KR101379591B1 - 포크형 감쇠기 및 이의 사용 방법 - Google Patents

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콘스탄틴 크리스토폴로스
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Abstract

상대 운동과 변형을 받는 구조물의 두 요소를 서로 연결하며, 전체 구조물이 하중 조건에 있을 때 감쇠 수준을 증가시키는 새로운 구성의 감쇠기가 개시된다. 이 새로운 구성의 감쇠기는 구조물 시스템에 동적 하중이 작용할 때 변위, 속도 및 가속도를 제어하는데 도움을 준다.

Description

포크형 감쇠기 및 이의 사용 방법{FORK CONFIGURATION DAMPERS AND METHOD OF USING SAME}
본 발명은 빌딩, 교량 및 다른 구조물에 사용되는 감쇠 시스템에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 상대 운동과 변형을 받는 구조물의 두 요소를 서로 연결하는 감쇠기로서 전체 구조물이 하중 조건에 있을 때 감쇠 수준을 증가시킬 수 있는 새로운 구성의 감쇠기에 관한 것이다. 이 새로운 구성의 감쇠기는 구조물 시스템에 동적 하중이 작용할 때 변위, 힘, 속도 및 가속도를 제어하는데 도움을 준다.
보강 콘크리트 전단벽, 구조 강 지지 프레임, 구조 강 또는 보강 콘크리트 모멘트 프레임 또는 이들의 조합과 같은 전형적인 건축 요소를 사용하는 현대의 빌딩은 고유의 감쇠 특성이 낮다. 이렇게 고유의 감쇠율이 낮기 때문에, 특히 고층 빌딩은 동적 하중에 의해 야기되는 과도한 진동에 민감한 경향이 있다. 과도한 가속도와 비틀림 속도는 빌딩내의 사람들을 불안하게 만들고, 과도한 변위는 비구조 또는 구조 요소에 손상을 줄 수 있다. 이러한 이유로 이런 과도한 진동을 제어하고 동적 하중에 대한 전체 빌딩의 반응을 줄이기 위해서는 추가적인 감쇠원을 제공하는 것이 유리하다.
그러한 구조물에서 변위, 힘, 속도 및 가속도를 제어하기 위해 현재 이용가능한 시스템은 능동형 시스템은 물론 보충 감쇠기와 진동 흡수기와 같은 수동형 시스템으로 이루어져 있다.
히스테리시스 감쇠기, 점성 감쇠기 및 점탄성 감쇠기와 같은 수동형 보충 감쇠기가 현재 전형적인 지지 구조에 사용되고 축방향 변형하에 작동된다. 이는 일부 구조물에 감쇠를 추가하는데 효과적이지만 (이러한 전형적인 지지 구조하에서는 지지 요소가 상당한 축방향 변형을 받게 된다), 기본 모드의 측방 변형은 전형적인 지지요소에서 그러한 감쇠기를 작동시키는데 충분한 축방향 변형을 야기하지 못하는 고층 빌딩과 같은 다른 구조물 시스템에는 덜 효과적이다. 감쇠기를 작동시키는데 충분한 정도로 변형을 증가시키기 위해 변위를 증폭시키기 위해 토글(toggle) 지지기 또는 가위형 지지기를 사용하는 특수한 구성이 사용된다.
그러한 구조물의 휨, 힘, 속도 및 가속도를 줄이기 위해 진자형 감쇠기(TMD: Tuned Mass Damper) 및 동조 액체 감쇠기(TLD: Tuned Liquid Damper) 와 같은 진동 흡수기도 사용된다. 전형적으로 이들은 그 효과를 최대로 발휘하기 위해 빌딩의 정상 층에 설치되는 기계적 진동 시스템으로 이루어져 있다. 이는 설계와 건축에 비용이 많이 든다는 것 외에도 빌딩 내의 가장 중요한 물적 재산의 일부를 소모한다는 단점이 있다. 또한, 이들은 한정된 진동수 범위에서 작용하게 된다.
능동형 시스템은 외부 전력원, 작동력 및 광범한 하드웨어와 소프트웨어 제어 시스템을 필요로 한다. 그 결과, 이 능동형 시스템은 설계와 실시에 비용이 많이 들며 제어 시스템의 전력 공급 중단 또는 실패에 민감하다.
