KR101400423B1 - 양방향 강재댐퍼 및 이를 이용한 구조물의 내진보강구조 - Google Patents

양방향 강재댐퍼 및 이를 이용한 구조물의 내진보강구조 Download PDF

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Abstract

본 발명은 면내는 물론 면외에서 작용하는 진동에너지에 대해서도 유연하게 대응하면서 저항할 수 있고 더불어 하중 전달에도 효과적인 양방향 강재댐퍼와 이를 바람직하게 이용한 구조물의 내진보강구조에 관한 것이다.
본 발명에 따른 양방향 강재댐퍼는, 제1수평지지플레이트; 제1수평지지플레이트에 이격하게 평행 배치되는 제2수평지지플레이트; 슬릿플레이트 또는 스트립플레이트로 마련되어 제1수평지지플레이트와 제2수평지지플레이트 사이를 가로방향으로 수직 연결하도록 설치되는 제1수직댐핑플레이트; 슬릿플레이트 또는 스트립플레이트로 마련되어 제1수평지지플레이트와 제2수평지지플레이트 사이를 세로방향으로 수직 연결하도록 설치되는 제2수직댐핑플레이트;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 구조물의 내진보강구조는, 상기와 같은 양방향 강재댐퍼가 기둥이나 벽체와 같은 수직부재 중간에 설치되는 것을 특징으로 하며, 이때 수직부재는 H형강 철골기둥으로 마련되고 양방향 강재댐퍼가 H형강 철골기둥 중간에 용접접합으로 설치될 수 있다.

