KR101337125B1

KR101337125B1 - 내진 시스템

Info

Publication number: KR101337125B1
Application number: KR1020110103768A
Authority: KR
Inventors: 최성진
Original assignee: 육영성
Priority date: 2011-10-11
Filing date: 2011-10-11
Publication date: 2013-12-06
Also published as: KR20130039239A

Abstract

본 발명은 구조물의 내진을 위한 시스템으로서, 구조물에 일체를 이루도록 수직되게 설치되는 빔부재; 빔부재의 양측에 각각 고정되고, 하방으로 경사지도록 연장되어 기초부에 각각 고정되며, 지진하중에 대하여 인장력 또는 압축력이 작용하는 다수의 와이어; 및 와이어에 작용하는 인장력 및 압축력에 저항하도록 와이어 각각의 하단과 기초부 사이에 설치되는 다수의 댐퍼를 포함하도록 한 내진 시스템에 관한 것이다.
본 발명에 따르면, 건축물의 층간 변위에 따른 내진에 적절한 시스템의 구성이 용이하고, 하중에 따른 맞춤형 설계가 간편하며, 내진 효율을 증대시키고, 교체 및 변경에 따른 비용이 저렴하도록 하여 경제적인 설치와 유지 및 관리가 가능하다.

Description

내진 시스템{EARTHQUAKE-RESISTANT SYSTEM}

본 발명은 내진 시스템에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 건축물의 층간 변위에 따른 내진에 적절한 시스템의 구성이 용이하고, 하중에 따른 맞춤형 설계가 간편하며, 내진 효율을 증대시키도록 구성된 내진 시스템에 관한 것이다.

일반적으로, 내진 구조물은 골조의 강도를 증대하여 지진에 견디도록 하는 한편, 연성을 고려하여 골조 자체에서 진동에너지를 흡수하도록 하여 건축물 등과 같은 구조물의 부분적인 파괴를 인정하더라도 전반적인 붕괴를 방지하도록 하는 구조물을 말한다.

이러한 내진 구조물은 구조물의 거주성, 기능성 및 안정성을 향상 및 확보하도록 하고, 이를 위해 구조물에 작용하는 지진에너지를 흡수 및 소산시키고, 구조물의 파괴 등으로 인한 인명 및 재산상 피해를 최소화하도록 한다.

종래에서 구조물에 내진을 위하여 설치되는 시스템은 구조물에서 변위가 크게 발생하는 곳에 설치되고, 구조물의 응답 가속도를 제한 수준 보다 낮게 줄여야 하며, 나아가서, 설치 전후를 대비하여 가속도, 변위, 밑변 전단력 모두를 감소시켜야 하고, 지진으로 인한 진동에너지를 흡수하여 변위를 억제함과 동시에 하중을 감소시키는 효과를 발휘하여야 한다.

그러나, 종래의 내진 시스템은 건축물의 층간 응답에 따라 댐퍼를 설치하여야 하고, 건축물의 층간 높이, 건축물의 기둥 개수, 건축물의 재료 등에 따라 지진의 응답이 다르며, 높은 건축물일수록 층간 변위의 차가 크게 됨으로써, 내진에 경제적이면서 효과적인 시스템을 개발하는데 어려움이 있으며, 지진 발생시 댐퍼 교체에 고가의 비용이 발생하게 되는 문제점을 가지고 있었다.

상기한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명은 건축물의 층간 변위에 따른 적절한 시스템의 구성이 용이하고, 내진 효율을 높일 수 있도록 하며, 교체 및 변경에 따른 비용과 시간을 절약하여 경제적인 설치와 유지 및 관리가 가능하도록 하는데 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적들은 이하의 실시예에 대한 설명을 통해 쉽게 이해될 수 있을 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 일 측면에 따르면, 구조물의 내진을 위한 시스템으로서, 상기 구조물에 일체를 이루도록 수직되게 설치되는 빔부재; 상기 빔부재의 양측에 각각 고정되고, 하방으로 경사지도록 연장되어 기초부에 각각 고정되며, 지진하중에 대하여 인장력 또는 압축력이 작용하는 다수의 와이어; 및 상기 와이어에 작용하는 상기 인장력 및 상기 압축력에 저항하도록 상기 와이어 각각의 하단과 상기 기초부 사이에 설치되는 다수의 댐퍼를 포함하는 내진 시스템이 제공된다.

상기 와이어는, 상기 빔부재의 일측마다 다수개가 서로 나란하도록 고정되기 위하여, 상기 빔부재의 일측에 일단이 수직방향으로 간격을 두고서 다수로 고정되고, 상기 기초부에 타단이 수평방향으로 간격을 두고서 다수로 고정될 수 있다.

