KR102015561B1 - 공동주택의 횡력 저감을 위한 제진시스템 - Google Patents

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KR102015561B1
KR102015561B1 KR1020190006834A KR20190006834A KR102015561B1 KR 102015561 B1 KR102015561 B1 KR 102015561B1 KR 1020190006834 A KR1020190006834 A KR 1020190006834A KR 20190006834 A KR20190006834 A KR 20190006834A KR 102015561 B1 KR102015561 B1 KR 102015561B1
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KR1020190006834A
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송남규
정승열
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스톤엔지니어링(주)
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Abstract

본 발명은 설치 위치에 제약이 없고, 벽체의 수직 절단된 부분에 증폭된 수직 변위가 발생하여 제진장치를 동작시킴으로써 에너지 소산능력을 증대시켜 설치 개소를 줄일 수 있도록 한 공동주택의 횡력 저감을 위한 제진시스템을 제공한다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따른 공동주택의 횡력 저감을 위한 제진시스템은, 공동주택의 벽체를 수직으로 분할하여 일정 유간을 갖도록 하고, 해당 층마다 일정 유간의 일개소에 확장된 댐퍼공간을 형성하고, 각 댐퍼공간의 내부에는 분할된 어느 일측의 벽체에 고정되어 수평적으로 배치되어 있는 하나 이상의 수직변위증폭용 캔틸레버와, 상기 수직변위증폭용 캔틸레버와 연결되어져 횡하중 발생시 댐퍼공간의 벽체측에서 발생하는 증폭된 수직변위에 제진 동작하는 하나 이상의 제진장치가 설치된 것을 특징으로 한다.

Description

공동주택의 횡력 저감을 위한 제진시스템{Vibration control system for lateral force reduction of apartment building}
본 발명은 풍하중이나 지진 발생시에 제진을 수행할 수 있도록 한 공동주택의 횡력 저감을 위한 제진시스템에 관한 것으로, 특히 설치 위치에 제약이 없고, 벽체의 수직 절단된 부분에 증폭된 수직 변위가 발생하여 제진장치를 동작시킴으로써 에너지 소산능력을 증대시켜 설치 개소를 줄일 수 있도록 한 공동주택의 횡력 저감을 위한 제진시스템에 관한 것이다.
기존 공동주택은 대부분 벽식구조 및 코어벽체를 가진 라멘구조 형태로 구성하여 왔고, 지진을 제어하는데 주로 인방형 제진장치를 사용해왔다. 내진보강의 방법은 크게 3종류로써 강성 및 강도 향상, 감쇠력 향상으로 분류한다. 국내 공동주택의 경우 인방형 제진장치 사용 이전에는 대부분 강성 및 강도를 향상하는 방법으로 내진보강을 실시하였다. 강도 및 강성 향상기법은 내진보강과 함께 지진하중을 크게 증가시키기 때문에 그에 따라 더욱 많은 보강을 요구한다.
현재 개발된 기술들 중 인방형 제진장치는 강성 및 강도 향상 방법에 대비하여 지진 에너지를 소산하여 지진하중을 저감하고 그에 따라 물량절감을 통하여 경제성을 확보하며 공기를 단축시키는 것으로 알려져 있다. 이러한 인방형 제진장치는 설계당시 기존 인방보 위치에 설치하기 때문에 건축계획의 변경이 필요없이 시공이 가능한 장점을 갖는데 반해, 기존 인방보 위치를 벗어나 에너지 소산능력을 크게 할수 없는 문제가 있다.
본 발명의 배경이 되는 기술로는 한국 등록특허 등록번호 제10-1329420호로서 공동주택 기둥식 구조의 코어에 제진시스템을 구성하여 지진 제어능력을 극대화 시킬 수 있도록 한 벽체 수직 분절형 에너지소산시스템 제안되어 있다. 그리고 위 제진시스템에 사용된 제진장치는 한국 공개특허 공개번호 제10-2012-0007409호 외 다수의 장치를 사용하고 있다.
