KR100516332B1 - 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조 - Google Patents

댐퍼 접합부를 구비한 철골구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 각형강관 기둥 또는 H형강 기둥과 보의 사이에 소성변형 능력이 향상된 댐퍼 접합부를 접합 설치하여, 내진성능이 우수한 철골구조에 관한 것으로서, 건축구조물에서 연결 플레이트(215)가 횡방향으로 돌출되게 부착 고정되는 기둥(210)과, 그 일끝단에 결합 플레이트(222)가 부착 고정되는 보(220) 사이에 댐퍼 접합부(230)가 설치된다. 이런 댐퍼 접합부(230)는 그 내부 중심에 위치하는 댐퍼 몸체(233)와; 댐퍼 몸체(233)의 일단에 부착 고정되는 제 1엔드 플레이트(231)와; 댐퍼 몸체(233)의 타단에 부착 고정되며, 결합 플레이트(222)에 결합되는 제 2엔드 플레이트(232)와; 댐퍼 몸체(233)의 양 측부에서 그 길이방향을 따라 각각 부착 고정되며, 횡하중 에너지를 흡수하도록 소성변형하는 한 쌍의 슬릿 플레이트(236a, 236b) 및; 슬릿 플레이트(236a, 236b)의 일측부에 각각 부착 고정되며, 연결 플레이트(215)에 체결되는 하중전달 플레이트(235a, 235b)를 포함한다.
따라서, 본 발명의 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조는 지진과 같은 횡하중에 의한 에너지를 댐퍼 접합부의 슬릿 플레이트가 소성변형하면서 흡수하는 장점이 있다. 그리고, 본 발명은 댐퍼 접합부가 볼트와 너트의 결합에 의해 기둥과 보에 용이하게 설치될 수 있으며, 소성변형된 댐퍼 접합부를 용이하게 교체할 수 있는 장점이 있다.

Description

댐퍼 접합부를 구비한 철골구조{Steel structure equipped with connection damper}
본 발명은 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조에 관한 것이며, 특히, 각형강관 기둥 또는 H형강 기둥과 보의 사이에 소성변형 능력이 향상된 댐퍼 접합부를 접합 설치하여, 내진성능이 우수한 철골구조에 관한 것이다.
도 1은 종래기술의 한 실시예에 따른 기둥에 보가 연결된 상태를 나타낸 사시도이다.
도 1에 도시된 바와 같이, 일반적으로 건축용 철골구조에는 폐쇄단면을 갖는 각형강관이 기둥(110)으로 사용되고, 이런 기둥(110)에 H형강 보(120)가 용접접합 또는 볼트조립된다. 그리고, 기둥(110)과 보(120)의 접합부에는 보(120)에 작용하는 응력을 기둥(110)에 원활하게 전달하기 위해 다이어프램(112)이 설치되고, 다이어프램(112)은 상기 기둥(110)과 보(120)를 견고하게 접합시킨다.
그리고, 보(120)의 웨브(121)에는 스캘럽(123)이 절취 형성되는데, 이는 다이어프램(112)과 플랜지(122)를 용접하는 과정에서 웨브(121)가 용접선에 겹쳐져서 발생되는 결함을 방지하기 위해 형성된다.
하지만, 상기 철골구조는 보(120)가 접합되는 기둥(110)의 위치마다 다이어프램(112)을 설치하기 위해 기둥(110)을 절단하고, 다이어프램(112)과 보(120)를 용접해야 하기 때문에, 설치하는데 불편함과 경제적으로 비효율적인 문제점이 있다.
또한, 상기 철골구조는 지진(地震) 또는 바람(風)에 의해 횡(橫)하중이 작용하는 경우에 기둥(110) 또는 보(120)와 같은 구조부재에 항복현상이 발생되는 문제점이 있으며, 이런 구조부재에 소성변형이 발생되는 경우에는 철골구조가 구조적으로 불안정해지는 단점이 있다.
상기와 같은 문제점을 극복하기 위해 본 출원인은 도 2에 도시된 바와 같이 댐퍼 접합부를 기둥(110)과 보(120) 사이에 설치하여, 지진 등과 같은 횡하중을 고려한 철골구조를 개발하였다. 이런 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조는 대한민국 특허등록 제 360377호에 기술되어 있다.
