KR20070118758A

KR20070118758A - 제진 베어링장치 및 이 제진 베어링장치가 포함된 제진시스템

Info

Publication number: KR20070118758A
Application number: KR1020060052880A
Authority: KR
Inventors: 이종세; 황인호; 임종혁
Original assignee: 한양대학교 산학협력단
Priority date: 2006-06-13
Filing date: 2006-06-13
Publication date: 2007-12-18
Also published as: US20070283635A1

Abstract

본 발명은, 지진 등에 의해 구조물에 인가되는 진동에너지를 흡수 및/또는 차단할 수 있을 뿐만 아니라, 부가장치 없이 구조물에 발생하는 다양한 형태의 동적거동을 적은 전력으로 능동적으로 제어할 수 있도록 구조가 개선된 제진 베어링장치 및 이 제진 베어링장치에 관한 것이다. 본 발명에 따른 제진 베어링장치는 지반 기초부와 상기 지반 기초부에 축조되는 구조물 사이에 설치되어 상기 구조물에 인가되는 진동에너지를 저감하는 제진 베어링장치에 있어서, 서로 이격되도록 적층된 복수의 적층부재; 및 상기 적층부재들 사이에 각각 배치되며, 자기민감소재로 이루어진 복수의 자기민감부재;를 구비하며, 상기 자기민감소재의 강성계수 및 감쇠계수를 포함하는 상기 자기민감소재의 물성치가 상기 각 자기민감부재에 형성되는 자기장의 변화에 의해 변화되는 것을 특징으로 한다.

내진설계, 진동모드, 자기민감소재, 기초격리장치, 강성계수, 감쇠계수, 제진 베어링장치, 납삽입 적층고무베어링, 능동제어, 반 능동제어

Description

제진 베어링장치 및 이 제진 베어링장치가 포함된 제진 시스템{Bearing device for seismic control and control system having it}

도 1은 종래의 일례에 따른 면진 베어링장치가 구조물에 설치된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 2는 종래의 일례에 따른 MR(Magneto-rheological) 감쇠기가 면진 베어링장치와 함께 구조물에 설치된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제진 베어링장치가 구조물에 설치된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 4는 도 3에 도시된 제진 베어링장치에 자기장이 형성된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이다.

도 5는 도 4에 지시된 "A"부분의 확대도이다.

도 6은 도 3에 도시된 제진 베어링장치가 포함된 본 발명의 일 실시예에 따른 제진 시스템의 개략적인 블록도이다.

도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 제진 베어링장치의 개략적인 단면도이다.

도 8은 기초격리장치의 역학적모델을 나타낸 도면이다.

도 9는 6자유도를 가진 5층 건물의 모델을 개략적으로 나타낸 도면이다.

도 10은 엘 센트로(El Centro)지진에 대한 지반가속도 및 고속푸리에변환을 나타낸 그래프이다.

도 11은 고베(Kobe)지진에 대한 지반가속도 및 고속푸리에변환을 나타낸 그래프이다.

도 12는 노스리지(Northridge)지진에 대한 지반가속도 및 고속푸리에변환을 나타낸 그래프이다.

도 13은 엘 센트로 지진에 대한 동적거동을 나타낸 그래프이다.

도 14는 엘 센트로 지진에 대한 변위-감쇠곡선을 나타낸다.

도 15는 고베 지진에 대한 동적거동을 나타낸 그래프이다.

도 16은 고베 지진에 대한 변위-감쇠곡선을 나타낸다.

도 17은 노스리지 지진에 대한 동적거동을 나타낸 그래프이다.

도 18은 노스리지 지진에 대한 변위-감쇠곡선을 나타낸다.

<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>

10...제진 베어링장치 11...적층부재

12...자기민감부재 20...자기장형성부

21...코일부재 22...전류공급부

30...센서부 40...제어부

100...제진 시스템 121...고무 매트릭스

122...금속 파티클

본 발명은 제진 베어링장치 및 이 제진 베어링장치가 포함된 제진 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 건물, 교량 등의 구조물에 설치되어 지진하중으로부터 구조물에 전달되는 진동에너지를 저감하는 제진 베어링장치 및 이 제진 베어링장치가 포함된 제진 시스템에 관한 것이다.

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 개발되었으며, 도 1에는 지반 기초부(50)와 구조물(60) 사이에 설치된 납삽입 적층고무베어링(1)이 도시되어 있다.