그러나 상기 시스템은 라멘구조의 코어 벽체에 설치하여야 하므로 설치위치에 매우 제한적이고, 분절시키는 벽체가 외벽일 경우 방수문제가 발생할 수 있으며, 인방형 제진장치를 벽체 면외로 설치할 경우 효율이 매우 떨어질 수 있는 문제점이 있다.
한국 등록특허 등록번호 제10-1329420호 한국 공개특허 공개번호 제10-2012-0007409호
본 발명은 설치 위치에 제약이 없고, 벽체의 수직 절단된 부분에 증폭된 수직 변위가 발생하여 제진장치를 동작시킴으로써 에너지 소산능력을 증대시켜 설치 개소를 줄일 수 있도록 한 공동주택의 횡력 저감을 위한 제진시스템을 제공함에 그 목적이 있다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따른 공동주택의 횡력 저감을 위한 제진시스템은, 공동주택의 벽체를 수직으로 분할하여 일정 유간을 갖도록 하고, 해당 층마다 일정 유간의 일개소에 확장된 댐퍼공간을 형성하고, 각 댐퍼공간의 내부에는 분할된 어느 일측의 벽체에 고정되어 수평적으로 배치되어 있는 하나 이상의 수직변위증폭용 캔틸레버와, 상기 수직변위증폭용 캔틸레버와 연결되어져 횡하중 발생시 댐퍼공간의 벽체측에서 발생하는 증폭된 수직변위에 제진 동작하는 하나 이상의 제진장치가 설치된 것을 특징으로 한다.
또한, 제진장치는 일단이 댐퍼공간 내부의 상면에 연결되고 타단이 수직변위증폭용 캔틸레버에 수직으로 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 제진장치는 일단이 댐퍼공간 내부의 하면에 연결되고 타단이 수직변위증폭용 캔틸레버에 수직으로 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 제진장치는 수직변위증폭용 캔틸레버에 대해 2개가 상,하로 대칭적으로 배치되어 각기 일단이 수직변위증폭용 캔틸레버에 연결되고 타단이 댐퍼공간 내부의 상면 및 하면에 수직으로 연결된 것을 특징으로 한다.
또한, 제진장치는 댐퍼공간 내부의 상하로 서로 어긋난 위치에 배치된 2개의 수직변위증폭용 캔틸레버의 사이에 수직으로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 제진장치는 2개가 구비되어 댐퍼공간 내부의 상,하 및 그 중간에 설치된 3개의 수직변위증폭용 캔틸레버의 이격 구간마다에 수직으로 배치되어 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 수직변위증폭용 캔틸레버는 댐퍼공간 내부에 수직으로 정착되어 있는 수직빔에 접합되어져 있는 것을 특징으로 한다.
또한, 제진장치는 강재의 소성 변형을 이용하는 강재 댐퍼, 유체의 점성 저항을 이용하는 오일 댐퍼, 점탄성 고무의 탄성 거동을 이용한 점탄성 댐퍼, 마찰을 이용한 마찰 댐퍼 중 어느 하나 또는 2개 이상이 조합된 형태로 구성된 것을 특징으로 한다.
또한, 상,하층을 분리시키는 해당 슬래브에 형성된 일정 유간에는 수직변위의 발생을 억제하지 않는 발포체나 고무로 제작된 슬래브 충진재가 추가적으로 더 설치된 것을 특징으로 한다.
본 발명의 공동주택의 횡력 저감을 위한 제진시스템은 벽체의 수직 절단한 위치에 제진장치가 설치됨으로써 벽체는 물론이고 벽체와 벽체가 만나는 모서리 부분에도 설치가 이루어질 수 있어 설치위치에 제약이 없는 이점을 갖는다.
또한, 풍하중이나 지진 도래시 벽체의 수직 절단된 부분에 증폭된 수직 변위가 발생하여 제진장치를 동작시킴으로써 에너지 소산능력을 증대시킬 수 있고, 이로 인해 제진시스템의 설치 개소를 줄일 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 발명의 제진시스템이 적용되는 공동 주택의 벽체를 나타낸 평면도.
