KR102085254B1 - 에너지 소산용 강재 댐퍼의 연결 장치 - Google Patents

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이형동
문종기
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    • F16F2238/04—Damper

Abstract

본 발명은 건축물에 설치된 에너지 소산용 강재 댐퍼의 철골 기둥에 연결되어 철골 기둥의 상하 유동을 허용함으로써 지진 발생시 강재 댐퍼에 인가되는 횡 하중이 철골 기둥이 아니라 스트립 어레이에 집중되도록 한 에너지 소산용 강재 댐퍼의 연결 장치에 관한 것이다.
본 발명의 에너지 소산용 강재 댐퍼의 연결 장치는 건축물의 내부 또는 외벽에 설치되는 한 쌍의 철골 기둥; 복수의 스트립을 포함하여 이루어져서 상기 철골 기둥 사이에 설치되는 복수의 단위 스트립 어레이 및 각각의 상기 단위 스트립 어레이를 상기 철골 기둥에 볼트-너트 결합에 의해 연결하는 이음 부재를 포함하여 이루어진 에너지 소산용 강재 댐퍼를 연결하되, 지진동에 의해 상기 철골 기둥이 상하로 유동될 수 있도록 상하 장방향으로 형성? 슬릿 홀을 구비하고, 상기 슬릿 홀에 의해 상기 철골 기둥과 볼트-너트 결합된다.

Description

에너지 소산용 강재 댐퍼의 연결 장치{steel damper coupling device for energy dissipation}
본 발명은 에너지 소산용 강재 댐퍼의 연결 장치에 관한 것으로, 특히 건축물에 설치된 에너지 소산용 강재 댐퍼의 철골 기둥에 연결되어 철골 기둥의 상하 유동을 허용함으로써 지진 발생시 강재 댐퍼에 인가되는 횡 하중이 철골 기둥이 아니라 스트립 어레이에 집중되도록 한 에너지 소산용 강재 댐퍼의 연결 장치에 관한 것이다.
지진이 인구 밀집 지역을 강타할 경우에 많은 인명 피해와 더불어 막대한 재산 손실을 가져오기 때문에 내진 보강율이 상당히 낮은 기존 건축물에 대해 내진 성능을 향상시키기 위한 기술들이 개발되고 있다.
우리나라도 2016년 경주 지진과 2017년 포항 지진으로 인해 많은 인명 및 물적 피해를 입었으며, 그 후로도 수백여건의 여진이 발생되어 우리나라가 더 이상 지진 안전 지대가 아님이 확인되고 있다. 이에 정부는 국가 관리 시설의 내진 관리 체계를 구축하여 2020년까지 공공 시설물의 내진율을 현행 40.9%에서 54%까지 높이는 대책을 마련하였으며, 민간 소유의 건축물에 대해서도 내진 보강 및 내진 설계 적용시 지방세를 감면하는 등의 인센티브를 제공하고 있다.
한편, 내진 성능을 확보하지 못한 기존 건축물의 내진 성능을 향상시키는 방법은 (1) 강도를 증진시키는 방법, (2) 연성을 증진시키는 방법, (3) 지진 에너지를 소산하는 방법의 총 3가지로 구분되는데, 그 특성을 그래프로 표현하면 도 1과 같다. 이 중에서 강도 증진 방법(예: 내진벽 보강이나 브레이스 보강 등)은 건축물의 성능을 향상시킬 수 있으나 강성의 증가로 인해 더 큰 지진 하중이 유입된다는 단점이 있다. 다음으로, 연성 증진 방법(예: 탄소 섬유 시트 부착)은 구조 부재의 충분하지 못한 변형 능력을 향상시키기 위해 사용되는데, 이 방법은 일부 부재가 내진 성능을 확보하지 못할 때 사용하는 것이 바람직하다. 마지막으로, 본 발명과 관련된 에너지 소산 방법에 따르면, 추가적인 부착물로 인해 건축물의 강성이 증가하지만, 에너지 소산 장치로 인해 지진 하중의 크기가 줄어든다.
