KR20130082330A - 반능동 면진받침장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 횡방향 변위량을 획기적으로 증대시켜, 면진받침장치에 의한 진동에너지의 흡수능력을 향상시킬 수 있는 반능동 면진받침장치에 관한 것으로, 베이스; 상기 베이스의 중심부에 설치되는 적층부; 상기 베이스의 주변부에 상기 적층부 주위로 배치되는 하부자화부; 중심부가 상기 적층부의 상측에 고정되는 캡플레이트; 및 상기 캡플레이트의 하면에 상기 적층부의 주위로 배치되는 상부자화부를 포함하고, 상기 하부자화부와 상기 상부자화부는 서로 이격되며, 상기 적층부는 자기에 의해 강성도와 감쇠계수가 변화하는 자기민감소재로 이루어진 복수의 자기민감판재와, 자성체로 이루어지는 자성판재가 서로 교호적으로 적층되는 것을 특징으로 한다.

Description

반능동 면진받침장치{Semi-active seismic isolation devices}
본 발명은 반능동 면진받침장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 횡방향 변위량을 획기적으로 증대시켜, 면진받침장치에 의한 진동에너지의 흡수능력을 향상시킬 수 있는 반능동 면진받침장치에 관한 것이다.
면진장치는, 교량의 상부구조물과 하부구조물의 사이에서 상기 상부구조물에 작용하는 하중을 하부구조물에 전달하여 이를 분산시키는 역할을 한다.
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 있다.
그러나, 면진장치를 이용한 내진설계는 기초격리장치와 구조물로 구성된 구조계의 고유주기를 증가시켜 구조물의 상대변위 응답을 증가시킴으로써, 사용성 및 기초격리장치의 설계에 불리함을 초래하는 것으로 알려져 있다.
이러한 단점을 해결하기 위해, 기초격리장치와 더불어 능동장치를 결합한 혼합제어장치가 개발되고 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.
이에 반해, 제어성 유체를 이용한 반 능동제어장치는 능동제어장치와 유사한 성능을 발휘하나 큰 전력공급을 필요로 하지 않는다는 장점 때문에 ER 및 MR 유체를 이용한 진동제어 장치들을 개발되었고, 소규모의 구조물 모형실험을 통해 제어장치로서의 기능이 확인된 바 있다.
그러나 이러한 반 능동제어장치는 자력을 부여하는 코일 내부에 변위를 위한 적층체가 설치되어 있으므로 수평방향의 진동폭이 제한적이어서 경제적으로나 실제 구조물 적용에 문제점을 가지고 있다.
상기의 문제점을 해결하기 위해 안출된 본 발명의 목적은, 횡방향 변위량을 획기적으로 증대시켜, 면진받침장치에 의한 진동에너지의 흡수능력을 향상시킬 수 있는 반능동 면진받침장치를 제공하는 데에 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명은, 베이스; 상기 베이스의 중심부에 설치되는 적층부; 상기 베이스의 주변부에 상기 적층부 주위로 배치되는 하부자화부; 중심부가 상기 적층부의 상측에 고정되는 캡플레이트; 및 상기 캡플레이트의 하면에 상기 적층부의 주위로 배치되는 상부자화부를 포함하고, 상기 하부자화부와 상기 상부자화부는 서로 이격되며, 상기 적층부는 자기에 의해 강성도와 감쇠계수가 변화하는 자기민감소재로 이루어진 복수의 자기민감판재와, 자성체로 이루어지는 자성판재가 서로 교호적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 반능동 면진받침장치이다.
상기 자기민감판재는, 고무로 이루어진 고무 매트릭스와, 상기 고무 매트릭스 내에 분산된 금속성 소재의 금속파티클을 포함하여 이루어질 수 있다.
그리고, 상기 하부자화부와 상기 상부자화부 사이공간의 이분할면은 상기 적층부의 길이방향의 중심과 일치하는 것을 특징으로 한다.
여기서, 상기 자성판재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어질 수 있다.
이러한 반능동 면진받침장치를 이용하여 내진시스템을 구성할 수 있다. 상기 제진시스템은, 구조물의 하부에 설치되는 면진받침장치와, 상기 구조물에 설치돼서, 상기 구조물의 동적거동을 감지하여 상기 구조물의 동적진동에 대응되는 감지신호를 출력하는 센서부와, 상기 상부자화부 및 상기 하부자화부의 자기력의 세기를 제어하는 제어부를 포함한다.
상기 제어부는 상기 상부자화부와 상기 하부자화부의 자속의 방향 및 자속의 크기를 동일하게 제어할 수 있다.
본 발명에 따르면, 자기장의 변화에 따라 자기민감소재의 강성도 및 감쇠계수를 변경시켜서 구조물에 발생하는 다양한 형태의 동적하중에 대해 능동적으로 제어할 수 있게 된다.
특히, 종래기술에 비하여, 횡방향 변위량을 획기적으로 증대시켜 감쇠능력이 향상되므로, 구조물의 제진설계시 면진받침의 개수를 줄일 수 있어서, 설계자유도가 증대될 수 있다.
