이상적인 제진대

Figure2는 이상적인 1자유도 제진대 입니다. 위 그림은 내부 공진이 없는 단일 블록 질량 (M), 하중을 지지하며 힘을 가하는 스프링 (k), 완충 장치 댐퍼(b)로 구성되어 있습니다. 스프링(k)는 다음과 같은 힘을 하중에 가합니다. 댐퍼(b)는 하중에서 발생하는 모든 운동에너지를 열에너지로 변환하여 시스템이 정지하도록 합니다. 이는 지반의 상대속도에 비례하는 반대 방향의 힘을 하중에 가하여 이루어집니다.

위의 두 식에 나타난 Xe는 지반의 진동이 스프링(k)와 댐퍼(b)를 통해 힘으로써 하중에 전달되는 것을 보여줍니다. 일반적으로 M, k, b 라는 값으로 시스템을 설명하기 보다는 더 간단하게 질량스프링 시스템에 대해서 이해할 수 있도록 새로운 값의 집합을 사용합니다.

1. 고유 주파수 ω0 : 고유 주파수는 감쇠가 없을 경우의 자유진동 주파수 입니다.

2. 품질인자 Q(Quality Factor) : 저감쇠된 진동자나 공진기가 어떠한지를 나타내거나, 중심주파수에 따른 공진기의 대역폭을 결정하는 요소입니다.

3. 감쇠비 ζ (제타) : 댐퍼(b)가 물체의 진동을 감쇠하는 비율입니다.

4. 전달률 T : T는 지반에서 하중으로 전달되는 진동의 이상적인 전달률을 나타냅니다.

품질인자 Q와 전달률 T의 관계

1. ω<<ω0 의 경우 : 시스템의 전달률은 1에 근사하고 하중이 지반의 움직임을 따라가며 제진대의 효과가 없습니다.
2. ω와 ω0이 근사값일 경우 : 전달률은 1보다 커지며 제진대는 지반진동을 Q만큼 증폭 시킵니다.
3. ω이 ω0 보다 커지는 경우 : 전달률은(ω/ω0)제곱에 비례합니다. 이때부터 제진대가 성능을 발휘한다는 것입니다.
4. ω>>ω0 의 경우 : 최소한의 감쇠로 최대한의 제진 성능을 제공합니다. *반대로 감쇠가 커지면 제진 성능은 저하됩니다.

공압식 제진대

그림 5는 단순하게 표현한 공압식 제진대입니다. 공압식 제진대는 중력에 대한 하중을 지지하는 피스톤 면적(A)에 작용하는 체적의 압력(V)에 의해 작동합니다.

강화된 롤링 고무 다이어프램은 에어 탱크와 피스톤 사이를 밀폐시켜 주고, 제진대 내부의 압력은 하중의 높이를 감지하여 하중이 “부양”할 때까지 제진대를 팽창시키는 높이 조절 밸브에 의해 조절됩니다. 공압식 제진대에는 많은 이점이 있습니다. 제진대 위에 있는 하중의 공진 주파수가 있습니다. 강철 코일 스프링과는 달리, 이 공진 주파수는 하중의 질량으로부터 거의 독립적이고, 높이 조절 밸브가 항상 하중의 위치를 일정하게 유지시켜 줍니다. 또한 기체 스프링은 매우 가볍기 때문에, 제진대의 성능을 저하시킬 수 있는 모든 내부적 스프링 공진을 배제합니다. 제진대의 지지 하중은 피스톤의 면적과 다이어프램이 견딜 수 있는 최대 압력이 있는데 만약에 그림 5의 단순한 제진대가 제대로 동작을 하더라도 수평 방향의 제진이나 감쇠는 매우 적을 것입니다.