KR101281206B1 - 건물 개구부용 면진(免震)장치 및 그 제조방법 - Google Patents

건물 개구부용 면진(免震)장치 및 그 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 건물 개구부용 면진(免震)장치 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 건물의 창문 등 개구부에 네 모서리가 힌지 결합된 프레임을 설치하고, 프레임의 내부 가장자리에 진동에너지를 흡수하여 소성거동하는 댐퍼(damper)를 장착함으로써, 개구부를 갖는 건물의 내진 성능을 향상시키고 모듈화를 통하여 설치가 간편하면서도, 거주자의 시야 방해를 최소화하여 미려한 외관을 얻을 수 있는 건물 개구부용 면진장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
면진장치, 개구부, 철근콘크리트, 조적식, 댐퍼, 모듈화

Description

건물 개구부용 면진(免震)장치 및 그 제조방법{Damper system for building window opening and Method of making the same}
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건물 개구부용 면진장치의 평면도,
도 2a는 도 1의 A-A' 단면도,
도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 각형 부재가 구비된 면진장치의 단면도,
도 3은 지진 등이 발생할 경우 본 발명의 실시예에 따른 면진장치가 전단 변형된 상태의 평면도,
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 면진장치 제조방법의 흐름도이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
100 - 면진장치 110 - 각형 부재
115 - 결합부 120 - 프레임
130 - 댐퍼 140 - 전단 스터드
150 - 창틀 160 - 창문
본 발명은 건물 개구부용 면진(免震)장치 및 그 제조방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 건물의 창문 등 개구부에 네 모서리가 힌지 결합된 프레임을 설치하고, 프레임의 내부 가장자리에 진동에너지를 흡수하여 소성거동하는 댐퍼(damper)를 장착함으로써, 개구부를 갖는 건물의 내진 성능을 향상시키고 모듈화를 통하여 설치가 간편하면서도, 거주자의 시야 방해를 최소화하여 미려한 외관을 얻을 수 있는 건물 개구부용 면진장치 및 그 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 건물에는 시야를 확보하고 거주자의 생활을 보다 쾌적하게 하기 위해 창문, 출입문과 같은 개구부가 설치된다. 이러한 개구부에는 일정 크기 이상의 홀을 확보한 후, 홀 내부에 창호, 알루미늄 샤시 등을 삽입하는 것이 보통이다. 그런데, 이러한 개구부는 철근콘크리트 혹은 조적식 건물을 비롯한 다양한 건축물에서 다른 부분에 비해 응력 집중이 심한 것으로 알려져 있다. 특히, 지진 등이 발생한 경우 개구부로부터 콘크리트 또는 조적벽체의 인장균열이 시작되기 쉬워, 개구부가 지진에 매우 취약하다는 사실이 밝혀졌다. 더욱이, 내진설계기준이 재정된 1989년 이전에 준공된 철근콘크리트 또는 조적조 건물인 경우, 내진성능이 충분치 못하여 개구부에서 기인하는 구조손상으로 인해 지진 발생시 큰 피해가 발생할 수 있다.
이러한 지진으로부터 인적 피해 및 물적 피해를 최소화하기 위해 건물의 개구부 또는 기둥이나 보와 같은 구조부재에는 다양한 면진장치가 설치된다. 이러한 면진 장치를 이용한 내진보강공법은 현재 건물의 신축공사 및 리모델링 공사에 일반적으로 활용되고 있다.
도 1은 개구부에 설치된 일반적인 면진장치의 사진이다.
도 1과 같은 일반적인 면진장치는 구조부재인 프레임에 대각 방향의 가새형 댐퍼를 설치하여, 지진에 의한 반복 하중 동안 소성이력거동에 의해 에너지를 소산시킴으로써 건물 손상을 최소화하게 된다.
그러나, 이러한 일반적인 면진장치는 다음과 같은 문제점이 있다.
첫째, 댐퍼를 설치하기 위해 기둥이나 보와 같은 큰 강성을 갖는 구조부재를 필요로 하므로, 시공이 까다로울 뿐만 아니라, 별도의 설치공간을 확보하여야 하는 문제점이 있다.
둘째, 대부분의 주거용 건물은 철근콘크리트 건물 또는 조적조 건물이므로, 별도의 설치공간을 확보하기 힘들기 때문에 면진장치의 설치가 힘들고, 특히 내진성능이 취약한 저층건물에는 적합치 않다는 문제점이 있다.
셋째, 이와 같은 가새형 댐퍼를 설치할 경우 개구부의 시야를 가려 거주성을 악화시킬 뿐만 아니라, 건물의 외관을 해친다는 문제점이 있다.
