KR101399397B1

KR101399397B1 - 진동제어를 위한 진자슬래브댐퍼시스템 및 이의 이용방법

Info

Publication number: KR101399397B1
Application number: KR1020120107011A
Authority: KR
Inventors: 김양중
Original assignee: 김양중; 피에스엔지니어링(주)
Priority date: 2012-09-26
Filing date: 2012-09-26
Publication date: 2014-05-28
Also published as: KR20140040881A

Abstract

본 발명은 건설구조물이 지진이나 또는 강풍에 대응할 수 있는 진동제어를 위한 진자슬래브댐퍼시스템 및 이의 이용방법에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 진자슬래브댐퍼시스템은 구조체와 절단 분리된 진자슬래브와 진자운동을 할 수 있는 진동간격; 진자슬래브를 지지하며 질량을 부가할 수 있는 철구조물; 진자슬래브를 메달 수 있는 케이블 줄과 철재브라켓; 및, 진동간격에 삽입되는 스프링댐퍼를 포함하여 구성되되, 철재브라켓 대신 형성하는 콘크리트브라켓; 구조체와 진자슬래브간에 연결되는 전선관 또는 배관이 진동에 유연하게 함께 거동할 수 있는 훌랙시블 연결관; 및, 상기 진동간격을 막기위한 철재카바와, 노출된 케이블 줄을 가리고 보호해 주기 위한 가림용 덮개로 구성되는 것을 특징으로 하는 진동제어를 위한 진자슬래브댐퍼시스템을 제공한다.
또한, 본 발명은 상기의 진자슬래브 댐퍼시스템을 이용하는 방법으로서, 진자슬래브 하부면에 지지용 철구조물을 형성하는 단계; 철재브라켓을 형성하는 단계; 진자슬래브를 메달 수 있는 케이블 줄을 형성하는 단계; 바닥슬래브를 구조체로부터 분리시켜 진자슬래브화 하는 단계; 그리고, 스프링댐퍼를 설치하는 단계;를 포함하되, 상기의 철재브라켓 대신 콘크리트 브라켓을 형성하는 단계; 흘랙시블 연결관을 설치하는 단계; 진자슬래브의 진동간격에 철재카바를 설치하는 단계; 및, 노출된 케이블 줄 주변에 가림용 덮개를 설치하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진자슬래브 댐퍼시스템을 이용한 건설구조물의 진동제어방법을 제공한다.
이에 의하여, 신축은 물론 기존 구조물에도 적용이 가능하며, 구조체에 전연 추가하중이 없으며, 케이블 줄의 길이 및 부가질량을 조정하여 작은 진동은 물론 큰 진동에도 유효적절한 동조질량감쇠장치의 성능을 제공하며, 작업이 단순하고 용이하여 공사기간 단축 및 공사비를 절감시키는 진자슬래브 댐퍼시스템 및 이의 이용방법을 제공한다.

Description

진동제어를 위한 진자슬래브댐퍼시스템 및 이의 이용방법{A Tuned Pendulum Slab Damper system for seismic structure and the method of using this system}

본 발명은 건설구조물이 지진이나 또는 강풍에 대응할 수 있는 진동제어를 위한 진자슬래브댐퍼시스템 및 이의 이용방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 최상층 구조물의 일부 바닥판 슬래브 네변을 절단하여 구조체로부터 분리시킨 후 케이블 줄을 이용하여 상부구조체에 매달아 자중의 질량을 지닌 추와 같은 진자슬래브를 형성함으로써 강풍 또는 지진에 의해 구조물이 일정방향으로 진동하게 되면 진자슬래브는 역방향으로 운동하게 되는 진자운동의 원리를 이용하여 진자슬래브의 진동주기를 구조물의 진동주기로 동조시키는 동조질량감쇠(TMD) 역할을 하게 함으로서 입력에너지를 감쇠 또는 소산시켜 구조물의 진동을 제어하는 제진공법에 관한 것이다.

일반적으로 건설구조물에서 지진이나 강풍에 의한 진동을 줄이기 위하여 사용되는 종래의 기술로는 구조물의 강성 및 질량을 증가시키는 내진방법과 지반 진동원으로부터 구조물을 격리시켜 구조물의 진동을 감쇠시키는 면진방법과 동조질량감쇠기를 설치하여 구조물의 진동을 감쇠 또는 소산시키는 제진방법 등 세 가지의 방법이 주로 적용되고 있다.

첫 번째로, 구조물의 강성 및 질량을 증가시키는 내진공법으로서, 종래 기술로는 도 1에 도시된 바와 같이 단면증대 또는 철판, 탄소섬유 등을 이용한 기둥보강(13)이나 또는 보 보강(11) 방법과 전단옹벽을 설치하는 내진벽(01,03) 방법이나 요벽(05), 가새부재를 증설하는 방법(07), 날개벽(09)을 증설하는 방법과 버팀벽(15) 또는 골조를 증설하는 방법(17) 등이 널리 알려져 있다. 이러한 내진공법의 실례로 도 1a는 가새부재(07)의 사례이며, 도1b는 내진벽(01)의 사례로서 철근배근의 모습이며, 도 1c는 철판에 의한 기둥보강(13)의 사례이며, 도 1d는 날개벽(09)을 시공하는 경우의 단면도를 보여주고 있다.

