KR101051058B1 - 건축물용 댐핑 시스템 - Google Patents

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KR101051058B1
KR101051058B1 KR1020100029159A KR20100029159A KR101051058B1 KR 101051058 B1 KR101051058 B1 KR 101051058B1 KR 1020100029159 A KR1020100029159 A KR 1020100029159A KR 20100029159 A KR20100029159 A KR 20100029159A KR 101051058 B1 KR101051058 B1 KR 101051058B1
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shear
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이윤희
정성찬
김선엽
이명규
이상석
박건록
박진영
이완하
김기만
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유니슨이앤씨(주)
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Abstract

건축물용 댐핑 시스템은 프레임에 일단이 회전 가능하도록 결합되는 제1 가새, 상기 프레임에 일단이 회전 가능하도록 결합되는 제2 가새 및 상기 프레임에 일단이 회전 가능하도록 결합되고, 타단이 상기 제1 가새의 타단 및 상기 제2 가새의 타단과 회전 가능하도록 결합되는 댐핑부를 포함한다. 상기 댐핑부는 댐핑부에 가해지는 인장력 또는 압축력과 수직하는 방향으로 연장되는 코어 및 상기 코어를 둘러싸는 탄성부재를 포함한다. 따라서, 제진 효율이 우수하면서도, 제조 가격을 낮출 수 있는, 건축물용 댐핑 시스템을 제공할 수 있다.

Description

건축물용 댐핑 시스템{DAMPING SYSTEM FOR CONSTRUCTION}
본 발명은 건축물용 댐핑 시스템에 관한 것으로, 보다 상세하게는 토글(toggle)-가새(brace)를 이용한 건축물용 댐핑 시스템에 관한 것이다.
구조물 부재가 태풍 및 지진 등의 수평 외력을 받는 경우에, 비틀림 또는 유사한 수평 이동이 일어난다. 특히 건물 구조물 또는 타워에서 발생되는 비틀림은 구조물의 상태에 심각한 충격 또는 심지어 붕괴를 초래할 수도 있다.
댐퍼는 구조물, 예를 들어 초고층 주상복합 및 교량 또는 유사한 건축 및 토목 구조물을 보호하는 중요한 역할을 수행하며, 상기 댐퍼는 수많은 변형 형태로 존재한다. 댐퍼는 일반적으로 건물의 구조물 부재들 사이에 부착된 두 개의 이동 부분들 사이의 점성력 또는 마찰력에 의해서나 혹은 제한된 튜브를 통해 두 개의 챔버들 사이에 유동하여 가압하는 유체에 의해서 움직임을 감쇠시킨다.
일부 댐퍼들은 외부 상태에 대응하는 감쇠 효과를 능동적으로 변화시키는 것이고, 기타 다른 댐퍼들로는 일정한 감쇠특성을 가진 수동 댐퍼(passive damper)들이 있다.
한편, 일반적인 철골구조를 갖는 구조물 부재에서는 지진과 풍하중과 같은 수평하중에 대한 기둥-보의 횡강성을 확보하기 위해 단순히 가새(brace)를 설치하거나, 구조물에 가해지는 하중을 저감하기 위해 가새에 댐퍼를 설치하기도 한다.
종래의 기술에 따른 가새 댐퍼는 골조에 가새를 설치하고, 가새에 댐퍼를 설치한다. 이러한 종래의 가새 댐퍼는 수평하중이 작용하는 경우 압축력 혹은 인장력을 받게 되고, 가새에 위치한 댐퍼가 타 부재보다 빨리 항복하여 구조물에 가해지는 에너지를 소산시키게 된다. 그러나, 이러한 종래의 가새 댐퍼는 동하중시 변위량이 작아 동일한 에너지 소산량을 구현하기 위해서 댐퍼의 직경이 커질 필요가 있으며, 이러한 댐퍼는 고가이기 때문에 설치비가 증가된다. 반면, 저가의 이력형 댐퍼는 지진을 경험한 후 재사용이 어려워 상대적으로 효율성이 떨어지고, 여진의 발생시 안전을 보장할 수 없다.
또한, 이러한 종래의 가새 댐퍼는 좌굴 내력 이상의 힘이 작용하게 되면, 가새의 좌굴에 의해 가새가 받을 수 있는 내력은 급격하게 떨어지므로, 만일 대지진이 발생하여 좌굴 내력 이상의 하중이 작용하였을 때에는 가새 골조는 불안정한 구조가 될 가능성이 높다.
