KR101848495B1 - 판재 스프링을 이용한 지진감쇠 장치 - Google Patents

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홍재호
이갑기
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석탑건설산업 주식회사
이갑기
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    • F16F2230/00—Purpose; Design features
    • F16F2230/0023—Purpose; Design features protective

Abstract

본 발명은 판재 스프링을 이용한 지진감쇠 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 신축 건물과 기존 건물의 내진보강용으로서 건축물의 종류에 제한이 없고, X축과 Y축 변위를 비롯하여 비틀림 변위 가능하여 가세보강을 대체할 수 있도록 할 목적으로, 일측 단부에 제1경사지지부(111)가 형성된 제1베이스플레이트(110); 상기 제1베이스플레이트와 직각으로 배치되고 타측 단부에 제2경사지지부(121)가 형성된 제2베이스플레이트(120); 일측 단부가 상기 제1경사지지부에 고정된 탄성 소재의 제1판스프링(130); 일측 단부가 상기 제2경사지지부에 고정된 탄성 소재의 제2판스프링(140); 상기 제1판스프링의 타측 단부와 상기 제2판스프링의 타측 단부 사이에 배치된 탄성 소재의 중앙판스프링(150); 상기 제1판스프링과 중앙판스프링 사이 및 제2판스프링과 중앙판스프링 사이에 각각 개재되어 각 스프링을 고정하는 한 쌍의 마찰플레이트(160); 상기 제1베이스플레이트 및 제2베이스플레이트의 각 배면에 고정되는 신축 소재의 방진패드(170);의 결합으로 이루어지고, 상기 방진패드는 건축물의 수직 및 수평 구조물의 교차 부분에 접하여 고정되는 판재 스프링을 이용한 지진감쇠 장치에 관한 것이다.

Description

판재 스프링을 이용한 지진감쇠 장치{SEISMIC DEVICE USING FLAT SPRING}
본 발명은 판재 스프링을 이용한 지진감쇠 장치에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 판재 스프링의 특성을 이용하여 X축 및 Y축 방향으로 (변위) 이동하며 스프링의 인장과 압축이 이루어지도록 하여 가세보강을 대체할 수 있도록 하는 판재 스프링을 이용한 지진감쇠 장치에 관한 것이다.
일반적으로 지진이 발생하면 강력한 가진력으로 땅이 흔들리며 진동으로 물품이 떨어지고 창문과 외벽등이 부서지며, 좀더 강한 지진은 땅이 뒤틀리고 이에 기둥은 위로 올라오려는 힘이 가해져 기초나 거더에서 기둥이 빠지려고 하는 힘과 기둥이 기울고 뒤틀림이 반복된다.
이에 따라 건축물에 내진성을 위한 보강을 수행하게 되는데, 예컨대 철근콘크리트조 건물의 내진보강방법은 건물의 강도(내력)를 향상시키는 강도저항형과 건물의 변형능력을 향상시키는 인성저항형으로 구분된다. 전자는 내력벽을 증설하거나 기 설치 벽체의 두께를 증타하거나 철골가세를 설치하는 등 구면을 중심으로 보강하는 것이고, 후자는 기둥과 보 등의 개별 부재를 중심으로 보강하는 것이다.
철골가세를 설치하는 종래 기술의 일 예로서, 대한민국 등록특허 제10-1008199호(특허문헌 1)에서는 철근콘크리트 구조물의 보-기둥 접합부 또는 벽체-바닥판 접합부에 설치되어 수평력에 대한 접합부의 변형능력을 향상시키는 제진형 헌치로서, 보 또는 바닥판의 하면에 고정되는 상부판; 상부판의 일단에 상부판에 수직하게 설치되며 기둥 또는 벽체에 고정되는 측면판; 측면판에 대해 미리 결정된 각도를 가지고 아래로 경사지게 측면판에 일단이 힌지 결합되며 수평력에 의해 압축을 받을 때 내장된 접시스프링이 압축되면서 길이가 줄어들고 인장을 받을 때 어떠한 변형도 발생되지 않도록 구성된 제1 압축링크; 측면판에 대해 미리 결정된 각도를 가지고 위로 경사지게 측면판에 일단이 힌지 결합되고 타단은 제1 압축링크의 타단과 힌지 결합되며 수평력에 의해 압축을 받을 때 내장된 접시스프링이 압축되면서 길이가 줄어들고 인장을 받을 때 어떠한 변형도 발생되지 않도록 구성된 제2 압축링크; 상부판에 대해 미리 결정된 각도를 가지고 아래로 경사지게 상부판에 일단이 힌지 결합되고 타단은 제1, 2 압축링크의 타단과 힌지 결합되며 수평력에 의해 인장을 받을 때 내장된 접시스프링이 압축되면서 길이가 늘어나고 압축을 받을 때 어떠한 변형도 발생되지 않도록 구성된 인장링크를 포함하는 내진보강용 제진형 헌치가 제안된 바 있다.
