KR101069155B1

KR101069155B1 - 압전소자가 구비된 탄성교량받침

Info

Publication number: KR101069155B1
Application number: KR1020090092129A
Authority: KR
Inventors: 하동호; 구남서; 유문식
Original assignee: 건국대학교 산학협력단
Priority date: 2009-09-29
Filing date: 2009-09-29
Publication date: 2011-09-30
Also published as: US20120176003A1; JP2013505383A; US8648516B2; WO2011040675A1; JP5396542B2; KR20110034731A

Abstract

본 발명은 압전소자가 구비된 탄성교량받침에 관한 것으로서, 교량의 상판과 교각 사이에 설치하여 상기 교량의 상판 하중과 변형에 의해 발생하는 충격력을 감소 시키는 교량용 탄성 받침에 다수의 압전소자를 장착하여 교량의 상판에 작용하는 차량의 하중을 계측함과 함께 교량에 자동차의 주행으로 발생하는 진동 에너지를 이용하여 전기 에너지를 생산하기 위한 것이다.

이를 실현하기 위한 본 발명은, 교량상판의 저면에 고정 설치되는 어퍼플레이트(50)와, 교각 상면에 고정 설치되는 베이스플레이트(10)와, 상기 어퍼플레이트(50)와 베이스플레이트(10)에 각각 체결볼트(22,42)에 의해 체결 고정되는 상부고정판(40) 및 하부고정판(20)과, 상기 상,하부 고정판(20,40)에 상하 양면이 각각 열융착 고정되어짐과 함께 내부에는 다수의 강철판(31)이 다층형태로 매립 구성되어진 고무패드(30)로 구성되는 교량용 탄성받침에 있어서, 상기 탄성받침에는 교량 상판에서 전달되는 진동을 전기에너지로 변환시키기 위한 다수의 압전소자(1)가 구성되어지되, 상기 압전소자(1)는 고무패드(30) 내에서 각각의 강철판(31) 사이에 적층 구성시킨 것을 특징으로 한다.

압전소자, 교량받침, 전기에너지, 하중계측, 발전

Description

압전소자가 구비된 탄성교량받침{A PIEZOELECTRIC ELEMENT TYPE ELASTOMERIC BEARING INSTRUMENTED}

본 발명은 교량받침에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 교량의 상판 지지를 위해 설치되는 교좌장치의 일종인 탄성받침에 압전소자를 구비함으로서 교량의 상판에 작용하는 차량의 하중을 계측하고, 차량 통행시 발생하는 진동을 전기에너지로 활용토록 하기 위한 것이다.

일반적으로 현대사회에서 전기는 생활의 일부가 된 필수적 에너지 형태이며, 이러한 전기에너지는 이미 화력, 수력, 원자력 등 여러 가지 방식을 사용하여 얻어지고 있으며, 그 특성 또한 우수하다. 그러나 계속적인 에너지 생산에 따른 자원의 고갈과 이로 인한 에너지 생산의 한계성, 고 비용 그리고 발전시스템에 의해 발생되는 환경의 오염 등 많은 문제점을 안고 있다. 따라서 최근 이러한 문제를 인식한 각국은 대체에너지 개발에 대한 투자를 꾸준히 증가시켜가고 있는 실정이다. 예컨대, 대표적으로 중점 개발되고 있는 대체 에너지로 태양광을 이용한 전압발생장치가 개발되었으며, 이는 태양광을 직접 수광하는 태양전지를 구성하고, 그 태양전지로부터 발생되는 전압을 균일하게 유지해주는 정전압 회로를 매개로하여 축전지에 상기 태양전지로부터의 전압을 충전시켜 필요 시 보조전원으로 사용할 수 있게 한다.

하지만, 상기 태양전지를 이용한 전력 생산은 낮은 효율과 광량에 따라 발전량이 큰 차이가 생기고 밤에는 생산하지 못하는 단점이 있어 한 국가의 주 에너지원으로서 역할은 할 수 없고 다만 보조적이거나 시험적인 에너지원이 될 수밖에 없다.