도 2는 고베 지진의 감쇠비에 따른 가속도 스펙트럼 그래프이다. 도 2에서 보듯이, 감쇠비가 클수록 건축물에 유입되는 지진 가속도의 크기는 작아지고, 이에 따라 지진 하중의 크기가 줄어든다.
한편, 1981년 뉴질랜드에서 최초로 적용된 제진 장치는 1995년 일본 고베 대지진시 그 효과가 검증되면서 본격적으로 적용되었는데, 기존 건축물의 보수 및 보강이 용이하면서도 경제적인 강재 댐퍼나 점성 댐퍼 등이 주로 사용되고 있다. 이러한 제진 장치는 일본 등의 지진 다발 국가를 중심으로 시장 규모가 점차로 확대되고 있는데, 관련 시장 규모는 2018년 현재 2조 1천억원에 이르고, 2020년에는 3조원에 이를 것으로 전망된다.
도 3은 종래 강재 댐퍼용 변단면 스트립 어레이의 정면도이다. 도 1에 도시한 바와 같이, 종래 강재 댐퍼용 변단면 스트립 어레이는 강재를 기계 가공하여 형성될 수 있는데, 참조번호 100은 변단면 스트립 어레이, 110 및 120은 각각 상부 프랜지 및 하부 프랜지, 111 및 121은 변단면 스트립 어레이를 구조물에 고정시키는데 사용되는 볼트 체결공, 130은 변단면 스트립, 140은 슬릿을 각각 나타낸다.
전술한 구성에서, 각각의 변단면 스트립(130)은 중앙부위에 소정 길이만큼 형성되는 고정폭부와 상단 및 하단에서 중앙, 즉 고정폭부로 갈수록 선형적으로 폭이 좁아지는 한 쌍의 변단면부를 포함하여 이루어질 수 있는데, 이러한 변단면 스트립(130)은 상하 대칭으로 형성된다. 또한 두께면도 변단면으로 형성할 수 있다.
도 4는 도 3에 도시한 변단면 스트립 어레이를 채택한 강재 댐퍼의 일 예에 따른 정면도이다. 도 4에 도시한 바와 같이, 종래 강재 댐퍼는 철골 구조의 주요 부재인 기둥(2)과 보(3)를 대각선인 X형으로 연결하는 복수개의 브레이스(4), 기둥(2)과 보(3)로 연결된 공간의 중간부에 위치하며 기둥(2) 및 보(3)에 연결된 브레이스(4)들의 단부에 연결되는 변단면 스트립 어레이(100)를 포함한다.
전술한 구성에서, 4개의 브레이스(4)의 외측 단부는 기둥(2)과 보(3)가 상호 연결된 사각형의 철골 구조의 안쪽 네 모서리 부위에 용접 또는 볼트 체결에 의해 고정된다. 브레이스(4)가 고정된 기둥(2) 및 보(3)에는 가셋 플레이트(5)가 설치되어 기둥(2)과 보(3)에 연결된 4개의 브레이스(4)를 지지한다.
또한 4개의 브레이스(4)의 내측 단부에는 변단면 스트립 어레이(100)가 연결부(6)를 매개로 용접 또는 볼트 체결 등에 의해 고정된다.
도 4에 도시한 변단면 스트립 어레이로 이루어진 강재 댐퍼에 따르면, 철골 구조물에 지진 하중 등의 수평 하중이 작용 시 상층부와 하층부의 수평 변위의 차이에 따라 변단면 스트립 어레이(100)가 변형을 하며 지진동에 의한 에너지를 흡수하게 된다. 이와 같이 도 4에 도시한 강재 댐퍼에 따르면, 건축물의 각 층에 설치되어 지진이나 바람 등의 수평 하중에 의해 구조물이 진동하는 경우 변단면 단부로부터 항복이 시작되어 스트립 길이의 일정 부분이 강재의 역학적 특성, 즉 소성 변형을 충분히 발휘함으로써 높은 감쇠 능력을 발휘한다.
