KR20170087893A - 면진 장치 - Google Patents

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도모타카 와케
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오일레스고교 가부시키가이샤
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Abstract

면진 장치(1)는 탄성층(3) 및 강성층(7)이 서로 교대로 적층되어 이루어진 적층 탄성체(8)와, 적층 탄성체(8)의 원기둥상 중공부(11)에 압입되어 있는 감쇠체(12)로 이루어진 기둥체 원기둥체(14)를 구비하고, 감쇠체(12)의 각각은 열전도성 필러와, 흑연과, 열경화성 수지를 함유한다.

Description

면진 장치{Seismic isolation device}
본 발명은 감쇠체를 구비한 면진 장치에 관한 것이다.
탄성층 및 강성층이 교대로 적층되어 이루어진 적층 탄성체와, 이 적층 탄성체의 내주면으로 규정된 원기둥상 중공부에 충전된 납 플러그를 가진 면진 장치는, 특허문헌 1 및 2에 의해 알려져 있는 바와 같이 상부 구조물의 하중을 지지하는 것에 더하여, 지진 등에 의한 지반 진동의 상부 구조물에의 전달을 적층 탄성체에 의해 가능한 한 저지함과 동시에 상부 구조물에 전달된 진동을 납 플러그에 의해 가급적으로 신속하게 감쇠시키도록 지반과 상부 구조물의 사이에 설치된다.
면진 장치에 이용되는 이러한 납 플러그는 진동 에너지를 바람직하게 흡수하여 소성 변형 후에도 진동 에너지 흡수에 따라 발생하는 열에 의해 용이하게 재결정하여 기계적 피로를 초래하지 않기 때문에 진동 에너지 흡수체로서 매우 우수하다.
특허문헌 1: 일본공개특허 평9-105440호 공보 특허문헌 2: 일본공개특허 2000-346132호 공보 특허문헌 3: 일본공개특허 2009-133481호 공보
그러나, 납은 주지한 바와 같이 그 비중이 매우 크기 때문에, 적층 탄성체에 납 플러그를 조립한 면진 장치에서는 그 시공 현장으로 운반 및 구조물에의 시공에는 매우 큰 노력을 필요로 하는 데다가 면압(面壓) 의존성, 즉 지지하는 중량이 다른 상부 구조물에 따른 면진 효과를 발휘할 수 있는 특성을 얻을 수 없는 문제가 있다.
특허문헌 3에는 엘라스토머 조성물에 철분 등의 분체를 배합한 조성물로부터 제조한 플러그를 조립한 면진 장치가 제안되어 있지만, 이러한 면진 장치에서도 면압 의존성에 대한 고려가 되지 않았다.
본 발명은 상기 여러 가지 점을 감안하여 이루어진 것으로, 그 목적으로 하는 바는 면진 효과에 대한 각각의 의존성, 예를 들어 안정된 변형 의존성, 온도 의존성 및 면압 의존성을 가짐과 동시에 반복 가진(加振)에 대한 항복 하중의 변화가 적고, 장시간 지진에서의 반복 가진에 대해 안정된 에너지 흡수 성능을 갖는 면진 장치를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 면진 장치는 강성층 및 탄성층이 교대로 적층되어 이루어진 적층 탄성체와, 적어도 이 적층 탄성체의 내주면(內周面)으로 규정된 적어도 하나의 기둥상(柱狀) 중공부, 바람직하게는 원기둥상 중공부(圓柱狀 中空部)에 배치된 감쇠체로 이루어진 기둥체, 바람직하게는 원기둥체를 구비하고, 감쇠체는 열전도성 필러와 흑연과 열경화성 수지를 포함하고 있다.
또한, 본 발명의 면진 장치는 강성층 및 탄성층이 교대로 적층되어 이루어진 적층 탄성체와, 적어도 이 적층 탄성체의 내주면으로 규정된 적어도 하나의 기둥상 중공부, 바람직하게는 원기둥상 중공부에 배치되어 있음과 동시에 기둥상 중공부, 바람직하게는 원기둥상 중공부의 축방향으로 적층된 복수개의 감쇠체로 이루어진 기둥체, 바람직하게는 원기둥체를 구비하고, 각 감쇠체는 열전도성 필러와 흑연과 열경화성 수지를 포함하고 있다.
본 발명의 면진 장치에 의하면, 감쇠체는 부가되는 진동에 기인하는 반복 전단 변형을 서로의 마찰에 의해 감쇠시키는 열전도성 필러와, 마찬가지로 부가되는 진동에 기인하는 반복 전단 변형을 적어도 열전도성 필러와의 마찰에 의해 감쇠시키는 흑연과, 감쇠체의 초기 형상 유지를 위해 이들을 서로 접착함과 동시에 고온에서 경화하는 열경화성 수지를 포함하고 있으므로, 장시간 계속해서 작용하는 지진에 있어서 에너지 흡수에 따른 감쇠체의 온도 상승이 발생해도 열경화성 수지가 용융하지 않으므로, 열경화성 수지의 용융화에 따른 열전도성 필러 사이의 및 열전도성 필러와 흑연 사이의 저마찰을 가진 유동 현상을 회피할 수 있고, 열전도성 필러 자체의 상호 마찰 및 흑연의 열전도성 필러와의 마찰에 의한 본래의 감쇠 효과를 온도 상승에 관계없이 계속해서 유지할 수 있는 결과, 경화 후 에너지 흡수 성능의 저하를 초래하지 않는다.