그러나 면진장치를 이용한 내진설계는 기초격리장치와 구조물로 구성된 구조계의 고유주기를 증가시켜 구조물의 상대변위 응답을 증가시킴으로써, 사용성 및 기초격리장치의 설계에 불리함을 초래하며, 강한 비선형성을 보이는 동적특성 때문에 광범위한 입력지반운동에 대해서는 적절하지 않은 것으로 알려져 있다. 예컨대 엘 센트로형의 지진을 위해 설계된 기초격리장치는 Mexico City형의 지진과 같은 지진하중의 탁월주파수 성분 등이 변화되고 진원지가 가깝고, 파속이 빠르며, 주기가 긴 지진의 경우에는 면진성능을 제대로 발휘하지 못하는 단점이 있다.

최근에는 기초격리장치와 더불어 능동장치를 결합한 혼합제어장치가 개발되 고 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 1992년 이후 ER 및 MR 유체를 이용한 진동제어 장치들을 개발되었고, 소규모의 구조물 모형실험을 통해 제어장치로서의 기능이 확인된 바 있다. 특히 ER(Electro-Rheological)유체감쇠기에 비해 낮은 전력의 공급으로도 작동이 가능한 MR(Magneto-Rheological)유체감쇠기는 1994년 이후 꾸준히 연구되고 있으며, 최근에는 최근 20ton 규모의 장치가 개발되었다. 그러나 이러한 반 능동제어장치, 예를 들어 MR유체감쇠기(2)는 도 2에 도시되어 있는 바와 같이 기초격리장치, 예를 들어 납삽입 적층고무베어링(1)과 함께 설치되어야하므로 경제적으로나 실제 구조물 적용에 문제점을 가지고 있다.

본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은, 지진 등에 의해 구조물에 인가되는 진동에너지를 흡수 및/또는 차단할 수 있을 뿐만 아니라, 부가장치 없이 구조물에 발생하는 다양한 형태의 동적거동을 적은 전력으로 능동적으로 제어할 수 있도록 구조가 개선된 제진 베어링장치 및 이 제진 베어링장치가 포함된 제진 시스템을 제공하는 것이다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 제진 베어링장치는 지반 기초부와 상기 지반 기초부에 축조되는 구조물 사이에 설치되어 상기 구조물에 인가되는 진동에너지를 저감하는 제진 베어링장치에 있어서, 서로 이격되도록 적층된 복수의 적층부재; 및 상기 적층부재들 사이에 각각 배치되며, 자기민감소재로 이루어진 복수의 자기민감부재;를 구비하며, 상기 자기민감소재의 강성계수 및 감쇠계수를 포함하는 상기 자기민감소재의 물성치가 상기 각 자기민감부재에 형성되는 자기장의 변화에 의해 변화되는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명에 따른 제진 시스템은 구조물의 동적거동을 감지하여 상기 구조물의 동적진동에 대응되는 감지신호를 출력하는 센서부; 상기 구조물과 상기 구조물이 축조되는 지반 기초부 사이에 설치되어 상기 구조물에 인가되는 진동을 저감하는 것으로서, 서로 이격되도록 적층된 복수의 적층부재과, 상기 적층부재들 사이에 각각 배치되며 자기민감소재로 이루어진 복수의 자기민감부재를 구비하는 제진 베어링장치; 상기 제진 베어링장치에 자기장의 변화를 발생시켜 상기 자기민감소재의 강성계수 및 감쇠계수를 포함하는 상기 자기민감소재의 물성치가 상기 자기장의 변화에 의해 변화되도록 하는 자기장형성부; 및 상기 센서부의 감지신호를 입력받아, 상기 감지신호를 기초로 상기 제진 베어링장치가 상기 구조물의 진동에너지를 감소시키는 제어력을 발생시키도록 상기 자기장형성부를 제어하는 제어부;를 구비하는 것을 특징으로 한다.

이하, 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다.

도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 제진 베어링장치가 구조물에 설치된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이고, 도 4는 도 3에 도시된 제진 베어링장치에 자기장이 형성된 상태를 개략적으로 나타낸 단면도이며, 도 5는 도 4에 지시된 "A"부분의 확대도이며, 도 6은 도 3에 도시된 제진 베어링장치가 포함된 본 발명의 일 실시예에 따른 제진 시스템의 개략적인 블록도이다.

도 3 내지 도 6을 참조하면, 본 실시예의 제진 시스템(100)은 한 쌍의 제진 베어링장치(10)와, 자기장형성부(20)와, 센서부(30)와, 제어부(40)를 구비한다.

상기 각 제진 베어링장치(10)는 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 지반 기초부(50)와 구조물(60) 사이에 설치된다. 상기 지반 기초부(50)에는 상기 구조물, 예를 들어 건물, 교량 등이 축조된다. 상기 지반 기초부(50)는 일반적으로 콘크리트 등에 의해 지반(51) 위에 형성된다. 상기 제진 베어링장치(10)는 진원지에서 발생된 지진이 상기 구조물(60)에 직접적으로 전달되는 것을 차단할 뿐만 아니라 지진에 의해 발생된 진동을 흡수한다. 상기 제진 베어링장치(10)는 적층부재(11)와, 자기민감부재(12)를 구비한다.