도 5는 종래의 강재 댐퍼의 문제점을 설명하기 위한 도이다. 도 5에 도시한 바와 같이, 종래의 강재 댐퍼는 상층부와 하층부 간의 층간 변위가 크지 않은 건축물의 각 층에 설치된다. 풍하중에 지배적인 고층 건축물의 경우 각 층에 에너지 소산 장치를 설치하여 에너지 소산 효과를 높일 수 있으나 지진 하중이 지배적인 중저층 건축물은 상대 층간 변위의 크기가 작다. 층간 변위가 작다는 것은 에너지 소산 능력이 작다는 것을 의미하며, 필요한 에너지 소산 효과를 얻기 위해서는 다수의 에너지 소산 장치를 필요로 함을 의미한다.
한편, 중저층 건축물의 경우 고층 건축물에 비해 지반의 주기와 건축물의 주기가 모두 짧기 때문에 지진동 발생시 지진 에너지의 증폭 현상이 발생되고 이에 따라 고층 건축물에 비해 손상이 집중된다.
그러나 종래의 강재 댐퍼는 상층부와 하층부 간의 층간 변위가 크지 않은 건축물의 각 층에 설치되기 때문에 비용 대비 잠재적인 에너지 소산 능력을 충분히 발휘하지 못할 뿐 아니라 에너지 소산 능력이 각 층에 국한되기 때문에 건축물 전체에 대한 에너지 소산 효율이 낮다고 하는 문제점이 있었다.
나아가, 전술한 종래의 강재 댐퍼는 일체형으로 이루어져 있기 때문에 지진동에 의한 손상 발생시 강재 댐퍼 전부를 교체해야 하고, 이에 따라 경제성이 떨어질뿐 아니라 최초 지진동 이후의 여진 또는 본진 발생 전까지 손상된 강재 댐퍼를 신속하게 교체하여 즉각적으로 건축물을 보강하는 것이 매우 어렵다고 하는 문제점이 있었다.
선행기술 1: 2010-234454호 일본 공개특허공보(발명의 명칭: 탄소성 댐퍼 및 내진 구조)
선행기술 2: 10-1374773호 등록특허공보(발명의 명칭: 변단면 스트립형 강재 댐퍼)
선행기술 3: 10-1753011호 특허출원(발명의 명칭 : 응력집중과 면외좌굴 방지를 갖는 강재 슬릿 댐퍼)
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 건축물에 설치된 에너지 소산용 강재 댐퍼의 철골 기둥에 연결되어 철골 기둥의 상하 유동을 허용함으로써 지진 발생시 강재 댐퍼에 인가되는 횡 하중이 철골 기둥이 아니라 스트립 어레이에 집중되도록 한 에너지 소산용 강재 댐퍼의 연결 장치를 제공함을 목적으로 한다.
전술한 목적을 달성하기 위한 본 발명의 에너지 소산용 강재 댐퍼의 연결 장치는 건축물의 내부 또는 외벽에 설치되는 한 쌍의 철골 기둥; 복수의 스트립을 포함하여 이루어져서 상기 철골 기둥 사이에 설치되는 복수의 단위 스트립 어레이 및 각각의 상기 단위 스트립 어레이를 상기 철골 기둥에 볼트-너트 결합에 의해 연결하는 이음 부재를 포함하여 이루어진 에너지 소산용 강재 댐퍼를 연결하되, 지진동에 의해 상기 철골 기둥이 상하로 유동될 수 있도록 상하 장방향으로 형성? 슬릿 홀을 구비하고, 상기 슬릿 홀에 의해 상기 철골 기둥과 볼트-너트 결합된다.
전술한 구성에서, 상기 강재 댐퍼는 중저층 건축물의 외벽에 설치되되, 상기 철골 기둥은 H빔이고, 상기 이음 부재는 L형강이다.
상기 강재 댐퍼는 건축물의 내부에 설치되되, 상기 철골 기둥은 T빔이고, 상기 이음 부재는 더블 플레이트이다.