그러나, 이러한 방법들은 비록 구조물의 안정성은 향상시키지만 구조물에 추가하중을 부담시킬 뿐만 아니라 부여된 강성에 비하여 비교적 작은 지진파진동(20)의 하중에 대해서는 비효율적인 설계가 될 수 있으며, 반면 큰 하중에 대해서는 구조물에 발생하는 영구변형으로 인하여 향후 이에 대한 보수 또는 추가적인 보강을 필요로 하게 되는 문제점이 있다. 또한, 사용성 측면에서도 부재의 단면증대에 따른 기둥 간 순수 간격과 순수 층높이 등이 감소되며, 내진벽(01,03)과 가새(07) 등에 의한 출입문과 창문설치가 제한되는 등의 문제점이 있다. 특히 기존 구조물에 내진성능을 보강하는 경우에는 기존 구조물의 고유진동주기, 질량증가, 구조변경, 공간 및 동선 제약, 평면계획 등의 여러 가지 사항을 추가로 고려하여야하므로 결국 내진보강 설계 및 작업이 난이해짐은 물론 이에 따른 공사기간 및 공사비용이 불가피하게 증대하는 문제점이 있다.

두 번째는, 도 2에 도시된 바와 같이 지진파진동(20)이 지반(20)을 통하여 전해오는 진동으로부터 면진장치(24)를 이용하여 구조물을 격리시킴으로서 상부구조체(26)의 진동을 감쇠시키는 면진공법으로서, 종래 기술로는 도 2a와 같은 적층고무패드가 국내에서 주로 사용되어 왔으며, 국외에서는 도 2b와 같은 마찰진자형 면진장치(24)가 이용되기도 한다.

적층고무패드 장치의 실례로는 유니슨산업(주)에서 개발한 적층고무장치에 의한 방법(특허 제10-0326406)이 있으며, 최근에는 우레탄을 이용한 적층방식의 면진장치(공개 제10-2011-0011051)가 새로이 개발되어있다. 마찰진자형 면진장치의 실례로는 일본 등의 해외에서 강구(鋼球)의 유동체에 의한 원호레일형 면진장치(PCT/JP2008068949, http//iau.jp/m-2.htm)가 사용되고 있으며, 국내에서도 최근에 강구의 원호레일형 면진장치(특허 제10-0971365)가 개발되어 있다.

그러나, 기존의 적층고무 또는 우레탄 방식은 온도, 복원력 및 과대변위의 구속과 수직하중에 대한 안정성 등의 영향은 물론 특히 화재에 취약하다는 문제점이 있다. 또한, 강구 등의 유동체에 의한 원호레일형 면진장치는 하부 및 상부 플레이트가 일정한 경사를 가지는 오목구면 형태의 원호형으로서 이는 작은 바람이나 지진과 같은 수평하중에도 구조체가 움직일 수 있을 뿐만 아니라 이러한 수평하중이 사라진 후에도 복원력이 부족하여 별도의 보조장치를 함께 사용하여야 하는 문제점과 아울러 구성재료가 철 재료이므로 자연환경에 장기간 존치되는 경우 철의 부식에 대한 문제점이 있다.

특히, 이러한 적층고무패드 또는 강구에 의한 마찰진자형 면진장치는 신축 건물에만 적용될 수 있을 뿐 기존건물에는 사용할 수 없는 한계성이 있다.

세 번째로, 동조질량감쇠기(28)라 칭하는 진동제어장치를 구조물에 설치하여 구조물의 진동을 감쇠 또는 소산시키는 제진공법으로서, 도 3에 도시된 바와 같이 지반(22)을 통하여 전해오는 지진파진동(20)의 입력에너지를 흡수하는 별도의 동조질량감쇠장치(28)를 설치하고 구조물의 진동주기가 길어지도록 유도하여 상부구조체(26)의 등가감쇠를 증가시킴으로서 수평하중의 강한 에너지 영역을 피하게 하거나 입력에너지를 효율적으로 감쇠 또는 소산시켜 피해를 최소화하는 방법이며, 이는 다른 방법보다 더 적극적이며 능동적인 방법이라 할 수 있다.

이러한 제진공법은 구조물에 작용하는 입력 에너지에 대응하는 것 보다는 에너지를 감쇠 또는 소산시키는 것이 보다 더 경제적이고 효율적이기 때문에 근래에는 구조물의 강성을 증가시키는 내진공법에 비하여 선호되고 있다. 특히, 이러한 제진방법을 기존구조물에 적용하는 경우에는 기존의 강성과 연성한계 내에서 입력에너지를 감소 또는 소산시킬 수 있도록 진동주기를 유도하므로 기존 구조물에 새로운 구조요소의 추가가 거의 없는 효과적인 방법이 될 수 있다.

