KR101155232B1 - Damper systems for structural vibration control using three dimensional porous structure - Google Patents
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Abstract
본 발명은 3차원 다공성 구조체를 이용한 구조물 진동 제어용 댐퍼 시스템에 관한 것으로, 구조물을 구성하는 골조와, 상기 골조와 상기 구조물 사이에 설치되는 내진재를 포함하되, 상기 내진재가 연속적인 와이어 군으로 형성되는 3차원 다공성 구조체로 이루어져 제작이 용이하고 대량 생산이 가능하고, 소형, 경량임에도 불구하고 크기 대비 에너지 소산 능력이 클 뿐 아니라 작업성과 시공성이 우수하여 칸막이 벽과 같이 협소한 공간에도 구조물의 용도를 해치지 않는 범위에서 설치할 수 있는 3차원 다공성 구조체를 이용한 구조물 진동 제어용 댐퍼 시스템을 제공한다.The present invention relates to a damper system for vibration control of a structure using a three-dimensional porous structure, including a frame constituting the structure, and an earthquake-resistant material installed between the frame and the structure, wherein the earthquake-resistant material is formed of a continuous wire group Made of 3D porous structure, it is easy to manufacture and mass-produced. Despite its small size and light weight, it has not only large energy dissipation capacity but also excellent workability and workability. Provided is a damper system for vibration control of a structure using a three-dimensional porous structure that can be installed in the range.
Description
본 발명은 3차원 다공성 구조체를 이용한 구조물 진동 제어용 댐퍼 시스템에 관한 것으로, 특히, 연속적인 와이어 군으로 형성되어 주기적인 트러스 구조를 갖는 3차원 다공성 구조체의 탄소성 이력 거동에 따른 에너지 흡수 능력을 활용하여 구조물에 발생하는 진동 에너지를 흡수, 저감함으로써 보다 안락하고 안전한 주거환경을 제공할 수 있는 3차원 다공성 구조체를 이용한 구조물 진동 제어용 댐퍼 시스템에 관한 것이다.The present invention relates to a damper system for vibration control of a structure using a three-dimensional porous structure, and more particularly, by utilizing the energy absorption ability of the three-dimensional porous structure having a periodic truss structure formed of continuous wire groups. The present invention relates to a damper system for controlling vibration of a structure using a three-dimensional porous structure capable of providing a more comfortable and safe living environment by absorbing and reducing vibration energy generated in the structure.
지진은 지상에서 발생하는 가장 큰 재앙중의 하나이며, 역사적으로 인류에게 막대한 인적, 물적 피해를 일으켜 왔다. 지질학적으로 거시적인 지진발생분포는 어느 정도 예측 가능하지만, 아직도 특정 지역, 시간대의 지진 예측은 거의 불가능한 상태이며, 최근 중국 쓰촨성 지진, 아이티 지진에서 볼 수 있듯이 큰 지반의 진동에 의해 순간적으로 발생하는 시설물, 건축물의 파괴는 지진의 심각성을 여과 없이 보여주고 있다. 매 10년 단위 평균 약 200여개의 큰 지진이 발생하는데 이 중 10~20%는 심해에서 발생하며, 나머지도 주로 인간의 주 거주지에서 멀리 떨어진 곳에서 발생하고 있다. 그러나 극히 일부이긴 하지만 인구 고밀도 거주 지역에도 지진이 발생하고 있으며, 도시로 인구가 이동하는 현대의 도시 인구 밀집 현상은 과거보다도 지진에 의한 인명, 재산 피해가 더욱 확산될 우려를 자아내고 있다.Earthquakes are one of the greatest disasters on earth and have historically caused tremendous human and material damage to mankind. Geological macroscopic seismic distributions can be predicted to some extent, but it is still almost impossible to predict earthquakes in certain regions and time zones. The destruction of facilities and buildings shows the severity of the earthquake without filtration. An average of about 200 large earthquakes occur every 10 years, of which 10-20% occur in the deep sea, with the remainder far from human primary settlements. However, earthquakes are occurring in densely populated areas, but only in a few places, and modern urban populations, which move populations to cities, are causing more life and property damage than earthquakes.
지진하중은 중저층 구조물의 설계에서 가장 영향력이 큰 하중으로, 그간 많은 연구를 통해 지진에 의해 구조물에 발생하는 전단력, 동적거동에 대한 해석이 가능하게 되었다. 이에 따라 지진에 대한 구조물의 거동을 심도 있게 이해하고, 내진설계에 대한 필요성을 보다 명확하게 자각하게 되었으며, 이를 바탕으로 전 세계 많은 나라에서 내진설계기준을 채택, 제정하여 실무에 적용하고 있는 현실이다. 그러나 대부분의 내진설계는 기본적으로 지반 가속도의 크기나 구조물의 중요성을 고려하여 구조물의 손상을 일부 허용하는 개념을 가지고 있기 때문에 지진의 규모, 크기에 따라 지진 발생 후 손상된 구조물의 보수, 보강을 위하여 많은 비용이 요구되고 있다. 또한, 내진설계 적용 대상 구조물의 확대, 등급 상향에 의해 기존 구조물에 대한 내진 보강이 필요하며, 학교 시설물, 병원 등과 같이 응급 시 대피 장소로 사용되거나 지진 시에도 기능이 온전히 지속되어야 하는 주요 시설물에 대한 내진설계 외에 별도의 강화된 구조 및 내진 보강이 요구되고 있다.Seismic load is the most influential load in the design of low and medium-level structures, and many studies have been made to analyze the shear forces and dynamic behaviors generated by earthquakes. As a result, the structure of earthquake behavior was deeply understood and the need for earthquake-resistant design became clearer. Based on this, many countries around the world have adopted and enacted seismic design standards and applied them to their practice. . However, most seismic designs basically have the concept of allowing some damage to the structure in consideration of the magnitude of the ground acceleration or the importance of the structure. Cost is demanded. In addition, earthquake-resistant reinforcement of existing structures is needed by expanding and upgrading the structures subject to earthquake-resistant design, and used for emergency facilities such as school facilities, hospitals, etc. In addition to the seismic design, additional reinforced structures and seismic reinforcement are required.
