KR102510909B1 - 구조물용 내진보강장치 - Google Patents

구조물용 내진보강장치 Download PDF

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성균관대학교산학협력단
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Abstract

구조물용 내진보강장치에 대한 발명이 개시된다. 개시된 구조물용 내진보강장치는: 구조물과 대향되게 설치되고, 구조물보다 큰 강성을 가진 가새골조부와, 구조물과 결합되고, 가새골조부에 슬라이드 이동가능하게 결합되며, 지진에 의해 연동되어 구조물을 횡방향으로 변위시키며, 지진에너지를 소산하는 마찰댐퍼부와, 가새골조부와 결합되고, 마찰댐퍼부와 연결되며, 탄성복원력으로 마찰댐퍼부 및 구조물을 원위치로 복귀시키는 위치복귀부를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

구조물용 내진보강장치{RETROFIT DEVICE FOR STRUCTURE}
본 발명은 구조물용 내진보강장치에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는, 지진발생시 구조물에 가해지는 지진에너지를 소산시키고, 지진으로 인해 변위된 구조물을 원위치로 복귀시킬 수 있는 구조물용 내진보강장치에 관한 것이다.
일반적으로, 지진으로 인한 구조물의 피해를 줄이기 위해 설계부터 지진으로 인한 대비를 하고 있으며, 이를 내진설계(seismic design)라 한다. 특히, 철근콘크리트 구조물에 지진이 발생되는 경우, 구조물의 주요 부재인 기둥은 구조물 중량에 대한 출력과 횡하중을 동시에 받게 된다. 댐퍼를 이용한 내진설계방법을 통해 지진발생시 구조물에 연성거동이 발생하여 지진에너지를 소산시키도록 한다. 그러나, 종래의 댐퍼를 이용한 내진설계방법에서는 지진으로 변형이 발생되면 원상태로 복원이 불가능하여 영구적인 변위가 발생되는 문제점이 있다. 따라서, 이를 개선할 필요성이 요청된다.
본 발명에 대한 배경기술은 대한민국 등록특허공보 제10-1944216호(발명의 명칭: 수평방향의 거동을 통한 구조물의 내진 보강 조립체, 등록일: 2019.01.24.)에 개시되어 있다.
본 발명은 상기와 같은 필요성에 의해 창출된 것으로서, 지진발생시 구조물에 가해지는 지진에너지를 소산시키고, 지진으로 인해 변위된 구조물을 원위치로 복귀시킬 수 있는 구조물용 내진보강장치를 제공하는 데 그 목적이 있다.
상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명의 구조물용 내진보강장치는: 구조물과 대향되게 설치되고, 상기 구조물보다 큰 강성을 가진 가새골조부; 상기 구조물과 결합되고 상기 가새골조부에 슬라이드 이동가능하게 결합되며, 지진에 의해 연동되어 상기 구조물을 횡방향으로 변위시키며 지진에너지를 소산하는 마찰댐퍼부; 및 상기 가새골조부와 결합되고 상기 마찰댐퍼부와 연결되며, 탄성복원력으로 상기 마찰댐퍼부 및 상기 구조물을 원위치로 복귀시키는 위치복귀부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가새골조부에 결합되고, 상기 마찰댐퍼부와 접촉되어 상기 마찰댐퍼부의 이동시 마찰력을 발생시켜 지진에너지를 소산하는 마찰패드부;를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 마찰댐퍼부는, 상기 구조물에 접하는 형강부; 및 상기 형강부 및 상기 구조물과 일체로 결합되고, 상기 가새골조부와 상기 마찰패드부에 횡방향으로 이동가능하게 체결되는 앵커로드부;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 가새골조부에는 상기 앵커로드부가 이동되는 횡방향으로 긴 장공형상의 제1슬롯부가 형성되고, 상기 마찰패드부에는 상기 앵커로드부가 이동되는 횡방향으로 긴 장공형상의 제2슬롯부가 형성되는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 위치복귀부는, 상기 가새골조부에 이격되게 결합되며, 상기 마찰댐퍼부의 양측에 배치되는 한 쌍의 플레이트; 및 이웃한 상기 플레이트와 각각 연결되고, 상기 마찰댐퍼부와 결합되며, 탄성복원력으로 상기 마찰댐퍼부를 원위치로 복원시키는 한 쌍의 탄성부재;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탄성부재는 횡방향으로 겹쳐져 연결되는 복수개의 판스프링을 구비하는 것을 특징으로 한다.
또한, 상기 탄성부재는 상기 형강부의 양측에 각각 결합되어 상기 플레이트와 연결되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 구조물용 내진보강장치는 지진의 발생시 구조물과 가새골조부의 상대변위로 인하여 마찰댐퍼부에서 지진 에너지가 소산됨에 따라, 구조물의 손상을 감소시킬 수 있다.
