시한 것이다.

도 4a 및 도 4b는 본 발명의 형상기억합금부재의 역학적 특성을 도시한 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

100:교량상부구조물 200:단부수용부재

210:실린더부재 300:교량하부구조물

400:형상기억합금부재 410,420:형상기억합금부재의 일단부 및 타단부

430,440:나사체결부 450,460:단부연결부재

500:댐퍼 600:체결판

본 발명은 형상기억합금 부재를 이용한 교량의 지진변위제어장치에 관한 것이다. 더욱 구체적으로 교량에 있어서 형상기억합금부재를 이용하여 지진하중에 대한 변위 제어 및 낙교를 방지할 수 있는 형상기억합금부재를 이용한 지진변위제어장치에 관한 것이다.

종래 다경간 단순지지 교량은 도 1과 같이 각 경간이 고정단(10) 교량받침과 가동단(20) 교량받침(SHOE)에 의해서 받쳐져 있는 것이 통상적이다. 하지만 내진설계가 반영되지 않은 교량의 경우, 지진 발생 시 가동단 교량받침(20)의 움직임에 의해서 교량 상부구조가 아래로 추락하는 낙교현상이 발생할 수 있다.

이를 방지하기 위한 종래의 방법으로서

첫째, 교각 또는 교대를 보강하는 방법 또는 교량받침을 면진기능을 가진 교량받침으로 교체하는 방법이 소개되어 있으나, 이러한 방법은 시공성이 떨어질 뿐만 아니라 비교적 공사비가 고가라는 문제점이 있었으며,

둘째, 락업디바이스(Lock Up Device, LUD, 일종의 댐퍼)를 설치하는 방법도 소개되어 있다. 상기 락업디바이스는 지진하중을 분배할 수 있는 일종의 하중흡수 수단인데, 지진하중에 대하여 소정의 변위이동이 가능한 가동단 교각에 이러한 락업디바이스을 설치할 경우 교각에 지진하중을 분배할 수 있다는 장점은 있으나, 전달되는 지진하중에 의하여 교각이 파손될 우려가 있었을 뿐만 아니라, 특히 고정단인 교대에 대하여는 교대 파손 문제 때문에 락업디바이스를 직접 설치할 수 없어 그 적용에 제한이 많아 보다 적극적인 활용개선방안의 요구되었으며,

셋째, 그림 1의 발췌사시도와 같이 케이블(30)로 교량상부구조물인 바닥판(40)과 교량하부구조물인 교대(50)의 상부를 연결하여 낙교를 방지하는 방식이 소개되어 있으나 이러한 케이블 설치방식은 지진하중에 대한 반응속도가 신속하지 못하고, 특정 방향의 지진하중에 대하여만 변위제어 및 낙교방지가 가능한다는 문제점이 지적되었다.

즉, 케이블 낙교방지장치의 경우, 교량상부구조물의 온도팽창 등에 의한 피로하중으로 케이블과 교량에 피로문제가 유발될 수 있다는 문제점 때문에 상기 온도팽창을 상쇄시키기 위하여 갭(Gap 또는 Sag, 예컨대 다소 늘어지게 설치해야 한다.)을 두어야 하는데,

케이블에 갭을 두어 설치하는 경우,케이블은 그 설치에 있어 일방향으로만 지진하중에 대응할 수 있다는 근본적인 문제점이 있었다. 즉, 그림 1의 A1 교대에 부착되어 있는 케이블이 긴장이 되면 A4 교대에 부착되어 있는 케이블은 압축되므로, A4 교대에 부착된 케이블은 교량상부구조물의 변위 제어에 전혀 기여를 할 수 없으므로 교량상부구조물이 어느 한 방향으로 움직일 때, A1 또는 A4 교대에 부착되어 있는 케이블 중 하나만이 제대로 그 기능을 확보할 수 있다는 기능상의 한계점이 존재한다는 문제점이 있었다.

