KR101431495B1 - 횡지지 댐퍼구조물을 이용한 다이아그리드 구조의 에너지 소산장치 - Google Patents

횡지지 댐퍼구조물을 이용한 다이아그리드 구조의 에너지 소산장치 Download PDF

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Abstract

본 발명의 횡지지 댐퍼구조물을 이용한 다이아그리드 구조의 에너지 소산장치는 대각부재와 보 부재가 연결부에 의해 상호 결합되는 다이아그리드 구조에 있어서, 상기 보 부재와 상기 연결부 간에 형성되는 변위유도댐퍼; 상기 변위유도댐퍼를 내재한 채로 일단부는 상기 보 부재와 결합되고 타단부는 상기 연결부에 결합되는 댐퍼박스;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

횡지지 댐퍼구조물을 이용한 다이아그리드 구조의 에너지 소산장치{Energy dissipation device in structure of diagrid using side support damper}
본 발명은 횡지지 댐퍼구조물에 관한 것으로, 이를 더욱 상세히 설명하면 대각부재와 보 부재가 연결부에 의해 상호 결합되는 다이아그리드 구조에 있어서 변위유도댐퍼와 댐퍼박스로 구성되는 횡지지 댐퍼구조물을 이용한 다이아그리드 구조의 에너지 소산장치에 관한 것이다.
국내의 초고층 시장은 경제성장과 더불어 점점 확대되고 있는 추세이다. 최근 세계적으로 이슈가 되고 있는 초고층 건축물은 경제적인 목적도 있으나 국가의 부와 미래를 상징하는 랜드마크를 위해 건설되고 있다. 예를 들면 대만의 Taipei, USE의 Burj Dubai, 말레이시아의 KLCC 등이 이러한 경향이 크다고 할 수 있다.
기존의 초고층 건축물들은 저층부에서 고층부로 올라갈수록 단면이 감소하는 기둥-보의 전형적인 구조 방식을 택하고 있는 반면, 최근 들어 국가적 상징성을 가지는 랜드마크 요소를 강조하여 뒤틀리거나 경사진 비정형성의 외관과 구조 형식을 채택하고 있으며, 특히 대각가새를 이용한 다이아그리드(Diagrid) 초고층 건축물들은 이에 최적으로 부합한다고 할 수 있다.
상기 다이아그리드 구조를 갖는 건축물은 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 확대 추세를 보이고 있으며 현재에도 다양한 프로젝트가 진행 중이다.
이러한 다이아그리드의 구조를 응용한 가장 최근의 사례로서 각형강관들로 구성되는 무질서한 다이아그리드의 그물망으로 얽힌 새둥지(Bird's Nest) 형상을 가지는 중국 베이징 올림픽 주경기장을 들 수 있으며, 국내의 경우 아산 배방 싸이클론 타워, 잠실 롯데 슈퍼타워, 대전 퓨처엑스 프로젝트 등에서 다이아그리드 구조가 채택되었다.
한편 다이아그리드 구조의 접합부는 구조적 성능 측면에서 대단위 수직하중을 대각방향으로 적절하게 배분하여 기초와 지반에 안전하게 전달함은 물론, 바람이나 지진과 같은 수평하중에도 효과적으로 저항할 수 있도록 설계되어야 한다.
그런데 이러한 다이아그리드 구조에 있어 지진하중 등 수평하중이 작용하는 경우 축방향 좌굴이 발생하여 소성변형이 제한적이다. 즉 다이아그리드 구조에 있어 지진하중 등 수평하중에 대한 보강이 필요한 바, 이에 대한 연구가 미비한 상태이다.
따라서, 본 발명은 상술한 문제점을 해결하기 위해 제안되는 것으로서, 다이아그리드 구조에 있어 지진하중이 작용되는 경우 다이아그리드 구조에 손상을 방지하면서 지진에너지를 소산시킬 수 있는 장치를 제공하고자 함이다.
상기 문제를 해결하기 위한 수단으로 본 발명의 횡지지 댐퍼구조물을 이용한 다이아그리드 구조의 에너지 소산장치는 대각부재와 보 부재가 연결부에 의해 상호 결합되는 다이아그리드 구조에 있어서, 상기 보 부재와 상기 연결부 간에 형성되는 변위유도댐퍼; 및 상기 변위유도댐퍼를 내재한 채로 일단부는 상기 보 부재와 결합되고 타단부는 상기 연결부에 결합되는 댐퍼박스;를 포함하여 구성됨을 특징으로 한다.