제진공법의 종래 기술로는 도 4a 내지 도 4d에 도시된 바와 같이 구조물의 상층부에 동조질량감쇠용의 무거운 질량체(30)를 지지하는 방식에 따라 구분된다. 즉, 도 4a와 같이 적층고무(32)에 의해 지지되는 고무지지방식과, 도 4b와 같이 리니어레일(36)에 올려진 질량체(30)의 진동을 코일스프링(34)이 감쇠시키는 스프링-레일방식과, 도 4c와 같이 추의 역할을 하는 질량체(30)를 줄(38)로 메달아 진자의 원리를 이용하여 진동을 감쇠시키는 현수방식과, 도 4d와 같이 원호형레일(40) 위에서 질량체(30)가 구조물의 진동방향에 역방향으로 이동케 하는 원호형 레일방식 등이 있으며, 본 발명의 진자슬래브에 의한 진동제어방식은 도4c에 도시 된 현수방식의 일종이라 하겠다.

진자운동에 의한 현수방식의 제진방법 개념은 도 5a에 도시된 바와 같이 중량을 지닌 질량체(30)를 줄(38)로 메달아 추와 같이 상부에 고정시키면 질량체(30)는 지진파진동(20)이 구조물의 지반(22)을 통하여 입력되는 진동에너지의 운동방향과 역방향으로 진동하며 상부구조체(26)의 고유진동 주기를 동조시킴으로서 구조물의 진동을 감쇠 또는 소산시키는 원리이다. 결국, 도 5b와 같이 지진파진동(20)으로 불안한 상태였던 구조물은 최상층에 메달린 질량체(30)의 진자운동에 의하여 상부구조체(26)의 진동을 감쇠시킴으로서 안정된 상태를 유지하게 된다.

한편, 건축이나 토목 등의 건설구조물은 그 크기와 질량이 매우 크기 때문에 적정 수준 이상의 제어효과를 가지기 위해서는 동조질량감쇠장치(28)의 크기 및 중량 또한 그에 비례해서 커질 수밖에 없다. 특히, 구조물의 진동변위는 구조물 형상에 비하여 극히 작은 값을 가지고 또한 이로부터 비롯되는 응답에 기반하여 제어력을 구조물에 전달하기 때문에 동조질량감쇠장치(28)와 같은 제진장치의 용량이 커져야 한다. 그러나 제진장치의 크기가 커지면 구조물에 추가하중의 부담은 물론 장치의 제작 및 조달비용과 시공 및 유지관리 비용이 많이 들기 때문에 가능한 한 작은 크기의 제진장치가 요구되고 있다.

그러나, 종래 기술의 현수방식은 중량물의 질량체(30)를 이용하는 방식으로서 대표적으로 도6a 내지 도 6d와 같이 일본 오사카 소재 크리스탈 타워 건물의 예와 대만 소재 타이페이101 건물의 예를 들 수 있다.

도 6a는 사무소건물 용도의 크리스탈 타워빌딩 모습으로서, 157m 높이의 옥상층에 도 6b의 도시와 같이 지지용 철제후레임(42)을 형성하고 90ton무게의 어름저장탱크(44) 6개가 3～4m 길이의 줄(38)로 각기 메달려 540ton 의 질량체(30)가 추의 역할을 하는 진자의 운동원리에 의하여 건물의 진동을 50% 감소시키는 현수방식이다. 이때, 어름저장탱크(44)의 진자운동은 오일댐퍼(50)와 결합 된 코일스프링(48)에 의해 조절되며, 코일스프링(48)은 가이드롤러(46)에 의해 어름저장탱크(44)와 함께 거동하게 되는 부가장치를 동반하고 있다.

도 6c는 508m 높이의 타이페이101 빌딩으로서, 88층에 720ton무게의 질량체(30)인 추가 15m길이의 줄(38)에 의하여 92층에 메달려서 진자의 운동원리에 의하여 건물의 진동을 30～40% 감소시키는 현수방식이다.

그러나 이러한 종래의 기술은 무거운 질량체(30)를 설치함으로서 구조체에 추가하중을 부담하게 하는 문제점이 있다.

특허 제10-0326406) 공개 제10-2011-0011051 특허 제10-0971365 PCT/JP2008068949 특허 제10-0971365 KR 10-0937138, 2010.1.8.

Jerome J.Connor, 'Introduction to Structural Motion Control' Pearson Education, Inc., Chapter 4., 226-244쪽 T.Haskett, B.Breukelman, J.Robinson, J.Kottelenberg. 'Tuned Mass Dampers under Excessive Structural Excitation' Report of the Waterfordmgmt.com.2004, Motioneering Inc., Guelph, Ontario, Canada. Y.Haga, H.Ishibashi, H.Matsuzaki ＆ T.Kato, 'Tuned Mass Damper for Long-period Building' Earthquake Engineering, 10th World Conference, 1992.Balkema, Rotterdam. ISBN 9054100605, pp.2311-2315. 김동우, 주석준, 권준엽, '남산 케이블카의 풍진동 제어를 위한 진자형 TMD의 적용' 대한건축학회 논문집 제26권 제2호(통권256호), 11-18쪽, 2010

따라서, 본 발명은 상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하려는 것으로서, 별도의 무거운 질량체를 설치하지 않고 구조체의 최상층 바닥슬래브 네변을 절단 분리하고 이를 줄로 메달아 진자슬래브화 함으로서 구조물에 추가하중을 전연 부담하지 않으면서 동조질량감쇠역할을 하게하여 구조물의 진동을 감쇠 또는 소산시키는 진동제어방법을 제공하기 위한 것이다.