상기 적층부재(11)는 복수 마련되어 있으며, 상기 적층부재(11)들은 서로 이격되도록 적층되어 있다. 상기 각 적층부재(11)는 판 형상의 금속성 소재, 예를 들어 판 형상의 강판으로 이루어져 있다.

상기 자기민감부재(12)는 상기 적층부재(11)들 사이에 각각 배치되도록 복수 마련되어 있다. 상기 각 자기민감부재(12)는 상기 각 적층부재(11)와 마찬가지로 판 형상으로 이루어져 있다. 상기 각 자기민감부재(12)는 자기장의 변화에 의해 물성치, 예를 들어 강성계수 및 감쇠계수 등이 변화하는 자기민감소재(Magneto-Sensitive Material)로 이루어져 있다. 상기 자기민감소재는 고무 매트릭스(121)와, 금속 파티클(122)을 포함하여 이루어진다. 상기 고무 매트릭스(121)는 고무, 예를 들어 천연고무, 폴리우레탄 등으로 이루어진다. 상기 금속 파티클(122)은 철 등과 같은 금속성 소재로 이루어진 파티클이며, 상기 고무 매트릭스(121) 내에 분산되어 있다. 본 실시예에서, 상기 자기민감소재(12)는, 천연고무(natural rubber)와 철 파티클(iron particle)을 약 120℃ 온도에서 골고루 혼합한 후에 그 혼합물을 주형에 충전하고 그 후에 30분 동안 0.7T 세기의 전자기장(electro-magnetic field) 하에서 경화시킴으로써 제조된다.

이와 같이, 제조된 상기 자기민감소재의 물성치는 상기 각 자기민감부재(12)에 형성되는 자기장의 변화에 의해 변화된다. 즉, 도 4 및 도 5에 화살표로 도시되어 있는 바와 같이, 상기 각 자기민감부재(12)에 자기장이 형성되면, 상기 고무 매트릭스 내에 분산된 금속 파티클(122)이 자기장의 방향으로 재정렬됨으로써 상기 각 자기민감소재의 물성치, 예를 들어 강성계수 및 감쇠계수 등이 변하게 된다. 예를 들어, 자기장의 세기 및/또는 방향이 변하면, 상기 각 자기민감부재의 강성계수 및 감쇠계수가 변하게 된다. 이와 같이, 상기 자기민감소재의 물성치가 변화되는 점은, Jacob Rainow에 의해 1948년에 소개되었으며, 그 후 문헌[Kordonsky, W. (1993), Magnetorheological effects as a base of new devices and technologies, J. Mag. & Mag. Mat, Vol. 122, pp. 395-398.], 문헌[Jolly, M.R., Carlson, J.D. and Munoz, B.C. (1996), A model of the behaviour of magnetorheological materials, Smart Material Structures, Vol, 2, pp. 607-614.] 및 문헌[Carlson J.D. and Jolly M.R. (2000), MR fluid, form and elastomer devices, Machatronics, Vol. 10, pp. 55-69.] 등에도 잘 개시되어 있다.

상기 자기장형성부(20)는 상기 제진 베어링장치(10)에 자기장의 변화를 발생시킨다. 상기 자기장형성부(20)는 코일부재(21)와, 전류공급부(22)를 구비한다. 상기 코일부재(21)는 상기 베어링장치(10)를 둘러싸도록 환형으로 이루어져 있다. 상기 전류공급부(22)는 상기 코일부재(21)에 전류를 공급한다. 상기 코일부재(21)에 전류가 인가되면, 상기 코일부재(21) 주위에는 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 자기장이 형성된다.

상기 센서부(30)는 상기 구조물(60)에 부착되어 상기 구조물(60)의 동적진동을 감지한다. 그리고, 상기 센서부(30)는 상기 구조물(60)의 동적거동에 대응되는 감지신호를 전기적 신호로 출력한다. 상기 감지신호는 상기 구조물의 변위, 가속도, 지반가속도 및 진동주기를 포함한다. 보다 구체적으로, 상기 감지신호는 상기 구조물의 수평방향의 변위, 수평방향의 가속도, 수평방향의 지반가속도 및 수평방향으로의 진동주기를 포함한다. 그리고, 상기 센서부(30)는, 지진 발생 후 지진 소멸시까지 상기 구조물의 동적거동에 대응되는 감지신호를 연속적으로 출력한다.

