KR20070072979A - 스카이브리지를 이용한 건물의 진동제어구조 및 그시공방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 건축 구조물에서 바람 및 지진에 의해 발생하는 수평진동을 저감하기 위한 진동제어 방법으로 건물과 건물 사이에 스카이브리지(skybridge)를 연결하여 건물 상호간의 상대변위를 이용해 건물의 진동을 제어하는 방법에 관한 것이다.

본 발명은 인접한 두 건물을 같은 높이까지 시공하는 단계;와 상기 두 건물의 시공된 높이에서 양 건물과 스카이브리지가 연결되는 부분에 각각 진동제어장치를 설치하는 단계; 및 상기 두 건물을 잇는 스카이브리지를 시공하는 단계;의 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 스카이브리지를 이용한 건물의 진동제어 방법을 제공한다. 이러한 스카이브리지를 이용한 건물의 진동제어 방법은 건물의 설계 단계에서뿐만 아니라, 기시공된 인접한 건물 사이에도 스카이브리지를 연결시공하여 건물의 진동제어 효과를 기대할 수 있게 하므로 다양한 형태의 응용과 적용이 가능한 건물의 진동제어 방법을 제공한다.

고층 건물의 진동 제어, 스카이브리지와 진동 제어

Description

스카이브리지를 이용한 건물의 진동제어구조 및 그 시공방법{building vibration reducing method using skybridge}

도 1은 스카이브리지를 이용한 건물의 진동제어구조의 시공과정을 도시한 순서도이다.

도 2는 스카이브리지와 건물의 바닥슬래브와의 연결부분의 실시예를 도시한 단면도이다.

도 3은 진동제어장치의 일례로서 납면진받침(LRB)의 구조를 도시한 단면사시도이다.

<도면의 주요 부부에 대한 부호의 설명>

10 : 인접한 두 건물

20 : 진동제어장치 21 : 진동제어장치의 일례

22 : 납 코어 23 : 납 보강재

24 : 고무 25 : 다월 또는 볼트 홀

26 : 금속 덮개

30 : 스카이브리지(skybridge) 31 : 스카이브리지의 트러스 받침

40 : 바닥 슬래브

본 발명은 건물의 진동제어에 관한 것으로서 신규의 건물은 물론 기 시공완료된 건물에도 적용할 수 있는 진동제어 방법과, 진동제어 구조에 관한 것이다.

빌딩의 설계 및 시공기술이 발달함에 따라 점차로 초고층 건물들이 도심지에 지어지고 있다. 국내에서도 1990년 이후에 30층 이상의 초고층 건물들이 활발하게 건설되는 추세이다. 고층건물에 대한 설계기술 시스템 선정, 변위 및 진동제어, 상세설계 등의 과정에서 경제성과 구조 안정성 및 사용성의 측면을 모두 만족시키는 최적설계가 이루어져야 하므로 일반 저층 구조물에 비해 설계가 어려운 실정이다. 특히, 고층건물은 세장비가 높기 때문에 외력에 대한 에너지 분산능력이 적다. 따라서 이와 같은 구조물은 바람, 지진 등의 진동에 의해서 구조적인 안정성이 위협받고 있고, 진동이 심한 경우 거주자가 멀미 증세 등을 보이기도 한다.

이러한 초고층 건물의 수평진동을 제어하기 위해 미국과 일본에서는 20여 년 전부터 진동제어 장치를 개발하여 고층건물에 적용해 왔으며, 최근에는 충격흡수 장치를 건물에 부착시켜 건물의 진동 감쇠 성능을 향상시키기 위한 시도 등 다양한 시도가 이루어지고 있다. 하지만 기존의 감쇠기는 주로 구조물의 층간변위를 이용하여 가새나 벽체들을 이용하는 형태로서 설치 공간 확보에 어려움이 있고, 시공이 완료된 기존 건물에의 보강 방법으로서 적절하지 못하다는 단점이 있다.