상기 와이어는, 프리스트레스트가 가해지도록 미리 인장력이 가해진 프리텐션 와이어일 수 있다.

상기 빔부재는, 상기 구조물에 다수로 설치되고, 각각에서 상기 와이어가 상기 기초부에 대하여 배열되는 방향이 서로 직교할 수 있다.

상기 댐퍼는, 상기 와이어에 교차하는 방향으로 설치되고, 상기 인장력과 상기 압축력을 유체의 점성력을 이용하여 흡수하는 점성댐퍼로 이루어질 수 있다.

본 발명에 따른 내진 시스템에 의하면, 건축물의 층간 변위에 따른 내진에 적절한 시스템의 구성이 용이하고, 하중에 따른 맞춤형 설계가 간편하며, 내진 효율을 증대시키고, 교체 및 변경에 따른 비용이 저렴하도록 하여 경제적인 설치와 유지 및 관리가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내진 시스템을 도시한 사시도이고,
도 2 및 도 3은 비교예 1에 따른 응력분포를 나타낸 사시도이고,
도 4 및 도 5는 비교예 2에 따른 응력분포를 나타낸 사시도이고,
도 6 및 도 7은 비교에 3에 따른 응력분포를 나타낸 사시도이고,
도 8 및 도 9는 본 발명에 따른 내진 시스템의 실시예1에 따른 응력분포를 나타낸 사시도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고, 여러 가지 실시예를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고, 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니고, 본 발명의 기술 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 식으로 이해 되어야 하고, 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 실시예를 상세히 설명하며, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성요소에 대해서는 동일한 참조 번호를 부여하고, 이에 대해 중복되는 설명을 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내진 시스템을 도시한 사시도이다.

도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 내진 시스템(10)은 구조물(20)의 내진을 위한 시스템으로서, 빔부재(11)와, 와이어(wire; 12)와, 댐퍼(damper; 13)를 포함할 수 있다. 여기서, 구조물(20)은 일례로 프레임(21)을 포함하는 학교건물로 이루어질 수 있고, 이에 한하지 않고 다양한 건축물이 적용될 수 있다.

빔부재(11)는 구조물(20)에 일체를 이루도록 수직되게 설치되는데, 구조물(20)의 일부를 이루거나, 구조물(20)과는 별개로 이루어져서 구조물(20)에 수직되게 고정될 수 있는데, H 빔을 포함하여 다양한 부재로 이루어질 수 있다. 또한, 빔부재(11)는 본 실시예에서처럼 구조물(20)의 외측면에 위치하도록 마련되거나, 본 실시예와 달리 구조물(20)의 내측에 마련될 수 있다.

와이어(12)는 다수로 이루어져서 일례로 PC 강선으로 이루어질 수 있고, 빔부재(11)의 양측에 각각 고정되고, 하방으로 경사지도록 연장되어 기초부(30)에 각각 고정되며, 지진하중에 대하여 인장력 또는 압축력이 작용하고, 양단이 빔부재(11)와 기초부(30)에 용접 방식이나 별도의 고리 등을 이용하여 고정될 수 있다.

와이어(12)는 빔부재(11)의 일측마다 다수개가 서로 나란하도록 고정되기 위하여, 빔부재(11)의 일측에 일단이 수직방향으로 간격을 두고서 다수로 고정되고, 기초부(30)에 타단이 수평방향으로 간격을 두고서 다수로 고정될 수 있으며, 본 실시예에서는 빔부재(11)의 일측마다 4개가 고정됨으로써 빔부재(11) 각각에 대하여 8개가 고정된다. 여기서, 기초부(30)는 수평방향으로 간격을 두고서 다수로 고정되는 고정빔(31)에 와이어(12)의 하단이 각각 고정됨으로써 와이어(12)의 설치를 가능하도록 할 수 있다. 한편, 고정빔(31)은 본 실시예에서처럼 H빔을 비롯하여 다양한 형태의 부재를 가질 수 있다.

와이어(12)는 프리스트레스트(prestressed)가 가해지도록 미리 인장력이 가해진 프리텐션 와이어(pretension wire)로 이루어질 수 있다. 즉, 와이어(12)는 PC 강선에 인장력을 가하고, 빔부재(11)와 기초부(30)에 양단을 고정시킨 다음, 인장력을 해제시킴으로써 프리스트레스트가 가해지도록 하는 프레텐션 와이어일 수 있다.

