KR101478654B1 - 다이아그리드를 이용한 내진보강구조 - Google Patents

다이아그리드를 이용한 내진보강구조 Download PDF

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김종호
김태진
이명규
김은성
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Abstract

본 발명은 대각부재를 반복적으로 배치하여 구성되는 다이아그리드를 댐퍼 설치를 위한 기준벽으로 이용함으로써, 충분한 강성 확보로 건물의 사용성을 저해하지 않으면서 거주자의 시각적인 개방감을 확보할 수 있는 다이아그리드를 이용한 내진보강구조에 대한 것이다.
본 발명의 다이아그리드를 이용한 내진보강구조는 건물의 외벽과 일정 간격 이격되도록 건물 외면을 감싸는 것으로 일정 각도 경사진 복수의 대각부재가 연결부에서 상호 연결되어 구성되는 다이아그리드; 및 상기 다이아그리드와 건물 외벽 사이에 구비되는 댐퍼부; 로 구성되되, 상기 댐퍼부는 상기 연결부 내측 또는 건물 외벽에 결합되는 것으로 일측이 개방된 가이드박스, 일단이 가이드박스의 대응하는 반대측인 건물 외벽 또는 연결부 내측에 결합되는 댐퍼 및 상기 댐퍼의 타단에 일단이 결합되는 것으로 타단이 가이드박스의 개방된 일측에 삽입되어 슬라이딩 운동 가능하게 결합되는 횡지지부재로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

다이아그리드를 이용한 내진보강구조{Seismic Retrofit Technology using Diagrid Frames}
본 발명은 대각부재를 반복적으로 배치하여 구성되는 다이아그리드를 댐퍼 설치를 위한 기준벽으로 이용함으로써, 충분한 강성 확보로 건물의 사용성을 저해하지 않으면서 거주자의 시각적인 개방감을 확보할 수 있는 다이아그리드를 이용한 내진보강구조에 대한 것이다.
지진 발생시 구조물의 안정성 확보를 위하여 내진, 제진 및 면진 설계가 활용되고 있다.
이중 제진 설계는 진동을 제어하기 위하여 댐퍼 등 감쇠기구를 비롯한 특별한 장치를 구조물에 설치하여 에너지를 흡수하도록 함으로써 지진하중에 저항하는 것으로, 구조물의 손상 없이 목적을 달성할 수 있는 장점으로 인하여 건축, 토목 구조물에 적용 빈도가 높다.
일례로 기존 건물의 제진 성능을 향상시키기 위하여, 도 1에서와 같이 건물(1) 외부에 기준벽(reference frame)(3)을 설치하고 기준벽(3)과 건물(1) 외벽 사이에 댐퍼(2)를 설치하는 경우를 고려할 수 있다.
그러나 이 경우 건물, 특히 아파트와 같이 벽체량이 많아 강성이 강한 건물에서 기준벽을 모멘트 프레임으로 하면, 건물 강성에 비하여 기준벽의 강성이 지나치게 약하게 된다. 따라서 기준벽이 댐퍼를 지지할 수 없어 제진 성능을 제대로 발휘하기 어렵다.
이에 반해, 기준벽을 벽체로 할 경우 벽체의 강성이 강하여 건물의 진동을 제어하는 댐퍼를 효과적으로 지지할 수 있으나, 이 경우 벽체가 시각적인 제한요소로 작용하여, 건물의 사용이 곤란하고 디자인 면에서도 매우 제한적이라는 한계가 있다.
특히, 구체적인 높이에 따라 다르나 고층 건물의 경우 10층 내외의 높이에 댐퍼를 설치하는 것이 진동 제어를 위해 효과적이다. 그러나 10층 높이로 기준벽을 세우면 실질적으로 건물 사용에 큰 장애가 될 수 있다.
아울러 전단벽과 슬래브의 접합부 사이에 제진장치를 설치하는 전단벽형 제진장치에 대한 기술이 제안되었으나, 상기 전단벽형 제진장치는 전단벽과 일체로 구성되기 때문에, 지진발생 후 교체가 불가능한 단점이 있다(특허 제1171553호).
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 본 발명은 강성이 강하면서도 건물 사용성을 저해하지 않을 뿐만 아니라, 시각적인 개방감과 디자인적인 요소가 뛰어난 다이아그리드를 이용한 내진보강구조를 제공고자 한다.