상기 단위 스트립 어레이는 단위 변단면 스트립 어레이로서, 상기 스트립이 횡 방향을 향하도록 상기 철골 기둥에 설치되고, 상기 단위 변단면 스트립 어레이의 각각의 변단면 스트립은 중앙 부위에 동일한 폭을 갖고 소정 길이만큼 형성되는 고정폭부 및 고정폭부에서 일체로 연장된 채로 중앙 부위에서 멀어질수록 그 폭이 선형적으로 증가하는 상단 및 하단 변단면부를 구비하되, 고정폭부의 길이 대 변단면 스트립의 전체 길이(bp)의 비율(α=bpl/bp) 및 고정폭부의 폭(hpl) 대 상단 변단면부의 상단 폭(hp)의 비율(β=hpl/hp)이 α=β2을 만족한다.
변단면 스트립의 전체 길이(bp) 대 상단 변단면부의 상단 폭(hp)의 비율은 5이상이다. α는 0.25이고, β는 0.5이다.
본 발명의 에너지 소산용 강재 댐퍼의 연결 장치에 따르면, 건축물에 설치된 에너지 소산용 강재 댐퍼의 철골 기둥에 연결되어 철골 기둥의 상하 유동을 허용함으로써 지진 발생시 강재 댐퍼에 인가되는 횡 하중이 철골 기둥이 아니라 스트립 어레이에 집중되도록 하고, 이에 따라 철골 기둥의 손상 없이 효율적으로 지진 에너지를 소산할 수가 있다.
도 1은 다양한 내진 성능 향상 방법의 특성을 보인 그래프.
도 2는 고베 지진의 감쇠비에 따른 가속도 스펙트럼 그래프.
도 3은 종래 강재 댐퍼에 적용되는 변단면 스트립 어레이의 정면도.
도 4는 도 1에 도시한 변단면 스트립 어레이를 채택한 강재 댐퍼의 일 예에 따른 정면도.
도 5는 종래의 강재 댐퍼의 문제점을 설명하기 위한 도.
도 6은 지진동의 크기에 따른 건축물의 변형 정도와 목표 성능 등을 보인 그래프.
도 7은 본 발명의 에너지 소산용 강재 댐퍼의 동작 원리를 설명하기 위한 도.
도 8은 본 발명의 강재 댐퍼에 횡 하중 작용 시 하중 전달 개념도.
도 9a 내지 도 9c는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소산용 강재 댐퍼의 정면도, 평면도 및 측면도.
도 10은 본 발명의 에너지 소산용 강재 댐퍼의 연결 장치를 확대해서 보인 정면도.
도 11은 본 발명의 에너지 소산용 강재 댐퍼의 설치 상태도.
도 12는 본 발명의 에너지 소산용 강재 댐퍼에 적용될 수 있는 단위 변단면 스트립 어레이의 확대 정면도.
도 13은 도 12에 도시한 변단면 스트립 어레이의 형상을 도출하는 과정을 설명하기 위한 도면.
이하에는 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 에너지 소산용 강재 댐퍼의 연결 장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다.
지진동의 크기에 따라 건축물의 거동 및 목표 성능이 다르다. 자주 발생하는 지진동에 대해서는 건축물과 강재 댐퍼 모두 탄성 상태를 유지하여 건축물의 기능을 수행할 수 있어야야 한다. 반면에 가끔 발생하는 지진동의 경우에는 지진동 에너지를 흡수한 강재 댐퍼에 손상이 집중되고 건축물의 구조체에는 손상이 발생하지 않고 사상자도 발생하지 않아야 한다. 아주 드물게 발생하는 지진동에 대해서는 건축물과 강재 댐퍼 모두 손상이 발생되지만 건축물 구조체 자체는 붕괴되지 않아야 한다. 지진 하중의 수준에 대해 효과적인 에너지 소산을 발휘할 수 있는 제품을 개발함으로써, 건축물의 횡변위 제어 기능을 충분히 발휘할 수 있도록 한다. 이를 정리하면 아래의 표 1 및 도 6과 같다.
