KR20080065110A - 형상기억합금 마찰 댐퍼 - Google Patents

형상기억합금 마찰 댐퍼 Download PDF

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Abstract

본 발명은 지진, 강풍 또는 산업장비의 진동으로 야기되는 동적 하중으로부터 건물 및 구조물을 보호하는 댐퍼에 관한 것으로, 더욱 상세하게 형상기억합금을 이용하여 대 변형이 발생한 후에도 잔류변형을 거의 발생하지 않고 원형을 회복할 수 있도록 하고, 교량 및 건축구조물에서 지진 등에 대비하는 댐퍼에 요구되는 에너지 소산 능력을 위해서 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)과 MER(일종의 고무) 스프링의 압착에 의한 마찰력을 활용하고, 복원 능력을 위해서는 형상기억합금 케이블을 사용하여 인장 응력에 대한 복원을 가능케 하는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 마찰 댐퍼에 관한 것이다.
형상기억합금(SMA: Shape Memory Alloy), 댐퍼(Damper)

Description

형상기억합금 마찰 댐퍼{Frictional Shape Memory Alloy Damper}
도 1은 본 발명에 의한 SMA 마찰 댐퍼의 전체적인 구조를 도시한 개념도.
도 2는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 및 곡면의 마찰 거동 그래프.
도 3은 본 발명에 의한 SMA 케이블의 거동 그래프.
도 4는 본 발명에 의한 SMA 마찰 댐퍼의 실시 예를 보인 사용상태도.
도 5 및 도 6은 본 발명에 의한 댐퍼의 설치예들을 도시한 것이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
1: 엠이알(MER) 스프링
2: 폴리테트라플루오르에틸렌 패드
3: 형상기억합금(SMA) 케이블
4: 무빙블록(Moving Block)
5: 슬라이딩 구간부(Sliding Surface)
6: 스트로크 로드(Stroke Rod)
7: 본체 하우징(Case Housing)
8: 커버 플레이트(Cover Plate)
9: 슬라이딩 패널
30: 본 발명에 의한 댐퍼
본 발명은 지진 등에 의한 진동을 감쇠시켜 건물이나 교량 등의 구조물을 보호하는 제진 장치로서의 댐퍼에 관한 것으로, 상세하게는 예기치 않게 발생하는 높은 충격하중의 발생 초기에 에너지를 소산 시킬 수 있는 댐퍼에 관한 것이다.
댐퍼(Damper)는 지진 등의 충격하중을 감쇠시켜 자유진동을 억제함으로써 건물이나 교량 등을 보호하는 장치이며,
이와 같은 방진 댐퍼는 로드의 가운데에 릴리프밸브가 형성된 피스톤이 설치되고, 상기 피스톤이 실린더의 내부 공간에 삽입되며, 상기 실린더의 내부 공간이 피스톤에 의해 양분되어 그 각각이 유실로 형성되고, 상기 로드 및 실린더의 반대 측에는 각각 체결용 클레비스가 부착되어 구성된다.
이와 같은 방진 댐퍼는 지진 등에 의한 외력이 로드에 가해지면 피스톤에 의해 유실의 오일이 압축되고, 압축된 오일은 릴리프밸브를 통과하게 되고 이때 저항에 의해 감쇠력이 발생한다.
진동 에너지는 오일이 릴리프밸브를 통과할 때 발생하는 열에너지로 변환되어 흡수되고, 이는 결국 지진 등의 진동 에너지를 열에너지로 변화하여 흡수하므로 자유진동을 방지하여 구조물을 보호하게 되는 것이다.
그러나 이와 같은 기존의 댐퍼 구조는 갑작스런 큰 충격의 초기에는 댐퍼로서의 역할을 할 수 없어 충격하중이 그대로 건물이나 교량 등의 구조물에 작용하게 되어 구조물에 균열과 붕괴의 위험성이 있다는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 구조물에 작용하는 충격하중(운동하중)을 흡수하거나, 또는 갑작스런 큰 충격에 대응할 수 있을 뿐만 아니라 원상회복을 위한 복원 능력이 뛰어난 댐퍼를 제공하는 것에 그 목적이 있는 것이다.
또한, 실린더 방식의 복잡한 구조에 따른 설치 및 유지 보수에 따른 고가의 댐퍼를 개선하여 보다 효율적이고 뛰어난 에너지 소산 능력과 복원능력을 가지는 댐퍼를 제공하는 것에 그 목적이 있는 것이다.
상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 의한 형상기억합금 마찰 댐퍼를 첨부된 도면을 참조하여 바람직한 실시 예에 구조를 상세하면 다음과 같다.
