KR101070043B1 - Column-type damper for improving earthquake-proof efficiency - Google Patents
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Abstract
본 발명은 건물의 내진성능 향상을 위한 기둥 형태의 댐퍼에 관한 것으로, 시멘트 페이스트 또는 시멘트 모르타르 100용적부에 대해 1.5~3.5용적부의 섬유를 첨가한 변형경화형 시멘트 복합재료를 강재로 보강하여 건물의 슬래브 사이에 기둥 형태로 설치되는 기둥구조체; 상기 기둥구조체와 슬래브를 연결하는 보강부; 및 상기 보강부를 상기 기둥구조체와 슬래브 각각에 고정하는 다수의 볼트;를 포함한다. 이와 같은 본 발명에 따르면, 지진 발생시 건물에 가해지는 설계값 이상의 압축횡방향력에 대해서 저항할 수 있고, 그에 따른 손상 및 충격 에너지를 흡수할 수 있어 건물에 대해 현저히 향상된 내진 성능을 발휘하게 하는 장점이 있다.The present invention relates to a damper in the form of a column for improving the seismic performance of a building, and the slab of the building by reinforcing the strain hardening cement composite material in which 1.5 to 3.5 vol. Of fiber is added to 100 vol. Of cement paste or cement mortar. Column structure installed in the form of a column between; Reinforcing part connecting the column structure and the slab; And a plurality of bolts fixing the reinforcement parts to the column structures and the slabs, respectively. According to the present invention, it is possible to resist the compressive lateral force greater than the design value applied to the building in the event of an earthquake, and to absorb damage and impact energy according to the advantage to exhibit a significantly improved seismic performance for the building There is this.
내진, 기둥, 댐퍼, 변형경화형 시멘트 복합체, 섬유 Seismic resistance, column, damper, strain hardening cement composite, fiber
Description
본 발명은 건물의 내진성능 향상을 위한 기둥 형태의 댐퍼에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 시멘트 페이스트 또는 시멘트 모르타르에 대해 마이크로 및 매크로 섬유를 첨가하여 건물의 내진성능을 향상시킬 수 있는 건물의 내진성능 향상을 위한 기둥 형태의 댐퍼에 관한 것이다.The present invention relates to a damper in the form of a column for improving the seismic performance of a building, and more particularly, to the seismic performance of a building that can improve the seismic performance of a building by adding micro and macro fibers to a cement paste or cement mortar. A damper in the form of a column for improvement.
현재 수동적인(passive) 개념의 구조 시스템은 설계단계에서 고려된 외적인 영향(하중 및 환경적 영향)하에서 의도된 기능을 발휘하도록 설계되어 있다. 따라서 외적 요인의 불확실성을 반영하기 위하여 큰 안전율을 고려하고 있지 않다면, 설계단계에서 예상하지 못한 하중 하에서는 그 기능을 발휘할 수 없으며, 사회적인 손설을 초래할 수 있다는 한계가 있다. Currently, passive concept structural systems are designed to perform their intended functions under external influences (load and environmental impacts) considered during the design phase. Therefore, if a large safety factor is not taken into account to reflect the uncertainty of external factors, there is a limit that it cannot function under an unexpected load at the design stage and may cause social loss.
또한 설계단계에서 반영된 크기의 지진하중 하에서도 현행 내진설계 개념에 따라 설계된 내진요소는 구조물에 입력된 지진에너지를 휨 보강근의 항복 이후 소성변형으로 구조물 내에서 소산하여야 한다. 따라서 설계하중 이내의 지진 하에서도 구조물의 손상은 피할 수 없으므로 지진 이후 구조물의 재사용을 위해서는 많은 복원비용이 요구되는 문제점이 있었다.In addition, the seismic elements designed according to the current seismic design concept must be dissipated in the structure as plastic deformation after the yielding of the flexural reinforcement, even under the seismic load of the size reflected in the design stage. Therefore, even after the earthquake within the design load damage to the structure is inevitable, there was a problem that requires a lot of restoration cost for the reuse of the structure after the earthquake.
특히 현행 내진설계규정은 과거의 지진피해로부터 얻은 교훈을 바탕으로 개정되어 왔으므로 과거 내진규정에 준하여 설계된 구조물은 현행 내진규정에 준하여 설계된 구조물에 비하여 통상 지진에 대한 안전성이 낮다는 사실은 고베지진과 같은 많은 과거 지진사례에서 입증되었다.In particular, the current seismic design regulations have been revised based on lessons learned from past earthquake damage. Therefore, the fact that structures designed according to the previous seismic regulations are generally less safe for earthquakes than structures designed according to the current seismic regulations. The same has been proven in many past earthquakes.
한편, 구조물에 있어서 지능형(intelligent), 능동형(active), 또는 스마트(smart) 시스템이라 함은, 상시 하중에서 유발되는 구조물의 손상을 스스로 치유하여 구조물의 수명연장 및 사용성을 증진하며, 또한 예상치 못한 강한 하중의 작용 하에서도 외적인 영향에 저항하여 구조물이 붕괴되지 않고 안전하게 거동할 수 있도록 한 구조시스템으로 정의된다. 이러한 구조시스템에 적용하기 위하여, 현 단계에서 설계 하중 이내 또는 이상의 지진하중 하에서도 손상을 저감하고 손상을 제어할 수 있는 지능형 구조재료개발 및 이를 구조물에 적용할 수 있는 활용 기술 개발에 대한 연구가 요구되고 있다. On the other hand, an intelligent, active, or smart system in a structure, by itself, heals the damage of the structure caused by the constant load to increase the life span and usability of the structure, and also unexpected It is defined as a structural system that allows structures to behave safely without collapsing even under the influence of strong loads. In order to be applied to such a structural system, research on the development of intelligent structural materials that can reduce damage and control the damage even under earthquake loads within or above the design load and the development of utilization technology that can be applied to the structure are required. It is becoming.