Figure 112019062972617-pat00001
도 7은 본 발명의 에너지 소산용 강재 댐퍼의 동작 원리를 설명하기 위한 도이다. 도 7에 도시한 바와 같이, 본 발명의 강재 댐퍼는 예를 들어 5층 이하의 중저층 건축물의 내진 성능 향상을 목표로 하고 있는데, 층간 변위에 의해 에너지를 소산하는 종래 강재 댐퍼와 달리 복수 층이나 지붕층(최상층) 변위에 의해 에너지를 소산하기 때문에 종래의 강재 댐퍼에 비해 에너지 소산 능력이 좋을 뿐 아니라 설치되는 개소가 작기 때문에 경제성이 뛰어나다.
한편, 바람과 같은 수평 하중은 일회성(여기서, 일회성은 긴 시간동안 지속성이 없는 상태)인데 비해, 지진의 가장 큰 특징은 본진 이후 여진이 지속되는 것이다. 2016년 9월 12일에 발생된 경주지진은 약 1년이 지난 시점까지도 여진이 총 634회 발생하였다. 본진에 의해 강재 댐퍼가 손상된 건축물 또는 강재 댐퍼와 함께 손상을 받은 건축물은 본진 이후 발생되는 여진에 취약하다. 종래 각 층에 설치된 강재 댐퍼는 손상 시 모두를 교체해야 했기 때문에 교체 시간 및 비용이 상당하다. 반면에, 본 발명의 강재 댐퍼는 지진동에 의해 에너지 소산을 실시하여 손상이 발생된 스트립 어레이만을 교체하면 된다.
도 8은 본 발명의 강재 댐퍼에 횡 하중 작용 시 하중 전달 개념도이다. 도 8에 도시한 바와 같이, 본 발명의 강재 댐퍼는 교체가 가능한 스트립 어레이에 연결된 두 개의 철골 기둥, 예를 들어 H빔으로 구성되어 있기 때문에 횡 하중 작용 시 다수의 스트립 어레이에 작용하는 휨 모멘트와 전단력이 양단부의 철골 기둥에 전달된다.
그런데, 양단부의 철골 기둥은 지진동에 의한 수평 변형 시 축력뿐만 아니라 횡 좌굴이 발생되지 않도록 충분히 강하게 설계되어 있기 때문에 횡 하중 작용 시 스트립 어레이가 파손되면서 에너지를 소산하도록 되어 있다.
도 9a 내지 도 9c는 각각 본 발명의 일 실시예에 따른 에너지 소산용 강재 댐퍼의 정면도, 평면도 및 측면도로서, 실외형 강재 댐퍼를 보이고 있다. 도 10은 본 발명의 에너지 소산용 강재 댐퍼의 연결 장치를 확대해서 보인 정면도이다. 도 11은 본 발명의 에너지 소산용 강재 댐퍼의 설치 상태도이다
도 9a 내지 도 9c, 도 10 및 도 11에 도시한 바와 같이, 본 발명의 에너지 소산형 강재 댐퍼는 중저층 건축물(BDG), 바람직하게는 5층 이하 건축물의 외부, 예를 들어 외벽의 적어도 복수 층에 걸쳐 설치되되 건축물의 너비에 따라 간격을 두고 하나 이상 설치될 수 있다.
이러한 본 발명의 강재 댐퍼는 크게 한 쌍의 마주하는 철골 기둥, 예를 들어 H빔(400)과 이러한 H빔(400) 사이에 상하로 설치되되 변단면 스트립이 횡 방향을 향하는 복수의 단위 변단면 스트립 어레이(300)를 포함하여 이루어질 수 있다. 그리고 각각의 단위 변단면 스트립 어레이(300)와 H빔(400)은 L형강(410)과 볼트-너트(420)에 의해 결합될 수 있다. 즉, 각 H빔(400)에 한 쌍의 L형강(410)이 등을 맞대고 마주한 상태에서 그 사이에 단위 변단면 스트립 어레이(300)가 볼트-너트(420) 결합에 의해 고정되게 된다. L형강(410) 역시 H빔(400)에 볼트-너트(420) 결합에 의해 고정된다.