도 1 은 본 발명에 의한 형상기억합금(SMA) 마찰 댐퍼의 전체적인 구조를 도시한 개념도로서, 장방형으로 상ㆍ하부에 곡면으로 이루어진 슬라이딩 패널을 가지는 댐퍼 하우징(7)과,
상기 하우징(7)의 중앙에 일정 길이로 형성되어 하우징(7) 내부의 폴리테트라플루오르에틸렌 패드(2)가 좌우 이동할 수 있도록 마련되는 슬라이딩 구간부(5)와,
상기 슬라이딩 구간부(5)가 구비된 슬라이딩 패널(9)과,
발생한 높은 충격하중에 따른 에너지의 소산을 위해 마련되는 엠이알(MER) 스프링(1)과,
상기 엠이알 스프링(1,1')을 복수로 마련하고, 구비된 엠이알 스프링(1,1')을 수직으로 정렬하여 위치한 상ㆍ하 엠이알 스프링(1)의 사이에 정착하도록 위치하는 무빙 블록(4)과,
상기 무빙 블록(4)에 정착된 상부 엠이알 스프링(1)의 상단부와, 하부 엠이알 스프링(1')의 하단부에 각각 정착되는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 패드(2)와, 상기 무빙 블록(4)의 일 측과 결합하여 하우징(7) 일 측 커버 플레이트(8)를 관통하여 연장되는 스트로크 로드(6)와,
상기 하우징(7)의 양측 커버 플레이트(8,8')에 고정되고 각각 무빙 블록(4)의 최단 인접면과 체결 결합하여 복원력을 제공하는 복수의 형상기억합금(SMA) 케이블(3)로 이루어지는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의한 형상기억합금 마찰 댐퍼의 바람직한 제작 과정과 작동 원리는 다음과 같이 개시될 수 있다.
제 1 단계: 고무스프링의 일종인 엠이알(MER) 스프링(1)의 단부에 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 패드(2)를 정착한다.
제 2 단계: 무빙 블록(4)의 양쪽에 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 패드(2)가 부착된 엠이알(MER) 스프링(1,1')을 정착한다.
제 3 단계: 엠이알(MER) 스프링(1) 상단의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 패드 위에 슬라이딩을 위한 패널을 압력을 가하여 정착하며, 이때 가해진 압력은 엠이알(MER) 스프링(1)(1')을 압축하고 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 패드(2) (2')에 압축 응력이 발생하도록 하여 지진 시에 마찰 거동을 통한 에너지 소산 작용을 가능케 한다.
제 4 단계: 무빙 블록(4)에 형상기억합금(SMA) 케이블(3)을 양방향으로 연결하며 형상기억합금(SMA) 케이블(3)은 충격 하중 등에 의해 무빙 블록(4)이 움직인 후, 원위치로 되돌아가도록 하는 복원력으로 작용케 한다.
도 2 는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 및 곡면의 마찰 거동 그래프로서, 이는 곡면 거동을 표현한 것으로, 본 발명에서 응용하고 있는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)는 마찰계수가 움직이는 속도에 따라 다르게 발생하며, 이는 거동이 매우 느린 경우, 즉 온도팽창과 같이 매우 느린 속도로 움직이는 경우에는 마찰계수가 0.01-0.03으로 구조물에 전달하는 하중이 매우 작은 반면 지진과 같이 움직이는 속도가 빨라지면 마찰계수는 0.08-0.15로 증가하면서 구조물에 전달하는 하중이 증가한다. 그러나 하중이 증가할수록 소산 하는 에너지량 또한, 증가하게 되며, 이러한 특성을 이용하여 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE)을 에너지 소산 장치에 활용한 것이다.
즉, 본 발명에 의한 형상기억합금 마찰 댐퍼에서 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 패드(2)가 움직이는 면을 곡면으로 처리하면 변위가 증가할수록 두면 사이가 좁아지면서 엠이알(MER) 스프링(1)에 작용하는 하중이 증가하고, 이는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 패드(2)에 발생하는 압축 응력의 증가를 유발하여 에너지 소산 능력의 향상 및 구조물의 변위 제어 능력이 향상을 가져오게 되는 것이다.
