KR101880496B1 - 점소성 하이브리드 댐퍼를 가진 가새부재 - Google Patents

Abstract

본 발명은 댐퍼 강재의 변형 이력과 고감쇄 고무의 점탄성 변형 이력을 이용하여 풍하중이나 소규모 지진은 물론이고 대규모 지진에 대해서도 에너지 소산 능력을 발휘할 수 있도록 한 점소성 하이브리드 댐퍼를 가진 가새부재를 제공한다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따른 점소성 하이브리드 댐퍼를 가진 가새부재는, 철골 또는 콘크리트로 시공된 문형 골조의 내측에 대각선 방향으로 위치되어 서로 마주하는 모서리부에 각기 장착되는 한 쌍의 가새플레이트와; 상기 한 쌍의 가새플레이트의 사이에 대각선 방향을 따라 배치되는 빔부재와; 상기 빔부재의 일단에 고정되어 서로 마주보도록 배치된 한 쌍의 강재 서포트와; 일단이 한 쌍의 강재 서포트에 각기 접합 고정되고 타단이 상기 한 쌍의 가새플레이트 중 어느 하나에 직각방향으로 위치되어 접합 고정되어 대규모 지진에 대해서 강제적으로 소성거동되는 한 쌍의 댐퍼 강재와; 상기 빔부재의 타단과 한 쌍의 가새플레이트 중 다른 하나에 지지 연결되어 풍하중이나 소규모 지진에 대해서 점탄성 거동하는 점소성 댐퍼유닛;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

점소성 하이브리드 댐퍼를 가진 가새부재{Brace having viscoplastic hybrid damper}

본 발명은 건물이 받는 횡하중을 감쇄시키기 위한 가새부재에 관한 것으로, 특히 댐퍼 강재의 변형 이력과 고감쇄 고무의 점탄성 변형 이력을 이용하여 풍하중이나 소규모 지진은 물론이고 대규모 지진에 대해서도 에너지 소산 능력을 발휘할 수 있도록 한 점소성 하이브리드 댐퍼를 가진 가새부재에 관한 것이다.

일반적으로 건축구조물은 지진 뿐만 아니라 풍하중으로부터 안전하게 보호하기 위하여 내진 설계를 갖추어야 한다. 특히 지진 발생시 구조물의 붕괴로 인한 피해는 막대하므로 지진하중에 저항하기 위해 기둥 및 보와 같은 골조에 제진장치를 설치하여 구조물의 강도 및 내진성을 보강하는 것은 필수적이다. 따라서 건축구조물에 내진보강을 위하여 문형 골조를 이용하는 경우 가새를 설치하고, 이 가새에 단일의 댐퍼를 설치한다. 예를 들어 마찰에너지를 발생시키는 마찰댐퍼를 설치하거나 탄성변형하는 이력댐퍼를 설치한다.

그러나 이같이 가새에 단일의 댐퍼를 사용하게 되면, 작은 횡하중이나 큰 횡하중에 모두 대처할 수 없게 된다. 예로, 풍하중이나 소규모 지진의 경우에는 마찰댐퍼에서 발생되는 마찰에너지로 인한 에너지 소산능력이 발휘되나 대규모 지진의 도래시에는 마찰댐퍼만 가지고는 충분한 기능을 발휘하기가 어렵다.

따라서 문형 골조에 풍하중이나 소규모 지진은 물론이고 대규모 지진에서도 에너지 소산 능력을 발휘할 수 있는 가새부재가 요구된다.

본 발명의 배경이 되는 기술로는 한국 등록특허 등록번호 제10-1724535호로서, '에너지 소산형 가샘댐퍼'가 제안되어 있다. 이는 제1 평탄면이 형성된 제1 마찰부재; 제1 평탄면과 밀착되는 제2 평탄면이 형성된 제2 마찰부재; 및 제1 마찰부재와 제2 마찰부재를 연결하는 형상기억부재를 포함하고, 형상기억부재는, 제1 마찰부재와 제2 마찰부재가 서로 멀어지면 인장되고 제1 마찰부재와 제2 마찰부재가 서로 가까워지면 좌굴되는 것을 특징으로 하여, 구조물에 가해지는 수평하중에 의해 변형이 발생한 후 원형으로 자동복원되도록 이루어지도록 한 것이다.