도 2a는 본 발명의 제 1 실시 예에 따른 제진시스템의 설치상태도 및 요부확대도.
도 2b는 도 2a의 제진시스템에 풍하중 또는 지진 도래시 증폭된 수직변위가 나타나는 상태도.
도 3은 본 발명의 제 2 실시 예에 따른 제진시스템의 설치상태도.
도 4는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 제진시스템이 해당 층 벽체의 중간에 설치된 설치상태도.
도 5는 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 제진시스템이 해당 층 벽체의 상부에 설치된 설치상태도.
도 6은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 다른 변형예시도.
도 7은 본 발명의 제 3 실시 예에 따른 또 다른 변형예시도.
도 8은 본 발명의 제 4 실시 예에 따른 제진시스템의 설치상태도.
도 9는 본 발명의 제 5 실시 예에 따른 제진시스템의 설치상태도.
도 10의 (가),(나)는 횡하중 발생에 따른 본 발명과 비교되는 제1 비교 실시예시도 및 제2 비교 실시예시도.
도 11의 (가),(나)는 도 10의 (가),(나) 상태에서 횡하중 발생에 따른 본 발명과 제1 비교 실시예 및 제2 비교 실시예에서 나타난 수직변위간의 비교도.
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 발명의 제진시스템은 도 1에 도시된 공동주택(10)의 평면도에 나타난 바와 같이 벽체(12)의 중간에 'Sl-2'로 구획한 부분은 물론이고, 벽체(12와 12)간에 만나는 모서리 부분의 'SO-2'로 구획한 부분에 모두 설치될 수 있다.
제진시스템은 'Sl-2'로 구획한 부분에서는 모서리와 연접되지 않은 벽체(12)를 수직으로 절단 분할시키고, 'SO-2'로 구획한 부분에서는 모서리측 벽체(12) 부분을 수직으로 절단하여 분할시킨다. 도 2a 및 도 6과 같이 분할된 부분의 일개소에 어느 일측 또는 양측으로 확장된 댐퍼공간(121)을 형성하고, 이 댐퍼공간(121)에 후술할 수직변위증폭용 캔틸레버(20)와 제진장치(30)를 각기 하나 이상 상호 연결되게 설치하여 풍하중이나 지진 발생시 수직변위증폭용 캔틸레버(20)에서 발생되는 증폭된 수직변위에 의해 제진장치(30)가 동작하여 제진을 수행하도록 한 것이다.
이때 제진장치(30)나 수직변위증폭용 캔틸레버(20)의 설치 개수나 배치 위치에 따라 아래와 같이 다양한 실시 예로 나타날 수 있다.
미설명 부호 '15'는 벽체(12)에 배근된 '철근'이다.
<제 1 실시예>
제 1 실시 예는 도 2a 내지 도 2b에서와 같이 공동주택(10)의 벽체(12)를 수직으로 분할하여 일정 유간(G)을 갖도록 하고, 해당 층(F1~Fn)마다 일정 유간(G)의 일개소에 확장된 댐퍼공간(121)이 형성된다. 예로, 공동주택(10)이 15층으로 시공되는 경우, 일정 유간(G)은 1층부터 15층에 걸쳐 이루어질 수 있다. 댐퍼공간(121)은 일정 유간(G)의 일개소에 폭(w)과 높이(h 또는 h')를 가지고 어느 일측 또는 양측으로 확장된 공간이다.
댐퍼공간(121)의 내부에는 분할된 어느 일측의 벽체(12)에 고정되어 수평적으로 배치되어 있는 수직변위증폭용 캔틸레버(20)와, 상기 수직변위증폭용 캔틸레버(20)와 연결되어져 수평 지진하중에 의해 벽체(12)측에서 발생하는 증폭된 수직변위에 제진 동작하는 제진장치(30)가 설치되어 있다. 이때 제진장치(30)는 일단이 댐퍼공간(121) 내부의 상면에 연결되고 타단이 수직변위증폭용 캔틸레버(20)의 선단에 수직으로 연결되어 있다.