또한, 기둥상 중공부에 배치되어 있음과 동시에 기둥상 중공부의 축방향으로 적층되어 있는 복수개의 감쇠체로 이루어진 기둥체를 구비한 본 발명의 면진 장치에 의하면, 감쇠체 간의 상대적 변위와 각 감쇠체에서의 전단(휨) 변형에 의해 바람직한 기둥체의 변위 추종성을 얻을 수 있다.
본 발명에 있어서, 열경화성 수지는 최초 지진의 감쇠체의 전단 변형으로 감쇠체에 대한 그 형상 유지성이 해제되는 반면, 경화 후의 전단 변형으로 그 분쇄, 입자화가 일어나는 결과, 경화후에도 포함하여 그 후의 지진에서는 열경화성 수지 자체의 상호 마찰, 열전도성 필러 및 흑연 간의 상호 마찰로 열전도성 필러 및 흑연에 의한 반복 전단 변형의 감쇠에 마찬가지로 하여 기여하도록 되어 있다.
열전도성 필러는 감쇠 효과에 더하여 감쇠체의 형상을 유지하는 형상 유지 효과 및 감쇠체 중에서 발생하는 마찰열을 방산하는 방열 효과도 가지므로, 제조시 및 전단 변형 후의 기둥체의 형태 무너짐 및 지진으로 인한 기둥체의 온도 상승을 막을 수 있다.
열전도성 필러는 바람직한 예로서 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 칼슘(CaO2), 산화 마그네슘(MgO), 산화 아연(ZnO), 산화 티탄(TiO2), 산화 규소(SiO2), 산화 철(Fe2O3), 산화 니켈(NiO) 및 산화 구리(CuO) 등의 금속 산화물, 질화 붕소(BN), 질화 알루미늄(AlN) 및 질화 규소(Si3N4) 등의 금속 질화물, 탄화 붕소(B4C), 탄화 알루미늄(Al4C3), 탄화 규소(SiC) 및 탄화 티탄(TiC) 등의 금속 탄화물, 수산화 알루미늄[Al(OH)3], 수산화 마그네슘[Mg(OH)2], 수산화 나트륨(NaOH), 수산화 칼슘[Ca(OH)2] 및 수산화 아연[Zn(OH)2] 등의 금속 수산화물의 입자 중의 1종 혹은 2종 이상을 포함하고, 그 중에서 산화 마그네슘, 산화 알루미늄, 산화 규소, 질화 알루미늄, 질화 규소, 질화 붕소 및 탄화 규소 등의 입자는 높은 열전도성을 가짐과 동시에 분산성의 관점에서 열전도성 필러로서 더욱 바람직하다.
열전도성 필러는 바람직하게는 평균 입경 10μm 내지 50μm의 입도를 갖고 있고, 특히 입도가 다른 입자, 예를 들어 평균 입경이 10μm 정도인 미세한 입도의 금속 산화물과 평균 입경이 50μm 정도인 거친 입도의 금속 산화물을 50:50 또는 40:60의 비율로 배합하여 이루어진 열전도성 필러에서는, 분산된 50μm 정도의 거친 입도의 금속 산화물의 입자 간의 간극이 10μm 정도의 미세한 입도의 금속 산화물의 입자로 채워져 있기 때문에 금속 산화물의 입자의 연속성이 얻어져 열 방산성을 높일 수 있고, 또한 다른 금속 산화물의 입자, 예를 들어 산화 알루미늄의 입자와 산화 마그네슘의 입자를 50:50의 비율로 배합하여 이루어진 열전도성 필러에서는 열 방산성을 높일 수 있다.
이들 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 탄화물, 금속 수산화물 및 금속 탄화물 등의 입자로부터 선택되는 열전도성 필러의 감쇠체에 대한 배합 비율은 바람직하게는 35~70부피%이다. 배합 비율이 35부피% 미만이면, 히스테리시스(이력) 곡선으로 둘러싸이는 영역의 면적으로 평가되는 감쇠성에 불안정함을 초래하고, 또한 배합 비율이 70부피%를 넘으면 감쇠체의 성형성을 악화시켜 원하는 형상, 예를 들어 원반상(원판상) 또는 원기둥상 감쇠체의 제작이 어려워진다.
