KR100783245B1 - 복수의 탄성기둥을 가지는 교좌장치 - Google Patents

복수의 탄성기둥을 가지는 교좌장치 Download PDF

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KR100783245B1 KR1020060123124A KR20060123124A KR100783245B1 KR 100783245 B1 KR100783245 B1 KR 100783245B1 KR 1020060123124 A KR1020060123124 A KR 1020060123124A KR 20060123124 A KR20060123124 A KR 20060123124A KR 100783245 B1 KR100783245 B1 KR 100783245B1
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Abstract

교량의 교각과 상부구조물 사이에 설치되어 상부구조물의 하중을 지지하여주면서 수평이동을 허용하였다가 다시 복원시키는 기능을 가지는 교좌장치가 개시된다. 상기 교좌장치는 교량의 교각 상에 고정되는 하부판, 상기 교량의 상부구조물 저면에 고정되는 상부판, 상기 하부판과 상부판 사이에 배치되고 상기 상부구조물의 하중을 상하 방향으로 탄성적으로 지지하여주는 탄성받침, 상기 탄성받침과 상기 상부판 사이 또는 상기 탄성받침과 상기 하부판 사이에 배치되어 상기 하부판과 상기 상부판 중 상기 탄성받침 반대편에 배치되는 어느 하나에 대해 수평이동이 제한되는 상태에서 나머지 하나에 대해서는 수평이동을 허용하는 중간부재 및 중간부재의 둘레를 따라 간격을 두고 설치되어 하부판의 일측과 상기 상부판의 일측을 각각 연결하고 상기 하부판과 상기 상부판 상호간의 상대적인 수평이동에 따른 수평복원력을 제공하는 복수의 탄성기둥을 포함하는 구성을 가지며, 상부구조물 등의 수평이동을 허용하고 수평복원력을 제공하면서도 수평복원력을 제공하는 탄성체로 부반력을 잡아줄 수 있고, 크기를 작게 만들 수 있다.
교좌장치, 브릿지, 베어링, 수평복원력, 폴리우레탄

Description

복수의 탄성기둥을 가지는 교좌장치 {Bridge bearing with elastic pillars}
도 1은 교량의 횡단면도,
도 2는 수평복원력 탄성체의 평단면도,
도 3은 본 발명에 따른 복수의 탄성기둥을 가지는 교좌장치의 단면도,
도 4는 도 3의 I-I에 따른 단면도,
도 5는 도 3의 변형 예를 나타낸 단면도,
도 6은 도 5의 J-J에 따른 단면도,
도 7은 본 발명에 따른 복수의 탄성기둥을 갖는 교좌장치의 다른 예를 나타낸 단면도,
도 8과 도 9는 도 4의 변형 예를 나타낸 평단면도,
도 10은 본 발명에 따른 교좌장치의 또 다른 예를 나타낸 단면도,
도 11은 본 발명에 따른 교좌장치의 또 다른 예를 나타낸 단면도,
도 12는 폴리우레탄의 경도에 따른 전단변형률과 전단응력의 관계를 나타낸 그래프이다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
110 : 하부판 120 : 탄성기둥
130 : 상부판 140, 140a, 140b : 중간부재
150, 150b : 탄성받침 160 : 핀
170 : 낙교방지턱
본 발명은 교좌장치에 관한 것으로, 특히 교량의 교각과 상부구조물 사이에 설치되어 상부구조물의 하중을 지지하여주면서 수평이동을 허용하였다가 다시 복원시키는 기능을 가지는 교좌장치에 관한 것이다.
교좌장치에 수평복원력을 제공하기 위해서는 교각에 설치되는 구성요소와 상부구조물에 설치되는 구성요소 사이에 탄성체를 설치하여야 한다. 탄성체 설치방식은 교좌장치의 형태나 종류, 설치 위치, 탄성체의 종류, 부품의 형태 등에 따라 다양 하다.
종래의 교좌장치에서는, 교각에 설치된 구성요소와 상부구조물에 설치된 구성요소를 서로 마주보게 설치하고 마주보는 두 구성요소 사이에 탄성체를 수평으로 설치하여 수평복원력을 제공하고 있다.
이러한 종래의 교좌장치에서는 수평력의 작용방향에 따라 어느 일측의 탄성체만 복원작용을 하기 때문에 각 탄성체들과 관련부품들의 수명이 달라질 수 있다.
또, 수평으로 탄성체를 설치하는 경우 큰 수평복원력을 제공할 수 있지만 부반력을 잡아주기 위한 별도의 구조물을 설치하여야 한다.
