WO2017204371A1 - 감쇠가 작은 구조물용 진동제어장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 초장주기 지진동을 포함하는 지진시, 태풍 등의 강풍시, 와류진동 등에 의한 공진시 및 해상풍력발전기와 같이 설치장소에 따라서는 파력 등에 의해 크게 흔들리는 곳의, 감쇠가 작고 낮은 고유진동수를 갖는 풍력발전기 타워, 철탑, 안테나 탑, 교량 등의 주탑, 관제탑, 관광타워, 자재처리(material handling) 설비 등 건축, 토목, 기계구조물에 적용되는 진동제어장치에 관한 것이다. 본 발명은 수평방향으로 크게 변위하는, 감쇠가 작고 비교적 낮은 고유진동수를 갖는 구조물용 진동제어장치이며, 해당 구조물에 외부로부터 지진이나 태풍 등 진동입력이 가해졌을 때에, 크게 흔들리는 구조물 상부와 저반인 하부 사이에 단독으로 혹은 복수의 시스템을 설치하여 구조물의 상대 변위 및 절대 가속도를 저감시키는 것을 특징으로 한다.

Description

감쇠가 작은 구조물용 진동제어장치

주로, 초장주기 지진동을 포함하는 지진, 태풍 등의 강풍, 와류진동 등으로 인하여 구조물이 공진을 하거나 혹은 설치장소에 따라서는 파력 등에 의해 크게 흔들릴 수 있는 해상풍력발전기와 같은 구조물을 비롯하여 낮은 감쇠와 낮은 고유진동수 특성을 갖는 풍력발전기 타워, 철탑, 안테나 타워, 교량 등의 주탑, 관제탑, 관광 타워, 자재 처리(material handling) 설비 등과 같이 건축, 토목, 기계구조물에 적용되는 진동제어장치에 관한 것이다.

종래, 태풍, 지진, 교통진동 혹은 파력 등과 같은 진동원으로 인해 야기되는 구조물의 강제 진동이나 공진 현상에 대하여, 감쇠가 작고 또한 비교적 저 진동수를 탁월진동수(혹은 지배진동수)로 갖는 진동(변위/가속도)에 대해서는 면진(免振)장치, 제진(制振)장치(TMD 혹은 AMD), 제진브레이스, 탄소섬유 등으로 구조물의 본체를 보강함으로써 대처하고 있는데, 이 방법은 장치가 복잡해지며, 신뢰성 혹은 유지관리, 시공성, 가격 등의 측면에서 여러 가지 문제가 발생하고 있다. 또한, 장주기 구조물에 대응하는 장치로서 비교적 낮은 고유주기를 갖는 면진장치 또는 제진장치는 장치의 형상 치수, 안정성, 내구성, 내하중성, 제조방법의 한계 등과 관련하여 해결해야 할 과제도 있다.

이와 같이, 종래기술로는 대처할 수 없는 문제점을 해결하기 위한 발명이며, 구체적으로는 이하와 같다.

즉, 감쇠가 작은 대형 구조물에 대해, 대상입력운동으로서 강풍, 지진, 교통진동, 초장주기 지진동, 와류진동을 대상으로 할 때, 구조물은 큰 변형을 일으켜 안전성이나 사용성에 문제가 발생한다. 또한, 감쇠가 작고 낮은 탁월진동수(또는 기본고유진동수)를 갖는 구조물은 기본적으로는 가로 치수에 대한 세로 치수의 형상비 즉, 종횡비가 크고, 변형 시에 휨전단변형이 발생된다.

이와 같은 사실로 인해, 종래기술에 대해 다음과 같은 문제를 제기한다.

면진장치 : 구조물 하부에 설치하는 면진장치는 지진에 대해서는 충분한 효과를 발휘하는데, 예를 들면 풍력발전기나 안테나 탑, 관광 타워 등과 같이 형상의 종횡비가 큰 구조물로서 낮은 고유진동수를 갖는 구조물에는 트리거 효과가 없으면 구조물은 불안정하게 되며, 또한 효과면에서 문제가 있고, 시공도 어렵다. 또한, 상기와 같은 면진구조물은 바람에는 더 쉽게 흔들리게 됨으로 새로운 문제가 발생한다.

제진장치 : AMD(능동형질량댐퍼)는 구동장치의 힘(power)에 여유가 있으면, 구조물의 높이 방향으로 비교적 높은 장소에 설치하는 것에 대해서 제약은 적지만, 형상의 종횡비가 큰 구조물에서는 고차모드 진동도 발생하므로 설치수량이 증가되어 비용이 증가하고, 유지보수의 어려움(특히 해상풍차, 고층구조물 등), 부품교환의 어려움이 증가하는 문제가 있다.