이러한 사회적 요구에 부응하고 구조물을 지진으로부터 보다 적극적으로 보호하기 위하여 내진설계와 더불어 진동제어기법이 도입되어 활용되고 있다. 진동제어기법은 그간 구조물의 부재요소가 부담했던 지진하중을 에너지 소산 능력이 우수한 별도의 부재를 통해 흡수함으로써 구조부재를 보호하고, 전체 구조물의 건전도를 확보하는 기법으로 그 종류로는 지반격리시스템(isolation system), 수동제어시스템, 능동제어시스템 등이 있다. 이 중에서 수동제어시스템은 지반격리시스템에 비하여 경제적이고, 능동제어시스템에 비해서는 별도의 에너지 공급 없이도 안정적으로 진동 에너지를 흡수하며, 그 성능 또한 우수하기 때문에 구조, 내진 보강에 매우 유망한 기법으로 자리 잡아 가고 있다. 수동제어시스템의 한 종류로서 재료의 에너지 흡수 능력을 활용한 댐퍼(damper)가 있는데, 통상적으로 에너지 흡수 메커니즘에 따라 점성 댐퍼, 점탄성 댐퍼, 금속 댐퍼, 마찰 댐퍼 등으로 분류된다.In order to meet these social demands and to more actively protect the structure from earthquakes, vibration control techniques have been introduced and utilized along with seismic design. The vibration control technique protects the structural members by absorbing the seismic loads burdened by the member elements through a separate member with excellent energy dissipation capacity, and secures the integrity of the entire structure. (isolation system), passive control system, active control system. Among these, the passive control system is economical compared to the ground isolation system, and compared to the active control system, it absorbs vibration energy stably without supplying energy, and its excellent performance also makes it a very promising technique for structure and seismic reinforcement. I'm going. One type of passive control system is a damper utilizing the energy absorption capability of a material, and is generally classified into a viscous damper, a viscoelastic damper, a metal damper, and a friction damper according to the energy absorption mechanism.
도 1은 전형적인 점성 댐퍼의 형상을 도시한 도면이다.1 shows the shape of a typical viscous damper.
도 1을 참고하면, 점성 댐퍼는 고감도 점성 오일(실리콘)을 이용하여 크고 안정적인 감쇠력을 제공하는 특징을 가지고 있으며, 구조물의 응답 크기에 따라 댐퍼의 변위(stroke) 조절이 가능한 장점이 있다.(Lee, D. and Taylor, D.P., (2002). " Viscous Damper Development and future Trends," Structural Design Tall Building 10, May 2002, pp 311-320.) 그러나 단가가 높고, 댐퍼의 형상 및 치수가 커 좁은 공간에 설치하기에 비효율적인 단점이 있다.Referring to FIG. 1, the viscous damper has a feature of providing a large and stable damping force using high sensitivity viscous oil (silicon), and has the advantage of controlling the displacement of the damper according to the response size of the structure. , D. and Taylor, DP, (2002). "Viscous Damper Development and Future Trends," Structural Design Tall Building 10, May 2002, pp 311-320.) There is a drawback to inefficient installation.
도 2는 전형적인 점탄성 댐퍼의 형상을 도시한 도면이다.FIG. 2 shows the shape of a typical viscoelastic damper.
도 2를 참고하면, 점탄성 댐퍼는 댐퍼의 양 끝단 사이에서 발생하는 상대속도와 상대변위에 의해 결정되는 응력-변형률 특성 및 전단변형에 의해 지진에 의한 진동 에너지를 열 에너지로 변환시켜 에너지를 흡수함으로써 구조물의 진동을 저감시키는 것을 원리로 한다. 형태가 단순하고, 설계 및 시공이 용이하나, 에너지 소산 능력이 댐퍼를 구성하는 점탄성 소재의 배합비에 따라 불확실하고, 하중 주파수에 의존적이며, 온도와 같은 주변 환경에 민감할 뿐 아니라 댐퍼의 온도 상승에 의해 감쇠력이 저하되는 단점이 있다.(Abbas, H. and Kelly, J.M.,(1993). "A Methodology for Design of Viscoelastic Dampers in Earthquake-Resistand Structures," Report No. UCB/EERC 93/09, Earthquake Engineering Research Center, University of California at Berkeley Berkeley,CA.)Referring to FIG. 2, the viscoelastic damper absorbs energy by converting vibration energy due to an earthquake into thermal energy by stress-strain characteristics and shear deformation determined by relative speeds and relative displacements generated between both ends of the damper. The principle is to reduce the vibration of the structure. It is simple in shape and easy to design and construct, but its energy dissipation capacity is uncertain depending on the mixing ratio of the viscoelastic materials constituting the damper, it is dependent on the load frequency, sensitive to the surrounding environment such as temperature, (Abbas, H. and Kelly, JM, (1993). "A Methodology for Design of Viscoelastic Dampers in Earthquake-Resistand Structures," Report No. UCB / EERC 93/09, Earthquake Engineering Research Center, University of California at Berkeley Berkeley, CA.)
