KR102069168B1 - 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체 - Google Patents

Abstract

고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체애 관한 것으로,
구조물에 상하방향으로 이격 설치되는 한 쌍의 고정플레이트; 한 쌍의 고정플레이트의 사이에 수직방향으로 설치되고, 외부 충격에 대하여 소성변형을 일으키는 강재 이력댐퍼; 한 쌍의 고정플레이트의 사이의 강재 이력댐퍼의 반대쪽에 설치되고, 외부 충격을 흡수 소멸하는 고감쇠 고무댐퍼;를 포함하는 기술 구성을 통하여
지진발생시에 구조물에 가해는 충격에너지를 효과적으로 소산하여 구조물의 붕괴나 그밖의 치명적인 파손을 방지할 수 있게 되는 것이다.

Description

고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체 {DUAL DAMPING EARTHQUAKE-PROOF STRUCTURE USING HIGH DAMPING RUBBER AND STEEL}

본 발명은 내진구조체에 관한 것으로, 더 자세하게는 한 쌍의 고정플레이트의 사이에 설치되는 강재 이력댐퍼와 고감쇠 고무댐퍼의 이중감쇠수단을 통해 지진발생시에 구조물에 가해지는 충격을 흡수, 소멸시키는 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체에 관한 것이다.

최근 세계적으로 지진의 발생빈도와 규모가 증가하고 있으며, 국내에서는 2016년 경주지진(규모 5.8)과 2017년 포항지진(규모 5.4)이 발생하였다. 최근 포항에서 발생한 지진으로 인한 여진의 횟수가 100회 이상이고,, 이로서 우리나라도 더 이상 지진의 안전지대가 아님을 확인할 수 있다.

우리나라의 내진설계기준은 1988년 6층 이상 또는 연면적 100,000

이상의 건축물을 대상으로 제정되었다. 2005년에는 3층 이상의 건축물을 대상으로 개정되었으며, 현재는 2층 이상 또는 연면적 200

이상의 건축물을 대상으로 내진설계를 수행하고 있다. 이러한 이유로 2005년 이전에 지어진 5층 규모의 건축물은 내진설계가 되어있지 않은 실정이며, 국내에 대규모지진이 발생할 경우 큰 피해가 발생할 것으로 판단된다. 따라서 이를 방지하기 위해서는 건축물의 내진보강이 필수적이다. 하지만 강성과 강도를 확보하는 방식의 내진보강은 수평하중 작용 시 건축물의 응답 변위는 감소시킬 수 있지만 밑면전단력이 증가함으로써 기초에 부담을 주게 된다. 그러므로 기초의 내력이 부족한 노후화된 건축물에는 적용이 힘들다는 단점이 있다.

일반적으로 주거 및 생활공간으로 사용되는 건축물은 지하에서 지상으로 세워져 건축물 자체의 수직하중을 견딜 수 있도록 설계되어 시공되며, 강풍이나 약한 미진(微震)이 건축물에 전달되어도 붕괴되지 않도록 설계 및 시공되게 된다.

그러나, 공공건물 또는 학교와 같은 종래의 20년 이상 전에 건축된 건물은 수직하중에 대한 설계 및 시공이 되어 있어 설계시 설정된 내진 정도보다 강한 지진이 발생하더라도 건물 외벽인 내력벽과 건물 기둥 등에 의해 건축물에 전달되는 수직하중에 대한 건축물의 대비는 어느 정도 갖추어져 있으나, 이에 비해 건축물에 전달되어 가해지는 수평하중에 대한 대비 설계 및 시공은 거의 전무하여 건축물은 외벽 및 기둥 사이에 설치되는 창호 부분에서 지진에 따른 동적수평하중에 의하여 건축물에 과다변형응답을 발생시키는 운동에너지를 빠르게 흡수하거나 소멸할 수 없어, 건축물의 창호 부분에서 횡적으로 건축물 붕괴가 이루어지면서 이에 따른 종적인 건축물 붕괴가 수반될 수밖에 없는 치명적인 문제점이 발생하게 된다.

최근에 시공되는 건축물은 더욱 빈번하게 발생하는 지진에 대한 내진기능을 갖춘 내진구조체가 건축물 설계부터 적용되어 지진규모 6.0 내지 7.0 의 지진에 견딜 수 있는 건축물의 설계 및 시공이 이루어지고 있으나, 내진에 대한 강제규정이 미흡하였던 20여년 전에 건축된 공공시설 및 학교건물에는 내진시설이 거의 갖추어지지 못한 것 역시 현실이다.

한편, 내진기능을 갖는 댐퍼에는 마찰에 의한 에너지를 흡수하는 마찰댐퍼와, 오일의 점성을 이용하여 왕복운동의 속도저항으로 신축하며 에너지를 흡수하는 오일댐퍼와, 액체에 의해 에너지를 흡수하는 액체댐퍼와, 강재의 신축력에 따른 소성변형으로 에너지를 흡수하는 강재댐퍼와, 강재에 댐퍼공 및 소성변형을 통해 에너지를 흡수하는 판상이력댐퍼 등 여러 종류의 댐퍼가 내진용 댐퍼로 적용된다.

따라서, 오래된 공공시설 및 학교건물 등에는 기존 건물을 활용하여 내진기능을 갖춘 상기의 여러 내진용 댐퍼를 기존 건물에 부가하는 내진구조체 공사를 하여 지진 발생을 대비하게 된다.

하기의 특허문헌 1에는 내진성능을 갖는 창호시스템이 개시되어 있다.