그런데 현재 건설분야에서 활용되고 있는 콘크리트의 낮은 인장변형능력으로 인하여 하중의 작용 이전, 또는 낮은 하중하에서도 균열발생과 같은 손상이 발생되며 보수가 요구되고, 이러한 낮은 인장변형능력으로 인한 시멘트 복합체의 취성적인 특성은 최근 지진사례에서 다수의 건축물과 교량에 급격한 붕괴를 유발하여 많은 경제적인 손실을 초래하였다.However, due to the low tensile deformation capacity of concrete currently used in the construction field, damage such as cracking occurs before the action of the load or under a low load, and repair is required, and brittleness of the cement composite due to the low tensile deformation capacity is required. In recent earthquake cases, many of the structures have caused rapid collapse of many buildings and bridges, resulting in many economic losses.
그리고 오늘날 국가 및 건설 산업계에서 직면한 주요한 과제의 하나는 건설 구조물의 열화이며, 건설 기반시설 유지관리 비용은 2000년도 신규 건설비용의 8% 에서 2007년도까지 27.3%까지 상승되고 있다. 이와 같이 사회기반시설의 유지관리비용이 국가경제비용의 많은 부분을 차지하고 있으며, 점진적으로 증가될 추세이므로 새로운 장수명, 저비용 건설재료 및 구조 시스템의 개발은 차세대 우리나라 경제적인 안녕의 중요한 부분을 담당할 것으로 판단된다. And one of the major challenges facing the national and construction industry today is the deterioration of construction structures, and the cost of building infrastructure maintenance has risen from 8% of new construction costs in 2000 to 27.3% by 2007. As such, the maintenance cost of infrastructure takes up a large part of the national economic cost and is gradually increasing, so the development of new long-life, low-cost construction materials and structural systems will play an important part in the economic well-being of the next generation in Korea. Judging.
따라서 본 발명은 상기와 같은 종래의 문제점을 해결하고 연구의 일환으로 개발된 것으로, 본 발명의 목적은 설계하중이나 예상치 못한 추가 하중 하에서도 균열발생을 억제하거나 지연할 수 있는 건물의 내진성능 향상을 위한 기둥 형태의 댐퍼를 제공하기 위한 것이다.Therefore, the present invention has been developed as a part of the research to solve the conventional problems as described above, the object of the present invention is to improve the seismic performance of the building that can suppress or delay the occurrence of cracking under design load or unexpected additional load To provide a damper in the form of a pillar.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 특징에 따르면, 제1발명은 건물의 내진성능 향상을 위한 기둥 형태의 댐퍼에 관한 것으로, 시멘트 페이스트 또는 시멘트 모르타르 100용적부에 대해 1.5~3.5용적부의 섬유를 첨가한 변형경화형 시멘트 복합재료를 강재로 보강하여 건물의 보 또는 슬래브 사이에 기둥 형태로 설치되는 기둥구조체; 상기 기둥구조체와 보 또는 슬래브를 연결하는 보강부; 및 상기 보강부를 상기 기둥구조체와 보 또는 슬래브 각각에 고정하는 다수의 볼트;를 포함하고, 상기 시멘트 페이스트 또는 시멘트 모르타르는, 보통포틀랜드시멘트 또는 조강포틀랜드시멘트와 혼화재 100중량부에 대하여 물은 45~80중량부, 고성능감수제 0.001~1.0중량부가 혼합되고, 상기 혼화재는, 상기 시멘트 100중량부에 대하여 실리카흄 0.001~20중량부, 플라이애시 0.001~50중량부 및 고로슬래그미분말 0.001~50중량부로 구성되며, 상기 시멘트, 혼화재, 물 및 고성능감수제 100중량부에 대해 메틸셀룰로스계 증점제가 0.001~1.5중량부로 혼합되어 이루어지고, 상기 변형경화형 시멘트 복합재료에는, 상기 시멘트 페이스트 또는 시멘트 모르타르 100용적부에 대하여 5~15용적부의 잔골재가 더 혼합되는 것을 특징으로 한다.According to a feature of the present invention for achieving the above object, the first invention relates to a damper in the form of a column for improving the seismic performance of the building, 1.5 to 3.5 parts by volume with respect to 100 parts by volume of cement paste or cement mortar Column structure is installed in the form of a column between the beam or slab of the building by reinforcing the strain-hardening cement composite material added with fiber; Reinforcing portion connecting the column structure and the beam or slab; And a plurality of bolts for fixing the reinforcing part to the column structure and the beam or the slab, respectively, wherein the cement paste or cement mortar is water of 45 to 80 with respect to 100 parts by weight of ordinary portland cement or crude portland cement and admixture. Part by weight, 0.001 to 1.0 parts by weight of a high performance water reducing agent, the admixture is composed of 0.001 to 20 parts by weight of silica fume, 0.001 to 50 parts by weight of fly ash and 0.001 to 50 parts by weight of blast furnace slag powder, based on 100 parts by weight of the cement. The methyl cellulose thickener is mixed in an amount of 0.001 to 1.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the cement, admixture, water, and a high-performance reducing agent, and the deformation-hardening cement composite material is contained in an amount of 5 to 100 parts by weight of the cement paste or cement mortar. It is characterized in that the 15 aggregates of fine aggregates are further mixed.