도 3은 전형적인 금속 댐퍼의 형상을 도시한 도면이다.3 shows the shape of a typical metal damper.
도 3을 참고하면, 금속 댐퍼는 금속재료에 반복적인 하중이 작용하는 경우 비선형 탄소성(elastic-plastic) 변형 이력 거동(hysteresis)에 의한 에너지 소산(dissipation) 현상을 응용한 것이다.(Dargush, G.F. and Soong, T.T., (1995). "Behaviour of Metallic Plate Dampers in Seismic Passive Energy Dissipation Systems," Earthquake Spectra, 11. 545-568.) 이러한 금속 댐퍼는 전단(shear), 굽힘(bending) 등 작용하는 하중의 형태에 따라 여러 종류로 구분될 수 있으며, 주된 특징은 장기간의 지속성, 온도변화의 상대적인 비의존성 등과 관련된 안정적인 이력 거동이라고 할 수 있다. 또한, 구조물의 긴 내구연수를 고려할 때 상대적으로 경제적이고 물성 및 성능에 변화가 없는 점도 특징이라 할 수 있다. 그러나 지속적으로 반복되는 하중에 의해 피로가 발생할 수 있고, 지진 피해의 이력이 있는 경우에는 추후 지진에 대한 성능이 급격히 저하될 수 있는 단점이 있다.Referring to FIG. 3, the metal damper applies an energy dissipation phenomenon due to nonlinear elastic-plastic deformation hysteresis when a repetitive load is applied to the metal material. (Dargush, GF and Soong, TT, (1995). "Behaviour of Metallic Plate Dampers in Seismic Passive Energy Dissipation Systems," Earthquake Spectra, 11.545-568.) These metal dampers are applied to shear, bending, etc. The main characteristics are stable hysteretic behaviors related to long-term persistence and relative independence of temperature changes. In addition, considering the long service life of the structure, it is a relatively economical feature that does not change the properties and performance. However, fatigue may occur due to a continuously repeated load, and if there is a history of earthquake damage, there is a disadvantage that the performance of the earthquake may be drastically reduced later.
도 4는 전형적인 마찰 댐퍼의 형상을 도시한 도면이다.4 shows the shape of a typical friction damper.
도 4를 참고하면, 마찰 댐퍼는 금속 사이의 마찰을 이용하여 운동에너지를 열 에너지로 변화시킴으로써 에너지를 소산시키는 것을 원리로 한다. (Filiatrault, A. and Cherry, S., (1990), "Seismic Design Spectra for Friction Dampered Structures," Journal of Structural Engineering, 116, 1335-1355) 이러한 마찰 댐퍼의 경우 하중재하 사이클, 진동수, 온도 변화에 큰 영향을 받지 않으며, 역학적, 기구학적 특성, 미끄럼 표면에 사용된 재질에 따라 성능에 차이가 있다. 그러나 일정 이상의 구조물 변위나 하중이 초과될 경우에만 에너지 소산이 일어나는 특징이 있으며, 구조물에 부가되는 감쇠력이 하중 크기에 의존하는 단점이 있다.Referring to FIG. 4, the friction damper is based on the principle of dissipating energy by changing kinetic energy into thermal energy using friction between metals. (Filiatrault, A. and Cherry, S., (1990), "Seismic Design Spectra for Friction Dampered Structures," Journal of Structural Engineering, 116, 1335-1355) These friction dampers are subject to load cycles, frequency, and temperature variations. It is not significantly affected, and there are differences in performance depending on the mechanical and mechanical properties and the materials used on the sliding surfaces. However, energy dissipation occurs only when a certain amount of displacement or load of the structure is exceeded, and a damping force applied to the structure is dependent on the magnitude of the load.
이상에서 설명한 각종 댐퍼로 구성되는 수동제어시스템은 디자인 개념에서부터 실험적 성능 평가를 통하여 실제 많은 구조물에 응용된 사례가 있으며, 앞으로 사용이 더욱 확대될 전망이다. 그러나 상술한 바와 같이 기존 댐퍼의 경우에는 댐퍼의 재질 및 특성, 구조 형식, 거동 방식 등에 따라 각 댐퍼의 동적거동 및 성능이 달라지고, 설치방법 등에도 많은 제약이 따르는 문제점이 있다.The manual control system composed of various dampers described above has been applied to many structures through design performance and experimental performance evaluation, and its use is expected to be further expanded. However, as described above, in the case of the conventional damper, the dynamic behavior and performance of each damper varies according to the material and characteristics of the damper, the structural type, the behavior method, and the like, and there are problems in that the installation method has many restrictions.
