KR102047678B1 - 창호부 격리형 내진 보강 장치 - Google Patents

창호부 격리형 내진 보강 장치 Download PDF

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신성종합건축사사무소(주)
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    • F16F7/12Vibration-dampers; Shock-absorbers using plastic deformation of members

Abstract

본 발명은 구조물의 개구부에 설치되는 것으로,
하부베이스프레임(100);
상기 하부베이스프레임(100) 상부에 힌지결합되는 중간프레임(200);
상기 중간프레임(200) 상부에 힌지결합되되 상기 하부베이스프레임(100)과 동일한 형상의 상부베이스프레임(300);
하부가 하부슬래브에 앵커링되고 상부는 상기 하부베이스프레임(100) 하부에 힌지결합되는 하부브래킷(400);
상부가 상부슬래브 또는 보에 앵커링되고 하부는 상기 상부베이스프레임(300) 상부에 힌지결합되는 상부브래킷(500);
을 포함하여 구성되되,
상기 힌지결합으로 인하여 지진에 의한 진동을 흡수하므로 상기 중간프레임(200)의 변형이 방지되는 것을 특징으로 하는 창호부 격리형 내진 보강 장치를 제공한다.

Description

창호부 격리형 내진 보강 장치{Window-isolated type seismic retrofit device}
본 발명은 내진구조를 구비 못한 구조물의 내진 보강을 위한 것으로, 상부 및 하부구조체에 내진 보강 구조를 형성하여 창호 설치부위를 확보하고 창호부 파괴로 인한 2차 사고 및 피난경로 확보 등을 위하여 창호의 파손을 방지함과 동시에 효과적으로 내진 성능을 유지하는 창호부 격리형 내진 보강 장치에 관한 것이다.
일반적으로, 다주택, 빌딩, 건물, 아파트 등과 같은 건축물의 설계시에는 지진으로부터 구조물을 안전하게 보호하기 위한 내진설계(耐震設計)가 함께 이루어지게 된다.
그러나, 우리나라에서 건축물에 대한 내진설계가 의무화된 것은 1988년으로, 그 이전에 건설된 건축 구조물은 대부분 내진설계가 되어 있지 않고, 내진설계의 의무화가 시행된 이후에도 내진설계에 대한 기준이 미흡하여 지진 발생시에 건축 구조물의 붕괴로 인한 막대한 인명피해 및 재산피해가 예상된다.
현재 지진으로부터 인적 피해 및 물적 피해를 최소화하기 위해 다양한 내진보강방법이 적용되고 있다.
대표적인 최신 내진 보강방법으로 제진장치를 설치하는 방법이 있는데, 제진장치로서 가새형 댐퍼를 대각 방향으로 설치함으로써 지진에 의한 반복하중이 가해질 때 소성이력거동에 의해 에너지를 소산시키는 방법이다.
그러나 종래의 제진장치 설치방법은 가새형 댐퍼를 지지하기 위한 기둥이나 보와 같은 큰 강성을 갖는 구조부재가 필요하여 시공이 까다롭고, 또한 별도의 설치공간이 필요하여 적용성이 제한적이며, 개구부의 시야를 가린다는 단점이 있다.
그리고 보편적으로 국내외에 적용되는 내진보강방법으로는 건축물이 기초부분과 분리되어 지진충격이 건축물에 직접 전달되지 않도록 면진장치 등을 구조물의 기초와 기둥이 접하는 부분에 설치하는 방법이나,
건축물의 채광을 위하여 개방되도록 설치된 창호부분의 슬래브와 기둥이 접하는 내측 모서리 부분에 강재를 이용한 보강재를 설치하는 보강공법,
건축물의 기둥에 강판으로 이루어진 전단보강재를 부착하여 기둥의 충격으로 인하여 건축물이 파괴되는 것을 방지하는 공법 및 보와 기둥으로 둘러싸인 영역에 철근콘크리트의 보강벽을 신설하거나, 기존의 벽이 설치된 경우에 기존벽의 측면 또는 양면에 콘크리트를 증설함으로서 기존벽을 보강하는 방법들이 주로 적용되고 있다.
그러나 상기한 공법들은 보강재를 공장에서 제작하여 현장에서 설치하는 시공으로서 현장설치를 위하여 실제 건축물의 슬래브와 기둥의 내측 규격보다 작게 제작된 강재로 이루어진 보강재를 설치하고, 들뜸 부위에 모르타르를 충전하여 일체화시키는 시공방법을 적용하고 있어 내진 보강 전후에 충진여부 판정이 어렵다.