그리고, 종래의 면진장치와 달리 큰 전력을 필요로 하지 않으며, 종래와 달리 반능동 면진받침장치와 기초격리장치를 모두 설치하지 않고서도, 하나의 종래의 면진장치를 통해서 종래와 마찬가지로 반능동제진 및 기초격리성능을 발휘할 수 있게 된다. 또한, 전력이 차단되어도 종래의 면진장치의 기능을 수행할 수 있다.
또, 제어부를 통해 자기민감판재의 강성 또는 감쇠능을 관리자가 필요시에 원하는 만큼 조절하여 변화시킴으로써, 일반적인 면진받침에서 요구되는 지진력에 의한 전단 변형량 뿐만 아니라 상부 구조물의 물리적 특성 변화에 따른 신축량을 포함한 전단 변형을 관리자가 적극적으로 통제할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반능동 면진받침장치의 개략적인 정단면도이다.
도 2는 도 1의 A-A에서 바라본 평단면도이다.
도 3은 도 1의 반능동 면진받침장치를 설치한 제진시스템의 개략도이다.
이하, 본 발명을 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 또, 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 공지 기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.
도 1에 도시된 도면부호 100은 본 발명의 실시예에 따른 반능동 면진받침장치를 지시한다.
상기 반능동 면진받침장치(100)는 베이스(104)와, 상기 베이스(104)의 중심부에 설치되는 적층부(120)와, 상기 베이스(104)의 주변부에 상기 적층부(120) 주위로 배치되는 하부자화부(108)와, 중심부가 상기 적층부의 상측에 고정되는 캡플레이트(102)와, 상기 캡플레이트(102)의 하면에 상기 적층부(120)의 주위로 배치되는 상부자화부(106)를 포함하여 이루어진다.
상기 베이스(104)는 상기 상부자화부(106)와 상기 하부자화부(108)의 자기력을 방해하지 않거나, 자속에 동조하여 자기력을 증폭시킬 수 있는 물질로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 베이스I(104)는 하중을 지지할 수 있는 강도를 가져야 한다. 따라서, 상기 베이스(104)는 강 또는 고강도 플라스틱으로 이루어질 수 있다.
상기 베이스(104)는 대략 디스크(104) 형상을 가지며, 중심부에는 상기 적층부(120)가 설치된다. 도 1에서는 상기 적층부(120)가 접합되는 상기 베이스(104)의 중심부가 다소 높게 돌출되도록 형성될 수도 있다.
상기 베이스(104)의 상면에서 상기 적층부(120)의 주위에는 하부자화부(108)가 설치된다. 상기 하부자화부(108)는 도 2에 도시된 바와 같이, 상기 적층부(120)를 둘러싸면서, 상기 적층부(120)와 동심을 이루는 관체의 형상을 가진다.
상기 하부자화부(108)의 내부에는 코일이 감겨져 있어서, 상기 하부자화부(108)에 전류가 공급되면, 상기 적층부(120)의 길이방향의 방향성을 가지는 자속을 형성할 수 있다.
상기 적층부(120)의 상측에는 캡플레이트(102)가 설치된다. 상기 캡플레이트(102)는 기본적으로 상기 베이스(104)와 동일한 재질 및 형상을 가질 수 있다. 그리고, 상기 캡플레이트(102)의 하측에는 상기 하부자화부(108)와 동일한 형상을 가지는 상부자화부(106)가 부착된다. 상기 하부자화부(108)와 상기 상부자화부(106)가 반드시 동일한 형상을 필요는 없으나, 설계편의상 동일한 형상 및 동일한 자기력을 가지도록 구성하는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 상부자화부(106)와 상기 하부자화부(108)는 도 1에 도시된 바와 같이, 서로 이격되어 설치되며, 상기 상부자화부(106)와 상기 하부자화부(108)의 사이공간의 중심면은, 상기 적층부(120)의 길이방향에 대한 중심면과 일치시킨다. 이를 통해, 상기 상부자화부(106)와 상기 하부자화부(108)에 의해 형성되는 자속이 상기 적층부(120)의 길이방향으로 부여될 수 있다.
상기 적층부(120)는 자기에 의해 강성도와 감쇠계수가 변화하는 자기민감소재로 이루어진 복수의 자기민감판재(122)와, 자성체로 이루어지는 자성판재(124)가 서로 교호적으로 적층된다.
상기 자기민감판재(122)는, 고무로 이루어진 고무 매트릭스와, 상기 고무 매트릭스 내에 분산된 금속성 소재의 금속파티클을 포함하여 이루어질 수 있다. 상기 고무 매트릭스는 천연고무, 폴리우레탄 등으로 이루어질 수 있으며, 금속 파티클은 철 등과 같은 금속성 소재로 이루어진 파티클이다.