특허문헌 1의 내진성능을 갖는 창호시스템은 창호시스템의 상부에 판상이력댐퍼를 설치하여 판상이력댐퍼의 소성변형에 의해 동적수평하중으로 건물에 전달되어 가해지는 지진에너지를 흡수 및 소멸하여 지진에 의해 발생할 수 있는 건물의 붕괴 등을 예방할 수 있어 종래의 구조에 비하여 효과적으로 수평방향의 내진기능이 향상된 내진구조체를 제안한다.

그러나 상기 판상이력댐퍼는 전단면이 항복(소성)이 아닌 변형을 할 경우에는 그 변형 중 원래의 위치로 되돌아가지 않고 영구변형으로 남아 있는 비탄성(소성) 변형부분에 의해서 구조물의 운동에너지를 흡수 및 소멸하며, 그 변형 중 원래의 위치로 되돌아가려는 성질을 가진 탄성변형부분은 에너지를 흡수할 수 있는 능력이 없을 뿐만 아니라 변형이 원위치로 되돌아가는 과정에서 구조물에 운동에너지가 더해지게 되어 오히려 구조물의 변형을 증가시키는 불리한 경우가 발생하게 되며, 판상이력댐퍼의 전 단면이 항복(소성)변형된 상태에서는 구조물의 변형이 최대가 될 때 동시에 판상이력댐퍼도 최대 변형이 발생하여 판상이력댐퍼의 비탄성변형에 의하여 운동에너지를 흡수, 소멸하나 이때는 구조물과 판상이력댐퍼 모두 많은 변형이 발생한 때이므로 구조물에도 손상이 많이 가며, 전단면 항복상태에서의 반복하중에 의해 쉽게 파단(끊어짐)되는 경우가 많이 발생하고 이때 판상이력댐퍼는 더 이상의 댐퍼기능을 발휘할 수 없게 되어 즉시 판상이력댐퍼를 새로운 것으로 신속하게 교체하여야 하였다.

이러한 판상이력댐퍼 자체의 한계점을 해결하기 위한 방안으로서, 대한민국 특허 제10-1114908호, 명칭으로 '스마트프레임을 이용한 건축물 내진보강 공법'이 제안되었는 바, 상기 제안에 따르면 오일댐퍼를 창호 시스템에 적용하여 건축물 외벽면 중 내진보강 구조물인 스마트프레임이 설치된 부위의 조적벽을 제거하고, 조적벽이 제거된 건축물 외벽의 기둥과 보에 드릴을 이용하여 홀을 천공하고, 천공된 홀에 그라우팅액을 주입하고, 그라우팅액이 주입된 천공 홀에 앵커철근을 삽입 설치하고, 철근이 거치되도록 4각 형태의 프레임틀과 프레임틀 내부에 지지로드 및 오일댐퍼가 구성된 스마트프레임을 장착하고, 프레임틀 내부에 콘크리트 몰탈을 주입하는 단계로 이루어지는 건축물 내진시설을 제안하였다.

그러나 상기 방안은 프레임틀 내부는 콘크리트 몰탈로 주입되어 외벽의 조적벽이 마감되지만 오일댐퍼 및 지지로드가 설치되는 창호 시스템 부분에서는 오일댐퍼 및 지지로드가 창호 시스템을 가리면서 외부로 노출되게 되어, 건축물의 조망 및 채광에 방해가 될 수 있으며 또한 학교건물과 같이 어린 학생들은 외부로 노출된 지지로드 및 오일댐퍼에 올라가거나 미끄러지며 내려오게 되어 학생들의 안전사고가 발생하여 안전한 학교 생활환경을 저해하는 커다란 장애시설이 되는 것 또한 현실이어서, 외부로 노출되면서 창호 시스템을 방해하고 안전한 학교 생활환경을 저해하는 상기 제안은 예상치 못한 문제점을 가진 제안이었다.

대한민국 등록특허공보 제10-1000206호 (2010년 12월 03일 등록) 대한민국 등록특허공보 제10-1661079호 (2016년 09월 22일 등록)

본 발명은 종래 기술에 따른 내진구조체의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 그 목적이 강재 이력댐퍼와 고감쇠 고무댐퍼를 통해 이중감쇠방식으로 지진발생시에 구조물에 가해지는 충격에너지를 효과적으로 소산시킬 수 있도록 하는 것에 의해 구조물의 붕괴나 치명적인 파손을 방지할 수 있도록 하는 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체를 제공하는 데에 있는 것이다.