흑연은 바람직하게는 인조 흑연 및 인편상 흑연 등의 천연 흑연 중의 적어도 하나로 이루어지고, 흑연의 바람직한 예로서의 인편상 흑연은 인편상(플레이크상)을 이루어 입상 흑연에 비하면 큰 표면 면적을 갖고 있고, 감쇠체가 진동, 충격 등의 외력을 받았을 때에 발생하는 그 층간 미끄럼 마찰과 열전도성 필러와의 마찰에 의해 이러한 진동, 충격 등의 외력을 감쇠하는 작용을 더 효과적으로 발휘한다. 흑연으로는 바람직하게는 평균 입경이 100μm를 넘는 것을 이용하고, 인편상 흑연으로는 바람직하게는 평균 입경이 100μm~1000μm, 더 바람직하게는 500μm~700μm의 접촉 면적이 큰 입경의 것을 이용한다.
흑연, 특히 인편상 흑연의 감쇠체에 대한 배합 비율은 바람직하게는 5~50부피%이다. 배합 비율이 5부피% 미만에서는 충분한 마찰 감쇠가 발휘되지 않고, 또한 배합 비율이 50부피%를 넘으면 감쇠체의 성형성을 악화시킬 우려가 있고, 만약 성형할 수 있었다고 해도 감쇠체의 강도를 저하시켜 무름(脆)이 발현한다.
열경화성 수지는 감쇠체의 형성 재료에 점착성 및 압축 성형성을 부여한다. 예를 들어, 열경화성 수지를 포함하는 감쇠체에 있어서, 열경화성 수지는 그 공극률을 감소시키는 작용을 발휘하여 내구성을 향상시킨다. 감쇠체에 대한 열경화성 수지의 배합 비율은 바람직하게는 10~30부피%이다. 배합 비율이 10부피% 미만에서는 감쇠체의 형성 재료에 충분한 점착성을 부여하기 어렵고, 또한 배합 비율이 30부피%를 넘으면 감쇠체의 형성 재료의 혼련 가공성, 성형성을 악화시킬 우려가 있다.
열경화성 수지는 바람직하게는 페놀 수지를 포함하고, 페놀 수지로서는 각종 페놀류와 포름알데히드를 알칼리 촉매의 존재하에서 반응시켜 이루어진 레졸형 페놀 수지나 산 촉매의 존재하에서 반응시켜 이루어진 노볼락형 페놀 수지를 예시할 수 있고, 구체적으로는 군에이화학공업주식회사(群榮化學工業株式會社) 제품의「레지톱(알킬기의 탄소수 8의 알킬페놀 수지): 연화점 78~105℃」등을 예시할 수 있다.
바람직한 예에서는 감쇠체는 열전도 필러 35~70부피%와 흑연 5~50부피%와 열경화성 수지 10~30부피%를 포함한다.
본 발명의 면진 장치에 있어서, 감쇠체는 다른 성분으로서 가황 고무 및 실리콘 고무 중의 적어도 한쪽의 고무 분말 및 결정성 폴리에스테르 수지 중의 적어도 한쪽을 더 포함하여도 되고, 고무 분말의 배합 비율은 감쇠체의 성분 조성에 대해 바람직하게는 40부피% 이하, 더 바람직하게는 7~30부피%이며, 결정성 폴리에스테르 수지의 배합 비율은 감쇠체의 성분 조성에 대해 바람직하게는 25부피% 이하, 더 바람직하게는 3~22부피%이다.
고무 분말, 특히 가황 고무 분말은 성형하여 얻어지는 감쇠체에 유연성을 부여하여 상기 감쇠체가 움직이기 쉽도록 조장함과 동시에 에너지 흡수량을 증대시키는 역할을 한다. 가황 고무 분말로는 바람직하게는 천연 고무(NR), 폴리이소프렌 고무(IR), 폴리부타디엔 고무(BR), 스티렌-부타디엔 고무(SBR), 클로로프렌 고무(CR), 에틸렌-프로필렌 고무(EPM, EPDM), 니트릴 고무(NBR), 부틸 고무(IIR), 할로겐화 부틸 고무, 아크릴 고무(ACM), 에틸렌 아세트산 비닐 고무 또는 에틸렌-메틸 아크릴레이트 공중합체 등의 가황 고무를 분쇄하여 형성되는 평균 입경이 90μm인 분쇄 분말이 사용되고, 이들 분쇄 분말의 1종 또는 2종 이상이 선택되어 사용된다.
실리콘 고무는 무기의 고무이고, 내열성, 내한성, 내후성, 전기 절연성, 난연성, 무독성 등이 뛰어난 특징을 겸비하고, 실리콘 고무로서는 메틸 실리콘 고무(MQ), 비닐ㆍ메틸 실리콘 고무(VMQ), 페닐ㆍ메틸 실리콘 고무(PMQ)를 바람직한 예로서 들 수 있다.
고무 분말의 배합 비율은 열전도성 필러, 흑연, 특히 인편상 흑연 및 열경화성 수지로 이루어진 감쇠체 또는 열전도성 필러, 흑연, 특히 인편상 흑연, 열경화성 수지 및 결정성 폴리에스테르 수지로 이루어진 감쇠체에 대해 바람직하게는 40부피% 이하, 더 바람직하게는 7~30부피%이다.