그러나 상기 배경기술은 풍하중이나 소규모의 지진이 도래하는 경우에는 에너지 소산능력이 발휘되나 상대적으로 대규모의 지진으로 인한 큰 횡하중이 발생되는 경우 에너지 소산 능력을 초과하게 되어 구조물의 복원이 어려운 문제가 발생된다.

한국 등록특허 등록번호 제10-1724535호

본 발명은 댐퍼 강재의 변형 이력과 고감쇄 고무의 점탄성 변형 이력을 이용하여 풍하중이나 소규모 지진은 물론이고 대규모 지진에 대해서도 에너지 소산 능력을 발휘할 수 있도록 한 점소성 하이브리드 댐퍼를 가진 가새부재를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따른 점소성 하이브리드 댐퍼를 가진 가새부재는, 철골 또는 콘크리트로 시공된 문형 골조의 내측에 대각선 방향으로 위치되어 서로 마주하는 모서리부에 각기 장착되는 한 쌍의 가새플레이트와; 상기 한 쌍의 가새플레이트의 사이에 대각선 방향을 따라 배치되는 빔부재와; 상기 빔부재의 일단에 고정되어 서로 마주보도록 배치된 한 쌍의 강재 서포트와; 일단이 한 쌍의 강재 서포트에 각기 접합 고정되고 타단이 상기 한 쌍의 가새플레이트 중 어느 하나에 직각방향으로 위치되어 접합 고정되어 대규모 지진에 대해서 강제적으로 소성거동되는 한 쌍의 댐퍼 강재와; 상기 빔부재의 타단과 한 쌍의 가새플레이트 중 다른 하나에 지지 연결되어 풍하중이나 소규모 지진에 대해서 점탄성 거동하는 점소성 댐퍼유닛;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 점소성 댐퍼유닛은, 상기 가새플레이트측에 연결판과 볼트 결합을 매개로 연결되어 겹침된 중앙플레이트와; 상기 빔부재의 타단에 직각 방향으로 접합된 직각판과; 상기 직각판에서 나란하게 입설시켜 상기 중앙플레이트의 외측에 일정한 이격을 두고 각기 배치되는 한 쌍의 수평판과; 상기 중앙플레이트의 각기 외측면과 한 쌍의 수평판의 사이사이에 배치되어 접합된 고감쇄 고무;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 댐퍼 강재는 대칭형으로 양단부에서부터 중앙부로 갈수록 단면이 점차적으로 작아지는 직경을 갖는 모래시계 형태인 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 댐퍼 강재를 가새플레이트에서 직각 방향으로 위치시키기 위해 가새플레이트에는 보조수직연결판이 더 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 댐퍼 강재는 일정 간격마다 두께 방향으로 관통되어 있는 다수의 슬릿을 갖는 판상형의 강판으로 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 점소성 하이브리드 댐퍼를 가진 가새부재에 따르면, 문형골조에 대각선 방향으로 위치되는 빔 부재의 일단측에 설치된 댐퍼 강재의 변형 이력과 타단측에 설치된 고감쇄 고무의 점탄성 변형 이력을 이용하여 풍하중이나 소규모 지진은 물론이고 대규모 지진에 대해서도 에너지 소산 능력을 발휘할 수 있는 이점을 갖는다.