상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체는 구조물에 상하방향으로 이격 설치되는 한 쌍의 고정플레이트; 한 쌍의 고정플레이트의 사이에 수직방향으로 설치되고, 외부 충격에 대하여 소성변형을 일으키는 강재 이력댐퍼; 한 쌍의 고정플레이트의 사이의 강재 이력댐퍼의 반대쪽에 설치되고, 외부 충격을 흡수 소멸하는 고감쇠 고무댐퍼;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체의 고정플레이트는 수평고정부의 상단 또는 하단에 수직지지부가 마련된 형태이고, 강재 이력댐퍼의 상단부와 하단부가 체결볼트를 통해 각각 고정플레이트의 수직지지부에 고정 설치되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체는 강재 이력댐퍼의 중앙부에 다수의 변형구멍이 좌우방향으로 배열 형성된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체의 고감쇠 고무댐퍼는 각 고정플레이트에 접속되는 접속판; 일 접속판의 전면과 후면에 접착 설치되는 고감쇠 고무판; 다른 접속판에 설치되어 고감쇠 고무판을 지지하는 지지판;을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체는 고감쇠 고무판이 일 접속판의 전면 하부 및 후면 하부에 설치되고, 지지판이 체결볼트를 통해 다른 접속판에 고정 설치되고, 지지판과 다른 접속판의 사이에 제2간격판이 설치된 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체는 한 쌍의 고정플레이트 및 그들 사이의 마련되는 강재 이력댐퍼와 고감쇠 고무댐퍼가 건물 창호시스템의 골조의 내부에 시공되거나 건물의 벽체에 시공되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체에 의하면, 한 쌍의 고정플레이트의 사이에 마련된 강재 이력댐퍼와 고감쇠 고무댐퍼를 통하여 지진발생시에 구조물에 가해는 충격에너지를 효과적으로 소산하여 구조물의 붕괴나 그밖의 치명적인 파손을 방지할 수 있게 된다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체의 사시도,
도 2는 동 바람직한 실시 예에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체의 강재 이력댐퍼의 분해 사시도,
도 3은 동 바람직한 실시 예에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체의 고감쇠 고무댐퍼의 분해 사시도,
도 4는 동 바람직한 실시 예에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체의 우측면도,
도 5a 내지 도 5d는 동 바람직한 실시 예에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체의 시공예시도,
도 6은 켈빈 솔리드 모델 이력거동 상태도,
도 7은 강재 이력댐퍼의 응력-변형 곡선,
도 8은 고감쇠 고무 동적실험 상태도,
도 9는 R05A050 실험체의 이력곡선,
도 10은 0.5Hz의 변형속도로 가력한 실험체의 하중-변위 곡선,
도 11은 변형진폭 5mm로 가력한 실험체의 하중-변위 곡선,
도 12는 고감쇠 고무댐퍼의 유사정적 실험의 부하 결과 그래
도 13은 고감쇠 고무댐퍼의 유사정적 실험상태도,
도 14는 고감쇠 고무 제진장치의 실험체 규성도,
도 15는 이중감쇠 제진시스템의 구성도,
도 16은 강재 이력댐퍼의 구성도,
도 17은 고감쇠 고무 힌지시스템의 구성도,
도 18은 고감쇠 고무 제진장치와 이중감쇠 제진시스템의 하중변위선도,
도 19는 고감쇠 고무 제진장치와 고감쇠 고무 힌지시스템의 하중변위선도,
도 20은 비보강 구조물 해석 모델,
도 21은 프레임 보강 구조물 해석 모델,
도 22는 강재 이력댐퍼 보강 구조물 해석 모델,
도 23은 이중감쇠 제진시스템 보강 구조물 해석 모델,
도 24는 각 모델의 최상위 변위 그래프,
도 25는 각 모델의 보강 기둥 밑면전단력 그래프,
도 26은 각 모델의 비보강 기둥 밑면전단력 그래프,
도 27은 각 모델의 에너지 소산량 그래프,
도 28a 내지 도 28d는 본 발명에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체의 보강 시공예시도.

이하 본 발명에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체를 첨부된 도면에 의거하여 상세하게 설명하면 다음과 같다. 참고로, 본 발명을 설명하는데 참조하는 도면에 도시된 구성요소의 크기, 선의 두께 등은 이해의 편의상 다소 과장되게 표현되어 있을 수 있다.

또, 본 발명의 설명에 사용되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의한 것이므로 사용자, 운용자 의도, 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 따라서, 이 용어에 대한 정의는 본 명세서의 전반에 걸친 내용을 토대로 내리는 것이 마땅하다.

그리고 본 출원에서, '포함하다', '가지다' 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특정의 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지칭하는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

또한, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

그러므로, 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는바, 구현 예(態樣, aspect)(또는 실시 예)들을 명세서에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 기술적 사상에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 하고, 본 명세서에서 사용한 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.

다만, 본 발명을 설명함에 있어서, 주지 또는 공지된 기능 혹은 구성에 대한 구체적인 설명은 본 발명의 요지를 명료하게 하기 위하여 생략하기로 한다.

이하에서, "상방", "하방", "전방" 및 "후방" 및 그 외 다른 방향성 용어들은 도면에 도시된 상태를 기준으로 정의한다.

도 1은 본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체의 사시도이고, 도 2는 동 바람직한 실시 예에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체의 강재 이력댐퍼의 분해 사시도이고, 도 3은 동 바람직한 실시 예에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체의 고감쇠 고무댐퍼의 분해 사시도이고, 도 4는 동 바람직한 실시 예에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체의 우측면도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체(100)는 한 쌍의 고정플레이트(110), 강재 이력댐퍼(120), 고감쇠 고무댐퍼(130)를 포함한다.

한 쌍의 고정플레이트(110)는 강재 이력댐퍼(120)와 고감쇠 고무댐퍼(130)를 지지하는 부분으로, 벽체나 창호의 프레임에 고정 설치된다.

고정플레이트(110)는 수평고정부(111)의 상단 또는 하단에 수직지지부(112)가 마련된 형태이다.

한 쌍의 고정플레이트(110)는 상하방향으로 이격 설치되고, 상부 고정플레이트(110)는 수평고정부(111)의 하단에 수직지지부(112)가 마련되고, 하부 고정플레이트(110)는 수평고정부(111)의 상단에 수직지지부(112)가 마련된다.

강재 이력댐퍼(120)는 지진발생시에 외부 충격에 대하여 소성변형을 일으키는 부분으로, 한 쌍의 고정플레이트(110)의 사이에 수직방향으로 설치된다.

강재 이력댐퍼(120)는 장방형의 형태로, 상단부와 하단부가 체결볼트를 통해 각각 고정플레이트(110)의 수직지지부(112)에 고정 설치되고, 이때 각 고정플레이트(110)의 수직지지부(112)와 강재 이력댐퍼(120)의 사이에 제1간격판(141)이 설치된다.

강재 이력댐퍼(120)의 중앙부에는 다수의 변형구멍(121)이 좌우방향으로 배열 형성된다.