그러나 가세보강(횡력대응)은 이미 구축된 건물에 적용하기에는 미관을 해치는 문제가 있고, 또한 외벽이 유리로 이루어진 건축물의 경우 외벽 구조상 현실적 적용에 제한적이며, 내력벽의 경우 목재나 흙벽돌 건축물에 적용할 수밖에 없는 한계가 있다.
1. 대한민국 등록특허 제10-1008199호(2011.1.17 공고)
본 발명은 상기의 종래 기술이 내포한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 신축 건물은 물론 기존 건축물의 내진보강을 위해 적용 가능하고, 어떠한 형태의 건축물이라도 적용 가능하며, X축과 Y축 변위를 비롯하여 비틀림 변위 가능하게 하여 가세보강을 대체할 수 있도록 하는 판재 스프링을 이용한 지진감쇠 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
또한, 본 발명은 설치 조건이나 환경에 따라 스프링의 두께, 피치간격, 골의 높낮이 등을 변경하는 등 최적 설계가 가능하고, 분해 조립성이 우수한 동시에, 지진 감지시 경보 등을 통해 조기에 비상상황을 표시할 수 있도록 하는 판재 스프링을 이용한 지진감쇠 장치를 제공하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명의 판재 스프링을 이용한 지진감쇠 장치는, 스프링에 힘을 가하여 형태를 변형시켰다가 그 힘을 제거했을 때 원래의 상태로 되돌아오는 탄성을 이용해 충격을 흡수하거나 에너지를 저장할 수 있게 한 것으로, 본 발명의 지진 감쇠부는, 일측 단부에 제1경사지지부가 형성된 제1베이스플레이트; 상기 제1베이스플레이트와 직각으로 배치되고 타측 단부에 제2경사지지부가 형성된 제2베이스플레이트; 일측 단부가 상기 제1경사지지부에 고정된 탄성 소재의 제1판스프링; 일측 단부가 상기 제2경사지지부에 고정된 탄성 소재의 제2판스프링; 상기 제1판스프링의 타측 단부와 상기 제2판스프링의 타측 단부 사이에 배치된 탄성 소재의 중앙판스프링; 상기 제1판스프링과 중앙판스프링 사이 및 제2판스프링과 중앙판스프링 사이에 각각 개재되어 각 스프링을 고정하는 한 쌍의 마찰플레이트; 상기 제1베이스플레이트 및 제2베이스플레이트의 각 배면에 고정되는 신축 소재의 방진패드;의 결합으로 이루어지고, 상기 방진패드는 건축물의 수직 및 수평 구조물의 교차 부분에 접하여 고정되는 것을 특징으로 한다.
또한, 본 발명의 지진감쇠 장치에 포함된 경보부는, 상기 제1 및 제2베이스플레이트의 배치 각도 변위시 형태가 변형되는 전단플레이트와, 상기 전단플레이트의 변형을 감지하는 근접센서와, 상기 근접센서의 변형 감지시 경보음 또는 빛을 발광하는 사이렌과, 상기 근접센서와 사이렌에 전력을 공급하는 배터리를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 판재 스프링을 이용한 지진감쇠 장치에 의하면,
첫째, 판재 스프링의 특성을 이용하여 X축 및 Y축 방향으로 인장과 압축이 이루어지므로 기존 가세보강을 대체할 수 있다.