댐퍼(13)는 다수로 이루어져서 와이어(12)에 작용하는 인장력 및 압축력에 저항하도록 와이어(12) 각각의 하단과 기초부(30) 사이에 설치되는데, 일례로 와이어(12)에 교차하는 방향으로 설치될 수 있고, 인장력과 압축력을 유체의 점성력을 이용하여 흡수하는 점성댐퍼로 이루어질 수 있다. 이를 위해 댐퍼(13)는 신축이 가능한 구조를 가지고서 내측에 점성을 가진 유체, 예컨대 오일이 채워지는 구조로 이루어지고, 신축방향이 와이어(12)에 교차하는 방향을 이루도록 설치될 수도 있다. 또한, 댐퍼(13)는 점성댐퍼와 함께 스프링댐퍼가 함께 마련될 수 있다. 여기서, 스프링댐퍼는 신축이 가능한 실린더 내에 스프링이 설치됨으로써 스프링의 탄성력에 의해 실린더가 신축됨으로써 댐핑력을 발생시키도록 한다. 한편, 댐퍼(13)는 와이어(12)의 하단과 기초부(30)에 양측이 직접 고정 내지 연결되거나, 연결부재(13a)에 의해 와이어(12)의 하단과 기초부(30)에 양측이 고정 내지 연결될 수 있다. 여기서, 연결부재(13a)는 와이어 또는 빔 형태를 비롯하여 다양한 부재로 이루어질 수 있다.

빔부재(11)는 본 실시예에서처럼 구조물(20)마다 다수로 설치될 수 있는데, 본 실시예에서는 구조물(20)에 2개가 설치됨을 나타내며, 이러한 빔부재(11) 각각에서 와이어(12)가 기초부(30)에 대하여 배열되는 방향(X,Y)이 서로 직교할 수 있다.

이와 같은 본 발명에 따른 내진 시스템의 작용을 설명하기로 한다.

본 발명은 빔부재(11)인 기둥을 중심으로 그 양측으로 PC 강선으로 이루어지는 와이어(12)가 다수로 배치되고, 지진하중, 예컨대 수평하중이 발생시 하중이 작용해 오는 방향의 와이어(12)에는 인장력이 작용하고, 빔부재(11)를 기준으로 그 반대쪽의 와이어(12)에는 압축력이 작용하게 된다. 와이어(12)에 압축력이 작용하게 되면 와이어(12) 자체가 세장하므로 압축력에 의해 쉽게 좌굴이 발생하게 되어 면외 영구변형을 발생할 우려가 있다. 따라서, 1차 해석에서 압축력이 작용한 힘만큼 시공시 양측의 와이어(12)에 미리 초기 인장력을 도입시킴으로써 후에 압축력이 작용하더라도 그 힘만큼 상쇄되어 인장상태 또는 영부재 상태로 유지되어 세장한 와이어(12)의 역할을 충분히 할 수 있게 한다.

또한, 와이어(12)와 기초부(30)의 하부 부분에 설치한 댐퍼(13)에서 1차적으로 발생한 인장력 및 압축력에 대하여 저항할 수 있도록 초기의 인장력 크기를 줄임과 아울러 분산시킬수 있도록 한다. 초기 인장력과 추가 발생되는 인장력의 합을 와이어(12)와 댐퍼(13)가 분산시키게 된다.

댐퍼(13)는 와이어(12)의 하부와 기초부(30)에 직접 연결될 수 있는데, 이와 달리, 댐퍼(13)가 와이어(12) 중간에 설치되는 경우 와이어(12)에 도입되는 초기 인장력에 의해 댐퍼(13)가 늘어나 초기 장력이 없어지므로 초기 장력의 의미가 사라지고, 지진하중에 대한 댐퍼(13)의 효과가 없게 된다. 또한, 국내의 지진하중이 일본의 지진하중 절대크기에 대해 약 1/3~1/5정도 수준이어서 일본에서 사용되는 부재 크기 및 초기 도입 장력의 크기가 우리나라에서 적용될 때에는 부재 크기 및 장력값이 줄어들 것으로 예상된다. 1차 구조해석을 통해 강선에 작용하는 압축력과 인장력을 확인한 후, 2차 해석시 작용한 압축력만큼 와이어(12)에 초기 인장력을 도입한다. 와이어(12)의 직경은 최초 작용시킨 초기 인장력과 지진하중 작용시 작용한 추가 인장력을 더한 하중을 기준으로 산정할 수 있다.