상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 바닥슬래브 테두리 네변이 구조체와 완전히 절단 분리된 진자슬래브; 상기 진자슬래브가 진자운동을 할 수 있는 진동간격; 상기 진자슬래브를 구조적으로 보강함과 동시에 진자슬래브의 질량을 부가할 수 있는 철구조물 또는 보강철판; 상기 진자슬래브를 메달 수 있는 케이블 줄; 상기 케이블 줄을 상부에 메달아 고정 시킬 수 있는 철재브라켓; 및, 상기 진자슬래브의 이격공간에 삽입되는 스프링댐퍼를 포함하여 구성되되, 상기 케이블 줄을 메달아 고정시키기 위한 콘크리트브라켓을 형성하는 것을 특징으로 하는 건설구조물의 진동제어를 위한 진자슬래브 댐퍼시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 구조체와 진자슬래브간에 연결되는 전선관 및 배관이 진동에 유연하게 함께 거동할 수 있는 훌랙시블 연결관; 및, 상기 진동간격을 막기위한 철재카바와, 노출된 케이블 줄을 가리고 보호해 주기 위한 가림용 덮개로 구성되는 것을 특징으로 하는 건설구조물의 진동제어를 위한 진자슬래브 댐퍼시스템을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기의 진자슬래브 댐퍼시스템을 이용하여 건설구조물의 진동을 제어하는 방법으로서, (a) 진자슬래브 테두리 네변을 구조체로부터 완전히 분리시키는 단계; (b) 진자슬래브가 진자운동을 할 수 있는 진동간격을 형성하는 단계; (c) 진자슬래브 하부면에 철구조물 또는 보강철판을 형성하는 단계; (d) 진자슬래브를 메달아 고정시킬 수 있는 철재브라켓을 형성하는 단계; (e) 진자슬래브를 철재브라켓에 메달 수 있는 케이블 줄을 형성하는 단계; 그리고, (f) 진자슬래브의 네변 이격공간에 스프링댐퍼를 설치하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진자슬래브 댐퍼시스템을 이용한 건설구조물의 진동제어방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기의 철재브라켓을 대신하여 콘크리트 브라켓을 형성하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진자슬래브 댐퍼시스템을 이용한 건설구조물의 진동제어방법을 제공한다.

또한, 본 발명은 상기의 진자슬래브와 구조체간 사이의 전선관 또는 배관이 진자슬래브의 진자운동과 함께 유연하게 거동할 수 있도록 흘랙시블 연결관을 설치하는 단계; 진자슬래브 테두리 이격공간 사이에 철재카바를 설치하는 단계; 및, 노출된 케이블 줄 주변에 안전 및 유지관리를 위한 가림용 덮개를 설치하는 단계; 를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진자슬래브 댐퍼시스템을 이용한 건설구조물의 진동제어방법을 제공한다.

본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 기대된다.

첫째, 면진방법은 신축구조물에만 가능한 반면 본 발명의 진자슬래브 댐퍼시스템은 신축구조물은 물론 기존 구조물에도 적용이 가능해진다.

둘째, 구조체의 바닥슬래브를 진자슬래브 댐퍼로 사용하기 때문에 구조체에 전연 추가하중을 부담시키지 않는다.

셋째, 진자슬래브 케이블 줄의 길이 및 부가질량을 조정하여 구조물의 고유진동수를 동조시키는 방식이므로 작은 진동은 물론 규모가 큰 진동에 대해서도 유효적절하게 진동을 제어할 수 있는 동조질량감쇠장치의 성능을 제공한다.

넷째, 작업공정이 최상층에서만 이루어지므로 작업이 단순하고 용이하여 공사기간 단축 및 공사비를 절감시키는 효과가 있다.