특히, 건축, 토목 구조물과 같이 규모와 형상이 매우 큰 구조물에 대해 적정 수준 이상의 제어 효과를 가지기 위해서는 제진 시스템의 크기와 용량 또한 그에 비례해서 커져야 하지만 건물의 용도, 전용 공간과 조망 때문에 그 크기에 제한을 받는다. 따라서 크기 대비 고 효율성을 가지는 댐퍼와 설치기법이 선결되어야 한다.In particular, in order to have more than adequate control effect on structures of very large size and shape, such as construction and civil engineering structures, the size and capacity of the vibration suppression system must be increased in proportion to them, but the size is limited due to the purpose of the building, dedicated space and view. Receives. Therefore, a damper and installation technique with high efficiency to size must be selected.
또한, 지진 규모에 따라 구조물에 작용하는 수 mm로부터 수 cm에 이르는 넓은 범위의 변위 수준에 대응하기 위한 댐퍼의 변위 응답 특성, 노화, 반복 진동에 따른 피로에 대한 내구성, 시공의 용이성 및 제약된 설치 공간에서의 작업성을 위한 소형화 등의 문제가 포괄적으로 해결되어야 한다.In addition, the displacement response characteristics of the damper to cope with a wide range of displacement levels from several mm to several cm acting on the structure depending on the magnitude of the earthquake, durability against fatigue due to aging, repeated vibration, ease of construction and limited installation Problems such as miniaturization for workability in space must be comprehensively solved.
도 5는 카고메 트러스 유사 구조체를 도시한 도면, 도 6은 육면체 트러스 유사 구조체를 도시한 도면, 도 7은 옥테트 트러스 유사 구조체를 도시한 도면, 도 8은 정팔면체와 14면체가 조합된 트러스 유사 구조체를 도시한 도면이다.FIG. 5 is a view showing a Kagome truss-like structure, FIG. 6 is a view showing a hexahedral truss-like structure, FIG. 7 is a view showing an octate truss-like structure, and FIG. 8 is a truss-like structure combining an octahedron and a tetrahedron. It is a figure which shows.
도 5에 도시된 바와 같이, 본 출원의 발명자 중 강기주는 등록특허 제10-0708483호, 특허출원 제10-2006-0119233호에서 와이어를 소재로 하여 카고메(Kagome) 트러스(S. Hyun, A.M. Karlsson, S. Torquato, A.G. Evans, 2003, Int J. of Solids and structures, Vol.40, pp.6989-6998)와 유사한 형태가 3차원 공간상에서 연속해서 주기적으로 존재하는 구조체의 제작 방법을 제안하였다.As shown in Figure 5, Kang Ki-joo among the inventors of the present application Kagome truss (S. Hyun, AM Karlsson based on the wire material in Patent No. 10-0708483, Patent Application No. 10-2006-0119233) , S. Torquato, AG Evans, 2003, Int J. of Solids and structures, Vol. 40, pp.6989-6998), proposed a method of fabricating a structure in which a cyclical structure exists continuously in three-dimensional space.
또한, 도 6 내지 도 8에 도시된 바와 같이, 특허출원 제10-2009-0080085호에서는 와이어를 소재로 하여 육면체(hexahedron) 트러스, 옥테트(octet) 트러스, 정팔면체와 14면체(cuboctahedron 또는 vector equilibrium)가 조합된 트러스(Buckminster Fuller, Synergetics: explorations in the geometry of thinking, Macmillan Publishing Co., 1975, pp.669)와 유사한 형태가 3차원 공간상에서 연속해서 주기적으로 존재하는 구조체의 제작 방법을 제안하였다.In addition, as shown in Figures 6 to 8, the patent application No. 10-2009-0080085 is a hexagonal (hexahedron) truss, octet truss (octet), octahedron and tetrahedron (cuboctahedron or vector equilibrium) ) Is proposed to fabricate a structure in which a similar shape to a truss (Buckminster Fuller, Synergetics: explorations in the geometry of thinking, Macmillan Publishing Co., 1975, pp. 669) is continuously present in three-dimensional space. .
이상의 와이어 구조체들은 모두 나선 형태의 와이어를 회전 삽입하여 조립하기 때문에 제조가 단순하여 대량 생산이 용이하며, 많은 내부 공간을 가지기 때문에 부피에 비해 매우 가볍다. 또한, 도 5에 도시된 카고메 트러스와 유사한 구조체에 대해 기계적 강도를 측정한 결과, 압축, 전단 및 굽힘 하중에 대하여 강도가 높고 최대점에 도달한 후 강도의 감소가 완만하고 변형이 안정적이기 때문에 탄소성 변형 시 많은 에너지를 흡수하는 것으로 알려져 있다.(Yong-Hyun Lee, Ji-Eun Choi and Ki-Ju Kang, "A Wire-woven Cellular Metal: Part-Ⅱ, Evaluation by Experiments and Numerical Simulations," Materials and Design, Vol.30, Issue 10, pp.4459-4468, 2009, Sangil Hyun, Ji-Eun Choi, Ki-Ju Kang, "Effect of Imperfection upon Mechanical Behaviors of Wire-woven Bulk Kagome truss PCMs Under Shear Loading", Journal of Mechanical Science and Technology, Vol.23, No. 5, pp.1270-1277, 2009.)All of the wire structures described above are assembled by rotating inserting spiral wires, so the production is simple and easy to mass production. In addition, the mechanical strength of the structure similar to the Kagome truss shown in Fig. 5 shows that the carbon has a high strength against compression, shear and bending loads, and since the reduction in strength is gentle and the deformation is stable after reaching the maximum point, Yong-Hyun Lee, Ji-Eun Choi and Ki-Ju Kang, "A Wire-woven Cellular Metal: Part-II, Evaluation by Experiments and Numerical Simulations," Materials and Design, Vol. 30, Issue 10, pp. 4459-4468, 2009, Sangil Hyun, Ji-Eun Choi, Ki-Ju Kang, "Effect of Imperfection upon Mechanical Behaviors of Wire-woven Bulk Kagome truss PCMs Under Shear Loading", Journal of Mechanical Science and Technology, Vol. 23, No. 5, pp. 1270-1277, 2009.)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 창안된 것으로, 소형화 및 경량화로 인해 시공성과 작업성이 향상되어 협소한 공간에도 구조물의 용도를 해치지 않고 설치 가능하며, 변위 대응 성능, 제진 장치의 노화, 반복 진동으로 인한 피로에 대한 내구성 및 크기 대비 에너지 소산 능력 등이 우수한 연속적인 와이어 군으로 형성되는 3차원 다공성 구조체를 이용한 구조물 진동 제어용 댐퍼 시스템을 제공하는 데 목적이 있다.The present invention was devised to solve the above-mentioned problems, the construction and workability is improved due to the miniaturization and light weight, so that it can be installed in a narrow space without harming the use of the structure, and the displacement response performance, aging, vibration damping device It is an object of the present invention to provide a damper system for vibration control of a structure using a three-dimensional porous structure formed of a continuous wire group having excellent durability against fatigue due to vibration and energy dissipation capacity to size.