각 층에서 작용한 인장력을 지지할 수 있도록 구조물(20)의 중앙부분에 빔부재(11)를 설치할 수 있다. 빔부재(11)는 국내에서 생산되는 철골부재, 예컨대 압연 H형강 또는 용접 H형강으로 할 수 있고, 각 층마다 빔부재(11)를 구조물(20), 예컨대 학교건물에 고정시킬 수 있도록 횡보강재를 설치하고, 학교건물 외곽보와 벽체를 관통시켜 고정시킨다. 빔부재(11) 하부와 와이어(12)를 연결 고정시킬 수 있도록, 구조물(20)로서 일례인 학교건물의 앞부분 동결선 깊이 이하에 SRC(철골철근콘크리트)구조 기초보를 설치한다. 기초부(30)를 H형강이 삽입된 철골철근콘크리트조로 하고 신설기둥과 정착구를 PC(프리캐스트)부재를 사용하지 않고 철골부재로 변경함으로써 제작비와 공사비를 절감시킬 수 있다.

이하에서 본 발명에 따른 내진 시스템(10)에 의한 실시예1과 비교예1 내지 비교예3을 비교하기로 하며, 이들의 적용 구조물(20)은 학교건물로서, 적용기준이 건축구조설계기준(KBC2009, 건설교통부)과 콘크리트 구조설계기준(KCI-USD07, 한국콘크리트학회)이 적용되고, 사용되는 재료로서, 콘크리트가 fck=24N/mm²이고, 철근이 KSD3504 SD40 fy=400N/mm²이고, 강재가 SM490이며, 적용하중으로서, 중력방향 하중이 아래의 표 1과 같고, 지진하중이 아래의 표 2와 같으며, 단위하중조합이 아래의 표 3과 같다.

	교실, 복도	지붕	화장실	계단실
고정하중(kN/m²)	4.6	5.2	4.6	6.2
활하중 (kN/m²)	3	2	2.5	3

지역계수(S)	A=0.22(지진구역 I)
지반종류	Sc
내진등급	I
중요도계수	I_E=1.2
내진설계범주	D
반응수정계수(R)	4.5
변위증폭계수(Cd)	4
적용 수평성분	El Centro, 1940 지진

하중조건번호	하중조건이름	하중 종류
1	Self	자중
2	DL	고정하중
3	LL	활하중
4	EX	지진하중(X방향)
5	EY	지진하중(Y방향)
6	PT	프리텐션

비교예 1은 기본 구조물로만 이루어지고, 빔부재, 와이어, 댐퍼가 미설치된 예로서, 표 4에서 밑면전단력, 표 5에서 층간 변위, 표 6 및 표 7에서 X 방향과 Y 방향에서 시간이력 층간변위를 각각 나타낸다.

표 5는 층간변위(story drift)로서, Drift(Combined), 기본층간변위이고, 허용층간 변위=0.015hx(hx: 해당층 층고)이고, 하중조합(all)=DL(고정하중)+LL(활하중)+Self(자중)+EX+EY(지진하중)이다.

표 6 및 표 7은 시간이력 층간변위(Time history analysis)로서, 지진파 입력시 층간변위이고, 표 6은 X방향으로의 시간이력 층간변위로서 허용층간변위비(0.015)를 초과하고, 표 7은 Y방향으로의 시간이력 층간변위로서 허용층간변위비(0.015)를 초과한다.

또한, 비교예 1에 따른 응력분포는 도 2 및 도 3에 나타내는데, 응력분포는 초록색, 노란색, 오렌지색, 적색으로 갈수록 응력이 집중됨을 나타낸다.

비교예 2는 빔부재와 와이어만이 설치된 예로서, 표 8에서 밑면전단력, 표 9에서 층간 변위, 표 10 및 표 11에서 X 방향과 Y 방향에서 시간이력 층간변위를 각각 나타낸다.

표 9는 층간변위(story drift)로서, Drift(Combined), 기본층간변위이고, 허용층간 변위=0.015hx(hx:해당층 층고)이고, 하중조합(all)=DL(고정하중)+LL(활하중)+Self(자중)+EX+EY(지진하중)이다.

표 10 및 표 11은 시간이력 층간변위(Time history analysis)로서, 지진파 입력시 층간변위이고, 표 10은 X방향으로의 시간이력 층간변위로서 허용층간변위비(0.015)를 초과하고, 표 11은 Y방향으로의 시간이력 층간변위로서 허용층간변위비(0.015)를 초과한다.

또한, 비교예 2에 따른 응력분포는 도 4 및 도 5에 나타낸다.

