KR101531206B1

KR101531206B1 - 강재댐퍼와 이를 이용한 내진보강공법

Info

Publication number: KR101531206B1
Application number: KR1020140115165A
Authority: KR
Inventors: 정시영; 장동운
Original assignee: 주식회사 씨엠파트너스건축사사무소; 주식회사 한국리페어기술; 장동운
Priority date: 2014-09-01
Filing date: 2014-09-01
Publication date: 2015-06-25

Abstract

본 발명은 강재댐퍼와 이를 이용한 내진보강공법에 관한 것으로, 목적은 강재댐퍼를 트러스타입으로 형성하여, 과도한 변위를 제어하면서 수평하중에 의한 전단파괴를 방지하고, 에너지 소산 효율을 향상시킬 수 있는 강재댐퍼와 이를 이용한 내진보강공법을 제공하는 것이다.
본 발명에 따른 강재댐퍼는 구조물에 핀결합되어 연결되는 상부지지판과; 상기 상부지지판의 하측에 일정거리 이격되어 평행하도록 배치되고 구조물에 고정설치되는 하부지지판과; 상부지지판의 일측 끝단에 상단이 일체로 연결되고 하단이 하부지지판에 일체로 연결되는 좌측스트립과, 상부지지판의 타측 끝단에 상단이 일체로 연결되고 하단이 하부지지판에 연결되도록 연결되는 우측스트립을 포함하되,
상기 좌측스트립과 우측스트립은 동일한 폭을 구비하고, 하부지지판에 대하여 이루는 내측경사각(θ1,θ2)이 동일한 예각을 이루며 경사지게 또한 서로 대칭되도록 형성되어 있다.

Description

강재댐퍼와 이를 이용한 내진보강공법{STEEL DAMPER AND REINFORCEMRNT METHOD FOR EARTHQUAKE-PROOF USING THE SAME}

본 발명은 강재댐퍼와 이를 이용한 내진보강공법에 관한 것으로, 구조물에 핀결합되는 상부지지판과 구조물에 고정설치되는 하부지지판 사이에, 소정각도를 구비하며 경사지게 또한 대칭되도록 좌우스트립을 일체로 연결형성하여, 트러스 구조로 형성함으로써, 과도한 변위를 제어하면서 지진력에 충분히 저항할 수 있도록 한 강재댐퍼와 이를 이용한 내진보강공법에 관한 것이다.

최근 지구 환경의 급변화로 지진 등이 많이 발생하고 있으며 이로 인하여 인명 및 재산상의 큰 손실이 발생하고 있어 내진 설계 기준이 보다 강화되고 있으며, 철골 구조물 또는 콘크리틀 구조물에 대한 대표적인 내진 보강 공법으로 오일 등을 이용한 유압 댐퍼, 강재를 이용한 강재 댐퍼를 이용한 내진보강공법이 널리 사용되어지고 있다.

상기 유압댐퍼를 이용한 내진보강공법은 대지진이 전국적으로 빈번하게 발생하고 있는 일본에서 주로 사용되고 있는 기술로서 외관적 환경이 거칠지 않도록 디자인이 비교적 개선되었고, 내진 보강성능 등이 뛰어나지만 국내 환경적 요인을 고려할 경우, 설치 비용이 많이 들게 되고 또한 온도에 따른 점성 변화로 우리나라와 같이 사계절 온도가 분명한 곳에서는 오일 점성을 일정하게 유지시키기 곤란한 문제점이 있다.

상기 강재댐퍼를 이용한 내진 보강공법은 국내외에서 개발되어 근래 사용되고 있는 기술로서 비교적 시공비가 저렴하고, 거동이 안정적이 특성을 구비하고 있어, 널리 사용되고 있으며, 이러한 강재 댐퍼는 전단패널형과 스트립형 등으로 구분된다.

