KR20070118758A - Bearing device for seismic control and control system having it - Google Patents

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KR20070118758A
KR20070118758A KR1020060052880A KR20060052880A KR20070118758A KR 20070118758 A KR20070118758 A KR 20070118758A KR 1020060052880 A KR1020060052880 A KR 1020060052880A KR 20060052880 A KR20060052880 A KR 20060052880A KR 20070118758 A KR20070118758 A KR 20070118758A
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vibration
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이종세
황인호
임종혁
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한양대학교 산학협력단
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Abstract

A seismic control bearing device and a seismic control system having the same are provided to absorb and intercept the vibration energy transferred to a structure and to control the dynamic behavior of the structure actively with low electric power. A seismic control system includes a pair of seismic control bearing devices installed between the ground foundation and a structure to cut off direct transfer of earthquake force to the structure and to absorb the vibration energy caused by earthquake and equipped with plural laminate members(11) and plural magneto-sensitive members(12) made of magneto-sensitive materials with properties changed by variations in magnetic field and including rubber matrix and metal particles, a magnetic field creating section making variations in magnetic field on the seismic control bearing device and including a coil member(21) and a current supply unit supplying electric current to the coil member, a sensor section attached to the structure to sense the dynamic vibration of the structure and to output sensing signals corresponding to the dynamic behavior of the structure as electric signals, and a control section controlling the magnetic field creating section and controlling a magnetic field created on the seismic control bearing device.

Description

제진 베어링장치 및 이 제진 베어링장치가 포함된 제진 시스템{Bearing device for seismic control and control system having it}Bearing device for seismic control and control system having it

도 1은 종래의 일례에 따른 면진 베어링장치가 구조물에 설치된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 1 is a cross-sectional view schematically showing a state in which a base isolation bearing device according to the prior art is installed on a structure.

도 2는 종래의 일례에 따른 MR(Magneto-rheological) 감쇠기가 면진 베어링장치와 함께 구조물에 설치된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 2 is a cross-sectional view schematically illustrating a state in which a magneto-rheological attenuator (MR) is installed in a structure together with a seismic bearing device.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제진 베어링장치가 구조물에 설치된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다. 3 is a cross-sectional view schematically showing a state in which a vibration damping bearing device according to an embodiment of the present invention is installed in a structure.

도 4는 도 3에 도시된 제진 베어링장치에 자기장이 형성된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.4 is a cross-sectional view schematically illustrating a state in which a magnetic field is formed in the vibration suppressing bearing device shown in FIG. 3.

도 5는 도 4에 지시된 "A"부분의 확대도이다. 5 is an enlarged view of a portion “A” shown in FIG. 4.

도 6은 도 3에 도시된 제진 베어링장치가 포함된 본 발명의 일 실시예에 따른 제진 시스템의 개략적인 블록도이다. FIG. 6 is a schematic block diagram of a vibration suppression system according to an exemplary embodiment of the present invention including the vibration suppression bearing device illustrated in FIG. 3.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제진 베어링장치의 개략적인 단면도이다. 7 is a schematic cross-sectional view of a damping bearing device according to another embodiment of the present invention.

도 8은 기초격리장치의 역학적모델을 나타낸 도면이다.8 is a view showing a mechanical model of the base isolation device.

도 9는 6자유도를 가진 5층 건물의 모델을 개략적으로 나타낸 도면이다. 9 is a schematic view showing a model of a five-story building having six degrees of freedom.

도 10은 엘 센트로(El Centro)지진에 대한 지반가속도 및 고속푸리에변환을 나타낸 그래프이다. FIG. 10 is a graph showing ground acceleration and Fast Fourier transform for the El Centro earthquake.

도 11은 고베(Kobe)지진에 대한 지반가속도 및 고속푸리에변환을 나타낸 그래프이다. 11 is a graph showing the ground acceleration and the fast Fourier transform for the Kobe earthquake.

도 12는 노스리지(Northridge)지진에 대한 지반가속도 및 고속푸리에변환을 나타낸 그래프이다. 12 is a graph showing the ground acceleration and the fast Fourier transform for the Northridge earthquake.

도 13은 엘 센트로 지진에 대한 동적거동을 나타낸 그래프이다. 13 is a graph showing the dynamic behavior of the El Centro earthquake.

도 14는 엘 센트로 지진에 대한 변위-감쇠곡선을 나타낸다. 14 shows the displacement-damping curve for the El Centro earthquake.

도 15는 고베 지진에 대한 동적거동을 나타낸 그래프이다. 15 is a graph showing the dynamic behavior of the Kobe earthquake.

도 16은 고베 지진에 대한 변위-감쇠곡선을 나타낸다. 16 shows the displacement-damping curve for the Kobe earthquake.

도 17은 노스리지 지진에 대한 동적거동을 나타낸 그래프이다. 17 is a graph showing the dynamic behavior of the Northridge earthquake.

도 18은 노스리지 지진에 대한 변위-감쇠곡선을 나타낸다. 18 shows the displacement-damping curve for the Northridge earthquake.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명><Description of the symbols for the main parts of the drawings>

10...제진 베어링장치 11...적층부재10 ... Vibration-proof bearing device 11 ... Laminated member

12...자기민감부재 20...자기장형성부12 ... magnetic sensitive member 20 ... magnetic field forming part

21...코일부재 22...전류공급부21 Coil member 22 Current supply unit

30...센서부 40...제어부30 ... sensor 40 ... control

100...제진 시스템 121...고무 매트릭스100 ... vibration suppression system 121 ... rubber matrix

122...금속 파티클122.Metal Particles

본 발명은 제진 베어링장치 및 이 제진 베어링장치가 포함된 제진 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 건물, 교량 등의 구조물에 설치되어 지진하중으로부터 구조물에 전달되는 진동에너지를 저감하는 제진 베어링장치 및 이 제진 베어링장치가 포함된 제진 시스템에 관한 것이다. The present invention relates to a vibration damping bearing device and a vibration damping system including the vibration damping bearing device, and more particularly, to a vibration damping bearing device which is installed in a structure such as a building or a bridge to reduce vibration energy transmitted to the structure from an earthquake load. The present invention relates to a vibration damping system including a vibration damping bearing device.

최근 들어 건물, 교량 등과 같은 구조물에 유입되는 진동에너지를 부가적인 장치를 이용하여 흡수 및/또는 차단함으로서 구조물을 보호하고자 하는 면진장치에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 대표적인 면진장치인 기초격리장치로는 탄성베어링(Elastomer Bearing), 납삽입 적층고무베어링(Lead Rubber Bearing) 및 슬라이딩 베어링(Sliding Bearing) 등이 개발되었으며, 도 1에는 지반 기초부(50)와 구조물(60) 사이에 설치된 납삽입 적층고무베어링(1)이 도시되어 있다. Recently, research has been actively conducted on the seismic isolator to protect the structure by absorbing and / or blocking vibration energy flowing into a structure such as a building or a bridge by using an additional device. Representative seismic isolator as the base isolation device has been developed such as elastomer bearing (leadomer bearing), lead-inserted laminated rubber bearing (Sliding Bearing) and sliding bearing (Sliding Bearing), etc. 1, the ground foundation 50 and the structure ( 60 shows a leaded laminated rubber bearing 1 installed therebetween.

그러나 면진장치를 이용한 내진설계는 기초격리장치와 구조물로 구성된 구조계의 고유주기를 증가시켜 구조물의 상대변위 응답을 증가시킴으로써, 사용성 및 기초격리장치의 설계에 불리함을 초래하며, 강한 비선형성을 보이는 동적특성 때문에 광범위한 입력지반운동에 대해서는 적절하지 않은 것으로 알려져 있다. 예컨대 엘 센트로형의 지진을 위해 설계된 기초격리장치는 Mexico City형의 지진과 같은 지진하중의 탁월주파수 성분 등이 변화되고 진원지가 가깝고, 파속이 빠르며, 주기가 긴 지진의 경우에는 면진성능을 제대로 발휘하지 못하는 단점이 있다. However, the seismic design using the seismic isolation device increases the relative displacement response of the structure by increasing the intrinsic period of the structural system composed of the basic isolation device and the structure, which leads to disadvantages in the usability and design of the basic isolation device, and shows strong nonlinearity. Due to its dynamic nature, it is not known to be suitable for a wide range of input ground motions. For example, a basic isolator designed for the El Centro type earthquake shows excellent seismic performance in earthquake loads such as the Mexico City type earthquake. There is a drawback to not doing it.