둘째, 비선형 스프링계의 조화운동과 같이 스프링의 감쇠비에 따라 실제 진동을 감쇠할 수 있으며, 초기 장력 정도에 따라 흔들림 이후 원점 위치에 근접하게 복원되므로 내구성이 우수하다.
셋째, 초기 진동 및 충격을 흡수하도록 방진패드 부착과 마찰판을 이용하여 Z축의 방향의 지진 변위에도 대응할 수 있고, 설치 환경에 따라 적의 설계 변경이 가능하면서 분해조립이 용이하다.
넷째, 기존 시설물 또는 건축물 내.외부에 내진보강이 어려운 경우 건물 내.외부에 기둥-보(거더) 또는 보-벽체 또는 벽-바닥 사이에 볼트 또는 케미컬앵커만으로 간단하게 설치할 수 있으므로 시공성 및 현장 적용성을 향상시킬 수 있다.
다섯째, 적용 대상에 대응하여 스프링의 두께, 폭과 피치간격 및 골의 높낮이를 변경하여 대응 설계 가능하고, 제작 후 내진감세장치로의 활용폭을 넓힐 수 있다.
여섯째, 전단플레이트와 비상 배터리, 근접센서, 사이렌(siren)이 설치되어 있으므로 조기에 비상상황을 인지할 수 있어 신속한 대피 가능하므로 인명피해를 최소화할 수 있다.
도 1은 본 발명에 따른 지진감쇠 장치의 적용 예를 보인 것이다.
도 2는 도 1의 'A'부를 확대한 단면도로서, 본 발명에 따른 지진감쇠 장치를 보인 것이다.
도 3은 본 발명에 따른 지진감쇠 장치의 사시도이다.
도 4는 본 발명에 따른 지진감쇠 장치의 분리 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 지진감쇠 장치의 제1요부(스프링부)의 분리 사시도이다.
도 6은 본 발명에 따른 지진감쇠 장치의 제2요부(경보부)의 조립 사시도이다.
이하 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면을 토대로 상세하게 설명하면 다음과 같다.
이에 앞서, 후술하는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 것으로서, 이는 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 개념과 당해 기술분야에서 통용 또는 통상적으로 인식되는 의미로 해석되어야 함을 명시한다.
또한, 본 발명과 관련된 공지기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 흐릴 수 있다고 판단되는 경우 그 상세한 설명은 생략한다.
여기서, 첨부된 도면들은 기술의 구성 및 작용에 대한 설명과 이해의 편의 및 명확성을 위해 일부분을 과장하거나 간략화하여 도시한 것으로서, 각 구성요소가 실제의 크기와 정확하게 일치하는 것은 아니다.
도 1은 본 발명에 따른 지진감쇠 장치의 적용 예를 보인 것이고, 도 2는 도 1의 'A'부를 확대한 단면도로서, 본 발명에 따른 지진감쇠 장치를 보인 것이고, 도 3은 본 발명에 따른 지진감쇠 장치의 사시도이고, 도 4는 본 발명에 따른 지진감쇠 장치의 분리 사시도이고, 도 5는 본 발명에 따른 지진감쇠 장치의 제1요부(스프링부)의 분리 사시도이며, 도 6은 본 발명에 따른 지진감쇠 장치의 제2요부(경보부)의 조립 사시도이다.
도 1 내지 도 4를 참조하는 바와 같이, 본 발명에 따른 지진감쇠부(100)는, 일측 단부에 제1경사지지부(111)가 형성된 제1베이스플레이트(110)와, 타측 단부에 제2경사지지부(121)가 형성된 제2베이스플레이트(120)를 포함하고, 이때 상기 제1베이스플레이트(110)와 제2베이스플레이트(120)는 상호 직각으로 배치(가설)되며, 상기 제1경사지지부(111)의 지지단면과 제2경사지지부(121)의 지지단면은 상호 평행하게 배치된다.