본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로써,

본 발명의 목적은 케이블과 달리 지진하중에 대하여 즉각 반응할 수 있으며, 지진하중의 방향에 관계없이 모든 지진하중에 대하여 활용할 수 있는 지진변위제어 장치를 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 교량하부구조물에 아무런 영향없이 교체가 용이한 지진변위제어장치를 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 기술적과제를 달성하기 위하여,

지진하중에 의하여 교량상부구조물이 지진하중이 작용하는 방향으로 이동될 때, 이러한 이동(변위발생)에 저항하여 벤딩될 수 있도록 형상기억합금부재를 교량하부구조물에 설치하되, 지진하중방향과 수직으로 형성되도록 설치하여 효과적인 지중하중에 의한 교량상부구조물의 변위제어가 가능하도록 하였다.

이에 상기 형상기억합금부재와 교량하부주조물의 연결을 위하여 실린더부재와 같은 단부수용부재를 교량하부구조물에 설치하고, 상기 단부수용부재에 형상기억합금의 일단부가 연결되도록 하였다.

또한 교량의 연단거더에 따른 특성을 고려할 수 있도록 단부수용부재와 형상기억합금의 상기 일단부는 서로 회전이 구속되거나 비구속되도록 하여 그 적용의 다양성이 증진되도록 하였으며, 형상기억합금의 타단부는 교량하부구조물에 분리가 가능하도록 설치하였다.

또한 지진하중에만 대응하도록 단부수용부재와 교량하부구조물 사이에 댐퍼가 더 설치될 수 있도록 하였다.

이하, 본 발명에 따른 형상기억합금 부재를 이용한 지진변위제어장치 를 도면에 도시된 실시예를 참조하여 상세하게 설명하기로 한다.

도 2a 및 도 2b는 본 발명의 형상기억합금부재를 이용한 지진변위 제어장치가 설치된 개념도를 도시한 것으로서 본 발명은

교량상부구조물(100)에 설치되어 지진하중 작용방향으로 이동하되 적어도 한 단부면이 개방된 중공실린더를 포함하는 단부수용부재(200); 및 일단부가 상기 단부수용부재에 연결되며, 타단부가 교량하부구조물(300)에 설치되되, 오스텐나이트 또는 마텐사이트 상태로 제작된 연결바를 포함하는 형상기억합금부재(400);를 포함하며, 상기 형상기억합금부재(400)는 지진하중 작용방향에 대하여 수직방향으로 설치되도록 하였다.

상기 교량상부구조물(100)은 교량에 있어 거더(Girder)가 될 수도 있고, 슬래브(Slab, 교량바닥판)가 될 수도 있다. 이러한 교량상부구조물(100)은 통상 교대 또는 교각의 상부면에 지지되도록 설치되며, 이러한 지지설치는 교량받침(Shoe)을 매개로 하여 설치되는 것이 일반적이다.

이때, 상기 교량받침은 가동단, 고정단방식으로 설치되는데 가동단 방식은 하중에 의하여 변위이동이 제한적으로 가능하도록 교량받침을 설치하게 되며, 고정단 방식은 하중에 의하여 변위이동이 발생하지 않도록 교량받침을 설치하는 것을 의미한다.

이러한 교량상부구조물(100)에 지진하중이 전달되면, 지진하중이 작용하는 방향으로 교량상부구조물(100)이 이동(변위 발생)되려고 할 것이며, 이러한 이동이 상기 가동단 교량받침의 제한된 변위이동을 초과하거나, 종래의 낙교방지장치의 변위 제어량을 초과하는 경우 결국 교량상부구조물은 교대 또는 교각으로부터 분리되 어 낙하하는 낙교현상이 발생하게 된다.

이에 본 발명에서는 이러한 낙교현상을 방지하기 위한 지지하중 변위제어장치를 제공하게 된다.

먼저, 교량상부구조물(100)에는 도 2a와 같이 단부수용부재(200)가 설치되도록 하였다.

상기 단부수용부재(200)로서 소정의 직경을 가진 한쪽 면이 폐쇄된 실린더부재(210)를 이용할 수 있다.