제2발명은, 제1발명에서, 상기 기둥구조체는, 하층의 보 또는 슬래브 상단에 설치되는 기초부와, 상기 기초부에 수직방향으로 설치되는 하나 이상의 기둥부와, 상기 기둥부 상단에 설치되어 상층의 보 또는 슬래브 하단에 결합되는 상단부로 구성되는 것을 특징으로 한다.According to a second aspect of the present invention, in the first invention, the columnar structure includes: a base portion installed at an upper end of a beam or slab in a lower layer, at least one pillar portion installed vertically in the base portion, Characterized in that it consists of an upper end coupled to the bottom of the upper beam or slab.
제3발명은, 제2발명에서, 상기 섬유는, 직경이 10~15㎛ 범위이고 길이가 10~20㎜ 범위인 마이크로 섬유와, 직경이 390~420㎛이고 길이가 25~40㎜ 범위인 매 크로 섬유가 1.0 : 0.1~1.0 비율로 혼합되어 이루어지는 것을 특징으로 한다.The third invention, in the second invention, the fiber is a microfiber having a diameter of 10 ~ 15 ㎛ range and a length of 10 ~ 20mm range, and a diameter of 390 ~ 420 ㎛ and a length of 25 ~ 40 mm range Croissant fiber is characterized in that it is mixed in a ratio of 1.0: 0.1 to 1.0.
제4발명은, 제3발명에서, 상기 마이크로 섬유는 폴리에틸렌으로 이루어지고, 상기 매크로 섬유는 스틸코드로 이루어지는 것을 특징으로 한다.In a fourth invention, in the third invention, the microfiber is made of polyethylene, and the macrofiber is made of steel cord.
제5발명은, 제1발명 내지 제4발명 중 어느 하나에서, 상기 강재는 PS 강선, 형상기억합금 또는 철근인 것을 특징으로 한다. The fifth invention, in any one of the first to fourth invention, the steel is characterized in that the PS steel wire, shape memory alloy or reinforcing bar.
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본 발명에 따른 건물의 내진성능 향상을 위한 기둥 형태의 댐퍼는, 설계하중이나 예상치 못한 추가 하중 하에서도 균열발생을 억제하거나 지연할 수 있음으로써, 내투수성 및 내구성이 크게 증진되며, 에너지 소산 및 손상제어능력이 기존 시멘트 복합체에 비하여 크게 향상되는 효과가 있다.The damper in the form of a column for improving the seismic performance of the building according to the present invention can suppress or delay the occurrence of cracking even under design loads or unexpected additional loads, thereby greatly improving permeability and durability, and dissipating energy and Damage control ability is greatly improved compared to the existing cement composite.
따라서 본 발명에 의하면, 상시 하중에서 유발되는 건물의 손상을 스스로 치 유하여 건물의 수명연장 및 사용성을 증진하며, 또한 예상치 못한 강한 하중의 작용 하에서도 외적인 영향에 저항하여 건물이 붕괴되지 않고 안전하게 거동할 수 있다. Therefore, according to the present invention, it is possible to heal the damage of the building caused by the constant load by itself, to increase the lifespan and usability of the building, and to resist the external influence even under the action of unexpected strong load, the building does not collapse and behaves safely. can do.
이와 같은 특성으로 인하여, 본 발명은 지진 발생시 건물에 가해지는 설계값 이상의 압축횡방향력에 대해서 저항할 수 있고, 그에 따른 손상 및 충격 에너지를 흡수할 수 있어 건물에 대해 현저히 향상된 내진 성능을 발휘하게 하는 장점이 있다.Due to these characteristics, the present invention can resist the compressive lateral force greater than the design value applied to the building during an earthquake, and can absorb damage and impact energy accordingly, thereby exhibiting a significantly improved seismic performance for the building. There is an advantage.
이하에서는 본 발명에 따른 건물의 내진성능 향상을 위한 기둥 형태의 댐퍼에 관하여 첨부되어진 도면과 더불어 설명하기로 한다.Hereinafter, with reference to the accompanying drawings with respect to the damper in the form of a column for improving the seismic performance of the building according to the present invention will be described.
도 1은 본 발명에 따른 건물의 내진성능 향상을 위한 기둥 형태의 댐퍼의 개략적인 구성을 도시한 측단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 기둥구조체의 배근 형태를 도시한 도면이며, 도 3은 도 2의 A-A'선에 따른 단면도이고, 도 4는 도 2의 B-B'선에 따른 단면도이다. 또한 도 5는 본 발명에 따른 건물의 내진성능 향상을 위한 기둥 형태의 댐퍼를 건물에 설치한 상태를 예시한 구성도이다.1 is a side cross-sectional view showing a schematic configuration of a column-type damper for improving the seismic performance of the building according to the invention, Figure 2 is a view showing the reinforcement shape of the columnar structure shown in Figure 1, Figure 3 2 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 2, and FIG. 4 is a cross-sectional view taken along line B-B ′ of FIG. 2. In addition, Figure 5 is a block diagram illustrating a state in which a column-type damper is installed in the building to improve the seismic performance of the building according to the invention.