상기와 같은 과제를 해결하기 위하여 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 건물의 외벽과 일정 간격 이격되도록 건물 외면을 감싸는 것으로 일정 각도 경사진 복수의 대각부재가 연결부에서 상호 연결되어 구성되는 다이아그리드; 및 상기 다이아그리드와 건물 외벽 사이에 구비되는 댐퍼부; 로 구성되되, 상기 댐퍼부는 상기 연결부 내측 또는 건물 외벽에 결합되는 것으로 일측이 개방된 가이드박스, 일단이 가이드박스의 대응하는 반대측인 건물 외벽 또는 연결부 내측에 결합되는 댐퍼 및 상기 댐퍼의 타단에 일단이 결합되는 것으로 타단이 가이드박스의 개방된 일측에 삽입되어 슬라이딩 운동 가능하게 결합되는 횡지지부재로 구성되는 것을 특징으로 하는 다이아그리드를 이용한 내진보강구조를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 수평으로 인접하는 연결부는 수평연결부재로 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 다이아그리드를 이용한 내진보강구조를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 다이아그리드의 최하단 연결부는 지반에 정착되어 고정되는 것을 특징으로 하는 다이아그리드를 이용한 내진보강구조를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 건물의 각면 외곽에 위치하는 다이아그리드가 인접하는 다이아그리드와 만나는 접합부에는 수직지지부가 구비되고, 상기 수직지지부는 지반에 정착되어 고정되는 것을 특징으로 하는 다이아그리드를 이용한 내진보강구조를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 다이아그리드의 대각부재는 철골, 철근콘크리트 또는 CFT 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 다이아그리드를 이용한 내진보강구조를 제공한다.
상기와 같은 본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 대각부재가 반복적으로 배치되어 횡력뿐만 아니라 수직하중에도 효과적으로 저항할 수 있는 다이아그리드를 댐퍼 설치를 위한 기준벽으로 이용함으로써, 충분한 강성 확보로 건물의 사용성을 저해하지 않고 거주자의 시각적인 개방감을 확보할 수 있을 뿐만 아니라 디자인적 요소로 활용할 수 있다.
둘째, 건물의 다이아그리드 면내 방향 변위는 강성이 강한 다이아그리드에 전달되어 제진 성능을 발휘할 수 있으며, 건물의 다이아그리드 면외 방향 변위는 수평 방향으로 슬라이딩 운동 가능한 횡지지부재를 통하여 가이드박스 내에서 흡수되게 함으로써 다이아그리드에 충격이 전달되는 것을 방지할 수 있다.
셋째, 건물과 별도로 외부에 댐퍼 및 기준벽이 설치되므로, 지진발생 후 제진장치에 손상이 발생하더라도 댐퍼의 교체 설치가 가능하다.
도 1은 댐퍼를 이용한 제진 구조물의 실시예를 도시하는 측면도.
도 2는 본 발명 다이아그리드를 이용한 내진보강구조가 적용된 건물을 도시하는 사시도.
도 3은 본 발명 다이아그리드를 이용한 내진보강구조가 적용된 건물 일부를 도시하는 사시도.
도 4 및 도 5는 댐퍼부의 실시예를 도시하는 사시도.
도 6은 본 발명 다이아그리드를 이용한 내진보강구조가 적용된 건물을 도시하는 평면도.
도 7은 도 6의 'A' 부분에 대한 확대도면.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.
도 2는 본 발명 다이아그리드를 이용한 내진보강구조가 적용된 건물을 도시하는 사시도이고, 도 3은 본 발명 다이아그리드를 이용한 내진보강구조가 적용된 건물 일부를 도시하는 사시도이다.
도 2 내지 도 3에서 볼 수 있는 바와 같이, 본 발명의 다이아그리드를 이용한 내진보강구조는 건물(1)의 외벽과 일정 간격 이격되도록 건물(1) 외면을 감싸는 것으로 일정 각도 경사진 복수의 대각부재(11)가 연결부(12)에서 상호 연결되어 구성되는 다이아그리드(10); 및 상기 다이아그리드(10)와 건물(1) 외벽 사이에 구비되는 댐퍼부(20); 로 구성되되, 상기 댐퍼부(20)는 상기 연결부(12) 내측 또는 건물(1) 외벽에 결합되는 것으로 일측이 개방된 가이드박스(23), 일단이 가이드박스(23)의 대응하는 반대측인 건물(1) 외벽 또는 연결부(12) 내측에 결합되는 댐퍼(21) 및 상기 댐퍼(21)의 타단에 일단이 결합되는 것으로 타단이 가이드박스(23)의 개방된 일측에 삽입되어 슬라이딩 운동 가능하게 결합되는 횡지지부재(22)로 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 다이아그리드(10)는 건물(1) 외벽에 댐퍼를 연결 설치하기 위한 기준벽(reference frame)으로, 건물(1)의 외벽과 일정 간격 이격되도록 건물(1) 외면을 감싸며, 도 2에서 볼 수 있는 바와 같이, 지면에서 댐퍼가 설치되는 소정 높이까지 연장 설치될 수 있다.