하나의 예로서, 상기 변위유도댐퍼는 상기 보 부재의 끝단과 상기 댐퍼박스의 내부에 형성되는 복수의 강재판으로, 상기 강재판은 사각형상으로 일측과 타측이 대칭되도록 반원형상의 홈이 형성됨을 특징으로 한다.
특히 상기 댐퍼박스는, 상기 연결부 및 상기 보 부재와 결합됨에 있어, 상기 연결부에는 부착되어 일체거동이 가능하도록 하며, 상기 보 부재에는 상기 보 부재와 수직방향으로 슬라이드가 되도록 결합됨을 특징으로 한다.
하나의 예로서, 상기 댐퍼박스는 상기 변위유도댐퍼를 내재하면서, 일단부가 상기 보 부재를 감싸도록 구성되며, 상기 댐퍼박스에 있어 상기 보 부재를 감싸는 부분의 상부 또는 하부에는 상기 보 부재의 수직방향으로 장공이 천공되고, 상기 댐퍼박스 및 보 부재는 상기 장공을 통해 볼트결합 되는 것을 특징으로 한다.
이상에서 설명한 바와 같이 본 발명에 따른 횡지지 댐퍼구조물을 이용한 다이아그리드 구조의 에너지 소산장치는 다이아그리드 구조에 지진하중이 전달되는 경우 변위유도댐퍼의 소성변형을 유도하여 다이아그리드 구조에 있어 부재의 손상을 방지하면서 지진에너지를 소산 시킬 수 있는 장점이 있다.
또한, 댐퍼박스에 의해 지진발생에 의한 변위유도댐퍼에 소성변형이 발생된 후에도 대각부재와 거더 및 횡지지보의 연결이 유지되어 상호 부재간에 작용하는 수직하중이 타 부재로 전달될 수 있어 구조적 안정성을 도모할 수 있는 장점이 있다.
또한, 지진발생 후 소성변형이 발생된 변위유도댐퍼의 교체만으로 유지보수가 가능하게 되므로 시설경제면에서 유리한 장점이 있다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 횡지지 댐퍼구조물을 이용한 다이아그리드 구조의 에너지 소산장치의 실시 예를 나타내는 사시도.
도 3은 본 발명의 일 구성인 변위유도댐퍼를 나타내는 정면도.
도 4는 본 발명의 일 구성인 변위유도댐퍼의 다른 실시 예를 나타낸 도면.
도 5a 및 도 5b는 본 발명의 횡지지 댐퍼구조물을 이용한 다이아그리드 구조의 에너지 소산장치에 대한 작동상태를 나타내는 도면.
이하, 본 발명의 구성 및 작용을 첨부된 도면에 의거하여 좀 더 구체적으로 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 본 명세서 및 청구범위에 사용된 용어나 단어는 발명자가 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 횡지지 댐퍼구조물을 이용한 다이아그리드 구조의 에너지 소산장치의 실시 예를 나타내는 사시도이고, 도 3은 본 발명의 일 구성인 변위유도댐퍼를 나타내는 정면도이고, 도 4는 본 발명의 일 구성인 변위유도댐퍼의 다른 실시 예를 나타낸 도면이고, 도 5a 및 도 5b는 본 발명의 횡지지 댐퍼구조물을 이용한 다이아그리드 구조의 에너지 소산장치의 작동상태를 나타내는 도면이다.
일반적으로 건축물에 있어, 다이아그리드 구조를 적용함으로써, 대단위 수직하중을 대각방향으로 적절하게 배분하여 기초와 지반에 안전하게 전달하고 바람이나 지진과 같은 횡하중이 작용하여도 효과적으로 저항할 수 있게 되어 근래에 들어 국내뿐만 아니라 전 세계적으로 확대 추세를 보이고 있다.
본 발명의 횡지지 댐퍼구조물을 이용한 다이아그리드 구조의 에너지 소산장치는 도 1에서 보는 바와 같이 대각부재(11)와 보 부재가 결합되는 다이아그리드 구조(10)에 있어, 대각부재(11)와 보 부재의 결합수단으로 횡지지댐퍼 구조물(200)을 구성하여 다이아그리드 구조(10)의 손상을 방지하면서 지진에너지를 소산시킬 수 있도록 구성됨에 특징이 있다.