종래의 스트립형 강재댐퍼는 도 1 에 도시된 바와 같이, 소정두께를 가지는 강재 판에 수직한 직선 형상을 가지며 소정 폭을 가지는 관통공 즉, 직선 슬릿이 복수개로 서로 나란하게 형성되어 있는 구조를 가지고 있으며, 상부와 하부는 직선형 스트럿에 의해 일체로 연결되도록 되어 있다. 이러한 직선 슬릿형 강재 댐퍼는 지진하중과 같은 수평하중의 작용에 대하여 우수한 에너지 소산 성능을 발휘하여 구조물을 보호하는 작용을 하고 있으나, 이와 같은 종래의 스트립 강재 댐퍼는 슬릿을 형성하는 스트립이 일자형으로서 상단에서부터 하단까지 연결되어 있어, 하중에 견디는 에너지 소산 효율이 저하되는 문제가 있다

또한, 종래의 강재댐퍼는 양단고정형과 캔틸레버 타입으로 구성되어 있으며, 양단고정형의 경우 2가지로 나눌 수 있는데 그 하나는 지진하중인 전단력이 중앙에 작용할 경우 중앙부분의 작은 '□'자 형태의 작은 철판이 저항하도록 하고 있으며 양단은 모멘트에 견딜수 있도록 고정을 하여야 하며, 다른 하나는 인방보에 한정된 형태로 중앙부에 철판을 적층형태로 쌓아감으로써 형성되는 것으로 양단고정 및 댐퍼의 변형공간확보를 위하여 고정단 부분의 공간확보를 위한 철판의 사용양이 다소 증가한다. 두 번째로 캔틸레버 형태의 댐퍼의 경우 한변이 고정되고 한변이 자유단으로 변단면으로 구성되어 한쪽 변에 변위가 집중됨으로써 지진하중 발생시 과다변위가 발생할 수 있는 위험이 있다.

상기와 같은 종래 스트립형 강재댐퍼의 성능 즉, 더 나은 에너지 소산 성능을 위하여 새로운 구조와 형상을 가지는 강재 댐퍼들이 개발되고 있으나, 이러한 강재댐퍼들은 스트립의 구조가 복잡하여 강재댐퍼의 제작성 및 생산성이 저하되는 등 여러가지 문제점이 있었다.

등록특허공보 등록번호 10-1374773(2014.03.10) 등록특허공보 등록번호 10-1212841(2012.12.10) 등록특허공보 등록번호 10-1402479(2014.05.26) 등록특허공보 등록번호 10-0448441(2004.09.02)

본 발명의 목적은 강재댐퍼를 트러스타입으로 형성하여, 과도한 변위를 제어하면서 수평하중에 의한 전단파괴를 방지하고, 에너지 소산 효율을 향상시킬 수 있는 강재댐퍼와 이를 이용한 내진보강공법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 강재댐퍼는 구조물에 핀결합되어 연결되는 상부지지판과; 상기 상부지지판의 하측에 일정거리 이격되어 평행하도록 배치되고 구조물에 고정설치되는 하부지지판과; 상부지지판의 일측 끝단에 상단이 일체로 연결되고 하단이 하부지지판에 일체로 연결되는 좌측스트립과, 상부지지판의 타측 끝단에 상단이 일체로 연결되고 하단이 하부지지판에 연결되도록 연결되는 우측스트립을 포함하되,

상기 좌측스트립과 우측스트립은 동일한 폭을 구비하고, 하부지지판에 대하여 이루는 내측경사각(θ1,θ2)이 동일한 예각을 이루며 경사지게 또한 서로 대칭되도록 형성되어 있다.

본 발명의 강재댐퍼는 소정각도 경사지게 형성된 좌우스트립에 의해 상부지지판과 하부지지판이 연결되도록 되어 있어, 전체적으로 등변사다리꼴 즉, 트러스 구조를 이루며 형성되므로, 효율적인 소성 변형이 일어나게 되어 과도한 변위의 발생없이 향상된 에너지 소산 성능을 구비한다.

본 발명은 좌우스트립과 중간스트립이 동일 폭을 구비하도록 형성되어 있어, 안정적이 변형이 일어나게 되며, 이를 통해 지진 에너지를 효율적으로 흡수하여 구조물을 구성하는 부재의 변형이 방지된다.