이에 따라 상부구조물에 연결된 부품과 교각에 연결된 부품을 상하로 연결하 여 부반력을 잡아줄 수 있고 수평력의 작용방향에 상관없이 탄성체 전체가 균일하게 복원력을 작용시킬 수 있는 교좌장치의 개발이 필요하다.
이 경우 도 1을 참조하면, 교좌장치(40)의 상부판(42)과 하부판과 같은 구조물을 수평복원 탄성체(44)로 상하로 연결하는 방식으로는 상부판과 하부판 사이에 설치되는 부품 전체를 둘러싸는 형태의 탄성체를 설치하는 것을 생각해볼 수 있으나, 이는 교좌장치의 하부판과 상부판(42) 전체를 매우 크게 해야 한다는 문제점이 있다.
교량에서 교각(10) 상부에 얹혀서 상판(20)을 지지하는 거더(30)의 폭보다 교좌장치(40)의 상부판(42)이 더 커져서 교좌장치(40)를 설치하기 어렵다는 문제점이 있다.
그 외에 수평복원력을 제공하는 탄성체(44)가 도 2에 나타낸 바와 같이 하부판과 상부판 사이에 설치되는 부품 전체를 둘러싸는 큰 원통형으로 이루어져 있는 상태에서 상부구조물의 수평변위에 의해 화살표 방향의 어느 한 쪽으로 기울어지는 경우 기울어지는 방향 쪽의 좌우 양 측면에서는 작은 두께에서 슬립이 일어나지만 기울어지는 방향 쪽이 아닌 전후 양 측면에는 큰 두께에서 슬립이 일어난다. 이에 따라 탄성체의 위치에 따라 전단력에 저항하는 힘에 큰 차이가 생기고 이에 따라 탄성체가 쉽게 파손된다는 문제점도 있어 교좌장치에 적용하기가 부적절하다.
또 수평복원력을 제공하는 탄성체가 부품전체를 둘러싸는 원통형으로 구성됨에 따라 교좌장치도 전체적으로 원형으로 구성해야 한다는 제한이 따르고, 전 둘레를 상부판과 하부판에 부착하여야 하기 때문에 시간이 많이 걸리고 부품도 많이 소 요된다는 문제점이 있어 이는 부적절하다.
그리고 종래의 교좌장치에서는 교량에 수평방향으로 큰 지진력이 작용되는 경우 상부판이 이탈되어 교량의 상부구조물이 낙교 될 우려도 있다.
본 발명의 목적은 부반력을 잡아줄 수 있으면서도 작은 크기로 만들 수 있는 수평복원력을 가지는 교좌장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 다른 목적은 수평복원력을 가지면서 낙교의 우려가 적은 교좌장치를 제공하는 데 있다.
본 발명의 또 다른 목적은 수평복원력을 가지면서도 다양한 형태로 제작이 가능하고, 설치하기가 쉬운 교좌장치를 제공하는 데 있다.
본 발명에 따른 복수의 탄성기둥을 가지는 교좌장치는 교량의 교각 상에 고정되는 하부판, 상기 교량의 상부구조물 저면에 고정되는 상부판, 상기 하부판과 상부판 사이에 배치되고 상기 상부구조물의 하중을 상하 방향으로 탄성적으로 지지하여주는 탄성받침, 상기 탄성받침과 상기 상부판 사이 또는 상기 탄성받침과 상기 하부판 사이에 배치되어 상기 하부판과 상기 상부판 중 상기 탄성받침 반대편에 배치되는 어느 하나에 대해 수평이동이 제한되는 상태에서 나머지 하나에 대해서는 수평이동을 허용하는 중간부재 및 상기 중간부재와 간격을 두고 배치되고 상기 중간부재의 둘레를 따라 간격을 두고 설치되어 상기 하부판의 일측과 상기 상부판의 일측을 각각 연결하고 상기 하부판과 상기 상부판 상호간의 상대적인 수평이동에 따른 수평복원력을 제공하는 복수의 탄성기둥을 포함하는 구성을 가진다.
상기 상부판 또는 상기 하부판에는 상기 중간부재와 이동허용거리 만큼의 간격을 두고 배치되고 상기 하부판과 상기 상부판 상호간의 상대적인 수평이동이 상기 이동허용거리를 초과하는 경우 상기 중간부재에 걸리어 상기 교량의 상부구조물이 낙교 되는 것을 방지하기 위한 낙교방지턱이 설치되어 있는 것이 바람직하다.