본 발명에서의 보 부재는 거더(12)와 횡지지보(13)를 통칭한 것으로, 거더(12)는 상기 대각부재(11)와 동일면상에서 횡방향으로 배치되는 것이고, 횡지지보(13)는 상기 대각부재(11) 및 거더(12)에 대하여 수직되는 횡방향으로 배치되는 것이다.
구체적으로, 다이아그리드 구조(10)는 대각부재(11)가 연속으로 교차하여 배치되고 상기 대각부재(11)에 횡방향으로 결속되는 거더(12)가 결합되는 구조로 되어있으며, 대각부재(11)와 거더(12)의 교차점에는 연결부(100)를 구성하여 대각부재(11)와 거더(12)를 견고하게 결속하게 되며, 또한 상기 연결부(100)에 수직 횡방향으로 배치되는 횡지지보(13)가 결합되게 함으로써, 상기 횡지지보(13)에 의해 슬라브(도면 미도시) 등이 지지되도록 하는 구조를 갖게 된다.
본 발명에서 연결부(100)는 도 1에 도시된 바와 같이 대각부재(11)가 상호간에 교차됨과 동시에 거더(12)와 교차되는 지점에 배치되는 제 1연결부(110)와 대각부재(11)에 거더(12)가 교차되는 지점에 배치되는 제 2연결부(120)로 구성된다. 이때, 상기 연결부(100)는 다이아그리드 구조(10)를 이루는 부재간의 교차부위를 결속시키는 것으로 그 결합방법에 대하여 종래의 다양한 구성을 적용할 수 있는 바, 그 구체적인 설명은 생략하기로 한다.
상기 횡지지보(13)는 슬라브에 의해 횡변위가 구속되므로 지진 등에 기인하여 발생되는 횡하중으로 부터 다이아그리드 구조(10)의 횡변위가 발생될 경우 횡지지보(13)와 연결부(100)가 결속되는 결속부위는 응력집중이 발생하여 좌굴 또는 파손될 우려가 있으며, 이를 방지하기 위하여 횡지지보(13)와 연결부(100)간의 결합부위 에 변위유도댐퍼(210) 및 댐퍼 박스(220)로 구성되는 횡지지댐퍼 구조물(200)이 구성되는데, 상기 횡지지보(13)는 상기 연결부(100)를 향하는 끝단에 변위유도댐퍼(210)가 구성된다.
상기 변위유도댐퍼(210)는 횡지지보(13)와 상기 제 1연결부(110) 또는 제 2연결부(120)와 사이에서 지진하중이 발생되는 경우 소성변형이 유도되도록 하여 지진에너지가 소산되도록 하는 것으로서, 다양한 구성이 제시될 수 있다.
이에 본 발명에서는 도 2 등에 도시되는 바와 같이 상기 변위유도댐퍼(210)의 실시 예를 제시하고 있는 바, 본 실시 예는 복수로 구성되고 일정한 두께를 갖는 판상의 강판으로 제작되며 일정한 틈새 간격을 두고 서로 평행하게 배치되도록 하는 것이다.
이와 같이 구성된 상기 변위유도댐퍼(210)는 풍하중이나 차량의 제동하중과 같이 단기간에 작용하는 상시하중에 대해서는 초기강성을 유도하여 저항하고, 풍하중을 능가하는 설계지진하중 수준의 지진하중에 의한 횡하중이 전달될 경우 변위유도댐퍼(210)의 소성변형을 유도하여 지진에너지가 흡수되도록 함으로써 에너지소산을 유도할 수 있게 된다.
도 3에서 보는 바와 같이 상기 변위유도댐퍼(210)는 직사각형상으로 상측과 하측이 대칭되도록 반원형상의 홈이 형성되는데 홈의 지름을 b라 정의하고 홈을 제외한 일측의 길이를 a라 정의 하였을때 그 크기 비율이 2a < b 가 되도록 하여 횡하중이 가해질 때 변위유도댐퍼(210)의 탄성유지 또는 소성변형의 유도를 돕게 된다.