최근에는 기초격리장치와 더불어 능동장치를 결합한 혼합제어장치가 개발되 고 있다. 이러한 혼합제어장치는 수동제어장치에 비하여 다양한 입력하중에 대한 진동에너지를 효과적으로 감소시킬 수 있으며, 또한 구조물의 다중진동모드를 제어할 수 있는 장점을 가지고 있다. 반면 능동제어로 인한 고용량의 외부전력이 요구되기 때문에 비용이 증가하게 되고, 장기간에 걸쳐 장치 성능의 신뢰성을 확보하기 어렵다는 단점도 있다. Recently, a mixed control device combining an active isolation device with a basic isolation device has been developed. Such a mixed control device can effectively reduce the vibration energy for various input loads compared to the manual control device, and also has the advantage of controlling the multi-vibration mode of the structure. On the other hand, the cost increases because high capacity external power is required due to active control, and it is difficult to secure reliability of device performance over a long period of time.

이에 반해, 제어성 유체를 이용한 반 능동제어장치는 능동제어장치와 유사한 성능을 발휘하나 큰 전력공급을 필요로 하지 않는다는 장점 때문에 1992년 이후 ER 및 MR 유체를 이용한 진동제어 장치들을 개발되었고, 소규모의 구조물 모형실험을 통해 제어장치로서의 기능이 확인된 바 있다. 특히 ER(Electro-Rheological)유체감쇠기에 비해 낮은 전력의 공급으로도 작동이 가능한 MR(Magneto-Rheological)유체감쇠기는 1994년 이후 꾸준히 연구되고 있으며, 최근에는 최근 20ton 규모의 장치가 개발되었다. 그러나 이러한 반 능동제어장치, 예를 들어 MR유체감쇠기(2)는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 기초격리장치, 예를 들어 납삽입 적층고무베어링(1)과 함께 설치되어야하므로 경제적으로나 실제 구조물 적용에 문제점을 가지고 있다.In contrast, semi-active control devices using control fluids have similar performances to active control devices but do not require large power supply. Since 1992, vibration control devices using ER and MR fluids have been developed. Structural model test confirmed the function as a control device. In particular, magneto-rheological (MR) fluid attenuators, which can operate with a lower power supply than ER (Electro-Rheological) fluid attenuators, have been steadily researched since 1994, and recently, a 20-ton device has recently been developed. However, such a semi-active control device, for example MR fluid attenuator 2, must be installed together with a basic containment device, for example, a lead-inserted laminated rubber bearing 1, as shown in FIG. I have a problem with

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 지진 등에 의해 구조물에 인가되는 진동에너지를 흡수 및/또는 차단할 수 있을 뿐만 아니라, 부가장치 없이 구조물에 발생하는 다양한 형태의 동적거동을 적은 전력으로 능동적으로 제어할 수 있도록 구조가 개선된 제진 베어링장치 및 이 제진 베어링장치가 포함된 제진 시스템을 제공하는 것이다. The present invention has been made to solve the above problems, the object of the present invention is not only to absorb and / or block the vibration energy applied to the structure by earthquake, etc., but also in various forms occurring in the structure without additional devices To provide a vibration suppressing bearing device with an improved structure to actively control dynamic behavior with low power and a vibration suppression system including the vibration suppressing bearing device.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 제진 베어링장치는 지반 기초부와 상기 지반 기초부에 축조되는 구조물 사이에 설치되어 상기 구조물에 인가되는 진동에너지를 저감하는 제진 베어링장치에 있어서, 서로 이격되도록 적층된 복수의 적층부재; 및 상기 적층부재들 사이에 각각 배치되며, 자기민감소재로 이루어진 복수의 자기민감부재;를 구비하며, 상기 자기민감소재의 강성계수 및 감쇠계수를 포함하는 상기 자기민감소재의 물성치가 상기 각 자기민감부재에 형성되는 자기장의 변화에 의해 변화되는 것을 특징으로 한다. In order to achieve the above object, the vibration damping bearing device according to the present invention is installed between a ground foundation and a structure built on the ground foundation to reduce vibration energy applied to the structure, so as to be spaced apart from each other. A plurality of stacked members; And a plurality of magnetic sensitive members each disposed between the stacking members, the magnetic sensitive materials including magnetic sensitizing materials, wherein physical properties of the magnetic sensitive materials including stiffness coefficients and attenuation coefficients of the magnetic sensitive materials are determined by the respective magnetic sensitive materials. It is characterized by a change in the magnetic field formed in the member.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 제진 시스템은 구조물의 동적거동을 감지하여 상기 구조물의 동적진동에 대응되는 감지신호를 출력하는 센서부; 상기 구조물과 상기 구조물이 축조되는 지반 기초부 사이에 설치되어 상기 구조물에 인가되는 진동을 저감하는 것으로서, 서로 이격되도록 적층된 복수의 적층부재과, 상기 적층부재들 사이에 각각 배치되며 자기민감소재로 이루어진 복수의 자기민감부재를 구비하는 제진 베어링장치; 상기 제진 베어링장치에 자기장의 변화를 발생시켜 상기 자기민감소재의 강성계수 및 감쇠계수를 포함하는 상기 자기민감소재의 물성치가 상기 자기장의 변화에 의해 변화되도록 하는 자기장형성부; 및 상기 센서부의 감지신호를 입력받아, 상기 감지신호를 기초로 상기 제진 베어링장치가 상기 구조물의 진동에너지를 감소시키는 제어력을 발생시키도록 상기 자기장형성부를 제어하는 제어부;를 구비하는 것을 특징으로 한다. In addition, in order to achieve the above object, the vibration suppression system according to the present invention detects the dynamic behavior of the structure to output a detection signal corresponding to the dynamic vibration of the structure; It is installed between the structure and the ground foundation on which the structure is constructed to reduce vibrations applied to the structure, and a plurality of laminated members stacked to be spaced apart from each other, and are disposed between the laminated members and made of a magnetic sensitive material, respectively. A damping bearing device having a plurality of magnetic sensitive members; A magnetic field forming unit for generating a change in the magnetic field in the vibration suppressing bearing device such that physical properties of the magnetic sensitive material including the stiffness coefficient and the damping coefficient of the magnetic sensitive material are changed by the change of the magnetic field; And a control unit which receives the detection signal of the sensor unit and controls the magnetic field forming unit to generate a control force for reducing the vibration energy of the structure based on the detection signal.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. Hereinafter, exemplary embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제진 베어링장치가 구조물에 설치된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 제진 베어링장치에 자기장이 형성된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이며, 도 5는 도 4에 지시된 "A"부분의 확대도이며, 도 6은 도 3에 도시된 제진 베어링장치가 포함된 본 발명의 일 실시예에 따른 제진 시스템의 개략적인 블록도이다. 3 is a cross-sectional view schematically showing a state in which the damping bearing device according to an embodiment of the present invention is installed in a structure, and FIG. 4 is a cross-sectional view schematically showing a state in which a magnetic field is formed in the damping bearing device shown in FIG. 5 is an enlarged view of part “A” shown in FIG. 4, and FIG. 6 is a schematic block diagram of a vibration suppression system according to an exemplary embodiment of the present invention including the vibration suppression bearing device illustrated in FIG. 3.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 실시예의 제진 시스템(100)은 한 쌍의 제진 베어링장치(10)와, 자기장형성부(20)와, 센서부(30)와, 제어부(40)를 구비한다. 3 to 6, the vibration suppression system 100 according to the present embodiment includes a pair of vibration suppression bearing apparatuses 10, a magnetic field forming unit 20, a sensor unit 30, and a controller 40. do.

상기 각 제진 베어링장치(10)는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 지반 기초부(50)와 구조물(60) 사이에 설치된다. 상기 지반 기초부(50)에는 상기 구조물, 예를 들어 건물, 교량 등이 축조된다. 상기 지반 기초부(50)는 일반적으로 콘크리트 등에 의해 지반(51) 위에 형성된다. 상기 제진 베어링장치(10)는 진원지에서 발생된 지진이 상기 구조물(60)에 직접적으로 전달되는 것을 차단할 뿐만 아니라 지진에 의해 발생된 진동을 흡수한다. 상기 제진 베어링장치(10)는 적층부재(11)와, 자기민감부재(12)를 구비한다. Each vibration damping bearing device 10 is installed between the ground foundation 50 and the structure 60, as shown in FIG. The ground foundation 50 is the structure, for example, buildings, bridges and the like are built. The ground foundation 50 is generally formed on the ground 51 by concrete or the like. The vibration damping bearing device 10 not only prevents the earthquake generated in the epicenter from being directly transmitted to the structure 60 but also absorbs the vibration generated by the earthquake. The vibration damping bearing device 10 includes a stacking member 11 and a magnetic sensitive member 12.