본 발명의 기술적 과제는 이러한 점에서 착안된 것으로, 제진 효율이 우수하면서도 제조 가격을 낮출 수 있는 건축물용 댐핑 시스템에 관한 것이다.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템은 프레임에 일단이 회전 가능하도록 결합되는 제1 가새, 상기 프레임에 일단이 회전 가능하도록 결합되는 제2 가새 및 상기 프레임에 일단이 회전 가능하도록 결합되고, 타단이 상기 제1 가새의 타단 및 상기 제2 가새의 타단과 회전 가능하도록 결합되는 댐핑부를 포함한다. 상기 댐핑부는 댐핑부에 가해지는 인장력 또는 압축력과 수직하는 방향으로 연장되는 코어 및 상기 코어를 둘러싸는 탄성부재를 포함한다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 댐핑부는 내측 전단 플레이트, 제1 외측 전단 플레이트, 제2 외측 전단 플레이트, 제1 전단변형부재 및 제2 전단변형부재를 포함하고, 상기 제1 전단변형부재의 일면은 상기 내측 전단 플레이트에 결합되며, 타면은 상기 제1 외측 전단 플레이트에 결합되고, 상기 제2 전단변형부재의 일면은 상기 내측 전단 플레이트에 결합되며, 타면은 제2 외측 전단 플레이트에 결합될 수 있다. 또한, 상기 코어는 납봉 또는 주석봉을 포함하고, 상기 탄성 부재는 고무를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 댐핑부는 상기 댐핑부의 일단과 상기 내측 전단 플레이트를 연결하는 제1 연결부 및 상기 댐핑부의 타단과 상기 외측 전단 플레이트들을 연결하는 제2 연결부를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 제1 전단변형부재 및 제2 전단변형부재중 적어도 하나는, 복수의 탄성층과 복수의 보강 플레이트를 포함하는 적층 구조물, 상기 적층 구조물의 상부와 하부에 각각 형성되는 엔드 플레이트, 상기 탄성층, 보강 플레이트 및 엔드 플레이트를 관통하는 복수의 코어 및 상기 탄성층, 보강 플레이트 및 엔드 플레이트의 측면을 둘러싸는 실링 부재를 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 보강 플레이트는 상기 코어의 길이 방향으로 절곡되는 형상을 가지며, 상기 엔드 플레이트는 상기 보강 플레이트의 절곡 형상에 대응되도록 두께 변화를 가질 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프레임은 직사각형 형상을 가질 수 있으며, 제1 수평 지지 부재, 상기 제1 수평 지지 부재와 수직 방향으로 이격된 제2 수평지지 부재, 상기 제1 수평지지 부재 및 제2 수평지지 부재와 결합된 제1 수직지지 부재 및 상기 제1 수평지지 부재 및 제2 수평지지 부재와 결합되며, 상기 제1 수직지지 부재와 수평 방향으로 이격된 제2 수직지지 부재를 포함할 수 있으며, 상기 제1 가새의 일단은 상기 제1 수평지지 부재와 상기 제1 수직지지 부재가 만나는 제1 모서리에 인접한 제1 고정부에 연결되고, 상기 제2 가새의 일단은 상기 제2 수평지지 부재와 상기 제2 수직지지 부재가 만나는 제2 모서리에 인접한 제2 고정부에 연결되고, 상기 댐핑부의 일단은 상기 제2 수평지지 부재와 상기 제1 수직지지 부재가 만나는 제3 모서리에 인접한 제3 고정부에 연결될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 프레임은 직사각형 형상을 가질 수 있으며, 제1 수평 지지 부재, 상기 제1 수평 지지 부재와 수직 방향으로 이격된 제2 수평지지 부재, 제1 수직지지 부재, 상기 제1 수평지지 부재와 결합되며, 상기 제1 수직지지 부재와 수평 방향으로 이격된 제2 수직지지 부재, 상기 제1 수평지지 부재와 제1 수직지지 부재를 연결하는 제1 모서리부, 상기 제2 수평지지 부재와 제2 수직지지 부재를 연결하는 제2 모서리부 및 상기 제2 수평지지 부재와 제1 수직지지 부재를 연결하는 제3 모서리부를 포함할 수 있으며, 상기 제1 가새의 일단은 상기 제1 모서리부에 연결되고, 상기 제2 가새의 일단은 상기 제2 모서리부에 연결되고, 상기 댐핑부의 일단은 상기 제3 모서리부에 연결될 수 있다.
본 발명에 따르면, 토글-가새 시스템을 이용함으로써, 지진 등에 의한 외력으로 인한 건축물의 변위 발생시, 변위와 속도를 증폭시켜 댐퍼에 전달함으로써, 장치의 크기를 축소할 수 있다. 또한, 납-고무 전단변형 부재를 이용함으로써, 기존의 항복형 제진 댐퍼와 달리, 일정 범위의 변위 내에서 지속적으로 재사용이 가능하다. 따라서, 제진 효율이 우수하면서도, 제조 가격을 낮출 수 있는, 건축물용 댐핑 시스템을 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템을 도시한 정면도이다.
도 2는 도 1에 도시된 건축물용 댐핑 시스템의 댐핑부를 확대하여 도시한 사시도이다.
도 3은 도 2에 도시된 댐핑부의 전단변형부재를 도시한 절개 사시도이다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템의 전단변형부재를 도시한 절개 사시도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템의 거동을 설명하기 위한 정면도이다.
도 6은 도 5에 도시된 건축물용 댐핑 시스템의 댐핑부를 확대 도시한 측면도이다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템을 도시한 정면도이다.
도 8 내지 도 12는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템들을 도시한 정면도이다.