도 1은 종래기술의 내진보강방법
도 1a 내지 도 1d는 종래기술의 내진보강 사례
도 2는 면진의 개념도
도 2a 내지 도 2b는 종래기술의 면진장치 사례
도 3은 제진의 개념도
도 4a 내지 도 4d는 제진용 동조질량감쇠기의 지지방식
도 5a는 진자의 운동원리
도 5b는 진자에 의한 진동제어 개념도
도 6a 내지 도 6d는 현수방식에 의한 제진방법의 적용사례
도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시 예를 가상한 건물의 평면도, 종단면도 및 횡단면도
도10 내지 도 12는 실시 예를 가상한 건축물의 단위 평면도, 단위단면도 및 단면도
도 13은 본 발명의 기존건물에 대한 바람직한 실시 예에 따른 시공순서 흐름도
도 14는 본 발명의 신축건물에 대한 바람직한 실시 예에 따른 시공순서 흐름도
도 15a 내지 도 15i는 기존건물에 대한 바람직한 실시 예에 따른 시공 순서도
도 16a 내지 도 16e는 신축건물에 대한 바람직한 실시 예에 따른 시공 순서도
도 17a는 본 발명의 진동제어 성능시험을 위한 축소모형 실험체의 설치모습
도 17b는 진동제어 성능실험을 위한 축소모형 실험체의 진자슬래브 모습
도 17c는 진동제어 성능실험을 위한 응답변위 계측용 레이져변위계 설치모습
도 18a는 진동제어 성능실험을 위한 10층 축소모형 실험체의 진동실험 모습
도 18b는 진동제어 성능실험을 위한 20층 축소모형 실험체의 진동실험 모습
도 18c는 진동제어 성능실험을 위한 30층 축소모형 실험체의 진동실험 모습
도19a 내지 도19b는 10층 실험체 실험결과 진동수-변위응답 및 시간-변위이력 자료.
도20a 내지 도20b는 20층 실험체 실험결과 진동수-변위응답 및 시간-변위이력 자료.
도21a 내지 도21b는 30층 실험체 실험결과 진동수-변위응답 및 시간-변위이력 자료.

이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다. 다만, 본 발명은 건설구조물의 진동제어를 위한 진자슬래브댐퍼시스템과 이의 이용방법으로 제안하는 바, 이하부터는 이들을 구별하여 설명한다.

1. 진동제어를 위한 진자슬래브댐퍼시스템

도 7 내지 도 9는 본 발명의 실시 예를 가상한 건축물의 평면도, 종단면도 및 횡단면도를 보여주며, 도10 내지 도 12는 본 발명의 실시 예를 가상한 건축물의 단위평면도, 단위단면도 및 단면상세도를 보여주는데, 본 발명에 따른 진동제어용 진자슬래브댐퍼시스템은 구조체의 바닥슬래브를 진자슬래브 댐퍼로 사용하기 때문에 구조체에 전연 추가하중을 부담시키지 않음과 동시에 진자슬래브 케이블 줄의 길이 및 부가질량을 조정하여 작은 진동은 물론 규모가 큰 진동에 대해서도 유효적절하게 진동을 제어할 수 있는 동조질량감쇠장치의 성능을 제공하며, 작업공정이 최상층에서만 이루어지므로 작업이 단순하고 용이하여 공사기간 단축 및 공사비를 절감 시킬 수 있도록 구성된다는데 특징이 있다.

구체적으로, 본 발명은 바닥슬래브 테두리 네변이 구조체와 완전히 절단 분리된 진자슬래브(100); 상기 진자슬래브가 진자운동을 할 수 있는 진동간격(140); 상기 진자슬래브를 지지하면서 구조적으로 보강함과 동시에 진자슬래브의 질량을 부가할 수 있는 철구조물(110) 또는 보강철판(410); 상기 진자슬래브를 메달 수 있는 케이블 줄(130); 상기 케이블 줄을 상부에 메달아 고정 시킬 수 있는 철재브라켓(120); 및, 상기 진자슬래브의 이격공간에 삽입되는 스프링댐퍼(150)를 포함하여 구성된다. 이때, 케이블 줄(130)을 상부에 메달아 고정시키기 위한 철재브라켓(120) 대용으로 콘크리트 브라켓을 형성하기도 한다.

한편, 본 발명에 따른 진동제어용 진자슬래브댐퍼시스템은 진자슬래브(100)의 네변 이격공간의 진동간격(140)에 전선관 또는 배관의 훌랙시블연결관(160)을 구성할 수 있는데, 이는 진자슬래브(100)가 진자운동을 할 때 진자슬래브와 구조체간 연결된 전선관 또는 배관이 파손되지 않도록 진동간격(140) 내에 훌랙시블 연결관(160)을 구성하여 진자운동과 함께 유연하게 거동할 수 있게 하기 위함이다.

또한, 진자슬래브(100)의 테두리 네변 이격공간인 진동간격(140)을 막아 생활물질이 공간을 통하여 아래층으로 낙하되는 것을 방지함과 동시에 미관상의 마무리를 깨끗이 하기 위하여 설치되는 철재카바(170);와 노출된 케이블 줄(130)의 안전 및 유지관리를 위한 가림용 덮개(180)를 포함하여 구성된다는데 특징이 있다.

2. 진자슬래브댐퍼시스템의 이용방법

도 13은 기존건물에 대한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 시공순서 흐름도를 나타내며, 도 14는 신축건물에 대한 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 시공순서 흐름도를 나타내는데,

우선, 기존건물에 대한 바람직한 실시 예를 도 15a내지 도 15i를 참조하여 이를 단계적으로 설명하면 다음과 같다.

(a) 천공단계(S10);

도 15a에 도시된 바와 같이, 철재브라켓(120)을 지붕층 거더(300)에 장착하기 위하여 장볼트용 구멍(121)을 콘크리트 보나 기둥에 천공하는 단계로서, 철재브라켓의 지지내력을 확보하기 위해서 구멍(121)을 관통하여 천공하는 것이 바람직하다.