본 명세서에서 첨부되는 다음의 도면들은 본 발명의 바람직한 실시 예를 예시하는 것이며, 발명의 상세한 설명과 함께 본 발명의 기술사상을 더욱 이해시키는 역할을 하는 것이므로, 본 발명은 첨부한 도면에 기재된 사항에만 한정되어서 해석되어서는 아니 된다.
도 1은 본 발명에 따른 점소성 하이브리드 댐퍼를 가진 가새부재의 설치상태도.
도 2는 도 1의 'A'부 확대도.
도 3은 도 1의 'B'부 확대도.
도 4는 도 1에 적용된 점소성 하이브리드 댐퍼를 가진 가새부재의 분해사시도.
도 5는 본 발명의 다른 실시예에 따른 댐퍼 강재의 다른 설치상태도.
도 6은 본 발명에 따른 점소성 하이브리드 댐퍼를 가진 가새부재에 나타나는 거동그래프.
도 7은 본 발명에 적용되는 댐퍼 강재가 갖는 이력선도.
도 8은 본 발명의 다른 실시 예에 적용되는 슬릿을 갖는 댐퍼 강재의 설치상태도.
도 9a는 도 8a의 댐퍼 강재에서 슬릿의 깊이에 따른 복곡률 상태를 도시한 그래프.
도 9b는 도 8a의 복곡률을 갖는 댐퍼 강재의 이력선도.

아래에서 본 발명은 첨부된 도면에 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되지만 제시된 실시 예는 본 발명의 명확한 이해를 위한 예시적인 것으로 본 발명은 이에 제한되지 않는다.

본 발명에 따른 점소성 하이브리드 댐퍼를 가진 가새부재(10)는 도 1과 같이 문형 골조(100)에 설치된다. 문형 골조(100)는 본 실시 예에서 철골 형태로 도시하였으나 콘크리트로 시공된 형태가 될 수 있다.

도 1 내지 도 4와 같이 문형 골조(100)의 내측에 대각선 방향으로 위치되어 서로 마주하는 모서리부에 각기 장착되는 한 쌍의 가새플레이트(11,12)가 배치된다. 한 쌍의 가새플레이트(11,12)의 사이에는 대각선 방향을 따라 빔부재(14)가 배치된다.

빔부재(14)는 플랜지와 웨브로 이루어진 I형 단면 또는 H단면을 갖는 스틸로 제작된다.

빔부재(14)의 일단에 한 쌍의 강재 서포트(16,16)가 설치된다. 강재 서포트(16,16)는 I형 또는 H형 단면을 갖는다. 한 쌍의 강재 서포트(16,16)는 서로 마주보도록 배치된다. 한 쌍의 강재 서포트(16,16)는 빔 부재(14)의 각기 플랜지측에 볼트로 접합되어 고정된다. 한 쌍의 강재 서포트(16,16)는 댐퍼 강재(18)와의 연결을 위해 일부분이 절취된 구조를 갖는다. 본 실시 예에서 강재 서포트(16,16)는 내측플랜지와 웨브의 일부분 구간이 절취되어 있다.

한 쌍의 강재 서포트(16,16)와 일측 가새플레이트(11)의 사이에 한 쌍의 댐퍼 강재(18,18)가 설치되어 있다. 한 쌍의 댐퍼 강재(18,18)는 대규모 지진에 대해서 강제적으로 소성거동되기 위해 설치된다. 한 쌍의 댐퍼 강재(18,18)는 각기 일단이 한 쌍의 강재 서포트(16,16)에 각기 접합 고정되고 각기 타단이 일측 가새플레이트(11)의 넓은 양측면에 접합 고정되어 있다. 이때 한 쌍의 댐퍼 강재(18,18)는 일측 가새플레이트(11)에 직각방향으로 위치된다. 댐퍼 강재(18)는 대칭형으로 양단부에서부터 중앙부로 갈수록 단면이 점차적으로 작아지는 원형 직경을 갖는 모래시계 형태가 될 수 있다. 따라서 댐퍼 강재(18,18)는 도 7에 도시된 그래프의 이력 선도를 따르는 거동을 하여, 휨변형시 응력집중이 방지되고 큰 변형능력을 발휘할 수 있다.

빔부재(14)의 타단에는 다른 하나의 가새플레이트(12)와 연결되어 있는 점소성 댐퍼유닛(20)이 설치되어 있다. 점소성 댐퍼유닛(20)은 풍하중이나 소규모 지진에 대해서 점탄성 거동한다.