이하, 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하기로 한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다. 제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
건축물용 댐핑 시스템
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템을 도시한 정면도이다. 도 2는 도 1에 도시된 건축물용 댐핑 시스템의 댐핑부를 확대하여 도시한 사시도이다. 도 3은 도 2에 도시된 댐핑부의 전단변형부재를 도시한 절개 사시도이다. 도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템의 전단변형부재를 도시한 절개 사시도이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템은 프레임에 결합된 댐핑부(100), 제1 가새(60) 및 제2 가새(70)를 포함한다. 상기 프레임은 직사각형 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 프레임은 제1 수평 지지 부재(10), 상기 제1 수평 지지 부재(10)와 수직 방향으로 이격된 제2 수평지지 부재(20), 상기 제1 수평지지 부재(10) 및 제2 수평지지 부재(20)와 결합된 제1 수직지지 부재(30), 상기 제1 수평지지 부재(10) 및 제2 수평지지 부재(20)와 결합되며, 상기 제1 수직지지 부재(30)와 수평 방향으로 이격된 제2 수직지지 부재(40)를 포함할 수 있다. 상기 제1 수평 지지 부재(10), 제2 수평지지 부재(20), 제1 수직지지 부재(30) 및 제2 수직지지 부재(40)는 건축물의 철골 구조를 구성하는 빔(beam)일 수 있다. 즉, 본 발명의 건축물용 댐핑 시스템은 건축물의 건설 과정에서 채용될 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 가새(60)의 일단은 상기 제1 수평지지 부재(10)와 상기 제1 수직지지 부재(30)가 만나는 제1 모서리에 인접한 제1 고정부(80)에 연결될 수 있다. 상기 제1 고정부(80)는 상기 제1 수평지지 부재(10)와 상기 제1 수직지지 부재(30) 양쪽 또는 어느 한쪽에 고정될 수 있다. 상기 제1 고정부(80)는 제1 회전축(82)을 포함하며, 상기 제1 가새(60)가 상기 제1 회전축(82)을 중심으로 회전 가능하도록, 힌지 결합된다.
상기 제2 가새(70)의 일단은 상기 제2 수평지지 부재(20)와 상기 제2 수직지지 부재(40)가 만나는 제2 모서리에 인접한 제2 고정부(90)에 연결될 수 있다. 상기 제2 고정부(90)는 상기 제2 수평지지 부재(20)와 상기 제2 수직지지 부재(40) 양쪽 또는 어느 한쪽에 고정될 수 있다. 상기 제2고정부(90)는 제2 회전축(92)을 포함하며, 상기 제2 가새(70)가 상기 제2 회전축(92)을 중심으로 회전 가능하도록, 힌지 결합된다.
상기 댐핑부(100)의 일단은 상기 제2 수평지지 부재(20)와 상기 제1 수직지지 부재(30)가 만나는 제3 모서리에 인접한 제3 고정부(52)에 연결될 수 있다. 상기 제3고정부(50)는 제3 회전축(52)을 포함하며, 상기 댐핑부(100)는 상기 제3 회전축(52)을 중심으로 회전 가능하도록, 힌지 결합된다.
상기 댐핑부(100)의 타단, 상기 제1 가새(60)의 타단, 상기 제2 가새(70)의 타단은 제4 회전축(195)를 중심으로 회전 가능하도록, 힌지 결합된다.
도 2 및 도 3을 참조하면, 상기 댐핑부(100)는 내측 전단 플레이트(110), 제1 외측 전단 플레이트(130), 제2 외측 전단 플레이트(140), 제1 전단변형부재(150) 및 제2 전단변형부재(160)를 포함한다.
상기 제1 전단변형부재(150)의 일면은 상기 내측 전단 플레이트(110)에 결합되며, 타면은 제1 외측 전단 플레이트(130)에 결합된다. 또한, 상기 제2 전단변형부재(160)의 일면은 상기 내측 전단 플레이트(110)에 결합되며, 타면은 제2 외측 전단 플레이트(140)에 결합된다. 결과적으로, 상기 제1 외측 전단 플레이트(130) 및 제2 외측 전단 플레이트(140) 사이에 상기 제1 전단변형부재(150) 및 제2 전단변형부재(160)가 위치하며, 상기 제1 전단변형부재(150) 및 제2 전단변형부재(160) 사이에 상기 내측 전단 플레이트(110)가 위치하게 된다.
상기 내측 전단 플레이트(110)는 상기 제1 전단변형부재(150)와 결합하는 제1 내측 전단 플레이트(112) 및 상기 제2 전단변형부재(160)와 결합하는 제2 내측 전단 플레이트(114)를 포함할 수 있으며, 상기 제1 및 제2 내측 전단 플레이트(112, 114)는 볼트 등에 의해 서로 고정 결합될 수 있다. 다른 방법으로, 상기 내측 전단 플레이트(110)는 상기 제1 전단변형부재(150) 및 제2 전단변형부재(160)에 공통으로 결합되는 하나의 플레이트일 수도 있다.