전술한 기술적 과제를 해결하기 위한 수단으로서,As a means for solving the above technical problem,
본 발명은, 구조물을 구성하는 가새와, 상기 가새 및 상기 구조물 사이에 설치되는 내진재를 포함하되, 상기 내진재는 연속적인 와이어 군으로 형성되는 3차원 다공성 구조체로 구성되어 외부 충격 시 변형에 의해 진동 에너지를 흡수하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 구조체를 이용한 구조물 진동 제어용 댐퍼 시스템을 제공한다.The present invention includes a brace constituting the structure, and the seismic material is installed between the brace and the structure, the seismic material is composed of a three-dimensional porous structure formed of a continuous wire group is vibrated by deformation during external impact Provided is a damper system for controlling structure vibration using a three-dimensional porous structure, which absorbs energy.
이 경우, 상기 가새는 대각 가새 또는 쉐브론(chevron) 가새 중에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.In this case, the brace may be any one selected from diagonal chevrons or chevron braces.
또한, 본 발명은, 구조물을 구성하는 칸막이 벽과, 상기 칸막이 벽의 외측에 설치되는 보강재 및 상기 보강재와 상기 구조물 사이에 설치되는 내진재를 포함하되, 상기 내진재는 연속적인 와이어 군으로 형성되는 3차원 다공성 구조체로 구성되어 외부 충격시 변형에 의해 진동 에너지를 흡수하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 구조체를 이용한 구조물 진동 제어용 댐퍼 시스템을 제공한다.In addition, the present invention includes a partition wall constituting the structure, and a reinforcing material provided on the outside of the partition wall and a seismic material provided between the reinforcing material and the structure, wherein the seismic material is formed of a continuous wire group 3 It is composed of a two-dimensional porous structure provides a damper system for structure vibration control using a three-dimensional porous structure, characterized in that for absorbing vibration energy by deformation during external impact.
뿐만 아니라, 본 발명은, 구조물의 외측에 설치되는 보강재와, 상기 보강재와 상기 구조물 사이에 설치되는 내진재를 포함하되, 상기 내진재는 연속적인 와이어 군으로 형성되는 3차원 다공성 구조체로 구성되어 외부 충격시 변형에 의해 진동 에너지를 흡수하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 구조체를 이용한 구조물 진동 제어용 댐퍼 시스템을 제공한다.In addition, the present invention, including the reinforcement is installed on the outside of the structure, and the seismic material is installed between the reinforcement and the structure, the seismic material is composed of a three-dimensional porous structure formed of a continuous wire group to the external impact Provided is a damper system for structure vibration control using a three-dimensional porous structure, which absorbs vibration energy by time deformation.
본 발명에서 상기 와이어의 소재는 금속일 수 있다.In the present invention, the material of the wire may be a metal.
본 발명에 따르면, 체적 대비 무게가 매우 낮고, 매우 높은 수준의 변형에 대해 안정적인 강도를 유지하며, 변동하는 하중에 대한 에너지 흡수량이 3차원 다공성 구조체를 내진재로 사용함으로써 외부 충격에 의해 발생하는 진동 에너지를 효과적으로 소산시킬 수 있다.According to the present invention, the vibration generated by the external impact by using a three-dimensional porous structure as a seismic material is very low in weight relative to the volume, maintains a stable strength against a very high level of deformation, and the amount of energy absorption for a varying load It can dissipate energy effectively.
또한, 3차원 다공성 구조체는 연속적인 와이어 군으로 조립한 다음 와이어의 교차부를 고정시켜 제조하기 때문에 대량 생산에 유리하고 제조비도 저렴할 뿐 아니라 신뢰성도 높다.In addition, since the three-dimensional porous structure is manufactured by assembling the continuous wire group and then fixing the intersections of the wires, the three-dimensional porous structure is advantageous for mass production, and the manufacturing cost is low and the reliability is high.