이에 도시된 바와 같이, 본 발명은 크게 기둥구조체(10), 보강부(20) 및 볼트(30)로 구성된다. As shown here, the present invention is largely composed of a
상기 기둥구조체(10)는 슬래브(41, 43) 사이에 기둥형태로 설치된다. 이러한 기둥구조체(10)는 다양한 형태로 구성될 수 있는데, 본 실시예에서는, 하층의 슬래 브(41) 상단에 설치되는 기초부(11)와, 상기 기초부(11)에 수직방향으로 설치되는 하나 이상의 기둥부(13)와, 상기 기둥부(13) 상단에 설치되어 상층의 슬래브(43) 하단에 결합되는 상단부(15)로 구성되는 기둥구조체(10)에 대해 예시하고 있다. The
상기 기둥구조체(10)는 지진에 의한 횡하중에 대해 건물의 붕괴를 방지하는 제진구조로서 기능하는 것으로, 견딜 수 있는 횡하중의 설계치에 따라 총 단면적이 결정된다. 따라서 횡하중의 설계치를 고려하여 상기 기둥부(13)를 포함한 기둥구조체(10)는 도 5의 (a) 내지 (c)에 도시된 바와 같이 제작될 수 있다.The
즉, 도 5의 (a)와 같이, 각 층의 보(45)의 양 단부에서 지진 발생시 압축횡방향력에 대해 저항할 수 있도록 하거나, 도 5의 (b)에 도시된 바와 같이, 전체 기둥의 역할을 하도록 보(45)의 중앙에 설치되어 압축성능과 횡방향력에 대한 저항성능을 동시에 높이도록 구성할 수도 있다. 또는 도 5의 (c)에 도시된 바와 같이, 건축물의 최하층에 설치함으로써 지진과 같은 횡하중 작용시 지면에서 발생되는 전단력에 대해 기둥구조체(10) 자체에서 손상 및 충격 에너지를 흡수하도록 마련될 수도 있다.That is, as shown in Fig. 5 (a), it is possible to resist against the compressive lateral force in the event of an earthquake at both ends of the
상기 기둥구조체(10)의 기초부(11)와 기둥부(13) 및 상단부(15)는 일체로 제작되는 것이 바람직하고, 그 재료로는 시멘트 페이스트 또는 시멘트 모르타르, 섬유 및 강재로 이루어진다. The
시멘트 페이스트 또는 시멘트 모르타르는, 보통포틀랜드시멘트 또는 조강포틀랜드시멘트와 혼화재 100중량부에 대하여 물 45~80중량부와, 고성능감수제 0.001~1.0중량부가 혼합된다. 그리고 상기 혼화재는, 상기 시멘트 100중량부에 대 하여 실리카흄 0.001~20중량부, 플라이애시 0.001~50중량부 및 고로슬래그미분말 0.001~50중량부로 구성되며, 상기 시멘트, 혼화재, 물 및 고성능감수제 100중량부에 대해 메틸셀룰로스계 증점제가 0.001~1.5중량부로 혼합되어 이루어진다.The cement paste or cement mortar is mixed with 45 to 80 parts by weight of water and 0.001 to 1.0 parts by weight of a high performance water reducing agent with respect to 100 parts by weight of ordinary portland cement or crude steel portland cement. And the admixture is composed of 0.001 to 20 parts by weight of silica fume, 0.001 to 50 parts by weight of fly ash and 0.001 to 50 parts by weight of blast furnace slag powder, based on 100 parts by weight of the cement, 100 parts by weight of the cement, admixture, water and high performance water reducing agent The methylcellulose thickener is added in an amount of 0.001 to 1.5 parts by weight based on the parts.
보다 상세히 설명하면, 매트릭스의 강도특성 및 시공성을 개선하기 위하여 시멘트 100중량부에 대하여 혼화재로서 산업부산물인 실리카흄, 플라이애시 및 고로슬래그미분말을 각각 0.001~20중량부, 0.001~50중량부 및 0.001~50중량부를 혼합한다. 또한 물은 시멘트와 혼화재 100중량부에 대하여 45~80중량부로 사용되고, 바림직하게는 50~60중량부가 사용된다. 아울러, 고성능감수제는, 변형경화형 시멘트 복합재료의 유동성을 개선하기 위하여 시멘트와 혼화재 100중량부에 대하여 0.001~1.0중량부로 사용된다. 또한 섬유의 균일한 분산 및 메트릭스의 점성확보를 위한 메틸셀룰로스계 증점제는 상기 시멘트, 혼화재, 물 및 고성능감수제 100중량부에 대해 0.001~1.5중량부로 혼합된다.In more detail, in order to improve the strength properties and workability of the matrix, silica fume, fly ash and blast furnace slag powder, which are industrial by-products, are 0.001 to 20 parts by weight, 0.001 to 50 parts by weight and 0.001 to 100 parts by weight of cement, respectively. Mix 50 parts by weight. In addition, water is used in 45 to 80 parts by weight, and preferably 50 to 60 parts by weight based on 100 parts by weight of cement and admixture. In addition, the high performance water reducing agent is used in an amount of 0.001 to 1.0 parts by weight based on 100 parts by weight of the cement and the admixture in order to improve the fluidity of the strain hardening cement composite material. In addition, the methyl cellulose thickener for uniform dispersion of the fibers and to ensure the viscosity of the matrix is mixed in an amount of 0.001 to 1.5 parts by weight based on 100 parts by weight of the cement, admixture, water and high-performance reducing agent.