본 발명은 한쪽은 고정, 한쪽은 핀으로 설계되어 있어, 과도한 변형을 미연에 방지하며 작은 지진에 대해서는 변형을 최소화 하면서 중규모이상의 지진에 대하여 변형이 유도하며, 고베지진이후 수평 뿐 만 아니라 수직적으로도 작용하는 지진이 작용하고 있어 이에 대한 고려를 위해 수직/수평분력을 고려 각도를 조절함으로써 수평력에 대해서는 80%이상 확보하고 수직력에 대해서는 20%미만 확보 함으로써 예측하기 어려운 지진력에 대하여 구조물의 안전성확보를 위하여 생명안전 및 구조물 안전을 더욱 더 확보할 수 있다.

본 발명은 벽체, 기둥, 브레이스형 구조물, 인방보 등등 다양한 분야에 적용되어, 지진 에너지를 효과적으로 흡수할 수 있는 등 많은 효과가 있다.

도 1 은 본 발명에 따른 구성을 보인 예시도
도 2 는 본 발명에 따른 강재댐퍼의 거동상태를 보인 예시도
도 3 은 본 발명에 따른 강재댐퍼의 설치상태를 보인 예시도(벽체)
도 4 는 본 발명의 따른 강재댐퍼의 설치상태를 보인 예시도(기둥)
도 5 는 본 발명에 따른 강재댐퍼의 설치상태를 보인 예시도(브레이스형 구조물)
도 6 은 본 발명의 따른 강재댐퍼의 설치상태를 보인 예시도(인방보)
도 7 은 본 발명 실시예1 에 따른 강재댐퍼의 형상을 보인 예시도
도 8 은 본 발명 실시예 1 에 따른 해석결과를 보인 예시도
도 9 는 본 발명 실시예2에 따른 해석결과를 보인 예시도
도 10은 본 발명 실시예 2 에 따른 응력분포도

도 1 은 본 발명에 따른 구성을 보인 예시도를, 도 2 는 본 발명에 따른 또다른 구성을 보인 예시도를 도시한 것으로, 본 발명에 따른 강재댐퍼(일명 MN타입 강재댐퍼)는, 구조물에 핀결합되어 연결되는 상부지지판(10)과; 상기 상부지지판(10)의 하측에 일정거리 이격되어 평행하도록 배치되고 구조물에 고정설치되는 하부지지판(20)과; 상부지지판(10)의 일측 끝단에 상단이 일체로 연결되고 하단이 하부지지판(20)에 일체로 연결되는 좌측스트립(30)과; 상부지지판(10)의 타측 끝단에 상단이 일체로 연결되고 하단이 하부지지판(20)에 연결되도록 연결되되는 우측스트립(40)을 포함하되,

좌측스트립(30)과 우측스트립(40)은 동일한 폭을 구비하고, 하부지지판(20)에 대하여 이루는 내측경사각(θ1,θ2)이 동일한 예각을 이루며 경사지게 또한 서로 대칭되도록 형성되어 있다.

상기 상부지지판(10)은 소정두께를 구비하는 판상으로 이루어져 있으며, 핀(50)이 삽입설치되는 복수의 관통홀(11)이 횡방향으로 형성되어 있다.

상기 하부지지판(20)은 소정두께를 구비하는 직사각형상의 판상으로 이루어져 있으며, 고장력볼트(60)가 삽입되어 체결되는 복수의 고정홀(21)이 횡방향으로 형성되어 있다.

또한, 상기 하부지지판(20)은 상부지지판보다 더 큰 면적을 구비하도록 형성되어 있다.

상기 좌측스트립(30) 및 우측스트립(40)은 수직중심선(C.L)을 기준으로 서로 대칭되도록 형성되어 있으며, 이와 같이 대칭으로 형성된 좌측스트립(30) 및 우측스트립(40)은 지지력에 의한 반복가력시, 중앙을 중심으로 균형을 맞추는 역할을 한다. 즉, 지진력에 의해 한쪽 스트립(좌측스트립 또는 우측스트립)이 압축작용하게 되면, 다른쪽(우측스트립 또는 좌측스트립)은 인장이 작용되어, 중앙을 중심으로 균형을 맞추도록 되어 있으며, 이와 같은 좌측스트립(30) 및 우측스트립(40)의 구성 및 작용에 의해 구조물의 안정성이 더욱 확보되게 된다.

이는 수평방향 및 수직방향으로 작용하는 지진력에 대하여, 수직/수평분력을 조절함으로써, 수평력 및 수직력에 대한 저항성을 확보하기 위한 것이다.

