KR101028239B1 - 점탄성과 이력특성을 이용한 복합제진장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 바람이나 지진으로 인한 진동 에너지를 소산할 수 있도록 제작된 제진장치에 관한 것으로, 특히 바람과 설계지진(Design-Based Earthquakes) 보다 작은 규모의 지진에 모두 대응할 수 있는 고감쇠 고무와 설계지진을 포함하여 이보다 큰 최대레벨지진(Maximum Considerable Earthquakes)에서만 작동하도록 고안된 강재이력댐퍼를 결합하여 하나로 조합시킨 고감쇠 고무의 점탄성 변형과 강재의 탄소성 이력특성을 이용한 복합제진장치에 관한 것이다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 일정 간격을 두고 서로 평행하며 어느 한쪽의 적어도 하나에 복수 개의 핀 멈춤공이 천공되고 다른 한쪽의 적어도 하나에 복수 개의 핀 멈춤공과 일직선상에 대응되며 직경이 상대적으로 작게 형성된 핀 체결공을 갖는 복수 개의 측면판과, 복수 개의 측면판의 일단부에 수직으로 연결되어 있는 단부 강판을 각기 구비하고, 양쪽 단부 강판이 서로 마주한 상태에서 양쪽 복수 개의 측면판이 서로 겹쳐져 있도록 설치되는 한 쌍의 댐퍼 몸체; 복수 개의 측면판들 사이에 설치되어 점탄성 변형하는 복수의 고감쇠 고무; 및 한 쌍의 댐퍼 몸체측 복수 개의 핀 멈춤공 및 핀 체결공에 각각 삽입되고 다른 부분에 비해 직경이 작은 소성 힌지부를 갖는 강재 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 점탄성과 이력특성을 이용한 복합제진장치가 제공된다.

Description

점탄성과 이력특성을 이용한 복합제진장치{Hybrid vibration control apparatus using viscoelasticity and hysteresis}
본 발명은 바람이나 지진으로 인한 진동 에너지를 소산할 수 있도록 제작된 제진장치에 관한 것으로, 특히 바람과 설계지진(Design-Based Earthquakes) 보다 작은 규모의 지진에 모두 대응할 수 있는 고감쇠 고무와 설계지진을 포함하여 이보다 큰 최대레벨지진(Maximum Considerable Earthquakes)에서만 작동하도록 고안된 강재이력댐퍼를 결합하여 하나로 조합시킨 고감쇠 고무의 점탄성 변형과 강재의 탄소성 이력특성을 이용한 복합제진장치에 관한 것이다.
제진(制振, Vibration Control)이란 건물의 경우 바람이나 지진 등에 발생하는 진동을 제어하는 것을 말하고, 진동 제어를 위해 특별한 장치나 기구 즉, 제진장치를 설치한 구조를 제진구조라 한다. 제진의 목적은 바람이나 지진 등에 의해 구조물에 입력되는 진동에너지를 제진장치를 설치하여 소산시킴으로써 구조물의 안전성과 거주성을 향상시키는 데 있다.
제진의 방법으로는 외부에서 오는 진동과 이에 따른 구조물의 진동을 감지하는 기능을 구조물 자체에서 갖추고 구조물의 내부나 외부에서 구조물의 진동에 대응한 제어력을 가하여 구조물의 진동을 저감시키는 능동제어와 건물에 부가적인 에너지 소산 장치를 설치하여 구조물의 감쇠 성능을 향상함으로써 건물의 동적인 응답을 제어하는 수동제어가 있다.
수동형 제진장치는 크게 질량 동조형과 에너지 소산형으로 나눌 수 있다. 전자는 주로 건물의 최상부에 설치되어 주로 바람에 대한 거주성을 높이는 목적으로 설치되며, 후자는 주로 각 층에 설치되어 지진에 대한 안전성 및 바람에 대한 거주성을 높이기 위하여 사용된다.