도 2는 종래기술의 다른 실시예에 따른 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조의 사시도이고, 도 3은 도 2에 도시된 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조를 상부에서 나타낸 평면도이다.
도 2 및 도 3에 도시된 바와 같이, 종래기술에 따른 철골구조는 H형강 보(120)과 각형강관 기둥(110)의 접합부위에 댐퍼 접합부(130)가 부착 연결되며, 보(120)의 웨브가 기둥(110)에 용접된다. 댐퍼 접합부(130)는 내측에 다수개의 슬릿이 형성된 플레이트로서, 그 일끝단이 각형강관 기둥(110)의 모서리부위에 용접되고, 그 측단부가 H형강 보(120)의 플랜지에 수평되게 용접된다.
이와 같은 철골구조는 구조부재에 비해 댐퍼 접합부(130)인 슬릿 플레이트가 상대적으로 큰 소성변형능력을 가지기 때문에, 슬릿 플레이트의 변형에 의해서 지진과 같은 횡하중의 입력에너지를 댐퍼 접합부(130)가 흡수하게 된다.
하지만, 상기 댐퍼 접합부(130)를 구비한 철골구조는 댐퍼 접합부(130)인 슬릿 플레이트가 변형하면서 보(120)가 횡방향으로 변위하게 된다. 그러므로, 상기 철골구조는 지진과 같은 횡하중 발생시 보(120)가 횡방향으로 변위하면서 기둥(110)에 미세한 변형을 발생시킬 수 있음으로, 연직하중을 받는 기둥(110)에 결함으로 작용할 수 있는 문제점이 있다.
또한, 상기 댐퍼 접합부(130)를 구비한 철골구조는 댐퍼 접합부(130)가 소성변형하면서 기둥(110)이 같이 변형해야 하나, H형강을 기둥(110)으로 사용한 경우에 댐퍼 접합부(130)가 부착되는 기둥 플랜지의 변형을 기둥 웨브가 방지한다. 그리고, 상기 철골구조는 연직하중에 의해 슬래브 및 보(120)에 작용하는 전단력을 기둥(110)에 전달하기 위해 보(120)의 웨브가 기둥(110)에 용접 고정되어야 한다. 그러므로, 상기 철골구조에는 기둥(110)에 H형강을 사용하지 못하고, 각형강관만이 사용되어야 하는 부재 사용상의 제약이 있는 문제점이 있다.
또한, 상기 댐퍼 접합부(130)를 구비한 철골구조는 횡하중의 작용으로 댐퍼 접합부(130)가 변형된 후에 댐퍼 접합부(130)를 교체할 수 있다. 하지만, 상기 댐퍼 접합부(130)의 교체작업은 기둥(110)에 댐퍼 접합부(130)가 용접되어 있음으로, 용접부위를 절단한 후에 다시 용접해야 하는 불편함이 있다.
본 발명은 앞서 설명한 바와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 제공된 것으로서, 기둥에 하중전달 플레이트를 고정하고, 상기 기둥으로부터 일정간격 이격되게 댐퍼 접합부를 상기 하중전달 플레이트에 결합시켜, 횡방향의 하중시 상기 댐퍼 접합부 내의 슬릿플레이트가 소성변형됨으로써, 내진성능이 우수한 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 댐퍼 접합부의 교체가 용이하며, 각형강관 뿐만 아니라 H형강 기둥에도 설치될 수 있는 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조를 제공하는 데 다른 목적이 있다.
앞서 설명한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 철골구조는 건축구조물에서 기둥과 보 사이에 댐퍼 접합부가 설치되어, 상기 댐퍼 접합부가 상기 보에 가해지는 횡하중 에너지를 흡수한다. 그리고, 상기 기둥에는 연결 플레이트가 횡방향으로 돌출되게 부착 고정되며, 상기 보의 일끝단에는 결합 플레이트가 부착 고정된다. 상기 댐퍼 접합부는 그 내부 중심에 위치하는 댐퍼 몸체와; 상기 댐퍼 몸체의 일단에 부착 고정되며, 상기 기둥으로부터 일정간격 이격되게 위치하는 제 1엔드 플레이트와; 상기 댐퍼 몸체의 타단에 부착 고정되며, 상기 결합 플레이트에 결합되는 제 2엔드 플레이트와; 상기 댐퍼 몸체의 양 측부에서 그 길이방향을 따라 각각 부착 고정되며, 상기 횡하중 에너지를 흡수하도록 소성변형하는 한 쌍의 슬릿 플레이트 및; 상기 슬릿 플레이트의 일측부에 각각 부착 고정되며, 상기 연결 플레이트에 체결됨으로써, 상기 기둥에 연결되는 하중전달 플레이트를 포함한다.