상기 댐핑부(100)는 제1 단부(180), 제2 단부(190), 제1 연결부(170) 및 제2 연결부(120)를 더 포함한다. 상기 제1 단부(180)는 상기 제4 회전축(195)에 결합되며, 상기 제1 연결부(170)는 제1 외측 전단 플레이트(130) 및 제2 외측 전단 플레이트(140)에 결합되어, 상기 제1 단부(180)를 통해 전달되는 응력을 상기 제1 외측 전단 플레이트(130) 및 제2 외측 전단 플레이트(140)에 전달한다. 상기 제1 연결부(170)는 상기 제1 외측 전단 플레이트(130)와 결합하는 제1 결합부(172) 및 상기 제2 외측 전단 플레이트(140)와 결합하는 제2 결합부(174)를 포함한다. 상기 제2 단부(190)는 상기 제3 회전축(52)에 결합되며, 상기 제2 연결부(120)는 상기 제2 단부(190)를 통해 전단되는 응력을 상기 내측 전단 플레이트(110)에 전달한다.
상기 제1 전단변형부재(150)는 코어(152)과 이를 둘러싸는 탄성 부재를 포함한다. 상기 코어(152)는 소성 변형 가능한 물질로 형성될 수 있으며, 일정 방향으로 연장되는 실린더 형상을 갖는 납봉, 주석봉 등을 예로 들 수 있다. 상기 탄성 부재는 복수의 탄성층(154)을 포함하며, 상기 탄성층들 사이에는 보강 플레이트(155)가 삽입될 수 있다. 결과적으로, 탄성층(154)과 보강 플레이트(155)가 교호로 적층되는 구조가 형성될 수 있다. 또한, 상기 제1 전단변형부재(150)는 엔드 플레이트(156)를 더 포함하는 것이 바람직하다. 상기 엔드 플레이트(156)는 상기 탄성층(154)과 보강 플레이트(155)의 교호 적층 구조의 상부와 하부에 결합되도록 한 쌍으로 이루어질 수 있다.
상기 엔드 플레이트(156)는 상기 제1 외측 전단 플레이트(130) 또는 상기 내측 전단 플레이트(110)와 결합된다. 상기 엔드 플레이트(156)는 상기 보강 플레이트(155)보다 두꺼운 것이 바람직하며, 상기 제1 외측 전단 플레이트(130) 또는 상기 내측 전단 플레이트(110)와 결합을 위한 체결 부재가 삽입될 수 있도록 결합홀(159)를 가질 수 있다.
상기 코어(152)은 상기 탄성층(154), 보강 플레이트(155) 및 엔드 플레이트(156)를 관통하도록 삽입된다. 상기 코어(152)은 상기 댐핑부(100)에 전달되는 인장력 또는 압축력에 수직한 방향, 즉 댐핑부(100)의 길이 방향에 수직한 방향으로 연장되는 형상을 갖는다. 따라서, 본 발명의 건축물용 댐핑 시스템에 변위가 발생할 때, 상기 코어(152)에는 전단 응력이 가해진다. 바람직하게, 상기 제1 전단변형부재(150)는 실질적으로, 상기 코어(152)의 길이 방향으로의 압축력을 받지 않도록 상기 제1 외측 전단 플레이트(130) 및 상기 내측 전단 플레이트(110)와 결합된다. 이는 상기 제1 전단변형부재(150)의 전단 변형에 의한 에너지 흡수량을 증가시키기 위한 것이다.
상기 탄성층(154)는 예를 들어, 고무를 포함할 수 있다. 상기 제1 전단변형부재(150)는 상기 탄성층(154), 보강 플레이트(155) 및 엔드 플레이트(156)의 측면을 둘러싸는 실링 부재(158)를 포함할 수 있으며, 상기 실링 부재(158)는 상기 탄성층(154)와 동일한 재질, 예를 들어, 고무를 포함할 수 있다.
상기 코어(152)는 하나 또는 두개 이상의 복수개로 구성될 수 있다. 다만, 상기 코어(152)에 전단 응력이 가해지고, 이에 따라 코어(152)의 전단 변형이 일어날 때, 상기 코어(152)이 상기 보강 플레이트(155) 사이로 파고들어 탄성층(154)을 가압함으로써 탄성층을 파손하거나 엔드 플레이트에 삽입된 부분으로부터 분리될 수 있으며, 이러한 현상을 방지하기 위하여, 상기 코어(152)을 복수개로 세장한 형태로 구성하는 경우, 즉, 세장비(길이/폭)를 높게한 복수개의 코어를 포함하는 경우, 코어의 안정적인 전단 거동이 가능하다.
제2 전단변형부재(160)는 상기 제1 전단변형부재(150)와 실질적으로 동일한 구성을 가지므로, 이에 대한 설명은 생략하기로 한다.
도 4는 본 발명의 다른 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템의 전단변형부재를 도시한 절개 사시도이다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템은 전단변형부재를 제외하고는, 기설명된 본 발명의 일 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템과 동일한 구성을 가질 수 있다.