상기 좌측스트립(30)은 상단이 상부지지판(10)의 일측 끝단에 일체로 연결되고, 하단이 하부지지판(20)에 일체로 연결되되, 하부지지판(20)에 대하여 내측경사각(θ1)이 약 60°∼86°를 구비하도록 형성되어 있다.

상기 우측스트립(40)은 상단이 상부지지판(10)의 타측 끝단에 일체로 연결되고, 하단이 하부지지판(20)에 일체로 연결되되, 하부지지판(20)에 대하여 약 60°∼86°의 내측경사각(θ2)을 구비하도록 형성되어 있다.

상기와 같은 경사각은 수평 뿐만 아니라 수직적으로도 작용하는 지진력에 대하여, 수평력에 대해서는 약 80%이상의 저항력을 확보하고, 수직력에 대해서는 약 20% 미만의 저항력 확보하도록 하여, 예측하기 어려운 지진력에 대하여 구조물의 안전성을 확보하기 위한 것이다.

또한, 본 발명은 도 1 의 (b)에 도시된 바와 같이, 좌측스트립(30)과 우측스트립(40) 사이에 상부지지판(10)과 하부지지판(20)에 연결되는 중간스트립(70)이 일체로 더 형성될 수 있으며, 상기 중간스트립(70)은 하부지지판(20) 및 상부지지판(10)에 직교하도록 형성된다.

또한, 상기 좌측스트립(30)과 우측스트립(40) 및 중간스트립(70)은 하부지지판과의 연결폭(W1)과 상부지지판과의 연결폭(W2)이 모두 동일하도록 즉, 좌측스트립(30)과 우측스트립(40) 및 중간스트립(70)은 동일한 폭을 구비하며 상부지지판(10)과 하부지지판(20)에 연결되어 일체로 형성되어 있다.

이는, 지진력이 편심 및 중심을 벗어난 부분에 작용하여도 지진력에 저항하기 위한 것으로, 좌측스트립과 우측스트립 또는, 좌측스트립과 중간스트립 및 우측스트립이 상단에서 하단까지 동일단면을 구비하도록 하여, 수평하중 발생시, 한쪽이 고정되고 다른 한쪽이 핀으로 설계된 본 발명의 강재댐퍼에서, 핀 방향으로 갈수록 증가되는 내부 힘을 효율적으로 저감(저항)시키도록 되어 있다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 강재댐퍼(100)는 수직중심선(C.L)을 기준으로 좌측과 우측이 서로 대칭되는 형상을 구비하고, 스트립(30,40,70) 사이에는 사다리꼴 형상의 슬릿(90)이 각각 형성되게 된다. 이때, 상기 수직중심선(C.L)은 상부지지판(10)과 하부지지판(20)의 중심을 연결하는 중심선 즉, 상부지지판(10)의 면적과 하부지지판(20)의 면적을 각각 1/2로 분리하는 중심선(상부지지판과 하부지지판의 중심을 연결하는 중심선)을 의미한다.

이와 같이 본 발명의 강재댐퍼(100)는 좌측스트립(30)과 우측스트립(40)이 상부지지판(10)에서 하부지지판(20) 방향으로 갈 수록 외측으로 하향경사지게 즉, 전체적으로 등변사다리꼴 형상의 트러스 구조를 갖게 되며, 이와 같은 트러스 구조의 형상은 지진하중 등의 수평하중이 발생할 때 스트립에 대한 과도한 변위를 방지하고, 지진력에 충분히 저항할 수 있게 된다. 도 2 는 본 발명에 따른 강재댐퍼의 거동상태를 보인 예시도이다.

또한, 상기와 같은 트러스 구조의 강재댐퍼(100)는 스트립의 상단부 및 하단부에 집중될 수 있는 응력을 스트립 전체 높이에 걸쳐 효과적으로 분산시켜 에너지 소산 성능을 향상시킬 수 있게 된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 강재댐퍼(100)는, 벽체, 기동, 브레이스형 구조물, 인방보 등등 다양한 분야의 구조물에 적용가능하다.

