KR102194241B1

KR102194241B1 - 좌굴방지 강재패널형 댐퍼

Info

Publication number: KR102194241B1
Application number: KR1020200071824A
Authority: KR
Inventors: 오상훈; 김영주; 최광용; 김윤혁
Original assignee: (주)한국건축구조연구원
Priority date: 2020-06-12
Filing date: 2020-06-12
Publication date: 2020-12-23

Abstract

본 발명은 강진시 심재의 소성변형에 따른 좌굴을 방지하여 에너지 소산 능력을 높이고, 중·약진시에는 점탄성 요소에 의한 에너지 소산 능력이 발휘되도록 한 좌굴방지 강재패널형 댐퍼를 제공한다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 지진 에너지를 소산시키는 좌굴방지 강재패널형 댐퍼로서, 일정 폭과 높이를 갖는 강재로 제작된 판상형에 상대적으로 좁은 폭과 높이에 의해 전단변형영역을 갖는 심재와; 상기 심재의 상단에 다수의 볼트 결합을 통해 접합되어 상호 면대칭되어 있는 한 쌍의 상부 앵글부재와; 상기 심재의 하단에 다수의 볼트 결합을 통해 접합되어 상호 면대칭되어 있는 한 쌍의 하부 앵글부재;를 포함하되, 상기 하부 앵글부재에는 심재의 전단변형영역의 양쪽 측면에 배치되는 좌굴방지용 확장판이 더 포함되고, 지진 도래시 심재의 면외변형을 최소화하기 위해 좌굴방지용 확장판에는 각기 외측면에 좌굴방지용 스티프너가 접합되어 있는 것을 특징으로 한다.

Description

좌굴방지 강재패널형 댐퍼{Damper of steel pannel type for preventing of buckling}

본 발명은 지진 또는 풍하중 에너지를 소산시키는데 사용되는 강재패널형 댐퍼에 관한 것으로, 특히 강진시 심재의 소성변형에 따른 좌굴을 방지하여 에너지 소산 능력을 높이고, 중·약진시에는 점탄성 요소에 의한 에너지 소산 능력이 발휘되도록 한 좌굴방지 강재패널형 댐퍼에 관한 것이다.

기존의 강재 패널댐퍼는 전단거동을 통해 큰 강성과 내력을 잘 발휘하여 에너지 소산을 발휘한다. 이러한 강재 패널댐퍼는 도 12a와 같이 무보강 형태로 제작하거나 스티프너로 보강하는 형태로 나눠볼 수 있다. 그런데 무보강 형태로 제작하는 경우 판좌굴에 의한 내력 저하로 에너지 소산능력이 저하되고, 도 12b와 같이 스티프너로 보강 제작하는 경우 좌굴은 방지되나 스티프너 용접열영향부에서 찢김 파괴가 발생하는 문제가 있다. 따라서 에너지를 소산하는 패널에는 용접을 가하지 않는 외부 좌굴방지 기술이 요구된다.

본 발명의 배경이 되는 기술로는 한국 등록특허 등록번호 제10-1578198호로서 강재플레이트와 구속판의 마찰을 통하여 진동에너지를 소산시킬 수 있도록 한 '좌굴구속형 강재댐퍼'가 제안되어 있다. 그러나 이 배경기술은 진동에너지를 마찰에너지로 변환시키도록 한 것으로 강재의 소성변형을 통한 제진이 아니기 때문에 강진에 큰 에너지 소산 능력을 발휘하기 어렵다. 또한 구속판은 강재플레이트에 면외방향으로의 힘이 작용하는 경우 좌굴이 발생되어져 구속 능력을 발휘하기 어렵다.

본 발명의 배경이 되는 다른 기술로는 한국 등록특허 등록번호 제10-1882312호로서, 연결댐퍼의 탄성영역에 대한 확대 및 소성영역에 대한 확대를 통하여 소성에너지를 흡수시킬 수 있도록 한 '좌굴방지 전단형 강재댐퍼'가 제안되어 있다. 그러나 이 배경기술은 강진시 강재플레이트에 의존한 소성변형을 통해 지진에너지를 소산시킬 수 있고 중·약진시(풍하중시)에는 강재플레이트의 소성변형이 어려워 지진 에너지 소산능력이 발휘되기 어렵다.