상기 강재 이력댐퍼(120)의 변형구멍(121)은 상하길이가 긴 장공 형태로, 강재 이력댐퍼(120)의 소성 변형성을 향상시킨다. 즉 고정플레이트(110)를 통해 강재 이력댐퍼(120)의 상단부 또는 하단부에 수직하중 또는 수평하중이 가해져 강재 이력댐퍼(120)에 전단력이 미칠 때, 강재 이력댐퍼(120)가 전단력에 의해 소성변형되도록 하여 변형구멍(121)의 상하부가 연속적으로 소성변형 되면서 수직하중 또는 수평하중에 의해 구조체에 입력되는 에너지를 강재 이력댐퍼(120)가 운동에너지로 변환되지 않는 비탄성변형에너지를 흡수 및 소산하게 되는 것이다.

만약 강재 이력댐퍼(120)에 변형구멍(121)이 없다면 강재 이력댐퍼(120)가 소성변형되지 않고, 예컨대 강재 이력댐퍼(120)의 상, 하단부의 고정플레이트(110) 접속부위가 파열될 것이다. 이와 같이 강재 이력댐퍼(120)를 설치하되 강재 이력댐퍼(120)가 수직하중 또는 수평하중에 의해 소성변형되도록 변형구멍(121)을 형성시킴으로써, 이를테면 지진이 발생하더라도 지진의 에너지가 강재 이력댐퍼(120)의 변형구멍(121)의 소성변형에 의해 흡수될 수 있게 된다.

고감쇠 고무댐퍼(130)는 지진발생시에 벽체나 창호에 가해지는 외부 충격을 흡수 소멸하는 부분으로, 한 쌍의 고정플레이트(110)의 사이의 강재 이력댐퍼(120)의 반대쪽에 수직방향으로 설치된다.

고감쇠 고무댐퍼(130)는 각 고정플레이트(110)에 접속되는 접속판(131); 일 접속판(131)의 전면과 후면에 접착 설치되는 고감쇠 고무판(132); 다른 접속판(131)에 설치되어 고감쇠 고무판(132)을 지지하는 지지판(133)을 포함한다.

고감쇠 고무댐퍼(130)의 접속판(131)은 체결볼트를 통해 각 고정플레이트(110)의 수직지지부(112)에 고정 설치되고, 이때 고정플레이트(110)의 수직지지부(112)와 고감쇠 고무댐퍼(130)의 접속판(131)의 사이에 제1간격판(141)이 설치된다.

고감쇠 고무판(132)은 일 접속판(131)의 전면 하부 및 후면 하부에 설치되고, 지지판(133)은 체결볼트를 통해 다른 접속판(131)에 고정 설치되고, 이때 지지판(133)과 다른 접속판(131)의 사이에 제2간격판(142)이 설치된다.

고감쇠 고무댐퍼(130)는 접속판(131)의 전면과 후면에 설치된 고감쇠 고무판(132)을 통해 외부 충격을 흡수, 소멸한다. 고감쇠 고무댐퍼(130)에 수직하중 또는 수평하중이 가해지게 되면, 하중방향에 따라 고감쇠 고무판(132)이 변형을 일으키면서 가해진 동적수평하중으로 구조물에 다양한 형태로 입력되는 에너지로 인하여 구조물에 과다응답을 발생시키는 에너지를 빠르게 흡수하여 소멸시키고, 외부 충격이 사라지게 되면 원위치로 탄성 복귀한다.

도 5a 내지 도 5d는 동 바람직한 실시 예에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체의 시공예시도이다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 바람직한 실시 예에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체(100)는 도 5a와 같이 건물의 창호시스템의 골조의 내부에 시공될 수 있고, 도 5b와 같이 건물의 벽체에 시공될 수 있는데, 건물의 벽체에 시공되는 경우에는 도 5c와 같이 벽체의 바깥쪽에 시공되거나 도 5d와 같이 벽체의 안쪽에 시공될 수 있다.

본 발명의 바람직한 실시 예에 바람직한 실시 예에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체(100)는 한 쌍의 고정플레이트(110)의 사이에 설치되는 강재 이력댐퍼(120)와 고감쇠 고무댐퍼(130)의 이중감쇠수단을 통해 지진발생시에 구조물에 가해지는 충격에너지를 흡수, 소멸시킴으로써 구조물의 붕괴나 파손을 방지하게 된다.

본 발명은 하기의 고감쇠 고무와 강재를 사용한 이중감쇠 제진시스템의 내진성능(Seismic Performance of Dual Damper System Using High Damping Rubber and Steel)에 관련한 연구를 기반으로 한다.

점탄성재료인 고감쇠 고무의 이력거동에는 변형속도, 변형진폭에 대한 의존성, 뮬린스효과와 같은 다양한 요소의 영향을 받기 때문에 명확한 모델의 표현이 힘들다. 따라서 일반적으로 켈빈 솔리드 모델(Kelvin Solid Model)을 사용하여 고감쇠 고무의 이력거동을 표현한다. Kelvin Solid Model은 도 6과 같이 탄성의 성질을 가지는 스프링요소와 점성의 성질을 가지는 데시팟(Dash-Pot)을 병렬로 배치한 형태이다.

단위높이와 단위면적을 가진 점탄성 제진장치의 이력은 응력, 변형률 관계를 이용하여 표현이 가능하며, 응력 평형방정식과 변형 및 속도의 관계를 이용하여 다음과 같이 정의할 수 있다.

(1)

(2)

(3)

여기서,

: 스프링, 데시팟, 제진장치의 응력

: 스프링, 데시팟, 제진장치의 변형

: 스프링, 데시팟, 제진장치의 속도

훅(Hook)의 법칙과 전단탄성계수, 전단손실계수를 이용하면 다음과 같은 식으로 나타낼 수 있다.