이때 보강재는 일체로 제작되어 현장에서 설치되므로 중량물 양중용 장비가 필요하며 내진보강 설계에 의해 외부가 아닌 내부에 내진보강이 필요한 경우 운반 및 설치 등 시공상 어려움이 발생하므로 완벽한 시공을 기대하기 어렵다.
또한, 보강벽의 신설이나 콘크리트 증설의 경우, 철근조립, 거푸집설치 및 해체, 콘크리트의 양생기간 등 여러 공정이 필요하여 건축물의 자중이 증가되는 가운데 작업공기가 늘어나 추가적인 비용이 지출되게 된다.
뿐만 아니라, 지진으로 인한 충격이 전달되는 콘크리트 건축물과 강재로 제작된 보강재 사이의 강성의 차이로 인한 모서리 부분의 콘크리트가 파손되는 문제점과 강재의 온도변화에 따른 신축작용으로 인한 들뜸이 발생되는 문제점이 있었고 보강재의 박리방지를 위해서는 보강재를 볼트로 기둥이나 보에 고정시키기 위해서 기둥이나 보에 볼트구멍을 뚫는 공사가 필요하며, 보강재를 기존벽의 표면에 밀착시키기 위해서 기존벽 표면의 바탕처리와 같은 여러 공정이 필요한바 여러 문제점이 수반된다. 이는 곧 건축물의 내구성이 낮아지는 문제점을 유발하게 되는 것이다.
이에 본 발명자는 내진구조를 구비 못한 구조물의 내진 보강을 위한 것으로, 상부 및 하부구조체에 내진 보강 구조를 형성하여 창호 설치부위를 확보하고 창호부 파괴로 인한 2차 사고 및 피난경로 확보 등을 위하여 창호의 파손을 방지함과 동시에 효과적으로 내진 성능을 유지하는 창호부 격리형 내진 보강 장치를 개발하기에 이르렀다.
또한 모든 부재를 각각 소단위로 공장제작하여 운반하고 현장에서 조립 및 시공하므로 중량 및 부피가 경량화되어 양중하중이 감소하므로 경장비 사용이 가능하며, 현장 시공시에 미숙련공이라도 용이하게 건식으로 조립하여 시공할 수 있도록 하였다.
[문헌 1] 대한민국 등록특허 제10-1917191호 ‘내진성능이 향상된 공동주택용 격간벽 내진보강구조 시스템’, 2018년11월05일 [문헌 2] 대한민국 등록특허 제10-1400423호 ‘양방향 강재댐퍼 및 이를 이용한 구조물의 내진보강구조’, 2014년05월21일
본 발명은 상기한 바와 같은 종래의 제반 문제점을 해소하기 위해서 제시되는 것이다. 그 목적은 내진구조를 구비 못한 구조물의 내진 보강을 위한 것으로, 상부 및 하부구조체에 내진 보강 구조를 형성하여 창호 설치부위를 확보하고 창호부 파괴로 인한 2차 사고 및 피난경로 확보 등을 위하여 창호의 파손을 방지함과 동시에 효과적으로 내진 성능을 유지하는 창호부 격리형 내진 보강 장치를 제공하고자 한다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은 구조물의 개구부에 설치되는 것으로,
하부베이스프레임(100);
상기 하부베이스프레임(100) 상부에 힌지결합되는 중간프레임(200);
상기 중간프레임(200) 상부에 힌지결합되되 상기 하부베이스프레임(100)과 동일한 형상의 상부베이스프레임(300);
하부가 하부슬래브에 앵커링되고 상부는 상기 하부베이스프레임(100) 하부에 힌지결합되는 하부브래킷(400);
상부가 상부슬래브 또는 보에 앵커링되고 하부는 상기 상부베이스프레임(300) 상부에 힌지결합되는 상부브래킷(500);
을 포함하여 구성되되,
상기 힌지결합으로 인하여 지진에 의한 진동을 흡수하므로 상기 중간프레임(200)의 변형이 방지되는 것을 특징으로 하는 창호부 격리형 내진 보강 장치를 제공한다.
본 발명에 따르면 내진구조를 구비 못한 구조물의 내진 보강을 위한 것으로, 상부 및 하부구조체에 내진 보강 구조를 형성하여 창호 설치부위를 확보하고 창호부 파괴로 인한 2차 사고 및 피난경로 확보 등을 위하여 창호의 파손을 방지함과 동시에 효과적으로 내진 성능을 유지하는 창호부 격리형 내진 보강 장치를 제공한다.
도 1은 본 발명의 창호부 격리형 내진 보강 장치의 정면도이다.
도 2는 본 발명에서 중간프레임의 상세도이다.
도 3은 본 발명에서 상부베이스프레임 및 하부베이스프레임의 수직대의 상세도이다.
도 4는 본 발명에서 상부베이스프레임 및 하부베이스프레임의 상부수평프레임과 하부수평프레임 그리고 슬릿판으로 이루어지는 결합체의 상세도이다.
도 5는 본 발명에서 힌지결합 부위에 사용되는 코일스프링의 사진이다.