본 발명은 상기와 같은 과제를 해결하기 위해 안출된 것으로, 특히 건물의 창문 등 개구부에 네 모서리가 힌지 결합된 프레임을 설치하고, 프레임의 내부 가장자리에 진동에너지를 흡수하여 소성거동하는 댐퍼(damper)를 장착함으로써, 개구부를 갖는 건물의 내진 성능을 향상시키고 모듈화를 통하여 설치가 간편하면서도, 거주자의 시야 방해를 최소화하여 미려한 외관을 얻을 수 있는 건물 개구부용 면진장치 및 그 제조방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기 목적을 달성하기 위해 안출된 본 발명에 따른 건물 개구부용 면진(免震)장치는 4개의 각형 부재가 서로 회동가능하도록 사각 형상으로 결합된 프레임; 및 상기 프레임의 각 내부 모서리와 삼각형을 이루도록 부착되는 댐퍼(damper)를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 프레임은 상기 각형 부재의 단부끼리 서로 힌지(hinge) 결합되거나, 서로 용접될 수 있다.
또한, 상기 각형 부재는 길이 방향에 수직한 단면 형상이 직사각형상 또는 ㄷ자 형상일 수 있다.
또한, 상기 프레임의 외측면에는 복수개의 전단 스터드(stud)가 용접될 수 있다. 또한, 상기 프레임의 내측면에는 창틀이 결합될 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 건물 개구부용 면진장치의 제조방법은 (a) 4개의 각형 부재를 서로 회동가능하도록 사각 형상으로 결합시켜 프레임을 제조하는 단계; (b) 상기 프레임의 외측면에 복수개의 전단 스터드(stud)를 용접하는 단계; (c) 상기 프레임의 각 내부 모서리와 삼각형을 이루도록 댐퍼(damper)를 부착되는 단계; 및 (d) 상기 프레임의 내측면에 창틀과 창문을 결합하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면들을 참조하여 상세히 설명한다. 우선 각 도면의 구성 요소들에 참조 부호를 부가함에 있어서, 동일한 구성 요소들에 대해서는 비록 다른 도면상에 표시되더라도 가능한 한 동일한 부호를 가 지도록 하고 있음에 유의해야 한다. 또한, 본 발명을 설명함에 있어, 관련된 공지 구성 또는 기능에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명은 생략한다. 또한, 이하에서 본 발명의 바람직한 실시예를 설명할 것이나, 본 발명의 기술적 사상은 이에 한정하거나 제한되지 않고 당업자에 의해 변형되어 다양하게 실시될 수 있음은 물론이다.
먼저, 본 발명의 일 실시예에 따른 건물 개구부용 면진장치에 대해 설명한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건물 개구부용 면진장치의 평면도이다. 이하에서는 편의상 회동 결합부(115)가 힌지 방식으로 형성된 것을 예로 들어 설명한다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건물 개구부용 면진장치(100)(이하, "면진장치")는, 도 1을 참조하면, 각형 부재(110)로 이루어진 프레임(120), 결합부(115), 댐퍼(130) 및 전단 스터드(140)를 포함하여 형성된다. 또한, 상기 면진장치(100)의 내부에는 창틀(150)과 창호(160)가 결합된다.
상기 프레임(120)은 4개의 각형 부재(110)가 사각 형상으로 결합된다. 이때, 상기 4개의 각형 부재(110)는 서로 회동 가능하도록 결합되어 결합부(115)를 형성한다. 상기 결합부(115)의 결합 방식으로는 도 1에 도시된 바와 같이 힌지 방식으로 결합될 수 있다. 한편, 도시되지 않았으나, 각형 부재는 단부끼리 용접 방식으로 결합될 수도 있음은 물론이다. 다만, 이 경우에는 지진과 같은 충격에 의해 개 구부에 하중이 걸릴 경우 프레임이 전단 변형할 수 있도록 약하게 용접되는 것이 바람직하다. 상기 각형 부재(110)는 충분한 강도를 가지도록 금속 재질로 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 각형 부재(110)의 일부는 벽 속에 삽입되며, 단면은 직사각형상 또는 ㄷ자 형상으로 형성될 수 있다. 상기 각형 부재(110)에 대해서는 후술하기로 한다. 한편, 상기 프레임(120)의 내측면에는 창틀(150)이 부착되어, 프레임(120) 내부에 창문(160)이 설치될 수 있도록 한다.