Description

양방향 강재댐퍼 및 이를 이용한 구조물의 내진보강구조{Bi-directional Steel Damper and Seismic Retrofit Structures Using the Same}
본 발명은 소성변형을 통해 진동에너지를 소산하는 강재댐퍼와 이를 이용한 구조물의 내진보강구조에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 면내는 물론 면외에서 작용하는 진동에너지에 대해서도 유연하게 대응하면서 저항할 수 있고 더불어 하중 전달에도 효과적인 강재댐퍼와 이를 바람직하게 이용한 구조물의 내진보강구조에 관한 것이다.
구조물은 풍하중, 지진하중과 같이 수평으로 작용하는 수평하중에 대하여 저항할 수 있게 내진설계된다. 특히 최근에는 우리나라에도 지진이 빈번하게 발생하면서 학교건축 등 공공건축에서 내진설계가 강화되고 있다.
구조물 내진설계의 효과적인 방법으로 면진 또는 제진 구조가 있다. 이 중 제진은 구조물의 외부나 내부에 구조물의 진동에 대응한 제어력을 가하여 구조물의 진동을 저감시키거나 구조물의 강성이나 감쇠 등을 입력진동의 특성에 따라 순간적으로 변화시켜 구조물을 제어하는 개념이다. 제진구조는 보통 구조물에 유입되는 진동에너지를 소산시키는 제진장치, 즉 댐퍼를 설치하는 방법으로 구현한다.
슬릿 강재댐퍼는 슬릿이 형성된 슬릿플레이트의 소성변형을 통해 진동에너지늘 흡수하여 감쇠하는 장치이다. 슬릿 강재댐퍼는 감쇠능력이 뛰어나고, 설치비용이 저렴하고, 확인 및 유지관리 작업이 쉽다는 장점이 있다. 도 1은 종래 슬릿 강재댐퍼의 일례로, 특허 제10-1144596호 따른 슬릿 강재댐퍼이다. 도 1과 같이 종래 슬릿 강재댐퍼는 슬릿플레이트가 한 방향으로 마련되어 구조물의 변위가 크게 발생하는 위치에 설치된다. 그러나 이러한 종래 슬릿 강재댐퍼는 지진하중 등의 수평하중이 면내로 작용할 때에는 효과적으로 저항하나 면외로 작용할 때에는 감쇠능력이 취약하고, 슬릿플레이트 외에 하중을 전달하기 위한 별도의 하중전달부재가 마련되어야 한다는 단점이 있다.
본 발명은 종래 슬릿 강재댐퍼의 단점을 개선하고자 개발된 것으로서, 면내는 물론 면외에서 작용하는 진동에너지에 대해서도 유연하게 대응하면서 저항할 수 있고 더불어 하중 전달에도 효과적인 새로운 강재댐퍼와 이를 바람직하게 이용한 구조물의 내진보강구조를 제공하는데 기술적 과제가 있다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 제1수평지지플레이트; 상기 제1수평지지플레이트에 이격하게 평행 배치되는 제2수평지지플레이트; 슬릿플레이트 또는 스트립플레이트로 마련되어 제1수평지지플레이트와 제2수평지지플레이트 사이를 가로방향으로 수직 연결하도록 설치되는 제1수직댐핑플레이트; 슬릿플레이트 또는 스트립플레이트로 마련되어 제1수평지지플레이트와 제2수평지지플레이트 사이를 세로방향으로 수직 연결하도록 설치되는 제2수직댐핑플레이트;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향 강재댐퍼를 제공한다. 이러한 양방향 강재댐퍼는, 제1수평지지플레이트의 위 또는 제2수평지지플레이트의 아래에 제1수평지지플레이트 또는 제2수평지지플레이트와 슬로트홀을 통해 볼트 결합되는 제3수평지지플레이트;를 더 포함하여 구성될 수 있으며, 나아가 제1수평지지플레이트 또는 제2수평지지플레이트와 제3수평지지플레이트 사이에 설치되는 마찰패드;를 더 포함하여 구성될 수도 있다.
또한 본 발명은 상기와 같은 양방향 강재댐퍼가 기둥이나 벽체와 같은 수직부재 중간에 설치되는 것을 특징으로 하는 구조물의 내진보강구조를 제공하며, 이때 수직부재는 H형강 철골기둥으로 마련되고 양방향 강재댐퍼가 H형강 철골기둥 중간에 용접접합으로 설치될 수 있다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 본 발명에 따른 강재댐퍼는 소성변형하여 진동에너지에 저항하는 댐핑플레이트가 변위가 크게 발생하는 주 방향(가로방향)은 물론 다른 방향(세로방향)에도 설치되기 때문에, 댐핑플레이트의 양방향 거동에 따라 진동에너지가 면내는 물론 면외 어떤 방향으로 작용하던지 유연하게 대응하면서 효과적인 댐핑작용을 이끌 수 있다.
둘째, 소성변형하는 수직의 댐핑플레이트가 십자구도로 설치되기 때문에 하중 전달에도 효과적이어서 강재댐퍼에서 하중전달부재를 생략하거나 최소화할 수 있으며, 이로써 단순한 구조로 저렴하게 제작할 수 있는 강재댐퍼를 제공할 수 있다.
셋째, 본 발명에 따른 강재댐퍼는 기둥, 벽체 등의 수직부재에 간편하게 적용하여 내진보강구조로 완성할 수 있으며, 특히 H형강 철골기둥에 간단한 용접만으로 유리하게 적용할 수 있다.
도 1은 종래 슬릿 강재댐퍼의 일례이다.
도 2와 도 3은 본 발명에 따른 양방향 강재댐퍼의 실시예이다.
도 4는 도 3의 양방향 강재댐퍼를 적용한 내진보강구조를 도시한다.
이하 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명에 따른 양방향 강재댐퍼(100)의 기본 실시예이다. 보는 바와 같이 본 발명에 따른 양방향 강재댐퍼(100)는 제1,2수평지지플레이트(110, 120) 사이에 제1,2수직댐핑플레이트(130, 140)가 가로방향과 세로방향의 양방향으로 설치된다는데 특징이 있다. 소성변형을 통해 진동에너지를 소산하는 댐핑플레이트를 가로방향은 물론 세로방향으로도 설치함으로써 면내는 물론 면외에서 작용하는 진동에너지에 대해서도 저항하도록 한 것이다. 본 발명에서 가로방향은 구조물의 장변방향이나 풍하중, 지진하중 등이 주요하게 작용하여 구조물의 변위가 크게 발생하는 방향에 대응하고, 세로방향은 구조물의 단변방향 등 가로방향과 다른 방향에 대응하며, 이때 가로방향은 세로방향과 직교하는 것은 물론 경우에 따라 소정의 각도로 형성될 수도 있다. 이로써 가로방향으로 설치되는 댐핑플레이트는 주로 면내에서 작용하는 진동에너지를 흡수 저항하고, 세로방향으로 설치되는 댐핑플레이트는 주로 면외에서 작용하는 진동에너지를 흡수 저항하게 된다.