한편, 잔골재로는 일반적으로 7호 및 8호 규사가 사용되며, 시멘트 모르타르 100용적부에 대하여 1~30용적부, 바람직하게는 5~15용적부를 사용하는 것이 바람직하다. 또한 잔골재로는 KS 규격의 2.5㎜ 이하의 강모래나 바다모래가 사용될 수 있으며, 이 경우 시멘트 모르타르 100용적부에 대하여 1~20용적부, 바람직하게는 5~10용적부가 사용되는 것이 바람직하다.On the other hand, the fine aggregate is generally used No. 7 and No. 8 silica sand, it is preferable to use 1 to 30 parts by volume, preferably 5 to 15 parts by volume with respect to 100 parts by volume of cement mortar. In addition, as fine aggregates, steel sand or sea sand of 2.5 mm or less of the KS standard may be used, and in this case, 1 to 20 parts by volume, preferably 5 to 10 parts by volume, is used with respect to 100 parts by volume of cement mortar.
또한 단섬유로는 마이크로 섬유인 폴리에틸렌 섬유(PE)와 매크로 섬유인 스틸코드 섬유(SC)가 혼합되어 사용된다. 상기 섬유는 시멘트 복합체에 인장력의 작용시 상기 단섬유가 가교하여 응력을 재분배함으로써 시멘트 복합체의 취성적인 특 성을 보완하고 급격한 손상발생을 억제하게 된다. 그리고 마이크로 섬유와 매크로 섬유가 혼합되어 사용되는 것은, 매크로 균열이 발생하는 경우 마이크로 섬유만으로는 상기 균열에 대해 가교역할을 못하기 때문이다.In addition, as short fibers, polyethylene fibers (PE), which are micro fibers, and steel cord fibers (SC), which are macro fibers, are mixed and used. The fiber is a cross-linking of the short fibers when the tensile force is applied to the cement composite to redistribute the stress to complement the brittle characteristics of the cement composite and suppress the sudden occurrence of damage. The reason why the microfibers and the macrofibers are mixed is used because the microfibers alone do not crosslink with each other when the macrocrack occurs.
이와 같이 매트릭스 균열의 충분한 가교작용을 위해 상기 단섬유는 시멘트 페이스트 또는 시멘트 모르타르 100용적부에 대하여 1.5~3.5용적부가 사용되고, 바람직하게는 2.5~3.5용적부가 사용된다. 이때 마이크로 섬유인 폴리에틸렌 섬유는 10~15㎛ 범위의 직경을 갖고, 10~20㎜의 길이를 갖는 것이 바람직하다. 또한 매크로 섬유인 스틸코드 섬유는 390~420㎛ 범위의 직경을 갖고, 25~40㎜ 범위의 길이를 갖는 것이 바람직하다. 또한 상기 폴리에틸렌 섬유와 스틸코드 섬유의 배합비는 타설의 용이성을 고려하여 1.0 : 0.1~1.0의 비율을 이루는 것이 바람직하다.As such, for short crosslinking of the matrix cracks, the short fibers are used in an amount of 1.5 to 3.5 parts by volume, preferably 2.5 to 3.5 parts by volume, based on 100 parts by volume of cement paste or cement mortar. At this time, the polyethylene fiber, which is a microfiber, has a diameter in the range of 10 to 15 µm and preferably has a length of 10 to 20 mm. In addition, the steel cord fibers, which are macro fibers, preferably have a diameter in the range of 390 to 420 μm and a length in the range of 25 to 40 mm. In addition, the mixing ratio of the polyethylene fiber and steel cord fiber is preferably in the ratio of 1.0: 0.1 ~ 1.0 in consideration of ease of pouring.
이상과 같은 변형경화형 시멘트 복합재료는 강재로 보강된다. 강재는 상기 기둥구조체(10)가 받는 횡하중을 고려하여 선택될 수 있는데, 일반적으로 PS 강선, 형상기억합금 또는 철근이 사용될 수 있다. 이중 본 실시예에서는 철근(17)이 사용되는 경우를 예시하고 있다.The above-mentioned hardening cement composite material is reinforced with steel materials. Steel may be selected in consideration of the lateral load received by the
본 실시예에서와 같이 철근(17)이 사용되는 경우에, 상기 철근(17)은 도 2 내지 도 4에 도시된 바와 같이 배근될 수 있다. 즉, 기초부(11)와 상단부(15)에는 직경 22㎜의 주근(17a)이 배열되고 상기 주근(17a)의 주위에 직경 16㎜의 늑근(17b)이 65㎜ 간격으로 배열된다. 그리고 기둥부(13)에는 19㎜의 주근(17c)이 기초부(11)와 상단부(15)에 연장되어 배열되고 상기 주근(17c)의 주위에는 직경 10㎜의 늑근(17d)이 기둥부(13)에는 150㎜ 간격으로, 기초부(11)와 상단부(15)에는 75 ㎜ 간격으로 배열된다.When the reinforcing
한편, 보강부(20)는 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 기둥구조체(10)와 슬래브(41, 43)를 연결한다. 보다 정확하게는, 상기 보강부(20)는 상기 기둥구조체(10)의 기초부(11)와 하층 슬래브(41)의 바닥면과 연결하고, 상기 기둥구조체(10)의 상단부(15)와 상층 슬래브(43)의 천정면과 연결한다. 이때 상기 상단부(15)는 기둥과 기둥을 연결하는 구조체인 보(45)를 통해 상층 슬래브(43)와 연결되는 것이 바람직하고, 이러한 경우에는, 상기 보강부(20)는 상기 보(45)의 측면을 경유하여 슬래브(43)의 천정면과 기둥구조체(10)의 상단부(15)를 연결한다.Meanwhile, as shown in FIG. 1, the reinforcing
상기 보강부(20)는 소정 두께를 갖는 철판으로 이루어지고, 상기 보강부(20)의 두께는 상기 기둥구조체(10)를 지진 등의 횡하중 발생시에 건물과 일체 거동시키는 데 필요한 인장력과 전단력 이상을 발휘할 수 있도록 설계된다. 그러나 발생되는 인장력과 전단력에 대한 정확한 통계치나 계산값이 없는 경우에는, 일반적으로 30~50㎜의 두께를 갖도록 상기 보강부(20)를 설계하는 것이 바람직하다.The
또한 상기 보강부(20)는 볼트(30)에 의해 상기 기둥구조체(10)와 슬래브(41, 43)에 장착된다. 이때 상기 보강부(20)를 기둥구조체(10)와 슬래브(41, 43)에 장착하기 위한 볼트(30)의 강도와 개수는, 상기 볼트(30)가 부담해야 할 인장력과 전단력을 계산하여 볼트(30)의 강도와 개수를 결정한다. 이때 하나의 볼트(30)의 인장력에 대한 설계이간강도, 전단력에 대한 설계미끄럼강도는 다음 식에 의해 계산한다.In addition, the reinforcing
먼저 하나의 볼트(30)에서의 인장력에 대한 설계이간강도(φSt)는 [수학식 1]과 같이 계산한다.First, the design separation strength φS t for the tensile force in one
여기서, Ab는 고력볼트의 축부 공칭단면적(㎟)이고, Fst는 고력볼트의 이간강도(N/㎟)이다.Where A b is the nominal cross-sectional area (mm 2) of the high-strength bolt and F st is the spacing strength (N / mm 2) of the high-strength bolt.