도 6은 본 발명에서 지진에 의한 거동을 개념적으로 도시한 것이다.
도 7 및 8은 본 발명의 시험시공의 사진이다.
도 9는 무보강일 경우와 본 발명의 내진보강을 적용한 경우의 하중과 변위관계를 비교한 그래프이다.
도 10은 본 발명의 내진보강을 적용한 경우와 본 발명에서 스프링힌지를 추가로 적용한 경우의 하중과 변위관계를 비교한 그래프이다.
도 11은 무보강일 경우와 본 발명의 내진보강을 적용한 경우 그리고 본 발명에서 스프링힌지를 추가로 적용한 경우의 포락선을 비교한 그래프이다.
도 12는 무보강일 경우와 본 발명의 내진보강을 적용한 경우 그리고 본 발명에서 스프링힌지를 추가로 적용한 경우의 누적에너지 소산능력을 비교한 그래프이다.
이하 첨부한 도면과 함께 상기와 같은 본 발명의 개념이 바람직하게 구현된 실시예를 통하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
도 1은 본 발명의 창호부 격리형 내진 보강 장치의 정면도이다.
본 발명의 창호부 격리형 내진 보강 장치는,
구조물의 개구부에 설치되는 것으로,
하부베이스프레임(100);
상기 하부베이스프레임(100) 상부에 힌지결합되는 중간프레임(200);
상기 중간프레임(200) 상부에 힌지결합되되 상기 하부베이스프레임(100)과 동일한 형상의 상부베이스프레임(300);
하부가 하부슬래브에 앵커링되고 상부는 상기 하부베이스프레임(100) 하부에 힌지결합되는 하부브래킷(400);
상부가 상부슬래브 또는 보에 앵커링되고 하부는 상기 상부베이스프레임(300) 상부에 힌지결합되는 상부브래킷(500);
을 포함하여 구성되되,
상기 힌지결합으로 인하여 지진에 의한 진동을 흡수하므로 상기 중간프레임(200)의 변형이 방지되는 것을 특징으로 한다.
구체적으로 상기 하부베이스프레임(100) 및 상부베이스프레임(300)에 의하여 지진에 의한 진동이 흡수되고, 힌지결합으로 인하여 상기 중간프레임(200)으로의 진동이 차단된다.
도 2는 본 발명에서 중간프레임의 상세도이고,
도 3은 본 발명에서 상부베이스프레임 및 하부베이스프레임의 수직대의 상세도이며,
도 4는 본 발명에서 상부베이스프레임 및 하부베이스프레임의 상부수평프레임과 하부수평프레임 그리고 슬릿판으로 이루어지는 결합체의 상세도이다.
상부베이스프레임(300)과 하부베이스프레임(100) 중 어느 하나 이상에는 내부에 진동을 흡수하는 슬릿판(S)이 추가로 설치되는 것을 특징으로 한다.
상기 하부베이스프레임(100)은,
좌우 대칭인 수직으로 설치되는 2개의 수직대(110);
상기 2개의 수직대(110) 상호간을 양단의 힌지결합으로 연결하는 상부수평대(130)와 하부수평대(150);
상기 상부수평대(130)와 상기 하부수평대(150) 사이를 연결하며 설치되는 상기 슬릿판(S);
을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
상기 중간프레임(200)은,
좌우 대칭인 수직으로 설치되는 2개의 수직대(210);
상기 수직대(210) 상단과 하단에 양단이 수평으로 강접합되는 상부수평대(230) 및 하부수평대(250);
를 포함하여 구성되어,
상기 2개의 수직대(210)와 상기 상부수평대(230) 그리고 상기 하부수평대(250)로 이루어지는 내부 공간은 창문을 포함한 창호로 이용되고,
지진으로 인한 진동에도 상기 강접합으로 인하여 상기 중간프레임(200)의 변형이 방지되는 것을 특징으로 한다.
도 5는 본 발명에서 힌지결합 부위에 사용되는 코일스프링의 사진이다.
도 1에서 하부브래킷(400)과 하부베이스프레임(100)의 힌지결합 부위(B)와 상부브래킷(500)과 상부베이스프레임(300)의 힌지결합 부위(C)를 제외한 모든 힌지결합 부위(A)에는,
도 5의 코일스프링이 설치되어 탄성력을 유발하여 지진하중에 대응하며 복원이 용이하도록 구성된다.
그리고 상기 힌지결합 부위(A, B, C)는 모두 볼트와 너트를 이용한 기계적 결합으로 구성하는 것이 바람직하며,
특히, 하부브래킷(400)과 하부베이스프레임(100)의 힌지결합 부위(B)는 하부브래킷(400)에 슬롯(L)을 형성하여 상부 부재의 설치를 용이하게 하면서 지진하중시 최소한의 유격을 확보하는 기능을 한다.