비교적 많이 검토되고 있는 TMD(수동형질량댐퍼)는 통상 1차 모드에 대해 설계하여 장착하므로, 구조물의 상부에 설치하는 것이 성능을 발휘하기 위해서는 중요한데, 예를 들면 풍력발전기 등의 경우 프레임 구조에 따라서는 강도 면에서 상부에 설치하는 것이 불가능하고, 또한 나셀(발전기) 하부에 설치하는 경우에도, 풍차 제작사에 따라서는 풍차 하부에 전력선 등이 수십 미터 늘어져 있는 일이 있으므로, TMD의 구조를 상기에 간섭하지 않도록 배려해야 하는 등의 검토 과제가 많이 있다. 또한, 지진시에는 TMD의 응답 변위가 커지므로, 감쇠장치나 복원장치는 변형에 대한 대응 측면이나 응력의 문제, 공장의 제작상 제약으로 인해 설치가 불가능하게 되는 일이 있을 수 있다. 예를 들면, 1차 고유진동수가 0.3Hz인 구조물의 경우, TMD의 스프링 장치는 약 2260mm의 정적 변형(static deflection)을 갖는 장치를 필요로 한다. 이와 같은 스프링 장치는 재료의 길이나 응력, 좌굴의 문제로 인해 실현 불가능한 경우가 있기 때문에, 종래 링크기구(연결부재)나 재료비를 이용하여 약 절반 정도 이하의 정적 변형이 발생되도록 조치하는 것도 필요하고, 비용 상승을 억제해야 하는 문제로 연결된다.

본체 보강 : 교량 교각의 내진보강 등에 실적이 있는 방법으로서 탄소섬유를 구조물 본체에 감아 붙이는 방법인데, 예를 들면 풍력발전기의 경우 풍차 설치후의 보강공사는 곤란하며, 공장제작단계에서의 보강의 경우, 수송 관계로 몇 개의 블록으로 분할할 필요가 있으므로, 효과는 반감한다.

제진 브레이스 : 초고층 건물의 지진대책으로 많은 시공실적이 있지만, 큰 지진 입력에 대해서는 충분한 효과를 발휘하는데, 작은 지진입력이나 교통진동 또는 가속도가 작은 장주기 지진동에 대해서는 구조물의 변위 억제와 관련해서 그다지 효과가 없어, 대책이 요망되고 있다. 또한, 구조물 내부에 댐퍼 반력을 수용할 수 있는 부재의 설치를 필요로 한다. 또한, 본 발명이 대상으로 하는 구조물은 휨변형이 발생하므로 제진 브레이스로는 내진보강 효과를 거의 기대할 수 없다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 고안한 것으로, 간결한 구조로써 상대변위를 억제하고, 장치 고유주기의 조정을 다양화할 수 있는 것 등이 특징이다. 즉, 구조물의 상부와 하부를 하중전달장치로 일체화시킴으로써 진동을 제어하는 것이며, 프리스트레스힘조정장치에 의해 구조물의 상대변위를 억제하고, 가속도에 대해서는 탄소성댐퍼를 활용한 감쇠장치에 의해 진동에너지를 흡수한다. 또한, 작은 외부 입력에도 효과를 발휘할 수 있도록 하기 위해 변위증폭기구도 병용할 수 있는 것이다.

본 발명은 수평방향으로 크게 변형이 발생하면서, 감쇠가 작고 비교적 낮은 고유진동수를 갖는 구조물용 진동제어장치이며, 해당 구조물에 외부로부터 지진이나 태풍 등과 같은 진동에 인한 입력운동이 가해졌을 때에, 크게 흔들리는 구조물 상부와 저반인 하부 사이에 단독으로 혹은 복수의 시스템을 설치하여 구조물의 상대변위와 절대가속도를 저감시키는 것을 특징으로 한다.

여기서, 본 시스템은 기본적으로는 하중전달장치(기구), 프리스트레스힘 조정장치(기구), 감쇠장치(기구), 변위증폭장치(기구) 및 이들 장치를 구조물에 고정하기 위한 지지부재로 구성될 수 있다.