한편 교량의 진동을 제어하기 위한 교량받침으로서는 속도에 비례한 점성댐퍼를 사용하거나 금속체의 비선형 거동을 이용하여 진동에너지를 흡수하는 방법, 면진받침을 사용하는 방법 등이 널리 이용되고 있다. 면진 구조에 요구되는 성능으로는 구조물의 수직하중 지지성능, 온도변화에 의한 상부구조의 신축시 발생하는 느린 속도의 변위에 대한 작은 저항성, 풍하중, 제동하중 등과 같은 빠른 속도의 변위에 대한 높은 저항성, 지반으로부터의 진동 전달에 대하여 상부구조의 고유주기를 길게 하는 지반 분리기능, 과도한 반복 변위에 대하여 에너지를 흡수, 소산하는 감쇄성능 및 지반 진동 완료 후 원위치로 되돌아오는 복원성을 들 수 있다.

이러한 지진 발생시 구조물의 피해를 방지하기 위해 여러 가지의 지진격리 및 제진 장치들이 개발되어 사용되고 있는데 주로 많이 사용되는 제품으로는 고무와 강판을 겹친 복합구조를 갖는 탄성받침(Elastomeric Bearing), 탄성받침에 납을 삽입한 납면진받침(Lead Rubber Bearing), 두 접촉면의 미끄럼을 이용한 활동형 받침(Sliding Bearings), 강재감쇠기(Metallic Damper), 마찰감쇠기(Friction Damper), 점성감쇠기(Viscous Damper), 동조질량감쇠기(Tuned Mass Damper), 능동제어 시스템(Active Control System) 등을 들 수 있다. 특히 납면진받침(LRB, Lead Rubber Bearing)는 적층고무에 납 Plug를 주입시켜, 상부구조물의 고유주기를 길게 하여 상부구조에 유발되는 지진력의 크기를 줄이고자하는 면진 받침의 일종으로 납으로 하여금 풍하중, 제동하중 등의 낮은 Level의 진동은 초기 강성으로 제어 하고 지진 시 발생할 수 있는 큰 수평력의 에너지를 흡수하여, 구조물에 발생할 수 있는 거동에 대하여 안정성을 확보할 수 있는 장치이다. 결국 LRB는 지진 시 수평하중을 흡수 소산시키는 면진 기능을 가진 받침이며, 수직하중과 회전변위는 내구성이 우수한 특수 고무판과 보강철판이 교대로 적층된 탄성받침이 수용하고 신축이동은 전단변형에 의해 수용한다. 중앙에 삽입된 납은 비선형 거동시 소성변형에 의해 지진에너지를 흡수 소산시킨다.

본 발명은 상기와 같은 건물의 진동에 의한 문제점을 해결하고, 건물에 진동제어장치를 설치할 때의 공간확보 문제를 극복하며 상기 살펴본 바와 같이 교량에 쓰이는 다양한 진동제어장치를 건물에 도입하여 응용함으로써 건물의 진동을 제어하는 데에 효과적인 방법을 제공하는 것을 기술적 과제로 한다. 또한 시공예정 건물은 물론 기 시공완료된 인접한 건물 사이에도 스카이브리지를 후차적으로 연결하여 진동제어 효과를 얻을 수 있는 방법을 제공하는 것을 목표로 한다.