에너지 소산형 제진장치는 다시 변위 의존형과 속도 의존형으로 나눌 수 있는데, 변위 의존형 장치는 재료 사이의 마찰력이나 금속의 소성변형에 의한 에너지 소산 특성을 이용한 것이고, 속도 의존형은 점성, 점탄성 물질이 변형할 때 열이 발생하며 진동에너지를 소산하는 특성을 이용하는 것으로 소산되는 에너지는 속도에 비례하여 커지는 특성이 있다.
근래 건축물의 높이가 길이에 비해 높은 고층 건축물이 많이 건설되고 있지만 이와 같은 고층 건축물은 진동에 의하여 큰 영향을 받으므로 바람이나 지진 등 다양한 진동에 대응하는 제진장치가 필요하다. 지금까지는 진동원의 종류에 따라 제진장치를 별로 설치하는 것이 일반적이었지만 그에 따른 비용의 증가나 건축 계획상의 제약이 크다는 단점이 문제로 지적되고 있다.
특히 우리나라는 내진설계기준이 적용되기 이전에 시공된 건축물이 많이 남아 있고 오래된 건축물의 리모델링이 활성화되고 있는데 저렴한 비용으로 충분한 내진보강효과를 거둘 수 있는 수동형 제진장치의 개발이 요구되고 있다.
본 발명은 이러한 사정을 감안하여 창작된 것으로 아래와 같은 목적을 가진다.
본 발명은 진동원의 종류에 따라 별도의 제진장치를 설치할 필요 없고, 내진설계가 적용되지 않은 건축물의 내진보강 및 기존 건축물의 리모델링시 저렴한 비용으로 충분한 내진보강 효과를 거둘 수 있는 복합제진장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 일정 간격을 두고 서로 평행하며 어느 한쪽의 적어도 하나에 복수 개의 핀 멈춤공이 천공되고 다른 한쪽의 적어도 하나에 복수 개의 핀 멈춤공과 일직선상에 대응되며 직경이 상대적으로 작게 형성된 핀 체결공을 갖는 복수 개의 측면판과, 복수 개의 측면판의 일단부에 수직으로 연결되어 있는 단부 강판을 각기 구비하고, 양쪽 단부 강판이 서로 마주한 상태에서 양쪽 복수 개의 측면판이 서로 겹쳐져 있도록 설치되는 한 쌍의 댐퍼 몸체; 복수 개의 측면판들 사이에 설치되어 점탄성 변형하는 복수의 고감쇠 고무; 및 한 쌍의 댐퍼 몸체측 복수 개의 핀 멈춤공 및 핀 체결공에 각각 삽입되고 다른 부분에 비해 직경이 작은 소성 힌지부를 갖는 강재 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 점탄성과 이력특성을 이용한 복합제진장치가 제공된다.
본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 강재 핀은 외측 측면판의 상,하부에 동일한 개수로 분산 배치된다.
본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따르면, 강재 핀은 일단부에 나사가 형성되어 핀 체결공에 나사 결합되고, 너트에 의해 해당 측면판에 고정된다.
본 발명에 따른 고감쇠 고무와 강재이력댐퍼를 이용한 복합제진장치는, 풍하중과 설계지진 보다 작은 규모의 지진시 작동하는 고감쇠 고무와 설계지진을 포함하여 이보다 큰 최대레벨지진시 작동되는 강재이력댐퍼가 조합된 구성으로, 바람과 중·약진 및 대지진 시에 모두 적절히 대응할 수 있다.
즉, 풍하중과 작은 규모의 지진에 대해서는 고감쇠 고무의 점탄성 변형으로 인한 에너지 소산 능력이 주 구조물의 진동 에너지를 감소시키고 잔류변형을 최소화시키며, 설계지진을 포함하여 이보다 큰 최대레벨지진에 대해서는 강재이력댐퍼의 탄소성 변형으로 구조물의 진동을 제어하여 주 구조물의 피해를 최소화시킨다.
따라서 진동원의 종류에 따라 별도의 제진장치를 설치할 필요 없이 1개의 제진장치로 대응할 수 있으므로 비용 절감이 가능하고 건축 계획상의 자유도가 향상된다.