상기 제어부(40)는 상기 자기장형성부(20)를 제어하여 상기 제진 베어링장치(10)에 형성되는 자기장을 제어한다. 먼저, 상기 제어부(40)는 상기 센서부(30) 의 감지신호를 입력받는다. 다음으로, 상기 제어부(40)는 상기 감지신호를 기초로 상기 구조물(60)에 발생된 진동에너지를 감소시키는 제어력(seismic control force)을 연산한다. 바람직하게는, 상기 제어부(40)는 상기 구조물에 발생된 진동에너지를 최소화시킬 수 있는 제어력을 연산한다. 보다 구체적으로, 상기 제어력의 연산은 후술하는 수치해석부분에 설명된 성능지수(J)를 최소화시킴으로써 이루어지며, 본 실시예에서 이러한 제어부(40)는 일반적으로 이미 널리 알려져 있는 LQ조정기(linear quadratic regulator)를 포함하도록 구성된다. 이와 같이, 제어력이 연산되어 설정된 후, 상기 제어부(40)는 상기 제진 베어링장치(10)가 상기 제어력을 발생시킬 수 있도록 상기 자기장형성부(20)를 제어한다. 여기서, 상기 제진 베어링장치(10)의 물성치, 특히 상기 각 자기민감부재(12)의 강성계수 및 감쇠계수는 상기 제진 베어링장치에 형성된 자기장의 변화에 의해 변화하게 되므로, 상기 제어부(40)는 상기 제진 베어링장치(10)에 적절한 자기장을 형성시켜 상기 제진 베어링장치(10)가 연산된 제어력을 발휘할 수 있도록 제어한다. 즉, 상기 제어부(40)는 상기 전류공급부(22)에서 공급되는 전류의 세기를 제어하여 상기 코일부재(21) 주위에 형성되는 자기장의 세기를 제어함으로써, 상기 제진 베어링장치(10)의 제어력을 조절한다.

예를 들어, 상기 제어부(40)는 상기 구조물(60)에 지진이 발생하지 않는 평상시에는 상기 전류공급부(22)가 전류를 공급하지 않도록 제어한다. 그리고, 상기 구조물에 지진이 발생하는 경우에는, 상기 제어부(40)는 상기 감지신호를 기초로 상기 구조물(60)의 진동에너지를 최소화시키는 제어력을 연산한 후 상기 전류공급 부에서 상기 코일부재(21)로 공급되는 전류의 세기를 적절하게 제어하여 상기 제진 베어링장치(10)에 형성되는 자기장의 세기를 변화시킴으로써 상기 제진 베어링장치(10)가 상기 제어력을 발휘하도록 제어한다. 따라서, 지진에 의한 상기 구조물(60)의 동적거동이 능동적으로 제어된다. 그리고, 상기 제어부(40)는, 지진 발생 후 지진 소멸시까지 연속적으로 입력되는 감지신호에 대응하여 상기 전류공급부(22)의 전류 공급을 제어함으로써 상기 구조물(60)의 동적거동을 지진 발생 후 지진 소멸시까지 제어한다.

이하, 본 실시예의 제진 시스템(100)에 있어서 구조물(60)에 지진 등에 의한 동적하중이 가해지는 경우, 구조물의 진동에너지가 저감되며 구조물의 동적거동이 제어되는 과정의 일례를 도 6을 참조하면서 설명하기로 한다. 도 6에 도시된 점선 화살표는 지진에 의한 진동에너지의 이동경로, 구조물의 동적거동의 감지 및 제진 베어링장치의 제어력을 나타낸다.

지진이 발생하지 않는 평상시에는, 제어부(40)가 코일부재(21)에 전류가 공급되지 않도록 전류공급부(22)를 제어하므로, 제진 베어링장치(10)에 자기장이 발생하지 않는다. 이러한 상태에서 지진이 발생하게 되면, 지진 발생과 거의 동시에 코일부재(21)에 전류가 인가되어 코일부재(21) 주위에 자기장이 형성되며 그 형성된 자기장에 의해 제진 베어링장치(10)가 구조물의 진동에너지를 최소화시킬 수 있는 제어력을 발휘하게 되므로, 구조물(60)의 동적거동이 최적으로 제어되는데, 보다 구체적으로 살펴보면 다음과 같다.