또한, 조력과 풍력, 수력발전으로 인한 에너지 생성장치는 자연조건이 적합한 지역에서만 보조전원으로 사용하는 것이 가능한 에너지이며, 그로 인한 발생전압 또한 기대치에 미치지 못하거나 주변환경에 따른 제약을 많이 받고, 초기시설투자 비용이 막대하여 일반적이라고 할 수 없다.

이에 따라 대체 에너지원으로 에너지의 재활용에 대한 관심이 증가하고 있으며, 본 발명은 에너지의 재활용으로 교량에서 발생하는 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하여 상기 교량에 필요한 전원을 공급할 수 있도록 하는 것이다.

최근 전국의 교량은 약 23,000여 개로 앞으로 상기 교량의 수는 더욱 증가할 것이며, 점차적으로 그 규모 및 길이 역시 커지고 있는 실정이다. 상기와 같은 교량은 교각 위에 상판을 올려주는 구조를 가지며, 교량 위에는 차량 등이 고속으로 통행하므로 교량에는 시시각각 변화되는 동하중이 작용하며, 큰 교량에서는 그 상판의 길이가 길어지므로 계절의 변화에 따른 온도변화에 의한 열변형으로 상판의 신축량이 커져 상판과 교각의 접촉부위에서 상대운동을 허용하도록 설계하여야 한다. 또한, 지진 등에 의해 교량에 수평방향으로 미치는 큰 충격력에 대비하여 수평 방향의 충격력을 완화하여 줄 수 있는 지지구조를 가져야 하며, 상기 교량에는 교량 상판과 교각 사이에 탄성 받침을 설치하여 상판의 변위에 대응하면서 상판을 지지하여 상판에 미치는 충격력을 감소시키도록 한다.

상기와 같은 교량의 탄성 받침은 교량에서 발생하는 충격력을 감소시키기 위한 것으로 상기 탄성 받침에는 교량에서 발생하는 충격력이 그대로 전달되어 상기 충격력으로 진동 에너지가 발생한다.

그러나 종래에는 교량의 상판의 하중과 자동차의 주행 시 발생하는 진동 에너지를 전달받는 탄성 받침이 상기 진동 에너지의 충격력을 감소시키기만 할 뿐 상기 교량의 상판의 하중과 자동차의 주행 시 발생하는 진동 에너지를 재활용하지 못하고 낭비하고 있는 실정이었다.

본 발명은 교량에서 발생하는 진동에너지를 재활용 할 수 있도록 하기 위한 것으로서, 기계적인 에너지를 전기적인 에너지로 변환시킬 수 있는 압전소자를 교량 탄성받침에 적용함으로서 교량의 유지 관리에 필요한 에너지를 친환경적으로 얻을 수 있도록 하는데 목적이 있다.

상기 목적을 이루기 위한 본 발명은, 교량상판의 저면에 고정 설치되는 어퍼플레이트와, 교각 상면에 고정 설치되는 베이스플레이트와, 상기 어퍼플레이트와 베이스플레이트에 각각 체결볼트에 의해 체결 고정되는 상부고정판 및 하부고정판과, 상기 상,하부 고정판에 상하 양면이 각각 열융착 고정되어짐과 함께 내부에는 다수의 강철판이 다층형태로 매립 구성되어진 고무패드로 구성되는 교량용 탄성받침에 있어서, 상기 탄성받침에는 교량 상판에서 전달되는 진동을 전기에너지로 변환시키기 위한 박판형태의 압전소자가 구성되어지되, 상기 압전소자는 고무패드 내에서 강철판간 사이에 구성시킨 것을 특징으로 한다.