다시 도 2를 참조하여 설명하면, 도 2는 본 발명에 따른 횡지지 댐퍼구조물(200)과 다이아그리드 구조(10)의 결합을 구체적으로 나타내게 되는데, 도면에 도시된 바와 같이 변위유도댐퍼(220)는 일측이 횡지지보(13)에 결합되고 타측은 댐퍼박스(220)에 고정되게 된다.
구체적으로 상기 댐퍼박스(220)는 내부에는 변위유도댐퍼(210)가 내재되는 댐퍼공간부(222)가 형성되며, 일측은 상기 연결부(100)에 고정되어 대각부재(11) 및 거더(12)와 일체거동할 수 있게 되며 타측은 개방된 면으로써 상기 횡지지보(13)를 향하도록 구성된다.
이때 상기 댐퍼박스(220)는 상술한 바와 같이 일측이 개방된 형상으로 구성할 수 있으며 또는 도면에 도시된 바는 없으나 일측과 타측이 개방되는 관통된 형상으로 구성될 수 있게 되는데, 이는 상기 변위유도댐퍼(210)의 끝단을 연결부(100)에 직접 고정시키거나 또는 변위유도댐퍼(210)의 끝단이 댐퍼박스(220)에 고정된 상태로 댐퍼박스(220)가 연결부(100)에 고정됨으로써 상기 변위유도댐퍼(210)의 일단은 횡지지보(13)에 고정되고 타단은 연결부(100)에 고정되어 연결부(100)와 변위유도댐퍼(210)는 일체거동할 수 있게 되는 것이다.
상기와 같은 구조로 구성됨으로써, 대각부재(11) 및 거더(12)로 지진 등에 의해 횡하중 발생에 의한 횡지지보(13)와 상대변위 발생으로 변위유도댐퍼(210)에 소성변형이 발생되더라도 연결부(100)와 횡지지보(13)가 댐퍼박스(220)에 의해 구속이 유지 되도록 함으로써, 횡지지보(13)에 작용하는 수직하중을 계속적으로 타 다이아그리드 구조(10)의 부재로 전달시킬 수 있게 되는 것이다.
또한, 횡지지보(13)의 끝단부 및 변위유도댐퍼(210)는 댐퍼박스(220)에 내재됨에 있어 댐퍼박스(220) 내부에 형성된 댐퍼공간부(222)는 변위유도댐퍼(210)의 소성변형이 유도되도록 변위유도댐퍼(210)의 좌우 양측에 유격(s)이 확보되도록 구성한다.
이는, 댐퍼박스(220)가 상기 변위유도댐퍼(210)를 포함하는 횡지지보(13)를 내재하는데 있어서, 횡지지보(13)와 좌,우 양측에 유격이 형성되도록 구성함으로써, 지진하중에 기인한 상기 연결부(100)의 변위 발생시 변위유도댐퍼(210)의 소성변형에 의하여 지진에너지 등이 흡수되도록 하여 슬라브에 의한 횡변위가 구속되는 보 부재(20)로의 충격전달을 차단할 수 있게 된다.
한편, 일측이 연결부(100)에 고정되는 댐퍼박스(220)의 타측은 횡지지보(13)와 결합되는데 그 결합수단으로는 댐퍼박스(220)의 상부 및 그와 대응되는 횡지지보(13)의 상부에 각각 볼트공(224,226)을 형성하여 볼트(225) 및 너트(227)를 통한 볼팅결합을 하게 되며, 이때 상기 댐퍼박스(220)에 형성되는 볼트공은 횡지지보(13)의 길이방향에 대하여 수직방향으로 길게 형성되는 장공(224)을 형성하여 지진하중에 의한 연결부(100)의 횡변위에 따라 댐퍼박스(220)가 상기 횡지지보(13) 상에서 슬라이드가 될 수 있도록 구성되는 것이다.
이는 상기 볼트(225)가 댐퍼박스(220)에 형성된 장공을 통해 횡지지보(13)에 고정되는 구조로 구성되므로, 연결부(100) 및 댐퍼박스(220)가 횡변위 함에 따라 상기 댐퍼박스(220)는 상기 볼트(225)에 가이드된 상태로 횡지지보(13)의 수직방향으로 슬라이드될 수 있게 된다.