(4)

Eq.(4)를 높이

, 전단 면적이

인 점탄성 제진장치에 적용하면 Eq(5)와 같은 하중-변위 관계식을 구할 수 있다.

(5)

여기서,

: 스프링 요소의 강성,

: 점성재(데시팟)의 감쇠 상수

제진장치에 진폭

와 회전 진동수

를 가진 sine함수 형태

를 가하게 되면 시간

에서 제진장치에 작용하는 힘

는 Eq(6)과 같이 구할 수 있다.

(6)

여기서 스프링의 강성

와 점성재의 감쇠 상수

는 Eq(7)로 나타낼 수 있다.

(7)

여기서,

: 고감쇠 고무의 레이어 수

: 전단탄성계수,

: 전단손실계수

한편, 강재 이력댐퍼는 항복응력보다 큰 하중을 받을 경우 도 7과 같이 항복하고 소성변형이 발생한다. 항복이후 소성변형이 발생함으로써 에너지가 소산된다. 강재의 단위 체적당 에너지 소산량은 도 7에서 응력-변형도 곡선에서 둘러싸인 면적으로 정의할 수 있으며, 소산되는 에너지량은 변형경화 후 더욱 증가되는 것을 확인할 수 있다.

강재 이력댐퍼는 항복응력보다 큰 하중을 받음으로써 에너지를 소산시키기 때문에 강재 이력댐퍼의 내력은 항복하중을 통해 설정한다. 본 연구에서 사용한 슬릿 플레이트 댐퍼의 항복내력은 제진구조설계지침에서 제시하는 설계 식을 사용하여 산정하였다. 강재 이력댐퍼의 항복내력은 Eq(8)과 같이 휨(

)과 전단(

)에 의한 항복내력 중에서 작은 값을 사용하며, 이는 Eq(9), Eq(10)에 나타내었다.

(8)

(9)

(10)

여기서,

: 댐퍼의 두께,

: 스트럿의 폭

: 스트럿 직선부의 높이,

본 연구에서는 새로운 제진시스템을 제안하고, 실험을 통해 이력특성 및 내진성능을 확인하고자 한다. 우선 이중감쇠 제진시스템에 사용되는 고감쇠 고무와 강재의 재료 성능실험을 수행하였다. 그리고 재료 성능실험의 결과를 바탕으로 제진시스템을 설계 및 제작하였으며 유사정적 실험을 통해 제진시스템의 내진성능을 검증하였다.

고감쇠 고무의 동적실험은 KS M ISO 22762-1을 참고하였으며, 실험체는 도 8과 같이 100mm× 100mm ×10mm 크기의 고감쇠 고무를 2장씩 사용하여 제작되었다.

고감쇠 고무 동적실험은 변형진폭과 변형속도를 주요 변수로 설정하여 표 1과 같이 총 11번의 실험을 진행하였다.

Specimens	Rate(Hz)	Amplitude(mm)
R01A025	0.1	2.5
R01A050	0.1	5.0
R01A100	0.1	10.0
R05A025	0.5	2.5
R05A050	0.5	5.0
R05A100	0.5	10.0
R10A025	1.0	2.5
R10A050	1.0	5.0
R10A100	1.0	10.0
R20A025	2.0	2.5
R20A050	2.0	5.0

고감쇠 고무 동적실험의 결과를 통해 뮬린스 효과의 영향, 변형진폭 의존성, 변형속도 의존성을 확인하였다. 실험결과는 유효강성과 등가감쇠비를 사용하여 나타내었으며, Eq(11)과 Eq(12)에 이를 나타내었다.

(11)

(12)

여기서,

: 이력곡선상의 최대, 최소 하중,

: 이력곡선상의 최대, 최소 변형,

: 각 사이클에서의 에너지 소산량,

: 각 사이클에서의 변형에너지,

뮬린스 효과란 초기 하중 가력단계에서 강성이 급격하게 저하되는 현상으로 고감쇠 고무의 특유성질을 의미한다.

이를 확인하기 위해 R05A050실험체의 이력곡선을 도 9에 나타내었다. 도 9에도 나타나듯 초기 사이클에서 강성의 저하가 크게 발생하였으며, 이후 점차 강성의 저하가 감소하고 이력곡선이 안정화되었다. 뮬린스 효과를 정확한 수치로 비교하기 위해 R05A050실험체의 실험결과를 유효강성과 등가감쇠비로 표 2에 나타내었다.

Number of Cycles	(kN/mm)	(%)
1	2.81	36.5
2	2.35	27.2
3	2.23	24.9
4	2.18	24.3
5	2.15	22.6

이러한 뮬린스 효과는 본 연구에서 실험한 모든 실험체에서 발생하였다. 따라서 고감쇠 고무를 적용한 제진시스템의 설계 시 뮬린스 효과를 고려하지 않기 위해 안정화된 이력곡선을 사용하여야 한다.

변형진폭 의존성을 확인하기 위해 0.5Hz의 변형속도로 가력한 실험체들의 실험결과를 도 10과 같이 하중-변위곡선으로 나타내었다. 도 10의 하중-변위곡선을 통해 변형진폭이 커질수록 에너지 소산능력이 증가하고, 유효강성은 감소하는 전형적인 고감쇠 고무의 이력거동 특성을 확인할 수 있다.

Amplitude (mm)	(kN/mm)	(%)
2.5	4.04	24.10
5	2.23	24.90
10	1.45	25.57

성능지표를 통해 변형진폭 의존성을 확인하기 위해 표 3에 실험결과를 정리하였다. 유효강성은 전체적으로 64% 감소함으로써 변화폭이 컸지만, 등가감쇠비는 증가폭이 6%로 미세하였다. 따라서 고감쇠 고무의 유효강성은 변형진폭에 대한 의존성이 크지만, 등가감쇠비는 적다고 볼 수 있다.