구체적으로 본 발명에 따른 양방향 강재댐퍼(100)는, 제1수평지지플레이트(110); 제1수평지지플레이트(110)에 이격하게 평행 배치되는 제2수평지지플레이트(120); 슬릿플레이트 또는 스트립플레이트로 마련되어 제1수평지지플레이트(110)와 제2수평지지플레이트(120) 사이를 가로방향으로 수직 연결하도록 설치되는 제1수직댐핑플레이트(130); 슬릿플레이트 또는 스트립플레이트로 마련되어 제1수평지지플레이트(110)와 제2수평지지플레이트(120) 사이를 세로방향으로 수직 연결하도록 설치되는 제2수직댐핑플레이트(140);를 포함하여 구성된다. 여기서 제1,2수직댐핑플레이트(130, 140)는 슬릿플레이트 또는 스트립플레이트로 마련됨에 따라 소성변형을 통한 댐핑작용을 하며, 또한 제1,2수평지지플레이트(110, 120) 사이에서 하중을 효과적으로 전달하는 역할을 하기도 한다. 특히 제1,2수직댐핑플레이트(130, 140)가 서로 교차하는 방향으로 설치되기 때문에 하중 전달에 효과적이다. 물론 도시하지 않았지만 제1,2수직댐핑플레이트(130, 140)만으로 하중 전달이 충분치 않다면 제1,2수직댐핑플레이트(130, 140)의 댐핑작용에 방해하지 않는 범위에서 별도의 하중전달부재가 적절하게 마련될 수도 있다.
도 2(a)는 제1,2수직댐핑플레이트(130, 140)로 슬릿플레이트가 마련된 예가 된다. 보는 바와 같이 슬릿플레이트는 면내에 슬릿(ST)이 수직으로 복수개 형성된 것인데, 이러한 슬릿플레이트가 십자구도로 적용되어 제1,2수직댐핑플레이트(130, 140)로 설치되고 있다. 도 2(a)에서는 슬릿(ST)이 1행4열로 형성된 슬릿플레이트가 적용되고 있으나 슬릿(ST)은 수직으로 형성된다면 다양한 행렬로 형성될 수 있는 것은 물론이며, 또한 제1,2수직댐핑플레이트(130, 140)도 단일 십자구도는 물론 다중 십자구도(도 2(b) 참조)로 설치될 수 있다.
도 2(b)는 제1,2수직댐핑플레이트(130, 140)로 스트립플레이트가 마련된 예가 된다. 보는 바와 같이 스트립플레이트는 폭이 좁은 띠 형태의 강판인데, 이러한 스트립플레이트가 십자구도로 적용되어 제1,2수직댐핑플레이트(130, 140)로 설치되고 있다. 도 2(b)에서는 스트립플레이트가 가로방향으로 1행3열로 적용되면서 세로방향으로 2행2열로 적용되어 제1,2수직댐핑플레이트(130, 140)가 이중 십자구도로 설치된 것을 확인할 수 있는데, 스트립플레이트는 다양한 행렬로 적용되어 제1,2수직댐핑플레이트(130, 140)가 단일 내지 다중 십자구도로 설치될 수도 있다.
도 3은 본 발명에 따른 양방향 강재댐퍼(100)의 다른 실시예로, 마찰댐퍼를 부가하여 복합댐퍼로 완성된 예가 된다. 마찰댐퍼는 제3수평지지플레이트(150)를 더 부가함으로써 구현될 수 있는데, 제3수평지지플레이트(150)는 제1수평지지플레이트(110)의 위 또는 제2수평지지플레이트(120)의 아래에 배치되어 제1수평지지플레이트(110) 또는 제2수평지지플레이트(120)와 슬로트홀(SH)을 통해 볼트(B), 너트(B) 결합으로 설치된다. 슬로트홀(SH)을 통한 변위로서 마찰운동하면서 진동에너지를 흡수하여 감쇠하도록 한 것이다. 슬로트홀(SH)은 제1수직댐핑플레이트(130)의 설치방향과 동일하게 형성시키는 것이 바람직한데, 그 결과 진동에너지에 우선적으로 저항하게 된다. 즉 풍하중, 지진하중 등 수평하중이 면내 방향으로 작용하면 먼저 슬로트홀(SH)을 통해 제1수평지지플레이트(110) 또는 제2수평지지플레이트(120)와 제3수평지지플레이트(150) 사이에서 마찰운동이 발생하고, 이 후 제1수직댐핑플레이트(130)의 소성변형이 발생하면서 저항하게 된다. 이 경우 제2수직댐핑플레이트(140)는 마찰댐퍼와 무관하게 소성변형하면서 면외 방향의 진동에너지에 대해 저항할 수 있다.
제3수평지지플레이트(150)에 의한 마찰댐퍼가 더 부가되는 경우에는 마찰패드(160)가 더 설치되어 마찰운동에 대한 저항력을 증대시킬 수 있다. 마찰패드(160)는 제3수평지지플레이트(150) 내측에 설치되며, 제3수평지지플레이트(150)와 마찬가지로 슬로트홀(SH)이 형성되어 볼트(B) 결합된다. 마찰패드(160)는 비석면 마찰패드, 금속 마찰패드 등 통상적으로 사용하는 것을 그대로 적용하면 된다. 도 3은 제2수평지지플레이트(120) 위로 마찰패드(160)와 제3수평지지플레이트(150)를 차례로 부가한 예가 된다.
도 4는 도 3의 양방향 강재댐퍼(100)를 적용한 내진보강구조를 도시한다. 본 발명에 따른 양방향 강재댐퍼(100)는 기둥이나 벽체와 같은 수직부재 중간에 설치하여 내진보강에 기여한다. 특히 H형강 철골기둥의 경우에는 H형강 철골기둥 중간에 제1,2,3수평지지플레이트(도 2의 실시예는 제1,2수평지지플레이트, 도 3의 실시예는 제1,3수평지지플레이트)를 단순히 용접접합하는 것만으로 간단하게 설치할 수 있다. 도 4는 H형강 철골기둥(C)을 RC구조물에 보강 설치하는 경우를 예시하는데, 보는 바와 같이 H형강 철골기둥(C)은 바람직하게 상·하부 양단부에 엔드플레이트(C1)를 접합 설치하고 상·하부 보(LB, UB) 각각에 케미컬 앵커(F1)와 필러(F2)로 고정 설치한다. 필러 대신에 탄성단열재를 설치하면서 케미컬 앵커(F1)로 고정할 수도 있는데, 탄성단열재는 유연하게 대응하면서 틈새없이 설치되기 때문에 단열성능 확보에 기여하고 더불어 지지하중 흡수에도 기여한다. 도 4와 같은 양방향 강재댐퍼를 설치한 철골기둥은 RC건물의 개구부를 내진보강하는데 적용할 수 있다.
이상에서 본 발명은 구체적인 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 실시예는 본 발명을 예시하기 위한 것일 뿐이므로, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 치환, 부가 및 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호범위에 속한다고 할 것이다.
100: 양방향 강재댐퍼
110: 제1수평지지플레이트
120: 제2수평지지플레이트
130: 제1수직댐핑플레이트
140; 제2수직댐핑플레이트
150: 제3수평지지플레이트
160: 마찰패드
ST: 슬릿
SH: 슬로트홀
B: 볼트
N: 너트
C: H형강 철골기둥