결정성 폴리에스테르계 수지로서는 예를 들어 폴리글루콜산, 폴리유산, 폴리카프로락톤 및 폴리에틸렌 숙시네이트 등의 지방족 폴리에스테르, 폴리에틸렌 테레프탈레이트, 폴리트리메틸렌 테레프탈레이트, 폴리부틸렌 테레프탈레이트, 폴리에틸렌 나프탈레이트, 폴리부틸렌 나프탈레이트 및 폴리시클로헥산 디메틸렌 테레프탈레이트 등의 반방향족 폴리에스테르, 에스테르계 엘라스토머 등을 예시할 수 있다. 결정성 폴리에스테르 수지의 구체예로서는 도요보 주식회사 제품의「바이론 GM900」, 「바이론 GM920」 및 「바이론 GM990」(모두 상품명) 등을 들 수 있다. 결정성 폴리에스테르 수지의 분자량은 바람직하게는 10000~35000, 더 바람직하게는 15000~30000이다.
본 명세서에서 「평균 입경」은 레이저 회절ㆍ산란법에 의해 구한 입도 분포에서의 적산값 50%에서의 입경을 의미한다.
바람직한 예에서는 기둥상 중공부에 배치되어 있는, 바람직하게는 기둥상 중공부에 압입되어 있는 감쇠체로 이루어진 기둥체는 적층 탄성체와 함께 적층 방향의 하중도 지지하도록 되어 있지만, 그 대신에 기둥체는 오로지 진동 에너지를 흡수하도록 되어 있어도 된다.
본 발명에 있어서, 강성을 갖는 강성층 및 탄성을 갖는 탄성층은 바람직한 예에서는 원환상이지만, 그 대신에 다각형, 예를 들어 사각형의 환상이어도 되고, 적층 탄성체는 기둥상 중공부가 하나인 경우에 있어서 보통은 통상(筒狀)이지만, 강성층 및 탄성층이 원환상인 경우에는 원통상이며, 그 대신에 강성층 및 탄성층이 다각형, 예를 들어 사각형의 환상인 경우에는 사각통상이어도 된다.
본 발명에 있어서, 기둥상 중공부는 하나 또는 복수개이어도 되고, 복수개의 기둥상 중공부가 적층 탄성체의 내주면으로 규정되어 있는 경우에는 모든 기둥상 중공부에 본 발명에 관한 감쇠체로 이루어진 기둥체가 배치되어 있을 필요는 없고, 요구되는 기능, 효과라는 관점에서 일부의 기둥상 중공부에 감쇠체로 이루어진 기둥체가 바람직하게는 압입되어 배치되어도 되며, 또한 하나 또는 복수개의 기둥상 중공부에 배치된 기둥체가 복수개의 감쇠체로 이루어진 경우, 상기 복수개의 모든 감쇠체가 본 발명에 관한 감쇠체로 이루어져 있을 필요는 없고, 일부의 감쇠체가 본 발명에 관한 감쇠체이어도 된다.
본 발명에 의하면, 안정된 변형 의존성, 온도 의존성 및 면압 의존성을 갖는 것과 함께 반복 가진에 대한 항복 하중의 변화가 적고, 장시간 지진에서의 반복 가진에 대해 안정된 에너지 흡수 성능을 갖는 면진 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 면진 장치의 실시형태의 바람직한 예의 종단면 설명도이다.
도 2는 도 1에 도시된 예의 적층 탄성체의 평면 설명도이다.
도 3은 도 1에 도시된 예의 원기둥체의 사시 설명도이다.
도 4는 도 1에 도시된 예의 동작 설명도이다.
도 5는 도 1에 도시된 예의 수평 방향 변위와 수평 방향 하중의 관계를 나타내는 설명도이다.
도 6은 연직 면압 15MPa에서의 도 1에 도시된 예의 수평 방향 변위와 수평 방향 하중의 관계의 시험 결과의 설명도이다.
도 7은 가진(加振) 횟수와 항복 하중 유지율 관계의 시험 결과의 설명도이다.
도 8은 가진 횟수와 항복 하중 유지율 관계의 시험 결과의 설명도이다.
다음으로 본 발명을 도면에 도시된 바람직한 구체예에 기초하여 더욱 상세하게 설명한다. 또한, 본 발명은 이들 구체예에 전혀 한정되지 않는다.
도 1 내지 도 3에서, 본 예의 면진 장치(1)는 원환상 고무 등의 탄성판(2)으로 이루어진 복수의 탄성층(3) 및 원환상의 강성 금속판 등으로 이루어진 얇은 두께 강성 강판(4), 두꺼운 두께 강성 강판(5, 6)을 가진 복수의 강성층(7)이 서로 가황 접착되어 교대로 적층되어 이루어진 원통상의 적층 탄성체(8)와, 적층 탄성체(8)의 외주면을 피복한 원통상의 피복층(9)과, 적층 탄성체(8)의 원기둥상의 내주면(10)으로 규정된 원기둥상 중공부(11)에 압입되어 있음과 동시에 원기둥상 중공부(11)의 축방향(상하 방향)(V)으로 조밀하게 적층된 복수개의 원반상(원판상)의 감쇠체(12)로 이루어진 원기둥체(14)와, 두꺼운 두께 강성 강판(5, 6)에 각각 볼트(13)를 개재하여 연결된 상부 플랜지 플레이트(15) 및 하부 플랜지 플레이트(16)와, 원기둥상 중공부(11)의 상단 및 하단에 위치하는 감쇠체(12)의 상면 및 하면에서 상부 플랜지 플레이트(15) 및 하부 플랜지 플레이트(16)와 두꺼운 두께 강성 강판(5, 6)을 서로 전단 방향(수평 방향)(H)에 관해 고정하는 원반상(원판상)의 전단 키(17)를 구비하고, 복수개의 감쇠체(12)가 조밀하게 다층으로 겹쳐 쌓여 배치된 원기둥상 중공부(11)는 내주면(10)에 더하여 하방의 전단 키(17)의 상면(18)과 상방의 전단 키(17)의 하면(19)에 의해 규정되어 있다.