상기 적층부재(11)는 복수 마련되어 있으며, 상기 적층부재(11)들은 서로 이격되도록 적층되어 있다. 상기 각 적층부재(11)는 판 형상의 금속성 소재, 예를 들어 판 형상의 강판으로 이루어져 있다. The stacking members 11 are provided in plural, and the stacking members 11 are stacked to be spaced apart from each other. Each laminated member 11 is made of a plate-shaped metallic material, for example, a plate-shaped steel sheet.

상기 자기민감부재(12)는 상기 적층부재(11)들 사이에 각각 배치되도록 복수 마련되어 있다. 상기 각 자기민감부재(12)는 상기 각 적층부재(11)와 마찬가지로 판 형상으로 이루어져 있다. 상기 각 자기민감부재(12)는 자기장의 변화에 의해 물성치, 예를 들어 강성계수 및 감쇠계수 등이 변화하는 자기민감소재(Magneto-Sensitive Material)로 이루어져 있다. 상기 자기민감소재는 고무 매트릭스(121)와, 금속 파티클(122)을 포함하여 이루어진다. 상기 고무 매트릭스(121)는 고무, 예를 들어 천연고무, 폴리우레탄 등으로 이루어진다. 상기 금속 파티클(122)은 철 등과 같은 금속성 소재로 이루어진 파티클이며, 상기 고무 매트릭스(121) 내에 분산되어 있다. 본 실시예에서, 상기 자기민감소재(12)는, 천연고무(natural rubber)와 철 파티클(iron particle)을 약 120℃ 온도에서 골고루 혼합한 후에 그 혼합물을 주형에 충전하고 그 후에 30분 동안 0.7T 세기의 전자기장(electro-magnetic field) 하에서 경화시킴으로써 제조된다. The magnetic sensitive member 12 is provided in plurality so as to be disposed between the stacking members 11, respectively. Each of the magnetic sensitive members 12 has a plate shape similarly to the laminated members 11. Each of the magnetic sensitive members 12 is made of a magnetic sensitive material (Magneto-Sensitive Material) that changes the physical properties, for example, the stiffness coefficient and the damping coefficient by the change of the magnetic field. The magnetic sensitive material includes a rubber matrix 121 and a metal particle 122. The rubber matrix 121 is made of rubber, for example, natural rubber, polyurethane, or the like. The metal particle 122 is a particle made of a metallic material such as iron, and is dispersed in the rubber matrix 121. In this embodiment, the magnetic sensitive material 12, after mixing the natural rubber and iron particles (iron particles) evenly at about 120 ℃ temperature filled the mixture into the mold and then 0.7 for 30 minutes It is prepared by curing under an electromagnetic field of T intensity.

이와 같이, 제조된 상기 자기민감소재의 물성치는 상기 각 자기민감부재(12)에 형성되는 자기장의 변화에 의해 변화된다. 즉, 도 4 및 도 5에 화살표로 도시되어 있는 바와 같이, 상기 각 자기민감부재(12)에 자기장이 형성되면, 상기 고무 매트릭스 내에 분산된 금속 파티클(122)이 자기장의 방향으로 재정렬됨으로써 상기 각 자기민감소재의 물성치, 예를 들어 강성계수 및 감쇠계수 등이 변하게 된다. 예를 들어, 자기장의 세기 및/또는 방향이 변하면, 상기 각 자기민감부재의 강성계수 및 감쇠계수가 변하게 된다. 이와 같이, 상기 자기민감소재의 물성치가 변화되는 점은, Jacob Rainow에 의해 1948년에 소개되었으며, 그 후 문헌[Kordonsky, W. (1993), Magnetorheological effects as a base of new devices and technologies, J. Mag. & Mag. Mat, Vol. 122, pp. 395-398.], 문헌[Jolly, M.R., Carlson, J.D. and Munoz, B.C. (1996), A model of the behaviour of magnetorheological materials, Smart Material Structures, Vol, 2, pp. 607-614.] 및 문헌[Carlson J.D. and Jolly M.R. (2000), MR fluid, form and elastomer devices, Machatronics, Vol. 10, pp. 55-69.] 등에도 잘 개시되어 있다. In this way, the physical properties of the produced magnetic sensitive material is changed by the change in the magnetic field formed in each of the magnetic sensitive members 12. That is, as shown by arrows in FIGS. 4 and 5, when a magnetic field is formed in each of the magnetic sensitive members 12, the metal particles 122 dispersed in the rubber matrix are rearranged in the direction of the magnetic field, thereby forming the magnetic field. The physical properties of the magnetic sensitive material, for example, the stiffness coefficient and the damping coefficient change. For example, when the strength and / or direction of the magnetic field changes, the stiffness coefficient and the damping coefficient of each magnetic sensitive member change. As such, the change in the properties of the magnetic sensitive material was introduced in 1948 by Jacob Rainow, and thereafter, Kordonsky, W. (1993), Magnetorheological effects as a base of new devices and technologies, J. Mag. & Mag. Mat, Vol. 122, pp. 395-398., Jolly, M.R., Carlson, J.D. and Munoz, B.C. (1996), A model of the behavior of magnetorheological materials, Smart Material Structures, Vol, 2, pp. 607-614. And Carlson J.D. and Jolly M.R. (2000), MR fluid, form and elastomer devices, Machatronics, Vol. 10, pp. 55-69.].

상기 자기장형성부(20)는 상기 제진 베어링장치(10)에 자기장의 변화를 발생시킨다. 상기 자기장형성부(20)는 코일부재(21)와, 전류공급부(22)를 구비한다. 상기 코일부재(21)는 상기 베어링장치(10)를 둘러싸도록 환형으로 이루어져 있다. 상기 전류공급부(22)는 상기 코일부재(21)에 전류를 공급한다. 상기 코일부재(21)에 전류가 인가되면, 상기 코일부재(21) 주위에는 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 자기장이 형성된다.The magnetic field forming unit 20 generates a change in the magnetic field in the damping bearing device 10. The magnetic field forming unit 20 includes a coil member 21 and a current supply unit 22. The coil member 21 is formed in an annular shape so as to surround the bearing device 10. The current supply unit 22 supplies a current to the coil member 21. When a current is applied to the coil member 21, a magnetic field is formed around the coil member 21 as shown in FIG. 4.

상기 센서부(30)는 상기 구조물(60)에 부착되어 상기 구조물(60)의 동적진동을 감지한다. 그리고, 상기 센서부(30)는 상기 구조물(60)의 동적거동에 대응되는 감지신호를 전기적 신호로 출력한다. 상기 감지신호는 상기 구조물의 변위, 가속도, 지반가속도 및 진동주기를 포함한다. 보다 구체적으로, 상기 감지신호는 상기 구조물의 수평방향의 변위, 수평방향의 가속도, 수평방향의 지반가속도 및 수평방향으로의 진동주기를 포함한다. 그리고, 상기 센서부(30)는, 지진 발생 후 지진 소멸시까지 상기 구조물의 동적거동에 대응되는 감지신호를 연속적으로 출력한다. The sensor unit 30 is attached to the structure 60 to detect the dynamic vibration of the structure (60). The sensor unit 30 outputs a detection signal corresponding to the dynamic behavior of the structure 60 as an electrical signal. The detection signal includes displacement, acceleration, ground acceleration, and vibration period of the structure. More specifically, the detection signal includes a horizontal displacement of the structure, an acceleration in the horizontal direction, ground acceleration in the horizontal direction and a vibration period in the horizontal direction. The sensor unit 30 continuously outputs a detection signal corresponding to the dynamic behavior of the structure until the earthquake disappears after the earthquake occurs.