상기 탄성기둥은 경도 75A ~ 85A인 탄성체로 만들어진 것이 좋다.
상기 탄성체는 경도 75A ~ 85A인 폴리우레탄인 것이 더욱 바람직하다.
상기 상부판 또는 상기 하부판은 측면으로 돌출된 2이상의 팔부를 구비하고, 상기 탄성기둥은 상기 팔부를 통해 설치된 것이 좋다.
상기 탄성받침은 원주면을 따라 측면홈이 형성된 폴리우레탄 디스크이고,
상기 하부판 또는 상기 상부판에는 핀구멍이 형성되고,
상기 중간부재에는 상기 폴리우레탄 디스크를 관통하여 상기 핀구멍에 삽입되어 상기 중간부재가 상기 하부판과 상기 상부판 중 어느 하나에 대해 수평이동이 제한되도록 하는 핀이 설치되어 있는 구성을 가질 수 있다.
상기 하부판 또는 상기 상부판에는 상기 중간부재를 향하는 제1탄성체 수용홈 또는 제1돌기가 형성되고, 상기 제1탄성체 수용홈 또는 상기 제1돌기와 마주보는 면의 상기 중간부재에는 상기 제1탄성체 수용홈에 삽입되는 제2돌기 또는 상기 제1돌기가 삽입되는 제2탄성체 수용홈이 형성되고,
상기 탄성받침은 상기 제1탄성체 수용홈과 제2돌기 사이 또는 상기 제2탄성체 수용홈과 상기 제1돌기 사이에 배치되며 금속테두리를 가지는 고무탄성체인 구 성을 가질 수 있다.
상기 상부판과 상기 하부판 중 상기 중간부재가 이동을 허용하는 부재에는 제1직선홈 또는 제1직선돌기가 형성되고, 상기 중간부재에는 상기 제1직선홈에 삽입되는 제2직선돌기 또는 상기 제1직선돌기가 삽입되는 제2직선홈이 형성되어 있는 구성을 가질 수 있다.
상기 상부구조물의 정하중에 의해 상기 탄성받침이 수축될 두께만큼 상기 탄성기둥이 인장된 상태로 설치될 수 있다.
상기 팔부와 팔부 사이에 상기 팔부보다 측면으로 작게 돌출되고 상하 방향으로 체결공이 형성되어 있는 플랜지가 형성되어 있는 것이 좋다.
상기 상부판 상면에 상기 상부구조물 저면에 고정하기 위한 상측 돌출부가 형성되어 있는 것이 좋다.
경우에 따라, 본 발명에 따른 복수의 탄성기둥을 가지는 교좌장치는 교량의 교각 상에 고정되고 상면에 제1구형홈 또는 제1구형돌기가 형성되어 있는 하부판, 상기 교량의 상부구조물 저면에 고정되는 상부판, 상기 상부판과 상기 하부판 사이에 설치되고 저면에 상기 제1구형홈에 결합되는 제2구형돌기 또는 상기 제1구형돌기에 결합되는 제2구형홈을 구비하여 상기 하부판에 대해 수평이동이 제한되는 상태에서 상기 상부판에 대해서는 수평이동을 허용하는 중간부재 및 상기 중간부재와 간격을 두고 배치되고 상기 중간부재의 둘레를 따라 간격을 두고 설치되어 상기 하부판의 일측과 상기 상부판의 일측을 각각 연결하고 상기 하부판과 상기 상부판 상호간의 상대적인 수평이동에 따른 수평복원력을 제공하는 복수의 탄성기둥을 포함 하는 구성을 가질 수 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세하게 설명한다.
도 3은 본 발명에 따른 복수의 탄성기둥을 가지는 교좌장치의 단면도이고, 도 4는 도 3의 I-I에 따른 평단면도이다.
도 3과 도 4에 도시된 바와 같이 본 발명에 따른 교좌장치(100)는 하부판(110)을 구비한다. 이 하부판(110)은 기초너트(111)와 볼트(112) 등을 통해 교각(10) 상에 고정적으로 설치되는 것으로, 중앙부에 핀구멍(114)을 가진다. 이러한 하부판(110)은 사방의 측면으로 돌출된 팔부(116)를 구비한다. 이 팔부(116)들은 탄성기둥(120)들이 설치되는 부분이다. 이와 같이 팔부(116)를 형성하는 경우, 하부판(110)의 전체 넓이가 줄어들고 하부판(110)의 제작에 소요되는 재료가 절감된다. 각 팔부(116)와 팔부(116) 사이에 팔부보다 측면으로 작게 돌출되고 상하 방향으로 체결공(119)이 형성되어 있는 플랜지(117)가 형성되어 있다. 이 플랜지(117)의 체결공(119)을 통해 볼트(112)가 기초너트(111)에 결합된다.