탄성층(3) 및 얇은 두께 강성 강판(4)을 축방향(V)에서 사이에 두는 두꺼운 두께 강성 강판(5, 6)은 적층 탄성체(8)의 상하 단면측 각각에 배치되어 있고, 원기둥상 중공부(11)의 최하단에 위치하는 감쇠체(12)는 원기둥상 중공부(11)의 하단부를 규정하는 두꺼운 두께 강성 강판(6)의 내주면에 조밀하게 접하여 배치되어 있고, 원기둥상 중공부(11)의 최상단에 위치하는 감쇠체(12)는 원기둥상 중공부(11)의 상단부를 규정하는 두꺼운 두께 강성 강판(5)의 내주면에 조밀하게 접하여 배치되어 있다.
각 감쇠체(12)는 원형의 일단면(20) 및 일단면(20)에 대면하는 원형의 타단면(21)과 일단면(20) 및 타단면(21)을 교락하는 원통상 측면(22)으로 규정되어 있고, 최상단에 위치하는 감쇠체(12)의 일단면(20)은 한쪽에서는 상부 플랜지 플레이트(15)의 원형 오목한 곳(25)에서, 다른 쪽에서는 두꺼운 두께 강성 강판(5)의 원형 오목한 곳(26)에서 각각 상부 플랜지 플레이트(15) 및 두꺼운 두께 강성 강판(5)에 끼워 장착된 상방의 전단 키(17)의 하면(19)에 조밀하게 접촉하고 있고, 최하단에 위치하는 감쇠체(12)의 타단면(21)은 한쪽에서는 하부 플랜지 플레이트(16)의 원형 오목한 곳(27)에서, 다른 쪽에서는 두꺼운 두께 강성 강판(6)의 원형 오목한 곳(28)에서 각각 하부 플랜지 플레이트(16) 및 두꺼운 두께 강성 강판(6)에 끼워 장착된 하방의 전단 키(17)의 상면(18)에 조밀하게 접촉하고 있고, 최상단 및 최하단에 위치하는 감쇠체(12)를 제외한 다른 감쇠체(12)는 그 일단면(20) 및 타단면(21)에서 인접하는 감쇠체(12)의 타단면(21) 및 일단면(20)에 조밀하게 접촉하고 있고, 감쇠체(12)의 각각은 일단면(20)에 대해 평행한 방향인 수평 방향(H)에서 타단면(21)의 일단면(20)에 대한 상대적인 전단(휨) 변형으로 이러한 전단 변형의 에너지를 흡수하여 이러한 전단 변형을 감쇠시키도록 되어 있다.
이러한 면진 장치(1)는 상부 플랜지 플레이트(15) 측이 상부 구조물(31)에, 하부 플랜지 플레이트(16) 측이 하부 구조물인 기초(32)에 각각 볼트(33)를 개재하여 연결되어 고정되어 있고, 이렇게 하여 상부 구조물(31)과 기초(32)의 사이에 배치된 면진 장치(1)는 적층 탄성체(8)와 원기둥체(14)에 의해 상부 구조물(31)의 적층 방향(연직 방향)(V)의 하중을 지지하도록 되어 있다.
감쇠체(12) 각각은 기본적으로 열전도성 필러와, 흑연과, 주로 점착 부여제로서 기능하는 열경화성 수지를 함유하고 있다.
각 감쇠체(12)는 열전도성 필러, 흑연으로서 인편상 흑연 및 열경화성 수지 분말 또는 이들에 추가로 첨가하는 고무 분말 및 결정성 폴리에스테르 수지 중의 적어도 한쪽을 소정량의 비율로 칭량하고, 이들을 믹서 등의 교반 혼합기에 투입하여 균일하게 교반 혼합하고, 이 혼합물을 니더(혼련기)에 투입하여 가열 혼련하고, 가열 혼련된 감쇠체 재료를 80~150℃의 온도로 가열된 금형의 원기둥상 중공부에 충전하고, 성형 압력 10~100N/㎟로 압축 성형하고, 압축 성형 후 금형의 원기둥상 중공부에서 가압 상태를 유지하면서 서냉하고, 이어서 금형의 원기둥상 중공부로부터 취출함으로써 제조된다.