또한 하나의 볼트(30)에서의 전단력에 대한 설계 미끄럼강도(φSt)는 [수학식 2]와 같이 계산한다.In addition, the design sliding strength (φS t ) for the shear force in one
여기서, n은 전단면수이고, Ab는 고력볼트의 축부 공칭단면적(㎟)이고, Fss는 고력볼트의 미끄럼강도(N/㎟)이다.Where n is the shear surface number, A b is the nominal cross-sectional area of the high-strength bolt (mm 2), and F ss is the sliding strength (N / mm 2) of the high-strength bolt.
한편, 고력볼트(30)의 강종별 이간강도와 미끄럼강도는 [표 1]에 기재된 값에서 취할 수 있다.On the other hand, the separation strength and sliding strength of the high-
다음으로, 인장력과 전단력을 동시에 받는 경우, 고력볼트 1개의 전단력에 대한 설계미끄럼 강도(φSt)는 [수학식 3]과 같이 계산한다.Next, when the tensile force and the shear force are simultaneously received, the design sliding strength (φS t ) for one shear force of the high-strength bolt is calculated as shown in [Equation 3].
여기서 Pt는 볼트에 작용하는 인장력(kN)(다만, Pt < φFstAb)이고, T0는 설계볼트장력(kN)이다.Where P t is the tensile force kN acting on the bolt (but Pt <φ F st A b ), and T 0 is the design bolt tension (kN).
다음으로 본 발명에 따른 기둥구조체의 특성에 대해 설명하기로 한다.Next, the characteristics of the columnar structure according to the present invention will be described.
도 6은 본 발명에 따른 기둥구조체의 특성을 실험하는 구성을 도시한 측면도이다.6 is a side view showing a configuration for testing the characteristics of the columnar structure according to the present invention.
도시된 바와 같이, 기둥구조체(10)의 기초부(11)가 완전고정 상태가 되도록 반력 슬래브(47)에 강봉(51)을 사용하여 긴결하였으며, 횡하중 가력선상에 좌굴 방지용 보 및 볼지그(Guide beam & ball jig)(53)를 설치하여 횡하중이 가력되는 동안 면외방향 좌굴이 발생하지 않도록 하였다. 횡하중은 반력벽에 설치된 1000kN 용량의 액츄에이터(Actuator)(55)를 이용하여 부재각(기둥구조체의 횡변위/높이)으로 제어되었으며, 반복 가력시 강도저하를 평가하기 위하여 부재각별로 각각 2회씩 반복 가력하였다. As shown, the
그리고 본 발명에 따른 기둥구조체(10)와 대비하기 위하여, 도 2 내지 도 4에 도시된 기둥구조체(10)와 동일한 철근 배근을 하였고 일반적인 콘크리트를 사용 한 비교예를 제작하여 상기와 동일한 방식으로 실험하였다.And in order to contrast with the
이에 대한 실험결과는 도 7 내지 도 10에 도시된 바와 같다.Experiment results for this are as shown in FIGS. 7 to 10.
보다 상세히 설명하면, 도 7은 실시예와 비교예의 하중-변위 관계 곡선을 나타내는 그래프이다. 도면에서 좌측의 수직 좌표가 부하(Load)를 kN 단위로 나타낸 것이고, 하단의 수평 좌표가 변위(Displacement)를 ㎜ 단위로 나타낸 것이다. In more detail, Figure 7 is a graph showing the load-displacement relationship curve of the Examples and Comparative Examples. In the drawing, the left vertical coordinate represents Load in kN units, and the lower horizontal coordinate represents Displacement in mm units.
도 7의 (a)에 도시된 바와 같이, 비교예의 경우 최대하중이 551.01kN(R=1.61%)(여기서 R은 회전각(Rotation angle)을 나타냄)으로 나타났으며 이후 최대내력의 80%인 440.81kN(R=2.04%)까지 1.267의 연성비를 나타내었다. As shown in (a) of FIG. 7, in the comparative example, the maximum load was 551.01 kN (R = 1.61%), where R represents a rotation angle, and then 80% of the maximum strength. It has a ductility ratio of 1.267 up to 440.81 kN (R = 2.04%).