또한, 본 발명은 마찰댐퍼부와 연결된 위치복귀부의 작용으로 마찰댐퍼부의 변형 후 원위치로 복귀하는 복원력이 발생하여, 지진 후 잔류변위를 최소화하며, 더 큰 내진 안전성을 확보할 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치를 대략적으로 나타낸 사시도이다.
도 2는 도 1의 요부 확대도이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치의 평면도이다.
도 4는 도 3의 A-A' 단면도이다.
도 5는 도 3의 B-B' 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치를 다른 방향에서 바라본 사시도이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치의 분해 사시도이다.
도 8은 도 7의 A부분을 나타낸 도면이다.
도 9는 도 8을 다른 방향에서 바라본 도면이다.
도 10은 도 7의 분해 사시도이다.
도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치의 적용예를 나타낸 도면이다.
도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치가 지진에 의해 연동되어 구조물을 횡방향으로 변위시키며, 지진에너지를 소산하는 것을 나타낸 도면이다.
도 13, 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치의 작동을 나타낸 도면이다.
도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치를 수학적 모델화한 것을 나타낸 도면이다.
도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치의 힘과 변위 관계를 나타낸 그래프이다.
도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치의 변위 변화를 나타낸 도면이다.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치를 설명하도록 한다.
이 과정에서 도면에 도시된 선들의 두께나 구성요소의 크기 등은 설명의 명료성과 편의상 과장되게 도시되어 있을 수 있다. 또한, 후술되는 용어들은 본 발명에서의 기능을 고려하여 정의된 용어들로서 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 관례에 따라 달라질 수 있다. 그러므로, 이러한 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치를 대략적으로 나타낸 사시도이고, 도 2는 도 1의 요부 확대도이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치의 평면도이고, 도 4는 도 3의 A-A' 단면도이고, 도 5는 도 3의 B-B' 단면도이고, 도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치를 다른 방향에서 바라본 사시도이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치의 분해 사시도이고, 도 8은 도 7의 A부분을 나타낸 도면이고, 도 9는 도 8를 다른 방향에서 바라본 도면이고, 도 10은 도 7의 분해 사시도이고, 도 11은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치의 적용예를 나타낸 도면이다. 또한 도 12는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치가 지진에 의해 연동되어 구조물을 횡방향으로 변위시키며, 지진에너지를 소산하는 것을 나타낸 도면이고, 도 13, 14는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치의 작동을 나타낸 도면이며, 도 15는 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치를 수학적 모델화한 것을 나타낸 도면이고, 도 16은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치의 힘과 변위 관계를 나타낸 그래프이며, 도 17은 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치의 변위 변화를 나타낸 도면이다.
도 1 내지 도 14를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치(1)는 가새골조부(100), 마찰댐퍼부(200), 위치복귀부(300) 및 마찰패드부(400)를 포함한다.
가새골조부(100)는 구조물(10)과 대향되게 설치되고, 구조물(10)보다 큰 강성을 가진다. 가새골조부(100)는 구조물(10)의 주변에 설치되고, 독립된 하중 지지구조를 가진다. 이때, 가새골조부(100)는 상대적으로 구조물(10)보다 상대적으로 강성이 크므로, 진동수가 달라져 횡방향으로 이동되지 않게 될 수 있다.
구체적으로, 가새골조부(100)의 강성보다 상대적으로 작은 강성을 가진 구조물(10)에 지진이 발생되면, 구조물(10)에 횡변위가 발생되고, 가새골조부(100)에는 횡변위가 발생되지 않는다.
가새골조부(100)는 수평프레임(110), 수직프레임(120) 및 가새프레임(130)을 포함한다. 수평프레임(110)은 구조물(10)의 보(11)와 마주보게 배치된다. 이때, 수평프레임(110)에는 후술된 마찰댐퍼부(200)가 횡방향으로 슬라이드 이동가능하게 결합된다. 수평프레임(110)은 강재판(111)과 형강부(112)를 포함한다. 강재판(111)은 구조물(10)의 보(11)와 마주보게 배치되고, 마찰댐퍼부(200)가 횡방향으로 슬라이드 이동가능하게 결합된다. 형강부(112)는 H형강으로 강재판(111)에 용접결합된다. 형강부(112)는 강재판(111)에 마찰댐퍼부(200)가 슬라이드 가능하게 결합된 후, 용접결합된다.
수직프레임(120)은 수평프레임(110)과 연결되며, 구조물(10)의 기둥(12)과 마주보게 배치된다. 가새프레임(130)은 수평프레임(110)과 수직프레임(120)을 대각선방향으로 서로 교차되게 연결된다.