상기 다이아그리드(10)는 일정 각도 경사진 복수의 대각부재(11)가 연결부(12)에서 상호 연결되어 구성되는 것으로, 대각부재(11)가 반복적으로 배치되어 횡력, 특히 다이아그리드 면내 방향으로 작용하는 하중뿐만 아니라, 수직하중이 효과적으로 전달되어 제진 성능을 발휘할 수 있다.
즉, 그물망 형태의 대각부재(11)가 연쇄적으로 수직 및 수평하중에 저항하기 때문에 변형을 최소화할 수 있어, 충분한 강성으로 하중 저항 측면에서 효과적이다.
상기 다이아그리드(10)를 구성하는 대각부재(11)는 형강이나 강관과 같은 철골 또는 철근콘크리트 또는 CFT(concrete filled tube) 중 어느 하나로 구성될 수 있다.
이러한 대각부재(11)는 벽체나 기둥부재에 비하여 차지하는 단면적이 적기 때문에, 건물(1) 내부 거주자의 시야 확보를 가능하게 하고, 건물(1) 외벽과 대각부재(11) 사이에 충분한 공간을 형성할 수 있도록 하는 등 건물(1)의 기능성을 증가시키도록 한다.
상기 연결부(12)는 복수의 대각부재(11)가 연결되는 접점이다.
도 2 및 도 3의 실시예에서 상기 대각부재(11)는 ㄷ 형강을 이용하였으며, 연결부(12)는 복수의 대각부재(11)의 웨브가 결합되는 플레이트 및 플레이트 외측면에 수직으로 결합되는 + 자형 플레이트로 구성하였다. 그리고 상기 + 자형 플레이트에 각 대각부재(11)의 단부가 용접 결합되었다.
그러나 이러한 실시예에 국한되지 않고, 연결부(12)는 종래의 다양한 실시예들을 적용할 수 있다.
상기 댐퍼부(20)는 다이아그리드(10)와 건물(1) 외벽 사이에 구비되는 것으로, 상기 연결부(12) 내측 또는 건물(1) 외벽에 결합되는 것으로 일측이 개방된 가이드박스(23), 일단이 가이드박스(23)의 대응하는 반대측인 건물(1) 외벽 또는 연결부(12) 내측에 결합되는 댐퍼(21) 및 상기 댐퍼(21)의 타단에 일단이 결합되는 것으로 타단이 가이드박스(23)의 개방된 일측에 삽입되어 슬라이딩 운동 가능하게 결합되는 횡지지부재(22)로 구성될 수 있다.
즉, 상기 댐퍼부(20)는 후술할 도 4의 실시예와 같이 다이아그리드(10) 측에서부터 차례대로 위치되는 가이드박스(23), 횡지지부재(22), 댐퍼(21)로 구성되거나, 도 5의 실시예와 같이 건물(1) 외면에서부터 차례대로 위치되는 가이드박스(23), 횡지지부재(22), 댐퍼(21)로 구성할 수 있다.
상기 댐퍼(21)는 지진하중이나 풍하중 등 횡하중에 의한 건물(1)의 진동 에너지를 흡수한다. 상기 댐퍼로는 점탄성 댐퍼, 강재이력 댐퍼, 유압댐퍼 또는 마찰댐퍼 등을 이용할 수 있다.
상기 횡지지부재(22)는 댐퍼(21)와 가이드박스(23) 사이에 위치되어 다이아그리드(10)의 면외 방향에 대한 건물의 변위를 흡수함으로써, 다이아그리드(10)에 충격이 전달되는 것을 방지한다.
즉, 다이아그리드(10)는 면내 방향 강성은 강하나 면외 방향 강성은 상대적으로 약하기 때문에, 건물(1)의 다이아그리드 면외 방향 변위가 다이아그리드(10)에 전달되지 않도록 한다.