상기 댐퍼(130)는 프레임(120)의 각 내부 모서리와 삼각형을 이루도록 부착된다. 즉, 상기 댐퍼(130)는 각형 부재(110)의 단부끼리 결합된 ㄱ자 모퉁이에 비스듬하게 장착되어, 상기 ㄱ자 형상과 함께 대략 직각삼각형 형상을 이루게 된다. 이때, 상기 댐퍼(130)의 양단은 서로 이웃하는 각형 부재(110)에 용접 방식으로 부착되는 것이 바람직하다. 상기 댐퍼(130)의 크기는 각 개구부의 치수에 따라 구조 계산에 의해 결정되는 것이 바람직하다. 다만, 상기 댐퍼(130)는 개구부에서 시야를 방해하지 않을 정도로 모서리에 근접하여 형성되는 것이 바람직하다. 또한, 상기 댐퍼(130)는 항복강도가 작고 연신율이 우수한 강 재질로 형성되는 것이 바람직하나, 이외에도 프레임(120)의 전단 변형시 에너지를 소산시킬 수 있는 재질이면 어떤 것이라도 가능하다.
상기 전단 스터드(140)는 프레임(120)의 외측면에 복수개 형성된다. 따라서, 상기 전단 스터드(140)의 일단은 프레임(120)의 외측면에 부착되고, 타단은 벽 속에 삽입되어 프레임(120)을 고정시키는 역할을 수행하게 된다. 상기 전단 스터드(140)는 프레임(120)에 용접 방식으로 부착되는 것이 강도 확보의 측면에서 바람 직하다.
다음으로, 본 발명의 실시예에 따른 면진장치와 벽의 구체적인 결합에 대해 설명한다.
도 2a는 도 1의 A-A' 단면도이고, 도 2b는 본 발명의 다른 실시예에 따른 각형 부재가 구비된 면진장치의 단면도이다.
도 2a의 면진장치에서 각형 부재(110a)는 길이 방향에 수직한 단면 형상이 직사각형상으로 형성된다. 즉, 상기 각형 부재(110a)는 내부가 빈 사각기둥 형상으로 형상된다. 도 2a에서 볼 때, 상기 각형 부재(110a)의 상면, 즉 벽(W)과 마주보는 부분에 전단 스터드(140)가 부착된다. 상기 전단 스터드(140)는 벽(W)의 내부에 삽입되어 각형 부재(110a)를 포함하는 프레임(120)을 개구부에 고정시키게 된다. 상기 각형 부재(110a)의 양 측면의 일부 또한 벽(W)의 내부에 삽입되어 전단 스터드(140)의 지지력을 한층 강화시키는 역할을 수행하는 것이 바람직하다.
이때, 댐퍼(130)는 창틀(150)과 소정 간격 이격되어 각형 부재(110a)에 부착되는 것이 바람직하다. 도 2a에서 볼 때, 상기 각형 부재(110a)의 하면, 즉 창틀(150)이 부착되는 면에는 댐퍼(130)와 함께 창틀(150)이 설치되는 부분이다. 따라서, 댐퍼(130)의 위치와 창틀(150)의 위치가 서로 겹치지 않도록 소정 간격 이격되어 설치되는 것이 바람직하다.
도 2b의 면진장치에서 각형 부재(110b)는 길이 방향에 수직한 단면 형상이 ㄷ자 형상으로 형성된다. 도 2b에서 볼 때, 상기 각형 부재(110b)의 상면, 즉 벽(W)과 마주보는 부분에 전단 스터드(140)가 부착된다. 상기 각형 부재(110b)의 양 측면의 일부 또한 벽(W)의 내부에 삽입됨은 도 2a의 실시예와 마찬가지이다.
도 2b의 실시예는 도 2a의 실시예에 비하여 전단 스터드(140)의 길이를 더 확장시킬 수 있다는 장점이 있다.
다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 면진장치의 작용에 대해 설명한다.
도 3은 지진 등이 발생할 경우 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 면진장치가 전단 변형된 상태의 평면도이다. 도 3에서는 편의상 창틀과 창문 및 전단 스터드를 생략하고 도시하였음을 밝혀 둔다.
지진 등이 발생하여 수직 방향의 하중이나 좌우 방향의 흔들림이 가해질 경우 면진장치는 전단 변형된다. 지진으로 인한 전단력(shear stress)은 프레임(110)에 먼저 가해지고, 그에 따라 결합부(115)에 회전력이 가해진다. 그 결과, 프레임(110)은 전단 변형되어 d만큼 변형된다. 이러한 변형은 댐퍼(130)에 압축력 또는 인장력을 가하여 댐퍼(130)를 소성 변형시키게 된다. 상기 댐퍼(130)가 소성 변형되면서 소성 거동에 의하여 에너지를 소산시킨다.
