KR20100009948A - 면진 장치용 에너지 흡수장치 - Google Patents

Abstract

강재댐퍼의 형상을 개선하여 강재 댐퍼의 변형능력과 구조성능을 향상시킬 수 있는 면진 장치용 에너지 흡수장치를 제공한다. 면진 장치용 에너지 흡수장치는 일부 구간에서 기설정된 곡률로 만곡되는 제1 부재, 제1 부재의 양단으로부터 각각 연장 형성하여 서로 간격을 두고 대향되도록 배치되는 제2 부재 및 제3 부재들로 형성하는 댐퍼를 포함하며, 댐퍼는 적어도 하나 이상의 개구부를 갖고 제2 부재 및 제3 부재들이 면진장치에 결합된다.

면진, 댐퍼, 에너지, 흡수

Description

면진 장치용 에너지 흡수장치{ENERGY ABSORPTION DEVICE FOR BASE ISOLATION SYSTEM}

본 발명은 면진장치에 관한 것으로, 보다 상세하게는 면진 장치용 에너지 흡수장치에 관한 것이다.

면진장치는 그 기능에 따라 주기를 연장시키는 작용을 하는 유연 지지부와 지진 에너지를 흡수하여 구조물의 응답변위를 줄이는 감쇠장치로 구분한다.

건축물의 주기를 연장시키는 기능을 하는 유연 지지부는 수직방향으로는 구조물 자체의 중량을 부담하여야 하고 수평방향으로는 큰 변형을 일으킬 수 있어야 한다. 그리고 경년 변화에 따라 성능열화가 발생하지 말아야 한다.

또한, 건축물을 원래의 위치에 복원시키는 강성이 필요하며 복원능력의 크기는 지진이 발생한 후에 잔류변형의 크기에 영향을 미친다.

강재댐퍼의 형상을 개선하여 강재 댐퍼의 변형능력과 구조성능을 향상시킬 수 있는 면진 장치용 에너지 흡수장치를 제공한다.

면진 장치용 에너지 흡수장치는 일부 구간에서 기설정된 곡률로 만곡되는 제1 부재, 제1 부재의 양단으로부터 각각 연장 형성하여 서로 간격을 두고 대향되도록 배치되는 제2 부재 및 제3 부재들로 형성하는 댐퍼를 포함하며, 댐퍼는 적어도 하나 이상의 개구부를 갖고 제2 부재 및 제3 부재들이 면진장치에 결합된다.

적어도 하나 이상의 개구부는 댐퍼의 길이방향을 따라 길게 형성할 수 있다.

제1 부재는 제1 부재의 만곡부분을 따라 길게 형성하는 제1 개구부를 갖고, 제1 부재의 만곡부분은 반원 형상으로 형성할 수 있다.

제2 부재는 제1 부재의 제1 개구부에 인접되는 부분에서 제2 부재의 길이방향으로 길게 형성하는 제2 개구부를 가질 수 있다. 제2 부재의 길이는 제1 부재의 만곡부분에서 반지름 길이보다 적어도 2배 이상 길게 형성할 수 있다.

제3 부재는 제1 부재의 제1 개구부에 인접되는 부분에서 제3 부재의 길이방향으로 길게 형성하는 제3 개구부를 가질 수 있다.

제2 부재와 제3 부재는 동일 형상으로 형성할 수 있으며, 제2 부재와 제3 부재는 직선형으로 이루어질 수 있다. 제2 부재와 제3 부재는 면진장치에 결합되는 부분에 각각의 체결구멍을 가질 수 있다.

각각의 부재들은 폭방향 길이가 두께방향 길이보다 더 길게 형성할 수 있다.

댐퍼는 이력 감쇠형 댐퍼로 이루어질 수 있으며, 댐퍼는 탄소성 재질로 이루어질 수 있다.

댐퍼에 개구부를 갖게 하여 하중의 작용방향에 관계없이 내력 저하를 감소시킬 수 있다.

또한, 댐퍼의 응력분포를 고르게하고 응력의 크기를 작게 할 수 있다.

또한, 댐퍼의 변형능력을 크게 증가시키고 큰 지진이 발생할 경우에도 파단이 발생하지 않고 오랫동안 작동할 수 있다.

이하, 첨부한 도면을 참고로 하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 이하에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 본 명세서 및 도면에서 동일한 부호는 동일한 구성요소를 나타낸다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 면진장치용 에너지 흡수장치를 도시한 도면이며, 도 2는 본 발명의 실시예에 따른 댐퍼를 도시한 사시도이다.