또한, 상기 지진감쇠부(100)는, 일측 단부가 상기 제1경사지지부(111)에 고정되는 탄성 소재의 제1판스프링(130)과, 일측 단부가 상기 제2경사지지부(121)에 고정되는 탄성 소재의 제2판스프링(140)과, 상기 제1판스프링(130)의 타측(자유측) 단부와 상기 제2판스프링(140)의 타측(자유측) 단부 사이에 배치되는 탄성 소재의 중앙판스프링(150)을 포함하는 한편, 상기 제1판스프링(130)과 중앙판스프링(150) 사이, 그리고 상기 제2판스프링(140)과 중앙판스프링(150) 사이에는 각각 양쪽 스프링을 상호 연결하는 한 쌍의 마찰플레이트(160)가 개재된다.
이때 상기 제1판스프링(130), 제2판스프링(140) 및 중앙판스프링(150)은 각각 지그재그 형태로 굴절된 형태일 수 있고, 각 스프링(130)(140)(150)이 상기 제1경사지지부(111) 및 제2경사지지부(121) 사이에서 상호 일직선상으로 배치된 상태에서 길이 방향으로 압축 또는 신장 가능하게 됨으로써 각 스프링(130)(140)(150)은 상기 제1경사지지부(111) 및 제2경사지지부(121) 사이를 지지하는 동시에 거리 변동 가능하다.
예시한 바와 같이 상기 제1, 제2판스프링(130)(140)의 지그재그 형태의 굴절 방향은 상호 동일하고, 상기 중앙판스프링(150)의 지그재그 형태의 굴절 방향은 제1, 제2판스프링(130)(140)에 비하여 90도 비틀려 있으며, 이 경우 길이 방향으로의 신축 또는 압축 또는 복원 작용상 다이나믹하고 유연하게 되어 감쇠 효과를 향상시킬 수 있다.
상기 지진감쇠부(100)는, 상기 제1베이스플레이트(110) 및 제2베이스플레이트(120)의 각 배면에 고정되는 압축 방진패드(160)가 더 구비될 수 있으며, 상기 방진패드(160)는 고무계 또는 우레탄계와 같이 신축성과 탄성을 가지고 있기 때문에 건축물의 수직 및 수평 구조물(10)의 교차 부분에 맞닿은 상태로 설치되면 초기 미세 진동에 대응할 수 있다.
상기 지진감쇠부(100)가 강재가 아닌 벽돌 구조물이나 철골콘크리트 구조물에 직접 설치되는 경우에는, 구조물 벽에 케미컬 앵커홀을 천공한 다음, 앵커볼트를 이용하여 지진감쇠부(100)를 고정해야 하므로 지진감쇠부(100)를 보강하기 위해 상기 방진패드(160)의 배면에 탄소섬유시트(170)를 더 부착할 수 있다.
도 5는 상기 제1판스프링(130), 제2판스프링(140) 및 중앙판스프링(150)과 한 쌍의 마찰플레이트(160)의 결합 구조를 나타낸 것이다.
도 4 및 도 5를 참조하는 바와 같이, 상기 제1, 제2판스프링(130)(140)에는 각각 제1중앙홀(131)이 형성되고, 상기 중앙판스프링(150)의 양측 단부에는 각각 제2중앙홀(151)이 형성되며, 상기 마찰플레이트(160)에는 각각 상기 제1중앙홀(131) 및 제2중앙홀(151)과 함께 고정축(미도시)이 결속되는 회전축홀(161)이 형성된다.
상기 제1중앙홀(131), 제2중앙홀(151) 및 회전축홀(161)은 고정축(미도시)에 의해 하나의 동축선 상에 배치되어 있으므로 상기 중앙판스프링(150)은 제2중앙홀(151)을 중심으로 회동할 수 있게 되어 비틀림 응력에 대응할 수 있다.
또한, 상기 제1, 제2판스프링(130)(140)에는 각각 상기 제1중앙홀(131)을 사이에 두고 일정 거리 이격된 한 쌍의 제1보조홀(132)이 형성되고, 상기 중앙판스프링(150)의 양측 단부에는 각각 상기 제2중앙홀(151)을 사이에 두고 일정 거리 이격된 한 쌍의 제2보조홀(152)이 형성되며, 상기 마찰플레이트(160)에는 상기 제1보조홀(132) 및 제2보조홀(152)과 함께 각각 고정축(미도시)이 결속되는 한 쌍의 가이드홀(162)이 구비된다.