이러한 본 발명은, 교량의 상판과 교각 사이에 설치하여 상기 교량의 상판 하중과 변형에 의해 발생하는 충격력을 감소 시키는 교량용 탄성 받침에 다수의 압전소자를 장착하여 교량의 상판의 하중과 상기 교량에 자동차의 주행으로 발생하는 진동 에너지를 압전효과에 의한 전기 에너지로 변환하여 에너지 변환부를 통해 축 전지에 충전할 수 있는 전류로 변환하여 축전지에 충전함으로써 상기 교량 유지 관리를 위한 센서, 가로등 등의 교량에 필요한 전원을 공급할 수 있는 효과가 있으며, 이로 인해 교량에서 낭비 되기만 했던 교량의 진동 에너지를 탄성 받침부에 형성된 압전 필름부를 통해 전기 에너지로 재활용할 수 있어 대체 에너지로서 활용할 수 있는 효과가 있다.

특히, 이러한 압전소자는 강철판 사이에 적층 구비됨으로서 교량받침의 수평변형 발생시 강철판에 의해 보호되어 기기손상발생이 방지되어질 수 있게 된다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시 예를 첨부 도면을 참조하여 상세히 살펴보기로 한다.

먼저, 본 실시 예에 따른 압전소자가 구비된 탄성교량받침의 전체적인 구조를 살펴보면, 교량의 상부구조물(상판) 저면에 고정 설치되는 어퍼플레이트(50)와, 교량의 하부구조물(교각) 상면에 고정 설치되는 베이스플레이트(10)와, 어퍼플레이트(50)와 베이스플레이트(10)의 서로 마주보는 면에 각각 고정되는 상부고정판(40) 및 하부고정판(20)과, 상,하부고정판(20,40) 사이에 결합되어진 고무패드(30)로 구성된다. 상,하부 고정판(20,40)은 체결볼트(22,42)에 의해 베이스플레이트(10)와 어퍼플레이트(50)에 각각 체결 고정되어진다.

그리고, 고무패드(30)의 내부에는 고무패드(30)의 팽창을 방해하여 수직하중에 대해 내하력을 증대시킴으로써 수직하중을 수용하도록 하기 위한 다수의 강철판(31)이 소정의 간격으로 배치된다.

이와 같은 고무패드(30)의 상면과 하면은 각각 상,하부 고정판(20,40)에 밀착된 상태로 각각 열융착되어지게 된다.

특히, 본 발명에서의 고무패드(30) 내부에는 교량의 상판 하중과 자동차의 주행으로 발생하는 진동 에너지를 전기 에너지로 변환하는 압전소자(1)가 장착되어지게 되는데, 상기 압전소자(1)는 박판형태를 이루어 2개의 강철판(31) 사이에 결합되는 적층형 구조를 이룸으로서, 강철판(31)에 의해 상하부가 보호되어질 수 있도록 배치하였다.

즉, 도 3에서와 같이 다수의 압전소자(1)가 강철판(31) 사이에 면접촉 되는 형태로 적층 구성되고, 각 압전소자(1)에서 발생된 전류가 충전될 수 있도록 축전지(2)와 연결되어지게 된다.

또한, 각각의 압전소자(1)는 상호 전기적으로 직렬 연결 구비되되, 고무패드(30)의 전단 변형이 발생하더라도 전기적인 끊어짐 현상이 방지되어질 수 있도록 압전소자(1) 상호간에는 나선형상의 코일형전선(3)으로 상호 연결하였으며, 강철판(31)에는 상기한 코일형전선(3)이 관통되어질 수 있도록 전선안내공(31a)을 도 4에서와 같이 형성하였다.

도면 중 미설명 부호 11, 51은 각각 교각 및 상판 콘크리트에 매립고정되어질 앵커소켓을 나타낸다.

이와 같은 구성을 이루는 본 발명 탄성교량받침의 시공 설치에 따른 작용효과를 살펴보기로 한다.

먼저, 교각과 교량 상판 사이에 본 발명의 탄성받침이 시공된 상태에서, 교 량의 상판 하중과 자동차의 주행으로 발생하는 진동력이 고무패드(30)로 전달되어짐에 따라 내부에 장착되어져 있는 압전소자(1)의 압전효과에 의해 전기에너지가 발생되어지게 된다.