도 1과 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예에 따른 댐퍼(100)는 제1 부재(10), 제2 부재(20), 제3 부재(30)를 포함한다. 댐퍼(100)는 영문자 U의 형태를 갖는 U형 강재댐퍼이다.

본 발명의 실시예에 따른 댐퍼(100)는 이력 감쇠형 댐퍼로 형성하며, 댐퍼(100)는 탄소성 재질로 이루어진다. 그리고 댐퍼(100)는 적어도 하나 이상의 개구부를 갖는다. 적어도 하나 이상의 개구부는 댐퍼(100)의 길이방향을 따라 길게 형성한다. 그리고 각각의 부재들은 폭방향 길이가 두께방향 길이보다 더 길게 형성한다.

제1 부재(10)는 일부 구간에서 기설정된 곡률로 만곡된다. 제1 부재(10)는 제1 부재(10)의 만곡부분을 따라 길게 형성하는 제1 개구부(12)를 갖고, 제1 부재(10)의 만곡부분은 반원 형상으로 이루어진다.

제2 부재(20)와 제3 부재(30)는 제1 부재(10)의 양단으로부터 각각 연장 형성된다. 제2 부재(20)와 제3 부재(30)는 기설정된 간격을 두고 서로 대향되도록 배치된다. 제2 부재(20)와 제3 부재(30)는 면진장치에 결합된다.

제2 부재(20)는 제1 부재(10)의 제1 개구부(12)에 인접되는 부분에서 제2 부재(20)의 길이방향으로 길게 형성하는 제2 개구부(22)를 갖는다. 제2 부재(20)의 길이는 제1 부재(10)의 만곡부분에서 반지름 길이보다 적어도 2배 이상 길게 형성한다.

제3 부재(30)는 제1 부재(10)의 제1 개구부(12)에 인접되는 부분에서 제3 부재(30)의 길이방향으로 길게 형성하는 제3 개구부(32)를 갖는다.

제2 부재(20)와 제3 부재(30)는 동일 형상으로 형성할 수 있으며, 제2 부재(20)와 제3 부재(30)는 직선형으로 이루어진다. 제2 부재(20)와 제3 부재(30)는 면진장치에 결합되는 부분에 각각의 체결구멍(24, 34)을 갖는다.

도 2는 초기강성, 항복강도, 내력 및 제작시의 굽힘가공과 열처리과정을 종합적으로 고려하여 유한요소법(FEM ; finite element method) 해석을 바탕으로 도출된 본 발명의 실시예에 따른 댐퍼(100)의 형상을 보여주고 있다. 본 발명의 실시예에 따른 댐퍼(100)는 변형능력 및 취성파단을 방지하는 면진장치용 강재댐퍼이다.

일반적으로, 면진구조에 적용되는 적층 고무 베어링은 일정한 두께의 고무시트와 철판을 번갈아 쌓으면서 접착하여 만들어진 구조이다. 적층 고무 베어링은 내부의 철판으로 하여 수직방향에서의 강성이 크게 향상되어 수직하중에 의한 횡부풀림이 줄어들고 안정된 변형형상을 유지할 수 있다. 전단력이 작용할 때 적층 고무 베어링의 중간강판은 고무층의 전단변형(체적변화가 없음)을 구속하지 않으므로 고무시트만의 탄력으로 수평강성을 발휘한다. 적층 고무 베어링이 크게 변형하는 경우에도 유효지지부가 지속적으로 3축 압축응력상태가 유지되기 때문에 하중지지능력을 보유할 수 있다. 즉, 전단변형이 수직 축소량에 미치는 영향이 매우 작아 유효단면적에 비례하는 압축강성은 거의 원래 수준을 유지하게 되므로 적층 고무 베어링은 큰 수직하중을 지지하면서 수평방향으로는 큰 변형을 일으킬 수 있다.

면진장치의 감쇠를 증가시키는 방법으로는 다음과 같은 세 가지가 있다.

첫째, 이미 사용중인 고감쇠 천연고무와 같이 고무 자체의 감쇠성능을 향상시킨다.

둘째, 납-고무 베어링과 같이 분리장치에 댐퍼기능을 복합시켜 사용한다.

셋째, 분리장치와는 독립된 댐퍼를 설치한다.

감쇠장치는 면진구조에 감쇠성능을 부여하여 지진시에 발생하는 상부구조와 지반과의 과대한 상대변위를 감소시키고 지진이 끝난 후에는 신속하게 진동을 정지시키는 기능을 한다.