원반상(원판상)의 감쇠체(12)를 다층으로 겹쳐 쌓아 이루어진 원기둥체(14)를 갖는 면진 장치(1)를 제조하려면, 우선 중앙부에 둥근 구멍을 구비한 원환상의 고무판 등의 탄성판(2)과 중앙부에 둥근 구멍을 구비한 원환상의 강성 금속판 등으로 이루어진 얇은 두께 강성 강판(4)을 교대로 적층하고, 그 최하면 및 최상면에 중앙부에 둥근 구멍을 구비한 환상의 강성 금속판 등으로 이루어진 두꺼운 두께 강성 강판(5, 6)을 배치하고, 형(型) 내에서 가압하에서의 가황에 의해 이들을 서로 고정하여, 중앙부에 원기둥상 중공부(11)를 구비한 원통상의 적층 탄성체(8)를 제작하고, 그 후 복수개의 원반상(원판상)의 감쇠체(12)로 이루어진 원기둥체(14)를 원기둥상 중공부(11)에 형성하기 위해 원기둥상 중공부(11)에 복수개의 원반상(원판상)의 감쇠체(12)를 압입하여 적층한다. 감쇠체(12)의 압입은 원반상(원판상)의 감쇠체(12)가 적층 탄성체(8)의 내주면(10)에 대해 간극이 발생하지 않도록 하여 복수개의 원반상(원판상)의 감쇠체(12)의 각각을 유압 램 등에 의해 원기둥상 중공부(11)에 순차적으로 밀어넣어 행한다. 감쇠체(12)의 압입 후, 전단 키(17)를 원기둥상 중공부(11)의 하단부 및 상단부에, 그 상면(18)을 최하단에 위치하는 감쇠체(12)의 일단면(20)에, 그 하면(19)을 감쇠체(12)의 타단면(21)에 간극없이 접촉시켜 배치하고, 상하 플랜지 플레이트(15, 16)를 두꺼운 두께 강성 강판(5, 6)에 각각 볼트(13)를 개재하여 장치한다. 또한, 형 내에서 가압 하에서의 가황에 의한 적층 탄성체(8)의 형성에 있어서, 얇은 두께 강성 강판(4) 및 두꺼운 두께 강성 강판(5, 6)의 외주면을 덮어 탄성판(2)으로 이루어진 탄성층(3)에 고무 등으로 이루어진 피복층(9)이 일체적으로 형성되도록 하는 것이 좋다.
면진 장치(1)는 원기둥상 중공부(11)에 이 원기둥상 중공부(11)의 축방향을 따라 다층으로 겹쳐 쌓인 복수개의 원반상(원판상)의 감쇠체(12)가 압입되어 있어, 진동, 충격 등에 의해 기초(32)에 대해 상부 구조물(31)이 수평 방향(H)으로 이동되어 수평 방향(H)의 전단력을 받았을 때에는 도 4에 도시한 바와 같이 적층 탄성체(8)와 함께 감쇠체(12)가 수평 방향(H)으로 전단 변형되어 수평 방향(H)의 진동 에너지를 흡수하여 진동, 충격 등의 외력을 신속하게 감쇠시킬 수 있다. 열전도성 필러, 흑연으로서의 인편상 흑연 및 열경화성 수지로 이루어진 감쇠체 재료 또는 이들에 고무 분말 및 결정성 폴리에스테르 수지 중의 적어도 한쪽을 함유한 감쇠체 재료로 제조한 원반상(원판상)의 감쇠체(12)가 원기둥상 중공부(11)에 다층으로 겹쳐 쌓이고 압입되어 이루어진 원기둥체(14)를 구비한 면진 장치(1)는 안정된 변형 의존성, 온도 의존성 및 면압 의존성의 특성을 가짐과 동시에 장시간 지진에서의 반복 가진에 대해 안정된 성능을 가진다.
실시예
실시예 1~실시예 10
열전도성 필러 및 흑연으로서의 인편상 흑연 및 열경화성 수지로서의 페놀 수지 또는 이들에 고무 분말 및 결정성 폴리에스테르 수지 중의 적어도 한쪽을 표 1 및 표 2에 나타내는 배합 비율(부피%)로 칭량하고, 이들을 믹서 등의 교반 혼합기에 투입하여 균일하게 교반 혼합한 혼합물을 120℃의 온도로 가열한 니더에 투입하고 가열하면서 혼련하여 감쇠체 재료를 제작하고, 이 감쇠체 재료를 120℃의 온도로 가열한 금형의 원기둥상 중공부에 충전하고, 성형 압력 60N/mm2로 압축 성형하고, 압축 성형 후 금형의 원기둥상 중공부에서 가압 상태를 유지하면서 감쇠체 재료를 서냉하여 상온까지 냉각한 후, 금형의 원기둥상 중공부로부터 직경Φ 50mm, 길이 10mm의 원반상(원판상)의 감쇠체(12)를 취출하였다.