반면에 도 7의 (b)에 도시된 바와 같이, 본 실시예의 최대하중은 773.74kN(R=2.77%)으로 나타나 비교예에 비해 40.42% 내력이 증가되었음을 알 수 있다. 또한 실시예에서는, 최대내력의 80%인 637.73kN(R=3.58%)까지 연성비 1.292를 나타내어 비교예에 비해 1.97% 증가하였다. On the other hand, as shown in Figure 7 (b), the maximum load of this embodiment is 773.74 kN (R = 2.77%) it can be seen that the 40.42% yield strength compared to the comparative example. In addition, in the Example, the ductility ratio was 1.292 up to 637.73 kN (R = 3.58%), which is 80% of the maximum strength, and increased by 1.97% compared with the comparative example.
이는 섬유의 가교작용에 기인한 것으로, 섬유보강에 따른 부재의 연성 증진효과가 있는 것으로 판단된다.This is due to the crosslinking effect of the fiber, it is judged that there is an effect of improving the ductility of the member according to the fiber reinforcement.
또한 하중-변위 관계 곡선에 실험체의 균열과 같은 외형적인 피해정도를 근거로 평가한 손상단계를 로마자 Ⅰ, Ⅱ, Ⅲ, Ⅳ, Ⅴ로 나타냈는데, EERI 손상수준 정의에 따를 때, 최대내력에 이를 때까지 실시예에서는 손상정도 수준 내에 보수가 가능한 정도로 평가된다. In addition, the damage stages evaluated on the basis of the external damage such as the crack of the specimen in the load-displacement relationship curve are shown as Romans I, II, III, IV, and V. According to the EERI damage level definition, In the examples, it is evaluated to the extent that repair is possible within the degree of damage.
다음으로, 도 8은 비교예와 실시예에 작용된 하중과 전단변위 및 전단변형률을 비교하여 나타낸 그래프이다.Next, Figure 8 is a graph showing a comparison of the load and shear strain and shear strain applied to the comparative example and the embodiment.
도 8의 (a)에서의 비교예에서는 정방향(+) 및 부방향(-) 전단변형이 거의 대칭으로 나타났으나, 도 8의 (b)에서의 실시예에서는 정방향(+) 전단변형이 상대적으로 작게 나타났다. 이는 정방향(+) 가력시 단부가 국부적으로 파괴되었기 때문으로 판단된다. In the comparative example of FIG. 8 (a), the positive (+) and negative (-) shear strains were almost symmetrical. In the example of FIG. 8 (b), the positive (+) shear strains were relatively Appeared small. This is determined by the fact that the end part is locally broken during positive (+) pressing force.
또한 비교예와 실시예의 최대 전단변형률은 각각 0.38% 및 0.71%를 보였다. 이는 실시예가 비교예에 비해 연성적인 거동을 한 것으로, 시멘트 복합체 내 보강섬유의 가교작용으로 인해 전단변형이 억제되었기 때문인 것으로 판단된다.In addition, the maximum shear strains of Comparative Examples and Examples were 0.38% and 0.71%, respectively. This is because the embodiment has a softer behavior than the comparative example, and it is determined that the shear deformation is suppressed due to the crosslinking action of the reinforcing fibers in the cement composite.
다음으로, 도 9는 잔류에너지를 나타내는 그래프로서, 도 9의 (a)는 사이클 진전에 따른 비교예와 실시예에서의 균열폭 증가와 잔류에너지를 비교하여 나타낸 것이고, 도 9의 (b)는 사이클 진전에 따른 비교예와 실시예에서의 잔류에너지를 비교한 것이다.Next, Figure 9 is a graph showing the residual energy, Figure 9 (a) is shown by comparing the crack width increase and the residual energy in the Comparative Example and Example according to the cycle progress, Figure 9 (b) is a cycle Residual energy in the comparative example and the example according to the progress is compared.
도 9의 (a)에 도시된 바와 같이, 균열폭 1㎜ 이내에서는 비교예에서의 잔류에너지가 다소 크게 나타났으나 1㎜의 균열폭 이후에서는 급격한 저하를 보이며 파괴에 이르는 것으로 나타났다. 반면 실시예의 경우에는 균열폭 3㎜까지 20% 이상의 잔류에너지를 보존하면서 안정적으로 거동하는 것으로 나타났다.As shown in (a) of FIG. 9, the residual energy in the comparative example was somewhat larger within the crack width of 1 mm, but the fracture energy was shown to decrease rapidly after the crack width of 1 mm. On the other hand, in the case of Example, it was found to be stable while preserving 20% or more of residual energy up to 3 mm in crack width.
또한 비교예 및 실시예의 최종 누적에너지 소산 능력을 근거로 하여 내진성능 감소계수(ŋ)를 산정하였는데, 도 9의 (b)에 도시된 바와 같이, 10사이클 이후부터 비교예의 경우에는 내진성능이 크게 감소되는 것으로 나타났으며, 실시예의 경우에는 20사이클 이후에도 전체 내진성능의 70% 이상을 확보하는 것으로 나타났다. 따라서 동일한 지진피해를 경험할 경우 실시예에서 획기적인 에너지 흡수능력 을 발휘함으로써 부재의 잔류에너지 능력을 보존할 수 있을 것으로 판단된다.In addition, the seismic performance reduction coefficient (ŋ) was calculated based on the final cumulative energy dissipation capacity of Comparative Examples and Examples. As shown in (b) of FIG. 9, after 10 cycles, the seismic performance was greatly increased. In the case of Example, it was found that even after 20 cycles, more than 70% of the total seismic performance was secured. Therefore, in the case of experiencing the same earthquake damage, it is determined that the residual energy capacity of the member can be preserved by exhibiting a breakthrough energy absorption capacity in the embodiment.