아래에서, 본 발명에 따른 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조의 양호한 실시예를 첨부한 도면을 참조로 하여 상세히 설명하겠다.
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조의 사시도이고, 도 5는 도 4에 도시된 철골구조의 각 구성요소를 나타낸 분해 사시도이다.
도 4 및 도 5에 도시된 바와 같이, 본 발명의 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조는 기둥(210)에 보(220)가 연결 설치되며, 기둥(210)과 보(220) 사이에 댐퍼 접합부(230)가 설치된다. 그러면, 본 발명의 철골구조는 지진과 같은 횡하중의 작용시 댐퍼 접합부(230) 내의 슬릿 플레이트가 소성변형하면서 지진에 의한 충격에너지를 흡수한다.
본 발명에 따른 철골구조는 기둥(210)의 부재로 각형강관 또는 H형강이 사용될 수 있다. 이런 기둥(210)에는 댐퍼 접합부(230)와의 결합을 위해 횡방향으로 돌출되게 연결 플레이트(215)가 용접 고정된다. 이 때, 기둥(210)이 각형강관인 경우에는 연결 플레이트(215)가 하나 이상씩 양 측부에 각각 고정되며, 기둥(210)이 H형강인 경우에는 연결 플레이트(215)가 하나 이상씩 양 플랜지에 각각 고정된다. 그리고, 연결 플레이트(215)에는 댐퍼 접합부(230)와의 분리 결합이 용이하도록 체결용 볼트가 삽입되는 제 1체결홀이 형성된다.
그리고, 본 발명의 철골구조는 보(220)의 부재로 H형강이 사용된다. 보(220)는 기둥(210)에 연결되는 방향의 끝단에 결합 플레이트(222)가 용접 고정되며, 이런 결합 플레이트(222)에는 체결용 볼트가 삽입되는 제 2체결홀이 형성됨으로써 댐퍼 접합부(230)에 결합된다.
도 6은 도 5에 도시된 댐퍼 접합부의 분해 사시도이고, 도 7은 도 6에 도시된 댐퍼 접합부의 다른 형태의 분해 사시도이다.
도 4 내지 도 7에 도시된 바와 같이, 본 발명의 댐퍼 접합부(230)는 보(220)로부터 전달되는 횡하중을 소성변형하여 그 에너지를 흡수함으로써, 기둥(210)과 보(220)에 변형이 발생되지 않도록 구성된다.
이런 댐퍼 접합부(230)는 그 중심에 H형강과 같은 단면형상을 갖는 댐퍼 몸체(233)가 위치한다. 그리고, 댐퍼 몸체(233)의 일끝단에는 제 1엔드 플레이트(231)가 부착 용접되며, 제 1엔드 플레이트(231)는 기둥(210)과 댐퍼 접합부(230)가 연결된 상태에서 기둥(230)으로부터 일정간격 이격되게 위치한다. 즉, 기둥(210)이 각형강관인 경우에는 그 일면으로부터 제 1엔드 플레이트(231)가 이격되게 위치하며, 기둥(230)이 H형강인 경우에는 H형강의 플랜지로부터 일정간격 이격되게 위치한다. 그러면, 댐퍼 접합부(230)는 기둥(210)과 보(220) 사이에 설치된 상태에서 횡하중 작용으로 소형변형하는 변위과정에서 제 1엔드 플레이트(231)가 기둥(210)의 일면 또는 플랜지에 간섭 또는 구속되지 않는다.
그리고, 댐퍼 몸체(233)의 댐퍼 플랜지(233b)에는 상하부 및 양 측부에 슬릿 플레이트(236a, 236b)가 각각 부착된다. 즉, 슬릿 플레이트(236a, 236b)는 그 내측부에 길이방향을 따라 일정한 크기의 슬릿이 형성된 것으로서, 그 일측부가 댐퍼 몸체(233)의 길이방향을 따라 용접된다. 그리고, 슬릿 플레이트(236a, 236b)의 타측부는 각각 하중전달 플레이트(235a, 235b)의 일면에 용접 결합된다.