한편, 도 4에서는 본 발명의 일 구성인 변위유도댐퍼(210)의 다른 실시 예를 나타낸 것으로, 일정한 두께를 갖는 판상의 강판으로 제작되며 일정한 틈새 간격을 두고 서로 평행하게 배치되는 변위유도댐퍼(210)의 각 틈새에는 고무플레이트(212)가 배치되도록 하여 지진에너지에 의한 횡하중에 대하여 탄성을 증가시키고 횡지지 댐퍼구조물(200)의 비선형거동으로 지진에너지를 흡수할 수 있게 된다.
한편 도 5a 내지 도 5b는 본 발명의 작동예를 나타내는 도면으로써 먼저, 도 5a는 변위유도댐퍼(210)를 포함하는 횡지지보(13)와 댐퍼박스(220)가 결합된 실시 예를 나타낸 것이며 도 5b는 상기 실시 예에 설계지진하중 수준의 지진하중에 의한 횡하중(F)이 전달될 경우 변위유도댐퍼(210)의 소성변형이 발생되고 상기 대각부재(11), 거더(12) 및 연결부(100)의 횡변위가 발생하게 되어도 상기 횡지지보(13)에는 변위가 발생 되지 않게 되어 변위유도댐퍼(210)의 소성변형 이후에도 횡지지보(13)에 작용하는 중력하중이 다이아그리드 부재(10)로의 전달이 유지되도록 구성된 것을 나타낸다.
이와 같이 상기 변위유도댐퍼(210) 및 댐퍼박스(220)가 구성됨에 의해 다이아그리드 구조(10)에 작용하는 지진하중을 상기 변위유도댐퍼(210)로 집중시킬 수 있게 되는 것이며, 이러한 지진하중의 집중에 의해 변위유도댐퍼(210)만이 소성변형을 일으켜, 다이아그리드 구조(10) 및 댐퍼박스(220)의 경우 지진 발생 후에도 그대로 사용 될 수 있도록 하며 이후, 변위유도댐퍼(210)만을 교체할 수 있도록 함으로써 시설경제면에서 유리하도록 하는 것이다.
또한, 지진발생후에도 연결부(100)와 횡지지보(13) 간에는 댐퍼박스(220)에 의해 연결이 되어 있으므로 부재에 작용하는 수직하중이 상호 전달될 수 있도록 한다.
이상 설명한 내용을 통해 당업자라면 본 발명의 기술사상을 일탈하지 아니하는 범위에서 다양한 변경 및 수정 가능함을 알 수 있을 것이다. 따라서, 본 발명의 기술적 범위는 명세서의 상세한 설명에 기재된 내용으로 한정되는 것이 아니라 특허청구범위에 의해 정해져야만 할 것이다.
10 : 다이아그리드 구조 11 : 대각부재
12 : 거더 13 : 횡지지보
100 : 연결부 200 : 횡지지 댐퍼구조물
210 : 변위유도댐퍼 220 : 댐퍼박스

Claims (4)

  1. 대각부재와 보 부재가 연결부에 의해 상호 결합되는 다이아그리드 구조에 있어서,
    상기 보 부재와 상기 연결부 간에 형성되는 변위유도댐퍼;
    상기 변위유도댐퍼를 내재한 채로 일단부는 상기 보 부재와 결합되고 타단부는 상기 연결부에 결합되는 댐퍼박스;
    를 포함하여 구성되되,
    상기 댐퍼박스는,
    상기 연결부 및 상기 보 부재와 결합됨에 있어, 상기 연결부에는 부착되어 일체거동이 가능하도록 하며, 상기 보 부재에는 상기 보 부재와 수직방향으로 슬라이드가 되도록 결합됨을 특징으로 하고,
    상기 댐퍼박스는 상기 변위유도댐퍼를 내재하면서, 일단부가 상기 보 부재를 감싸도록 구성되며, 상기 댐퍼박스에 있어 상기 보 부재를 감싸는 부분의 상부 또는 하부에는 상기 보 부재의 수직방향으로 장공이 천공되고, 상기 댐퍼박스 및 보 부재는 상기 장공을 통해 볼트결합 되는 것을 특징으로 하는 횡지지 댐퍼구조물을 이용한 다이아그리드 구조의 에너지 소산장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
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