또한, 내진설계기준이 적용되기 이전에 시공된 건축물 및 오래된 건축물의 리모델링시 저렴한 비용으로 충분한 내진보강 효과를 거둘 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합제진장치를 나타낸 분해사시도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합제진장치를 나타낸 사시도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합제진장치를 나타낸 평면도이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합제진장치를 나타낸 정면도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합제진장치의 사용상태도이다.
도 6은 인방보의 전단거동에 따른 변형형태를 나타낸 그림이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시 예를 상세히 설명하기로 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 복합제진장치를 나타낸 분해사시도이고, 도 2는 사시도, 도 3은 평면도 그리고 도 4는 정면도이다.
도 1 내지 도 4에서와 같이 본 실시예의 복합제진장치는 한 쌍의 댐퍼 몸체(10a,10b)와, 댐퍼 몸체(10a,10b)에 각기 설치된 복수의 고감쇠 고무(20) 및 복수의 강재 핀(30)으로 구성된다.
한 쌍의 댐퍼 몸체(10a,10b)는 각기 일정 간격을 두고 서로 평행한 복수 개의 측면판(102a,104a)(102b,104b)과, 복수 개의 측면판(102a,104a)(102b,104b)의 일단부에 수직으로 연결되어 있는 단부 강판(106a,106b)을 각기 구비하고 있다. 한 쌍의 댐퍼 몸체(10a,10b)는 양쪽 단부 강판(106a,106b)이 서로 마주한 상태에서 양쪽 복수 개의 측면판(102a,104a)(102b,104b)이 서로 겹쳐지도록 어긋난 위치에서 끼워져 설치된다. 이때 내측에 위치하는 내측 측면판(104a,104b)의 종방향 길이는 외측에 위치하는 외측 측면판(102a,102b)의 종방향 길이보다 후술할 강재 핀(30)의 설치를 위해 짧게 구성된다.
일측 댐퍼 몸체(10a)의 외측에 위치한 측면판(102a)에는 상,하부에 각기 복수 개의 핀 멈춤공(112a)이 천공되어 있고, 타측 댐퍼 몸체(10b)의 외측에 위치한 측면판(102b)에는 상,하부에 핀 멈춤공(112a)보다 직경이 상대적으로 작게 형성된 복수 개의 핀 체결공(112b)이 천공되어 있다. 상,하부에 배치된 복수 개의 핀 멈춤공(112a)과 복수 개의 핀 체결공(112b)은 서로 동일 개수로서 각기 일대일 대응하여 일직선상에 배치되어 있다. 본 실시예에서 상,하부에 배치된 복수 개의 핀 멈춤공(112a)과 복수 개의 핀 체결공(112b)은 횡방향으로 일정 간격으로 두고 나란하게 일렬로 배열되어 있으나 2열 이상으로 구성될 수 있음은 물론이다.
이와 같이 구성된 한 쌍의 댐퍼 몸체(10a,10b)는 양쪽 단부 강판(106a,106b)이 서로 마주한 상태에서 양쪽 복수 개의 측면판(102a,104a)(102b,104b)이 서로 겹쳐져 있도록 끼워져 설치되고, 일측 측면판(102a,104a)의 말단면은 타측 단부 강판(106b)과 소정 간격을 갖고, 타측 측면판(102b,104b)의 말단면은 타측 단부 강판(106a)과 소정 간격을 갖는다.
복수의 고감쇠 고무(20)는 한 쌍의 댐퍼 몸체(10a,10b)의 측면판(102a,104b,104a,102b)들의 대향면 사이에 형성되는 틈새 공간들에 각기 개재된다. 고감쇠 고무(20)는 판형으로서 그 높이는 내측 측면판(104a,104b)의 높이와 동일하고 그 길이는 내측 측면판(104a,104b)의 길이보다 짧게 구성되어 있다. 따라서 한 쌍의 댐퍼 몸체(10a,10b)가 풍하중이나 작은 규모의 지진의 작용을 받을 경우 고감쇠 고무(20)는 복수 개의 측면판(102a,104b,104a,102b)들 사이에서 점탄성 저항 및 변형을 하면서 에너지를 흡수한다. 고감쇠 고무(20)는 이 분야에서 공지된 임의의 고감쇠 고무가 사용될 수 있으며, 일반적으로 천연고무 또는/및 카본블랙에 충전제, 가황제, 노화방지제 및 가소제 등과 같은 첨가제를 첨가한 후 일정한 온도와 압력을 가하는 가황과정을 거쳐 제작된다. 고감쇠 고무의 탄성은 첨가제의 비율에 따라 조절될 수 있고 탄성에 의해 에너지 소산 능력이 좌우된다. 고감쇠 고무(20)는 설치 위치에서의 고정력을 확보하기 위해 접착제가 사용되거나 측면판(102a,104b,104a,102b)과의 접촉면에 추가적으로 요철이나 돌기 형상이 더 구성되어 고정력을 확보할 수 있다.