현재까지 여러 가지 형태, 기구, 재질을 가진 면진장치용 댐퍼가 개발되어 사용되고 있다. 초기에는 강재와 납을 사용한 댐퍼가 많이 개발되었고 그 이후에는 마찰을 이용한 댐퍼와 점탄성체를 이용한 댐퍼도 개발되었으며 현재까지는 분리장치에 댐퍼기능을 복합시킨 분리장치도 이용되고 있다. 이러한 복합형 분리장치에는 댐퍼에도 하중 지지능력이 요구되지만 분리장치와 독립된 댐퍼에는 하중 지지능력이 필요하지 않다.

댐퍼의 작동원리에 근거하여 이력 감쇠형 댐퍼와 점탄성 감쇠형 댐퍼로 구분할 수 있다. 이력 감쇠형 댐퍼는 납봉, 강봉 마찰댐퍼 등과 같이 주로 변형능력에 의하여 에너지를 소산시키는 반면에 점탄성 감쇠형 댐퍼는 오일댐퍼와 같이 주로 속도에 의존하는 점성저항을 이용하여 에너지를 흡수한다. 또한, 모든 유형의 댐퍼는 감쇠성능을 만족하는 동시에 분리장치의 비교적 큰 변형상태에서도 안정적으로 사용할 수 있는 변형능력과 방향성 및 환경의 영향에 대한 내구성을 모두 갖추도록 설계되어야 한다.

본 발명의 실시예에 따른 면진 장치용 에너지 흡수장치는 기존의 면진 장치용 댐퍼에 비해 변형능력 및 구조성능이 향상된 에너지 흡수장치이다.

본 발명의 실시예는 면진장치용 댐퍼의 형상을 개선한 것으로서, 더욱 상세하게는 댐퍼에 필수적인 성능인 변형능력과 취성파단 방지를 위한 댐퍼 형상을 개 선한 것이다.

기존의 강재댐퍼에 대한 성능평가 결과 에너지 흡수장치의 탄성강성을 확보하기 위해서는 강재의 폭보다는 두께를 크게 하는 것이 보다 효과적이다. 그러나 강재의 두께를 너무 크게 하면 굽힘 제조과정이 어렵게 되고 그에 따라 변형능력도 저하될 가능성이 크다.

또한, 한계 변형능력을 면진설계에서 요구하는 400mm 이상을 확보하기 위해서는 제1 부재(10)의 만곡부분에서 반지름 길이에 비해 제2 부재(20)와 제3 부재(30)의 길이를 적어도 2배 이상 확보해야 한다. 따라서, 본 발명의 실시예에서는 초기강성, 항복강도, 내력 및 제작시의 굽힘가공과 열처리과정을 종합적으로 고려하여 유한요소법(FEM ; finite element method) 해석을 실시하였다.

본 발명의 실시예에 따른 면진 장치용 에너지 흡수장치의 제작과정을 간단히 하고 설계식을 간편하게 도출하기 위하여 응력이 작은 부분에 개구부를 두어 단면적을 감소시키는 방법이 오히려 더 효과적이다. 따라서, 제2 부재(20) 및 제3 부재(30)의 끝부분과 제1 부재(10)의 곡선이 시작되는 위치에서 응력이 비교적 크게 일어나기 때문에 도 3에 도시한 바와 같이 개구부가 없는 비교예1의 댐퍼(b)와 실시예와는 달리 각각 해당되는 유형의 개구부를 갖는 비교예2(c)와 비교예3 댐퍼(d)의 형상을 실시예 댐퍼(e)와 비교한다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 댐퍼와 다른 댐퍼들의 형상을 개략적으로 비교한 도면이다.

도 3을 참조하면, (a)는 개구부의 유무에 관계없이 비교예들과 실시예의 기 본 형태에 해당되는 각각의 댐퍼 형상을 도시한 것으로, 영문자 U자 형태를 갖는다. (b)는 비교예1의 댐퍼로 개구부가 없는 댐퍼를 도시한 것이다. 여기서, L은 직선부의 길이를 도시한 것이며, R은 만곡부의 반지름을 도시한 것이다. W는 댐퍼의 폭을 도시한 것이다. 참고로, 비교예들과 실시예에 해당되는 댐퍼의 폭(W)은 동일한 것으로 가정한다.