Figure pct00001
Figure pct00002
외경이 250mm이고 두께가 1.4mm이며 강성을 갖는 얇은 두께 강성 강판(4) 23장과, 마찬가지로 외경이 250mm이고 두께가 2.0mm이며 탄성을 갖는 탄성판(가황 천연 고무: 고무 전단 탄성률 G = 0.4 N/㎟)(2) 24장을 교대로 적층하고, 나아가 그 하면 및 상면에 직경 70mm의 원형 오목한 곳(26, 28)을 각각 갖는 것과 동시에 마찬가지로 외경이 250mm이고 두께가 25mm인 두꺼운 두께 강성 강판(5, 6)을 배치하고, 이들을 내경 260mm의 형 내에서 가압하에서의 가황에 의해 서로 고정한 높이 130.2mm이고 지름 방향의 두께 5mm인 원통상의 피복층(9)으로 피복된 적층 탄성체(높이 130.2mm, 외경 250mm)(8)의 중앙부의 원기둥상 중공부(11)에 직경이 50mm이고 두께가 10mm이며 실시예 1 내지 실시예 10으로 이루어진 원반상(원판상)의 감쇠체(12)를 11개 겹쳐 쌓고 간극없이 압입하여 도 1에 도시한 면진 장치(1)를 제작하였다.
면진 장치(1)의 감쇠 성능, 면압 의존성 및 항복 하중 유지율에 대해서는 다음 방법에 의해 평가하였다.
<감쇠 성능>
면진 장치(1)에 연직 방향으로 5MPa, 10MPa, 15MPa 및 20MPa 각각의 연직 면압(P)을 부하한 상태로 수평 방향(H)으로 0.33Hz의 가진 주파수로 가진하여 수평 방향 전단 변형(±48mm = ±100% 전단 변형)을 발생시켰다. 면진 장치(1)의 하단에 대한 그 상단의 수평 방향 변위(가로축δ)와 면진 장치(1)의 수평 방향 하중(수평력)(세로축Q)의 관계(수평 복원력 특성도)를 나타내는 도 5에서, 히스테리시스 곡선(실선)으로 둘러싸인 영역의 면적(ΔW)이 커질수록 진동 에너지를 많이 흡수할 수 있는 것을 의미하지만, 여기서는 수평 방향 전단 변형, 즉 ±100% 전단 변형에서의 절편 하중(항복 하중)(Qd)(히스테리시스 곡선이 세로축(Q)과 교차하는 점에서의 수평 방향 하중(Qd1, ｜Qd2│)을 이용하여 식: Qd = (Qd1+｜Qd2｜)/2로 계산한 값)으로 원기둥체(14)의 감쇠 성능을 평가(절편 하중(Qd)이 커질수록 히스테리시스 곡선으로 둘러싸인 영역의 면적이 넓어지고 감쇠 성능이 우수한 것을 나타냄)하였다.
<면압 의존성>
면진 장치(1)에 앞에 나타낸 5MPa, 10MPa, 15MPa 및 20MPa의 연직 면압(연직 하중)(P)을 각각 부하하여 각 연직 면압(P)에서의 절편 하중(Qd)을 구하고, 10MPa, 15MPa 및 20MPa의 각 연직 면압(P)에 의한 절편 하중(Qd)의 변화를 연직 면압 5MPa의 절편 하중(Qd)을 1.00으로 한 비(배율)로 산출하여, 이 비로 면압 의존성을 평가하였다. 이 비가 연직 면압(P)의 증가에 따라 증가하는 면진 장치(1)는 연직 면압(P)에 따른 절편 하중(Qd)을 발생하고, 지지하는 하중이 다른 상부 구조물에 따른 면진 효과를 발휘할 수 있는 특성을 가지게 된다.
면압 의존성의 시험 결과를 나타내는 표 1 및 표 2에서 알 수 있는 바와 같이, 표 1 및 표 2에 나타내는 감쇠체 재료로 이루어진 원기둥체(14) 각각을 구비한 면진 장치(1)는 연직 면압(P)의 상승에 따라 절편 하중(Qd)이 증가하고, 구체적으로 각 연직 면압(P)에서의 절편 하중(Q)과 연직 면압 5MPa에서의 절편 하중의 비가 연직 면압(P)이 5MPa에 대해 2배인 10MPa에서 1.28~1.48, 연직 면압(P)이 5MPa에 대해 3배인 15MPa에서 1.52~1.92, 그리고 연직 면압(P)이 5MPa에 대해 4배인 20MPa에서 1.82~2.31이 되어, 연직 면압(P)에 따라 절편 하중(Qd)의 값이 증가하고, 연직 면압(P)이 되는 적재 하중에 따른 면진 효과를 얻을 수 있다. 도 6은 실시예 6의 원기둥체(14)를 구비한 면진 장치(1)에서의 수평 방향 변위(δ(mm))와 수평 방향 하중(수평력)(Q(kN))의 관계인 수평 복원력 특성의 시험 결과(히스테리시스 곡선)를 나타낸다.