게다가, 내진재를 소형화 및 경량화함으로써 시공성과 작업성이 향상되어 협소한 공간에도 구조물의 용도를 해치지 않고 설치할 수 있다.In addition, construction and workability are improved by miniaturization and weight reduction of the seismic material, so that it can be installed in a narrow space without harming the use of the structure.
아울러, 변위 대응 성능, 제진 장치의 노화, 반복 진동으로 인한 피로에 대한 내구성 및 크기 대비 에너지 소산 능력 등이 우수하다.In addition, the displacement response performance, the aging of the vibration damping device, durability against fatigue due to repeated vibration and energy dissipation capacity to size is excellent.
도 1은 전형적인 점성 댐퍼의 형상을 도시한 도면,
도 2는 전형적인 점탄성 댐퍼의 형상을 도시한 도면,
도 3은 전형적인 금속 댐퍼의 형상을 도시한 도면,
도 4는 전형적인 마찰 댐퍼의 형상을 도시한 도면,
도 5는 카고메 트러스 유사 구조체를 도시한 도면,
도 6은 육면체 트러스 유사 구조체를 도시한 도면,
도 7은 옥테트 트러스 유사 구조체를 도시한 도면,
도 8은 정팔면체와 14면체가 조합된 트러스 유사 구조체를 도시한 도면,
도 9 내지 도 11은 각각 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 3차원 다공성 구조체를 이용한 구조물 진동 제어용 댐퍼 시스템과 일방향으로 변위 발생 시 구조물과 댐퍼의 변형 양상을 도시한 도면,
도 12는 카고메 트러스 유사 구조체에 전단 변위를 가했을 때 발생하는 응력-변형률 곡선을 도시한 도면.1 shows the shape of a typical viscous damper,
2 shows the shape of a typical viscoelastic damper,
3 shows the shape of a typical metal damper;
4 shows the shape of a typical friction damper,
5 shows a kagome truss-like structure,
6 shows a hexahedral truss-like structure;
7 illustrates an octet truss like structure,
8 illustrates a truss-like structure in which an octahedron and a tetrahedron are combined;
9 to 11 are views showing the deformation of the structure and damper when the displacement occurs in one direction and the damper system for structure vibration control using the three-dimensional porous structure according to the first to third embodiments of the present invention, respectively;
FIG. 12 shows stress-strain curves that occur when shear displacements are applied to a Kagome truss-like structure. FIG.
이하에서는, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예를 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며, 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 그리고 도면에서 본 발명을 명확하게 설명하기 위하여 설명과 관계없는 부분은 생략하였으며, 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 유사한 도면 부호를 붙여 설명한다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings so that those skilled in the art can easily carry out the present invention. As those skilled in the art would realize, the described embodiments may be modified in various different ways, all without departing from the spirit or scope of the present invention. In the drawings, parts irrelevant to the description are omitted in order to clearly describe the present invention, and like reference numerals designate like parts throughout the specification.
먼저, 본 발명에 따른 3차원 다공성 구조체를 이용한 구조물 진동 제어용 댐퍼 시스템은 구조물과 가새, 칸막이 벽 또는 보강재 사이에 내진재를 설치하되, 상기 내진재가 연속적인 와이어 군으로 조립되는 3차원 다공성 구조체로 구성되어 외부 충격에 의한 진동 에너지를 보다 효과적으로 흡수하는 것을 특징으로 한다.First, the damper system for vibration control of a structure using a three-dimensional porous structure according to the present invention is installed between the structure and the brace, partition wall or reinforcement, but the seismic material is composed of a three-dimensional porous structure assembled into a continuous wire group It is characterized in that to more effectively absorb the vibration energy due to external impact.
구체적으로, 상기 3차원 다공성 구조체는 다수의 연속적인 와이어를 서로 교차 또는 삽입하여 트러스 유사 구조를 형성한 후 각 와이어의 교차부를 접착, 납땜, 브레이징 수지접합 또는 용접 등의 방법으로 고정함으로써 제작된다. 이 경우, 상기 와이어는 강성을 얻을 수 있도록 금속 소재로 이루어지는 것이 바람직하다.Specifically, the three-dimensional porous structure is manufactured by forming a truss-like structure by intersecting or inserting a plurality of continuous wires with each other, and then fixing the intersections of the respective wires by bonding, soldering, brazing resin bonding, or welding. In this case, the wire is preferably made of a metal material so as to obtain rigidity.
한편, 본 발명에서 상기 트러스 유사 구조는 카고메 트러스 유사 구조, 육면체 트러스 유사 구조, 옥테트 트러스 유사 구조 및 정팔면체와 14면체가 조합된 트러스 유사 구조 등 연속적인 와이어를 이용하여 조립되는 모든 형태의 것을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.On the other hand, the truss-like structure in the present invention includes all forms of assembling using a continuous wire, such as a Kagome truss-like structure, a hexahedral truss-like structure, an octet truss-like structure and a truss-like structure in which the octahedron and the tetrahedron are combined. It should be understood as
참고적으로, 상기 3차원 다공성 구조체의 제조 방법은 전술한 바와 같이 본 출원의 발명자 중 강기주가 등록특허 제10-708483호, 특허출원 제10-2006-0119233호 등에서 제안한 3차원 다공질 경량 구조체의 제조 방법을 기초로 하고 있는 바, 당업자라면 본 발명의 실시를 위하여 이를 추가적으로 참작하는 것도 가능할 것이다.For reference, the manufacturing method of the three-dimensional porous structure is the manufacturing of the three-dimensional porous lightweight structure proposed by Kang Ki-joo among the inventors of the present application No. 10-708483, Patent Application No. 10-2006-0119233 as described above Based on the method, it will be possible for those skilled in the art to further consider this for the practice of the present invention.