그리고, 상부와 하부의 하중전달장치는 와이어 방식, 케이블 방식, 또는 강봉 방식 등 힘 전달이 가능한 부재이면 특정하지 아니하며, 양단은 고정 혹은 회전 가능하게 지지되며, 이 부재의 상부나 하부 혹은 중간부에, 프리스트레스힘 조정장치 및 복원기능을 겸비할 수 있는 탄소성(彈塑性) 댐퍼장치, 나아가 대상구조물에 따라서는 변위증폭기구도 구비할 수 있다.

또한, 프리스트레스힘 조정장치는 단독으로 혹은 복수개로 사용하며, 예를 들면, 턴버클(turn buckle)과 같은 것이 좋으며, 구조물 자체의 강성 등에 따라 제어 효과를 감안하면서, 프리스트레스힘을 임의로 조정할 수 있는 기구를 가질 수 있다.

또한, 복원기능을 겸비할 수 있는 탄소성댐퍼 장치의 복원용 스프링 장치로서는 금속 스프링(판 스프링, 코일 스프링, 접시 스프링 등), 유압 스프링, 공기 스프링 및 점탄성체를 단독으로 혹은 조합하여 사용한 것이 좋으며, 탄소성(彈塑性) 부재는 금속 재료를 코일 형상으로 하고, 복원용 스프링 장치와 단일화(unit)할 수도 있는 구조로, 단독으로 혹은 복수개로 사용하며, 대변위에도 적용 가능하고 진동제어능력이 클 수 있다.

또한, 증폭기구는 예를 들면 링크(link) 기구나 타원형상 판스프링 장치 등을 활용한 것으로, 상기 제 2,3,4,5항의 부재와 단독으로 혹은 복수개로 병용함으로써 진동제어력을 향상시킬 수 있다.

또한, 본 발명의 감쇠장치는 탄소성댐퍼로 하였는데, 감쇠기구도 스프링 장치와 마찬가지로 유압(예를 들면 오일 댐퍼), 공기압(예를 들면 에어 실린더), 마찰, 점탄성 등을 단독으로 혹은 조합하여 사용할 수 있다.

또한, 상부 및 하부의 하중전달부재는 회전 방지, 처짐 방지 등을 위해 1점 이상의 중간 지지점을 가지며, 구름베어링, 미끄럼베어링 혹은 슬라이딩베어링 이나 가이드 롤러 혹은 직동(直動) 레일 등의 부재로 구성될 수 있다.

본 발명은 초장주기 지진동을 포함하는 지진 시, 태풍 등의 강풍 시, 와류진동 등에 의한 공진 시 및 해상풍력발전기와 같이 설치장소에 따라서는 파력 등에 의해 크게 흔들리는 곳의, 감쇠가 작고 낮은 고유진동수를 갖는 풍력발전기 타워, 철탑, 안테나 타워, 교량 등의 주탑, 관제탑, 관광 타워, 자재처리(material handling) 설비 등 건축, 토목, 기계구조물의 진동을 제어할 수 있다.

도 1a는 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 진동제어장치의 설치 상태도를 나타낸다.

도 1b는 본 발명의 다른 실시 예에 따른 진동제어장치의 설치 상태도를 나타낸다.

도 1c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 진동제어장치의 설치 상태도를 나타낸다.

도 2a는 본 발명의 바람직한 일 실시예에 따른 감쇠장치를 나타낸다.

도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 감쇠장치를 나타낸다.

도 2c는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 감쇠장치를 나타낸다.

도 2d는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 감쇠장치를 나타낸다.

도 3은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 감쇠장치를 나타낸다.

도 4는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 감쇠장치를 나타낸다.

도 5a는 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 진동제어장치의 설치 상태도를 나타낸다.

도 5b는 구조물 상부가 수평으로 변형되었을 때 감쇠장치의 증폭비율을 설명하기 위한 도면이다.

도 5c는 구조물 상부가 수평으로 변형되었을 때 감쇠장치의 증폭비율을 설명하기 위한 도면이다.

도 6은 종래 기술에 따른 TMD 장치의 설치 상태도를 나타낸다.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 진동제어장치의 설치 상태도를 나타낸다.