그래프에서 보는 바와 같이 평면에서 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 패 드(2)가 마찰할 때는 Plane 부분과 같이 거동을 하지만, 곡면에서는 엠이알(MER) 스프링(1)의 압축력이 증가하면서 Curved surface 부분과 같이 강성이 증가하여 추가적인 변위에 대한 저항성이 증가하고, 힘-변위 면적이 증가하여 에너지 소산이 증가함을 알 수 있다.
도 3은 본 발명에 의한 형상기억합금(SMA) 케이블의 거동 그래프로서, 오스테나이트(Austenite) 형상기억합금(SMA) 케이블의 거동은, 큰 변형 후에 하중을 제거하면 다시 변형을 거의 회복함을 알 수 있고, 이용되는 형상기억합금(SMA)의 제작 및 처리과정에 따라서 차이는 있으나, 최대 25%의 변형률에서 파괴가 발생하도록 제작이 가능함으로 구조물의 지진에 의한 변위를 흡수하고 복원력을 제공하기 위해서 짧은 길이의 케이블을 사용하여 구현이 가능하여 산업상 이용가능성이 뛰어나다 할 것이다.
도 4는 본 발명에 의한 형상기억합금(SMA) 마찰 댐퍼의 실시 예를 보인 사용상태도로서, 본 발명에 의한 형상기억합금 마찰 댐퍼의 실시 예를 보면 지진에 의해서 구조물에 발생한 힘이 스트로크 로드(6)를 통해서 전달되면, 무빙 블록(4)에 연결되어 있는 양방향의 형상기억합금(SMA) 케이블(3)은 무빙 블록(4)의 움직임에 따라 일 측 케이블에 인장력이 발생하며, 이는 움직이는 무빙 블록(4)의 상대측 케이블(3)에 인장 응력을 발생하여 응력이 발생한 케이블(3)은 구조물(10)을 복원하는데 하중을 제공하게 되는 것으로 주요 구성품의 기능을 추가 상세하면 다음과 같다.
스트로크 로드(6)는 구조물(10)에 연결되며 구조물(10)에서 발생하는 지진력 을 무빙 블록(4)에 전달하고, 이와 같이 무빙 블록(4)에 전달된 힘은 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 패드(2)를 이동시키게 되고, 형상기억합금(SMA) 케이블(3)은 긴장하는 작용과 하중 제거에 따른 복원력을 가지게 되는 것이다.
도 5는 특히 본 발명의 댐퍼를 건축구조물에 있어 철골구조물에 설치한 예를 도시한 것이다.
통상 빌딩 등과 같은 구조물은 뼈대구조무로서 H형강인 철골을 먼저 수직으로 시공하고, 수직 철골 상단부를 서로 강결시키게 된다.
이러한 철골조 구조에는 풍하중, 지진하중 등을 포함하는 동적하중에 의하여 횡방향으로 하중이 가해지게 되는데, 이러한 하중들에 의하여 횡방향 진동 및 변형, 변위가 발생하게 되며, 이에 철골조 구조물은 횡방향으로 발생하는 변형 등을 복원시켜 줄 필요가 있게 된다.
이에 도 5와 같이 상부 철골(21)과 수직 철골(22) 내측 사이에 경사지게 지지부재(23)를 설치하되, 상기 지지부재에 본 발명의 댐퍼(30)를 장착시키게 되면 상기 횡방향 변형을 원래 상태로 복원시킬 수 있게 된다.
도 6은 특히 교량구조물에 있어 본 발명의 댐퍼(30)를 설치한 예를 도시한 것이다.
통상 교량은 양 측에 교대(41)를 설치하고, 교대(41) 사이에 거더(42)를 설치하게 되며, 거더 상부에는 교량상판이 설치된다. 또한 상기 거더의 하면과 교대 사이에는 교량용 슈가 설치되어 거더가 교대에 지지되도록 하게된다.
이러한 거더에는 교통하중 등을 포함하는 동적하중에 의하여 교축방향으로 역시 변형 등이 발생하게 된다.
특히 지진에 의한 횡방향 가속도에 의하여 거더는 교대로부터 이탈되어 낙교사고가 발생할 수 있는데, 이에 본 발명의 댐퍼(30)를 설치하여 이를 방지할 수 있도록 한다.
예컨대, 교대 측면에 본 발명의 댐퍼(30)가 지지되도록 한 상태에서 거더 하면에 받침대(43)를 설치하고, 이 밤침대(43)와 교대 사이에 댐퍼(30)를 설치하게 되면 거더에 발생하는 변형 등을 원래의 상태로 복원할 수 있게 된다.
본 발명은 구조물에 작용하는 충격하중(운동하중)을 흡수하거나, 또는 갑작스런 큰 충격에 대응할 수 있을 뿐만 아니라 원상회복을 위한 복원 능력이 뛰어난 댐퍼를 제공할 수 있는 효과가 있으며, 종래 방식의 복잡한 구조에 따른 설치 및 유지 보수에 따른 고가의 댐퍼를 개선하여 보다 효율적이고 뛰어난 에너지 소산 능력과 복원능력을 가지는 댐퍼에 따른 산업상 이용가능성이 뛰어나다 할 것이다.
이상에서와 같이 본 발명은 기재된 구체적인 예에 대해서만 상세히 기술하였지만 그 기술사상범위 내에서의 그 하우징과 스트로크 로드의 형태와 케이블의 수와 위치를 달리하는 댐퍼로의 수정 가능함은 자명한 것이며, 이러한 수정 및 변형이 첨부된 특허청구범위에 속한다고 봄이 상당한 것은 실질적 구성과 기능의 동일이라는 균등의 영역에서 당업자에게 명백한 것이라 할 것이다.