즉, 상기 자기민감판재(122)는 외부의 자기력에 대하여 변위가 가능한 자성체 입자를 포함하는 것을 특징으로 한다. 따라서, 상기 자성체의 배열에 의해 상기 자기민감판재(122)는 감쇠계수와 강성도의 값이 달라질 수 있으며, 이 때 상기 자성체 입자의 변위량은 상기 상부자화부(106)와 상기 하부자화부(108)에 공급되는 전류의 양으로 제어할 수 있다.
상기 자성판재(124)는 철을 사용할 수 있지만, 자기장의 투과도를 고려하여 알루미늄 또는 알루미늄합금을 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명의 실시예에 따른 반능동 면진받침장치(100)는 기본적으로 상술한 바와 같이 구성된다. 그리고, 이러한 반능동 면진받침장치(100)를 이용하여 제진시스템을 도 3에 도시한 바와 같이 구성할 수 있다.
상기 제진시스템은, 구조물(10)의 하부에 설치되는 반능동 면진받침장치(100)와, 상기 구조물(12)에 설치돼서 상기 구조물(10)의 동적거동을 감지하여 상기 구조물(10)의 동적진동에 대응되는 감지신호를 출력하는 센서부(14)와, 상기 상부자화부(106) 및 상기 하부자화부(108)를 자화시키도록 전원부(미도시)로부터 공급되는 전류의 양을 제어하는 제어부(미도시)를 포함한다.
상기 반능동 면진받침장치(100)는 침하에 대해 강건한 기초(12)에 설치될 수 있다.
상기 제어부는 상기 상부자화부(106)와 상기 하부자화부(108)의 자속의 방향 및 자속의 크기를 동일하게 제어할 수 있다.
따라서, 외부로부터 외란이 주어지면, 상기 구조물(10)에서 발생되는 진동을 상기 센서부(12)가 감지하여 상기 제어부에 감지신호를 송달한다. 상기 제어부는 상기 감지신호가 나타내는 상기 구조물의 진동의 진폭, 주파수로부터 적절한 전류의 공급량을 시간에 따라 변화시키는 것에 의해 상기 구조물(10)의 횡방향 진동을 감쇠시킬 수 있다.
특히, 본 발명에 따른 능동형 면진받침장치(100)는 상부자화부(106)가 상기 하부자화부(108)가 이격되어 있으므로, 상기 적층부(120) 상부는 상기 상부자화부(106)에 대하여 일정한 간격을 유지한 상태에서 횡방향 진동이 가능하게 된다. 이 결과, 상기 적층부(120)의 상부가 상기 적층부(102)의 하부에 대하여 1방향으로 이동한 상태에서도, 상기 적층부(120)의 상부에 대하여 상기 상부자화부(106)에 의해 일정한 자속을 공급받을 수 있다.
이상에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명하였으나, 본 발명의 범위는 이같은 특정 실시예에만 한정되지 않으며, 해당분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 특허청구범위 내에 기재된 범주 내에서 적절하게 변경이 가능할 것이다.
10: 구조체 12: 기초
14: 센서부 100: 반능동 면진받침장치
102: 캡플레이트 104: 베이스
106: 상부자화부 108: 하부자화부
120: 적층부 122: 자기민감판재
124: 자성판재

Claims (6)

  1. 베이스;
    상기 베이스의 중심부에 설치되는 적층부;
    상기 베이스의 주변부에 상기 적층부 주위로 배치되는 하부자화부;
    중심부가 상기 적층부의 상측에 고정되는 캡플레이트; 및
    상기 캡플레이트의 하면에 상기 적층부의 주위로 배치되는 상부자화부를 포함하고,
    상기 하부자화부와 상기 상부자화부는 서로 이격되며,
    상기 적층부는 자기에 의해 강성도와 감쇠계수가 변화하는 자기민감소재로 이루어진 복수의 자기민감판재와, 자성체로 이루어지는 자성판재가 서로 교호적으로 적층되는 것을 특징으로 하는 반능동 면진받침장치.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 자기민감판재는, 고무로 이루어진 고무 매트릭스와, 상기 고무 매트릭스 내에 분산된 금속성 소재의 금속파티클을 포함하는 것을 특징으로 하는반능동 면진받침장치.
  3. 제 1항에 있어서, 상기 하부자화부와 상기 상부자화부 사이공간의 이분할면은 상기 적층부의 길이방향의 중심과 일치하는 것을 특징으로 하는 반능동 면진받침장치.
  4. 제 1항에 있어서, 상기 자성판재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 반능동 면진받침장치.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 따르고 구조물의 하부에 설치되는 면진받침장치;
    상기 구조물에 설치돼서, 상기 구조물의 동적거동을 감지하여 상기 구조물의 동적진동에 대응되는 감지신호를 출력하는 센서부; 및
    상기 상부자화부 및 상기 하부자화부의 자기력의 세기를 제어하는 제어부를 포함하는 것을 특징으로 하는 제진 시스템.
    ;
  6. 제5항에 있어서, 상기 제어부는 상기 상부자화부와 상기 하부자화부의 자속의 방향 및 자속의 크기를 동일하게 제어하는 것을 특징으로 하는 제진 시스템.
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