본 발명에 따른 장치의 기본 시스템은 도 1a에 대표적으로 나타낸 감쇠장치(기구)(10), 프리스트레스힘 조정장치(기구)(20), 하중전달장치(기구)(30)로 구성되는 진동제어장치이며, 예를 들면 풍력발전기의 경우에는 탑체 내부의 유지관리 관계로, 비교적 하부에 본 시스템을 단독으로 혹은 복수 설치하는 것으로, 기본적으로는 나셀 하부에 고정단(40)(고정, 혹은 회전가능)을 마련하고, 고정으로부터 하부에 직각으로 와이어 로프나 강봉, 강판 등으로 힘 혹은 변형을 하부로 전달하며, 하부에 설치되는 감쇠장치(10)와 연결한다. 그 중간에는 프리스트레스힘 조정장치(20)를 배치함으로써 안정적인 성능을 기대할 수 있다. 당연하지만, 장치 하부는 저반에 고정된다. 이와 같이 함으로써 구조물의 상부가 휨변형 혹은 전단변형되었을 때에 하중전달장치(30)에 의해 하부의 감쇠장치(10)로 진동제어할 수 있게 된다. 여기서, 감쇠장치(10)는 도 2a~2d에 나타낸 바와 같이, 도면과 같이 코일형상 탄소성 댐퍼(13)를 기본으로, 진동의 종류나 크기, 대상구조물의 구조 등에 따라, 설계 및 제작하여, 단독으로 혹은 다른 부재와 조합하여 사용한다. 도 2a는 코일형상 탄소성 댐퍼 단독체, 도 2b는 복원력을 부여하기 위해 코일 스프링(13a)을 병용한 것이다. 도 2c는 점탄성 댐퍼(13b)와의 병용이며, 도 2-4는 오일 댐퍼(13c)와의 병용이다. 감쇠장치(10)의 어느 타입을 사용할 지는 구조물의 구조, 사양에 따라 선택될 수 있게 된다. 도 3, 도 4는 확대기구의 예이며, 풍력발전기에서는 높이 약 75m의 풍차인 경우 나셀 부분의 진동진폭은 진폭 약 1m 정도가 되는데(강풍의 경우) 그 경사각은 아주 작은 수치가 되며, 결과적으로는 커다란 효과를 기대할 수 없다. 따라서, 도 3의 복원력을 가진 판스프링(15)을 사용한 확대기구로, 축방향의 변형에 대해 중앙부에 설치되는 댐퍼 장치(13)는 3배 정도의 변위 증폭을 기대할 수 있다. 도 3의 판스프링(15)은 겹판스프링이어도 좋으며, 중첩함으로써 마찰감쇠를 얻을 수도 있다. 또한, 중첩 매수는 대상구조물에 대해 임의로 설정할 수 있다. 또한, 도 3의 중앙부의 댐퍼 고정부에 집중질량을 부가하는 것도 가능하며, 축방향의 변형에 대해 댐퍼 변경방향에 대해 관성력을 부가할 수 있다. 도 4는 동일한 증폭기구를 갖는 구조인데, 와이어(16)에 의해 구축되어 있어, 증폭비율은 도 3과 거의 마찬가지로 확보될 수 있다. 이 기구는 비교적 간단히 장착될 수 있는데, 이 경우에는 복원기능을 병용하는 것이 바람직하다. 판스프링(15) 및 와이어(16)는 증폭기구로 통칭될 수 있다.

도 1b는 하부 고정단(40)을 변화시킨 것으로, 기본적 성능은 도 1a과 동일하다. 도 1c는 감쇠장치(10)부분에 링크기구를 병용한 것으로, 링크기구는 증폭기능을 갖고 있으므로, 보다 많은 진동제어효과를 얻는 것이 가능하게 된다. 도 5a는 토글기구를 구성하고 있다. 통상의 초고층용 토글기구는 강재(鋼材)의 조립에 의한 링크기구로 되어 있는 것에 비해, 본 발명에서는 코일형상 탄소성 댐퍼(13)와 와이어 로프 등으로 구성하므로 간단하고 자유도가 크다. 또한, 중간에는 상기에 기재한 프리스트레스힘 조정장치(20)를 부여하므로, 예를 들면 턴버클 등을 1개 혹은 복수개 장치하여 하중을 조정한다.

이 토글기구는 변형 증폭기능을 가지고 있기 때문에, 대상구조물의 작은 진동변형으로부터 커다란 진동변형까지, 보다 커다란 효과를 기대할 수 있다. 도 5b, 도 5c는 구조물 상부가 수평으로 변형되었을 때의 감쇠장치(10)의 증폭비율을 모식도화한 것으로, δ2/δ1은 증폭율이다.

또한, 도 5b는 상부로부터 직각으로 하중전달장치(30)를 배치한 것이며, 도 5c는 경사지게 배치한 것이다. 이 경우에는 수평변형의 좌우값이 다르므로 주의가 필요하다.