이때 상기 가이드홀(162)은 상기 회전축홀(161)을 중심으로 한 원호상에서 소정 각도만 천공되어 있기 때문에 상기 중앙판스프링(150)의 회동시 상기 가이드홀(162)에 의해 회전 각도가 소정 각도로 제한될 수 있다.
도 3 및 도 6을 참조하는 바와 같이, 상기 지진감쇠부(100)는 상기 제1 및 제2베이스플레이트(110)(120)의 배치 각도 변위시 청각 또는 시각을 통해 지진을 경보하기 위한 경보부(200)를 더 포함할 수 있으며, 상기 경보부(200)는 상기 제1 및 제2베이스플레이트(110)(120)의 직각 연결부에 구비될 수 있다.
더 구체적으로 상기 경보부(200)는, 상기 제1 및 제2베이스플레이트(110)(120)의 배치 각도(90도)가 변위시 형태가 변형되는 전단플레이트(210)와, 상기 전단플레이트(210)의 변형을 감지하는 근접센서(220)와, 상기 근접센서(220)에서 전단플레이트(210)의 변형 감지시 경보음 또는 빛을 발광하는 사이렌(230)을 포함하고, 또한 지진시 상기 경보부(200)로의 전력 공급이 차단될 수 있는 점을 고려하여 상기 전단플레이트(210) 일측에 상기 근접센서(220) 및 사이렌(230)에 전력을 공급하는 배터리(240)가 구비될 수 있다.
상기 전단플레이트(210)는, 상기 제1베이스플레이트(110)에 접하여 고정되는 바닥판(211)과, 상기 바닥판(211)의 일측 단부에서 수직으로 연장된 상태에서 상기 제2베이스플레이트(120)에 접하는 수직판(212)을 포함한다. 이때 상기 수직판(212)에는 소정 길이가 절개된 슬릿(213)이 형성될 수 있고, 상기 슬릿(213)의 양쪽에는 절개되지 않은 연결부(214)가 형성된다.
이 경우 상기 슬릿(213)에 의해 구획된 상/하 부분은 슬릿(213)의 길이방향 양쪽 단부의 연결부(214)를 통해 상호 연결되고, 이러한 전단플레이트(210)가 금속소재로 이루어져 있으므로, 상기 수직판(212)에 작은 외력이 작용하더라도 상기 연결부(214)가 꺾일 수 있고, 상기 근접센서(220)는 이러한 수직판(212)의 변동 여부를 감지하게 된다.
한편, 본 발명은 상술한 실시 예 및 첨부된 도면에 의해 한정되는 것이 아니고, 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 안에서 예시되지 않은 여러 가지 변형과 응용이 가능함은 물론 구성요소의 치환 및 균등한 타실시 예로 변경할 수 있으므로 본 발명의 특징에 대한 변형과 응용에 관계된 내용은 본 발명의 범위 내에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
100 : 지진감쇠부
110 : 제1베이스플레이트 111 : 제1경사지지부
120 : 제2베이스플레이트 121 : 제2경사지지부
130 : 제1판스프링 131 : 제1중앙홀
132 : 제1보조홀 140 : 제2판스프링
150 : 중앙판스프링 151 : 제2중앙홀
152 : 제2보조홀 160 : 마찰플레이트
161 : 회전축홀 162 : 가이드홀
170 : 방진패드 180 : 탄소섬유시트
200 : 경보부
210 : 전단플레이트 211 : 바닥판
212 : 수직판 213 : 슬릿
214 : 연결부 220 : 근접센서
230 : 사이렌 240 : 배터리

Claims (8)

  1. 일측 단부에 제1경사지지부가 형성된 제1베이스플레이트;
    상기 제1베이스플레이트와 직각으로 배치되고 타측 단부에 제2경사지지부가 형성된 제2베이스플레이트;
    일측 단부가 상기 제1경사지지부에 고정된 탄성 소재의 제1판스프링;
    일측 단부가 상기 제2경사지지부에 고정된 탄성 소재의 제2판스프링;