상기 슬릿판(S)은 철편 등으로 제작되어 통상적으로 사용되는 것으로 슬릿의 파괴로 인하여 지진하중을 흡수하는 기능을 한다.
그리고 상기 슬릿판(S)은 파괴되며 충격을 흡수하는 경량콘크리트 또는 섬유보강콘크리트 자재로 대체될 수 있으며, 경우에 따라 스프링 또는 고무패드 등과 같은 탄성체 외에 유압식 댐퍼 등으로도 대체될 수 있다.
도 6은 본 발명에서 지진에 의한 거동을 개념적으로 도시한 것이다.
상술한 상기 중간프레임(200)은 개구부 파괴에 인한 2차 사고 및 피난경로 확보 등을 위하여 창호의 파손을 방지해야 하므로 지진하중에도 변형이 일어나지 않아야 한다.
따라서 상기 수직대(210)와 상기 상부수평대(230) 그리고 상기 하부수평대(250)의 상호간의 강접합 결합부위는 별도의 보강플레이트(270)가 다수개 설치되어 강접합 거동을 강화하게 된다.
그리고 상기 하부베이스프레임(100) 구간과 상기 상부베이스프레임(300) 구간은 마감재로 마감되어 미관을 확보하게 된다.
도 7 및 8은 본 발명의 시험시공의 사진이다.
시험결과 본 발명은 지진하중 발생시 상기 하부베이스프레임(100)과 상기 상부베이스프레임(300)의 슬릿판(S)이 변형되며 1차적으로 에너지를 흡수하고, 상기 힌지결합 부위(A, B, C)의 코일스프링이 2차적으로 에너지를 흡수하면서 상기 중간프레임(200)의 독립적인 격리를 보장하게 된다.
도 9는 무보강일 경우와 본 발명의 내진보강을 적용한 경우의 하중과 변위관계를 비교한 그래프이고,
도 10은 본 발명의 내진보강을 적용한 경우와 본 발명에서 스프링힌지를 추가로 적용한 경우의 하중과 변위관계를 비교한 그래프이며,
도 11은 무보강일 경우와 본 발명의 내진보강을 적용한 경우 그리고 본 발명에서 스프링힌지를 추가로 적용한 경우의 포락선을 비교한 그래프이다.
도 9 내지 12에서 ‘댐퍼내진보강’은 ‘본 발명의 내진보강을 적용한 경우’를 의미하고, ‘댐퍼내진보강-스프링힌지’는 ‘본 발명에서 스프링힌지를 추가로 적용한 경우’를 의미한다.
도시된 바와 같이, 무보강 실험체의 경우 층간변위 2.5%(71.3mm)에서 최대하중 232.0kN, 층간변위 3.0%(86.6mm)시 급격한 하중 저하로 파괴되었다.
본 발명의 내진보강을 적용한 실험체의 경우 층간변위 2.5%에서 최대하중 286.9kN, 층간변위 3.5%(99.7mm)까지 안정적인 거동을 하였으며, 층간변위 4.0%(113.3 mm)에서 하중 저하가 현저히 발생하였다.
본 발명에서 스프링 힌지를 추가로 적용한 실험체의 경우 층간변위 2.5%에서 최대하중 286.0kN, 층간변위 3.5%(99.7mm)까지 안정적인 거동 등 본 발명의 내진보강을 적용한 실험체와 유사한 거동특성을 보였으나,
층간변위 4.0%(113.3mm)에서 스프링에 의한 복원 및 강성 재분배로 인해 안정적인 거동특성을 보이는 결과를 나타내었으며, 하중제하시 스프링에 의한 복원력으로 인해 핀칭현상이 완화되는 거동특성을 보였다.
도 12는 무보강일 경우와 본 발명의 내진보강을 적용한 경우 그리고 본 발명에서 스프링힌지를 추가로 적용한 경우의 누적에너지 소산능력을 비교한 그래프이다.
도시된 바와 같이, 누적에너지소산능력은 무보강 실험체는 144.95kN.m, 본 발명의 내진보강을 적용한 실험체는 310.33kN.m, 본 발명에서 스프링 힌지를 추가로 적용한 실험체는 320.41kN.m를 나타내었다.
본 발명은 상기에서 언급한 바와 같이 바람직한 실시예와 관련하여 설명되었으나, 본 발명의 요지를 벗어남이 없는 범위 내에서 다양한 수정 및 변형이 가능하며, 다양한 분야에서 사용 가능하다.
따라서 본 발명의 청구범위는 이건 발명의 진정한 범위 내에 속하는 수정 및 변형을 포함한다.
A, B, C: 힌지결합 부위
S: 슬릿판
L: 슬롯
100: 하부베이스프레임
110: 수직대
130: 상부수평대
150: 하부수평대
200: 중간프레임
210; 수직대
230: 상부수평대
250: 하부수평대
300: 상부베이스프레임
400: 하부브래킷
500: 상부브래킷