본 발명의 목적은 기존의 시스템의 단점들 중 적어도 하나를 극복할 수 있는 신규한 구조물용 감쇠 시스템을 제공하는 것이다. 특히, 감쇠 시스템이 구조물에 추가적인 감쇠를 제공하도록 하는 것이 본 발명의 목적이다.
일 양태에 따르면 본 발명은 빌딩 등의 벽과 같은 측방 하중 저항 구조물 사이에 설치되며 손가락 사이에 끼듯이 결합하는 판들의 세트를 포함하는 감쇠 시스템을 제공한다. 제 1 세트는 일단부에서 한 벽에 부착되며 다른 단부에서는 제 2 세트와 함께 협력하게 된다. 제 2 세트는 유사하게 제 2 벽에 부착되도록 되어 있다. 각 세트의 판 부재 사이에는 에너지 소산 재료가 개재된다. 적절한 에너지 소산 재료는 당업계에 알려져 있고 측방 변형시 흡수된 에너지를 소산시킬 수 있으면서 찢어지거나 또는 다르게 영구 변형되는 일이 없이 구조물에서 일어나는 측방 변형을 견디기에 충분한 강도를 지닌 재료를 포함한다. 예컨대 강한 바람이 불어 두 벽이 서로에 대해 움직일 때, 이들 벽의 평면내 상대 변형(두 직교 방향으로 일어남)은 판들의 서로에 대한 상대 변위의 결과로 인한 상기 세트의 판들 사이의 에너지 소산 재료의 작용에 의해 감쇠된다.
따라서, 본 발명의 일 양태에 따르면 제 1 세트의 하나 이상의 판 및 연결수단에 의해 이 판에 연결되는 제 2 세트의 하나 이상의 판을 포함하는 구조물용 감쇠 시스템이 제공되며 상기 제 1 세트의 판은 상기 구조물내의 제 1 측방 하중 저항 구조 요소에 연결되는데 적합한 제 1 단부를 가지며 상기 제 2 세트의 판은 상기 구조물내에서 상기 제 1 하중 저항 구조 요소에 인접하여 위치하는 제 2 측방 하중 저항 구조 요소에 연결되는데 적합한 제 2 단부를 갖고, 상기 연결 수단은 제 1 세트의 판을 제 2 세트의 판에 연결하며 에너지 소산 재료를 포함한다.
바람직하게는 상기 판의 두 세트는 실질적으로 서로 평행하게 이격된 다수의 판을 포함하고, 제 1 세트의 판들은 제 2 세트의 판들과 손가락 사이에 끼듯이 결합하게 된다. 또한 바람직하게는 상기 세트들의 판은 구조물의 어떤 높이에서 동일한 면에 위치되는 두개의 상이한 측방 하중 저항 요소(전단벽, 강 지지부재 또는 기둥)의 두 상호 반대편 단부에 부착된다. 측방 하중 저항 요소 사이의 거리에 맞게 길이가 연장된 연장 요소가 감쇠기의 어느 한 단부 또는 양 단부에 사용될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 구조물의 서로 인접한 두 측방 하중 저항 구조 요소 사이에 전술한 바와 같은 감쇠 시스템을 적어도 하나 설치하는 단계를 포함하여 구조물에서 감쇠를 증가시키는 방법이 제공된다.
본 발명의 다른 양태에 따르면, 전술한 바와 같은 감쇠 시스템을 적어도 하나 포함하며 증가된 감쇠를 갖는 구조물이 제공된다.
당업자라면 본 발명의 다른 이점과 특징적인 점들은 첨부된 도면과 함께 이하의 상세한 설명으로부터 명백히 알 수 있을 것이다.
이제 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 단지 예시적으로 보다 자세히 설명하도록 한다.
도 1a 는 전형적인 빌딩에서 연결된 전단벽의 측면도이다.
도 1b 는 전형적인 빌딩에서 구조 강 지지 프레임의 측면도이다.
도 1c 는 전형적인 빌딩에서 구조 강 또는 보강 콘크리트 모멘트 프레임의 측면도이다.