점소성 댐퍼유닛(20)은 도 3 및 도 4에서와 같이 가새플레이트(12)측에 연결판(201)과 볼트(202) 결합을 매개로 연결되어 겹침된 중앙플레이트(203)와, 빔부재(14)의 타단에 직각 방향으로 접합된 직각판(204)과, 직각판(204)에서 나란하게 입설시켜 중앙플레이트(203)의 외측에 일정한 이격을 두고 각기 배치되는 한 쌍의 수평판(205,205)과, 중앙플레이트(203)의 각기 외측면과 한 쌍의 수평판(205,205)의 사이사이에 배치되어 접합된 고감쇄 고무(206)를 포함하여 구성된다.

직각판(204)은 사각 형태로서 그 중심이 빔부재(14)의 타단측 단면 도심에 위치되도록하여 빔부재(14)의 길이 방향에 대해 직각방향으로 접합된다. 수평판(205,205)은 고감쇄 고무(206)가 접합될 수 있는 충분한 면적을 갖도록 하여 제작된다. 고감쇄 고무(206)는 고무 조성물로 이루어진 단층 구조를 갖거나 고무 조성물과 강판을 적층시킨 적층 구조를 갖을 수 있다. 여기서 고무 조성물은 알려진 바와 같이 일예로 고무에 수지, 미립자 카본 블랙, 실리카가 배합된 것이 될 수 있다.

이같이 구성된 가새부재(10)는 빔 부재(14)에 한 쌍의 댐퍼 강재(18,18)와 점소성 댐퍼유닛(20)이 설치되어 있어 점소성 하이브리드 댐퍼 기능을 발휘하게 된다.

먼저, 건물에 풍하중이나 소규모의 지진이 도래하여 문형 골조(100)에 횡하중이 작게 작용하게 되는 경우, 도 6의 그래프에 도시된 바와 같이 점소성 댐퍼유닛(20)측 고감쇄 고무(206)가 타원을 따르는 점소성 거동을 하게 되어 풍하중이나 작은 횡하중을 흡수한다.

한편, 대규모 지진으로 인한 큰 지진하중이 도래하게 되어 문형 골조(100)에 횡하중이 크게 작용하게 되는 경우, 댐퍼 강재(18,18)는 도 6에 도시된 바와 같이 최외곽의 이력 선도를 따르는 변형을 하면서 큰 횡하중을 흡수한다.

이같이 본 발명의 가새부재(10)는 고감쇄 고무(206)와 한 쌍의 댐퍼 강재(18,18)를 함께 적용함으로써 상대적으로 작은 풍하중이나 지진하중은 물론이고 대규모의 큰 지진하중을 흡수 소산시켜 건물의 붕괴를 방지할 수 있다.

한편, 본 발명의 다른 실시 예로서 도 5와 같이 빔 부재(14)가 도 4의 자세에서 90도로 회전 위치되는 경우 즉, 빔 부재(14)의 웨브가 세워지도록 설치되는 경우에는 가새플레이트(11)에 보조수직연결판(13)이 더 설치된 상태에서 댐퍼 강재(18)를 설치할 수도 있다. 이때 댐퍼 강재(18)는 보조수직연결판(13)에 직각방향으로 배치된다. 이 경우 댐퍼 강재(18)는 일단이 보조수직연결판(13)에 접합되고 타단이 강재 서포트(16)에 접합되어 고정된다.

본 발명의 또 다른 실시 예로서 도 8과 같이 댐퍼 강재(18)는 일정 간격마다 두께 방향으로 관통되어 있는 다수의 슬릿(18a)을 갖는 판상형의 강판으로 제작될 수도 있다. 슬릿(18a)의 형상은 예시된 것에 한정되는 것은 아니다. 그러나 도 9a와 같이 댐퍼 강재(18)는 이웃한 슬릿(18a과 18a)의 사이에 복곡률(r,R)을 갖게 되면, 도 9b에 도시된 이력선도에 나타난 바와 같이 휨 변형시 응력집중이 방지되어 큰 변형능력을 나타내게 되어 에너지소산을 크게 할 수 있다.