본 발명의 다른 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템의 전단변형부재(1050)는 코어(1052), 탄성층(1054), 보강 플레이트(1055), 엔드 플레이트(1056) 및 실링 부재(1058)를 포함한다. 상기 보강 플레이트(1055) 및 엔드 플레이트(1056)의 형상을 제외하고는 기설명된 본 발명의 일 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템의 제1 전단변형부재(150)와 실질적으로 동일하므로, 중복되는 설명은 생략하기로 한다.
상기 보강 플레이트(1055)는 상기 댐핑부에 전달되는 인장력 또는 압축력에 수직한 방향, 즉, 상기 코어(1052)의 길이 방향으로 절곡되는 형상을 갖는다. 또한, 상기 엔드 플레이트(1056)는 상기 보강 플레이트(1055)의 절곡 형상에 대응되도록 두께 변화를 갖는다. 이에 따라, 상기 엔드 플레이트(1056)는 돌출부 및 함몰부를 가질 수 있다.
이러한 구조는 상기 코어(1052)에 전단 응력이 가해지고, 이에 따라 코어(1052)의 전단 변형이 일어날 때, 상기 코어(1052)이 상기 보강 플레이트(1055) 사이로 파고들어 탄성층(1054)을 가압함으로써 탄성층을 파손하거나 엔드 플레이트에 삽입된 부분으로부터 분리되는 것을 방지하는데 효과적이다. 또한, 도 3에 도시된 것과 같이, 보강 플레이트와 엔드 플레이트가 평판 형상을 갖는 경우, 탄성층에서 전단 거동만이 발생하지만, 절곡되어 있는 경우에는 절곡된 부분의 탄성층에서 전단 거동 및 압축(또는 인장) 거동이 동시에 발생한다. 따라서, 댐퍼 전체적으로는 전단 거동을 하지만, 절곡된 부분의 탄성층은 전단 거동 및 압축(또는 인장) 거동에 따라 변형된다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템의 거동을 설명하기 위한 정면도이다. 도 6은 도 5에 도시된 건축물용 댐핑 시스템의 댐핑부를 확대 도시한 측면도이다.
도 5를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템을 채용한 건축물에 수평방향으로, 일정 크기 이상의 힘이 작용하면, 건축물의 구성 요소의 변위가 발생하며, 이에 따라, 건축물용 댐핑 시스템의 구성 요소의 변위가 발생한다. 이 과정에서, 댐핑부의 일단이 결합된 모서리부와 댐핑부의 타단이 결합된 회전축의 변위차에 의해 댐핑부의 길이(D1)가 변화하게 된다.
도 5 및 도 6을 참조하면, 도 5와 같이 건축물용 댐핑 시스템이 횡방향으로 전단 변형이 일어나는 경우, 제3 모서리에 인접한 제3 회전축(52)의 변위량보다 제4 회전축(195)의 변위량이 더 크다. 따라서, 댐핑부에 압축력이 작용하며, 이에 따라, 내측 전단 플레이트(110)와 외측 전단 플레이트(130, 140)에 각각 반대 방향의 압축력이 가해진다. 결과적으로, 전단변형부재(150, 160)에는 전단 응력이 가해지며, 이에 따라 전단 변형이 일어난다. 이러한 전단 변형의 수평 방향(압축력이 가해지는 방향)의 변화량(d1)이 댐핑부의 길이 변화량을 결정한다. 구체적으로, 구조물의 횡변위(u)는 토글의 배치와 각도에 따라 증폭(uΔ)이 변화될 수 있으며, 이에 의해 증폭계수가 다음과 같이 결정될 수 있다.
f(증폭계수)= uΔ/u
또한, 구조물에 가해지는 외력(F)은 아래의 식에 따라 감소되어 댐핑장치로 감소된 힘(FΔ)이 전달된다.
FΔ = F/f (f>1)
본 발명의 일 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템은 토글-가새 시스템을 이용함으로써, 지진 등에 의한 외력으로 인한 건축물의 변위 발생시, 변위와 속도를 증폭시켜 댐퍼에 전달함으로써, 장치의 크기를 축소할 수 있다. 또한, 납-고무 전단변형 부재를 이용함으로써, 기존의 항복형 제진 댐퍼와 달리, 일정 범위의 변위 내에서 지속적으로 재사용이 가능하다. 따라서, 제진 효율이 우수하면서도, 제조 가격을 낮출 수 있는, 건축물용 댐핑 시스템을 제공할 수 있다.
도 7은 본 발명의 다른 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템을 도시한 정면도이다.
도 7을 참조하면, 건축물용 댐핑 시스템은 프레임에 결합된 제1 댐핑부(100), 제1 가새(264), 제2 가새(276), 제2 댐핑부(200), 제3 가새(296) 및 제4 가새(278)를 포함한다. 상기 프레임은 직사각형 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 프레임은 제1 수평 지지 부재(210), 상기 제1 수평 지지 부재(210)와 수직 방향으로 이격된 제2 수평지지 부재(220), 상기 제1 수평지지 부재(210) 및 제2 수평지지 부재(220)와 결합된 제1 수직지지 부재(230), 상기 제1 수평지지 부재(210) 및 제2 수평지지 부재(220)와 결합되며, 상기 제1 수직지지 부재(230)와 수평 방향으로 이격된 제2 수직지지 부재(240)를 포함할 수 있다.