상술한 바와 같이 구성되는 본 발명에 따른 3차원 다공성 구조체를 이용한 구조물 진동 제어용 댐퍼 시스템은 구조물의 지진응답에 대응하여 양단에 발생하는 상대 변위를 인장-압축 변형, 전단 변형 또는 굽힘 변형 등을 통하여 에너지를 소산시키기 때문에 통상적으로 건축물 층간의 상대 변위, 속도가 큰 곳이나 전단 변형을 의도적으로 발생시키기 위하여 구조물에 설치되는 보강재 등에 설치된다.The damper system for vibration control of a structure using the three-dimensional porous structure according to the present invention configured as described above is the energy of the relative displacement occurring at both ends in response to the earthquake response of the structure through tensile-compression deformation, shear deformation or bending deformation, etc. Because it dissipates, it is usually installed in the reinforcement installed in the structure in order to intentionally generate the relative displacement, high velocity or shear deformation between buildings.
이하, 본 발명의 구체적인 실시예를 도면을 참고하여 설명한다.Hereinafter, specific embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
도 9 내지 도 11은 각각 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 3차원 다공성 구조체를 이용한 구조물 진동 제어용 댐퍼 시스템과 일방향으로 변위 발생 시 구조물과 댐퍼의 변형 양상을 도시한 도면이다.9 to 11 are diagrams showing the deformation of the structure and damper when the displacement occurs in one direction and the damper system for structure vibration control using the three-dimensional porous structure according to the first to third embodiments of the present invention, respectively.
도 9를 참고하면, 제1 실시예에 따른 3차원 다공성 구조체를 이용한 구조물 진동 제어용 댐퍼 시스템(200)은 구조물(220)을 구성하는 쉐브론(chevron) 가새(221)와 보(220a) 사이에 3차원 다공성 구조체(210)가 설치된 것을 특징적인 구성으로 한다.Referring to FIG. 9, the
이에 따라 지진, 바람 등의 외부 변위가 가해지면, 상기 쉐브론 가새(221)와 상기 보(220a)의 상대 변위가 발생하고, 이에 대응하여 상기 3차원 다공성 구조체(210)가 전단 변형됨으로써 에너지를 소산시킨다.Accordingly, when an external displacement such as an earthquake or wind is applied, a relative displacement of the
한편, 본 실시예에서는 상기 쉐브론 가새(221)를 예로 들어 설명하였으나, 상기 쉐브론 가새(221) 뿐 아니라 대각 가새(도면 미도시)에도 본 발명이 설치되어 동일하게 작용할 수 있다.Meanwhile, in the present embodiment, the
도 10을 참고하면, 제2 실시예에 따른 3차원 다공성 구조체를 이용한 구조물 진동 제어용 댐퍼 시스템(300)은 구조물(320)의 칸막이 벽(330)의 외측에 설치되는 보강재(340)와 보(320a) 사이에 3차원 다공성 구조체(310)가 설치된 것을 특징적인 구성으로 한다.Referring to FIG. 10, the
이 경우, 본 실시예에서는 상기 3차원 다공성 구조체(310)가 3개 설치된 것을 예시하였으나, 상기 구조물(320)의 크기 및 형태에 따라 적절한 수로 설치될 수 있는 것은 물론이다.In this case, in the present embodiment, but three illustrated three-dimensional
상술한 바와 같이 구성되는 상기 3차원 다공성 구조체를 이용한 구조물 진동 제어용 댐퍼 시스템(300)도 외부 변위로 발생하는 횡진동을 상기 3차원 다공성 구조체(310)의 전단 변형에 의해 흡수한다.The
도 11을 참고하면, 제3 실시예에 따른 3차원 다공성 구조체를 이용한 구조물 진동 제어용 댐퍼 시스템(400)은 구조물(420)의 외측에 설치되는 보강재(440)와 기둥(420b) 사이에 3차원 다공성 구조체(410)가 설치된 것을 특징적인 구성으로 한다.Referring to FIG. 11, the
본 실시예에서 상기 3차원 다공성 구조체(410)는 필요한 수로 적절하게 설치될 수 있으며, 이렇게 설치된 상기 3차원 다공성 구조체(410)가 횡진동에 대응하여 상기 구조물(420)과 상기 보강재(440) 사이에서 전단 변형됨으로써 에너지를 흡수한다.In this embodiment, the three-dimensional
구체적으로, 상기 구조물(420)과 상기 보강재(440)는 각각 지진 또는 바람에 의한 진동 방향으로 움직이지만 양자의 상대적인 거리 차이에 의해 전단 변형이 발생하고, 이러한 전단 변형에 대응하여 상기 구조물(420)과 상기 보강재(440) 사이에 설치된 상기 3차원 다공성 구조체(410)가 전단 변형됨으로써 에너지를 흡수하는 것이다.In detail, the
예컨대, 외팔보의 상부에 점탄성 소재를 부착하고 그 위에 다시 얇은 철판을 부착한 레이어 층에서 외팔보는 중력에 의해 아래로 변형되지만 점탄성 소재와 철판 사이에는 전단 변형이 발생하여 에너지를 흡수하는 원리와 유사하다.For example, in a layered layer with a viscoelastic material attached to the top of a cantilever and a thin iron plate on top of it, the cantilever is deformed downward by gravity, but a shear deformation occurs between the viscoelastic material and the steel plate, similar to the principle of absorbing energy. .