상기 실린더부재(210)는 소정의 직경을 가진 봉부재를 가공하여 제작하면 되며, 그 직경은 후술되는 형상기억합금부재(400)가 삽입되기 위한 직경으로 제작하면 된다.

상기 실린더부재(210)를 교량상부구조물(100)에 용접등의 방법으로 고정시키게 되면, 지진하중에 의하여 교량상부구조물(100)과 함께 실린더부재(210)가 함께 지진하중 작용방향으로 이동될 것이다.

단지, 교량상판구조물(100)은 온도팽창 등에 의하여 신축되거나 여러 가지 이유로 특정방향으로 이동될 수 있는데 굳이 이러한 신축, 이동은 종래의 가동형 교량받침, 통상의 낙교방지장치로서 제어가 가능하므로, 본 발명에서는 이러한 지진하중 외 다른 하중 등에 의한 교량상판구조물의 변위제어를 추가로 설치된 댐퍼(500,Damper)가 담당할 수 있도록 하였다.

즉, 상기 댐퍼(500)는 도 2b와 같이 교량하부구조물(100)과 단부수용부재(200) 사이에 지진하중에 도달하지 않는 교량상부구조물의 저속하중에 저항하는 댐 퍼로서 온도팽창 등과 같이 저속의 거동에 대해서는 전혀 저항하지 않으나, 지진이나 제동하중과 같이 일정한 속도 이상을 가지는 움직임에는 저항하는 댐퍼이다

이러한 댐퍼(500)는 도 2b와 같이 먼저 교량상부구조물(100)에 설치시키고, 상기 댐퍼(500)에 설치된 연결암(510)에 의하여 단부수용부재(200)인 실린더부재(210)가 댐퍼(500)에 연결될 수 있도록 하게 된다.

이로서 교량상부구조물(100)에 지진하중이 아닌 기타 하중에 의한 변위는 상기 댐퍼(500)가 제어할 수 있도록 하고, 지진하중에 의하여는 상기 댐퍼가 저항할 수 없으므로 이러한 지진하중에는 본 발명의 형상기억합금부재(400)가 저항하게 된다.

도 3a 및 도 3b는 단부수용부재(200)에 연결되는 상기 형상기억합금부재(400)를 도시한 것인데, 도 3a의 경우에는 형상기억합금부재의 일단부가 단부수용부재에 연결되되 그 연결에 있어 회전이 구속되지 않은 경우이고, 도 3b의 경우에는 회전이 구속되는 경우를 도시한 것이다.

먼저 형상기억합금부재(400)의 거동특성을 살펴보면 아래와 같다.

즉, 형상기억합금부재(400, Shape Memory Alloy Member)는 그 특성인 ‘형상기억효과(Shape Memory Effect)’에 의하여 상당히 큰 변형 후에도 원래의 상태로 변형을 회복할 수 있는 능력을 가진다.

즉, 낮은 온도에서 변형된 형상기억합금은 열이 가해질 때까지는 변형 현상을 유지하지만, 열이 가해져 온도가 상승하면 원래의 모양으로 회복할 수 있으며, 이러한 ‘형상기억효과의 특징은 온도 또는 응력에 의해서 유발되는 고체의 상태변 화에 의한 결과라고 볼 수 있다.

이러한 형상기억합금은 도 4a 및 도 4b와 같이 오스텐나이트(Austenite) 및 마텐사이트(Martensite) 상태가 존재하는데, 이들은 제작과정의 열처리에 의존한다.

즉, 오스텐나이트 상태에서는 하중에 의한 변형 후에 하중을 제거하면 자동적으로 원래의 상태로 거의 변형을 회복하며, 이를 초단성 거동 (Superelastic) 이라 한다. 따라서 오스텐나이트 상태로 형상기억합금부재를 제작하여 이용할 경우 잔류변형이 거의 없기 때문에 교량상부구조물의 변위 제어에 효과적이며, 교각 및 교대의 연단거리가 부족하여 낙교의 위험이 큰 교량에 적합할 뿐만 아니라, 마텐사이트 상태에 비해 상대적으로 에너지소산 능력이 작기 때문에 에너지량이 크지 않은 약진 또는 중진지진대의 교량에 사용성이 우수하며, 지진 후에도 잔류변형이 없으므로 교체 불필요하다는 장점이 있다.