도 1d 는 전형적인 빌딩에서 측방 하중 저항 시스템인 구조강 지지 프레임 과 보강 콘크리트 전단벽이 조합된 것을 나타내는 측면도이다.
도 2a 는 고층 빌딩의 두 전단벽의 측면도로, 개시된 본 발명이 전단벽 사이에 연결되어 존재한다.
도 2b 는 고층 빌딩의 구조 강 지지 프레임의 측면도로, 개시된 본 발명이 지지 프레임 사이에 연결되어 존재한다.
도 2c 는 고층 빌딩의 구조 강 또는 보강 콘크리트 모멘트 프레임의 측면도로, 개시된 본 발명의 일 실시형태가 모멘트 저항 프레임 사이에 연결되어 존재한다.
도 2d 는 고층 빌딩에서 측방 하중 저항 시스템인 구조 강 지지 프레임과 이에 연결된 보강 콘크리트 전단벽이 조합된 것의 측면도로 개시된 본 발명의 일 실시형태가 강 지지 프레임과 콘크리트 전단벽 사이에 연결되어 존재한다.
도 3 은 5개의 강판에 연결된 4개의 강판과 이들 강판 사이에 끼워진 4개의 고감쇠 재료층을 포함하는 본 발명의 구성을 나타내는 일련의 도이다(직교도, 부분도, 평면도 및 측면도).
도 4 는 제안된 고정 시스템을 갖는 에너지 소산 재료의 대안적인 구성과 연결부 구성의 일 예를 나타내는 한쌍의 도(직교도 및 평면도)로, 감쇠기가 두 전단 벽 사이에 연결되어 있다.
도 5 는 두 전단벽에 사이에 연결되는 감쇠기 시스템을 구성하는데 선택적 연장 요소가 사용되는 본 발명의 실시형태의 한쌍의 도이다 (직교도 및 평면도).
도 6a 는 변형을 받는 두 전단벽의 직교도로, 개시된 본 발명이 벽들 사이에 연결되어 존재한다.
이제 도 1a ∼ 1d 를 참조하면 중고층 빌딩의 건설을 위한 종래 기술의 예들이 나타나 있는데 즉 연결된 보강 콘크리트 전단벽 (114) 을 사용하는 예(도 1a), 구조강 지지 프레임을 사용하는 예 (120)(도 1b), 구조강 또는 보강 콘크리트 모멘트 프레임을 사용하는 예 (130)(도 1c), 이들의 조합을 사용하는 예 (140)(도 1d) 가 나타나 있다. 빌딩이 바람 하중 또는 지진 하중을 받기 때문에 연결빔 (116, 128, 134, 144) 또는 측방 지지부재 (126, 148) 는 어떤 상당한 감쇠를 주지 않고 변형된다.
도 1a 를 참조하면 보강 콘크리트 전단벽 (114) 를 사용하는 구조물 (110) 은 전단벽 (114) 사이의 개구 (112) 에 위치하는 콘크리트 연결빔 (116) 을 갖는다. 유사하게, 도 1b 에서 보는 바와 같이 강 기둥 (124) 과 지지부재 (126) 를 사용하는 구조물 (120) 은 기둥 (124) 사이의 개구 (122) 에 위치하는 강 연결빔 (128) 을 갖는다. 기둥 (132) 과 연결빔 (134) 으로만 이루어진 대안적인 강 구조물 (130) 이 도 1c 에 나타나 있다. 도 1d 에 나타낸 구조물은 조합 구조물 (140) 로, 콘크리트 전단벽 (142) 과 강 기둥 (150) 및 지지물 (148) 은 개구 (146) 에 의해 분리되어 있고 연결빔 (144) 으로 연결되어 있다.
도 2a ∼2d 에서, 본 발명의 일 실시형태에 따른 감쇠 시스템 또는 감쇠기 (10) 는 도 1a ∼ 1d 에 나타난 구조물의 연결빔 (116, 128, 134, 144) 또는 측방 지지요소 (126, 148)중 하나 이상을 대체하고 있다. 이렇게 해도 내부 공간의 손실은 없는데, 왜냐하면 감쇠기 (10) 는 단지 연결빔 또는 측방 지지요소를 대체할 뿐이고, 그렇지 않으면 연결빔 또는 측방 지지요소가 차지할 영역 내에 설치되기 때문이다. 이로써, 빌딩이 동적인 바람 또는 지진 하중을 받을 때, 감쇠기 (10) 가 변형되어 보충적인 감쇠를 시스템에 제공하게 된다.