Claims (4)

  1. 삭제
  2. 삭제
  3. 구조물의 개구부에 설치되는 것으로,
    하부베이스프레임(100);
    상기 하부베이스프레임(100) 상부에 힌지결합되는 중간프레임(200);
    상기 중간프레임(200) 상부에 힌지결합되되 상기 하부베이스프레임(100)과 동일한 형상의 상부베이스프레임(300);
    하부가 하부슬래브에 앵커링되고 상부는 상기 하부베이스프레임(100) 하부에 힌지결합되는 하부브래킷(400);
    상부가 상부슬래브 또는 보에 앵커링되고 하부는 상기 상부베이스프레임(300) 상부에 힌지결합되는 상부브래킷(500);
    을 포함하여 구성되되,
    상기 힌지결합으로 인하여 지진에 의한 진동을 흡수하므로 상기 중간프레임(200)의 변형이 방지되는 것을 특징으로 하고,
    상기 상부베이스프레임(300)과 상기 하부베이스프레임(100) 중 어느 하나 이상에는 내부에 진동을 흡수하는 슬릿판(S)이 추가로 설치되는 것을 특징으로 하며,
    상기 하부베이스프레임(100)은,
    좌우 대칭인 수직으로 설치되는 2개의 수직대(110);
    상기 2개의 수직대(110) 상호간을 양단의 힌지결합으로 연결하는 상부수평대(130)와 하부수평대(150);
    상기 상부수평대(130)와 상기 하부수평대(150) 사이를 연결하며 설치되는 상기 슬릿판(S);
    을 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 창호부 격리형 내진 보강 장치.
  4. 제3항에서,
    상기 중간프레임(200)은,
    좌우 대칭인 수직으로 설치되는 2개의 수직대(210);
    상기 수직대(210) 상단과 하단에 양단이 수평으로 강접합되는 상부수평대(230) 및 하부수평대(250);
    를 포함하여 구성되어,
    상기 2개의 수직대(210)와 상기 상부수평대(230) 그리고 상기 하부수평대(250)로 이루어지는 내부 공간은 창문을 포함한 창호로 이용되고,
    지진으로 인한 진동에도 상기 강접합으로 인하여 상기 중간프레임(200)의 변형이 방지되는 것을 특징으로 하는 창호부 격리형 내진 보강 장치.





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