반면에 마텐사이트 상태로 형상기억합금부재를 제작하여 이용할 경우에는 에너지소산 능력이 우수하기 때문에 에너지 유입량이 큰 대지진 지대의 교량에 적합하고, 충분한 연단거리를 확보하고 있어 낙교의 위험이 없는 교량에서 에너지 발산수단으로 적합하게 된다.

이러한 특성을 가진 형상기억합금으로 제조된 본 발명의 형상기억합금부재(400)는 도 3a 및 도 3b와 같이 봉 형태로 제작될 수 있으며, 그 일단부 및 양단부(410,420)에는 나사체결부(430,440)가 형성되도록 한다. 이는 추후 형상기억합금부재(400)의 교체가 용이하도록 하기 위함이다.

이때, 도 3a의 경우 형상기억합금부재(400)의 일단부(410)에 형성된 나사체결부(430)에는 일종의 피스톤역할(실린더부재 깊이에 따른 이격공간에서의 이동도 가능함을 의미한다.)도 할 수 있는 구형상의 단부연결부재(450)가 체결되어 있으며, 상기 단부연결부재(450)는 실린더부재(210)에 삽입되어 수용되어 있음을 알 수 있다.

이러한 구형태의 단부연결부재(450)의 직경은 실린더부재(210)의 직경보다 다소 작은 직경을 가지게 되어, 단부연결부재와 실린더부재의 내측면 사이에 이격공간이 형성됨으로써 형상기억합금부재의 일단부가 실린더부재(210) 내측에서 그 회전이 구속되지 않도록 설치된다.

즉, 실린더부재(210)의 깊이방향 및 측면방향으로 이동 및 회전이 가능하도록 형상기억합금부재의 일단부가 단부연결부재와 비구속상태로 연결되는 것이다.

이러한 비구속상태에서는 형상기억합금부재의 초기 강성이 다소 낮은 반면 큰 허용변위가 발생하게 되므로, 형상기억합금부재의 큰 허용변위가 필요할 경우에는 위와 같이 형상기억합금부재와 단부수용부재가 비구속상태로 연결되도록 한다.

도 3b의 경우 형상기억합금부재(400)의 일단부(410)에 형성된 나사체결부(430)에는 피스톤 형태의 단부연결부재(460)가 체결되어 있으며, 상기 단부연결부재(460)는 실린더부재(210) 내측방향으로 밀착되어 수용되어 있음을 알 수 있다.

즉 실린더부재(210)에 밀착되어 이격공간이 형성되어 있지 않으므로 형상기억합금부재의 일단부는 실린더부재(210) 적어도 내측방향에 있어 회전이 구속된 상태가 된다. 단지 깊이방향으로는 이동이 가능하도록 할 수 있으며, 깊이방향 및 내측방향으로 모두 비구속상태가 될 수 있다.

이러한 회전구속상태에서는 형상기억합금부재(400)의 허용변위가 작은 반면 초기강성이 크므로 형상기억합금부재의 큰 초기 강성이 필요할 경우에는 위와 같이 형상기억합금부재와 단부수용부재가 구속상태로 연결되도록 한다.

또한 본 발명의 형상기억합금부재는 도 3a 및 도 3b와 같이, 교량상부구조물에 작용하는 지진하중 방향에 관계없이 좌,우측으로 모두 반응함을 알 수 있다.

