KR101321224B1 - 전단벽형 제진장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 상,하부 슬래브를 연결하는 벽체에 별도로 설치되어 연직하중을 지지하면서 풍하중과 지진하중을 포함하는 수평하중에 의한 진동 에너지를 탄소성 변형으로 흡수, 감쇠시키는 제진장치에 관한 것이다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따른 전단벽형 제진장치는, 상,하부 슬래브를 연결하는 벽체에 설치되어 수평하중을 흡수, 감쇠시키는 제진장치에 있어서, 하부 슬래브측에 연결되는 하부 박스형 프레임과; 하부 박스형 프레임의 상방에 위치하여 상부 슬래브측에 연결되어 있는 상부 박스형 프레임과; 하부 박스형 프레임의 상면에 장변 방향으로 배치되어 고정 장착된 하부 고정판과; 상부 박스형 프레임의 하면에 장변 방향으로 배치되어 고정 장착되어 하부 고정판과 마주 보도록 배치된 상부 고정판; 및 상,하부 고정판의 사이에 위치되어 일단이 상부 고정판에 고정되고 타단이 하부 고정판에 고정되어 수평 하중에 따른 탄소성 변형으로 외력을 감쇄 흡수하는 강재 댐퍼를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

전단벽형 제진장치{Shear wall type vibration control apparatus}

본 발명은 상,하부 슬래브를 연결하는 벽체에 별도로 설치되어 연직하중을 지지하면서 풍하중과 지진하중을 포함하는 수평하중에 의한 진동 에너지를 탄소성 변형으로 흡수, 감쇠시키는 제진장치에 관한 것이다.

제진(制振, Vibration Control)이란 건물의 경우 바람이나 지진 등에 의해 발생하는 진동을 제어하는 것을 말하고, 진동 제어를 위해 특별한 장치나 기구 즉, 제진장치를 설치한 구조를 제진구조라 한다. 제진의 목적은 바람이나 지진 등에 의해 구조물에 입력되는 진동에너지를 제진장치를 설치하여 소산시킴으로써 구조물의 안전성과 거주성을 향상시키는 데 있다.

제진의 방법으로는 외부에서 오는 진동과 이에 따른 구조물의 진동을 감지하는 기능을 구조물 자체에서 갖추고 구조물의 내부나 외부에서 구조물의 진동에 대응한 제어력을 가하여 구조물의 진동을 저감시키는 능동제어와 건물에 부가적인 에너지 소산 장치를 설치하여 구조물의 감쇠 성능을 향상함으로써 건물의 동적인 응답을 제어하는 수동제어가 있다.

수동형 제진장치는 크게 질량 동조형과 에너지 소산형으로 나눌 수 있다. 전자는 주로 건물의 최상부에 설치되어 주로 바람에 대한 거주성을 높이는 목적으로 설치되며, 후자는 주로 각 층에 설치되어 지진에 대한 안전성 및 바람에 대한 거주성을 높이기 위하여 사용된다.

에너지 소산형 제진장치는 다시 변위 의존형과 속도 의존형으로 나눌 수 있는데, 변위 의존형 장치는 재료 사이의 마찰력이나 금속의 소성변형에 의한 에너지 소산 특성을 이용한 것이고, 속도 의존형은 점성, 점탄성 물질이 변형할 때 열이 발생하며 진동에너지를 소산하는 특성을 이용하는 것으로 소산되는 에너지는 속도에 비례하여 커지는 특성이 있다.

속도 의존형의 제진장치의 일종인 유압댐퍼는 강재댐퍼에 비하여 내진성능이 우수하여, 중, 강진이 전국적으로 빈번하게 발생하는 일본에서 주로 사용되고 있다. 그런데, 이러한 유압댐퍼는 고가이므로, 지진의 발생빈도가 낮고 지진의 강도가 높지 않은 우리나라에는 불필요할 정도로 과다한 공법이다. 반면, 강재댐퍼는 유압댐퍼에 비하여 내진성능은 다소 떨어지지만 시공비가 저렴하므로, 철골 구조물 보강용으로 사용되고 있다.

그런데 상술한 강재댐퍼를 이용한 제진구조는 대부분 가새 형상의 타입으로 공간적 장애요인이 발생하여 가변형 구조에 적합하지 않으며, 지진발생 후 교체가 번거로운 단점이 있다. 따라서 가변형 구조를 요하는 RC구조물의 제진구조에 적용이 곤란하며, 지진발생 후 제진장치를 다시 설치하는데 비효율적이다.