지진 발생시, 구조물에 부착된 센서부(30)가 구조물(60)의 수평방향의 변위, 수평방향의 가속도, 수평방향의 지반가속도 및 수평방향으로의 진동 주기를 감지하여 이 변위, 가속도, 지반가속도 및 진동 주기가 포함된 감지신호를 제어부(40)로 전기적 신호로 출력한다. 제어부(40)는 감지신호를 기초로 구조물(60)의 진동에너지를 최소화시키는 제어력을 연산하여 결정한 후, 제진 베어링장치(10)가 상기 제어력을 발휘할 수 있도록 하기 위해 제진 베어링장치(10)에 형성되어야 할 자기장의 세기를 결정한다. 그 후, 제어부(40)는 전류공급부(22)에서 코일부재(21)로 공급되는 전류의 세기를 적절히 제어함으로써 상기 자기장이 형성되도록 한다. 이와 같이 코일부재(21)에 전류가 공급되면, 제진 베어링장치(10)에 도 4에 도시되어 있는 바와 같이 자기장이 형성되어, 자기민감소재에 포함된 금속 파티클이 자기장의 방향으로 재정렬된다. 이와 같은 금속 파티클의 재정렬로 인해, 자기민감소재의 물성치, 즉 강성계수 및 감쇠계수가 변화되어 제진 베어링장치(10)의 제진 성능이 변하게 된다. 이와 같이, 자기장의 변화에 따라 자기민감소재의 물성치를 변경시키게 되면, 구조물(60)에 가해지는 다양한 형태의 진동에 대한 능동적인 제어가 가능해지게 된다. 특히, 종래의 능동제어시스템과 달리 큰 전력을 필요로하지 않다는 장점을 가지게 된다. 또한, 종래와 달리 반 능동제어장치와 기초격리장치를 모두 설치하지 않고, 하나의 제진 베어링장치(10)를 통해서 종래와 마찬가지로 반 능동제어 및 기초격리성능을 발휘할 수 있게 된다.

한편, 제어부(40)는 지진 발생 후 지진 소멸시까지 연속적으로 입력되는 감지신호에 대응하여 전류공급부(22)의 전류 공급을 제어함으로써 제진 베어링장치(10)의 제진 성능을 감지신호에 대응시켜 변화시키므로, 구조물(60)의 동적거동 은 지진 발생 후 지진 소멸시까지 연속적으로 제어되게 된다.

상술한 바와 같이, 본 실시예의 제진 베어링장치는 종래의 기초격리장치, 예를 들어 납삽입 적층고무베어링과 같이 전단변형에 의해 구조물에 인가되는 진동 에너지를 흡수 및/또는 차단한다. 그리고, 동시에, 자기장의 세기를 조절하여 제진 베어링장치의 물성치, 예를 들어 강성계수 및 감쇠계수를 변화시킴으로써 구조물의 동적거동에 대한 반 능동제어가 가능해지게 된다.

한편, 본 실시예에 따른 제진 베어링장치가 포함된 제진 시스템의 제진 성능을 확인하기 위해 수치해석을 수행하였다. 수치해석은 1987년에 Kelly 등이 사용한 6자유도를 가진 5층 건물에 대해 수행하였다. 그리고, 각기 다른 특성을 갖는 엘 센트로 지진, 고베 지진 및 노스리지 지진 각각에 대해 제진 시스템의 응답을 구하여, 제진 시스템의 기초격리장치로서의 성능 및 반 능동제어에 대한 평가를 수행하였다. 또한 기초격리장치의 효율성을 분석하기 위하여 본 수치해석에서는 세 가지 경우, 즉 (1)제어되지 않고 기초지지된 구조물, (2)납삽입 적층고무베어링(Lead Rubber Bearing)이 설치된 구조물, (3)제진 베어링장치가 설치된 구조물에 대한 해석을 수행하였다.

먼저, 제진 베어링장치 및 종래의 납삽입 적층고무베어링 등과 같은 기초격리장치의 운동방정식을 구한다. 운동방정식은 도 8에 도시되어 있는 바와 같이 지반 기초부와 구조물이 구별된 모델에 대하여 다음과 같이 도출된다.

여기서,f와

는 각각 기초격리장치에 의한 추가력과 위치벡터를 나타낸다. 그리고,

는 지진하중을 나타내며,

는 지반 기초부와 구조물의 변위를 나타낸다. 또한, 질량(M), 감쇠(C), 강성(K) 행렬은 다음과 같다.

여기서, m_b, m_s는 각각 지반 기초부 및 구조물의 질량이며, c_b, k_s는 각각 지반 지반 기초부의 감쇠계수 및 강성계수이며, c_s, k_s는 각각 구조물의 감쇠계수 및 강성계수이다.

상태변수, q를

로 정의하여 기초격리장치를 상태공간방정식으로 표현하면, 다음과 같다.

여기서, A, B, E는 각각 시스템 행렬, 제어행렬 및 외란행렬을 나타내며, 다음과 같다.

다음으로, 본 실시예의 제진 베어링장치가 설치된 구조물을 도 9에 도시되어 있는 바와 같은 5층 건물로 모델링하였다. 5층 건물의 질량과 강성계수, 감쇠계수 등은 표 1에 기재된 바와 같다. 제어되지 않고 기초 지지된 구조물은 첫 번째 모드에서 2%의 감쇠와 0.3초의 고유주기를 가진다. 구조물의 동적 비선형성을 무시하였지만 과도한 구조적 움직임을 충분히 고려하였다.