Claims (4)

  1. 동적 하중으로부터 건물 및 구조물을 보호하는 댐퍼에 있어서;
    장방형으로 상ㆍ하부에 곡면을 가지는 댐퍼 하우징과;
    상기 하우징의 중앙에 일정 길이로 형성되어 하우징 내부의 폴리테트라플루오르에틸렌 패드가 좌우 이동할 수 있도록 마련되는 슬라이딩 구간부와;
    발생한 높은 충격하중에 따른 에너지의 소산을 위해 마련되는 엠이알(MER) 스프링과;
    상기 엠이알 스프링을 복수로 마련하고, 구비된 엠이알 스프링을 수직으로 정렬하여 위치한 상ㆍ하 엠이알 스프링의 사이에 정착하도록 위치하는 무빙 블록과;
    상기 무빙 블록에 정착된 상부 엠이알 스프링의 상단부와, 하부 엠이알 스프링의 하단부에 각각 압력에 의해 정착되는 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 패드와;
    상기 무빙 블록의 일 측과 결합되어 하우징 일 측 커버 플레이트를 관통하여 연장되는 스트로크 로드와;
    상기 하우징의 양측 커버 플레이트에 고정되고 각각 무빙 블록의 최단 인접면과 체결 결합하여 복원력을 제공하는 복수의 형상기억합금(SMA) 케이블 및;
    상기 슬라이딩 구간부가 구비된 슬라이딩 패널로 이루어지는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 마찰 댐퍼.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 하우징에 체결된 슬라이딩 패널은, 하우징에 장착시 엠이알(MER) 스프링을 압축하고 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 패드에 압축 응력이 발생하도록 엠이알(MER) 스프링 상단의 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 패드 위에 슬라이딩을 위한 패널을 압력을 가하여 정착되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 마찰 댐퍼.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 패드가 움직이는 면을 곡면으로 처리하여 변위가 증가할수록 두면 사이가 좁아지면서 엠이알(MER) 스프링에 작용하는 하중이 증가하여 폴리테트라플루오르에틸렌(PTFE) 패드에 발생하는 압축 응력의 증가를 유발하고 에너지 소산 능력의 향상 및 구조물의 변위 제어 능력이 향상을 가능케 하기 위해 슬라이딩을 위한 패널이 하우징 양측 단부 진행방향으로 협소해지는 곡면 형태를 가지는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 마찰 댐퍼.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 하우징 내에 삽입된 스트로크 로드의 일 측에, 스트로크 로드와 동일 수직선상에 위치하는 형상기억합금(SMA) 케이블은 스트로크 로드의 이탈방지와 인장 응력을 고려하여 스트로크 로드 주위로 다발 형태를 가지는 복수의 형상기억합금(SMA) 케이블(3)이 마련되는 것을 특징으로 하는 형상기억합금 마찰 댐퍼.
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