한국 등록특허 등록번호 제10-1578198호 한국 등록특허 등록번호 제10-1882312호

본 발명은 강진시 심재의 소성변형에 따른 좌굴을 방지하여 에너지 소산 능력을 높이고, 중·약진시에는 점탄성 요소에 의한 에너지 소산 능력이 발휘되도록 한 좌굴방지 강재패널형 댐퍼를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 지진 에너지를 소산시키는 좌굴방지 강재패널형 댐퍼로서, 일정 폭과 높이를 갖는 강재로 제작된 판상형에 상대적으로 좁은 폭과 높이(H2)에 의해 전단변형영역을 갖는 심재와; 상기 심재의 상단에 다수의 볼트 결합을 통해 접합되어 상호 면대칭되어 있는 한 쌍의 상부 앵글부재와; 상기 심재의 하단에 다수의 볼트 결합을 통해 접합되어 상호 면대칭되어 있는 한 쌍의 하부 앵글부재;를 포함하되, 상기 하부 앵글부재에는 심재의 전단변형영역의 양쪽 측면에 배치되는 좌굴방지용 확장판이 더 포함되고, 지진 도래시 심재의 면외변형을 최소화하기 위해 좌굴방지용 확장판에는 각기 외측면에 좌굴방지용 스티프너가 접합되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상부 앵글부재의 상면에 볼트 결합을 통해 연결되어 상부 앵글부재의 일측으로 일정량 돌출되도록 설치된 상부 확장판과; 상기 상부 확장판의 돌출 부분의 하면에 볼트 결합되어 서로 면대칭되어 있는 한 쌍의 제2 상부 앵글부재와; 상단이 한 쌍의 제2 상부 앵글부재의 사이에 배치되어 볼트 결합을 통해 한 쌍의 제2 상부 앵글부재에 고정되어 상기 심재와 동일 평면상에 배치되는 제2 심재와; 상기 하부 앵글부재의 하면에 볼트 결합을 통해 연결되어 하부 앵글부재의 일측으로 일정량 돌출되도록 설치된 하부 확장판과; 상기 하부 확장판의 돌출 부분의 상면에 볼트 결합되어 서로 면대칭되어 있는 한 쌍의 제2 하부 앵글부재와; 상기 제2 하부 앵글부재와 제2 심재와의 사이에 각기 개재되어 면접합되어 있는 점탄성부재;를 더 포함한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 좌굴방지용 스티프너는 수직 스티프너와 수평 스티프너가 열십자형으로 직교된 형태를 갖는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 심재의 양측으로 동일 평면상에 배치되어 한 쌍의 하부 앵글부재에 중간 고력볼트로 고정된 앵글부재 보강판이 더 설치되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 상부 앵글부재와 제2 상부 앵글부재 그리고 상부 앵글부재와 제2 상부 앵글부재 각기 연결덧판에 의해 상호 연결되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 좌굴방지 강재패널형 댐퍼는 브레이싱 타입 시스템(Bracing type system), 벽체 스터드 타입 시스템(Wall stud type system), 기둥 스터드 타입 시스템(Colum stud type system), 커플링 빔 타입 시스템(Coupling beam type system) 중 어느 하나의 시스템에 적용된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 좌굴방지 강재패널형 댐퍼에 따르면, 강진시 상, 하부 앵글부재 및 좌굴방지용 스티프너에 의해 강재로 제작된 심재의 소성변형에 따른 좌굴을 방지하여 에너지 소산 능력이 높아진다.

또한, 좌굴방지 강재패널형 댐퍼에 심재와 함께 점탄성요소가 부가적으로 설치되어 하이브리드형으로 구성된 경우, 중·약진시에는 점탄성 요소에 의한 에너지 소산 능력이 발휘되어 풍진동에 효과적인 대응이 가능하다.

또한, 좌굴방지 강재패널형 댐퍼를 구성하는 모든 요소들은 볼트 결합으로 되어 있어 지진 후 심재의 교체를 통해 내진보수/보강이 용이하다.