도 3 ∼ 5 을 다양하게 참조하면 상기 감쇠 시스템 (10) 은 제 1 세트의 강판 (310) 및 이 강판과 손가락 사이에 끼듯이 결합해 있는 제 2 세트의 하나 이상의 유사한 강판 (312) 으로 구성되어 있으며 제 2 세트의 강판은 접착제 층으로 단단히 부착되어 있는 에너지 소산 재료 (320) 의 개재층을 통해 제 1 세트의 강판에 연결되어 있다. 두 세트의 강판에 있어서 연결된 단부의 반대쪽에 있는 단부는 한쌍의 인접 측방 하중 저항 요소 (330), 즉 콘크리트 전단벽에 끼워지거나 또는 이 콘크리트 전단벽에 고정식으로 볼트체결됨으로써 측방 하중 저항 요소 또는 콘크리트 전단벽에 구조적으로 연결된다. 판 (310, 312) 은 필요한 구조적 완전성(integrity)을 빌딩에 부여하고 또한 측방 하중 저항 요소 (330) 의 운동을 따르는데 충분한 강성을 지니고 있는데 따라서 측방 하중 저항 요소 (330) 의 두 단부 사이의 운동차를 크게 할 수 있다. 이 운동차로 인해 두 세트의 판 (310, 312) 사이의 에너지 소산 재료 (320) 가 전단된다. 도 3 은 5개의 판 (312) 에 연결된 4개의 판 (310) 을 포함하는 감쇠 시스템의 구성의 일 예를 나타낸다. 4개의 판 (310) 은 에너지 소산 재료 (320) 의 디스크를 통해 5개의 판 (312) 에 연결된다. 에너지 소산 재료 (320) 의 층은 8개가 있는데 이들 층은 그들이 부착되어 있는 측방 하중 저항 요소 (330) 가 측방 변형을 받을 때 전단 변형을 받게 된다.
사용되는 에너지 소산 재료 (320) 는 고감쇠 고무 또는 고감쇠 점탄성 재료이거나 또는 에너지를 소산시킬 수 있는 다른 재료(변위 종속적 또는 속도 종속적인) 이다.
도 4 는 본 발명에 따른 감쇠 시스템 (10) 의 다른 실시예를 나타내는데 이 감쇠 시스템은 제 1 세트의 4개의 판 (410) 및 에너지 소산 재료 (420) 의 더 큰 직사각형 섹션에 의해 도 3 에서와 같이 제 1 세트의 판에 연결된 제 2 세트의 5개의 판 (412) 을 포함한다. 사용되는 판의 갯수와 에너지 소산 재료의 길이, 폭, 두께 및 형상은 그 감쇠 효과를 최대로 하기 위해 특정 적용에 감쇠 시스템을 맞추기 위해 변화시킬 수 있다. 또한 도 4 에는 감쇠 시스템 (10) 을 측방 하중 저항 요소 (430) 에 고정시키기 위해 판 (412) 의 일 단부에 위치된 고정 시스템 (414) 이 나타나 있다.
도 5 에는 감쇠기 (510) 의 에너지 소산부가 개별적으로 구성되어 강성의 연장 요소 (520) 에 연결되어 있는 감쇠 시스템 (10) 의 구성이 나타나 있다. 상기 연장 요소는 나중에 예컨대 건설 현장에서 측방 하중 저항 요소 (530) 에 구조적으로 연결되도록 되어 있다. 나타난 구성에서 판들은 강성의 연장 요소에 연결되기 위해 세트로 함께 결합 된다.
도 6a 에는 측방 변형을 받는 구조물 (610) 이 나타나 있다. 감쇠 시스템 (10) 은 물론 전단벽 (614) 을 연결하는 연결빔 (616) 도 변형된다.