Claims (5)

  1. 제1수평지지플레이트(110);
    상기 제1수평지지플레이트(110)에 이격하게 평행 배치되는 제2수평지지플레이트(120);
    슬릿플레이트 또는 스트립플레이트로 마련되어 상기 제1수평지지플레이트(110)와 제2수평지지플레이트(120) 사이를 가로방향으로 수직 연결하도록 설치되는 제1수직댐핑플레이트(130);
    슬릿플레이트 또는 스트립플레이트로 마련되어 상기 제1수평지지플레이트(110)와 제2수평지지플레이트(120) 사이를 세로방향으로 수직 연결하도록 설치되는 제2수직댐핑플레이트(140);
    를 포함하여 구성되어, 상기 가로방향의 제1수직댐핑플레이트(130)는 면내에서 작용하는 진동에너지를 흡수 저항하고 상기 세로방향의 제2수직댐핑플레이트(140)는 면외에서 작용하는 진동에너지를 흡수 저항하게 되는 것을 특징으로 하는 양방향 강재댐퍼(100).
  2. 제1항에서,
    상기 제1수평지지플레이트(110)의 위 또는 상기 제2수평지지플레이트(120)의 아래에 상기 제1수평지지플레이트(110) 또는 제2수평지지플레이트(120)와 슬로트홀(SH)을 통해 볼트(B) 결합되는 제3수평지지플레이트(150);
    을 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향 강재댐퍼(100).
  3. 제2항에서,
    상기 제1수평지지플레이트(110) 또는 제2수평지지플레이트(120)와 제3수평지지플레이트(150) 사이에 설치되는 마찰패드(160);
    를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 양방향 강재댐퍼(100).
  4. 기둥이나 벽체와 같은 수직부재 중간에 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 따른 양방향 강재댐퍼(100)가 설치되는 것을 특징으로 하는 구조물의 내진보강구조.
  5. 제4항에서,
    상기 수직부재는, H형강 철골기둥(C)이며,
    상기 양방향 강재댐퍼(100)는, H형강 철골기둥(C) 중간에 용접접합으로 설치되는 것을 특징으로 하는 구조물의 내진보강구조.
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