그리고, 납삽입 적층고무베어링은 14.83kN의 항복력을 갖도록 설계하였으며, 본 수치해석에 사용될 이력복원력 f_LRB와 무차원 이력 변수 z는 널리 알려져 있는 바와 같이 다음의 식으로부터 얻어진다.

여기서, Q_pb는 납의 항복하중이며 Q_pb = (1-K_yield/K_initial)·Q_y로부터 구해지며, Q_y는 구조물 전체 무게의 5%로 가정하였으며, 납의 항복 전/후의 강성비(β,γ), 무차원 매개변수(A), 정수계수(n) 등 납적층고무베어링에 사용된 매개 변수의 값들은 표 2에서와 같이 문헌[Ramallo(2002), "Smart" Base Isolation Systems (2002) Journal of Engineering Mechanics Vol. 128. No. 10 pp.1088-1099]에 기재된 설계변수를 사용하였다.

다음으로, 제진 베어링장치의 반 능동제어가 가능하도록, 먼저 능동제어장치를 설계하였다. 능동제어장치의 설계를 위해서, 먼저 다음의 식과 같은 성능지수(J)를 최소로 하는 Q값과 R값을 구하였다.

시행착오를 거쳐서 R값과 Q값을 다음과 같이 사용하였다.

여기서,

이다.

그리고, 능동제어장치를 반 능동제어장치로 전환하기 위해서, Clipped-Optimal Control 알고리즘을 사용하여, 자기장이 인가되지 않은 경우에 제진 베어링장치의 기본 감쇠력을 1kN으로 설정하고, 자기장을 인가한 경우에 제진 베어링장치의 최대 감쇠력을 200kN으로 설정하였다.

마지막으로, 구조물에 입력될 지진하중을 엘 센트로 지진, 고베 지진 및 노스리지 지진 등 3가지 형태로 설정하였다. 엘 센트로 지진은 가속도계로 기록된 최초의 강진으로서 현재까지 내진설계기준이나 기초격리장치에 대한 연구와 설계 시 표준 지진으로 간주되어 왔다. 고베 지진은 멕시코시티와 유사한 퇴적지반에서의 지진이며, 지표아래 20km에서 발생한 천발지진으로 최대지반가속도가 0.83g를 기록한 도심직하형 강진의 대표적인 경우이다. 노스리지 지진은 규모 6.8의 강진으로 역단층운동에 의하여 일어났으며 오늘날 전 세계적으로 진행되고 있는 성능에 기초한 내진설계개발의 직접적인 배경이 되었던 지진이다.

상술한 바와 같이 수치해석 준비를 한 후에, 종래의 납삽입 적층고무베어링과 제진 베어링장치의 성능을 평가하였다. 본 수치해석에서 입력 지진하중으로 사용된 각 지진의 가속도그램 및 고속푸리에변환(FFT, Faste Fourier Transformation)은 도 10 내지 도 12에 도시되어 있으며, 각 지진의 특성은 표 3과 같다.

상술한 바와 같은 과정을 거쳐 수치해석을 수행하여, 최대지반가속도의 강도에 의해 엘 센트로 지진, 고베 지진, 노스리지 지진에서 발휘되는 제진 베어링장치 및 납삽입 적층고무베어링 각각의 성능을 최대 기초변위, 최상위층의 최대가속도, 1-2층간 상대 변위를 비교하면, 다음과 같은 결과를 얻을 수 있다. 도 13 내지 도 18에 지시된 LRB는 납삽입 적층고무베어링가 설치된 구조물에 대한 결과를 나타내며, Active는 능동제어된 구조물에 대한 결과를 나타내며, Fixed는 지반 기초부가 고정된 구조물에 대한 결과를 나타내며, MS Rubber는 본 실시예의 제진 베어링장치가 설치된 구조물에 대한 결과를 나타낸다.

먼저 엘 센트로 지진에 대한 동적거동을 살펴보면, 도 13에 도시되어 있는 바와 같이 기초변위에 있어서 제진 베어링장치는 28cm, 납삽입 적층고무베어링은 30cm로서 2cm 감소되는 결과를 보여주고 최상층 가속도에서는 제진 베어링장치에서는 0.191g, 납삽입 적층고무베어링은 0.542g로서 기초 지지상태에 비해 제진 베어링장치는 약 84%의 감소를 보여주었고 납삽입 적층고무베어링은 약 55%의 감소를 보여주고 있다. 1-2층간 상대 변위는 제진 베어링장치가 1.5mm, 납삽입 적층고무베어링은 2.7mm로서 기초 지지된 구조물의 1-2층간 상대 변위에 비해 제진 베어링장치는 80%이상, 납삽입 적층고무베어링은 약 68%이상의 감소를 보이면서 제진 베어링장치의 층간 상대변위가 납삽입 적층고무베어링 보다 우수한 것으로 나타내고 있다.