따라서, 본 발명의 바람직한 실시형태는 추가적인 감쇠를 제공하기 위해 조 성에 무관하게 둘 이상의 측방 하중 저항 구조 요소 사이의 평면내 상대 변형(두 직교 방향으로 일어남)을 이용한다.
삭제
본 발명의 바람직한 실시형태는 현재의 감쇠 시스템에 비해 상대적으로 저렴한 감쇠 시스템을 제공한다.
바람직한 실시형태에 따르면 감쇠 시스템이 설치되는 빌딩 구조를 건축학 적, 구조적으로 크게 변경하지 않고 설치될 수 있으며 또한 구성이 용이하며 통상적인 감쇠 시스템을 간단히 대체할 수 있는 감쇠 시스템이 제공된다.
여기서 설명한 본 발명의 실시형태들은 바람 하중, 지진 하중 및 폭발 하중과 같은 측방 하중을 받는 빌딩에 관한 것이지만 당업자라면 다른 구조물에도 본 발명이 비제한적으로 유용하게 적용될 수 있음을 명백히 알 수 있을 것이다.
이상으로 본 발명의 현재의 바람직한 실시형태에 대한 설명을 마친다. 전술한 설명은 실례를 들기 위한 목적으로 주어진 것이며 개시된 특정 형태만 있는 것이 아니며 또는 본 발명을 이에 한정하려는 것도 아니다. 당업자에게는 명백하듯이 전술한 교시에 비추어 많은 수정과 변경이 가능하다. 예컨대, 제 1, 2 세트를 구성하는 판을 강으로 만드는 것으로 설명하였지만 빌딩에 필요한 구조적 완전성을 제공하고 또한 벽 또는 빔과 같은 측방 하중 저항 요소의 운동을 따르는데 충분한 강성을 갖는다면 다른 어떠한 재료도 사용될 수 있는데 예컨대 다른 금속 및 합금, 고강도 수지 보강 복합재 등이 있다. 또한, 에너지 소산 재료는 천연 또는 합성 고무(SBR, 폴리부타디엔, 폴리이소프렌, 부틸 등)와 같은 다양한 재료에서 선택될 수 있고 이 선택은 당 기술에 속한다. 본 발명의 범위는 전술한 설명에 한정되는 것이 아니라 다음의 청구범위에 의해 한정된다.

Claims (15)

  1. 구조물용 감쇠 시스템으로서,
    구조물에서 수평형 연결 빔(a horizontal cupling beam)을 대체하는 구조 요소를 포함하며,
    상기 구조 요소는
    a) 상기 구조물 내의 제 1 측방 하중 저항 구조 요소에 고정되는 제 1 단부를 갖는 제 1 세트의 판;
    b) 상기 구조물 내에서 상기 제 1 측방 하중 저항 구조 요소에 인접하여 위치하는 제 2 측방 하중 저항 구조 요소에 고정되는 제 2 단부를 갖는 제 2 세트의 판; 및
    c) 제 1 세트의 판을 제 2 세트의 판에 연결하며 에너지 소산 재료를 포함하는 연결 수단을 포함하며,
    상기 구조 요소는 상기 제 1 측방 하중 저항 구조 요소와 제 2 측방 하중 저항 구조 요소 간에 인가되는 전단력(shear force)을 흡수하는,
    구조물용 감쇠 시스템.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 판의 각 세트는 서로 평행하게 이격된 다수의 판을 포함하고,
    상기 제 1 세트의 판들은 상기 제 2 세트의 판들과 손가락 사이에 끼듯이 결합되어 있는,
    구조물용 감쇠 시스템.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 세트의 판들 각각은 제 1 세트의 다른 판과 추가적으로 연결되고,
    상기 제 2 세트의 판들 각각은 제 2 세트의 다른 판과 추가적으로 연결되는
    구조물용 감쇠 시스템.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 단부는 상기 제 1 측방 하중 저항 구조 요소에 고정되는 강성의 연장 요소를 포함하는,
    구조물용 감쇠 시스템.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 구조 요소는 상기 수평형 연결 빔과 동일한 크기로 되어 있는,
    구조물용 감쇠 시스템.