다음으로, 도 10은 비교예와 실시예에서 손상단계와 균열폭과의 관계를 비교한 그래프이다.Next, FIG. 10 is a graph comparing the relationship between the damage stage and the crack width in the comparative example and the example.
도시된 바와 같이, 구조균열로 분류되는 0.4㎜ 이상의 균열이 비교예에서는 부재각 0.4%에서 발생하였으나, 하이브리드 섬유(PE+SC)로 보강된 실시예에서는 부재각 2.0%에 이르러서 발생하였다. 또한 비교예의 최종 파괴시(R=2.0%) 균열폭은 3.0㎜로 나타났으며, 실시예의 동일 부재각(R=2.0%)에서의 균열폭은 0.4㎜로 나타나 비교예의 약 13.3%를 보였으며, 비교예의 최종 파괴시 균열폭인 3.6㎜는 부재각 3.4%에서 나타났다. 이는 실시예 내에서 하이브리드된 보강섬유가 각각 마이크로 및 매크로 균열을 억제하였기 때문인 것으로 판단된다.As shown, cracks of 0.4 mm or more classified as structural cracks occurred at 0.4% of the member angles in the comparative example, but reached 2.0% of the member angles in the examples reinforced with hybrid fibers (PE + SC). In addition, the crack width at the final failure of the comparative example (R = 2.0%) was 3.0 mm, and the crack width at the same member angle (R = 2.0%) of the example was 0.4 mm, indicating about 13.3% of the comparative example. In the final failure of the example, the crack width of 3.6 mm was found at 3.4% of the member angle. This is believed to be because the reinforcing fibers hybridized in the examples inhibited micro and macro cracks, respectively.
이상에서 살펴본 바와 같이, 본 발명에 따른 실시예는 기존 콘크리트에 의한 비교예에 비해 물리적 성능이 현저히 향상되었음을 알 수 있다. 따라서 실시예를 도 5의 (a) 내지 (c)에서 예시된 바와 같이, 건물의 내진 구조로서 사용한다면, 건물의 내진 성능이 향상될 수 있을 것으로 예상된다.As described above, the embodiment according to the present invention can be seen that the physical performance is significantly improved compared to the comparative example by the existing concrete. Therefore, if the embodiment is used as the seismic structure of the building, as illustrated in Figs. 5A to 5C, it is expected that the seismic performance of the building can be improved.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다. The rights of the present invention are not limited to the embodiments described above, but are defined by the claims, and those skilled in the art can make various modifications and adaptations within the scope of the claims. It is self-evident.
즉, 본 발명에서의 보강부(20)와 볼트(30)는, 기둥구조체(10)의 기초부와 상단부에 매립되는 앵커와, 건축물의 슬래브에 미리 매립되어 상기 앵커와 결합되는 앵커볼트로 대체될 수 있다. 이때 앵커와 앵커볼트의 치수와 개수 등은 상기에서 설명한 보강철판과 볼트와 동일한 방식으로 결정되어 사용될 수 있다.That is, the
도 1은 본 발명에 따른 건물의 내진성능 향상을 위한 기둥 형태의 댐퍼의 개략적인 구성을 도시한 측단면도,1 is a side cross-sectional view showing a schematic configuration of a damper in the form of a column for improving the seismic performance of a building according to the present invention;
도 2는 도 1에 도시된 기둥구조체의 배근 형태를 도시한 도면,Figure 2 is a view showing the shape of the reinforcement of the columnar structure shown in Figure 1,
도 3은 도 2의 A-A'선에 따른 단면도,3 is a cross-sectional view taken along line AA ′ of FIG. 2;
도 4는 도 2의 B-B'선에 따른 단면도,4 is a cross-sectional view taken along line BB ′ of FIG. 2;
도 5는 본 발명에 따른 건물의 내진성능 향상을 위한 기둥 형태의 댐퍼를 건물에 설치한 상태를 예시한 구성도,5 is a configuration diagram illustrating a state in which a damper of a pillar shape for improving the seismic performance of the building according to the present invention installed in the building,
도 6은 본 발명에 따른 기둥구조체의 특성을 실험하는 구성을 도시한 측면도,Figure 6 is a side view showing a configuration for testing the characteristics of the columnar structure according to the present invention,
도 7은 실시예와 비교예의 하중-변위 관계 곡선을 나타내는 그래프,7 is a graph showing a load-displacement relationship curve of an example and a comparative example,
도 8은 비교예와 실시예에 작용된 하중과 전단변위 및 전단변형률을 비교하여 나타낸 그래프,8 is a graph comparing loads and shear strains and shear strains applied to Comparative Examples and Examples;
도 9는 잔류에너지를 나타내는 그래프,9 is a graph showing residual energy,
도 10은 비교예와 실시예에서 손상단계와 균열폭과의 관계를 비교한 그래프이다.10 is a graph comparing the relationship between the damage stage and the crack width in Comparative Examples and Examples.
<도면의 주요부분에 대한 부호설명><Code Description of Main Parts of Drawing>
10 : 기둥구조체 11 : 기초부10: pillar structure 11: foundation
13 : 기둥부 15 : 상단부13: pillar portion 15: upper portion
20 : 보강부 30 : 볼트20: reinforcement part 30: bolt
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