본 발명에 따른 교좌장치(100)는 상부판(130)을 구비한다. 이 상부판(130)은 상기 교량의 상부구조물 저면에 고정되는 것으로, 이 것 역시 하부판(110)과 대응되는 위치에 팔부(132)들을 구비하는 것이 바람직하고, 이 팔부(132)는 하부판(110)과 같은 형태로 하면 된다. 이 상부판(130)의 상면에는 상부구조물(20)의 저면에 용접 등으로 고정하기 위한 돌출부(134)가 형성되어 있다. 이러한 상부판(130) 저면에 스테인리스 스틸판(136)이 부착되어 있다. 이는 뒤에서 설명되는 중간부재(140) 상면과의 마찰력을 줄이기 위한 것이다.
도시된 바와 같이 하부판(110)의 상면 중앙부에 탄성받침(150)이 설치되어 있다. 이 탄성받침(150)으로는 측면홈이 형성된 폴리우레탄 디스크가 적당하며, 중앙부에 핀(160)이 통과될 수 있는 관통공(152)이 형성되어 있다. 이 탄성받침(150)은 상부구조물(20)의 하중을 상하 방향으로 탄성적으로 지지하여주는 역할을 하고, 상부구조물이 임의의 어느 한 방향으로 기울어지는 것을 허용한다.
탄성받침(150) 위에는 중간부재(140)가 탑재되어 있다. 이 중간부재(140)의 저면에는 핀(160)이 고정되어 있으며, 핀(160)은 탄성받침(150)의 관통공(152)을 통과하여 하부판(110)의 핀구멍(114)에 삽입되어 있다. 이에 따라 중간부재(140)와 탄성받침(150)은 하부판(110)에 대해 수평방향으로의 이동이 제한된다. 중간부재(140)의 상면에는 피티에프이판(142, PTFE판)이 설치되어 있다. 이 피티에프이판(142)은 상부판(130) 저면에 부착되어 있는 스테인리스 스틸판(136)과 원활한 미끄럼운동을 할 수 있도록 하기 위한 것이다. 즉, 중간부재(140)는 상부판(130)에 대해 수평방향의 이동을 허용한다.
본 발명에 따른 교좌장치(100)는 복수의 탄성기둥(120)을 구비한다. 이 탄성기둥(120)은 하부판(110)의 팔부(116)와 상부판(130)의 팔부(132)를 각각 연결하여 지진 등에 의해 상부판(130) 및 상부판(130) 상의 상부구조물(20)이 하부판(110)에 대해 수평 이동되는 경우, 상부판(130)과 상부구조물(20)이 다시 원래의 위치로 복원될 수 있도록 복원력을 제공하는 역할을 한다. 이 실시 예에서, 이러한 탄성기둥(120)은 중간부재(140)와 간격을 두고 배치되고 중간부재(140)의 둘레를 따라 간 격을 두고 4개가 설치되어 있다. 이 탄성기둥(120)은 본 발명의 일 특징을 이루는 부분으로 원형단면의 것이 적당하지만, 사각단면, 육각단면, 팔각단면 등의 것이 이용될 수 있음은 물론이다. 위와 같은 탄성기둥(120)의 상면과 하면에는 금속판(122)이 부착되어 있으며, 이 금속판(122)이 하부판(110)과 상부판(130)에 볼트(124)를 통해 고정되어 탄성기둥(120)이 설치된다. 물론, 용접 등 다른 고정방식이 이용될 수 있음은 물론이다. 이 탄성기둥(120)은 상부구조물(20)의 정하중에 의해 탄성받침(150)이 수축될 두께만큼 탄성기둥(120)을 인장하여 설치하는 것이 좋다. 그래야 교좌장치(100)가 설치되어 정하중을 받는 상태에서 인장되거나 압축되지 않은 상태로 있고, 상부구조물(20)이 조금만 수평이동 하더라도 즉시 복원력을 작용시킬 수 있다.
위에서 설명한 탄성기둥(120)으로는 일반고무보다는 탄성력이 크고 경도가 큰 스프링용 폴리우레탄이 적당하다. 더 바람직하기로는 탄성기둥(120)은 경도계(durometer A)로 측정하여 경도가 75A ~ 85A 정도의 것이 적당하다. 이에 대해서는 뒤에서 더 자세히 설명한다.