한편, 본 발명의 가새부재(10)에서 강재 서포트(16,16)와 점소성 댐퍼유닛(20)의 위치가 서로 바뀔 수 있으며, 도 1과 같이 하나의 문형골조(5)에 더블형으로 설치되거나 단일형으로 설치될 수 있다.

지금까지 본 발명은 제시된 실시 예를 참조하여 상세하게 설명이 되었지만 이 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 제시된 실시 예를 참조하여 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변형 및 수정 발명을 만들 수 있을 것이다. 본 발명은 이와 같은 변형 및 수정 발명에 의하여 제한되지 않으며 다만 아래에 첨부된 청구범위에 의하여 제한된다.

11,12: 가새플레이트
13: 보조수직연결판(13)
14: 빔 부재
16: 강재 서포트
18: 댐퍼 강재
18a: 슬릿
20: 점소성 댐퍼유닛
203: 중앙플레이트
204: 직각판
205: 수평판
206: 고감쇄 고무

Claims (5)

1. 철골 또는 콘크리트로 시공된 문형 골조(100)의 내측에 대각선 방향으로 위치되어 서로 마주하는 모서리부에 각기 장착되는 한 쌍의 가새플레이트(11,12)와;
   상기 한 쌍의 가새플레이트(11,12)의 사이에 간격을 두고 대각선 방향을 따라 배치되는 빔부재(14)와;
   상기 빔부재(14)의 일단에 고정되어 서로 마주보도록 배치된 한 쌍의 강재 서포트(16,16)와;
   일단이 한 쌍의 강재 서포트(16,16)에 각기 접합 고정되고 타단이 상기 한 쌍의 가새플레이트(11,12) 중 어느 하나에 직각방향으로 위치되어 접합 고정되어 대규모 지진에 대해서 강제적으로 소성거동되는 한 쌍의 댐퍼 강재(18,18)와;
   상기 빔부재(14)의 타단과 한 쌍의 가새플레이트(11,12) 중 다른 하나에 지지 연결되어 풍하중이나 소규모 지진에 대해서 점탄성 거동하는 점소성 댐퍼유닛(20);을 포함하되,
   상기 점소성 댐퍼유닛(20)은,
   상기 가새플레이트(12)측에 연결판(201)과 볼트(202) 결합을 매개로 연결되어 겹침된 중앙플레이트(203)와;
   상기 빔부재(14)의 타단에 직각 방향으로 접합된 직각판(204)과;
   상기 직각판(204)에서 나란하게 입설시켜 상기 중앙플레이트(203)의 외측에 일정한 이격을 두고 각기 배치되는 한 쌍의 수평판(205,205)과;
   상기 중앙플레이트(203)의 각기 외측면과 한 쌍의 수평판(205,205)의 사이사이에 배치되어 접합된 고감쇄 고무(206);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 점소성 하이브리드 댐퍼를 가진 가새부재.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 댐퍼 강재(18)는 대칭형으로 양단부에서부터 중앙부로 갈수록 단면이 점차적으로 작아지는 직경을 갖는 모래시계 형태인 것을 특징으로 하는 점소성 하이브리드 댐퍼를 가진 가새부재.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 댐퍼 강재(18)를 가새플레이트(11)에서 직각 방향으로 위치시키기 위해 가새플레이트(11)에는 보조수직연결판(13)이 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 점소성 하이브리드 댐퍼를 가진 가새부재.
5. 제 1항에 있어서,
   상기 댐퍼 강재(18)는 일정 간격마다 두께 방향으로 관통되어 있는 다수의 슬릿(18a)을 갖는 판상형의 강판으로 구성된 것을 특징으로 하는 점소성 하이브리드 댐퍼를 가진 가새부재.

Images