이상으로 본 발명의 제1 내지 제3 실시예에 따른 3차원 다공성 구조체를 이용한 구조물 진동 제어용 댐퍼 시스템의 구성 및 작용을 설명하였다. 이하에서는 본 발명의 에너지 흡수 능력에 대해 도면을 참고하여 설명한다.The structure and operation of the damper system for structure vibration control using the three-dimensional porous structure according to the first to third embodiments of the present invention have been described above. Hereinafter will be described with reference to the drawings for the energy absorption capacity of the present invention.
도 12는 카고메 트러스 유사 구조체에 전단 변위를 가했을 때 발생하는 응력-변형률 곡선을 도시한 도면이다.FIG. 12 is a diagram illustrating a stress-strain curve generated when shear displacement is applied to a cargo truss-like structure.
일반적으로 지진이나 바람과 같은 외부 변위는 삼각함수와 같이 시간에 따라 변동하면서 구조물에 작용하기 때문에 구조물에 설치된 3차원 다공성 구조체도 양(+)과 음(-)의 방향으로 반복적으로 변동하며 에너지를 흡수함으로써 도 12에 도시된 바와 같은 전형적인 이력 폐곡선(hysteresis loop) 형태를 나타내게 된다.In general, external displacements such as earthquakes and winds act on the structure as it changes over time like a trigonometric function, so the three-dimensional porous structure installed in the structure also changes energy in a positive and negative direction repeatedly. Absorption results in a typical hysteresis loop form as shown in FIG. 12.
이 경우, 이력 폐곡선의 내부 면적은 3차원 다공성 구조체의 단위 체적당 에너지 흡수량을 의미하는데, 도 12에서 그 넓이가 매우 넓은 것으로부터 본 발명의 에너지 흡수 능력이 매우 우수함을 알 수 있다.In this case, the inner area of the hysteresis closed curve refers to the amount of energy absorption per unit volume of the three-dimensional porous structure, and it can be seen that the energy absorption capacity of the present invention is very excellent from the wide area in FIG. 12.
이상으로 본 발명의 바람직한 실시예를 도면을 참고하여 상세하게 설명하였다. 본 발명의 설명은 예시를 위한 것이며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 쉽게 변형이 가능하다는 것을 이해할 수 있을 것이다.Preferred embodiments of the present invention have been described in detail above with reference to the drawings. The description of the present invention is intended for illustration, and it will be understood by those skilled in the art that the present invention may be easily modified in other specific forms without changing the technical spirit or essential features of the present invention.
따라서 본 발명의 범위는 상술한 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타내어지며, 특허청구범위의 의미, 범위, 및 그 균등 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.Therefore, the scope of the present invention is represented by the following claims rather than the detailed description, and all changes or modifications derived from the meaning, scope, and equivalent concepts of the claims are included in the scope of the present invention. Should be interpreted as
200 : 3차원 다공성 구조체를 이용한 구조물 진동 제어용 댐퍼 시스템
210 : 3차원 다공성 구조체 220 : 구조물
220a : 보 220b : 기둥
221 : 쉐브론 가새
300 : 3차원 다공성 구조체를 이용한 구조물 진동 제어용 댐퍼 시스템
310 : 3차원 다공성 구조체 320 : 구조물
320a : 보 320b : 기둥
330 : 칸막이 벽 340 : 보강재
400 : 3차원 다공성 구조체를 이용한 구조물 진동 제어용 댐퍼 시스템
410 : 3차원 다공성 구조체 420 : 구조물
420a : 보 420b : 기둥
440 : 보강재200: Damper system for vibration control of structure using 3D porous structure
210: three-dimensional porous structure 220: structure
220a:
221 Chevron Brace
300: Damper system for vibration control of structure using 3D porous structure
310: three-dimensional porous structure 320: structure
320a:
330: partition wall 340: reinforcement
400: Damper system for structure vibration control using three-dimensional porous structure
410: three-dimensional porous structure 420: structure
420a:
440: reinforcement
Claims (5)
상기 칸막이 벽과 상기 구조물 사이에 설치되는 보강재; 및
상기 보강재와 상기 구조물 사이에 설치되는 내진재;를 포함하되,
상기 내진재는 연속적인 와이어 군으로 형성되는 3차원 다공성 구조체로 구성되어 외부 충격시 상기 구조물과 상기 보강재의 상대적인 전단변형에 의해 진동에너지를 흡수하는 것을 특징으로 하는 3차원 다공성 구조체를 이용한 구조물 진동 제어용 댐퍼 시스템.Partition walls constituting the structure;
A reinforcing member installed between the partition wall and the structure; And
Including; earthquake-resistant material is installed between the reinforcing material and the structure;
The seismic material is composed of a three-dimensional porous structure formed of a continuous wire group is a vibration damper for structure vibration control using a three-dimensional porous structure, characterized in that absorbing the vibration energy by the relative shear deformation of the structure and the reinforcement during external impact system.
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