도시된 바와 같이 상부판(130) 저면에는 낙교방지턱(170)이 설치되어 있다. 이 낙교방지턱(170)은 중간부재(140)와 이동허용거리 만큼의 간격을 두고 배치되며 하부판(110)에 대한 상부판(130)의 상대적인 수평이동이 이동허용거리를 초과하는 경우 중간부재(140)의 측면에 걸리어 상부판(130) 상에 설치된 교량의 상부구조물(20)이 낙교 되는 것을 방지하는 역할을 한다.
도 5는 도 3의 변형 예를 나타낸 단면도이고, 도 6은 도 5의 J-J에 따른 단 면도이다.
도 5에 나타낸 바와 같이 중간부재(140)의 상면에 제1직선돌기 형태의 제1안내부(144)를 형성하고, 상부판(130) 저면에 제1안내부(144)가 결합되어 일방향을 따라 이동될 수 있는 제2직선홈 형태의 제2안내부(138)를 형성하여 중간부재(140)가 상부판(130)에 대해 일방향으로만 이동되는 것을 허용하도록 할 수 있다. 경우에 따라 중간부재(140)의 상면에 제1직선홈형태의 안내부를 형성하고, 상부판(130) 저면에 제2직선돌기형태의 제2안내부를 형성하여도 된다.
또 경우에 따라서는 기초너트(111)에 체결하기 위한 플랜지(117a)를 하부판(110)의 하측부에 형성하고, 볼트(112)를 플랜지(117a)를 통해 기초너트(112)에 체결할 수 있도록 하부판(110)에 구멍(115)을 뚫어서 교좌장치(100)를 구성할 수 있다. 나머지 사항은 도 3과 4를 통해 설명한 바와 같다.
도 7은 본 발명에 따른 복수의 탄성기둥을 갖는 교좌장치의 다른 예를 나타낸 단면도이다.
경우에 따라서는 도 3의 상부판(130)에 핀구멍(133)을 형성하고, 상부판(130) 저면에 탄성받침(150)을 배치하고, 상면에 핀(160)이 위쪽으로 돌출되게 설치된 중간부재(140)를 탄성받침(150) 아래에 배치하여 중간부재(140)와 탄성받침(150)이 상부판(130)에 대해서는 수평방향으로의 이동이 제한되도록 하고, 하부판(110)에 대해서는 상대적인 미끄럼운동을 허용하도록 하여도 된다. 이 때, 낙교방지턱(170)은 하부판(110) 상면에 중간부재(140)와 간격을 두고 설치된다. 나머지 사항은 도 3과 4를 통해 설명한 바와 같다.
도 8과 도 9는 도 4의 변형 예를 나타낸 평단면도이다.
도 8에 나타낸 바와 같이 하부판(110) 등은 원형으로 형성하고, 탄성기둥(120)을 간격을 두고 8개를 설치하여 교좌장치(102)를 구성할 수도 있고, 도 9에 나타낸 바와 같이 하부판(110), 탄성받침(150a), 중간부재 등을 사각형으로 형성하고, 탄성기둥(120)을 중간부재의 양측으로 각각 설치하여 교좌장치(104)를 구성할 수 있다. 상부판도 하부판(110)과 같은 평면모양으로 구성하는 것이 바람직하다.
도 10은 본 발명에 따른 교좌장치의 또 다른 예를 나타낸 단면도이다.
도시된 바와 같이 경우에 따라 중간부재(140a)의 저면에 제1돌기(146)를 형성하고, 하부판(110)에 중간부재(140a)를 향하는 제2탄성체 수용홈(113)을 형성하여 제1돌기(146)가 삽입될 수 있도록 하고, 제2탄성체 수용홈(113)에 탄성받침(150b)을 장착하여 포트형으로 교좌장치(106)를 구성할 수 있다. 이 경우 제1탄성체 수용홈(113)과 제1돌기(146) 사이에 상측 가장자리를 따라 금속링이 배치된 고무탄성체를 탄성받침(150b)으로 하여 교좌장치를 구성할 수 있다.
또, 경우에 따라 중간부재(140a)의 저면에 제1탄성체 수용홈을 형성하고, 하부판(110)에 중간부재(140a)를 향하는 제2돌기를 형성하여 교좌장치를 구성할 수 있다.
여기에서의 탄성기둥(120) 역시 스프링용으로 사용되는 폴리우레탄을 이용하여 만든 것이 바람직하고, 경도가 75A 내지 85A 되는 것이 더욱 바람직하다. 나머지 사항은 도 3과 4를 통해 설명한 것과 같다.