하중전달 플레이트(235a, 235b)는 기둥(210)에 고정된 연결 플레이트(215)에 결합되며, 보(220)와 댐퍼 접합부(230)를 지지하면서 횡하중을 댐퍼 접합부(230)에 전달하는 역할을 한다. 그리고, 하중전달 플레이트(235a, 235b)는 연결 플레이트(215)와의 상호 결합을 위해 볼트가 삽입될 체결홀이 형성된다.
그리고, 댐퍼 몸체(233)의 타측 끝단에는 보(220)와의 결합을 위해 제 2엔드 플레이트(232)가 부착된다. 즉, 제 2엔드 플레이트(232)는 그 일면이 댐퍼 몸체(233)의 댐퍼 웨브(233a) 및 댐퍼 플랜지(233b)에 각각 용접되고, 보(220)의 결합 플레이트(222)에 볼트와 너트의 체결에 의해 결합됨으로써, 댐퍼 접합부(230)와 보(220)는 상호 연결된다.
이와 같은 본 발명의 철골구조는 건축구조물의 적재하중 및 고정하중 등에 의한 연직하중을 기둥(210)이 지지하고, 횡하중을 보(220)가 지탱한다. 그리고, 댐퍼 접합부(230)는 제 2엔드 플레이트(232)로부터 전달되는 보(220)의 횡하중에 의한 에너지를 전달받는다. 그러면, 댐퍼 접합부(230)는 댐퍼 몸체(233)와 제 1엔드 플레이트(231)가 횡방향으로 변위된다. 이 때, 댐퍼 접합부(230)의 하중전달 플레이트(235a, 235b)는 기둥(210)의 연결 플레이트(215)에 결합 고정된 상태임으로, 댐퍼 접합부(230)의 슬릿 플레이트(236a, 236b)는 슬릿이 결손되는 소성변형에 의해 지진과 같은 횡하중 에너지를 흡수하게 된다.
그리고, 댐퍼 접합부(230)의 슬릿 플레이트(236a, 236b)는 구조부재의 변형을 방지하기 위해 구조부재가 항복내력에 도달하기 전에 소성변형되는 것이 바람직하다. 또한, 댐퍼 접합부(230)는 중규모 이하의 지진과 같은 경우에 슬릿 플레이트(236a, 236b)가 소성변형하지 않고, 대규모 지진에서 소성변형하여 지진에 의한 에너지를 효율적으로 흡수할 수 있도록, 슬릿 플레이트(236a, 236b)의 탄성한도를 고려하여 사용한다. 그리고, 댐퍼 접합부(230)의 슬릿 플레이트(236a, 236b)는 두께와 폭을 조절함으로써, 그 내진성능과 탄성한도 등을 조절한다. 이 때, 댐퍼 접합부(230)는 내진성능 향상을 위해 슬릿 플레이트(236a, 236b)의 폭이 조절된 경우에 댐퍼 플랜지(233b)의 폭이 상대적으로 대응되게 조절된다.
그리고, 상기 철골구조는 댐퍼 접합부(230)가 횡하중 뿐만 아니라 보(220)에 작용하는 휨모멘트에 대해서도 저항하면서 지탱하게 된다. 즉, 댐퍼 접합부(230)는 슬릿 플레이트(236a, 236b)가 소성변형된 후에도 휨모멘트에 의한 전단력으로 구조부재가 손상 변형되지 않도록, 제 1엔드 플레이트(231)와 댐퍼 몸체(233)가 용접 고정된 것이다.
아래에서는 상기와 같이 구성된 댐퍼 접착부를 구비한 철골구조의 성능검증에 대하여 도 8에 도시된 바와 같이 실험 도시하였다.
도 8은 도 4에 도시된 철골구조에 가해지는 하중과 보의 단부에서의 변위의 관계를 나타낸 도면이다.
먼저, 댐퍼 접합부에 반복적인 하중을 가하고, 그에 따른 댐퍼 접합부의 변위값을 측정하였다. 도 8에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 철골구조의 댐퍼 접합부는 높은 소성변형능력을 가지고 있으면서도 항복점 이후에도 내력의 저하는 나타나지 않았으며, 슬릿 플레이트의 소성변형에 의해 안정된 이력특성을 나타내었다.