예를 들어, 상기 제1 가새(264)의 일단은 상기 제1 수평지지 부재(210)와 상기 제1 수직지지 부재(230)가 만나는 제1 모서리에 인접한 제1 고정부(260)에 연결될 수 있다. 상기 제1 고정부(260)는 상기 제1 수평지지 부재(210)와 상기 제1 수직지지 부재(230) 양쪽 또는 어느 한쪽에 고정될 수 있다. 상기 제1 고정부(260)는 제1 회전축(262)을 포함하며, 상기 제1 가새(264)가 상기 제1 회전축(262)을 중심으로 회전 가능하도록, 힌지 결합된다.
상기 제2 가새(276)의 일단은 상기 제2 수평지지 부재(220)에 고정된 제2 고정부(270)에 연결될 수 있다. 상기 제2 고정부(270)는 제2 회전축(272)을 포함하며, 상기 제2 가새(276)가 상기 제2 회전축(272)을 중심으로 회전 가능하도록, 힌지 결합된다.
상기 제1 댐핑부(100)의 일단은 상기 제2 수평지지 부재(220)와 상기 제1 수직지지 부재(230)가 만나는 제3 모서리에 인접한 제3 고정부(250)에 연결될 수 있다. 상기 제3고정부(250)는 제3 회전축(252)을 포함하며, 상기 댐핑부(100)는 상기 제3 회전축(252)을 중심으로 회전 가능하도록, 힌지 결합된다.
상기 제3 가새(296)의 일단은 상기 제1 수평지지 부재(210)와 상기 제2 수직지지 부재(240)가 만나는 제3 모서리에 인접한 제4 고정부(290)에 연결될 수 있다. 상기 제4 고정부(290)는 상기 제1 수평지지 부재(210)와 상기 제2 수직지지 부재(240) 양쪽 또는 어느 한쪽에 고정될 수 있다. 상기 제4 고정부(290)는 제4 회전축(291)을 포함하며, 상기 제3 가새(296)가 상기 제4 회전축(291)을 중심으로 회전 가능하도록, 힌지 결합된다.
상기 제4 가새(278)의 일단은 상기 제2 고정부(270)에 연결될 수 있다. 상기 제2 고정부(270)는 제5 회전축(274)을 더 포함하며, 상기 제4 가새(278)가 상기 제5 회전축(274)을 중심으로 회전 가능하도록, 힌지 결합된다.
상기 제2 댐핑부(200)의 일단은 상기 제2 수평지지 부재(220)와 상기 제2 수직지지 부재(240)가 만나는 제4 모서리에 인접한 제5 고정부(280)에 연결될 수 있다. 상기 제5 고정부(280)는 제6 회전축(282)를 포함하며, 상기 댐핑부(100)는 상기 제6 회전축(282)을 중심으로 회전 가능하도록, 힌지 결합된다.
다른 기술적 특징은 기설명된 건축물용 댐핑 시스템과 동일하므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
결과적으로, 상기 건축물용 댐핑 시스템은 하나의 프레임 안에 제1 댐핑부(100) 및 제2 댐핑부(200)를 채용하고, 상기 제1 댐핑부 및 제2 댐핑부(100, 200)를 동일한 수평지지 부재에 고정함으로써, 다양한 방향의 외력 및 변위에 대하여 우수한 제진 성능을 가질 수 있다.
도 8은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템을 도시한 정면도이다.
도 8을 참조하면, 건축물용 댐핑 시스템은 프레임에 결합된 댐핑부(300), 제1 가새(380) 및 제2 가새(390)를 포함한다. 상기 프레임은 직사각형 형상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 프레임은 제1 수평 지지 부재(310), 상기 제1 수평 지지 부재(310)와 수직 방향으로 이격된 제2 수평지지 부재(320), 제1 수직지지 부재(330), 상기 제1 수평지지 부재(310)와 결합되며, 상기 제1 수직지지 부재(330)와 수평 방향으로 이격된 제2 수직지지 부재(340), 상기 제1 수평지지 부재(310)와 제1 수직지지 부재(330)를 연결하는 제1 모서리부(360), 상기 제2 수평지지 부재(320)와 제2 수직지지 부재(340)를 연결하는 제2 모서리부(370), 상기 제2 수평지지 부재(320)와 제1 수직지지 부재(330)를 연결하는 제3 모서리부(350)를 포함할 수 있다. 상기 제2 수직지지 부재(340)와 상기 제1 수평지지 부재(310)는 직접 연결될 수도 있으며, 별개의 모서리부에 의해 연결될 수도 있다.
예를 들어, 상기 제1 가새(380)의 일단은 상기 제1 모서리부(360)에 연결될 수 있다. 상기 제1 모서리부(360)는 제1 회전축(362)을 포함하며, 상기 제1 가새(380)가 상기 제1 회전축(362)을 중심으로 회전 가능하도록, 힌지 결합된다.
상기 제2 가새(390)의 일단은 상기 제2 모서리부(370)에 연결될 수 있다. 상기 제2 모서리부(370) 제2 회전축(372)을 포함하며, 상기 제2 가새(390)가 상기 제2 회전축(372)을 중심으로 회전 가능하도록, 힌지 결합된다.