그리고, 도 14에는 엘 센트로 지진에 대한 납삽입 적층고무베어링과 제진 베어링장치에서의 변위와 감쇠력의 관계가 도시되어 있다. 납삽입 적층고무베어링은 약 80.49kN, 제진 베어링장치는 약 119kN의 감쇠력을 나타내었다.

다음으로 근역지진인 고베 지진에 대한 기초 변위와 최상층의 가속도, 1-2층간 상대 변위에 대해 비교해 보았다. 도 15에 도시되어 있는 바와 같이 기초변위에 있어서 제진 베어링장치는 36.1cm, 납삽입 적층고무베어링은 43.3cm로서 약 7cm 정도의 감소되는 결과를 나타내었다. 최상층 가속도에서는 제진 베어링장치에서는 0.244g, 납삽입 적층고무베어링에서는 0.372g으로서 기초지지상태에 비해 제진 베어링장치는 약 92%의 감소를 보여주었고 납삽입 적층고무베어링에 대해서는 약 88%의 감소를 보여주고 있다. 1-2층간 상대변위는 제진 베어링장치가 1.95mm, 납삽입 적층고무베어링은 9.61mm로서 기초 지지된 구조물의 1-2층간 상대변위에 비해 제진 베어링장치는 약 90%, 납삽입 적층고무베어링은 약 50%의 감소를 보이면서 제진 베어링장치의 층간 상대 변위가 납삽입 적층고무베어링보다 우수한 것으로 나타났다.

그리고, 도 16에는 고베 지진에 대한 납삽입 적층고무베어링과 제진 베어링장치에서의 변위와 감쇠력의 관계가 도시되어 있다. 납삽입 적층고무베어링은 약 98.98kN, 제진 베어링장치는 약 190.57kN의 최대 감쇠력을 나타내었다.

마지막으로 노스리지 지진에 대한 기초 변위와 최상층의 가속도, 1-2층간 상대 변위에 대해 비교해 보았다. 도 17에 도시되어 있는 바와 같이 기초변위에 있어서 제진 베어링장치는 81cm, 납삽입 적층고무베어링은 97.9cm로서 약 17cm 정도의 감소되는 결과를 나타내었다. 최상층 가속도에서는 제진 베어링장치에서는 0.543g, 납삽입 적층고무베어링에서는 0.815g으로서 기초지지상태에 비해 제진 베어링장치는 약 86%의 감소를 보여주었고 납삽입 적층고무베어링에 대해서는 약 80%의 감소를 보여주고 있다. 1-2층간 상대변위는 제진 베어링장치가 4.3mm, 납삽입 적층고무베어링은 6.6mm로서 기초 지지된 구조물의 1-2층간 상대변위에 비해 제진 베어링장치는 약 83%, 납삽입 적층고무베어링은 약 74%의 감소를 보였다.

그리고, 도 18에는 노스리지 지진에 대한 납삽입 적층고무베어링과 제진 베어링장치에서의 변위와 감쇠력의 관계가 도시되어 있다. 납삽입 적층고무베어링은 약 204.98kN, 제진 베어링장치는 약 341.17kN의 최대 감쇠력을 나타내었다.

상술한 결과를 종합해 보면, 표 4 및 표 5에 나타나 있는 바와 같이 본 실시예의 제진 베어링장치가 종래의 납삽입 적층고무베어링 보다 모든 종류의 지진에 대해 월등히 우수한 성능을 보임을 알 수 있다.

한편, 본 실시예에 있어서는 제진 베어링장치가 복수의 적층부재와 복수의 자기민감부재를 포함하도록 구성되어 있으나, 제진 베어링장치(10a)를 도 7에 도시되어 있는 바와 같이 구성할 수도 있다. 즉, 상기 제진 베어링장치(10a)는 도 4에 도시된 제진 베어링장치(10)와 달리 코어부재(13)를 더 구비한다. 상기 코어부재(13)는 적층부재(11)들 및 자기민감부재(12)들을 각각 관통하여 결합되어 있다. 그리고, 상기 코어부재(13)는 납 등과 같은 금속성 소재로 이루어져 있다. 상기 코어부재(13)는 구조물(60)에 인가되는 진동을 흡수하는 기능을 한다.

이상, 본 발명을 바람직한 실시예들을 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되지 않으며, 본 발명의 기술적 사상 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 많은 변형이 가능함은 명백하다.

예를 들어, 본 실시예에 있어서는, 전류 세기의 변화를 통해서 자기장 세기를 변화시키고, 이 자기장 세기의 변화를 통해서 자기민감소재의 물성치를 변화시키도록 구성되어 있으나, 제진 베어링장치에 형성된 자기장의 방향을 변경시킴으로써 자기민감소재의 물성치가 변경되도록 구성할 수도 있다.