이때 수직변위증폭용 캔틸레버(20)는 댐퍼공간(121) 내부에 수직으로 정착되어 있는 수직빔(21)에 접합되어질 수 있다. 수직변위증폭용 캔틸레버(20)와 수직빔(21)은 본 실시 예에서 H형 강재로 제작되어 있으나 이러한 단면 형상에 한정되는 것은 아니며 I, L, T, O 자단면 형태를 가질수 있다. 수직빔(21)은 앵커볼트를 통해 벽체(12)에 고정 설치되거나 전단키(211)를 통해 벽체(12)에 정착될 수 있다.
제진장치(30)는 제진 기술분야에서 주지의 기술로서 강재의 소성 변형을 이용하는 강재 댐퍼, 유체의 점성 저항을 이용하는 오일 댐퍼, 점탄성 고무의 탄성 거동을 이용한 점탄성 댐퍼, 마찰을 이용한 마찰 댐퍼 중 어느 하나 또는 2개 이상이 조합된 형태로 구성될 수 있다.
제진장치(30)는 일단이 전단연결키(32)(또는 앵커볼트)로 벽체(12)에 고정되고 타단이 볼트(31) 및 너트의 체결로 수직변위증폭용 캔틸레버(20)에 연결될 수 있다.
따라서 도 2b와 같이 강풍이나 지진 도래로 횡하중(E) 발생시 일정 유간(G)에 형성된 댐퍼공간(121)내의 분리된 두 분할 벽체(12a,12b)간에는 증폭된 수직 변위(δ1)가 발생하고, 이 수직변위는 제진장치(30)를 작동시켜 제진을 수행하게 되고, 이로 인해 횡하중 에너지의 소산이 일어나게 된다.
한편, 여기서 공동주택(10)의 상층과 하층을 분리시키는 해당 슬래브(14)에 형성된 일정 유간(G)에는 수직변위의 발생을 억제하지 않는 슬래브 충진재(50)가 추가적으로 설치될 수 있다. 슬래브 충진재(50)는 예로 스티로폼, 우레탄 등의 발포체나 고무로 제작된 것이 될 수 있다.
상기 제 1 실시 예를 기본으로 하여 아래에는 다양하게 변형될 수 있는 실시 예를 추가적으로 설명한다. 제 1 실시 예와 동일한 부분은 상세한 설명을 생략하며, 동일 또는 동등한 부분은 동일 부호를 사용한다.
<제 2 실시 예>
제 2 실시 예는 제 1 실시 예에 설치된 제진장치(30)의 위치를 변경한 것이다. 즉, 제 2 실시 예는 도 3과 같이 댐퍼공간(121) 내부의 하면에 제진장치(30)의 일단이 연결되고 그의 타단이 수직변위증폭용 캔틸레버(20)의 선단에 수직으로 연결되어 구성된 것이다.
이 경우에도 제진장치(30)는 제 1 실시 예와 같이 상부에서 그 위치가 하부로 이동한 것만 다르므로 동일하게 제진장치(30)가 작동하게 되어 제진을 수행하게 된다.
<제 3 실시 예>
제 3 실시 예는 제진장치(30)를 2개로 설치한 것이다. 즉, 제 3 실시 예는 도 4와 같이 2개의 제진장치(30)(30)가 수직변위증폭용 캔틸레버(20)에 대해 상,하로 대칭적으로 배치되어 있다. 이때 제진장치(30)(30)는 각기 일단이 수직변위증폭용 캔틸레버(20)에 연결되고 타단이 댐퍼공간(121) 내부의 상면 및 하면에 각기 연결되어 수직으로 설치된 것이다.
이 경우 횡하중 발생시 일정 유간(G)에 형성된 댐퍼공간(121)내의 분리된 두 분할 벽체(12a,12b)간에는 도 2b와 같이 증폭된 수직 변위(δ1)가 발생하고, 이 수직변위는 2개의 제진장치(30)(30)를 작동시켜 제진을 수행하게 되고, 이로 인해 지진에너지의 소산이 크게 일어나게 된다.