도 3 은 본 발명에 따른 강재댐퍼의 설치상태를 보인 예시도(벽체)를, 도 4 는 본 발명의 따른 강재댐퍼의 설치상태를 보인 예시도(기둥)를, 도 5 는 본 발명에 따른 강재댐퍼의 설치상태를 보인 예시도(브레이스형 구조물)를, 도 6 은 본 발명의 따른 강재댐퍼의 설치상태를 보인 예시도(인방보)를 각각 도시한 것으로,

본 발명에 따른 내진보강공법은 구조물과 구조물 사이에 복수의 강재댐퍼가 폭방향으로 동일한 평면상에 배치고정되도록 설치되어, 지진력의 수평 및 수직력에 대하여 저항하도록 되어 있다.

즉, 본 발명은 일측 구조물(200)와 연결하여 하단연결판(80)을 설치하고, 상기 하단연결판(80)에 강재댐퍼의 하부지지판(20)을 고정장력 볼트체결(또는 용접고정)하여 고정하는 하부지지판 고정단계;

또다른 구조물(200`)에 연결하여 상단연결판(80`)을 설치하고, 하부지지판(20)이 하단연결판(80)에 고정된 강재댐퍼의 상부지지판(10)을 상기 상단연결판(80`)에 핀(50) 연결하는 상부지지판 핀연결단계;를 포함하도록 되어 있다.

이때, 하부지지판의 용접부에 대한 강도 또는, 고장력 볼트의 강도는 하나하나의 강재댐퍼(100)가 탄성 소성 변형을 일으키기 전까지는 용접부가 파괴되거나 절단되지 않는 강도를 요한다. 또한 하부지지판(20) 및 핀(50)도 강재댐퍼(10)가 탄성 소성 변형을 일으키기 전까지는 파단되지 않는 충분한 강도와 강성을 갖도록 그 재질이나 치수가 결정된다. 즉, 본 발명에 따른 강재댐퍼는 하부지지판이 하단연결판에 고정설치되고, 상부지지판이 핀에 의해 힌지연결된다.

이하, 본 발명에 따른 강재댐퍼(일명 MN타입 강재댐퍼)를 실시예에 의해 상세히 설명하면 다음과 같다.

실시예1

전체높이(H) 310㎜, 하부지지판의 높이(h1) 84㎜. 좌측스트립 및 우측스트립의 높이(h2) 166㎜, 하부지지판의 폭(W) 250㎜, 좌측스트립과 하부지지판의 내측경사각 85°를 구비하도록 두께 15㎜의 강재(SM490)에 의해 타입1 및 타입2의 강재댐퍼를 형성하였으며, 이에 대하여 반복하중가력실험(모델링실험)을 하였다.

이때, 상기 타입1의 강재댐퍼는 도 7 의 (a)에 도시된 바와 같이, 좌측스트립, 중간스트립 및 우측스트립의 연결폭이 40㎜를 구비하도록, 타입2의 강재댐퍼는 도 7 의 (b)에 도시된 바와 같이, 좌측스트립 및 우측스트립의 연결폭이 60㎜를 구비하도록 형성하였으며, 타입1,2 강재댐퍼는 상부지지판에 2개의 핀홀과, 하부지지판에 3개의 고정홀이 형성되어 있다.

또한, 타입1,2의 강재댐퍼는 하부지지판이 고정되고, 상부지지판에 변위제어형태로 하중을 가력(ASCE 7-10 기준 - 5 cycle 반복가력)하였으며, 그 결과는 도 8 에 나타내었다.

도 8 은 본 발명의 실시예 1 에 따른 해석결과를 보인 예시도로, (a)는 타입1 강재댐퍼를, (b)는 타입2 강재댐퍼에 대한 해석결과로, 댐퍼의 내력만을 비교하였을 때, ASCE 7-10 에서 제시하는 사이클 평균 15% 이내에 있음을 알 수 있다.

실시예 2

실시예 1 에 따른 타입1 강재댐퍼와 타입2 강재댐퍼를 이용하여, 강대댐퍼의 하부지지판을 고정하고, 상부지지판에 변위제어형태로 하중을 가력(Drift ratio 0.25, 0.5, 0.75, 1, 1.5, 2…, 각 cycle 당 2회 반복하여 가력)하였으며, 그 결과를 도 9 에 나타내었다.