원기둥체(14) 대신에 원기둥상의 납(납 플러그)을 구비한 면진 장치에서 연직 면압 5MPa에서의 절편 하중과 연직 면압 10MPa, 15MPa 및 20MPa 각각에서의 절편 하중의 비는 연직 면압 10MPa에서 1.02, 연직 면압 15MPa에서 1.04, 그리고 연직 면압 20MPa에서 1.06이며, 납 플러그를 구비한 면진 장치에서는 지지하는 하중이 달라도 절편 하중이 거의 변화하지 않고, 하중이 다른 상부 구조물에 따른 면진 효과를 발휘하는 면압 의존성의 관점에서 이러한 납 플러그를 압입한 면진 장치는 본 예의 면진 장치(1)보다 떨어진다.
<가진 횟수와 에너지 흡수 성능의 유지율(항복 하중 유지율)>
면진 장치(1)에 (1) 수평 방향 변형률 100%, 0.1Hz 및 (2) 수평 방향 변형률 300%, 0.33Hz의 반복 가진을 행하고, 에너지 흡수 성능의 유지율을 항복 하중 유지율(=Qdn/Qd1, 여기서 Qd1은 1회째 가진에서의 절편 하중(Qd)의 값이고, Qdn은 n회째 가진에서의 절편 하중(Qd)의 값)로서 구하는 시험을 행하였다.
수평 방향 변형률 100% 및 주파수 0.1Hz의 4사이클의 가진 시험에서는 도 7에 도시된 시험 결과로부터 실시예 9와 비교예 1 및 2의 면진 장치에 성능의 큰 차이는 보이지 않았지만, 수평 방향 변형률 300% 및 주파수 0.33Hz의 10사이클의 가진 시험에서는 도 8에 도시한 시험 결과로부터 실시예 9의 면진 장치(1)는 항복 하중 변화율이 작고 장시간 지진에서의 반복 가진에 대해 성능이 안정되어 있는 것을 알 수 있다.
시험에서 사용한 비교예 1의 면진 장치는 적층 탄성체(8)의 중앙부의 원기둥상 중공부(11)에 원기둥체(14) 대신에 납 플러그를 압입한 면진 장치이고, 비교예 2의 면진 장치는 납 플러그 대신에 열도전성 필러, 인편상 흑연, 가황 고무 분말, 결정성 폴리에스테르 수지 및 쿠마론 수지로 이루어진 감쇠체 재료를 압축 성형하여 얻어지는 원기둥체를 압입한 면진 장치이다.
또한, 원기둥상 중공부(11)에 하나의 감쇠체(12)로 이루어진 원기둥체(14)를 간극 없이 압입한 면진 장치(1)에서도 상기와 같은 효과가 얻어지는 것을 확인하였다.
1: 면진 장치
2: 탄성판
3: 탄성층
4: 얇은 두께 강성 강판
5, 6: 두꺼운 두께 강성 강판
7: 강성층
8: 적층 탄성체
9: 피복층
10: 내주면
11: 원기둥상 중공부
12: 감쇠체
14: 원기둥체

Claims (10)

  1. 강성층 및 탄성층이 교대로 적층되어 이루어진 적층 탄성체와, 적어도 이 적층 탄성체의 내주면으로 규정된 적어도 하나의 기둥상 중공부에 배치된 감쇠체로 이루어진 기둥체를 구비하고, 감쇠체는 열전도성 필러와 흑연과 열경화성 수지를 포함하는 면진 장치.
  2. 강성층 및 탄성층이 교대로 적층되어 이루어진 적층 탄성체와, 적어도 이 적층 탄성체의 내주면으로 규정된 적어도 하나의 기둥상 중공부에 배치되어 있는 것과 동시에 기둥상 중공부의 축방향으로 적층된 복수개의 감쇠체로 이루어진 기둥체를 구비하고, 각 감쇠체는 열전도성 필러와 흑연과 열경화성 수지를 포함하는 면진 장치.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    감쇠체는 열전도성 필러 35~70부피%와, 흑연 5~50부피%와, 열경화성 수지 10~30부피%를 포함하는 면진 장치.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    열전도성 필러는 금속 산화물, 금속 질화물, 금속 탄화물 및 금속 수산화물 입자 중의 1종 혹은 2종 이상을 포함하는 면진 장치.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    흑연은 인조 흑연 및 천연 흑연 중의 적어도 한쪽으로 이루어진 면진 장치.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    열경화성 수지는 페놀 수지를 포함하는 면진 장치.
  7. 청구항 1 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서,
    감쇠체는 고무 분말 및 결정성 폴리에스테르 수지 중의 적어도 한쪽을 더 포함하는 면진 장치.
  8. 청구항 7에 있어서,
    감쇠체는 고무 분말 40부피% 이하와 결정성 폴리에스테르 수지 25부피% 이하 중의 적어도 한쪽을 포함하는 면진 장치.
  9. 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서,
    고무 분말은 가황 고무 분말 및 실리콘 고무 분말 중의 적어도 한쪽으로 이루어진 면진 장치.
  10. 청구항 1 내지 청구항 9 중 어느 한 항에 있어서,
    기둥체는 적층 탄성체와 함께 적층 방향의 하중도 지지하도록 되어 있는 면진 장치.
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