도 11은 본 발명에 따른 교좌장치의 또 다른 예를 나타낸 단면도이다.
도시된 바와 같이 경우에 따라 중간부재(140b)의 저면에 제1구형돌기(146a)를 형성하고, 하부판(110) 상에 제2구형홈(113a)을 형성하여 상부구조물(20)의 회전을 허용하면서 하부판(110)에 대해서는 수평방향으로의 이동이 제한되도록 교좌장치(108)가 구성될 수 있다. 이 경우 탄성받침 없이 구성될 수 있다. 경우에 따라 중간부재(140b)에 제1구형돌기(146a) 대신에 제1구형홈을 형성하고, 하부판(110)의 상면에 제2구형돌기를 형성하여도 되고, 도 11을 뒤집은 상태로 설치하여도 된다. 나머지 사항은 도 3과 4를 통해 설명한 것과 같다.
위에서 설명한 바와 같은 교좌장치에 대하여 본 발명자가 검토해본 결과, 전단계수가 24㎏/㎠이하인 경우 연성이 너무 커서 피씨빔(일반적으로 660㎜)이나 스틸박스(1,000㎜) 등과 같이 어느 정도 정해진 규격의 것에 사용하기에 크기가 너무 커지고, 또 허용되는 수평거리가 너무 커지고 복원성이 떨어지기 때문에 본 발명의 탄성체로 사용하기에는 부적합 하고, 그리고 전단계수가 55㎏/㎠이상 초과되는 경우에는 재료의 유연성이 떨어지고 쉽게 영구변형 되거나 파손이 발생되어 본 발명의 탄성체로 사용하기에 부적합한 것을 알 수 있었다.
즉, 수평복원력을 제공하기 위한 탄성체로는 전단계수가 24 ~ 55㎏/㎠의 범위의 것이 사용될 수 있다.
그리고 바람직하게는 탄성체의 전단계수는 35 ~ 45㎏/㎠이고, 더 바람직하기로는 약 40㎏/㎠정도이다.
용량이 200톤인 교좌장치에서 전단계수가 40㎏/㎠인 폴리우레탄을 본 발명에 적용하는 경우를 살펴보면, 사하중이 120톤, 활하중이 80톤, 상시 최대 허용 변위 가 ±50㎝, 지진 시 최대 허용 변위가 상시 최대 허용변위에 더하여 ±50㎝인 경우에 사용되는 폴리우레탄으로 된 탄성기둥의 면적을 구해보면 다음과 같다.
교좌장치는,
0.5 × di × K ＞ W/80 ---- 식 1)을 만족해야 한다.
식 1)에서, di는 지진 시의 변위, W는 사하중, K는 전단강성이다.
식 1)에 위의 값을 대입해보면,
0.5 × 50 × K ＞ 120/80이 되고, K는 0.6톤/㎝보다 커야 된다.
전단계수 G가 약 40㎏/㎠ = 0.040톤/㎠인 폴리우레탄이고, 상시 수평변위는 폴리우레탄의 높이 T의 50%, 지진 시의 수평변위를 T의 100% 정도인 경우,
폴리우레탄의 높이 T를 10㎝라 할 때, 이를 폴리우레탄의 전단강성을 구하는 식,
Kp = G·A/T ----- 식 1)에 대입하여 보면,
0.6 = (0.040 ×((π×D2)/4))/10이 되고,
D = 13.8㎝가 된다. 이를 4개로 나누어서 사용하고자 하는 경우 그 직경은 약 6.9㎝가 된다. 이는 200톤 용량의 교좌장치에 충분하게 사용될 수 있는 크기이다.
위와 같은 방식으로 교좌장치의 용량이 500톤, 1000톤인 경우에 대해서도 각 각 D를 구해보면 D는 각각 21.85㎝, 30.9㎝가 나오고, 이를 4개로 분할하는 경우에는 약 10.9㎝, 15.45㎝의 것이 사용되어야 한다. 이 역시 용량이 500톤, 1000톤의 교좌장치에 설치하여 적절하게 사용될 수 있는 크기이다.
다음으로, 용량이 200톤인 교좌장치에서 전단계수가 30㎏/㎠보다 작은 12㎏/㎠인 경우에 대해서 살펴보면, 사하중이 120톤, 활하중이 80톤, 상시 최대 허용 변위가 ±50㎝, 지진 시 최대 허용 변위가 상시 최대 허용변위에 더하여 ±50㎝인 경우, 전단계수가 12㎏/㎠인 탄성체의 탄성기둥의 면적을 구해보면 다음과 같다.