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 일 실시 예에 따른 좌굴방지 강재패널형 댐퍼의 사시도.
도 2는 도 1의 분해사시도.
도 3은 도 1의 정면도.
도 4는 도 1에 적용된 심재의 정면도.
도 5는 도 3의 A-A선에서 본 단면도.
도 6은 본 발명의 다른 실시 예에 따른 하이브리드형 좌굴방지 강재패널형 댐퍼의 사시도.
도 7은 도 6에 도시된 좌굴방지 강재패널형 댐퍼에서 점탄성요소 부분을 분해시킨 사시도.
도 8은 도 7의 정면도.
도 9는 도 8의 B-B선에서 본 단면도.
도 10은 도 6에 도시된 하이브리드형 좌굴방지 강재패널형 댐퍼의 거동 그래프.
도 11은 본 발명에 따른 좌굴방지 강재패널형 댐퍼의 다양한 설치 상태도.
도 12a는 기존 강재 패널 댐퍼에서 무보강 패널에서의 거동 파괴 과정도.
도 12b는 기존 강재 패널 댐퍼에서 스티프너 보강 패널에서의 거동 파괴 과정도.

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.

<제1 실시예>

도 1 내지 도 5와 같이 제1 실시 예에 따른 좌굴방지 강재패널형 댐퍼(10)는 심재(12), 심재(12)의 상단에 연결된 한 쌍의 상부 앵글부재(14,14a), 심재(12)의 하단에 연결된 한 쌍의 하부 앵글부재(16,16a)를 포함한다.

심재(12)는 강재로 제작된 판상형으로 일정 폭(W1)과 높이(H)를 갖는다. 또한 심재(12)는 상대적으로 좁은 폭(W2)과 높이(H2)에 의해 전단변형영역(121)을 갖는다. 따라서 심재(12)에 수평하중(지진에너지)이 작용하면 전단변형영역(121)에 전단 변형이 유도된다. 전단변형영역(121)은 심재(12)의 중앙에 위치되도록 함이 바람직하다.

한 쌍의 상부 앵글부재(14,14a)는 심재(12)의 상단에 다수의 상부 고력볼트(13)와 너트를 통해 접합되어 상호 면대칭되어 있다. 한 쌍의 상부 앵글부재(14,14a)는 L자 단면을 갖기 때문에 심재(12)의 상부쪽 좌굴을 방지하는 역할도 한다.

한 쌍의 하부 앵글부재(16,16a)는 심재(12)의 하단에 다수의 하부 고력볼트(15)를 통해 접합되어 상호 면대칭되어 있다. 하부 앵글부재(16,16a)에는 심재(12)의 전단변형영역(121)의 양쪽 측면에 배치되는 좌굴방지용 확장판(161)이 더 구성되어 있다. 바람직하게 좌굴방지용 확장판(161)에는 지진 도래시 심재(12)의 면외변형을 최소화하기 위해 각기 외측면에 좌굴방지용 스티프너(162)가 접합되어 있다. 수평 및 수직 방향의 좌굴 기능을 높이기 위해 좌굴방지용 스티프너(162)는 수직 스티프너(162a)와 수평 스티프너(162b)가 열십자형으로 직교된 형태를 갖는다.

한편, 심재(12)의 좌굴 억지 능력을 강화하기 위해 앵글부재 보강판(18)이 더 설치될 수 있다. 앵글부재 보강판(18)은 심재(12)의 양측으로 동일 평면상에 배치됨과 동시에 한 쌍의 하부 앵글부재(16,16)측 좌굴방지용 확장판(161과 161)의 사이에 위치되어져 중간 고력볼트(19)로 고정 설치되어 있다. 따라서 앵글부재 보강판(18)은 좌굴방지용 확장판(161)의 좌우측 단부에 위치되어져 좌굴방지용 확장판(161)을 보강함으로써 심재(12)의 좌굴 억지 능력을 갖는다.