상기 제어부(40)는 상기 자기장형성부(20)를 제어하여 상기 제진 베어링장치(10)에 형성되는 자기장을 제어한다. 먼저, 상기 제어부(40)는 상기 센서부(30) 의 감지신호를 입력받는다. 다음으로, 상기 제어부(40)는 상기 감지신호를 기초로 상기 구조물(60)에 발생된 진동에너지를 감소시키는 제어력(seismic control force)을 연산한다. 바람직하게는, 상기 제어부(40)는 상기 구조물에 발생된 진동에너지를 최소화시킬 수 있는 제어력을 연산한다. 보다 구체적으로, 상기 제어력의 연산은 후술하는 수치해석부분에 설명된 성능지수(J)를 최소화시킴으로써 이루어지며, 본 실시예에서 이러한 제어부(40)는 일반적으로 이미 널리 알려져 있는 LQ조정기(linear quadratic regulator)를 포함하도록 구성된다. 이와 같이, 제어력이 연산되어 설정된 후, 상기 제어부(40)는 상기 제진 베어링장치(10)가 상기 제어력을 발생시킬 수 있도록 상기 자기장형성부(20)를 제어한다. 여기서, 상기 제진 베어링장치(10)의 물성치, 특히 상기 각 자기민감부재(12)의 강성계수 및 감쇠계수는 상기 제진 베어링장치에 형성된 자기장의 변화에 의해 변화하게 되므로, 상기 제어부(40)는 상기 제진 베어링장치(10)에 적절한 자기장을 형성시켜 상기 제진 베어링장치(10)가 연산된 제어력을 발휘할 수 있도록 제어한다. 즉, 상기 제어부(40)는 상기 전류공급부(22)에서 공급되는 전류의 세기를 제어하여 상기 코일부재(21) 주위에 형성되는 자기장의 세기를 제어함으로써, 상기 제진 베어링장치(10)의 제어력을 조절한다. The controller 40 controls the magnetic field forming unit 20 to control the magnetic field formed in the vibration suppression bearing apparatus 10. First, the control unit 40 receives a detection signal of the sensor unit 30. Next, the control unit 40 calculates a control force (seismic control force) for reducing the vibration energy generated in the structure 60 based on the detection signal. Preferably, the control unit 40 calculates a control force that can minimize the vibration energy generated in the structure. More specifically, the calculation of the control force is made by minimizing the performance index (J) described in the numerical interpretation, which will be described later. In this embodiment, the control unit 40 is generally a well-known linear quadratic regulator. It is configured to include). As such, after the control force is calculated and set, the control unit 40 controls the magnetic field forming unit 20 so that the vibration suppressing bearing device 10 generates the control force. Here, the physical properties of the vibration damping bearing device 10, in particular the stiffness coefficient and damping coefficient of each of the magnetic sensitive member 12 is changed by the change of the magnetic field formed in the vibration damping bearing device, so that the control unit 40 By forming an appropriate magnetic field in the vibration damping bearing device 10, the vibration damping bearing device 10 is controlled to exhibit the calculated control force. That is, the control unit 40 controls the strength of the magnetic field formed around the coil member 21 by controlling the strength of the current supplied from the current supply unit 22, thereby controlling the control force of the vibration damping bearing device 10. Adjust

예를 들어, 상기 제어부(40)는 상기 구조물(60)에 지진이 발생하지 않는 평상시에는 상기 전류공급부(22)가 전류를 공급하지 않도록 제어한다. 그리고, 상기 구조물에 지진이 발생하는 경우에는, 상기 제어부(40)는 상기 감지신호를 기초로 상기 구조물(60)의 진동에너지를 최소화시키는 제어력을 연산한 후 상기 전류공급 부에서 상기 코일부재(21)로 공급되는 전류의 세기를 적절하게 제어하여 상기 제진 베어링장치(10)에 형성되는 자기장의 세기를 변화시킴으로써 상기 제진 베어링장치(10)가 상기 제어력을 발휘하도록 제어한다. 따라서, 지진에 의한 상기 구조물(60)의 동적거동이 능동적으로 제어된다. 그리고, 상기 제어부(40)는, 지진 발생 후 지진 소멸시까지 연속적으로 입력되는 감지신호에 대응하여 상기 전류공급부(22)의 전류 공급을 제어함으로써 상기 구조물(60)의 동적거동을 지진 발생 후 지진 소멸시까지 제어한다. For example, the control unit 40 controls the current supply unit 22 not to supply current in an ordinary time when an earthquake does not occur in the structure 60. In addition, when an earthquake occurs in the structure, the control unit 40 calculates a control force for minimizing vibration energy of the structure 60 based on the detection signal and then the coil member 21 in the current supply unit. By controlling the strength of the current supplied to the () appropriately by changing the strength of the magnetic field formed in the damping bearing device 10 to control the vibration damping bearing device 10 to exert the control force. Therefore, the dynamic behavior of the structure 60 by the earthquake is actively controlled. In addition, the control unit 40 controls the current supply of the current supply unit 22 in response to a detection signal continuously input until the earthquake disappears after the earthquake generates an earthquake after the earthquake generates a dynamic behavior of the structure 60. Control until extinction.

이하, 본 실시예의 제진 시스템(100)에 있어서 구조물(60)에 지진 등에 의한 동적하중이 가해지는 경우, 구조물의 진동에너지가 저감되며 구조물의 동적거동이 제어되는 과정의 일례를 도 6을 참조하면서 설명하기로 한다. 도 6에 도시된 점선 화살표는 지진에 의한 진동에너지의 이동경로, 구조물의 동적거동의 감지 및 제진 베어링장치의 제어력을 나타낸다. Hereinafter, when the dynamic load is applied to the structure 60 by the earthquake or the like in the vibration suppression system 100 of the present embodiment, referring to FIG. 6, an example of a process in which the vibration energy of the structure is reduced and the dynamic behavior of the structure is controlled is described. Let's explain. Dotted arrows shown in Figure 6 represent the movement path of the vibration energy due to the earthquake, the detection of the dynamic behavior of the structure and the control force of the damping bearing device.

지진이 발생하지 않는 평상시에는, 제어부(40)가 코일부재(21)에 전류가 공급되지 않도록 전류공급부(22)를 제어하므로, 제진 베어링장치(10)에 자기장이 발생하지 않는다. 이러한 상태에서 지진이 발생하게 되면, 지진 발생과 거의 동시에 코일부재(21)에 전류가 인가되어 코일부재(21) 주위에 자기장이 형성되며 그 형성된 자기장에 의해 제진 베어링장치(10)가 구조물의 진동에너지를 최소화시킬 수 있는 제어력을 발휘하게 되므로, 구조물(60)의 동적거동이 최적으로 제어되는데, 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다. In normal times when an earthquake does not occur, the control unit 40 controls the current supply unit 22 so that a current is not supplied to the coil member 21, so that no magnetic field is generated in the vibration damping bearing device 10. When an earthquake occurs in such a state, a current is applied to the coil member 21 at the same time as the earthquake, and a magnetic field is formed around the coil member 21, and the vibration damping bearing device 10 is vibrated by the formed magnetic field. Since the control force can be minimized, the dynamic behavior of the structure 60 is optimally controlled.