마지막으로 변형속도 의존성은 변형진폭 5mm로 가력한 실험체들의 결과를 도 11과 같이 하중-변위곡선으로 비교함으로써 확인하였다.

Rate (Hz)	(kN/mm)	(%)
0.1	2.01	24.39
0.5	2.23	24.89
1	2.44	25.88
2	3.05	23.47

변형진폭 5mm 실험체들의 실험결과를 성능지표를 통해 표 4와 같이 나타내었다. 변형속도가 증가함에 따라 유효강성은 전체적으로 52% 증가하였지만, 등가감쇠비는 전체적인 증가 또는 감소의 경향을 보이지 않고 평균 23.47%를 유지하였다. 따라서 본 연구에서 사용한 고감쇠 고무의 유효강성은 변형속도에 대한 의존성이 크지만, 등가감소비는 의존성이 적은 것으로 판단된다.

제진시스템의 내진성능을 비교하기 위해 고감쇠 고무 제진장치의 유사정적 실험을 수행하였으며, 이후 이중감쇠 제진시스템과 고감쇠 고무 힌지시스템 총 3번의 유사정적 실험을 수행하였다. 실험에는 100ton 용량의 동적 피로 시험기를 사용하였으며, 가력방법은 AISC기준

을 참고하여 도 12와 같이 총 30사이클을 0.01Hz의 속도로 가력하였다. 그리고 실험체에 전단변형을 가하기 위해 도 13과 같이 가력 프레임을 설치하여 실험을 수행하였다.

고감쇠 고무 제진장치(HRD, High Damping Rubber Damper)는 도 14와 같이 248mm×135mm×10mm 크기의 고감쇠 고무를 2장 사용하였다.

이중감쇠 제진시스템(DDS, Dual Damper System)은 제진시스템의 내력과 에너지 소산능력을 증가시키기 위해 도 15와 같이 고감쇠 고무 제진장치와 강재 이력댐퍼를 병렬로 연결한 형태의 제진시스템이다. 강재 이력댐퍼는 도 16과 같이 제작되었다.

고감쇠 고무만을 사용한 제진장치는 외부하중에 의한 초기변형 발생과 대변형 발생 시 휨 또는 회전변형의 우려가 있다. 이러한 문제점들을 개선하기 위해 도 17과 같이 고감쇠 고무 제진장치에 강재 바를 힌지로 연결한 고감쇠 고무 힌지시스템(HRH, High Damping Rubber Hinge System)을 제안하고자 한다.

각 실험체의 이력특성을 확인하기 위해 유효강성과 등가감쇠비, 누적소성변형배율을 계산하여 나타내었으며, 누적소성변형배율은 Eq(13)과 같이 계산하였다.

(13)

여기서,

: 골격부, 바우싱거부의 에너지 소산량,

: 항복하중,

: 항복변위

실험결과 모든 실험체에서 변형진폭이 증가할수록 유효강성이 감소하는 경향을 보였다. 그리고 실험체들의 이력특성을 비교하기 위해 표 6에 변형진폭 2.25mm인 사이클에서의 유효강성과 등가 감쇠비의 평균값을 나타내었다.

Specimens	(kN/mm)	(%)
HRD	9.43	28.78
DDS	32.85	18.29
HRH	9.78	21.99

변형진폭 2.25mm에서 유효강성은 이중감쇠 제진시스템이 고감쇠 고무 제진장치보다 3.5배 크게 측정되었으나, 등가감쇠비는 반대로 고감쇠 고무 제진장치가 1.5배 크게 측정되었다. 이는 이중감쇠 제진시스템의 유효강성이 비교적 크게 측정됨에 따라 변형에너지(

)가 크게 계산되었기 때문이다.

Specimens		(kN)	(mm)	(kN*?*mm)	(kN*?*mm)
HRD	+	20.92	0.28	500.86	2048.84	512.13
	-	21.89	-1.33	581.04	1810.10
DDS	+	73.94	0.87	1810.61	5824.40	150.25
	-	104.32	-2.45	1769.95	6153.50
HRH	+	30.43	0.38	554.88	2358.30	273.25
	-	36.45	-2.71	616.53	1807.01

누적소성변형배율은 고감쇠 고무 제진장치가 이중감쇠 제진시스템보다 3.4배 크게 계산되었으나, 도 18에서도 나타나듯 에너지 소산량은 이중감쇠 제진시스템이 3배 더 크게 측정되었다. 이러한 결과는 누적소성변형배율 계산에 사용되는 항복점을 산정할 때 고감쇠 고무의 뮬린스 효과에 의해 고감쇠 고무 제진장치의 항복점이 비교적 원점에 가깝게 산정되었기 때문이다.

따라서 등가 감쇠비와 누적소성변형배율은 이중감쇠 제진시스템이 고감쇠 고무 제진장치보다 작게 측정되었지만 실제 에너지 소산능력은 훨씬 큰 것을 확인할 수 있으며, 유효강성 역시 큰 값을 가진다. 이로서 이중감쇠 제진시스템이 수평하중에 대한 효율적인 진동 제어가 가능할 것으로 판단된다.

고감쇠 고무 힌지시스템은 도 19와 같이 고감쇠 고무 제진장치와 전체적으로 비슷한 이력 형상을 보이지만 대변형에서의 초탄성현상이 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 따라서 고감쇠 고무 힌지 시스템은 이력모델 산정에 유리하며, 제진장치와 연결되는 구조부재의 필요내력을 감소시켜 부재 단면을 축소시킬 수 있을 것이다.