따라서 상술한 유압댐퍼를 이용한 제진구조와 강재댐퍼를 이용한 제진구조가 가진 문제점, 즉 경제성 및 공간적 장애에 대한 문제점을 해결할 수 있으며, 합리적인 비용으로 최적의 지진 제어 효과를 얻을 수 있을 뿐만 아니라 지진하중 이외에 풍하중을 포함한 수평하중에 대해서도 효과를 얻을 수 있는 새로운 제진댐퍼의 필요성이 절실히 요구되고 있는 실정이다.

우리나라에서 공동주택은 수십년간 축적된 설계 노하우와 경제성 등으로 벽식의 철근콘크리트조 건축물이 주류를 이루고 있고, 벽체는 구조적으로 내력벽 및 전단벽으로써 연직하중을 지지하면서 수평하중에 대해 매우 유효하게 저항한다. 따라서 본 발명은 전단벽에 설치되어 공간적 제약이 없이 수평하중을 흡수, 감쇠시킬 수 있는 새로운 형태의 제진장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따른 전단벽형 제진장치는,

상,하부 슬래브를 연결하는 벽체에 설치되어 수평하중을 흡수, 감쇠시키는 제진장치에 있어서,

하부 슬래브측에 연결되는 하부 박스형 프레임과;

하부 박스형 프레임의 상방에 위치하여 상부 슬래브측에 연결되어 있는 상부 박스형 프레임과;

하부 박스형 프레임의 상면에 장변 방향으로 배치되어 고정 장착된 하부 고정판과;

상부 박스형 프레임의 하면에 장변 방향으로 배치되어 고정 장착되어 하부 고정판과 마주 보도록 배치된 상부 고정판; 및

상,하부 고정판의 사이에 위치되어 일단이 상부 고정판에 고정되고 타단이 하부 고정판에 고정되어 수평 하중에 따른 탄소성 변형으로 외력을 감쇄 흡수하는 강재 댐퍼를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명의 다른 적절한 실시 형태에 따른 전단벽형 제진장치에 적용되는 강재 댐퍼는, 일정한 두께와 면적을 가지는 강판에 다수 개의 원형 구멍을 천공하되, 원형 구멍들은 강판의 수직한 양쪽 단부면에 대해 일정한 경사를 가지고 강판의 폭방향으로 서로 일정한 간격을 가지는 경사 영역을 설정하고 경사 영역을 회피하여 경사 영역과 나란한 방향을 따라 높이방향으로 서로 일정한 간격을 두고 배치된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따른 전단벽형 제진장치에 적용되는 강재 댐퍼는 동일한 구조를 갖고 마주하여 설치되는 한 쌍의 강판으로 구성된 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따른 전단벽형 제진장치는, 하부 박스형 프레임에 서로 직교 교차하는 브레이스가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명의 또 다른 적절한 실시 형태에 따른 전단벽형 제진장치는, 상부 박스형 프레임에 서로 직교 교차하는 브레이스가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 전단벽형 제진장치는 상,하부 박스형 프레임에 의해 연직하중을 지지하고 수평하중 작용시 강재 댐퍼의 탄소성 변형으로 수평하중을 흡수, 감쇠시키는 것으로, 전단벽과 일체로 구성됨으로써 수평하중을 흡수, 감쇠시키기 위해 별도로 가새를 설치함에 따라 발생하는 공간적 제약이 없다는 이점을 가진다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니된다.
도 1은 본 발명의 실시 예에 따른 전단벽형 제진장치가 설치된 상태를 나타낸 정면도.
도 2는 도 1의 일측면도.
도 3은 도 1의 요부확대도.
도 4는 도 2의 요부확대 단면도.
도 5는 본 발명의 실시 예에 따른 전단벽형 제진장치에 포함되는 강재 댐퍼의 분해사시도.
도 6은 본 발명의 실시 예에 따른 전단벽형 제진장치에 포함되는 강재 댐퍼의 정면도.
도 7의 (a)는 변형 성상을 나타낸 정면도이고 (b)는 이력 거동을 나타낸 그래프.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

도 1 내지 도 4에 도시된 것처럼, 본 발명의 제진장치는 하부 슬래브(12)와 상부 슬래브(16)를 연결하는 벽체에 설치된다.

하부 슬래브(12)측에는 하부 박스형 프레임(14)이 연결되어 있다. 하부 박스형 프레임(14)은 다수의 전단연결재(15)를 통하여 하부 슬래브(12)에 연결된다.