지진 발생시, 구조물에 부착된 센서부(30)가 구조물(60)의 수평방향의 변위, 수평방향의 가속도, 수평방향의 지반가속도 및 수평방향으로의 진동 주기를 감지하여 이 변위, 가속도, 지반가속도 및 진동 주기가 포함된 감지신호를 제어부(40)로 전기적 신호로 출력한다. 제어부(40)는 감지신호를 기초로 구조물(60)의 진동에너지를 최소화시키는 제어력을 연산하여 결정한 후, 제진 베어링장치(10)가 상기 제어력을 발휘할 수 있도록 하기 위해 제진 베어링장치(10)에 형성되어야 할 자기장의 세기를 결정한다. 그 후, 제어부(40)는 전류공급부(22)에서 코일부재(21)로 공급되는 전류의 세기를 적절히 제어함으로써 상기 자기장이 형성되도록 한다. 이와 같이 코일부재(21)에 전류가 공급되면, 제진 베어링장치(10)에 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 자기장이 형성되어, 자기민감소재에 포함된 금속 파티클이 자기장의 방향으로 재정렬된다. 이와 같은 금속 파티클의 재정렬로 인해, 자기민감소재의 물성치, 즉 강성계수 및 감쇠계수가 변화되어 제진 베어링장치(10)의 제진 성능이 변하게 된다. 이와 같이, 자기장의 변화에 따라 자기민감소재의 물성치를 변경시키게 되면, 구조물(60)에 가해지는 다양한 형태의 진동에 대한 능동적인 제어가 가능해지게 된다. 특히, 종래의 능동제어시스템과 달리 큰 전력을 필요로하지 않다는 장점을 가지게 된다. 또한, 종래와 달리 반 능동제어장치와 기초격리장치를 모두 설치하지 않고, 하나의 제진 베어링장치(10)를 통해서 종래와 마찬가지로 반 능동제어 및 기초격리성능을 발휘할 수 있게 된다. In the event of an earthquake, the sensor unit 30 attached to the structure detects the displacement of the structure 60 in the horizontal direction, the acceleration in the horizontal direction, the ground acceleration in the horizontal direction, and the vibration period in the horizontal direction. And a detection signal including a vibration period to the controller 40 as an electrical signal. The controller 40 calculates and determines a control force for minimizing vibration energy of the structure 60 based on the detection signal, and is then formed in the vibration suppression bearing apparatus 10 so that the vibration suppression bearing apparatus 10 can exert the control force. Determine the strength of the magnetic field to be Thereafter, the control unit 40 controls the strength of the current supplied from the current supply unit 22 to the coil member 21 so that the magnetic field is formed. When the current is supplied to the coil member 21 as described above, a magnetic field is formed in the vibration suppressing bearing device 10, and the metal particles included in the magnetic sensitive material are rearranged in the direction of the magnetic field. Due to the rearrangement of the metal particles, the physical properties of the magnetic sensitive material, that is, the stiffness coefficient and the damping coefficient, are changed, and the vibration damping performance of the vibration damping bearing device 10 is changed. As such, when the physical properties of the magnetic sensitive material are changed according to the change of the magnetic field, active control of various types of vibrations applied to the structure 60 is enabled. In particular, unlike the conventional active control system has the advantage that does not require a large power. In addition, unlike the prior art, without providing both the anti-active control device and the basic isolation device, it is possible to exhibit the semi-active control and basic isolation performance as in the prior art through one vibration damping bearing device (10).

한편, 제어부(40)는 지진 발생 후 지진 소멸시까지 연속적으로 입력되는 감지신호에 대응하여 전류공급부(22)의 전류 공급을 제어함으로써 제진 베어링장치(10)의 제진 성능을 감지신호에 대응시켜 변화시키므로, 구조물(60)의 동적거동 은 지진 발생 후 지진 소멸시까지 연속적으로 제어되게 된다. On the other hand, the controller 40 controls the current supply of the current supply unit 22 in response to the detection signal continuously input until the earthquake disappears after the earthquake occurs to change the vibration damping performance of the damping bearing device 10 corresponding to the detection signal. Therefore, the dynamic behavior of the structure 60 is continuously controlled until the earthquake disappears after the earthquake occurs.

상술한 바와 같이, 본 실시예의 제진 베어링장치는 종래의 기초격리장치, 예를 들어 납삽입 적층고무베어링과 같이 전단변형에 의해 구조물에 인가되는 진동 에너지를 흡수 및/또는 차단한다. 그리고, 동시에, 자기장의 세기를 조절하여 제진 베어링장치의 물성치, 예를 들어 강성계수 및 감쇠계수를 변화시킴으로써 구조물의 동적거동에 대한 반 능동제어가 가능해지게 된다. As described above, the vibration damping bearing device of the present embodiment absorbs and / or blocks vibration energy applied to the structure by shear deformation, such as a conventional basic isolation device, for example, a lead-inserted laminated rubber bearing. At the same time, by controlling the strength of the magnetic field to change the physical properties of the vibration damping bearing device, for example, the stiffness coefficient and the damping coefficient, it becomes possible to control the dynamic behavior of the structure.

한편, 본 실시예에 따른 제진 베어링장치가 포함된 제진 시스템의 제진 성능을 확인하기 위해 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 1987년에 Kelly 등이 사용한 6자유도를 가진 5층 건물에 대해 수행하였다. 그리고, 각기 다른 특성을 갖는 엘 센트로 지진, 고베 지진 및 노스리지 지진 각각에 대해 제진 시스템의 응답을 구하여, 제진 시스템의 기초격리장치로서의 성능 및 반 능동제어에 대한 평가를 수행하였다. 또한 기초격리장치의 효율성을 분석하기 위하여 본 수치해석에서는 세 가지 경우, 즉 (1)제어되지 않고 기초지지된 구조물, (2)납삽입 적층고무베어링(Lead Rubber Bearing)이 설치된 구조물, (3)제진 베어링장치가 설치된 구조물에 대한 해석을 수행하였다. On the other hand, numerical analysis was performed to confirm the vibration damping performance of the vibration suppression system including the vibration damping bearing device according to the present embodiment. Numerical analyzes were performed on a five-story building with six degrees of freedom used by Kelly et al. In 1987. In addition, the response of the vibration suppression system was obtained for each of the El Centro earthquake, Kobe earthquake, and Northridge earthquake, each of which has different characteristics, and the performance and anti-active control of the vibration suppression system were evaluated. In addition, in order to analyze the efficiency of the base containment system, in this numerical analysis, there are three cases: (1) uncontrolled and unsupported structures, (2) structures with lead rubber bearings, and (3) An analysis was carried out for the structure with vibration damping bearing device.

먼저, 제진 베어링장치 및 종래의 납삽입 적층고무베어링 등과 같은 기초격리장치의 운동방정식을 구한다. 운동방정식은 도 8에 도시되어 있는 바와 같이 지반 기초부와 구조물이 구별된 모델에 대하여 다음과 같이 도출된다. First, the equation of motion of a base isolation device such as a vibration damping bearing device and a conventional lead-inserted laminated rubber bearing is obtained. As shown in FIG. 8, the equation of motion is derived as follows for the model in which the ground foundation and the structure are distinguished.

Figure 112006041236602-PAT00001
Figure 112006041236602-PAT00001

여기서,f와

Figure 112006041236602-PAT00002
는 각각 기초격리장치에 의한 추가력과 위치벡터를 나타낸다. 그리고,
Figure 112006041236602-PAT00003
는 지진하중을 나타내며,
Figure 112006041236602-PAT00004
는 지반 기초부와 구조물의 변위를 나타낸다. 또한, 질량(M), 감쇠(C), 강성(K) 행렬은 다음과 같다.Where f and
Figure 112006041236602-PAT00002
Denote the additional force and position vector by the basic containment device, respectively. And,
Figure 112006041236602-PAT00003
Represents earthquake load,
Figure 112006041236602-PAT00004
Represents displacement of ground foundation and structure. The mass (M), damping (C), and stiffness (K) matrices are as follows.

Figure 112006041236602-PAT00005
Figure 112006041236602-PAT00005

여기서, mb, ms는 각각 지반 기초부 및 구조물의 질량이며, cb, ks는 각각 지반 지반 기초부의 감쇠계수 및 강성계수이며, cs, ks는 각각 구조물의 감쇠계수 및 강성계수이다. Where m b and m s are the mass of the ground foundation and the structure respectively, c b and k s are the damping and stiffness coefficients of the ground foundation respectively, and c s and k s are the damping and stiffness coefficients of the structure, respectively. to be.

상태변수, q를

Figure 112006041236602-PAT00006
로 정의하여 기초격리장치를 상태공간방정식으로 표현하면, 다음과 같다. State variable, q
Figure 112006041236602-PAT00006
If the basic isolator is expressed as state space equation, it is as follows.

Figure 112006041236602-PAT00007
Figure 112006041236602-PAT00007

여기서, A, B, E는 각각 시스템 행렬, 제어행렬 및 외란행렬을 나타내며, 다음과 같다. Here, A, B, and E represent a system matrix, a control matrix, and a disturbance matrix, respectively.