이에 본 발명에서는 횡지지부재(22)가 횡지지부재(22)의 축방향으로 슬라이딩 가능하도록 가이드박스(23)의 개방된 일측을 통하여 가이드박스(23) 내부로 이동할 수 있도록 구성함으로써, 다이아그리드(10)의 면외 방향에 대해 건물의 변위가 가이드박스(23) 내에서 흡수되도록 하였다. 물론, 수직하중 및 다이아그리드 면내 방향 수평하중에 대하여는 댐퍼(21), 횡지지부재(22), 가이드박스(23)가 일체로 거동한다.
도 2 및 도 3의 실시예에서 횡지지부재(22)는 대각부재(11)와 마찬가지로 ㄷ 형강을 이용하였다.
또한, 본 발명에서 수평으로 인접하는 연결부(12)는 수평연결부재(13)로 상호 연결되는 것을 특징으로 한다.
이로써 다이아그리드(10)의 횡방향 강성을 더욱 증가시킬 수 있다.
그리고 상기 다이아그리드(10)의 최하단 연결부(12)는 지반에 정착되어 고정되는 것을 특징으로 한다.
도 2 내지 도 3의 실시예에서 다이아그리드(10)의 각 최하단 연결부(12)는 2개의 대각부재(11)가 만나는 부분으로, 연결부(12)는 2개의 대각부재(11)의 웨브가 동시에 접하는 플레이트 및 상기 플레이트에 수직으로 돌출된 ┴형 플레이트로 구성되었다. 그리고 ┴형 플레이트의 평평한 면이 지반에 면하도록 위치되었으며, 상기 플레이트는 기초(15)에 연결되어 지반에 정착 및 고정되어 하중을 지반으로 전달한다.
아울러 상기 건물(1)의 각면 외곽에 위치하는 다이아그리드(10)가 인접하는 다이아그리드(10)와 만나는 접합부에는 수직지지부(14)가 구비되고, 상기 수직지지부(14)는 지반에 정착되어 고정되는 것을 특징으로 한다.
상기 수직지지부(14)는 건물(1)의 인접면에 위치하는 다이아그리드(10)를 상호 연결하는 부분으로, 수직지지부(14)는 지반에 정착되어 고정됨으로써 하중을 지반으로 안전하게 전달한다.
도 2 및 도 3의 실시예에서 상기 수직지지부(14)로 각형 강관을 이용하였으나, 이에 국한되지는 않고 다양한 단면 형상을 적용할 수 있다.
도 4 및 도 5는 댐퍼부의 실시예를 도시하는 사시도이다.
도 4의 실시예에서 가이드박스(23)는 일측이 개방되어 내부에 빈 공간이 형성된 것으로 일단이 연결부(12) 내측에 결합되었으며, 댐퍼(21)는 일단이 건물(1) 외벽에 결합되었다. 그리고 횡지지부재(22)는 일단이 댐퍼(21)의 타단에 결합되고 타단이 가이드박스(23)의 개방된 일측에 삽입되어 슬라이딩 운동 가능하게 결합되었다.
상기 가이드박스(23)는 연결부(12)를 구성하는 플레이트 내측에 결합되었다.
상기 댐퍼(21)는 지진하중이 작용하는 경우 건물(1)과 다이아그리드(10)와의 사이에서 소성 변형을 유도하여 지진에너지가 소산되는 부분으로, 다양한 구성이 제시될 수 있다.
일례로 도 4의 (a)에서는 상하단에 반원 형상의 홈이 형성된 강판을 일정 간격 이격되도록 복수 개 병렬 배치하여 댐퍼(21)를 구성하였으며, 강판의 좌우 양단은 플레이트에 각각 용접 고정되었다. 댐퍼(21)의 일단은 건물(1) 외벽에 앵커볼트 등을 이용하여 결합하고 댐퍼(21)의 타단은 횡지지부재(22)에 용접 결합할 수 있다.
상기 가이드박스(23)는 일단이 연결부(12)에 고정되어 대각부재(11) 및 수평연결부재(13)와 일체로 거동한다.
도 4의 (b)에서와 같이, 가이드박스(23) 내부로 횡지지부재(22)가 슬라이딩 삽입됨으로써 건물(1)의 다이아그리드(10) 면외 방향 변위를 가이드박스(23) 내에서 흡수할 수 있도록 하여, 다이아그리드(10)에 충격이 전달되는 것을 방지할 수 있다.