강재 핀(30)은 강재이력댐퍼의 기능을 하는 것으로 중간에 단면이 축소된 하나 이상의 소성 힌지부(30a)를 갖도록 제작된다. 소성 힌지부(30a)의 단면은 원형으로 이루어진다. 이때 소성 힌지부(30a)는 양쪽 테이퍼(30b)와 연장될 수 있다. 강재 핀(30)은 일단이 일측 측면판(102a)의 핀 멈춤공(112a)에 헐겁게 삽입되고 타단이 타측 측면판(102b)의 핀 체결공(112b)에 체결되어 있다. 따라서 강재 핀(30)은 핀 멈춤공(112a)과 유격이 생기고, 이 유격의 범위 내에서 고감쇠 고무(20)는 점탄성 변형하여 진동 에너지를 흡수한다. 강재 핀(30)은 일 예로 일단부에 나사가 형성되어 핀 체결공(112b)에 나사결합 된 후 너트(32)에 의해 해당 측면판(102a)에 고정될 수 있다. 또한 강재 핀(30)은 너트(32)를 사용하지 않고 바로 해당 측면판(102a)에 용접으로 고정될 수도 있다.
본 발명의 일 실시예에 따른 복합제진장치는, 풍하중이나 설계지진 보다 작은 규모의 지진이 작용할 경우 댐퍼 몸체(10a,10b)의 측면판(102a,104b,104a,102b)들 사이에 개재된 고감쇠 고무(20)가 변형 저항하면서 진동 에너지를 흡수한다.
또한, 설계지진을 포함하여 이보다 큰 최대레벨지진이 작용할 경우 강재 핀(30)의 소성 힌지부(30a)가 소성 변형하면서 지진 에너지를 소산시키게 된다. 이때 양쪽 최외측 측면판(102a과 102b)은 서로 반대 방향으로 이동하여 핀 멈춤공(112a)이 강재 핀(30)을 어느 한쪽 방향으로 밀거나 당겨서 소성 힌지부(30a)를 소성 변형시키게 된다.
따라서 본 발명의 복합제진장치는 바람과 지진에 모두 효과적으로 대응할 수 있다. 즉, 본 발명의 일 실시예에 따른 복합제진장치는 설계레벨 이상의 지진에서 진동을 흡수하는 강재 핀(30)과 바람이나 작은 규모의 지진에서 진동을 억제하는 고감쇠 고무(20)를 조합하여 하나의 제진장치를 이룬 것이라 할 수 있다.
이상과 같이 구성된 본 발명의 일 실시예에 따른 복합제진장치는 바람과 지진에 모두 대응하기 위해 다양한 구조물에 적용될 수 있다. 그 일 예로서 특허등록 제10-0943156호에 공지된 바와 같이 인방보에 동일한 구성으로 설치될 수 있다. 즉, 도 5에 도시된 바와 같이 좌우측 인방보(100)에 매입철근조립체(120)가 매설되고, 매입철근조립체(120)는 한 쌍의 U자형 철근(121)과 U자형 철근(121)의 굴곡부에 결합되는 굴곡강판(122) 및 한 쌍의 U자형 철근(121)을 감싸도록 결합되는 스터럽 철근(123)으로 구성되고, 매입철근조립체(120)의 U자형 철근(121)에 본 발명의 일 실시예의 댐퍼 몸체(10a,10b)측 단부 강판(106a,106b)이 용접으로 접합됨으로써 고정 설치 된다.