즉, 각각의 압전소자(1)는 고무패드(30)의 유동성에 의하여 강철판(31)에 의한 가압력이 전달되어지게 되고, 이에 따라 상호 직렬 형태로 연결되어져 있는 각각의 압전소자(1)에 압력이 가해짐으로서 전력생산이 이루어지게 되는데, 압전소자(1)를 통해 전송받은 AC 전류 전압은 트랜스포머(미도시)에서 정류된 후 정류 회로부에서 DC 전압으로 변환되어지고, 변환된 전압은 축전지(2)에 충전되어지게 된다.

따라서, 축전지(2)에 충전된 전류를 이용하여 유무선으로 과적차량의 모니터링 장치로 활용하거나, 교량의 가로등 과 같은 시설물의 전력자원으로 활용되어질 수 있게 된다.

특히, 교량받침에 이러한 수직하중과 함께 수평변형이 발생하더라도, 본 발명의 압전소자(1)는 강철판(31)에 의해 보호되어질 수 있게 됨으로, 손상 발생이 방지되어질 수 있게 된다.

또한, 압전소자(1)에서 발생하는 전류의 세기에 따라 교량 상판의 상재하중 변화를 확인함으로서 차량의 중량을 간접적으로 계측하는데 활용되어짐이 바람직하다.

또한, 압전소자(1)에서 발생하는 전류의 변동 신호를 이용하여 교량 구조물의 건전성 평가에 필요한 정보를 제공할 수 있게 된다.

한편, 도 6은 본 발명의 다른 실시예로서 압전소자(1)와 강철판(31) 상호간의 면접촉에 따른 산화 발생 등의 악영향을 방지하기 위해 강철판(31)의 표면에 돌기부(32)를 형성시킨 것을 나타낸다.

즉, 도시된 바와 같이 강철판(31)의 압전소자(1) 대향측 표면에 다수의 돌기부(32)를 형성시키게 되면 상호간에 점접촉이 이루어진 상태를 이루게 됨으로 접촉면적을 최소화 할 수 있게 되어 강철판(31)의 산화발생에 따른 악영향을 최소화 할 수 있게 되며, 이와 함께 점형태로 가압력이 작용하게 됨으로 보다 안정적인 전력생산이 이루어질 수 있게되는 것이다.

또한, 도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 강철판(31) 코팅구조를 나타낸 것으로서, 압전소자(1) 대향면에는 절연을 위한 파라핀층(33)을 코팅 형성시킨 것이다.

즉, 코팅층을 형성시키기 위한 주 재료로 유동파라핀 50~85중량%에 두께의 균일화를 일정하게 유지시키기 위하여 아크릴계 재분산 분말수지 3~10중량%, 소석회 1~6중량%, MEHEC(Metyl Ethyl Hydroxypropyl Eethyl Celluose) 1~6중량%를 혼합한 조성물로 파라핀층(33)을 형성시킴이 바람직하다.

이때, 성분간 혼합 안정성을 위해 BAM(Buthyl Acrylate Monomer)이 0.5~2중량%로 추가 혼합되어질 수도 있게 된다.

이와 같이 강철판(31)의 표면에 파라핀층(33)을 형성시키게 되면 압전소자(1)와 상호간에 절연상태가 이루어지게 됨으로 압전소자(1) 내에서 발생된 전기에너지의 누설발생이 방지되어어 축전지(2) 측으로 보다 안정적인 전기에너지 공급 이 이루어질 수 있게 되는 것이다.

그리고, 상기에서 본 발명의 특정한 실시 예가 설명 및 도시되었지만 본 발명의 압전소자가 구비된 탄성교량받침 구조가 당업자에 의해 다양하게 변형되어 실시될 수 있음은 자명한 일이다.