도 9 는 본 발명의 실시예2에 따른 해석결과를 보인 예시도로, (a)는 타입1 강재댐퍼를, (b)는 타입2 강재댐퍼에 대한 해석결과이며, Drift ratio 1.5% 까지 결과값이 수렴됨을 알 수 있다. 또한, 타입1,2 강재댐퍼의 해석결과, 최대하중은 각각 70.33kN, 96.55kN 을 나타내었다.

도 10 은 실시예 2 에 따른 타입1 강재댐퍼와 타입2 강재댐퍼에 대한 최대강도에서의 응력분포도를 도시한 것으로, 본 발명에 따른 강재댐퍼는 최대하중하에서 응력이 균일하게 분산되고 있음을 알 수 있으며, 이를 통해 본 발명에 따른 강재댐퍼는 안정적인 성능을 발휘하는 것을 확인할 수 있다.

본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위내에 있게 된다.

(10) : 상부지지판 (11) : 관통홀
(20) : 하부지지판 (21) : 고정홀
(30) : 좌측스트립 (40) : 우측스트립
(50) : 핀 (60) : 고장력볼트
(70) : 중간스트립 (80) : 하단연결판
(80`) : 상단연결판 (90) : 슬릿
(100) : 강재댐퍼

Claims

구조물에 핀결합되어 연결되는 상부지지판(10)과;
상기 상부지지판(10)의 하측에 일정거리 이격되어 평행하도록 배치되고 구조물에 고정설치되는 하부지지판(20)과;
상부지지판(10)의 일측 끝단에 상단이 일체로 연결되고 하단이 하부지지판(20)에 일체로 연결되는 좌측스트립(30)과,
상부지지판(10)의 타측 끝단에 상단이 일체로 연결되고 하단이 하부지지판(20)에 연결되도록 연결되되는 우측스트립(40)을 포함하되,
상기 좌측스트립(30)은 상단이 상부지지판(10)의 일측 끝단에 일체로 연결되고, 하단이 하부지지판(20)에 일체로 연결되되, 하부지지판(20)에 대하여 내측경사각(θ1)이 60°∼86°를 구비하도록 형성되고,
상기 우측스트립(40)은 상단이 상부지지판(10)의 타측 끝단에 일체로 연결되고, 하단이 하부지지판(20)에 일체로 연결되되, 하부지지판(20)에 대하여 60°∼86°의 내측경사각(θ2)을 구비하도록 형성되며,
좌측스트립(30)과 우측스트립(40)은 동일한 폭을 구비하고 서로 대칭되도록 형성된 것을 특징으로 하는 강재댐퍼.
삭제
청구항 1 에 있어서,
좌측스트립(30)과 우측스트립(40) 사이에는 상부지지판(10)과 하부지지판(20)에 연결되는 중간스트립(70)이 일체로 더 형성되되, 상기 중간스트립(70)은 하부지지판(20) 및 상부지지판(10)에 직교하도록 형성된 것을 특징으로 하는 강재댐퍼.
청구항 3 에 있어서;
좌측스트립(30)과 우측스트립(40) 및 중간스트립(70)은, 하부지지판과의 연결폭(W1)과 상부지지판과의 연결폭(W2)이 모두 동일한 폭을 구비하도록 상부지지판(10)과 하부지지판(20)에 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 강재댐퍼.
일측 구조물(200)와 연결하여 하단연결판(80)을 설치하고, 상기 하단연결판(80)에 청구항 1, 3, 4 중 어느 한 항에 따른 강재댐퍼의 하부지지판(20)을 고정하는 하부지지판 고정단계;
또다른 구조물(200`)에 연결하여 상단연결판(80`)을 설치하고, 하부지지판(20)이 하단연결판(80)에 고정된 강재댐퍼의 상부지지판(10)을 상기 상단연결판(80`)에 핀(50) 연결하는 상부지지판 핀연결단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 강재댐퍼를 이용한 내진보강공법.
청구항 5 에 있어서;
상기 구조물은 벽체, 기둥, 브레이스형 구조물, 인방보 중 선택된 하나인 것을 특징으로 하는 강재댐퍼를 이용한 내진보강공법.