마찰댐퍼부(200)는 구조물(10)과 결합되고, 가새골조부(100)에 슬라이드 이동가능하게 결합되며, 지진에 의해 연동되어 구조물(10)을 횡방향으로 변위시키며, 지진에너지를 소산한다. 구체적으로, 지진이 발생되는 경우, 구조물(10)이 가새골조부(100)에 슬라이드 이동가능하게 결합되는 마찰댐퍼부(200)와 연결됨에 따라, 구조물(10)에 횡변위가 발생되면 구조물(10)이 마찰댐퍼부(200)에 의해 횡방향으로 변위된다. 이때, 지진의 발생시 구조물(10)과 가새골조부(100) 사이의 상대변위에 의하여 마찰댐퍼부(200)에 의해 진동에너지 즉, 지진에너지가 소산된다.
가새골조부(100)에는 앵커로드부(220)가 이동되는 횡방향으로 긴 장공형상의 제1슬롯부(111a)가 형성된다. 즉, 가새골조부(100)의 강재판(111)에 제1슬롯부(111a)가 형성된다. 마찰패드부(400)에는 앵커로드부(220)가 이동되는 횡방향으로 긴 장공형상의 제2슬롯부(410)가 형성된다. 이에 따라, 앵커로드부(220)는 가새골조부(100)와 마찰패드부(400)에 횡방향으로 이동가능하도록 쉽게 결합될 수 있다.
마찰댐퍼부(200)는 형강부(210)와 앵커로드부(220)를 포함한다. 형강부(210)는 구조물(10)에 접한다. 형강부(210)는 H형강으로 구조물(10)의 보(11)에 접한다.
앵커로드부(220)는 형강부(210) 및 구조물(10)과 일체로 결합되고, 가새골조부(100)와 마찰패드부(400)에 횡방향으로 이동가능하게 체결된다. 앵커로드부(220)는 복수개로 형강부(210) 및 구조물(10)에 일체로 결합된다. 앵커로드부(220)는 가새골조부(100)의 강재판(111)과 마찰패드부(400)에 횡방향으로 이동가능하게 체결된다.
위치복귀부(300)는 가새골조부(100)와 결합되고, 마찰댐퍼부(200)와 연결되며, 탄성복원력으로 마찰댐퍼부(200) 및 구조물(10)을 원위치로 복귀시킨다. 구체적으로, 위치복귀부(300)는 지진에 의해 연동되어 횡방향으로 변위되는 마찰댐퍼부(200)에 의해 탄성변형된다. 즉, 마찰댐퍼부(200)의 위치변화에 따라 위치복귀부(300)는 마찰댐퍼부(200)의 압력을 받아 압축된다. 지진의 발생시 구조물(10)과 가새골조부(100) 사이의 상대변위에 의하여 위치복귀부(300)가 탄성변형되면서 탄성복원력을 생성할 수 있도록 할 수 있다. 이후, 지진의 발생이 멈추면, 위치복귀부(300)는 원상태로 복원되면서 횡방향으로 변위된 구조물(10)이 원위치로 복귀된다. 즉, 위치복귀부(300)에 가해지는 마찰댐퍼부(200)의 압력이 해제되고, 위치복귀부(300)가 원상태로 복원되면서 구조물(10)이 원위치로 복귀된다.
위치복귀부(300)는 한 쌍의 플레이트(310)와 한 쌍의 탄성부재(320)를 포함한다. 한 쌍의 플레이트(310)는 가새골조부(100)에 이격되게 결합되며, 마찰댐퍼부(200)의 양측에 배치된다. 한 쌍의 플레이트(310)는 가새골조부(100)의 강재판(111)에 서로 이격되게 배치된다.
한 쌍의 탄성부재(320)는 이웃한 플레이트(310)와 각각 연결되고, 마찰댐퍼부(200)와 결합되며, 탄성복원력으로 마찰댐퍼부(200)를 원위치로 복원시킨다. 탄성부재(320)는 형강부(210)의 양측에 각각 결합되어 플레이트(310)와 연결된다.
탄성부재(320)는 횡방향으로 겹쳐져 연결되는 복수개의 판스프링(321)을 구비한다. 이로 인해, 탄성부재(320)는 탄성복원력이 향상될 수 있다.
마찰패드부(400)는 가새골조부(100)에 결합되고, 마찰댐퍼부(200)와 접촉되어 마찰댐퍼부(200)의 이동시 마찰력을 발생시켜 지진에너지를 소산한다. 마찰패드부(400)는 탄성재질을 포함하여 이루어지며, 마찰댐퍼부(200)가 접촉되어 위치변화된다. 이때, 마찰패드부(400)는 마찰댐퍼부(200)의 위치변화에 따라 마찰댐퍼부(200)와 마찰되면서 마찰력을 발생시키면서 지진에너지를 소산한다.