그러나, 이와 같은 변형된 실시예들은 본 발명의 기술적 사상이나 범위로부터 개별적으로 이해되어져서는 안되며, 이와 같은 변형된 실시 예들은 본 발명의 첨부된 특허청구범위 내에 포함된다 해야 할 것이다.

도 1은 본 발명 탄성교량받침의 분해도.

도 2는 본 발명 탄성교량받침의 설치상태 단면도.

도 3은 본 발명의 압전소자가 구비된 고무패드 상세 단면도.

도 4는 도 3의 A부 확대도.

도 5는 본 발명에서의 고무패드 수평변형 발생시 상태도.

도 6은 본 발명의 다른 실시예에 따른 고무패드 상세 단면도.

도 7은 본 발명의 또 다른 실시예에 따른 고무패드 상세 단면도.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

1 : 압전소자 2 : 축전지

3 : 코일형전선 10 : 베이스플레이트

11 : 앵커소켓 20 : 하부고정판

22,42 : 체결볼트 30 : 고무패드

31 : 강철판 31a: 전선 안내공

32 : 돌기부 33 : 파라핀층

34 : 절개부 40 : 상부고정판

50 : 어퍼플레이트 51 : 앵커소켓

Claims

교량상판의 저면에 고정 설치되는 어퍼플레이트(50)와, 교각 상면에 고정 설치되는 베이스플레이트(10)와, 상기 어퍼플레이트(50)와 베이스플레이트(10)에 각각 체결볼트(22,42)에 의해 체결 고정되는 상부고정판(40) 및 하부고정판(20)과, 상기 상,하부 고정판(20,40)에 상하 양면이 각각 열융착 고정되어짐과 함께 내부에는 다수의 강철판(31)이 다층형태로 매립 구성되어진 고무패드(30)로 구성되는 교량용 탄성받침에 있어서,

상기 탄성받침에는 교량 상판에서 전달되는 진동을 전기에너지로 변환시키기 위한 다수의 압전소자(1)가 높이를 달리하며 일정 간격으로 구성되어지되, 상기 각각의 압전소자(1)는 2개의 강철판(31)과 한 조를 이루어 고무패드(30) 내에서 강철판(31) 사이에 적층형태로 구성되어진 것을 특징으로 하는 압전소자가 구비된 탄성교량받침.
청구항 1에 있어서,

상기 압전소자(1)는 박판형태를 이루어 강철판(31)과 직접 면접촉이 이루어 가압력의 직접 전달되도록 구성되되, 상기 강철판(31)의 압전소자(1) 대향면에는 다수의 돌기부(32)가 형성된 것을 특징으로 하는 압전소자가 구비된 탄성교량받침.
청구항 1에 있어서,

상기 각각의 압전소자(1)는 상호 전기적으로 직렬 연결 구비되되, 고무패드(30)의 전단 변형에 대응될 수 있는 코일형전선(3)으로 상호 연결되며, 강철판(31)에는 상기 코일형전선(3)이 안내되어질 수 있도록 전선안내공(31a)이 형성된 것을 특징으로 하는 압전소자가 구비된 탄성교량받침.
청구항 1 내지 청구항 3중 어느 한 항에 있어서,

상기 강철판(31)의 압전소자(1) 대향면에는 절연을 위한 파라핀층(33)이 코팅 형성된 것을 특징으로 하는 압전소자가 구비된 탄성교량받침.
청구항 4에 있어서,

상기 파라핀층(33)에는 두께의 균일화를 일정하게 유지시키기 위하여 아크릴계 재분산 분말수지, 소석회, MEHEC(Metyl Ethyl Hydroxypropyl Eethyl Celluose)가 포함된 것을 특징으로 하는 압전소자가 구비된 탄성교량받침.
청구항 5에 있어서,

상기 파라핀층(33)에는 BAM(Buthyl Acrylate Monomer)이 추가로 더 혼합되어진 것을 특징으로 하는 압전소자가 구비된 탄성교량받침.