참조번호 430 및 430'는 각각 건물 바닥 및 상부에 고정 설치되는 연결 브라켓(440)의 상부 및 하부에 각각 고정되는 연결 부재, 예를 들어 힌지 구조의 연결 부재를 나타내는데, 적어도 상부측 연결 부재(430')는 장방향의 슬릿 홀(432) 구조로 이루어져서 연결 부재(430')와 H빔(400)을 연결하는 볼트(420)가 상하로 유동할 수 있는 구조로 되어 있다.
이러한 구조에 의해 지진 발생시 강재 댐퍼에 인가되는 횡 하중이 H빔(400)이 아니라 변단면 스트립 어레이(300)에 집중되도록 하고, 이에 따라 H빔(400)의 손상 없이 효율적으로 지진 에너지를 소산할 수가 있다.
도 11의 실시예에서는 본 발명의 강재 댐퍼가 건축물(BDG)의 정면 및 측면에 각각 3개층에 걸쳐서 설치됨을 알 수가 있는데, 각각의 단위 변단면 스트립 어레이는 예를 들어 가로 840㎜와 세로 920㎜ 크기로 제작될 수 있다. 한편, 강재 댐퍼를 구성하는 단위 변단면 스트립 어레이(300)의 수는 건축물의 높이 등에 의해 정해질 수 있다. 나아가, H빔(400)은 건축물의 외벽 상부와 바닥에 지진동에 의해 유동될 수 있는 구조, 예를 들어 힌지를 통해 결합될 수 있다.
도 12는 본 발명의 에너지 소산용 강재 댐퍼에 적용될 수 있는 단위 변단면 스트립 어레이의 확대 정면도이다. 도 12에 도시한 바와 같이, 본 발명의 강재 댐퍼용 변단면 스트립 어레이(300)는 상호 이격된 채로 형성된 복수의 변단면 스트립(310)을 포함하여 이루어질 수 있는데, 강재를 절단 등의 방법으로 기계 가공하여 형성될 수 있다.
구체적으로 각각의 변단면 스트립(310)은 그 중앙 부위에 동일한 폭을 갖고 소정 길이만큼 형성되는 고정폭부(314) 및 고정폭부(314)에서 일체로 연장된 채로 중앙부위에서 멀어질수록 그 폭이 선형적으로 증가하는 상단 및 하단 변단면부(312),(316)을 포함하여 이루어질 수 있다. 이에 따라 각 변단면 스트립(310)의 사이에는 8각의 슬릿(340)이 형성되게 된다.
참조번호 320 및 330은 변단면 스트립(310)의 상단 및 하단에 각각 형성되어 변단면 스트립 어레이(300)를 외부에 고정하는 상단 플랜지부 및 하단 플랜지부를 나타내고, 350은 상단 플랜지부(320) 및 하단 플랜지부(330)에 적어도 하나 이상 형성된 볼트 체결공을 나타낸다.
한편, 본 발명에서는 선행기술 2와는 달리 전술한 각각의 변단면 스트립(310)의 고정폭부(314)의 길이(bpl) 대 전체 길이(bp)의 비율(α=bpl/bp) 및 고정폭부(314)의 폭(hpl) 대 상단 변단면부(312)의 상단 폭(또는 하단 변단면부(316)의 하단 폭)(hp)의 비율(β=hpl/hp)을 특정하는 것에 의해 지진 발생시 상단 변단면부(312)의 상단과 하단 및 하단 변단면부(316)의 하단과 상단이 동시에 항복함으로써 에너지 소산 효율을 극대화하는데, 이하에서는 이에 대해 상술한다.
즉, 본 발명의 변단면 스트립 어레이는 도 11에서와 같은 1차 함수, 즉 직선 형태의 형상 함수를 갖는 변단면 스트립을 상정한 상태에서 상기한 최적의 α와 β를 구하는 방식으로 구현될 수 있다.