본 연구에서는 제진시스템을 적용한 구조물의 시간이력해석을 통해 제진시스템의 내진성능을 검증하고자 한다. 시간이력해석에는 구조해석 프로그램인 미다스 젠(MIDAS Gen)을 사용하였다.

제진시스템의 내진성능을 효과적으로 검증하기 위해 비보강 구조물과 프레임보강 구조물, 강재 이력댐퍼 보강 구조물 그리고 이중감쇠 제진시스템 보강 구조물 총 4개 모델의 해석을 수행하였다.

비보강 구조물은 도 20과 같이 X방향으로 1경간(2.7m), Y방향으로 3경간(8.1m)인 1층(1.5m) 규모의 구조물로 모델링하였으며, 비보강 구조물의 해석모델에 사용된 단면정보와 재료특성은 표 8에 정리하였다. 그리고 해석결과에 대한 변수를 최소화하고자 기둥과 보강부재를 제외한 다른 부재들은 강체(Rigid beam)로 모델링하였다.

Members	Section Information(mm)	Material Property
Column (1~4)	125x125x6.5x9	SS400
Girder	10x10	Rigid

Members	Section Information(mm)	Material Property
Retrofitted columns (1,4)	150x150x7x10	SS400
Nonseismically designed columns (2,3)	125x125x6.5x9	SS400
Retroffited beam at bottom	300x300x10x15	SS400
Girder	10x10	Rigid

프레임 보강 구조물은 도 21과 같이 1,4번 기둥의 단면적을 증가시키고, 하부 보강보를 설치함으로써 구조물 전체의 강성을 증가시켰다. 프레임 보강 구조물에 사용된 단면정보 및 재료특성은 표 9에 정리하였다.

강재 이력댐퍼 보강 구조물은 도 22와 같이 모델링하였으며, 강재 이력댐퍼의 내력은 El Centro 지진파에서 프레임 보강 구조물의 응답변위와 유사하게 측정되도록 설정하였다. 제진시스템의 프레임은 하중을 제진시스템에 효율적으로 전달시키기 위해 강체로 모델링하였다.

Members	Section Information(mm)	Material Property
Columns (1~4)	125x125x6.5x9	SS400
Steel Strut	15x25	SS400
Retroffited beam at bottom	300x300x10x15	SS400
Girder	10x10	Rigid

이중감쇠 제진시스템 보강 구조물은 도 23과 같이 강재 이력댐퍼 보강 구조물에 고감쇠 고무 제진장치를 추가한 형태이다. 고감쇠 고무 제진장치는 General Link에서 Seismic Control Devices로 표현하였다. General Link Properties에서 Effective Stiffness는 재료 성능실험체들의 유효강성 평균값인 2.67kN/mm를 사용하였으며, Viscoelastic Damper Properties에서 Shear Area와 Thickness는 고감쇠 고무 제진장치의 제원을 입력하여 해석을 수행하였다.

시간이력해석의 입력지진파는 El Centro, Taft, Hollywood, San Fernando, Northridge, Loma Prieta 총 6개의 관측지진파를 사용하였다.

각 모델의 최상층 변위 및 밑면전단력을 도 24 내지 도 27에 나타내었으며, 보강 여부에 따른 기둥의 밑면전단력을 확인하기 위해 보강 기둥(1,4변)과 비보강 기둥(2,3번)의 밑면전단력을 따로 나타내었다.

이중감쇠 제진시스템을 적용한 구조물의 최상층 변위가 가장 낮으며, 밑면전단력은 강재 이력댐퍼와 비슷한 수준을 보인다. 응답변위는 더 낮으면서 밑면전단력 역시 크게 증가하지 않는 것으로 보아 이중감쇠 제진시스템의 에너지 소산능력이 다른 보강 방법에 비해 뛰어나다고 할 수 있다.

제진시스템의 에너지 소산능력을 정확하게 파악하기 위해 각 모델의 에너지 소산량을 비교하였다. 여기서 구조물의 비탄성 거동 시 제진시스템의 에너지 소산능력을 확인하기 위해 규모가 가장 큰 Northridge 지진파의 해석결과를 사용하여 비교하였다.

이중감쇠 제진시스템 보강 구조물의 해석 결과 고감쇠 고무가 전체 소산에너지의 10.6%(다른 입력지진파에서는 9~ 23%를 소산시킴)를 소산시키는 것을 확인할 수 있었다. 또한 구조부재에서 발생하는 소성에너지가 강재 이력댐퍼 보강 구조물(5.1%)에 비해 이중감쇠 제진시스템 보강 구조물(0.8%)이 작게 측정됨에 따라 이중감쇠 제진시스템이 구조물의 소성변형을 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.

Types of seismic retrofit	Plastic energy			Kinetic energy (kNmm)	Elastic strain energy (kNmm)	Energy dissipation by damping (kNmm)	Energy dissipation by high damping rubber (kNmm)
	Retrofitted columns (kNmm)	Nonseismically designed columns (kNmm)	Steel damper (kNmm)
Nonseismically designed structures	201984	211717	-	583.8	2221	337558	-
	26.79%	28.08%	-	0.08%	0.29%	44.77%	-
retrofitted by frame	54399	13548	-	1150.5	1635	406325	-
	11.40%	2.84%	-	0.24%	0.34%	85.17%	-
retrofitted by steel damper	16111	9005	211445	211.4	1051	234083	-
	3.41%	1.91%	44.80%	0.04%	0.22%	49.60%	-
retrofitted by DDS	3497	0	182868	166	1024	189263	44893
	0.83%	0.00%	43.36%	0.04%	0.24%	44.88%	10.65%

본 연구에서는 고감쇠 고무와 강재를 사용한 제진시스템을 제안하고, 유사정적 실험과 시간이력해석을 통해 내진성능을 검증하였다. 선행된 재료 성능실험 결과를 바탕으로 제진시스템을 제작하여 유사정적 실험을 통해 내진성능을 확인하였다. 그리고 실험결과를 바탕으로 시간이력해석을 수행함으로써 제진시스템을 적용한 구조물의 내진성능을 검증하였다.