상기 댐핑부(300)의 일단은 상기 제3 모서리부(350)에 연결될 수 있다. 상기 제3 모서리부(350)는 제3 회전축(352)을 포함하며, 상기 댐핑부(300)는 상기 제3 회전축(352)을 중심으로 회전 가능하도록, 힌지 결합된다.
다른 기술적 특징은 기설명된 건축물용 댐핑 시스템과 동일하므로, 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기 건축물용 댐핑 시스템은 건축물의 기존 구조체와 독립된 프레임을 제공함으로써, 이미 완성된 건축물의 제진 성능을 개선하는데 효과적으로 이용될 수 있다.
도 9는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템을 도시한 정면도이다.
도 9에 도시된 건축물용 댐핑 시스템은, 제1 회전축(82)와 제2 회전축(92)를 연결하는 가상의 직선에 따라 프레임을 분할하였을 때, 제3 회전축(52)과 제4 회전축(195)이 서로 다른 영역에 위치한다는 것을 제외하고는 도 1에 도시된 건축물용 댐핑 시스템과 실질적으로 동일하다. 따라서, 건축물용 댐핑 시스템이 횡방향으로 전단 변형이 일어나는 경우, 댐핑부에는 인장력이 작용한다. 이러한 구조의 댐핑 시스템은 도 1에 도시된 댐핑 시스템보다 댐핑부의 전단 변형이 더 크게 되어, 더 많은 에너지를 흡수할 수 있다.
도 1 과 도 9에 도시된 건축물용 댐핑 시스템의 경우, 제3 모서리에 댐핑부가 연결되어 있으나, 다른 방법으로, 상기 댐핑부는 제1 모서리, 제2 모서리 또는 제4 모서리에 연결될 수 있다. 즉, 도 1 및 도 9에 도시된 댐핑 시스템의 상하좌우 반전된 형상을 가질 수 있다.
도 10은 본 발명의 또다른 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템을 도시한 정면도이다.
도 10에 도시된 건축물용 댐핑 시스템은, 제1 회전축(262)과 제2 회전축(272)을 연결하는 가상의 직선에 따라 프레임을 분할하였을 때, 제1 댐핑부(100)의 양단이 서로 다른 영역에 위치하고, 제4 회전축(291)과 제5 회전축(274)을 연결하는 가상의 직선에 따라 프레임을 분할하였을 때, 제2 댐핑부(200)의 양단이 서로 다른 영역에 위치한다는 것을 제외하고는 도 7에 도시된 건축물용 댐핑 시스템과 실질적으로 동일하다. 따라서, 건축물용 댐핑 시스템이 도 5와 동일한 방향으로 전단 변형이 일어나는 경우, 제1 댐핑부에는 압축력이 작용하고, 제2 댐핑부에는 인장력이 작용한다. 이러한 구조의 댐핑 시스템은 도 7에 도시된 댐핑 시스템보다 댐핑부의 전단 변형이 더 크게 되어, 더 많은 에너지를 흡수할 수 있다.
도 7 과 도 10에 도시된 건축물용 댐핑 시스템 역시, 각 댐핑부가 다른 모서리에 연결되어 상하좌우 반전된 형상을 가질 수 있다.
도 11 및 12는 본 발명의 또다른 실시예에 따른 건축물용 댐핑 시스템을 도시한 정면도이다.
도 11에 도시된 건축물용 댐핑 시스템은, 댐핑부(100), 제1 가새(60), 제2 가새(70)가 각각 연결되는 고정부(80, 50, 90)들이 모서리부에서 이격되어 수평 지지부재 또는 수직지지 부재에 고정된다는 제외하고는 도 1에 도시된 건축물용 댐핑 시스템과 실질적으로 동일하다.
도 12에 도시된 건축물용 댐핑 시스템은, 댐핑부(100)가 제4 회전축(195)에 연결되지 않고, 제1 가새(60)의 중단에 직접 연결된다는 점을 제외하고는 도 1 또는 도 11 에 도시된 건축물용 댐핑 시스템과 실질적으로 동일하다. 댐핑부(100)의 제2 가새(70)에 연결되는 말단은 회전 가능하도록 힌지 결합된다. 이 때, 상기 댐핑부(100)의 연장 방향과 제1 가새(60)의 연장 방향은 실질적으로 서로 수직하는 것이 바람직하다. 다른 방법으로, 상기 댐핑부(100)는 제2 가새(70)의 중단에 직접 연결될 수 도 있다.
도 11 및 도 12에 도시된 것과 같이, 본 발명의 건축물용 댐핑 시스템은 댐핑부에 전달되는 외력과 변위를 조절하기 위하여, 다양한 구조의 토글-가새 연결 구조를 가질 수 있다.
본 발명은 각종 건축물의 기존 구조체의 제진 성능 개선 또는 완성된 건축물의 제진 성능 개선 등에서 산업상 이용가능성을 갖는다.