하부 박스형 프레임(14)은 강재로 제작된다. 하부 박스형 프레임(14)은 내부가 비어 있고 둘레를 따라 일정한 두께를 갖는 사각 원통형으로 구성된다. 하부 박스형 프레임(14)의 사각 원통 길이는 벽체의 두께(T)보다 작게 구성된다. 따라서 하부 박스형 프레임(14)의 양측면으로 피복 콘크리트가 형성된다. 본 실시 예에서 하부 박스형 프레임(14)은 4변의 길이가 모두 동일한 정사각 형태로 구성되어 있으나 좌우 길이 방향이 높이 방향보다 긴 형태로 구성할 수도 있다.

이때 하부 박스형 프레임(14)에는 서로 직교 교차하는 브레이스(140,140)가 더 설치될 수 있다. 본 실시예에서 브레이스(140,140)는 양단이 용접을 통해 하부 박스형 프레임(14)에 접합되어 있다. 브레이스(140,140)에 의해 하부 박스형 프레임(14)은 연직 하중에 대한 버팀력이 증대되고 수평 하중에 대한 저항 변형력이 커지게 된다.

하부 박스형 프레임(14)의 상방에 위치하여 상부 슬래브(16)측에 연결되어 있는 상부 박스형 프레임(18)이 설치된다. 상부 박스형 프레임(18)도 동일한 전단연결재(15)를 통해 상부 슬래브(16)에 연결된다. 상부 박스형 프레임(18)은 하부 박스형 프레임(14)과 동일한 형상과 구조를 갖는다. 이때 상부 박스형 프레임(18)에는 서로 직교 교차하는 브레이스(180,180)가 더 설치될 수 있다.

하부 박스형 프레임(14)의 상면에는 장변 방향(도면에서 좌우방향)으로 배치되어 용접으로 접합된 하부 고정판(20)이 설치되고, 상부 박스형 프레임(18)의 하면에는 장변 방향으로 배치되어 용접으러 접합되어 하부 고정판(20)과 마주 보도록 상부 고정판(22)이 설치된다.

상,하부 고정판(22,20)의 사이에는 강재 댐퍼(30)가 설치된다. 강재 댐퍼(30)는 일단이 상부 고정판(22)에 고정되고 타단이 하부 고정판(20)에 고정되어 수평 하중에 따른 탄소성 변형으로 외력을 감쇄 흡수한다.

강대 댐퍼(30)는 기본적으로 일정한 두께와 면적을 가지는 강판(31)에 다수 개의 원형 구멍(32)을 천공한 것이다. 강판(31)의 두께와 강판(31)의 면적에 대한 전체 원형 구멍(32)의 면적은 해석에 의해 강재 댐퍼(30)의 에너지 소산능력이 결정되면 그에 따라 설계에 의해 적절히 결정될 수 있다. 그리고 전체 원형 구멍의 면적이 결정되면 각 원형 구멍의 크기와 배치 모양이 결정된다.

이 실시예에 따른 강재 댐퍼(30)는 인장역(Tension field)을 스트립 모델로 평가하여 탄성좌굴강도로서 내력을 평가하는 것으로 도6에서와 같이 원형 구멍(32)들은 강판(31)의 수직한 양쪽 단부면에 대해 일정한 경사를 가지고 강판(31)의 폭방향으로 서로 일정한 간격을 가지는 경사 영역(33)을 설정하고 경사 영역(33)을 회피하여 경사 영역(33)과 나란한 방향을 따라 높이방향으로 서로 일정한 간격을 두고 배치된다.

경사 영역(33)의 폭은 이 실시예에 따른 댐퍼에 요구되는 에너지 소산능력에 의해 결정될 수 있다. 따라서 도6에서와 같이 5개의 경사 영역(33)이 설정된 경우 맨 좌측에서 맨 우측으로 원형 구멍(32)은 각각 1개, 3개, 4개, 4개, 4개, 2개가 배치된 형태가 된다. 그러나 본 발명에 이에 제한되는 것은 아니며 설정되는 경사 영역(33)의 수 및 각 원형 구멍(32)의 크기 등에 따라 원형 구멍(32)은 개수는 변경될 수 있다.

한편, 강판(31)의 상하단은 볼트 접합으로 고정판(20,22)에 고정된다. 도 2 및 도 5에서는 고정판(20,22)이 판재 형상을 가지는 것으로 도시되었으나 강재 댐퍼(10)의 설치 환경에 따라 고정판(20,22)의 형상은 적절히 변경될 수 있다.