본 연구에서는 위와 같은 과정을 수행함으로써 다음과 같은 결론은 도출하였다.

1. 고감쇠 고무 실험체에 변형진폭과 변형속도를 달리하여 반복가력실험을 수행한 결과 고감쇠 고무의 유효강성은 변형진폭과 변형속도가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였다. 등가감쇠비의 경우에는 변형진폭 및 변형속도에 대한 의존성이 낮았으며, 평균 25.46%를 유지하였다.

2. 이중감쇠 제진시스템의 유사정적 실험을 수행한 결과 이중감쇠 제진시스템은 변위가 증가할수록 유효강성은 감소하고 에너지 소산능력이 증가하는 형상을 보이며, 이러한 이력특성은 풍하중과 지진하중에 대해 효율적인 진동제어가 가능할 것으로 판단된다.

3. 고감쇠 고무 힌지 시스템의 유사정적 실험 결과 고감쇠 고무 제진장치에 비해 초탄성현상이 줄어듦에 따라 이력모델 산정에 유리하고, 제진장치와 연결되는 구조부재의 필요내력이 감소하여 부재단면을 줄일 수 있을 것으로 판단된다.

4. 시간이력해석을 수행함으로써 이중감쇠 제진시스템을 적용한 구조물의 최상층 변위가 비보강 구조물에 비해 44%로 대폭 감소하였지만, 밑면전단력은 13%로 크게 증가하지 않는 것을 확인하였다.

5. 이중감쇠 제진시스템의 에너지 소산량 중 구조물의 소성에너지가 0.8%로 다른 보강 방법에 비해 가장 낮은 비율을 보였으며, 이것으로 이중감쇠 제진시스템을 적용한 구조물의 소성변형이 가장 적게 발생할 것으로 예측할 수 있다.

이상의 고감쇠 고무와 강재를 사용한 이중감쇠 제진시스템의 내진성능에 관한 연구를 기반으로 하는 본 발명에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체(100)는 한 쌍의 고정플레이트(110)의 사이에 마련된 강재 이력댐퍼(120)와 고감쇠 고무댐퍼(130)를 통하여 지진발생시에 구조물에 가해는 충격에너지를 효과적으로 소산하여 흡수, 소멸함으로써 구조물의 붕괴나 그밖의 치명적인 파손을 방지할 수 있다.

도 28a 내지 도 28d는 본 발명에 따른 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체의 보강 시공예시도이다.

도 28a 내지 도 28c와 같이 프레임에 고정 설치되는 고정플레이트(110)를 좌우방향으로 연장하고, 고정플레이트(110)의 좌측부위와 우측부위에 강재 이력댐퍼(120)를 설치하거나 도 28d와 같이 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체의 양측에 별도로 강재 이력댐퍼(120)를 설치하게 되면, 진동 흡수 영역을 확장할 수 있게 되어 보다 안정적인 내진설계를 할 수 있게 된다.

이상 본 발명자에 의해서 이루어진 발명을 상기 실시 예에 따라 구체적으로 설명하였지만, 본 발명은 상기 실시 예에 한정되는 것은 아니고 그 요지를 이탈하지 않는 범위에서 여러 가지로 변경 가능한 것은 물론이다.

100 : 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체
110 : 고정플레이트
120 : 강재 이력댐퍼
130 : 고감쇠 고무댐퍼

Claims (6)

1. 구조물에 상하방향으로 이격 설치되는 한 쌍의 고정플레이트(110);
   한 쌍의 고정플레이트(110)의 사이에 수직방향으로 설치되고, 외부 충격에 대하여 소성변형을 일으키는 강재 이력댐퍼(120);
   한 쌍의 고정플레이트(110)의 사이의 강재 이력댐퍼(120)의 반대쪽에 설치되고, 외부 충격을 흡수 소멸하는 고감쇠 고무댐퍼(130)를 포함하되;
   고정플레이트(110)는 수평고정부(111)의 상단 또는 하단에 수직지지부(112)가 마련된 형태이고,
   강재 이력댐퍼(120)의 상단부와 하단부가 체결볼트를 통해 각각 고정플레이트(110)의 수직지지부(112)에 고정 설치되며,
   강재 이력댐퍼(120)의 중앙부에 다수의 변형구멍(121)이 좌우방향으로 배열 형성되고,
   고감쇠 고무댐퍼(130)는 각 고정플레이트(110)에 접속되는 접속판(131); 일 접속판(131)의 전면과 후면에 접착 설치되는 고감쇠 고무판(132); 다른 접속판(131)에 설치되어 고감쇠 고무판(132)을 지지하는 지지판(133);을 포함하며,
   고감쇠 고무판(132)은 일 접속판(131)의 전면 하부 및 후면 하부에 설치되고, 지지판(133)은 체결볼트를 통해 다른 접속판(131)에 고정 설치되고, 지지판(133)과 다른 접속판(131)의 사이에 제2간격판(142)이 설치되며,
   한 쌍의 고정플레이트(110) 및 그들 사이의 마련되는 강재 이력댐퍼(120)와 고감쇠 고무댐퍼(130)는 건물 창호시스템의 골조의 내부에 시공되거나 건물의 벽체에 시공되되;
   고정플레이트(110)의 수직지지부(112)와 강재 이력댐퍼(120)의 사이에 제1간격판(141)이 설치된 것을 특징으로 하는 고감쇠 고무와 강재를 이용한 이중감쇠 내진구조체.
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