도 13은 도 12에 도시한 변단면 스트립 어레이의 형상을 도출하는 과정을 설명하기 위한 도면이다. 도 13에 도시한 변단면 스트립의 내력과 관련하여, 스트립의 중앙부에서 상하로 각각 거리(길이) x만큼 떨어져 지점에서 발생하는 모멘트 크기는 아래의 수학식 1로 나타낼 수 있다.
Figure 112019062972617-pat00002
수학식 1에서 bp는 변단면 스트립의 전체 길이(세로 길이, 이하 같다), Mo는 스트립 양단부(상하 양단부, 이하 같다)에 작용하는 모멘트, Qo는 변단면 스트립에 작용하는 전단력을 각각 나타낸다.
이 경우에 변단면 스트립의 형상 함수 w(x)는 아래의 수학식 2로 나타낼 수 있다.
Figure 112019062972617-pat00003
수학식 2에서 hp는 상단 변단면부(312)의 상단 폭 및 하단 변단면부(316)의 하단 폭을 나타내고, bp는 변단면 스트립(310)의 전체 길이를 나타낸다. 또한 βhp는 고정폭부(314)의 폭(hpl)을 나타내고, αbp는 고정폭부(314)의 길이(bpl)를 나타낸다. 수학식 2에서 < > 항 내부의 값이 음수가 나오면 0으로 처리하고, 양수가 나오면 나온 대로 처리한다. 여기서 x의 범위는 0.5αbp~0.5bp이다.
다음으로 스트립 단면 2차 모멘트 I는 아래의 수학식 3으로 나타낼 수 있다.
Figure 112019062972617-pat00004
수학식 3에서 tp는 스트립의 두께를 나타내는데, 본 발명에서는 기계 가공을 용이하게 하기 위해 고정 폭으로 구현하고 있다.
한편, 변단면 스트립에 작용하는 전단력(Qx)는 아래의 수학식 4로 나타낼 수 있다. 여기서, Qo와 Qx는 동일한데, 이는 x방향에 따라 전단력 Q의 값이 동일하기 때문이다.
Figure 112019062972617-pat00005
수학식 4에서 S(x)는 거리 x에 따라 달라지는 탄성단면계수를 나타내고, σ는 휨응력을 나타낸다. 또한 중앙부로부터 거리 x일 때 bp(x)=αbp이고, hp=βhp에서의 스트립 항복 내력(yield capacity)(Qy)는 아래의 수학식 5로 나타낼 수 있다.
Figure 112019062972617-pat00006
한편, x=bp에서의 변단면 스트립의 극한 내력(ultimate capacity)(Qp)는 아래의 수학식 6으로 나타낼 수 있는데, σy는 항복 응력을 나타낸다.
Figure 112019062972617-pat00007
다음으로, 사각 단면에 대한 탄성단면계수와 소성단면계수의 관계(Z=1.5S)를 이용하여 변단면 스트립의 항복 내력과 극한 내력이 동시에 발생하기 위한 α와 β의 관계는 아래의 수학식 7로 나타낼 수 있다.
Figure 112019062972617-pat00008
한편, 중앙부로부터의 거리에 따라 달라지는 스트립의 휨응력 σ(x)는 아래의 수학식 8과 같이 나타낼 수 있다.
Figure 112019062972617-pat00009
수학식 8의 휨응력을 x에 관하여 미분하면, 아래의 수학식 9와 같이 최대 휨응력이 발생하는 거리 xm(bp 전체 길이에 대한 함수임)을 계산(dσ/dx=0->xm)할 수가 있다.
Figure 112019062972617-pat00010
그리고 이렇게 계산된 xm을 위의 수학식 8에 대입하면 아래의 수학식 10에 나타낸 바와 같이 최대 스트립 휨응력(σmax)이 계산된다.
Figure 112019062972617-pat00011
여기에서 최대 휨응력이 발생되는 거리 xm을 변단면 스트립의 전체 길이(bp)의 25%라고 가정하고, α=β2의 조건을 이용하면 α=0.25, β=0.5로 계산된다.
형상비가 5보다 클 때 순수한 휨에 의한 최대 휨응력을 구할 수 있으므로 위의 식은 형상비가 5 이상인 스트립에 적용할 수 있다. 이는 변단면 스트립에 작용하는 전단력에 대한 영향을 감소시킬 수 있는 최소 형상비이다.