도 15에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치(1)에서 구조물(10)에 변형이 발생될 때, 가새골조부(100)와, 마찰댐퍼부(200) 및 위치복귀부(300)에 변형이 발생하면, 마찰댐퍼부(200) 및 위치복귀부(300)에 발생하는 힘이 합쳐져서 구조물(10)에 대한 저항력이 발생된다는 점에서 병렬로 연결될 수 있다.
도 16에 도시된 것과 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치(1)에 지진이 발생되는 경우 힘과 변위를 관계를 살펴보면 깃발(flag) 형상을 가지는 것을 알 수 있다.
도 17에 도시된 것과 같이, 구조물(10)의 양측부에 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치(1)를 설치된 상태에서 지진이 발생되는 경우, 구조물용 내진보강장치(1)가 설치되기 전 최대변위(회색선) 보다 구조물용 내진보강장치(1)가 설치된 후 최대변위(빨간색)가 감소되는 것을 알 수 있다. 이때, 구조물(10)은 3층 구조를 가질 수 있다.
이와 같이, 본 발명의 일 실시예에 따른 구조물용 내진보강장치(1)에서는 구조물(10)과 가새골조부(100)의 상대변위로 인하여 마찰댐퍼부(200)에서 지진 에너지가 소산되고, 구조물(10)의 손상이 감소될 수 있다. 마찰댐퍼부(200)와 연결된 위치복귀부(300)의 작용으로 마찰댐퍼부(200)의 변형 후 원위치로 복귀하는 복원력이 발생하여, 지진 후 잔류변위를 최소화하며, 더 큰 내진 안전성을 확보할 수 있다.
본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 하여 설명되었으나, 이는 예시적인 것에 불과하며, 당해 기술이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이로부터 다양한 변형 및 균등한 타 실시예가 가능하다는 점을 이해할 것이다.
따라서, 본 발명의 진정한 기술적 보호범위는 아래의 특허청구범위에 의해서 정하여져야 할 것이다.
1 : 구조물용 내진보강장치 10 : 구조물
11 : 보 12 : 기둥
100 : 가새골조부 110 : 수평프레임
111 : 강재판 111a : 제1슬롯부
112 : 형강부 120 : 수직프레임
130 : 가새프레임 200 : 마찰댐퍼부
210 : 형강부 220 : 앵커로드부
300 : 위치복귀부 310 : 플레이트
320 : 탄성부재 321: 판스프링
400 : 마찰패드부 410 : 제2슬롯부

Claims (7)

  1. 구조물과 대향되게 설치되고, 상기 구조물보다 큰 강성을 가진 가새골조부;
    상기 구조물과 결합되고 상기 가새골조부에 슬라이드 이동가능하게 결합되며, 지진에 의해 연동되어 상기 구조물을 횡방향으로 변위시키며 지진에너지를 소산하는 마찰댐퍼부; 및
    상기 가새골조부와 결합되고 상기 마찰댐퍼부와 연결되며, 탄성복원력으로 상기 마찰댐퍼부 및 상기 구조물을 원위치로 복귀시키는 위치복귀부;를 포함하고,
    상기 가새골조부에 결합되고, 상기 마찰댐퍼부와 접촉되어 상기 마찰댐퍼부의 이동시 마찰력을 발생시켜 지진에너지를 소산하는 마찰패드부;를 더 포함하고,
    상기 마찰댐퍼부는,
    상기 구조물에 접하는 형강부; 및
    상기 형강부 및 상기 구조물과 일체로 결합되고, 상기 가새골조부와 상기 마찰패드부에 횡방향으로 이동가능하게 체결되는 앵커로드부;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물용 내진보강장치.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 가새골조부에는 상기 앵커로드부가 이동되는 횡방향으로 긴 장공형상의 제1슬롯부가 형성되고,
    상기 마찰패드부에는 상기 앵커로드부가 이동되는 횡방향으로 긴 장공형상의 제2슬롯부가 형성되는 것을 특징으로 하는 구조물용 내진보강장치.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 위치복귀부는,
    상기 가새골조부에 이격되게 결합되며, 상기 마찰댐퍼부의 양측에 배치되는 한 쌍의 플레이트; 및
    이웃한 상기 플레이트와 각각 연결되고, 상기 마찰댐퍼부와 결합되며, 탄성복원력으로 상기 마찰댐퍼부를 원위치로 복원시키는 한 쌍의 탄성부재;를 포함하는 것을 특징으로 하는 구조물용 내진보강장치.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 탄성부재는 횡방향으로 겹쳐져 연결되는 복수개의 판스프링을 구비하는 것을 특징으로 하는 구조물용 내진보강장치.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 탄성부재는 상기 형강부의 양측에 각각 결합되어 상기 플레이트와 연결되는 것을 특징으로 하는 구조물용 내진보강장치.
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