본 발명은 건물의 진동제어에 관한 것으로서 신규의 건물은 물론 기 시공완료된 건물에도 적용할 수 있는 진동제어 방법과, 진동제어 구조에 관한 것으로, 인접한 두 개의 건물;과 두 건물의 같은 높이에서 수평으로 연결된 스카이브리지; 및 상기 건물들과 상기 스카이브리지의 연결부분인 스카이브리지의 네 모서리 하부에 설치되는 진동제어장치;의 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 스카이브리지를 이용한 건물의 진동제어구조를 제공한다. 이때 상기 진동제어장치로는 교량에서 쓰이는 진동제어장치가 다양하게 활용될 수 있으며 스페리칼받침(Spherical Bearing), DRB탄성받침(Developed Rubber Bearing), 디스크받침(Disktron Bearing), 포트받침(Pot Bearing) 등의 사용이 그 예이다. 특히 납면진받침(LRB)을 필요에 따라 원형 또는 사각형 등으로 변형하여 사용함으로써 수평 2방향의 진동을 제어할 수 있다. 진동제어장치를 바닥에 설치하는 방법은 통상의 교량에서의 교좌장치 설치방법과 동일하다.

또한 본 발명은 상기 건물의 진동제어 구조를 설치하는 방법으로서 시공예정인 인접한 두 건물을 소정의 같은 높이까지 시공하는 단계;와 상기 두 건물의 시공된 높이에서 양 건물의 마주보는 면으로서 향후 스카이브리지가 연결될 부분의 바닥에 각각 한 쌍의 진동제어장치를 설치하는 단계; 및 상기 진동제어장치를 네 모서리로 하고 상기 진동제어장치 상부에 놓여지며 상기 인접한 두 건물을 잇는 스카이브리지를 시공하는 단계;의 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 스카이브리지를 이용한 건물의 진동제어 방법을 제공한다. 또, 기시공된 건물로서 인접한 두 건물이 있는 경우에는 인접한 두 건물의 마주보는 벽면의 같은 높이에 각각 개구부를 만드는 단계;와 상기 개구부의 바닥 슬래브 위에 각각 한 쌍의 진동제어장치를 설치하는 단계; 및 상기 진동제어장치를 네 모서리로 하고 상기 진동제어장치 상부에 놓여지며 상기 인접한 두 건물의 개구부를 잇는 스카이브리지를 시공하는 단계;의 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 스카이브리지를 이용한 건물의 진동제어방법 을 제공한다. 이때 상기 진동제어장치로는 교량에서 쓰이는 진동제어장치가 다양하게 활용될 수 있으며 스페리칼받침(Spherical Bearing), DRB탄성받침(Developed Rubber Bearing), 디스크받침(Disktron Bearing), 포트받침(Pot Bearing) 등의 사용이 그 예이다. 특히 납면진받침(LRB)을 필요에 따라 원형 또는 사각형 등으로 변형하여 사용함으로써 수평 2방향의 진동을 제어할 수 있음은 앞서 언급한 바와 같다. 진동제어장치를 바닥에 설치하는 방법은 통상의 교량에서의 교좌장치 설치방법과 동일하다.

이하에서는 첨부된 도면을 참고하여 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.

도 1은 스카이브리지를 이용한 건물의 진동제어구조의 시공과정을 도시한 순서도이다.

시공예정인 인접한 두 건물(10)이 있는 경우, 우선 두 건물을 소정의 같은 높이까지 시공하도록 한다(a). 이때의 인접한 두 건물(10)의 시공 높이는 향후 스카이브리지가 시공될 높이와 같다.

그리고 상기 두 건물의 시공된 높이에서 인접한 두 건물(10)의 마주보는 면으로서 향후 스카이브리지가 연결될 부분의 바닥에 각각 한 쌍의 진동제어장치(20)를 설치한다(b). 상기 진동제어장치(20)는 상기 인접한 두 건물(10)에 각각 한 쌍씩 총 4개가 설치되며, 한 쌍의 진동제어장치(20)의 설치 간격은 향후 시공될 스카이브리지의 폭과 같다. 진동제어장치(20)의 설치 방법은 교량에서의 교좌장치 설치 방법과 동일하다. 그리고 사용할 수 있는 진동제어장치(20)의 종류도 교량에서와 동일하며, 스페리칼받침(Spherical Bearing), DRB탄성받침(Developed Rubber Bearing), 디스크받침(Disktron Bearing), 포트받침(Pot Bearing) 등의 사용이 그 예이다. 특히 납면진받침(LRB)을 필요에 따라 원형 또는 사각형 등으로 변형하여 사용함으로써 수평 2방향의 진동을 제어할 수 있다.