(c)는 비교예2의 댐퍼를 도시한 것으로, 비교예1(b)의 댐퍼에서 직선부의 길이(L)를 L1과 L2로 구분하고, 만곡부의 반지름(R) 길이와 직선부의 일부 길이(L2) 만큼 개구부를 갖게 한다.

(d)는 비교예3의 댐퍼를 도시한 것으로, 비교예2(c)의 댐퍼에서 직선부의 일부 길이(L2)에만 개구부를 갖게 한 것이다.

(e)는 실시예의 댐퍼를 도시한 것으로, 비교예2(c)의 댐퍼에서 직선부의 길이를 L1, L2, L3로 구분하고, 만곡부의 반지름 길이를 R1, R2로 구분한 것이다. 그리고 L2와 R2에 해당되는 부분에만 개구부를 갖게 한 것이다.

상기한 바와 같이 본 발명의 실시예에 따른 댐퍼와 일부 비교예들의 댐퍼에 개구부를 갖게 함으로써 댐퍼의 초기강성, 항복강도 및 응력분포는 개구부가 없는 다른 댐퍼에 비하여 변하게 되며 그 변화를 파악하기 위하여 유한요소법으로 해석을 수행하였다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 댐퍼에 길이방향 하중이 작용할 경우 하중과 변위 관계를 다른 댐퍼들과 비교한 그래프이고, 도 5는 본 발명의 실시예에 따른 댐퍼에 수직방향 하중이 작용할 경우 하중과 변위 관계를 다른 댐퍼들과 비교한 그래프이다. 그리고 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 댐퍼와 다른 댐퍼들의 초기강성을 비교한 그래프이고, 도 7은 본 발명의 실시예에 따른 댐퍼와 다른 댐퍼들의 항복강도를 비교한 그래프이다. 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 댐퍼와 다른 댐퍼들의 변위가 50mm인 경우, 도 9는 100mm인 경우, 도 10은 2000mm인 경우 에너지 흡수장치의 변위에 따른 응력 분포를 도시한 그래프이다.

즉, 도 4와 도 5는 유형에 따른 하중-변위 관계를 도시한 것이고 도 6은 초기강성, 도 7은 항복강도를 나타냈으며 도 8, 도 9, 도 10은 길이방향 하중을 받을 경우 변위별 응력분포를 나타낸 것이다.

도 4와 도 5를 참조하면 하중의 작용방향에 관계없이 개구부를 둘 경우에 단면적의 감소로 인하여 초기강성과 내력의 저하가 발생한다는 것을 알 수 있다. 길이방향 하중을 받을 경우, 변위가 150mm보다 작은 구간에서는 비교예2와 실시예의 내력 저하가 비교예3에 비하여 적게 나타나지만 수직방향 하중을 받을 경우에는 실시예의 내력이 비교예2와 비교예3에 비하여 더 크게 나타난다. 따라서, 댐퍼에 개구부를 두었을 경우 하중의 작용방향에 관계없이 실시예의 내력 저하가 가장 작다.

하중-변위 관계에 근거하여 계산되어 도 6과 도 7에 각각 나타낸 초기강성과 항복강도를 보면 개구부를 두었을 경우, 하중의 작용방향에 관계없이 모두 작아진다. 하지만 길이방향 하중을 받을 경우에 실시예의 초기강성은 13% 감소하고 항복강도는 11% 감소하여 가장 작은 감소를 나타내었다. 수직방향 하중을 받을 경우에도 실시예의 초기강성은 32% 감소하고 항복강도는 29% 감소하여 역시 가장 작은 감소를 나타내었다.

도 8, 도 9, 도 10에 나타낸 응력분포를 보면 길이방향 하중을 받을 경우, 비교예2의 응력은 변위와 관계없이 기존의 댐퍼인 비교예1과 비슷한 분포를 나타낸다. 비교예3과 실시예의 응력은 비교예1에 비하여 크기가 훨씬 작아졌으며 그 분포도 평준화를 이룬다. 그 중에서도 실시예의 응력분포가 더 고르고 응력의 크기도 더 작다. 변위가 같은 조건에서 응력의 크기가 작고 응력집중이 발생하지 않는다면 댐퍼의 변형능력은 크게 증가할 것이고 큰 지진이 발생할 경우에도 파단이 발생하지 않고 오랫동안 작동할 수 있다.

도 1은 본 발명의 실시예에 따른 면진장치용 에너지 흡수장치를 도시한 도면이다.

도 2는 본 발명의 실시예에 따른 댐퍼를 도시한 사시도이다.

도 3은 본 발명의 실시예에 따른 댐퍼와 다른 댐퍼들의 형상을 개략적으로 비교한 도면이다.