비교예 3은 빔부재와 와이어만이 설치된 예로서, 와이어가 프레텐션 와이어가 사용된 예를 나타내며, 표 12에서 밑면전단력, 표 13에서 층간 변위, 표 14 및 표 15에서 X 방향과 Y 방향에서 시간이력 층간변위를 각각 나타낸다.

표 13은 층간변위(story drift)로서, Drift(Combined), 기본층간변위이고, 허용층간 변위=0.015hx(hx:해당층 층고)이고, 하중조합(all)=DL(고정하중)+LL(활하중)+Self(자중)+EX+EY(지진하중)+PT(프리텐션하중)이다.

표 14 및 표 15는 시간이력 층간변위(Time history analysis)로서, 지진파 입력시 층간변위이고, 표 14는 X방향으로의 시간이력 층간변위로서 초기인장력만을 도입했을 때 층간변위 저감 효과가 적으며, 표 15는 Y방향으로의 시간이력 층간변위로서 초기입장력만을 도입했을 때 층간변위 저감 효과가 적다.

또한, 비교예 3에 따른 응력분포는 도 6 및 도 7에 나타낸다.

실시예 1은 본 발명에 따른 내진 시스템로서, 빔부재, 와이어 및 댐퍼가 설치되고, 와이어는 프리텐션 와이어가 적용되는 예로서, 표 16에서 밑면전단력, 표 17에서 층간 변위, 표 18 및 표 19에서 X 방향과 Y 방향에서 시간이력 층간변위를 각각 나타낸다.

표 17에서 층간변위(story drift)로서, Drift(Combined), 기본층간변위이고, 허용층간 변위=0.015hx(hx:해당층 층고)이고, 하중조합(all)=DL(고정하중)+LL(활하중)+Self(자중)+EX+EY(지진하중)+PT(프리텐션하중)이다.

표 18 및 표 19는 시간이력 층간변위(Time history analysis)로서, 지진파 입력시 층간변위이고, 표 18은 X방향 시간이력 층간변위로서, 층간변위는 5층을 제외한 다른 층에서는 만족함을 나타내고, 표 19는 Y방향 시간이력 층간변위로서, 층간변위가 일부층에서는 줄어들었음을 나타낸다.

실시예 1에 따른 응력분포는 도 8 및 도 9에 나타낸다. 이와 같이, 본 발명에 따른 내진 시스템(10)을 학교건물 등의 구조물(20)에 추가할 경우, 충분히 허용층간변위를 만족시킬 수 있다.

이와 같이 첨부된 도면을 참조하여 본 발명을 설명하였으나, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 이루어질 수 있음은 물론이다. 그러므로, 본 발명의 범위는 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 안되며, 후술하는 특허청구범위뿐만 아니라 이러한 특허청구범위와 균등한 것들에 의해 정해져야 한다.

11 : 빔부재 12 : 와이어
13 : 댐퍼 20 : 구조물
21 : 프레임 30 : 기초부
31 : 고정빔

Claims

구조물의 내진을 위한 시스템으로서,
상기 구조물에 일체를 이루도록 수직되게 설치되는 빔부재;
상기 빔부재의 양측에 각각 고정되고, 하방으로 경사지도록 연장되어 기초부에 각각 고정되며, 지진하중에 대하여 인장력 또는 압축력이 작용하는 다수의 와이어; 및
상기 와이어에 작용하는 상기 인장력 및 상기 압축력에 저항하도록 상기 와이어 각각의 하단과 상기 기초부 사이에 설치되는 다수의 댐퍼;를 포함하고,
상기 와이어는,
상기 빔부재의 일측마다 다수개가 서로 나란하도록 고정되기 위하여, 상기 빔부재의 일측에 일단이 수직방향으로 간격을 두고서 다수로 고정되고, 상기 기초부에 타단이 수평방향으로 간격을 두고서 다수로 고정되고,
상기 빔부재는,
상기 구조물에 다수로 설치되고, 각각에서 상기 와이어가 상기 기초부에 대하여 배열되는 방향이 서로 직교하고,
상기 댐퍼는,
상기 와이어에 교차하는 방향으로 설치되고, 상기 인장력과 상기 압축력을 유체의 점성력을 이용하여 흡수하는 점성댐퍼로 이루어지는 것을 특징으로 하는 내진 시스템.
삭제
제 1 항에 있어서, 상기 와이어는,
프리스트레스트가 가해지도록 미리 인장력이 가해진 프리텐션 와이어인 것을 특징으로 하는 내진 시스템.
삭제
삭제