(b) 정착철물 장착단계(S20);

도 15b에 도시된 바와 같이 진자슬래브를 메달아 지지할 수 있는 철재브라켓(120)을 설치하는 단계로서, 철재브라켓의 상단에는 이미 뚫려진 천공구멍(121)에 장볼트(122)를 삽입하고 낫트(123)로 고정하며, 하부에는 앵카볼트(124)와 낫트(125)를 이용하여 지붕층거더(300)에 단단히 조여 장착한다.

(c) 진자슬래브 지지용 철구조물 설치단계(S30);

도 15C에 도시된 바와 같이 케이블 줄(130)에 의해 메달리는 진자슬래브(100)를 지지할 수 있는 진자슬래브 지지용 철구조물(110)을 진자슬래브 하부면에 설치하는 단계이다. 이때, 철구조물(110)의 강재 규격은 입력지진동 주기에 동조되어 진동을 감쇠시킬 수 있는 요구질량에 적합하도록 선정한다. 또한, 철구조물(110) 대신 보강철판(410)을 앵카볼트 및 에폭시 수지에 의한 접합방법으로 대체할 수 있다.

(d) 케이블 줄 설치단계(S40);

도 15d에 도시된 바와 같이 진자슬래브(100)를 상부의 철재브라켓(120)에 메다는 단계로서, 철재브라켓(120)과 진자슬래브 하부면의 진자슬래브 지지용철구조물(110) 사이에 케이블 줄(130)을 배선하고 당긴 후 체결콘을 이용하여 단단히 조여 설치하는 단계이다. 이때, 사용되는 케이블 줄(130)의 굵기는 진자슬래브(100)가 진자운동을 할 때 작용하는 장력을 충분히 견딜 수 있는 규격으로 선정하고, 진자슬래브(100)의 동적하중을 충분히 지지할 수 있을 정도로 단단히 조여져야 한다.

(e) 진자슬래브 절단단계(S50);

도 15e에 도시된 바와 같이 진자슬래브(100)를 절단하여 구조체로부터 분리시킴으로서 바닥슬래브를 진자화 하는 단계로서, 진자슬래브의 테두리 네변을 콘크리트 컷팅기로 절단하여 본 구조체로부터 완전히 분리시키는 단계이다. 이때, 진자슬래브(100)가 절단 분리되어 진자운동을 하는 진동간격(140)은 구조체의 강성 및 총질량을 계산하여 진자슬래브(100)가 진자운동하게 되는 진폭의 계산에 따라 결정한다.

(f) 스프링댐퍼 설치단계(S60);

도 15f에 도시된 바와 같이 진자슬래브의 네변 진동간격(140)에 스프링 댐퍼(150)를 삽입하여 설치하는 단계로서, 이는 진자슬래브가 진자운동을 할 때, 구조체와의 충격을 방지하며, 동시에 진자슬래브의 역방향운동을 원활하게 하여 입력지진동(20)의 등가감쇠를 증진시키기 위함이다.

(g) 훌랙시블 전선관 및 배관 연결단계(S70);

진자슬래브(100)와 구조체 사이에 전선관이나 또는 배관이 연결되어 있는 경우에는 도 15g에 도시된 바와 같이 진자슬래브의 네변 진동간격(140)에 흘랙시블 연결관(160)을 설치하는 단계로서, 이는, 진자슬래브(100)가 진자운동을 할 때 전선관 또는 배관이 파손되지 않도록 하기 위함이다. 이때, 진동간격(140) 사이에서 흘랙시블 연결관(160)을 설치하기에는 공간이 좁으므로 진자슬래브(100)를 쪼아내어 흘래시블 연결관(160)을 설치할 수 있는 공간을 확보하는 것이 바람직하다.

(h) 철재 카바 설치단계(S80);

도 15h에 도시된 바와 같이 진자슬래브(100)의 테두리 네변 이격공간인 진동간격(140)을 막아 생활물질이 공간을 통하여 아래층으로 낙하되는 것을 방지함과 동시에 미관상의 마무리를 깨끗이 하기 위하여 스테인레스 등의 철재카바(170)를 설치하는 단계이다. 이때, 철재카바(170)는 ‘ㄴ’형태의 모양으로서 측부에만 고정못으로 고정하고 진자슬래브(100)에는 고정하지 아니하여 진자슬래브(100)의 진자운동 시 자유롭게 슬라이딩이 되도록 하는 것이 바람직하다.

(i) 케이블 줄 가림덮개 설치단계(S90);

도 15i에 도시된 바와 같이 노출된 케이블 줄(130)을 가림막하는 단계로서, 스테인레스 또는 스틸강판을 이용하여 가림용 덮개(180)를 제작하여 설치하는 단계이다. 이때, 케이블 줄의 유지관리 목적으로 점검구를 함께 설치하는 것이 바람직하다.

본 발명의 진자슬래브 댐퍼시스템을 신축건물에 적용하는 경우의 바람직한 실시 예를 도 16a내지 도 16e를 참조하여 이를 단계적으로 설명하면 다음과 같다.