여기서 댐퍼공간(121)은 해당 층의 중간에 설치되었으나 도 5와 같이 상부에 설치될 수도 있다.
또한, 여기서 도 6에 도시된 바와 같이 상대적으로 댐퍼공간(121)을 작게 하고, 수직빔이 없는 수직변위증폭용 캔틸레버(20)만을 설치하여 구성할 수도 있다.
또한, 도 7과 같이 벽체의 모서리 부분(도 1의 SO-2 부분)에서는 제 3 실시 예에서 동일한 구성으로 제진시스템이 설치될 수 있다.
<제 4 실시 예>
제 4 실시 예는 도 8과 같이 상,하로 배치된 2개의 수직변위증폭용 캔틸레버(20)(20)의 사이에 수직으로 제진장치(30)를 배치하여서 된 것이다. 이때 상,하부측 수직변위증폭용 캔틸레버(20)(20)는 댐퍼공간(121) 내부의 상하로 서로 어긋난 위치에 배치되어 분할 벽체(12a,12b)에 설치된다. 이때 2개의 수직변위증폭용 캔틸레버(20)(20)는 각기 댐퍼공간(121) 내부에 수직으로 정착되어 있는 수직빔(21)에 접합되어져 있다.
이 경우 횡하중 발생시 일정 유간(G)에 형성된 댐퍼공간(121)내의 분리된 두 분할 벽체(12a,12b)간에는 도 2b와 같이 증폭된 수직 변위(δ1)가 발생하고, 이 수직변위는 수직변위증폭용 캔틸레버(20)(20)를 통해 2개의 제진장치(30)(30)를 작동시켜 제진을 수행하게 되고, 이로 인해 지진에너지의 소산이 일어나게 된다.
<제 5 실시 예>
제 5 실시 예는 도 9에 도시된 바와 같이 2개의 제진장치(30)(30)를 일정 유간(G)에 수직으로 배치한 것이다. 즉, 댐퍼공간(121) 내부의 상,하 및 그 중간에 설치된 3개의 수직변위증폭용 캔틸레버(20)의 이격 구간마다에 제진장치(30)(30)를 상하 수직으로 설치하여서 된 것이다.
이때 2개의 수직변위증폭용 캔틸레버(20)는 하나의 수직빔(21)의 상단 및 하단에 접합되어 있고, 나머지 1개의 수직변위증폭용 캔틸레버(20)는 다른 하나의 수직빔(21)의 중간에 접합되어 있다.
따라서 횡하중 발생시 일정 유간(G)에 형성된 댐퍼공간(121)내의 분리된 두 분할 벽체(12a,12b)간에는 도 2b와 같이 증폭된 수직 변위(δ1)가 발생하고, 이 수직변위는 각 수직변위증폭용 캔틸레버(20)를 통해 2개의 제진장치(30)(30)를 작동시켜 제진을 수행하게 되고, 이로 인해 지진에너지의 소산이 크게 일어나게 된다.
이와 같이 구성된 제진시스템은 풍하중이나 지진 발생시 수평하중에 의한 골조의 상대변위각에 따라 발생하는 증폭된 수직변위(δ1)가 발생하는 위치에 제진장치(30)가 하나 이상 수직으로 설치되어 동작함으로써 에너지소산능력을 극대화 할 수 있다.
한편, 비교 실시 예에서 댐퍼공간을 두지 않고 도 10의 (가)와 같이 벽체에 수직으로 절단된 부분에 이력 댐퍼(200)를 설치하거나, 도 10의 (나)와 같이 마찰댐퍼(300)를 설치한 경우, 도 11과 같이 이력 댐퍼(200)에서는 δ1보다 작은 δ2의 수직변위가 발생되고, 마찰댐퍼(300)에서는 δ1보다 작은 δ3의 수직변위가 발생한다.