이상에서는 본 발명의 건축물의 에너지 소산용 강재 댐퍼의 연결 장치의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명하였으나 이는 예시에 불과한 것이며, 본 발명의 기술적 사상의 범주 내에서 다양한 변형과 변경이 가능할 것이다. 따라서, 본 발명의 권리범위는 이하의 청구범위의 기재에 의하여 정해져야 할 것이다. 전술한 실시예에서는 실외형 강재 댐퍼를 예로 들어 설명을 진행하였으나 이에 국한되는 것은 아니고 철골 기둥으로 T빔을 사용하고 T빔과 변단면 스트립 어레이를 더블 플레이트로 연결하는 실내형 강재 댐퍼에도 본 발명의 연결 장치가 적용할 수 있을 것이다.
100: 변단면 스트립 어레이, 110, 120: 상부 및 하부 프랜지,
111, 121: 볼트 체결공, 130: 변단면 스트립,
140: 슬릿, 300: 변단면 스트립 어레이,
310: 변단면 스트립, 312, 316: 변단면부,
314: 고정폭부,
400: H빔, 410: L형강,
420: 볼트-너트, 430, 430': 연결 부재,
432: 슬릿 홀,
440: 연결 브라켓, BDG: 건축물

Claims (6)

  1. 건축물의 내부 또는 외벽에 설치되는 한 쌍의 철골 기둥; 상기 철골 기둥 사이에 설치되는 복수의 단위 스트립 어레이 및 각각의 상기 단위 스트립 어레이를 상기 철골 기둥에 볼트-너트 결합에 의해 연결하는 이음 부재를 포함하여 이루어진 에너지 소산용 강재 댐퍼를 연결하되;
    지진동에 의해 상기 철골 기둥이 상하로 유동될 수 있도록 상하 장방향으로 형성? 슬릿 홀을 구비하고, 상기 슬릿 홀에 의해 상기 철골 기둥과 볼트-너트 결합되고;
    각각의 상기 단위 스트립 어레이는 강재로 이루어지며 상호 이격된 채로 일체로 형성된 복수의 변단면 스트립을 포함하고, 각각의 변단면 스트립은 중앙 부위에 동일한 폭을 갖고 소정 길이만큼 형성되는 고정폭부 및 고정폭부에서 일체로 연장된 채로 중앙 부위에서 멀어질수록 그 폭이 선형적으로 증가하는 상단 및 하단 변단면부를 구비하고, 선형 함수인
    Figure 112019130066965-pat00027
    를 변단면 스트립의 형상 함수로 하며, 고정폭부의 길이(bpl) 대 변단면 스트립의 전체 길이(bp)의 비율(α=bpl/bp) 및 고정폭부의 폭(hpl) 대 상단 변단면부의 상단 폭(hp)의 비율(β=hpl/hp)이 α=β2을 만족하는 것을 특징으로 하는 에너지 소산용 강재 댐퍼의 연결 장치.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 강재 댐퍼는 중저층 건축물의 외벽에 설치되되, 상기 철골 기둥은 H빔이고, 상기 이음 부재는 L형강인 것을 특징으로 하는 에너지 소산용 강재 댐퍼의 연결 장치.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 강재 댐퍼는 건축물의 내부에 설치되되, 상기 철골 기둥은 T빔이고, 상기 이음 부재는 더블 플레이트인 것을 특징으로 하는 에너지 소산용 강재 댐퍼의 연결 장치.
  4. 청구항 2 또는 3에 있어서,
    상기 단위 스트립 어레이는 상기 변단면 스트립이 횡 방향을 향하도록 상기 철골 기둥에 설치되는 것을 특징으로 하는 에너지 소산용 강재 댐퍼의 연결 장치.
  5. 삭제
  6. 청구항 4에 있어서,
    α는 0.25이고, β는 0.5인 것을 특징으로 하는 에너지 소산용 강재 댐퍼의 연결 장치.
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