이러한 특성은 결국, 지진하중 작용방향에 따라 어느 한쪽으로만 반응하거나, 교대에 적용하지 못하는 적용상의 문제점을 해결할 수 있도록 한다. 이에 본 발명의 형상기억합금부재는 지진하중 작용방향에 관계없이 즉각 대응하여 벤딩되어 지진하중변위를 제어할 수 있게 되며, 교각 이나 교대 어느 쪽에 설치되더라도 교량하부구조물에 손상을 주지 않고 설치할 수 있게 된다.

나아가 형상기억합금부재(400)의 타단부(420)에도 나사체결부(440)가 형성되어 있으므로 이러한 나사체결부(440)를 교량하부구조물(300)에 체결되어 결합시킬 수 있으며, 교량하부구조물(300)에 추가적인 체결판(600)을 앵커볼트와 같은 고정구로 설치하고, 상기 체결판(600)에 상기 나사체결부(440)가 체결되도록 할 수도 있다.

이로서 본 발명의 형상기억합금부재(400)는 교량상부구조물(100) 및 교량하부구조물(300) 사이에 설치된 이후 그 교체가 필요할 경우 형상기억합금부재(400)의 양 단부가 나사체결식으로 연결, 설치되어 있어 용이하게 분리가능하여 유지관리가 용이하게 된다.

본 발명의 형상기억합금부재를 이용한 지진변위제어장치에 의하여, 지진하중을 모든 교각 및 교대에 분배하는 효과와 더불어 에너지를 발산하는 기능을 가지고 있으므로 교량을 지진으로부터 효과적으로 보호할 수 있다. 또한 기존 교량에 추가적으로 설치하는 것이므로 시공상의 어려움이 없으며, 형성기억합금의 오스텐나이트와 마텐사이트의 특성을 고려하여 교량의 조건에 적합한 형상기억합금부재와 댐퍼를 조합하여 제작하는 것이 가능하므로 그 효과를 극대화 할 수 있다.

또한 지진하중 방향에 따라 형상기억합금부재가 즉시 반응할 수 있기 때문에 케이블에 비해 그 지진하중에 대한 저항성능이 우수하고, 형상기억합금부재는 교체가 가능한 기계식체결 방법으로 설치되므로 지진 후에 손상된다 할지라도 간단히 교체하여 지속적으로 사용가능하다.

앞에서 설명되고, 도면에 도시된 본 발명의 일 실시예는 본 발명의 기술적사상을 한정하는 것으로 해석되어서는 안 된다. 본 발명의 보호범위는 청구범위에 기재된 사항에 의하여만 제한되고, 본 발명의 기술분야에서 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

교량상부구조물에 설치되어 지진하중 작용방향으로 이동하되 적어도 한 단부면이 개방된 중공실린더를 포함하는 단부수용부재; 및 일단부가 상기 단부수용부재에 연결되며, 타단부가 교량하부구조물에 설치되되, 오스텐나이트 또는 마텐사이트 상태로 제작된 연결바를 포함하는 형상기억합금부재;를 포함하는 형상기억합금 부재를 이용한 지진변위제어장치.
제 1항에 있어서, 상기 형상기억합금부재는 지진하중 작용방향에 대하여 수직방향으로 설치되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 부재를 이용한 지진변위제어장치.
제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 형상기억합금부재와 단부수용부재의 일단부 연결은 단부수용부재가 지진하중작용 방향으로 이동시 회전에 자유롭게 연결되거나, 회전이 구속되도록 연결되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 부재를 이용한 지진변위제어장치.
제 3항에 있어서, 상기 교량하부구조물과 단부수용부재 사이에는 지진하중에 도달하지 않는 교량상부구조물의 저속하중에 저항하는 댐퍼(500)를 더 설치하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 부재를 이용한 지진변위제어장치.
제 4항에 있어서, 상기 형상기억합금부재는 단부수용부재인 중공실린더에 형상기억합금부재의 일단부가 삽입되도록 연결시키고, 형상기억합금부재의 타단부에 형성시킨 나사체결구가 교량하부구조물 또는 연결판에 체결되는 방식을 포함하는 교체설치방식으로 설치되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 부재를 이용한 지진변위제어장치.