    상기 제1판스프링의 타측 단부와 상기 제2판스프링의 타측 단부 사이에 배치된 탄성 소재의 중앙판스프링;
    상기 제1판스프링과 중앙판스프링 사이 및 제2판스프링과 중앙판스프링 사이에 각각 개재되어 각 스프링을 고정하는 한 쌍의 마찰플레이트;
    상기 제1베이스플레이트 및 제2베이스플레이트의 각 배면에 고정되는 신축 소재의 방진패드;를 포함하는 지진감쇠부로 이루어지고,
    상기 방진패드는 건축물의 수직 및 수평 구조물의 교차 부분에 접하여 고정되되,
    상기 지진감쇠부는, 상기 제1 및 제2베이스플레이트의 직각 연결부에 구비되고, 상기 제1 및 제2베이스플레이트의 배치 각도 변위시 청각 또는 시각을 통해 지진을 경보하는 경보부를 더 포함하고,
    상기 경보부는, 상기 제1 및 제2베이스플레이트의 배치 각도 변위시 형태가 변형되는 전단플레이트와, 상기 전단플레이트의 변형을 감지하는 근접센서와, 상기 근접센서의 변형 감지시 경보음 또는 빛을 발광하는 사이렌과, 상기 근접센서와 사이렌에 전력을 공급하는 배터리를 포함하는 것을 특징으로 하는 판재 스프링을 이용한 지진감쇠 장치.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 제1판스프링, 제2판스프링 및 중앙판스프링은 각각 지그재그 형태로 굴절되고, 상기 제1경사지지부 및 제2경사지지부 사이를 지지하는 동시에 거리 변동 가능하게 된 것을 특징으로 하는 판재 스프링을 이용한 지진감쇠 장치.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 제1, 제2판스프링에는 각각 제1중앙홀이 형성되고,
    상기 중앙판스프링의 양측 단부에는 각각 제2중앙홀이 형성되며,
    상기 마찰플레이트에는 각각 상기 제1중앙홀 및 제2중앙홀과 함께 고정축이 결속되는 회전축홀이 형성됨으로써 상기 중앙판스프링이 상기 고정축을 중심으로 회동 가능하게 된 것을 특징으로 하는 판재 스프링을 이용한 지진감쇠 장치.
  4. 제 3항에 있어서,
    상기 제1, 제2판스프링에는 각각 상기 제1중앙홀을 사이에 두고 일정 거리 이격된 한 쌍의 제1보조홀이 형성되고,
    상기 중앙판스프링의 양측 단부에는 각각 상기 제2중앙홀을 사이에 두고 일정 거리 이격된 한 쌍의 제2보조홀이 형성되며,
    상기 마찰플레이트에는 상기 제1보조홀 및 제2보조홀과 함께 각각 고정축이 결속되는 한 쌍의 가이드홀이 구비되되,
    상기 가이드홀은 상기 회전축홀을 중심으로 한 원호상으로 형성되어 상기 중앙판스프링의 회동 각도를 제한 가능하게 한 것을 특징으로 하는 판재 스프링을 이용한 지진감쇠 장치.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 전단플레이트는, 상기 제1베이스플레이트에 접하여 고정되는 바닥판과, 상기 바닥판의 일측 단부에서 수직으로 연장되고 상기 제2베이스플레이트에 접하는 수직판과, 상기 수직판 상에 소정 길이 절개된 슬릿을 포함하고, 상기 슬릿의 양쪽 단부는 연결부로 연결됨으로써 상기 수직판에 외력 작용시 상기 연결부가 꺾임 가능하게 된 것을 특징으로 하는 판재 스프링을 이용한 지진감쇠 장치.
  8. 제 1항에 있어서,
    상기 지진감쇠부는, 상기 방진패드의 배면에 구비되는 탄소섬유시트를 더 포함하되, 상기 탄소섬유시트는 상기 지진감쇠부가 철근콘크리트구조물 또는 벽돌 구조물에 고정시 구비되는 것을 특징으로 하는 판재 스프링을 이용한 지진감쇠 장치.
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