도 4는 본 발명의 실시예에 따른 댐퍼에 길이방향 하중이 작용할 경우 하중과 변위 관계를 다른 댐퍼들과 비교한 그래프이다.

도 5는 본 발명의 실시예에 따른 댐퍼에 수직방향 하중이 작용할 경우 하중과 변위 관계를 다른 댐퍼들과 비교한 그래프이다.

도 6은 본 발명의 실시예에 따른 댐퍼와 다른 댐퍼들의 초기강성을 비교한 그래프이다.

도 7은 본 발명의 실시예에 따른 댐퍼와 다른 댐퍼들의 항복강도를 비교한 그래프이다.

도 8은 본 발명의 실시예에 따른 댐퍼와 다른 댐퍼들의 변위가 50mm인 경우 에너지 흡수장치의 변위에 따른 응력 분포를 도시한 그래프이다.

도 9는 본 발명의 실시예에 따른 댐퍼와 다른 댐퍼들의 변위가 100mm인 경우 에너지 흡수장치의 변위에 따른 응력 분포를 도시한 그래프이다.

도 10은 본 발명의 실시예에 따른 댐퍼와 다른 댐퍼들의 변위가 2000mm인 경우 에너지 흡수장치의 변위에 따른 응력 분포를 도시한 그래프이다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10 ; 제1 부재 20 ; 제2 부재

30 ; 제3 부재 12 ; 제1 개구부

22 ; 제2 개구부 32 ; 제3 개구부

24, 34 ; 체결구멍

Claims (13)

1. 일부 구간에서 기설정된 곡률로 만곡되는 제1 부재, 상기 제1 부재의 양단으로부터 각각 연장 형성하여 서로 간격을 두고 대향되도록 배치되는 제2 부재 및 제3 부재들로 형성하는 댐퍼

   를 포함하며,

   상기 댐퍼는 적어도 하나 이상의 개구부를 갖고,

   상기 댐퍼의 제2 부재 및 제3 부재들이 면진장치에 결합되는 면진 장치용 에너지 흡수장치.
2. 제1항에 있어서,

   상기 적어도 하나 이상의 개구부는 상기 댐퍼의 길이방향을 따라 길게 형성하는 면진 장치용 에너지 흡수장치.
3. 제2항에 있어서,

   상기 제1 부재는 상기 제1 부재의 만곡부분을 따라 길게 형성하는 제1 개구부를 갖는 면진 장치용 에너지 흡수장치.
4. 제3항에 있어서,

   상기 제1 부재의 만곡부분은 반원 형상으로 형성하는 면진 장치용 에너지 흡 수장치.
5. 제4항에 있어서,

   상기 제2 부재는 상기 제1 부재의 제1 개구부에 인접되는 부분에서 상기 제2 부재의 길이방향으로 길게 형성하는 제2 개구부를 갖는 면진 장치용 에너지 흡수장치.
6. 제5항에 있어서,

   상기 제2 부재의 길이는 상기 제1 부재의 만곡부분을 따라 형성하는 반지름 길이보다 적어도 2배 이상 길게 형성하는 면진 장치용 에너지 흡수장치.
7. 제6항에 있어서,

   상기 제3 부재는 상기 제1 부재의 제1 개구부에 인접되는 부분에서 상기 제3 부재의 길이방향으로 길게 형성하는 제3 개구부를 갖는 면진 장치용 에너지 흡수장치.
8. 제7항에 있어서,

   상기 제2 부재와 상기 제3 부재는 동일 형상으로 형성하는 면진 장치용 에너지 흡수장치.
9. 제8항에 있어서,

   상기 제2 부재와 상기 제3 부재는 직선형으로 형성하는 면진 장치용 에너지 흡수장치.
10. 제9항에 있어서,

    상기 제2 부재와 제3 부재는 상기 면진장치에 결합되는 부분에 각각의 체결구멍을 갖는 면진 장치용 에너지 흡수장치.
11. 제1항 내지 제10항 중 어느 한 항에 있어서,

    상기 각각의 부재들은 폭방향 길이가 두께방향 길이보다 더 길게 형성하는 면진 장치용 에너지 흡수장치.
12. 제11항에 있어서,

    상기 댐퍼는 이력 감쇠형 댐퍼인 면진 장치용 에너지 흡수장치.
13. 제12항에 있어서,

    상기 댐퍼는 탄소성 재질로 형성하는 면진 장치용 에너지 흡수장치.

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