다음으로는 상기 설치된 진동제어장치(20)를 네 모서리로 하고 상기 진동제어장치(20) 상부에 놓여지며 상기 인접한 두 건물(10)을 잇는 스카이브리지(20)를 시공한다(c). 스카이브리지(20)의 형태와 높이 및 너비 등은 필요에 따라 다양하게 변형될 수 있다.

마지막으로, 상기 인접한 두 건물(10)의 상부층을 시공하고 건물 시공을 완료한다(d).

이렇게 설치된 진동제어장치(20)는 향후 진동에 의해 양 건물에 각각 변위가 발생하면, 인장력과 압축력으로 스카이브리지(20) 양단에 하중이 작용하게 되므로 이에 대응하여 진동에 의한 건물의 변형 등을 최소화하는 역할을 수행한다. 이때 설치되는 스카이브리지(20)의 높이는 효과적인 수평력에의 대응을 위해 건물 높이의 2/3지점 정도가 바람직하다. 그리고 3 이상의 건물들을 상호 연결하는 것도 동일한 방법으로 가능하다. 이러한 건물의 진동제어 방법을 사용함으로써, 수개의 건물에 진동제어장치를 층층이 여러 개 설치하지 않아도 되므로 경제적인 이점을 얻을 수 있다.

시공이 완료된 기존의 건물로서 인접한 건물이 있는 경우에는 동일한 원리로서 시공순서에 약간의 변형을 가해 본 발명을 적용할 수 있다. 인접한 두 건물의 마주보는 면에 개구부를 형성하고, 개구부와 개구부를 연결하는 스카이브리지를 시공하되, 스카이브리지의 네 모서리 바닥에 진동제어장치를 설치하는 것이다. 개구부와 스카이브리지의 폭과 높이 등은 필요에 따라 다양한 크기와 형태가 될 수 있으며, 사용되는 진동제어장치의 종류와 설치 방법은 앞서 언급한 바와 같다. 역시 스카이브리지의 설치 높이는 건물 높이의 2/3지점 정도가 바람직하다. 본 발명을 시공이 완료된 기존 건물에 손쉽게 적용할 수 있다는 것은 큰 장점이며, 설치된 스카이브리지가 진동제어 목적으로서 뿐만 아니라 비상대피 통로로 쓰이는 등으로 건물의 활용에 도움이 될 수 있음은 물론이다.

도 2는 스카이브리지와 건물의 바닥슬래브와의 연결부분의 실시예를 도시한 단면도이다.

인접한 두 건물의 같은 높이의 바닥 슬래브(40)로서, 스카이브리지와 연결되는 부분으로 스카이브리지의 4 모서리 하부에 해당하는 곳에 각각 진동제어장치(21)를 설치한다. 도 2에서의 진동제어장치는 납면진받침을 사용하고 스카이브리지는 트러스구조로 구성된 때를 도시한 실시예이다. 이때 사용될 수 있는 진동제어장치의 종류는 스페리칼받침(Spherical Bearing), DRB탄성받침(Developed Rubber Bearing), 디스크받침(Disktron Bearing), 포트받침(Pot Bearing) 등으로 다양하다. 설치방법은 교량에서의 일반 교좌장치 설치방법과 동일하다. 스카이브리지의 형태는 다양하게 변형이 가능하다.

도 3은 진동제어장치의 일례로서 납면진받침(LRB)의 구조를 도시한 단면사시도이다.