한편, 이상에서는 복합제진장치를 구성하는 한 쌍의 댐퍼 몸체(10a,10b)에 각기 측면판을 2개로 구성된 경우에 대해 설명하였지만 측면판의 개수는 이에 한정되지 않으며 그 이상으로 구성할 수도 있다. 그리고 그 경우에는 측면판들 사이에 설치되는 고감쇠 고무(20)의 개수도 대응하여 증가하게 된다.
아래에서는 본 발명의 일 실시예에 따른 복합제진댐퍼가 인방보에 설치된 예를 가지고 바람 및 지진 작용시 거동을 구체적으로 설명한다.
도 6은 인방보의 전단거동에 따른 변형형태를 나타낸 그림이다.
도 6에 나타낸 것처럼 구조물에 바람이나 지진이 작용하면 인방보에는 전단력이 발생하게 되고, 도 5에서와 같이 인방보의 중앙부에 설치된 본 발명에 따른 복합제진댐퍼는 기본적으로 바람이나 지진에 의해 발생하는 전단력에 의해 거동하게 된다.
바람이나 작은 규모의 지진에 의한 미소변형이 발생할 경우 고감쇠 고무(20)가 전단거동에 반응하여 미소하게 변형하면서 진동을 저감하게 된다. 이때, 강재 핀(30)의 일단부는 핀 체결공(112b)에 고정되어 있으나 타단부는 핀 멈춤공(112a)과 소정의 유격을 가지고 있어 자유롭게 이동할 수 있으므로 변형이 발생하지 않는다.
설계레벨 이상의 지진에 의한 대변형이 발생할 경우 강재 핀(30)이 핀 멈춤공(112a)에 접촉하게 되고 이에 따라 강재 핀(30)이 소성 변형하면서 지진에너지를 소산시키게 된다.
한편, 본 발명에 따른 복합제진장치는 방향성에 있어서 상하좌우 모든 변형에 대해 거동할 수 있는 특징을 가지고 있다. 따라서 도 5에서와 같이 인방보의 중앙에 배치하는 형태도 가능하지만 양단부에 배치하는 형태도 가능하다. 양단부에 배치할 경우 휨모멘트에 의해 거동하게 된다. 또한 가새와 같은 압축력을 받는 부재에 설치할 경우에도 인장력 및 압축력에 의해서 거동이 가능하다.
지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.
10a,10b: 댐퍼 몸체
20: 고감쇠 고무
30: 소성 힌지부핀
30a: 소성 힌지부
102a,102b,104a,104b: 측면판
106a,106b: 단부 강판
112a: 핀 조립공
112b: 핀 멈춤공

Claims (3)

  1. 일정 간격을 두고 서로 평행하며 어느 한쪽의 적어도 하나에 복수 개의 핀 멈춤공이 천공되고 다른 한쪽의 적어도 하나에 복수 개의 핀 멈춤공과 일직선상에 대응되며 직경이 상대적으로 작게 형성된 핀 체결공을 갖는 복수 개의 측면판과, 복수 개의 측면판의 일단부에 수직으로 연결되어 있는 단부 강판을 각기 구비하고, 양쪽 단부 강판이 서로 마주한 상태에서 양쪽 복수 개의 측면판이 서로 겹쳐져 있도록 설치되는 한 쌍의 댐퍼 몸체;
    복수 개의 측면판들 사이에 설치되어 점탄성 변형하는 복수의 고감쇠 고무; 및
    한 쌍의 댐퍼 몸체측 복수 개의 핀 멈춤공 및 핀 체결공에 각각 삽입되고 다른 부분에 비해 직경이 작은 소성 힌지부를 갖는 강재 핀을 포함하는 것을 특징으로 하는 점탄성과 이력특성을 이용한 복합제진장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    강재 핀은 외측 측면판의 상,하부에 동일한 개수로 분산 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 점탄성과 이력특성을 이용한 복합제진장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    강재 핀은 일단부에 나사가 형성되어 핀 체결공에 나사 결합되고, 너트에 의해 해당 측면판에 고정되어 있는 것을 특징으로 하는 점탄성과 이력특성을 이용한 복합제진장치.
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