식 1)에 위의 값을 대입해보면,
0.5 × 50 × K ＞ 120/80이 되고, K = 0.6톤/㎝이 된다.
탄성체의 높이 T를 10㎝라 할 때, 전단강성을 구하는 식,
Kr = G·A/T ----- 식 2)에 대입하여 보면,
0.6 = (0.012 ×((π×D2)/4))/10이 되고,
D = 25.2㎝가 된다. 이를 4개로 나누어서 사용하고자 하는 경우 그 직경은 약 12.6㎝가 된다.
위와 같은 방식으로 교좌장치의 용량이 500톤, 1000톤인 경우에 대해서 D를 구해보면 D는 각각 39.9㎝, 56.4㎝가 나오고, 이를 4개로 분할하는 경우에는 약 직경이 20㎝, 28.2㎝의 것이 사용되어야 한다.
이를 위에서 설명한 전단개수가 40㎏/㎠인 폴리우레탄을 사용하는 경우와 대비하여 보면, 전단계수가 약 12㎏/㎠의 것을 사용하는 경우 그 직경이 앞의 것에 비해 약 2배가 된다는 것을 알 수 있다.
도 12는 폴리우레탄의 경도에 따른 전단변형률과 전단응력의 관계를 나타낸 그래프이다.
도 12를 참조하여 전단계수를 계산해보면,
경도 55A인 폴리우레탄의 전단계수는 80/0.8 psi = 약 8㎏/㎠ 정도이고, 경도 65A인 폴리우레탄의 전단계수는 160/0.8 psi = 약 14㎏/㎠ 이다.
전단계수가 14㎏/㎠ 정도인 경우 교좌장치의 용량에 비해 수평복원력을 제공하는 탄성체의 단면적이 너무 커져서 사용하기 어렵다.
경도 75A인 폴리우레탄의 전단계수는 210/0.6 psi = 약 24.6㎏/㎠이고, 경도 85A인 폴리우레탄의 전단계수는 300/0.4 psi = 약 52.7㎏/㎠이다.
이로부터 경도 75A ~ 85A 정도의 폴리우레탄이 본 발명의 탄성기둥으로 사용하기에 적합함을 알 수 있다. 이는 폴리우레탄 외의 다른 탄성체에서도 마찬가지이다.
이상의 설명에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명에 따른 교좌장치는 상부구조물 등의 수평이동을 허용하고 수평복원력을 제공하면서도 수평복원력을 제공하는 탄성체로 부반력을 잡아줄 수 있다.
수평복원력을 제공하는 탄성체를 기둥형태로 여러 곳에 분산하여 설치함으로 써, 또 전단강성이 큰 폴리우레탄 등의 재료를 사용함으로써 교좌장치의 크기를 작게 만들 수 있다.
아울러, 탄성기둥의 면적이나 설치 개수를 조정함으로써 수평복원력의 크기를 원하는 대로 쉽게 조정할 수 있고, 상부판과 하부판을 설치되는 장소의 환경에 따라 다양한 형태로 만들 수 있다.
수평복원력을 제공하는 탄성체를 기둥형태로 여러 곳에 분산하여 설치함으로써 각 탄성기둥에 작용하는 전단력이 균일하게 작용하면서도 전체 탄성기둥이 복원력을 담당하게 되어 수명이 길다.
낙교방지턱이 구비되어 있어 상부구조물의 낙교가 방지된다.
전단강성의 산정이 용이하여 설계하기가 간편하고, 디스크 베어링, 폿베어링, 스페리칼 베어링 등 교좌장치의 종류에 상관없이 쉽게 적용이 가능하다.

Claims (11)

  1. 교량의 교각 상에 고정되는 하부판;
    상기 교량의 상부구조물 저면에 고정되는 상부판;
    상기 하부판과 상부판 사이에 배치되고 상기 상부구조물의 하중을 상하 방향으로 탄성적으로 지지하여주는 탄성받침;
    상기 탄성받침과 상기 상부판 사이 또는 상기 탄성받침과 상기 하부판 사이에 배치되어 상기 하부판과 상기 상부판 중 상기 탄성받침 반대편에 배치되는 어느 하나에 대해 수평이동이 제한되는 상태에서 나머지 하나에 대해서는 수평이동을 허용하는 중간부재; 및
    상기 중간부재와 간격을 두고 배치되고 상기 중간부재의 둘레를 따라 간격을 두고 설치되어 상기 하부판의 일측과 상기 상부판의 일측을 각각 연결하고 상기 하부판과 상기 상부판 상호간의 상대적인 수평이동에 따른 수평복원력을 제공하는 복수의 탄성기둥을 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 탄성기둥을 가지는 교좌장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 상부판 또는 상기 하부판에는 상기 중간부재와 이동허용거리 만큼의 간격을 두고 배치되고 상기 하부판과 상기 상부판 상호간의 상대적인 수평이동이 상기 이동허용거리를 초과하는 경우 상기 중간부재에 걸리어 상기 교량의 상부구조물이 낙교 되는 것을 방지하기 위한 낙교방지턱이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 복수의 탄성기둥을 가지는 교좌장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 탄성기둥은 경도 75A ~ 85A인 탄성체로 만들어진 것을 특징으로 하는 복수의 탄성기둥을 가지는 교좌장치.