이와 같이 구성된 좌굴방지 강재패널형 댐퍼(10)는 심재(12)가 무용접 설치되어 지진 도래시 수평지진력에 의해 심재(12)가 전단 변형을 일으키게 된다. 이때 심재(12)의 큰 변형에도 좌굴방지용 스티프너(162)에 의해 좌굴이 방지되어 큰 에너지 소산능력을 발휘하게 된다. 즉, 좌굴방지용 스티프너(162)는 심재(12)의 면외변형을 최소화하여 심재(12)의 큰 변형이 유도됨으로써 좌굴방지 강재패널형 댐퍼(10)는 큰 에너지 소산능력을 발휘하게 된다.

또한, 좌굴방지 강재패널형 댐퍼(10)는 모든 부재간의 접합이 볼트로 되어 있어 지진 후 심재(12)의 교체를 통해 내진 보수/보강이 가능하게 된다.

<제2 실시 예>

한편, 본 발명에 좌굴방지 강재패널형 댐퍼(10)는 제2 실시 예로서 전술한 강재패널요소에 점탄성요소를 더 결합시켜서 하이브리드 형태로 구성할 수 있다.

즉, 도 6 내지 도 9와 같이 상부 앵글부재(14)의 상면에 볼트 결합을 통해 연결되어 상부 앵글부재(14)의 일측으로 일정량 돌출되도록 설치된 상부 확장판(22)과, 상부 확장판(22)의 돌출 부분의 하면에 볼트 결합되어 서로 면대칭되어 있는 한 쌍의 제2 상부 앵글부재(24,24a)와, 상단이 한 쌍의 제2 상부 앵글부재(24와 24a)의 사이에 배치되어 볼트 결합을 통해 한 쌍의 제2 상부 앵글부재(24,24a)에 고정되어 상기 심재(12)와 동일 평면상에 배치되는 제2 심재(26)와, 하부 앵글부재(16)의 하면에 볼트 결합을 통해 연결되어 하부 앵글부재(16)의 일측으로 일정량 돌출되도록 설치된 하부 확장판(28)과, 하부 확장판(28)의 돌출 부분의 상면에 볼트 결합되어 서로 면대칭되어 있는 한 쌍의 제2 하부 앵글부재(30,30a)와, 제2 하부 앵글부재(30과 30a)와 제2 심재(26)와의 사이에 각기 개재되어 면접합되어 있는 점탄성부재(32,32a)를 더 포함하여 구성될 수 있다. 점탄성부재(32,32a)는 예로 고감쇠고무가 될 수 있다. 미설명 부호 '36'은 '간격유지용 블록'이다.

여기서, 상부 앵글부재(14)와 제2 상부 앵글부재(24) 그리고 상부 앵글부재(14a)와 제2 상부 앵글부재(24a)는 각기 연결덧판(34,34a)에 의해 상호 연결되도록 함이 바람직하다. 이 연결덧판(34,34a)은 상부 앵글부재(14,14a)와 제2 상부 앵글부재(24,24a)를 함께 보강한다.

이와 같이 제2 실시 예에 따른 하이브리드 형태의 좌굴방지 강재패널형 댐퍼(10)는 미세진동(중, 약진시)에서 점탄성 요소 즉 점탄성부재(32,32a)가 도 10과 같이 점탄성 댐퍼 기능이 발휘되어 작은 변형 진폭을 가지고 탄성 거동하여 그 에너지를 소산시킨다.

또한, 강진시 점탄성부재(32,32a)와 함께 심재(12)가 도 10과 같이 강재 패널형 댐퍼로 작용한다. 따라서 심재(12)가 큰 변형으로 소성화하여 더욱 큰 에너지를 소산하게 된다. 이는 지진동 뿐만 아니라 풍진동에서 효과적으로 대응할 수 있다.

이와 같이 구성되고 지진에너지 소산 작용이 일어나는 좌굴방지 강재패널형 댐퍼(10)는 도 11의 (가),(나),(다),(라)와 같이 브레이싱 타입 시스템(Bracing type system), 벽체 스터드 타입 시스템(Wall stud type system), 기둥 스터드 타입 시스템(Colum stud type system), 커플링 빔 타입 시스템(Coupling beam type system) 등에 적용될 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.