Figure 112006041236602-PAT00008
Figure 112006041236602-PAT00008

다음으로, 본 실시예의 제진 베어링장치가 설치된 구조물을 도 9에 도시되어 있는 바와 같은 5층 건물로 모델링하였다. 5층 건물의 질량과 강성계수, 감쇠계수 등은 표 1에 기재된 바와 같다. 제어되지 않고 기초 지지된 구조물은 첫 번째 모드에서 2%의 감쇠와 0.3초의 고유주기를 가진다. 구조물의 동적 비선형성을 무시하였지만 과도한 구조적 움직임을 충분히 고려하였다.Next, the structure in which the damping bearing device of this embodiment is installed was modeled as a five-story building as shown in FIG. The mass, stiffness coefficient, damping coefficient, etc. of the five-story building are shown in Table 1. Uncontrolled, foundation-supported structures have 2% attenuation and 0.3 sec natural period in the first mode. The dynamic nonlinearity of the structure was ignored, but excessive structural movement was fully taken into account.

Figure 112006041236602-PAT00009
Figure 112006041236602-PAT00009

그리고, 납삽입 적층고무베어링은 14.83kN의 항복력을 갖도록 설계하였으며, 본 수치해석에 사용될 이력복원력 fLRB와 무차원 이력 변수 z는 널리 알려져 있는 바와 같이 다음의 식으로부터 얻어진다. The lead-inset rubber bearing was designed to have a yield force of 14.83 kN, and the hysteresis restoring force f LRB and the dimensionless hysteresis variable z to be used in this numerical analysis are obtained from the following equation.

Figure 112006041236602-PAT00010
Figure 112006041236602-PAT00010

Figure 112006041236602-PAT00011
Figure 112006041236602-PAT00011

여기서, Qpb는 납의 항복하중이며 Qpb = (1-Kyield/Kinitial)·Qy로부터 구해지며, Qy는 구조물 전체 무게의 5%로 가정하였으며, 납의 항복 전/후의 강성비(β,γ), 무차원 매개변수(A), 정수계수(n) 등 납적층고무베어링에 사용된 매개 변수의 값들은 표 2에서와 같이 문헌[Ramallo(2002), "Smart" Base Isolation Systems (2002) Journal of Engineering Mechanics Vol. 128. No. 10 pp.1088-1099]에 기재된 설계변수를 사용하였다. Where Q pb is the yield load of lead and is obtained from Q pb = (1-K yield / K initial ) · Q y , and Q y is assumed to be 5% of the total weight of the structure, and the stiffness ratio (β, γ), dimensionless parameters (A), integer coefficients (n), etc. The values of the parameters used for lead-laminated rubber bearings are summarized in Table 2 as described in Ramallo (2002), "Smart" Base Isolation Systems (2002). Journal of Engineering Mechanics Vol. 128. 10 pp. 1088-1099 used design variables.

Figure 112006041236602-PAT00012
Figure 112006041236602-PAT00012

다음으로, 제진 베어링장치의 반 능동제어가 가능하도록, 먼저 능동제어장치를 설계하였다. 능동제어장치의 설계를 위해서, 먼저 다음의 식과 같은 성능지수(J)를 최소로 하는 Q값과 R값을 구하였다. Next, the active control device was first designed to enable the anti-active control of the vibration suppression bearing device. For the design of the active control device, first, the Q and R values were obtained to minimize the performance index (J).

Figure 112006041236602-PAT00013
Figure 112006041236602-PAT00013

시행착오를 거쳐서 R값과 Q값을 다음과 같이 사용하였다. Through trial and error, R and Q values were used as follows.

Figure 112006041236602-PAT00014
Figure 112006041236602-PAT00014

여기서,

Figure 112006041236602-PAT00015
이다. here,
Figure 112006041236602-PAT00015
to be.

그리고, 능동제어장치를 반 능동제어장치로 전환하기 위해서, Clipped-Optimal Control 알고리즘을 사용하여, 자기장이 인가되지 않은 경우에 제진 베어링장치의 기본 감쇠력을 1kN으로 설정하고, 자기장을 인가한 경우에 제진 베어링장치의 최대 감쇠력을 200kN으로 설정하였다. In order to convert the active control device into a semi-active control device, using the Clipped-Optimal Control algorithm, the basic damping force of the vibration damping bearing device is set to 1 kN when the magnetic field is not applied, and the vibration is suppressed when the magnetic field is applied. The maximum damping force of the bearing device was set to 200 kN.

마지막으로, 구조물에 입력될 지진하중을 엘 센트로 지진, 고베 지진 및 노스리지 지진 등 3가지 형태로 설정하였다. 엘 센트로 지진은 가속도계로 기록된 최초의 강진으로서 현재까지 내진설계기준이나 기초격리장치에 대한 연구와 설계 시 표준 지진으로 간주되어 왔다. 고베 지진은 멕시코시티와 유사한 퇴적지반에서의 지진이며, 지표아래 20km에서 발생한 천발지진으로 최대지반가속도가 0.83g를 기록한 도심직하형 강진의 대표적인 경우이다. 노스리지 지진은 규모 6.8의 강진으로 역단층운동에 의하여 일어났으며 오늘날 전 세계적으로 진행되고 있는 성능에 기초한 내진설계개발의 직접적인 배경이 되었던 지진이다. Finally, the earthquake loads to be input to the structure were set in three forms: El Centro earthquake, Kobe earthquake, and Northridge earthquake. The El Centro earthquake was the first earthquake recorded as an accelerometer and has been regarded as the standard earthquake in the study and design of seismic design standards and basic containment systems. The Kobe earthquake is a seismic earthquake similar to Mexico City, and it is a typical case of the urban direct earthquake with a maximum earthquake acceleration of 0.83g. The Northridge earthquake was a magnitude 6.8 earthquake, caused by reverse fault movements, and was a direct ground for the development of seismic design based on performance that is ongoing worldwide today.

상술한 바와 같이 수치해석 준비를 한 후에, 종래의 납삽입 적층고무베어링과 제진 베어링장치의 성능을 평가하였다. 본 수치해석에서 입력 지진하중으로 사용된 각 지진의 가속도그램 및 고속푸리에변환(FFT, Faste Fourier Transformation)은 도 10 내지 도 12에 도시되어 있으며, 각 지진의 특성은 표 3과 같다. After preparing for numerical analysis as described above, the performance of the conventional leaded laminated rubber bearings and the vibration damping bearing device was evaluated. Accelerationgrams and Fast Fourier Transformation (FFT) of each earthquake used as the input seismic load in the numerical analysis are shown in FIGS. 10 to 12, and the characteristics of each earthquake are shown in Table 3.

Figure 112006041236602-PAT00016
Figure 112006041236602-PAT00016

상술한 바와 같은 과정을 거쳐 수치해석을 수행하여, 최대지반가속도의 강도에 의해 엘 센트로 지진, 고베 지진, 노스리지 지진에서 발휘되는 제진 베어링장치 및 납삽입 적층고무베어링 각각의 성능을 최대 기초변위, 최상위층의 최대가속도, 1-2층간 상대 변위를 비교하면, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다. 도 13 내지 도 18에 지시된 LRB는 납삽입 적층고무베어링가 설치된 구조물에 대한 결과를 나타내며, Active는 능동제어된 구조물에 대한 결과를 나타내며, Fixed는 지반 기초부가 고정된 구조물에 대한 결과를 나타내며, MS Rubber는 본 실시예의 제진 베어링장치가 설치된 구조물에 대한 결과를 나타낸다. Numerical analysis is carried out through the process described above, and the performance of each of the vibration suppression bearing device and lead-inset laminated rubber bearings exerted in the El Centro earthquake, Kobe earthquake, and Northridge earthquake is determined by the maximum ground acceleration strength. Comparing the maximum acceleration of the uppermost layer and the relative displacement between the 1-2 layers, the following results can be obtained. 13 to 18 indicate the results for the structure is installed lead-bearing laminated rubber bearing, Active indicates the results for the active controlled structure, Fixed indicates the results for the structure fixed ground foundation, MS Rubber shows the result for the structure in which the damping bearing device of this embodiment is installed.