도 7의 (a)에 도시된 것처럼 이 실시예에 따른 강재 댐퍼(30)는 원형 구멍(32) 사이의 경사 영역(33)으로 탄소성변형을 유도하고 이 탄소성변형으로 지진 에너지를 소산하게 되며 이력 거동은 도 7의 (b)에 나타낸 것과 같다. 이처럼 이 실시예에 따른 강재 댐퍼(30)는 내력을 전단좌굴강도로 평가하지 않고 인장역(Tension field)을 스트립 모델로 평하여 탄성좌굴강도로서 내력을 평가할 수 있다. 또한 기존의 강판전단벽에 비해 펀칭의 영향이 적고 원형 구멍에 의해서 시각적으로 거부감이 감소하게 되는 특징이 있다.

이때 강재 댐퍼(30)는 본 실시 예와 같이 동일한 구조를 갖고 서로 마주하여 설치되는 2개의 강판(31,31)을 사용하여 구성될 수도 있다.

이상과 같이 구성되는 본 발명의 일 실시예에 따른 전단벽형 제진장치는 상,하부 슬래브(16,12)의 사이에 위치된 상,하부 박스형 프레임(18,14)에 의해 연직하중을 지지하고 설계하중보다 큰 수평하중 작용시 강재 댐퍼(30)가 탄소성 변형하면서 수평하중을 흡수, 감쇠시킨다. 전단벽형 제진장치는 피복 콘크리트에 의해 피복되어 외관상 전단벽과 일체화된 구조를 가짐으로써 수평하중을 흡수, 감쇠시키기 위해 별도로 가새를 설치할 때 발생하는 것과 같은 공간적 제약이 없다.

또한, 뛰어난 지진 에너지 흡수력을 가짐으로써 강한 외력이 입력될지라도 강재가 가지는 탄성변형 및 소성변형 능력으로 많은 에너지를 흡수하여 보와 기둥 등 주요부재를 탄성에 머무르게 함으로써 건물을 보호한다.

또한, 설치 및 시공이 용이하다. 건식공법을 활용한 볼트 조립식으로 기둥에 설치되도록 설계되어 현장설치가 빠르며 시공이 간편하다.

또한, 유지관리 및 보수가 용이하다. 설치 후 특별한 유지관리가 필요하지 않으며 소성변형 또는 파괴시 볼트 조립만으로 댐퍼의 교체가 가능하다.

지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

12: 하부 슬래브
14: 하부 박스형 프레임
16: 상부 슬래브
18: 상부 박스형 프레임
20: 하부 고정판
22: 상부 고정판
30: 강재 댐퍼
31: 강판
32: 원형 구멍
33: 경사 영역
140,180: 브레이스

Claims (5)

1. 상,하부 슬래브를 연결하는 벽체에 설치되어 수평하중을 흡수, 감쇠시키는 제진장치에 있어서,
   하부 슬래브(12)측에 연결되는 하부 박스형 프레임(14)과;
   하부 박스형 프레임(14)의 상방에 위치하여 상부 슬래브(16)측에 연결되어 있는 상부 박스형 프레임(18)과;
   하부 박스형 프레임(14)의 상면에 장변 방향으로 배치되어 고정 장착된 하부 고정판(20)과;
   상부 박스형 프레임(18)의 하면에 장변 방향으로 배치되어 고정 장착되어 하부 고정판(20)과 마주 보도록 배치된 상부 고정판(22); 및
   상,하부 고정판(22,20)의 사이에 위치되어 일단이 상부 고정판(22)에 고정되고 타단이 하부 고정판(20)에 고정되어 수평 하중에 따른 탄소성 변형으로 외력을 감쇄 흡수하는 강재 댐퍼(30)를 포함하며,
   강재 댐퍼(30)는 일정한 두께와 면적을 가지는 강판(31)에 다수 개의 원형 구멍(32)을 천공하되, 원형 구멍(32)들은 강판(31)의 수직한 양쪽 단부면에 대해 일정한 경사를 가지고 강판의 폭방향으로 서로 일정한 간격을 가지는 경사 영역(33)을 설정하고 경사 영역(33)을 회피하여 경사 영역(33)과 나란한 방향을 따라 높이방향으로 서로 일정한 간격을 두고 배치된 것을 특징으로 하는 전단벽형 제진장치.
2. 삭제
3. 청구항 1에 있어서,
   강재 댐퍼(30)는 동일한 구조를 갖고 마주하여 설치되는 한 쌍의 강판(31,31)으로 구성된 것을 특징으로 하는 전단벽형 제진장치.
4. 청구항 1에 있어서,
   하부 박스형 프레임(14)에는 서로 직교 교차하는 브레이스(140,140)가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전단벽형 제진장치.
5. 청구항 1에 있어서,
   상부 박스형 프레임(18)에는 서로 직교 교차하는 브레이스(180,180)가 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 전단벽형 제진장치.

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