12: 심재
14,14a: 상부 앵글부재
16,16a: 하부 앵글부재
161: 좌굴방지용 확장판
162: 좌굴방지용 스티프너
18: 앵글부재 보강판
22: 상부 확장판
24,24a: 제2 상부 앵글부재
26: 제2 심재
28: 하부 확장판
30,30a: 제2 하부 앵글부재
32,32a: 점탄성부재
34,34a: 연결덧판

Claims

지진 에너지를 소산시키는 좌굴방지 강재패널형 댐퍼(10)로서,
일정 폭(W1)과 높이(H)를 갖는 강재로 제작된 판상형에 상대적으로 좁은 폭(W2)과 높이(H2)에 의해 전단변형영역(121)을 갖는 심재(12)와;
상기 심재(12)의 상단에 다수의 볼트 결합을 통해 접합되어 상호 면대칭되어 있는 한 쌍의 상부 앵글부재(14,14a)와;
상기 심재(12)의 하단에 다수의 볼트 결합을 통해 접합되어 상호 면대칭되어 있는 한 쌍의 하부 앵글부재(16,16a);를 포함하되, 상기 하부 앵글부재(16,16a)에는 심재(12)의 전단변형영역(121)의 양쪽 측면에 배치되는 좌굴방지용 확장판(161)이 더 포함되고, 지진 도래시 심재(12)의 면외변형을 최소화하기 위해 좌굴방지용 확장판(161)에는 각기 외측면에 좌굴방지용 스티프너(162)가 접합되어 있고,
상기 상부 앵글부재(14)의 상면에 볼트 결합을 통해 연결되어 상부 앵글부재(14)의 일측으로 일정량 돌출되도록 설치된 상부 확장판(22)과;
상기 상부 확장판(22)의 돌출 부분의 하면에 볼트 결합되어 서로 면대칭되어 있는 한 쌍의 제2 상부 앵글부재(24,24a)와;
상단이 한 쌍의 제2 상부 앵글부재(24와 24a)의 사이에 배치되어 볼트 결합을 통해 한 쌍의 제2 상부 앵글부재(24,24a)에 고정되어 상기 심재(12)와 동일 평면상에 배치되는 제2 심재(26)와;
상기 하부 앵글부재(16)의 하면에 볼트 결합을 통해 연결되어 하부 앵글부재(16)의 일측으로 일정량 돌출되도록 설치된 하부 확장판(28)과;
상기 하부 확장판(28)의 돌출 부분의 상면에 볼트 결합되어 서로 면대칭되어 있는 한 쌍의 제2 하부 앵글부재(30,30a)와;
상기 제2 하부 앵글부재(30과 30a)와 제2 심재(26)와의 사이에 각기 개재되어 면접합되어 있는 점탄성부재(32,32a);를 포함하는 것을 특징으로 하는 좌굴방지 강재패널형 댐퍼.
삭제
제 1항에 있어서,
상기 좌굴방지용 스티프너(162)는 수직 스티프너(162a)와 수평 스티프너(162b)가 열십자형으로 직교된 형태를 갖는 것을 특징으로 하는 좌굴방지 강재패널형 댐퍼.
제 1항에 있어서,
상기 심재(12)의 양측으로 동일 평면상에 배치되어 한 쌍의 하부 앵글부재(16과 16)에 중간 고력볼트(19)로 고정된 앵글부재 보강판(18)이 더 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 좌굴방지 강재패널형 댐퍼.
제 1항에 있어서,
상기 상부 앵글부재(14)와 제2 상부 앵글부재(24) 그리고 상부 앵글부재(14a)와 제2 상부 앵글부재(24a)는 각기 연결덧판(34,34a)에 의해 상호 연결되어 있는 것을 특징으로 하는 좌굴방지 강재패널형 댐퍼.
제 1항에 있어서,
좌굴방지 강재패널형 댐퍼(10)는 브레이싱 타입 시스템(Bracing type system), 벽체 스터드 타입 시스템(Wall stud type system), 기둥 스터드 타입 시스템(Colum stud type system), 커플링 빔 타입 시스템(Coupling beam type system) 중 어느 하나의 시스템에 적용된 것을 특징으로 하는 좌굴방지 강재패널형 댐퍼.