먼저 엘 센트로 지진에 대한 동적거동을 살펴보면, 도 13에 도시되어 있는 바와 같이 기초변위에 있어서 제진 베어링장치는 28cm, 납삽입 적층고무베어링은 30cm로서 2cm 감소되는 결과를 보여주고 최상층 가속도에서는 제진 베어링장치에서는 0.191g, 납삽입 적층고무베어링은 0.542g로서 기초 지지상태에 비해 제진 베어링장치는 약 84%의 감소를 보여주었고 납삽입 적층고무베어링은 약 55%의 감소를 보여주고 있다. 1-2층간 상대 변위는 제진 베어링장치가 1.5mm, 납삽입 적층고무베어링은 2.7mm로서 기초 지지된 구조물의 1-2층간 상대 변위에 비해 제진 베어링장치는 80%이상, 납삽입 적층고무베어링은 약 68%이상의 감소를 보이면서 제진 베어링장치의 층간 상대변위가 납삽입 적층고무베어링 보다 우수한 것으로 나타내고 있다.First, the dynamic behavior of the El Centro earthquake, as shown in Fig. 13, the damping bearing device is 28cm in the basic displacement, the lead-inset laminated rubber bearing 30cm results in a 2cm reduction and the damping bearing device at the top floor acceleration , 0.191g and lead-in laminated rubber bearings are 0.542g, which shows a reduction of about 84% in damping bearing devices and a 55% reduction in lead-in laminated rubber bearings. The relative displacement between the 1-2 layers is 1.5mm for vibration suppression bearing device and 2.7mm for lead insert laminated rubber bearings. With a reduction of more than 68%, the interlayer relative displacement of the vibration damping bearing device is superior to that of lead-in laminated rubber bearings.

그리고, 도 14에는 엘 센트로 지진에 대한 납삽입 적층고무베어링과 제진 베어링장치에서의 변위와 감쇠력의 관계가 도시되어 있다. 납삽입 적층고무베어링은 약 80.49kN, 제진 베어링장치는 약 119kN의 감쇠력을 나타내었다. And, Fig. 14 shows the relationship between displacement and damping force in the lead-in laminated rubber bearing and vibration damping bearing device for the El Centro earthquake. The lead-in laminated rubber bearings have a damping force of about 80.49 kN and the damping bearing device has a damping force of about 119 kN.

다음으로 근역지진인 고베 지진에 대한 기초 변위와 최상층의 가속도, 1-2층간 상대 변위에 대해 비교해 보았다. 도 15에 도시되어 있는 바와 같이 기초변위에 있어서 제진 베어링장치는 36.1cm, 납삽입 적층고무베어링은 43.3cm로서 약 7cm 정도의 감소되는 결과를 나타내었다. 최상층 가속도에서는 제진 베어링장치에서는 0.244g, 납삽입 적층고무베어링에서는 0.372g으로서 기초지지상태에 비해 제진 베어링장치는 약 92%의 감소를 보여주었고 납삽입 적층고무베어링에 대해서는 약 88%의 감소를 보여주고 있다. 1-2층간 상대변위는 제진 베어링장치가 1.95mm, 납삽입 적층고무베어링은 9.61mm로서 기초 지지된 구조물의 1-2층간 상대변위에 비해 제진 베어링장치는 약 90%, 납삽입 적층고무베어링은 약 50%의 감소를 보이면서 제진 베어링장치의 층간 상대 변위가 납삽입 적층고무베어링보다 우수한 것으로 나타났다. Next, the basic displacements for the near earthquake Kobe earthquake, the acceleration of the top floor, and the relative displacement between the 1-2 floors were compared. As shown in FIG. 15, the damping bearing device was 36.1 cm in the basic displacement, and the lead-in laminated rubber bearing was 43.3 cm, which was reduced by about 7 cm. At the top-level acceleration, 0.244g for the damping bearing device and 0.372g for the lead-in laminated rubber bearing, showing a reduction of about 92% for the damping bearing device and a reduction of 88% for the lead-in laminated rubber bearing. Giving. The relative displacement between 1-2 layers is 1.95mm for vibration suppression bearing device and 9.61mm for lead insert laminated rubber bearing. About 90% of vibration suppression bearing device is about 90% compared to the relative displacement between 1-2 layers for foundation supported structure. With a 50% reduction, the interlayer relative displacement of the damping bearing device was superior to that of the lead-in laminated rubber bearings.

그리고, 도 16에는 고베 지진에 대한 납삽입 적층고무베어링과 제진 베어링장치에서의 변위와 감쇠력의 관계가 도시되어 있다. 납삽입 적층고무베어링은 약 98.98kN, 제진 베어링장치는 약 190.57kN의 최대 감쇠력을 나타내었다. In addition, Fig. 16 shows the relationship between displacement and damping force in the lead insert laminated rubber bearing and the vibration damping bearing device for the Kobe earthquake. Lead-in laminated rubber bearings showed a maximum damping force of about 98.98 kN and damping bearing devices of about 190.57 kN.

마지막으로 노스리지 지진에 대한 기초 변위와 최상층의 가속도, 1-2층간 상대 변위에 대해 비교해 보았다. 도 17에 도시되어 있는 바와 같이 기초변위에 있어서 제진 베어링장치는 81cm, 납삽입 적층고무베어링은 97.9cm로서 약 17cm 정도의 감소되는 결과를 나타내었다. 최상층 가속도에서는 제진 베어링장치에서는 0.543g, 납삽입 적층고무베어링에서는 0.815g으로서 기초지지상태에 비해 제진 베어링장치는 약 86%의 감소를 보여주었고 납삽입 적층고무베어링에 대해서는 약 80%의 감소를 보여주고 있다. 1-2층간 상대변위는 제진 베어링장치가 4.3mm, 납삽입 적층고무베어링은 6.6mm로서 기초 지지된 구조물의 1-2층간 상대변위에 비해 제진 베어링장치는 약 83%, 납삽입 적층고무베어링은 약 74%의 감소를 보였다. Finally, the base displacements for the Northridge earthquake, the acceleration of the top floor, and the relative displacements between the 1-2 floors were compared. As shown in FIG. 17, the damping bearing device was 81 cm in the basic displacement, and the lead-in laminated rubber bearing was 97.9 cm, which was reduced by about 17 cm. At the top-level acceleration, 0.543g for the damping bearing device and 0.815g for the lead-bearing laminated rubber bearing showed a reduction of about 86% for the damping bearing device and about 80% for the lead-bearing laminated rubber bearing. Giving. The relative displacement between 1-2 layers is 4.3mm for vibration suppression bearing device and 6.6mm for lead insert laminated rubber bearing. The decrease was about 74%.

그리고, 도 18에는 노스리지 지진에 대한 납삽입 적층고무베어링과 제진 베어링장치에서의 변위와 감쇠력의 관계가 도시되어 있다. 납삽입 적층고무베어링은 약 204.98kN, 제진 베어링장치는 약 341.17kN의 최대 감쇠력을 나타내었다. 18 shows the relationship between the displacement and the damping force in the leaded laminated rubber bearing and the vibration damping bearing device for the Northridge earthquake. The maximum damping force was about 204.98 kN for leaded laminated rubber bearings and about 341.17 kN for vibration damping bearings.

상술한 결과를 종합해 보면, 표 4 및 표 5에 나타나 있는 바와 같이 본 실시예의 제진 베어링장치가 종래의 납삽입 적층고무베어링 보다 모든 종류의 지진에 대해 월등히 우수한 성능을 보임을 알 수 있다.In summary, as shown in Tables 4 and 5, it can be seen that the vibration damping bearing device of the present embodiment exhibits superior performance against all types of earthquakes than conventional leaded laminated rubber bearings.

Figure 112006041236602-PAT00017
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Figure 112006041236602-PAT00018
Figure 112006041236602-PAT00018

한편, 본 실시예에 있어서는 제진 베어링장치가 복수의 적층부재와 복수의 자기민감부재를 포함하도록 구성되어 있으나, 제진 베어링장치(10a)를 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 구성할 수도 있다. 즉, 상기 제진 베어링장치(10a)는 도 4에 도시된 제진 베어링장치(10)와 달리 코어부재(13)를 더 구비한다. 상기 코어부재(13)는 적층부재(11)들 및 자기민감부재(12)들을 각각 관통하여 결합되어 있다. 그리고, 상기 코어부재(13)는 납 등과 같은 금속성 소재로 이루어져 있다. 상기 코어부재(13)는 구조물(60)에 인가되는 진동을 흡수하는 기능을 한다. On the other hand, in the present embodiment, the damping bearing device is configured to include a plurality of laminated members and a plurality of magnetic sensitive members, but the damping bearing device 10a may be configured as shown in FIG. That is, the damping bearing device 10a further includes a core member 13 unlike the damping bearing device 10 shown in FIG. 4. The core member 13 is coupled through the stacking members 11 and the magnetic sensitive members 12, respectively. The core member 13 is made of a metallic material such as lead. The core member 13 functions to absorb vibrations applied to the structure 60.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다. As mentioned above, the present invention has been described in detail with reference to preferred embodiments, but the present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications may be made by those skilled in the art within the technical idea of the present invention. It is obvious.