납면진받침은 금속과 고무로 이루어지는 것이 일반적인데, 필요에 따라 원형, 타원형, 사각형태 등으로 응용이 가능하다. (a)는 사각형 형태, (b)는 원형 형태의 납면진받침을 나타낸 것이다. 사각형 형태의 납면진받침(a)의 중앙에는 납 코어(22)가 있고, 고무(24) 사이에는 층층이 납 보강재(23)가 들어갈 수 있으며, 고무(24)에는 납면진받침의 고정을 위해 다월 또는 볼트 홀(25)이 형성되어 있다. 또한, 원형 형태의 납면진받침(b)도 중앙에는 납 코어(22)가 있고, 내부는 고무(24)로 채워지며 상기 고무(24) 사에에는 납 보강재(23)가 층층이 들어갈 수 있다. 고무(24)의 상부와 하부에는 각각 판형의 금속 덮개(26)가 결합하는 것이 일반적이다. 일반적으로 단주기 성분이 강하고 장주기 성분이 약한 지진파의 주기특성을 이용하여, 구조물의 고유주기를 임의로 길게 해 수평지진력의 크기 자체를 감소시키는 동시에 진동에너지를 납의 비선형 거동으로 흡수하여 교량 상판의 진동을 억제하고자 하는 것이 납면진받침이며 에너지 흡수를 위해 탄성 받침의 내부에 납(22, 23)을 압착하여 삽입한 것이 탄성 받침과 다른 점이다. 고무(24)에 의해 중앙복원력이 제공되고 납의 전단, 압출, 항복을 통해 다방향의 에너지를 흡수한다.

본 발명의 진동 제어 방법에 의하면 수평방향의 2방향에 대한 진동제어가 가능해지므로 진동에 대한 구조적 안정성을 높일 수 있다. 또 이를 고층건물의 설계에 적용하면 풍하중과 건물의 진동을 줄일 수 있어 경제적인 설계가 가능해진다는 이점이 있다. 한편, 시공 예정인 건물뿐 아니라 시공이 완료된 기존 건물의 경우에도 인접한 건물이 있을 때에 적용 가능한 진동제어 방법이므로, 경제적이며 손쉬운 보강방법이 될 수 있다. 또한 설치된 스카이브리지는 진동제어 목적으로의 사용뿐만 아니라 비상시 화재나 기타 재난사고에 대한 대피 통로로 사용될 수도 있다.

Claims (4)

1. 인접한 두 개의 건물;

   두 건물의 같은 높이에서 수평으로 연결된 스카이브리지;

   상기 건물들과 상기 스카이브리지의 연결부분인 스카이브리지의 네 모서리 하부에 설치되는 진동제어장치;

   상기의 구성을 포함하는 것을 특징으로 하는 스카이브리지를 이용한 건물의 진동제어구조.
2. 제 1항에서,

   상기 진동제어장치는 납면진받침(LRB) 또는 점성감쇠기(Viscous damper)로 하는 것을 부가적인 특징으로 하는 스카이브리지를 이용한 건물의 진동제어구조.
3. 인접한 두 건물을 같은 높이까지 시공하는 단계;

   상기 두 건물의 시공된 높이에서 양 건물의 마주보는 면의 바닥 슬라브 위에 각각 한 쌍의 진동제어장치를 설치하는 단계;

   상기 진동제어장치를 네 모서리로 하고 상기 진동제어장치 상부에 놓여지며 상기 인접한 두 건물을 잇는 스카이브리지를 시공하는 단계;

   상기 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 스카이브리지를 이용한 건물의 진동제어방법.
4. 인접한 두 건물의 마주보는 벽면의 같은 높이에 각각 개구부를 만드는 단계;

   상기 개구부의 바닥 슬래브 위에 각각 한 쌍의 진동제어장치를 설치하는 단계;

   상기 진동제어장치를 네 모서리로 하고 상기 진동제어장치 상부에 놓여지며 상기 인접한 두 건물의 개구부를 잇는 스카이브리지를 시공하는 단계;

   상기 과정을 포함하는 것을 특징으로 하는 스카이브리지를 이용한 건물의 진동제어방법.

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