(a) 거푸집 위 보강철판 및 이격재 설치단계(S100)

도 16a에 도시된 바와 같이 진자슬래브를 설치하고자 하는 층의 구조체를 형성하는 과정에서 진자슬래브(100)와 본 구조체를 분리시키는 단계로서, 진자슬래브(100)용 거푸집 조립이 완성되면 철근을 배근하기 전에 거푸집의 네귀 모서리에 진자슬래브(100)의 네귀를 보강하기 위한 보강철판(410)을 거푸집위에 고정못을 이용하여 설치하고, 진자슬래브(100)의 테두리 네변에 스티로폴 등의 이격재(420)를 설치하되, 고정못을 이용하여 콘크리트 타설 시 움직임이 없도록 고정시킨다. 이때, 이격재(420)의 두께는 진자슬래브(100)의 진동간격(140)으로서 구조물의 강성 및 총질량을 계산하여 진자슬래브(100)가 진자운동하게 되는 진폭의 계산에 따라 결정한다.

(b) 콘크리트 타설단계(S110)

도 16b에 도시된 바와 같이 진자슬래브(100) 설치층의 바닥 콘크리트 구조체를 형성하는 단계로서, 이미 조립된 거푸집(400) 위에 철근을 배근하고 콘크리트(430)를 타설한다. 이때, 거푸집(400) 위에 이미 고정시킨 진자슬래브 네귀의 보강철판(410)과 네변의 이격재(420)가 콘크리트 타설 시 움직임이나 또는 손상이 없도록 하는 것이 바람직하다.

(c) 지붕층 구조체 완성단계(S120)

도 16c에 도시된 바와 같이 진자슬래브를 메달아 지지시킬 지붕층 구조체(310)의 콘크리트를 타설하여 완성하는 단계로서, 이때 진자슬래브용 케이블 줄(130)이 메달릴 위치에 철재브라켓(120)용 장볼트 천공구멍(121)을 미리 형성시키거나 또는 철재브라켓(120) 대용의 콘크리트 브라켓을 형성하는 단계이다.

(d) 케이블 줄 설치단계(S130)

도 16d에 도시된 바와 같이 진자슬래브(100)의 콘크리트가 양생이 완료된 후 지붕층거더(300)에 메다는 단계로서, 상부의 철재브라켓(120)이나 또는 철재브라켓 대용의 콘크리트 브라켓과 진자슬래브(100)의 네귀 사이에 케이블 줄(130)을 배선하고 당긴 후 체결콘을 이용하여 단단히 조여 설치하는 단계이다. 이때, 사용되는 케이블 줄(130)의 굵기는 진자슬래브(100)가 진자운동을 할 때 작용하는 장력을 충분히 견딜 수 있는 규격으로 선정하여 사용하여야 한다.

(e) 진자슬래브 거푸집 해체단계(S140)

진자슬래브(100)의 하중이 케이블 줄(130)에 의해 상부층에 메달려 충분히 지지될 수 있는 단계가 되면 진자슬래브(100)의 거푸집을 해체하는 단계로서, 이때, 진자슬래브(100) 테두리 네변의 이격재(420)를 동시에 제거하여 진자슬래브가 본 구조체로부터 완전히 분리되도록 한다.

그 다음의 스프링 댐퍼 설치단계(S150); 훌랙시블 전선관 및 배관 연결단계(S160); 철재카바 설치단계(S170); 및 케이블 줄 가림용 덮개 설치단계(S180);는 상기 기존 건물에 대한 실시 예의 (f), (g), (h), 및 (i)의 단계와 동일하다.

이상에서 본 발명은 기재된 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러 가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연한 것으로, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.

＜진자슬래브의 실험적 평가＞

도 17a 내지 도 17c 및 도 18a 내지 도 18c는 본 발명의 진자슬래브 댐퍼시스템의 진동제어성능을 시험적으로 검증하기 위한 실험체 및 진동시험의 모습을 보여주며, 도 19a 내지 도 21b는 시험결과에 대한 진동수-변위응답 및 시간-변위이력에 대한 자료이다. 도 17a와 같이 1/24 비율의 철골조 축소모형 실험체를 10층, 20층 및 30층 규모로 무진자 슬래브 실험체와 진자슬래브 실험체를 제작하였다. 이때, 도 17b는 최상층에 형성된 진자슬래브에 부가 질량체가 놓여진 모습이며, 도 17c는 진동시험 시 실험체의 변위를 계측하기 위한 레이져 변위계를 설치한 모습을 보여주고 있다.

도 18a 내지 도 18c는 각 층별 실험체의 진동대 시험 모습으로서, 범위 0.05Hz를 10회씩 증폭 가진하며 1차고유진동수 대역의 ±2.5Hz범위 내에서 진동대에 의한 진동시험을 수행하였다. 시험 결과, 각 층 실험체의 최상층 변위응답은 동조질량감쇠(TMD) 현상을 나타내며, 무진자슬래브 실험체에 비하여 진자슬래브 실험체는 10층인 경우 73%, 20층인 경우 39%, 30층인 경우 42%의 진동감소성능이 있는 것으로 나타나 진자슬래브댐퍼시스템의 진동제어 성능이 우수한 것으로 확인 되었다.