예를 들어, 본 실시예에 있어서는, 전류 세기의 변화를 통해서 자기장 세기를 변화시키고, 이 자기장 세기의 변화를 통해서 자기민감소재의 물성치를 변화시키도록 구성되어 있으나, 제진 베어링장치에 형성된 자기장의 방향을 변경시킴으로써 자기민감소재의 물성치가 변경되도록 구성할 수도 있다. For example, in the present embodiment, the magnetic field strength is changed by changing the current intensity, and the physical property value of the magnetic sensitive material is changed by the change of the magnetic field strength. It can also be configured to change the physical properties of the magnetic sensitive material by changing the.

또한, 본 실시예에 있어서는 코일부재가 하나 배치되도록 구성되어 있으나, 제진 베어링장치 부근에 복수의 코일부재가 배치되어 각 코일부재에서 발생되는 자기장의 방향이 서로 다르도록 구성할 수도 있다. In addition, in this embodiment, one coil member is configured to be arranged, but a plurality of coil members may be disposed in the vicinity of the vibration suppression bearing device, and thus the magnetic field generated in each coil member may be configured to be different from each other.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 자기장의 변화에 따라 자기민감소재의 물성치를 변경시킴으로써 구조물에 발생하는 다양한 형태의 동적하중에 대해 능동적으로 제아할 수 있게 된다. 그리고, 종래의 능동제어장치와 달리 큰 전력을 필요로하지 않으며, 종래와 달리 반 능동제어장치와 기초격리장치를 모두 설치하지 않고서도 하나의 제진 베어링장치를 통해서 종래와 마찬가지로 반 능동제어 및 기초격리성능을 발휘할 수 있게 된다. According to the present invention having the above-described configuration, it is possible to actively control the various types of dynamic loads generated in the structure by changing the physical properties of the magnetic sensitive material in accordance with the change of the magnetic field. Unlike the conventional active control device, it does not require large power, and unlike the conventional active control device and the basic isolation through a vibration damping bearing device without installing both the anti-active control device and the basic isolation device. Performance can be exhibited.

Claims (11)

지반 기초부와 상기 지반 기초부에 축조되는 구조물 사이에 설치되어 상기 구조물에 인가되는 진동에너지를 저감하는 제진 베어링장치에 있어서, In the vibration damping bearing device is installed between the ground foundation and the structure built on the ground foundation to reduce the vibration energy applied to the structure, 서로 이격되도록 적층된 복수의 적층부재; 및 A plurality of laminated members stacked to be spaced apart from each other; And 상기 적층부재들 사이에 각각 배치되며, 자기민감소재로 이루어진 복수의 자기민감부재;를 구비하며, A plurality of magnetic sensitive members each disposed between the laminated members and made of a magnetic sensitive material; 상기 자기민감소재의 강성계수 및 감쇠계수를 포함하는 상기 자기민감소재의 물성치가 상기 각 자기민감부재에 형성되는 자기장의 변화에 의해 변화되는 것을 특징으로 하는 제진 베어링장치. Vibration-bearing bearing device, characterized in that the physical properties of the magnetic sensitive material including the stiffness coefficient and the damping coefficient of the magnetic sensitive material is changed by the change of the magnetic field formed in each magnetic sensitive member. 제 1항에 있어서, The method of claim 1, 상기 자기민감부재는, 고무로 이루어진 고무 매트릭스와, 상기 고무 매트릭스 내에 분산된 금속성 소재의 금속 파티클을 포함하는 것을 특징으로 하는 제진 베어링장치. The magnetic sensitive member includes a rubber matrix made of rubber and metal particles of a metallic material dispersed in the rubber matrix. 제 2항에 있어서, The method of claim 2, 상기 금속 파티클은 철로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 제진 베어링장치. The metal particle is a vibration damping bearing device, characterized in that made of iron. 제 3항에 있어서, The method of claim 3, wherein 상기 각 적층부재는 판 형상의 금속성 소재로 이루어지며, Each laminated member is made of a metallic material of plate shape, 상기 각 자기민감부재는 판 형상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 제진 베어링장치. The respective magnetic sensitive member is a vibration damping bearing device, characterized in that consisting of a plate shape. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 1 to 4, 상기 적층부재들 및 자기민감부재들을 각각 관통하여 결합되며 금속성 소재로 이루어진 코어부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 제진 베어링장치.And a core member made of a metallic material and coupled to the laminated members and the magnetic sensitive members, respectively. 구조물의 동적거동을 감지하여 상기 구조물의 동적진동에 대응되는 감지신호를 출력하는 센서부;A sensor unit for detecting a dynamic behavior of the structure and outputting a detection signal corresponding to the dynamic vibration of the structure; 상기 구조물과 상기 구조물이 축조되는 지반 기초부 사이에 설치되어 상기 구조물에 인가되는 진동에너지를 저감하는 것으로서, 서로 이격되도록 적층된 복수의 적층부재과, 상기 적층부재들 사이에 각각 배치되며 자기민감소재로 이루어진 복수의 자기민감부재를 구비하는 제진 베어링장치;Installed between the structure and the ground foundation on which the structure is constructed to reduce vibration energy applied to the structure, a plurality of laminated members stacked to be spaced apart from each other, and are disposed between the laminated members, respectively, as a magnetic sensitive material A vibration damping bearing device having a plurality of magnetic sensitive members; 상기 제진 베어링장치에 자기장의 변화를 발생시켜 상기 자기민감소재의 강성계수 및 감쇠계수를 포함하는 상기 자기민감소재의 물성치가 상기 자기장의 변화에 의해 변화되도록 하는 자기장형성부; 및 A magnetic field forming unit for generating a change in the magnetic field in the vibration suppressing bearing device such that physical properties of the magnetic sensitive material including the stiffness coefficient and the damping coefficient of the magnetic sensitive material are changed by the change of the magnetic field; And 상기 센서부의 감지신호를 입력받아, 상기 감지신호를 기초로 상기 제진 베어링장치가 상기 구조물의 진동에너지를 감소시키는 제어력을 발생시키도록 상기 자기장형성부를 제어하는 제어부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 제진 시스템. And a control unit which receives the detection signal of the sensor unit and controls the magnetic field forming unit to generate a control force for reducing the vibration energy of the structure based on the detection signal. . 제 6항에 있어서, The method of claim 6, 상기 자기민감부재는, 고무로 이루어진 고무 매트릭스와, 상기 고무 매트릭스 내에 분산된 금속성 소재의 금속 파티클을 포함하는 것을 특징으로 하는 제진 시스템. The magnetic sensitive member includes a rubber matrix made of rubber and metal particles of a metallic material dispersed in the rubber matrix. 제 7항에 있어서, The method of claim 7, wherein 상기 베어링장치는 상기 적층부재들 및 자기민감부재를 각각 관통하여 결합되며 금속성 소재로 이루어진 코어부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 제진 시스템. The bearing device is a vibration damping system characterized in that it further comprises a core member made of a metallic material coupled through the laminated members and the magnetic sensitive member respectively. 제 6항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 6 to 8, 상기 감지신호는 상기 구조물의 변위, 가속도 및 진동주기를 포함하는 것을 특징으로 하는 제진 시스템. And the detection signal includes displacement, acceleration and vibration period of the structure. 제 6항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서, The method according to any one of claims 6 to 8, 상기 자기장형성부는 상기 제진 베어링장치를 둘러싸도록 배치된 환형의 코일부재와, 상기 코일부재 주위에 자기장이 형성되도록 상기 코일부재에 전류를 공급하는 전류공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 제진 시스템. The magnetic field forming unit includes an annular coil member disposed to surround the vibration damping bearing device, and a current supply unit supplying current to the coil member so that a magnetic field is formed around the coil member. 제 10항에 있어서, The method of claim 10, 상기 제어부는 상기 전류공급부에서 공급되는 전류의 세기를 제어함으로써 상기 자기장형성부에 의해 형성된 자기장의 세기를 제어하는 것을 특징으로 하는 제진 시스템. The control unit controls the intensity of the magnetic field formed by the magnetic field forming unit by controlling the intensity of the current supplied from the current supply unit.
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