이와 같이 함으로써, 상기 면진장치(100)는 내진 성능이 충분하지 못한 철근콘크리트 혹은 조적식 건물의 개구부로부터 시작되는 균열과 구조손상을 지연시키고, 댐퍼의 이력 거동에 의해 지진에너지를 소산시키게 된다.
다음으로, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 면진장치의 제조방법에 대해 설명한다.
도 4는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 면진장치 제조방법의 흐름도이다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 면진장치의 제조방법은, 도 4를 참조하면, 프레임 제조단계(S10), 전단 스터드 용접단계(S20), 댐퍼 부착단계(S30), 창틀 및 창호 결합단계(S40)를 포함하여 이루어진다.
상기 프레임 제조단계(S10)는 4개의 각형 부재(110)가 서로 회동 가능하도록 사각 형상으로 프레임(120)을 형성하는 단계이다. 상기 각형 부재(110)의 단부끼리 힌지 방식 또는 약한 용접 방식에 의해 결합시켜 대략 직사각형상의 프레임(120)을 형성한다.
상기 전단 스터드 용접단계(S20)는 프레임(120)의 외측면에 복수개의 전단 스터드(140)를 용접하는 단계이다. 상기 전단 스터드(140)는 전 각형 부재(110) 마다 적절한 개수로 형성한다.
상기 댐퍼 부착단계(S30)는 프레임(120)의 각 내부 모서리와 삼각형을 이루도록 댐퍼(130)를 부착하는 단계이다.
상기 창틀 및 창호 결합단계(S40)는 프레임(120)의 내측면에 창틀(150)을 형성한 후, 상기 창틀(150)에 창문(160)을 끼워 넣는 단계이다.
도시되지 않았으나, 이후에는 전단 스터드(140)가 벽(W) 내부에 고정될 수 있도록 삽입하는 단계를 더 포함할 수 있다.
이상의 설명은 본 발명의 기술 사상을 예시적으로 설명한 것에 불과한 것으로서, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 본질적인 특성에서 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정, 변경 및 치환이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예 및 첨부된 도면들은 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예 및 첨부된 도면에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
본 발명에 의하면 창문과 같은 건물의 개구부에 설치함으로써 설치가 간편하고, 별도의 설치공간이 필요하지 않으며, 면진장치를 모듈화시킴으로써 제작 및 시공의 편의성을 향상시키는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 댐퍼의 위치를 프레임의 모서리에 한정시켜 개구부에서 거주자의 시야 방해를 최소화하고 미려한 외관을 얻을 수 있는 효과가 있다.
또한, 본 발명에 의하면 내진 성능이 충분치 못한 철근콘크리트 또는 조적식 건물의 개구부에 설치함으로써, 개구부로부터 시작되는 균열과 구조 손상을 지연시키고 댐퍼의 이력거동에 의하여 지진에너지를 소산시켜 구조물의 내진성능을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

Claims (7)

  1. 건물 개구부용 면진(免震)장치에 있어서,
    4개의 각형 부재가 서로 회동(回動) 가능하도록 사각 형상으로 결합된 프레임; 및
    상기 프레임의 각 내부 모서리와 삼각형을 이루도록 부착되는 댐퍼(damper)
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 건물 개구부용 면진장치.
  2. 제1항에 있어서, 상기 프레임은
    상기 각형 부재의 단부끼리 서로 힌지(hinge) 결합되는 것을 특징으로 하는 건물 개구부용 면진장치.
  3. 제1항에 있어서, 상기 프레임은
    상기 각형 부재의 단부끼리 서로 용접되는 것을 특징으로 하는 건물 개구부용 면진장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 각형 부재는 길이 방향에 수직한 단면 형상이 직사각형상 또는 ㄷ자 형상인 것을 특징으로 하는 건물 개구부용 면진장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 프레임의 외측면에는 복수개의 전단 스터드(stud)가 용접되는 것을 특징으로 하는 건물 개구부용 면진장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 프레임의 내측면에는 창틀이 결합되는 것을 특징으로 하는 건물 개구부용 면진장치.
  7. 건물 개구부용 면진장치의 제조방법에 있어서,
    (a) 4개의 각형 부재를 서로 회동가능하도록 사각 형상으로 결합시켜 프레임을 제조하는 단계;
    (b) 상기 프레임의 외측면에 복수개의 전단 스터드(stud)를 용접하는 단계;
    (c) 상기 프레임의 각 내부 모서리와 삼각형을 이루도록 댐퍼(damper)를 부착되는 단계; 및
    (d) 상기 프레임의 내측면에 창틀과 창문을 결합하는 단계
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 건물 개구부용 면진장치의 제조방법.
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