이상에서는 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (8)

  1. 프레임에 일단이 회전 가능하도록 결합되는 제1 가새;
    상기 프레임에 일단이 회전 가능하도록 결합되는 제2 가새; 및
    상기 프레임에 일단이 회전 가능하도록 결합되고, 타단이 상기 제1 가새의 타단 및 상기 제2 가새의 타단과 회전 가능하도록 결합되는 댐핑부를 포함하고,
    상기 댐핑부는 댐핑부에 가해지는 인장력 또는 압축력과 수직하는 방향으로 연장되며 소성 변형 가능한 물질로 형성되는 코어 및 상기 코어를 둘러싸는 탄성부재를 포함하는 건축물용 댐핑 시스템.
  2. 제1항에 있어서, 상기 댐핑부는 내측 전단 플레이트, 제1 외측 전단 플레이트, 제2 외측 전단 플레이트, 제1 전단변형부재 및 제2 전단변형부재를 포함하고, 상기 제1 전단변형부재의 일면은 상기 내측 전단 플레이트에 결합되며, 타면은 상기 제1 외측 전단 플레이트에 결합되고, 상기 제2 전단변형부재의 일면은 상기 내측 전단 플레이트에 결합되며, 타면은 제2 외측 전단 플레이트에 결합되는 것을 특징으로 하는 건축물용 댐핑 시스템.
  3. 제2항에 있어서, 상기 댐핑부는 상기 댐핑부의 일단과 상기 내측 전단 플레이트를 연결하는 제1 연결부 및 상기 댐핑부의 타단과 상기 외측 전단 플레이트들을 연결하는 제2 연결부를 포함하는 것을 특징으로 하는 건축물용 댐핑 시스템.
  4. 제2항에 있어서, 상기 제1 전단변형부재 및 제2 전단변형부재중 적어도 하나는,
    복수의 탄성층과 복수의 보강 플레이트를 포함하는 적층 구조물;
    상기 적층 구조물의 상부와 하부에 각각 형성되는 엔드 플레이트;
    상기 탄성층, 보강 플레이트 및 엔드 플레이트를 관통하는 복수의 코어; 및
    상기 탄성층, 보강 플레이트 및 엔드 플레이트의 측면을 둘러싸는 실링 부재를 포함하며,
    상기 코어는 납봉 또는 주석봉을 포함하고, 상기 탄성 부재는 고무를 포함하는 것을 특징으로 하는 건축물용 댐핑 시스템.
  5. 제4항에 있어서, 상기 보강 플레이트는 상기 코어의 길이 방향으로 절곡되는 형상을 가지며, 상기 엔드 플레이트는 상기 보강 플레이트의 절곡 형상에 대응되도록 두께 변화를 갖는 것을 특징으로 하는 건축물용 댐핑 시스템.
  6. 제1항에 있어서, 상기 프레임은 직사각형 형상을 가지며,
    제1 수평 지지 부재;
    상기 제1 수평 지지 부재와 수직 방향으로 이격된 제2 수평지지 부재;
    상기 제1 수평지지 부재 및 제2 수평지지 부재와 결합된 제1 수직지지 부재; 및
    상기 제1 수평지지 부재 및 제2 수평지지 부재와 결합되며, 상기 제1 수직지지 부재와 수평 방향으로 이격된 제2 수직지지 부재를 포함하고,
    상기 제1 가새의 일단은 상기 제1 수평지지 부재와 상기 제1 수직지지 부재가 만나는 제1 모서리에 인접한 제1 고정부에 연결되고, 상기 제2 가새의 일단은 상기 제2 수평지지 부재와 상기 제2 수직지지 부재가 만나는 제2 모서리에 인접한 제2 고정부에 연결되고, 상기 댐핑부의 일단은 상기 제2 수평지지 부재와 상기 제1 수직지지 부재가 만나는 제3 모서리에 인접한 제3 고정부에 연결되는 것을 특징으로 하는 건축물용 댐핑 시스템.
  7. 제1항에 있어서, 상기 프레임은 직사각형 형상을 가지며,
    제1 수평 지지 부재;
    상기 제1 수평 지지 부재와 수직 방향으로 이격된 제2 수평지지 부재;
    제1 수직지지 부재;
    상기 제1 수평지지 부재와 결합되며, 상기 제1 수직지지 부재와 수평 방향으로 이격된 제2 수직지지 부재;
    상기 제1 수평지지 부재와 제1 수직지지 부재를 연결하는 제1 모서리부;
    상기 제2 수평지지 부재와 제2 수직지지 부재를 연결하는 제2 모서리부; 및
    상기 제2 수평지지 부재와 제1 수직지지 부재를 연결하는 제3 모서리부를 포함하고,
    상기 제1 가새의 일단은 상기 제1 모서리부에 연결되고, 상기 제2 가새의 일단은 상기 제2 모서리부에 연결되고, 상기 댐핑부의 일단은 상기 제3 모서리부에 연결되는 것을 특징으로 하는 건축물용 댐핑 시스템.
  8. 제1 항에 있어서, 상기 코어는 납봉 또는 주석봉을 포함하는 것을 특징으로 하는 건축물용 댐핑 시스템.
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