아래의 표1은 10층, 20층 및 30층의 각 실험체별 진동시험 결과, 무진자슬래브 실험체에 대한 진자슬래브 실험체의 최상층 변위감소율을 나타낸 것으로서, 이는 각 층별 진자슬래브 실험체의 진동감소 성능을 알 수 있다.

01. 내진벽 03. 개구부 내진벽
05. 요벽 07. 가새
09. 날개벽 11. 보 보강
13. 기둥 보강 15. 버팀벽
17. 골조 증설 20. 지진파 진동
22. 지반 24. 면진 장치
26. 상부 구조체 28. 동조질량 감쇠장치
30. 질량체 32. 적층고무
34. 코일 스프링 36. 리니어 레일
38. 줄 40. 원호형 레일
42. 지지용 후레임 44. 어름 저장탱크
46. 가이드 롤러 48. 코일 스프링
50. 오일 댐퍼
100. 진자슬래브 110. 진자슬래브 지지용 철구조물
120. 철재브라켓 121. 장볼트용 천공구멍
122. 장볼트 123. 장볼트용 낫트
124. 앵카볼트 125. 앵카볼트용 낫트
130. 케이블 줄 131. 케이블 줄 상부 체결콘
132. 케이블 줄 하부 체결콘 140. 진동간격
150. 스프링 댐퍼 160. 훌랙시블 연결관
170 철재 카바 180. 가림용 덮개
200. 최상층 거더 300. 지붕층 거더
400. 최상층 바닥 거푸집 410. 보강철판
420. 이격재 430. 타설콘크리트

Claims

바닥슬래브 테두리 네변이 구조체와 완전히 절단 분리된 진자슬래브(100)와;
진자슬래브가 진자운동을 할 수 있는 진동간격(140)과,
진자슬래브를 지지하며 구조적으로 보강함과 동시에 진자슬래브의 질량을 부가할 수 있는 진자슬래브 지지용 철구조물(110) 또는 보강철판(410)과,
진자슬래브를 메달 수 있는 케이블 줄(130)과,
케이블 줄을 상부에 메달아 고정 시킬 수 있는 철재브라켓(120)과,
진자슬래브의 진동간격에 삽입되는 스프링댐퍼(150)로 구성되는 것을 특징으로 하는 건설구조물의 진동제어를 위한 진자슬래브 댐퍼시스템.
제 1항에서,
진자슬래브를 메달아 고정시키기 위한 철재브라켓 대신 콘크리트브라켓을 구성하는 것을 특징으로 하는 건설구조물의 진동제어를 위한 진자슬래브 댐퍼시스템.
제 1항에서,
구조체와 진자슬래브간에 연결되는 전선관 또는 배관이 진동에 유연하게 함께 거동할 수 있는 훌랙시블 연결관(160)을 구성하는 것을 특징으로 하는 건설구조물의 진동제어를 위한 진자슬래브 댐퍼시스템.
제 1항에서,
진동간격으로 형성된 공간을 막기위한 철재카바(170)와, 노출된 케이블 줄(130)을 가리고 보호해 주기 위한 가림용 덮개(180)로 구성되는 것을 특징으로 하는 건설구조물의 진동제어를 위한 진자슬래브 댐퍼시스템.
제1항, 제2항, 제3항, 제4항 중 어느 한 항의 진자슬래브 댐퍼시스템을 이용하여 건설구조물의 진동을 제어하는 방법으로서,
(a) 진자슬래브 하부면에 지지용 철구조물(110) 또는 보강철판(410)을 형성하는 단계;
(b) 진자슬래브를 메달아 고정시킬 수 있는 철재브라켓(120)을 형성하는 단계;
(c) 진자슬래브를 고정철물에 메달수 있는 케이블 줄(130)을 형성하는 단계;
(d) 진자슬래브 테두리 네변을 구조체로부터 완전히 절단 분리하여 진자슬래브가 진자운동을 할 수 있는 진동간격(140)을 형성하는 단계;
(e) 진자슬래브의 네변 진동간격에 스프링댐퍼(150)를 설치하는 단계;
를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진자슬래브 댐퍼시스템을 이용한 건설구조물의 진동제어방법.
제 5항에서,
상기 (b)단계에 형성하는 철재브라켓(120) 대신 콘크리트브라켓을 형성하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진자슬래브 댐퍼시스템을 이용한 건설구조물의 진동제어방법.
제 5항에서,
진자슬래브와 구조체간 사이에 흘랙시블 연결관(160)을 설치하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진자슬래브댐퍼시스템을 이용한 건설구조물의 진동제어방법.
제 5항에서,
진자슬래브 네변의 진동간격에 철재카바(170)를 설치하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진자슬래브댐퍼시스템을 이용한 건설구조물의 진동제어방법.
제 5항에서,
노출된 케이블 줄 주변에 가림용 덮개(180)를 설치하는 단계;를 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 진자슬래브댐퍼시스템을 이용한 건설구조물의 진동제어방법.