결국, 본 발명의 제진시스템에서 발생되는 수직변위를 'δ1'이라고 할 때, δ1>δ2=δ3 이므로, 같은 횡하중 작용시 본 발명의 제진시스템이 가장 큰 수직변위가 발생하여 에너지 소산 능력이 가장 큼을 알 수 있다.
12: 벽체
121: 댐퍼공간
20: 수직변위증폭용 캔틸레버
21: 수직빔
30: 제진장치

Claims (9)

  1. 공동주택(10)의 벽체(12)를 수직으로 분할하여 일정 유간(G)을 갖도록 하고, 해당 층(F1~Fn)마다 일정 유간(G)의 일개소에 확장된 댐퍼공간(121)을 형성하고,
    각 댐퍼공간(121)의 내부에는 분할된 어느 일측의 벽체(12)에 고정되어 수평적으로 배치되어 있는 하나 이상의 수직변위증폭용 캔틸레버(20)와, 상기 수직변위증폭용 캔틸레버(20)의 선단에 수직으로 연결되어져 횡하중 발생시 댐퍼공간(121)내 벽체(12)측에서 발생하는 증폭된 수직변위에 제진 동작하는 하나 이상의 제진장치(30)가 설치된 것을 특징으로 하는 공동주택의 횡력 저감을 위한 제진시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    제진장치(30)는 일단이 댐퍼공간(121) 내부의 상면에 연결되고 타단이 수직변위증폭용 캔틸레버(20)의 선단에 수직으로 연결된 것을 특징으로 하는 공동주택의 횡력 저감을 위한 제진시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    제진장치(30)는 일단이 댐퍼공간(121) 내부의 하면에 연결되고 타단이 수직변위증폭용 캔틸레버(20)의 선단에 수직으로 연결된 것을 특징으로 하는 공동주택의 횡력 저감을 위한 제진시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    제진장치(30)는 수직변위증폭용 캔틸레버(20)에 대해 2개가 상,하로 대칭적으로 배치되어 각기 일단이 수직변위증폭용 캔틸레버(20)의 선단에 연결되고 타단이 댐퍼공간(121) 내부의 상면 및 하면에 수직으로 연결된 것을 특징으로 하는 공동주택의 횡력 저감을 위한 제진시스템.
  5. 제 1항에 있어서,
    제진장치(30)는 댐퍼공간(121) 내부의 상하로 서로 어긋난 위치에 배치된 2개의 수직변위증폭용 캔틸레버(20)의 사이에 수직으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 공동주택의 횡력 저감을 위한 제진시스템.
  6. 제 1항에 있어서,
    제진장치(30)는 2개가 구비되어 댐퍼공간(121) 내부의 상,하 및 그 중간에 설치된 3개의 수직변위증폭용 캔틸레버(20)의 이격 구간마다에 수직으로 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 공동주택의 횡력 저감을 위한 제진시스템.
  7. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    수직변위증폭용 캔틸레버(20)는 댐퍼공간(121) 내부에 수직으로 정착되어 있는 수직빔(21)에 접합되어져 있는 것을 특징으로 하는 공동주택의 횡력 저감을 위한 제진시스템.
  8. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    제진장치(30)는 강재의 소성 변형을 이용하는 강재 댐퍼, 유체의 점성 저항을 이용하는 오일 댐퍼, 점탄성 고무의 탄성 거동을 이용한 점탄성 댐퍼, 마찰을 이용한 마찰 댐퍼 중 어느 하나 또는 2개 이상이 조합된 형태로 구성된 것을 특징으로 하는 공동주택의 횡력 저감을 위한 제진시스템.
  9. 제 1항 내지 제 6항 중 어느 한 항에 있어서,
    상,하층을 분리시키는 해당 슬래브(14)에 형성된 일정 유간(G)에는 수직변위의 발생을 억제하지 않는 발포체나 고무로 제작된 슬래브 충진재(50)가 추가적으로 더 설치된 것을 특징으로 하는 공동주택의 횡력 저감을 위한 제진시스템.
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