  6. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 구조 요소는 상기 수평형 연결 빔보다 크게 되어 있는,
    구조물용 감쇠 시스템.
  7. 구조물에서 감쇠를 증가시키는 방법으로서,
    a) 제 1 측방 하중 저항 구조 요소와 이 제 1 측방 하중 저항 구조 요소에 인접하여 위치하는 제 2 측방 하중 저항 구조 요소 사이에 적어도 하나의 감쇠 시스템을 삽입하는 단계를 포함하고,
    상기 감쇠 시스템은 상기 제 1 측방 하중 저항 구조 요소와 제 2 측방 하중 저항 구조 요소를 연결하는데 사용되는 수평형 연결 빔을 대체하며,
    상기 감쇠 시스템은 상기 제 1 측방 하중 저항 구조 요소에 고정되는 제 1 단부를 갖는 제 1 세트의 판과, 상기 제 2 측방 하중 저항 구조 요소에 고정되는 제 2 단부를 갖는 제 2 세트의 판을 포함하며,
    상기 제 1 세트의 판은 에너지 소산 재료에 의해 상기 제 2 세트의 판에 연결되며,
    상기 감쇠 시스템은 상기 제 1 측방 하중 저항 구조 요소와 제 2 측방 하중 저항 구조 요소 간에 인가되는 전단력을 흡수하는,
    구조물에서 감쇠를 증가시키는 방법.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 삽입 단계는 상기 구조물의 층당 적어도 하나의 감쇠 시스템을 삽입하는 단계를 포함하는,
    구조물에서 감쇠를 증가시키는 방법.
  9. 증가된 감쇠를 갖는 구조물로서,
    제 1 측방 하중 저항 구조 요소;
    상기 제 1 측방 하중 저항 구조 요소에 인접하여 위치하는 제 2 측방 하중 저항 구조 요소; 및
    제 1 측방 하중 저항 구조 요소와 제 2 측방 하중 저항 구조 요소 사이에 위치하며, 상기 제 1 측방 하중 저항 구조 요소와 제 2 측방 하중 저항 구조 요소를 연결하는데 사용되는 수평형 연결 빔을 대체하는 적어도 하나의 감쇠 시스템을 포함하고,
    상기 감쇠 시스템은,
    상기 구조물 내의 상기 제 1 측방 하중 저항 구조 요소에 고정되는 제 1 단부를 갖는 제 1 세트의 판;
    상기 구조물 내의 상기 제 2 측방 하중 저항 구조 요소에 고정되는 제 2 단부를 갖는 제 2 세트의 판; 및
    상기 제 1 세트의 판을 상기 제 2 세트의 판에 연결하며 에너지 소산 재료를 포함하는 연결 수단을 포함하며,
    상기 감쇠 시스템은 상기 제 1 측방 하중 저항 구조 요소와 제 2 측방 하중 저항 구조 요소 간에 인가되는 전단력을 흡수하는,
    증가된 감쇠를 갖는 구조물.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 구조물은 층당 적어도 하나의 감쇠 시스템을 포함하는,
    증가된 감쇠를 갖는 구조물.
  11. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 측방 하중 저항 구조 요소는 기둥이며,
    상기 제 2 측방 하중 저항 구조 요소는 전단벽인,
    증가된 감쇠를 갖는 구조물.
  12. 제 9 항에 있어서,
    상기 제 1 측방 하중 저항 구조 요소는 제 1 전단벽이며,
    상기 제 2 측방 하중 저항 구조 요소는 제 2 전단벽인,
    증가된 감쇠를 갖는 구조물.
  13. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조 요소는 상기 수평형 연결 빔과 동일한 크기를 갖는,
    증가된 감쇠를 갖는 구조물.
  14. 제 9 항 내지 제 12 항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 구조 요소는 상기 수평형 연결 빔보다 큰,
    증가된 감쇠를 갖는 구조물.
  15. 제 7 항에 있어서,
    상기 감쇠 시스템의 감쇠기 강성 및 감쇠기 에너지 소산 능력은 상기 제 1 세트의 판의 수와 상기 제 2 세트의 판의 수를 변경함으로써 조절되는,
    구조물에서 감쇠를 증가시키는 방법.
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