또한, 본 실시예에 있어서는 코일부재가 하나 배치되도록 구성되어 있으나, 제진 베어링장치 부근에 복수의 코일부재가 배치되어 각 코일부재에서 발생되는 자기장의 방향이 서로 다르도록 구성할 수도 있다.

상기한 구성의 본 발명에 따르면, 자기장의 변화에 따라 자기민감소재의 물성치를 변경시킴으로써 구조물에 발생하는 다양한 형태의 동적하중에 대해 능동적으로 제아할 수 있게 된다. 그리고, 종래의 능동제어장치와 달리 큰 전력을 필요로하지 않으며, 종래와 달리 반 능동제어장치와 기초격리장치를 모두 설치하지 않고서도 하나의 제진 베어링장치를 통해서 종래와 마찬가지로 반 능동제어 및 기초격리성능을 발휘할 수 있게 된다.

Claims

지반 기초부와 상기 지반 기초부에 축조되는 구조물 사이에 설치되어 상기 구조물에 인가되는 진동에너지를 저감하는 제진 베어링장치에 있어서,

서로 이격되도록 적층된 복수의 적층부재; 및

상기 적층부재들 사이에 각각 배치되며, 자기민감소재로 이루어진 복수의 자기민감부재;를 구비하며,

상기 자기민감소재의 강성계수 및 감쇠계수를 포함하는 상기 자기민감소재의 물성치가 상기 각 자기민감부재에 형성되는 자기장의 변화에 의해 변화되는 것을 특징으로 하는 제진 베어링장치.
제 1항에 있어서,

상기 자기민감부재는, 고무로 이루어진 고무 매트릭스와, 상기 고무 매트릭스 내에 분산된 금속성 소재의 금속 파티클을 포함하는 것을 특징으로 하는 제진 베어링장치.
제 2항에 있어서,

상기 금속 파티클은 철로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 제진 베어링장치.
제 3항에 있어서,

상기 각 적층부재는 판 형상의 금속성 소재로 이루어지며,

상기 각 자기민감부재는 판 형상으로 이루어져 있는 것을 특징으로 하는 제진 베어링장치.
제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 적층부재들 및 자기민감부재들을 각각 관통하여 결합되며 금속성 소재로 이루어진 코어부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 제진 베어링장치.
구조물의 동적거동을 감지하여 상기 구조물의 동적진동에 대응되는 감지신호를 출력하는 센서부;

상기 구조물과 상기 구조물이 축조되는 지반 기초부 사이에 설치되어 상기 구조물에 인가되는 진동에너지를 저감하는 것으로서, 서로 이격되도록 적층된 복수의 적층부재과, 상기 적층부재들 사이에 각각 배치되며 자기민감소재로 이루어진 복수의 자기민감부재를 구비하는 제진 베어링장치;

상기 제진 베어링장치에 자기장의 변화를 발생시켜 상기 자기민감소재의 강성계수 및 감쇠계수를 포함하는 상기 자기민감소재의 물성치가 상기 자기장의 변화에 의해 변화되도록 하는 자기장형성부; 및

상기 센서부의 감지신호를 입력받아, 상기 감지신호를 기초로 상기 제진 베어링장치가 상기 구조물의 진동에너지를 감소시키는 제어력을 발생시키도록 상기 자기장형성부를 제어하는 제어부;를 구비하는 것을 특징으로 하는 제진 시스템.
제 6항에 있어서,

상기 자기민감부재는, 고무로 이루어진 고무 매트릭스와, 상기 고무 매트릭스 내에 분산된 금속성 소재의 금속 파티클을 포함하는 것을 특징으로 하는 제진 시스템.
제 7항에 있어서,

상기 베어링장치는 상기 적층부재들 및 자기민감부재를 각각 관통하여 결합되며 금속성 소재로 이루어진 코어부재를 더 구비하는 것을 특징으로 하는 제진 시스템.
제 6항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 감지신호는 상기 구조물의 변위, 가속도 및 진동주기를 포함하는 것을 특징으로 하는 제진 시스템.
제 6항 내지 제 8항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 자기장형성부는 상기 제진 베어링장치를 둘러싸도록 배치된 환형의 코일부재와, 상기 코일부재 주위에 자기장이 형성되도록 상기 코일부재에 전류를 공급하는 전류공급부를 포함하는 것을 특징으로 하는 제진 시스템.
제 10항에 있어서,

상기 제어부는 상기 전류공급부에서 공급되는 전류의 세기를 제어함으로써 상기 자기장형성부에 의해 형성된 자기장의 세기를 제어하는 것을 특징으로 하는 제진 시스템.