앞서 상세히 설명한 바와 같이, 본 발명의 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조는 지진과 같은 횡하중에 의한 에너지를 댐퍼 접합부의 슬릿 플레이트가 소성변형하면서 흡수하는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 댐퍼 접합부의 이력특성에 의해 내진성능이 향상됨으로써, 기둥과 보 등의 구조부재가 손상 또는 변형되지 않는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 댐퍼 접합부의 슬릿 플레이트의 형상을 변형하여 소성변형능력과 내진성능을 조절할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 댐퍼 접합부가 볼트와 너트의 결합에 의해 기둥과 보에 용이하게 설치될 수 있으며, 소성변형된 댐퍼 접합부를 용이하게 교체할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명은 댐퍼 접합부가 기둥에 고정된 연결 플레이트에 연결 지지됨으로써, 상기 댐퍼 접합부를 각형강관 또는 H형강의 기둥에도 설치 사용할 수 있는 장점이 있다.
이상에서 본 발명의 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조에 대한 기술사상을 첨부도면과 함께 서술하였지만, 이는 본 발명의 가장 양호한 실시예를 예시적으로 설명한 것이지 본 발명을 한정하는 것은 아니다. 또한, 이 기술분야의 통상의 지식을 가진 자이면 누구나 본 발명의 기술사상의 범주를 이탈하지 않는 범위 내에서 다양한 변형 및 모방이 가능함은 명백한 사실이다.
도 1은 종래기술의 한 실시예에 따른 기둥에 보가 연결된 상태를 나타낸 사시도이고,
도 2는 종래기술의 다른 실시예에 따른 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조의 사시도이고,
도 3은 도 2에 도시된 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조를 상부에서 나타낸 평면도이고,
도 4는 본 발명의 한 실시예에 따른 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조의 사시도이고,
도 5는 도 4에 도시된 철골구조의 각 구성요소를 나타낸 분해 사시도이고,
도 6은 도 5에 도시된 댐퍼 접합부의 분해 사시도이고,
도 7은 도 6에 도시된 댐퍼 접합부의 다른 형태의 분해 사시도이고,
도 8은 도 4에 도시된 철골구조에 가해지는 하중과 보의 단부에서의 변위의 관계를 나타낸 도면이다.
♠ 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명 ♠
110, 210 : 기둥 120, 220 : 보
130, 230 : 댐퍼 접합부 232 : 연결 플레이트
235a, 235b : 하중전달 플레이트 236a, 236b : 슬릿 플레이트

Claims (3)

  1. 건축구조물에서 기둥과 보 사이에 댐퍼 접합부가 설치되어, 상기 댐퍼 접합부가 상기 보에 가해지는 횡하중 에너지를 흡수하는 철골구조에 있어서,
    상기 기둥에는 연결 플레이트가 횡방향으로 돌출되게 부착 고정되며, 상기 보의 일끝단에는 결합 플레이트가 부착 고정되고;
    상기 댐퍼 접합부는 그 내부 중심에 위치하는 댐퍼 몸체와; 상기 댐퍼 몸체의 일단에 부착 고정되며, 상기 기둥으로부터 일정간격 이격되게 위치하는 제 1엔드 플레이트와; 상기 댐퍼 몸체의 타단에 부착 고정되며, 상기 결합 플레이트에 결합되는 제 2엔드 플레이트와; 상기 댐퍼 몸체의 양 측부에서 그 길이방향을 따라 각각 부착 고정되며, 상기 횡하중 에너지를 흡수하도록 소성변형하는 한 쌍의 슬릿 플레이트 및; 상기 슬릿 플레이트의 일측부에 각각 부착 고정되며, 상기 연결 플레이트에 체결됨으로써, 상기 기둥에 연결되는 하중전달 플레이트를 포함하는 것을 특징으로 하는 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 연결 플레이트 및 상기 하중전달 플레이트에는 볼트가 삽입되도록 체결홀이 각각 형성되어, 상기 볼트와 너트에 의해 상호 체결되는 것을 특징으로 하는 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조.
  3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 결합 플레이트 및 상기 제 2엔드 플레이트에는 다른 볼트가 삽입되도록 다른 체결홀이 형성되어, 상기 다른 볼트와 너트에 의해 상호 체결되는 것을 특징으로 하는 댐퍼 접합부를 구비한 철골구조.
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