이를 위하여 가이드박스(23) 내에는 윤활제를 도포하여 횡지지부재(22)의 슬라이딩을 용이하게 할 수 있다.
또한, 도 5의 실시예에서 상기 댐퍼(21)는 연결부(12) 내측에 결합되고, 가이드박스(23)는 건물(1) 외벽에 결합되었으며, 댐퍼(21)와 가이드박스(23) 사이에는 횡지지부재(22)가 위치되었다.
도 5의 실시예는 도 4의 실시예와 비교하여 댐퍼(21)와 가이드박스(23)의 위치만 바뀌었을 뿐, 각각의 기능은 앞서 도 4에서 설명한 바와 동일하다.
도 6은 본 발명 다이아그리드를 이용한 내진보강구조가 적용된 건물을 도시하는 평면도이고, 도 7은 도 6의 'A' 부분에 대한 확대도면이다.
도 6 및 도 7은 지진하중 등 횡하중이 전달되어 댐퍼(21)에 소성 변형이 발생하는 한편, 대각부재(11), 수평지지부재(13) 및 연결부(12)에 횡변위가 발생하더라도 건물에 작용하는 중력하중이 다이아그리드(10)로 전달될 수 있음을 나타낸다.
즉, 본 발명을 이용하는 경우에는 충분한 강성이 확보된 다이아그리드(10)에 작용하는 지진하중을 댐퍼(21)에 집중시킬 수 있고, 댐퍼(21)만이 지진하중의 집중에 의하여 소성 변형을 일으키게 된다. 따라서 지진 발생 후에 다이아그리드(10) 및 가이드박스(23)는 그대로 사용하면서 건물 외부에 노출된 댐퍼(21)만 교체하면 되므로, 유지보수면에서도 경제성을 확보할 수 있다.
또한, 도 7에서 볼 수 있는 바와 같이, 다이아그리드(10)의 면외 방향으로 발생하는 건물의 변위에 대하여 횡지지부재(22)가 횡지지부재(22)의 축방향으로 슬라이딩이 용이하도록, 상기 가이드박스(23)는 내부에 횡지지부재(22)의 축방향으로 소정의 유격 공간을 확보할 수 있도록 제작함이 바람직하다.
1: 건물 2: 댐퍼
3: 기준벽(reference frame) 10: 다이아그리드
11: 대각부재 12: 연결부
13: 수평연결부재 14: 수직지지부
15: 기초 20: 댐퍼부
21: 댐퍼 22: 횡지지부재
23: 가이드박스

Claims (5)

  1. 건물(1)의 외벽과 일정 간격 이격되도록 건물(1) 외면을 감싸는 것으로 일정 각도 경사진 복수의 대각부재(11)가 연결부(12)에서 상호 연결되어 구성되는 다이아그리드(10); 및
    상기 다이아그리드(10)와 건물(1) 외벽 사이에 구비되는 댐퍼부(20); 로 구성되되,
    상기 댐퍼부(20)는 상기 연결부(12) 내측 또는 건물(1) 외벽에 결합되는 것으로 일측이 개방된 가이드박스(23), 일단이 가이드박스(23)의 대응하는 반대측인 건물(1) 외벽 또는 연결부(12) 내측에 결합되는 댐퍼(21) 및 상기 댐퍼(21)의 타단에 일단이 결합되는 것으로 타단이 가이드박스(23)의 개방된 일측에 삽입되어 슬라이딩 운동 가능하게 결합되는 횡지지부재(22)로 구성되는 것을 특징으로 하는 다이아그리드를 이용한 내진보강구조.
  2. 제1항에 있어서,
    수평으로 인접하는 연결부(12)는 수평연결부재(13)로 상호 연결되는 것을 특징으로 하는 다이아그리드를 이용한 내진보강구조.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다이아그리드(10)의 최하단 연결부(12)는 지반에 정착되어 고정되는 것을 특징으로 하는 다이아그리드를 이용한 내진보강구조.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 건물(1)의 각면 외곽에 위치하는 다이아그리드(10)가 인접하는 다이아그리드(10)와 만나는 접합부에는 수직지지부(14)가 구비되고, 상기 수직지지부(14)는 지반에 정착되어 고정되는 것을 특징으로 하는 다이아그리드를 이용한 내진보강구조.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 다이아그리드(10)의 대각부재(11)는 철골, 철근콘크리트 또는 CFT 중 어느 하나인 것을 특징으로 하는 다이아그리드를 이용한 내진보강구조.
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