  4. 제3항에 있어서, 상기 탄성체는 경도 75A ~ 85A인 폴리우레탄인 것을 특징으로 하는 복수의 탄성기둥을 가지는 교좌장치.
  5. 제1항에 있어서, 상기 상부판 또는 상기 하부판은 측면으로 돌출된 2이상의 팔부를 구비하고, 상기 탄성기둥은 상기 팔부를 통해 설치된 것을 특징으로 하는 복수의 탄성기둥을 가지는 교좌장치.
  6. 제1항에 있어서, 상기 탄성받침은 원주면을 따라 측면홈이 형성된 폴리우레탄 디스크이고,
    상기 하부판 또는 상기 상부판에는 핀구멍이 형성되고,
    상기 중간부재에는 상기 폴리우레탄 디스크를 관통하여 상기 핀구멍에 삽입되어 상기 중간부재가 상기 하부판과 상기 상부판 중 어느 하나에 대해 수평이동이 제한되도록 하는 핀이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 복수의 탄성기둥을 가지는 교좌장치.
  7. 제1항에 있어서, 상기 하부판 또는 상기 상부판에는 상기 중간부재를 향하는 제1탄성체 수용홈 또는 제1돌기가 형성되고, 상기 제1탄성체 수용홈 또는 상기 제1돌기와 마주보는 면의 상기 중간부재에는 상기 제1탄성체 수용홈에 삽입되는 제2돌기 또는 상기 제1돌기가 삽입되는 제2탄성체 수용홈이 형성되고,
    상기 탄성받침은 상기 제1탄성체 수용홈과 제2돌기 사이 또는 상기 제2탄성체 수용홈과 상기 제1돌기 사이에 배치되며 금속테두리를 가지는 고무탄성체인 것을 특징으로 하는 복수의 탄성기둥을 가지는 교좌장치.
  8. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 상부판과 상기 하부판 중 상기 중간부재가 이동을 허용하는 부재에는 제1직선홈 또는 제1직선돌기가 형성되고, 상기 중간부재에는 상기 제1직선홈에 삽입되는 제2직선돌기 또는 상기 제1직선돌기가 삽입되는 제2직선홈이 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 복수의 탄성기둥을 가지는 교좌장치.
  9. 제5항에 있어서, 상기 팔부와 팔부 사이에 상기 팔부보다 측면으로 작게 돌출되고 상하 방향으로 체결공이 형성되어 있는 플랜지가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 복수의 탄성기둥을 가지는 교좌장치.
  10. 제5항에 있어서, 상기 상부판 상면에 상기 상부구조물 저면에 고정하기 위한 상측 돌출부가 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 복수의 탄성기둥을 가지는 교좌 장치.
  11. 교량의 교각 상에 고정되고 상면에 제1구형홈 또는 제1구형돌기가 형성되어 있는 하부판;
    상기 교량의 상부구조물 저면에 고정되는 상부판;
    상기 상부판과 상기 하부판 사이에 설치되고 저면에 상기 제1구형홈에 결합되는 제2구형돌기 또는 상기 제1구형돌기에 결합되는 제2구형홈을 구비하여 상기 하부판에 대해 수평이동이 제한되는 상태에서 상기 상부판에 대해서는 수평이동을 허용하는 중간부재; 및
    상기 중간부재와 간격을 두고 배치되고 상기 중간부재의 둘레를 따라 간격을 두고 설치되어 상기 하부판의 일측과 상기 상부판의 일측을 각각 연결하고 상기 하부판과 상기 상부판 상호간의 상대적인 수평이동에 따른 수평복원력을 제공하는 복수의 탄성기둥을 포함하는 것을 특징으로 하는 복수의 탄성기둥을 가지는 교좌장치.
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