또한, 토글기구의 감쇠장치(10) 부분에 타원형상 판스프링(15) 장치나 링크기구 등 증폭기구를 부여하는 것도 가능하며, 토글기구의 진동증폭 뿐만 아니라 보다 성능을 향상시킬 수 있으므로 커다란 진동제어효과를 기대할 수 있다. 도 6은 종래 적용하고 있는 TMD장치(60)인데, 풍력발전기 등과 같이 휨변형이 큰 구조물의 경우에는 주의가 필요하다. 또한, 도 7은 자동창고 등에 설치되는 랙(통상 자재처리(material handling)시설)에 설치한 예이며, 커다란 자동창고의 경우에서는 폭 1.5m에 대해 높이는 20m 정도가 되므로, 동일본지진시에는 대책이 없는 기계는 커다란 손상을 받았다. 현재로는 각 사마다 다양한 대응을 진행하고 있는데 기존 설비에 대해서는 주로, 제진 브레이스/TMD 등에 의해 대처되고 있다. 본 시스템은 이들을 대체할 수 있는 새로운 기술로서 제안될 수 있다고 생각한다.

Claims (8)

1. 본 발명은 수평방향으로 크게 변위하는, 감쇠가 작고 비교적 낮은 고유진동수를 갖는 구조물용 진동제어장치이며, 해당 구조물에 외부로부터 지진이나 태풍 등 진동입력이 가해졌을 때에, 크게 흔들리는 구조물 상부와 저반인 하부 사이에 단독으로 혹은 복수의 시스템을 설치하여 구조물의 상대 변위/절대 가속도를 저감시키는 것을 특징으로 하는 진동제어장치.
2. 제 1 항에 있어서,

   본 시스템은 기본적으로는 하중전달장치, 프리스트레스힘 조정장치, 감쇠장치, 변형(혹은 변위) 증폭장치 및 이들 장치를 구조물에 고정하기 위한 지지부재로 구성되는 진동제어장치.
3. 제 1 항에 있어서,

   상부와 하부의 하중전달장치는 와이어 타입, 강봉 타입 등 힘 전달이 가능한 부재이면 특정하지 아니며, 양단은 고정 혹은 회전 가능하게 지지되며, 이 부재의 상부나 하부 혹은 중간부에, 프리스트레스힘조정장치, 및 복원기능을 겸비할 수 있는 탄소성(彈塑性) 댐퍼장치, 나아가 대상구조물에 따라서는 변위 등 증폭기구도 구비한 진동제어장치.
4. 제 1 항에 있어서,

   프리스트레스힘 조정장치는 단독으로 혹은 복수개 사용하며, 예를 들면 턴 버클과 같은 것으로 좋으며, 구조물 자체의 강성 등에 따라 제어효과를 감안하면서, 프리스트레스힘을 임의로 조정할 수 있는 기구를 갖는 진동제어장치.
5. 제 1 항에 있어서,

   복원기능을 겸비할 수 있는 탄소성 댐퍼 장치의 복원용 스프링 장치로서는 금속 스프링(판 스프링, 코일 스프링, 접시 스프링 등), 유압 스프링, 공기 스프링 및 점탄성체를 단독으로 혹은 조합하여 사용한 것으로 좋으며, 탄소성(彈塑性) 부재는 금속 재료를 코일 형상으로 하고, 복원용 스프링 장치와 유닛화할 수도 있는 구조로, 단독으로 혹은 복수개 사용하며, 대변위에도 추종가능하고 진동제어능력이 큰 진동제어장치.
6. 제 1 항에 있어서,

   증폭기구는 예를 들면 링크 기구나 타원형상 판스프링 장치 등을 활용한 것으로, 상기 제 2,3,4,5항의 부재와 단독으로 혹은 복수개 병용함으로써 진동제어력을 향상시킬 수 있는 진동제어장치.
7. 제 1 항에 있어서,

   본 발명의 감쇠장치는 탄소성 댐퍼로 하였는데, 감쇠기구도 스프링 장치와 마찬가지로 유압(예를 들면 오일 댐퍼), 공기압(예를 들면 에어 실린더), 마찰, 점탄성 등을 단독으로 혹은 조합하여 사용하는 진동제어장치.
8. 제 1 항에 있어서,

   상부 및 하부의 힘전달부재는 회전 방지, 처짐 방지 등을 위해 1점 이상의 중간지지점을 가지며, 구름 베어링, 스러스트 베어링(thrust bearing)이나 가이드 롤러 혹은 직동(直動) 레일 등의 부재로 구성되는 진동제어장치.

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