KR20120008641U - 마찰형 내진댐퍼 - Google Patents

Abstract

본 고안은 마찰형 내진댐퍼에 관한 것으로서, 건물의 내진능력을 향상 또는 부족한 내진능력을 보강하기 위하여 설치하는 내진댐퍼를 지진에 의한 반복되는 진동을 효과적으로 흡수하여 건물에 미치는 영향을 최소화할 수 있도록 하기 위하여 개발된 것으로;
철골구조 또는 철근 콘크리트 건축물의 내진보강을 위해서 사각의 틀을 이루는 한 구획의 외곽에 설치되어 상호 끝단이 연결되는 각각 두 개의 수직프레임 및 수평프레임과, 상기 프레임에 의하여 형성되는 사각 틀의 내측을 상호 연결하여 지진에 의하여 발생하는 진동을 흡수 상쇄시키도록 하는 내진댐퍼에 있어서;
상기 내진댐퍼는 상기 수직프레임과 수평프레임이 만나는 하단 양측 모서리에 각각 일 끝단이 고정되고, 타측단은 상호 마주보는 방향으로 상향 경사지게 연장되는 두 개의 연결프레임과;
상기 상부에 위치한 수평프레임의 저면 중앙에 장착되어 전후 방향으로 일정 간격 이격되어 하부로 연장되되 하단에는 전후 방향으로 관통된 제1 축홀이 형성되는 축 장착리브를 포함하는 고정브라켓과;
상기 축 장착리브의 좌우 방향으로 대칭되게 장착되어 중앙에는 수평 관통되는 실린더홀이 형성되는 가이드브라켓과;
상기 가이드브라켓의 실린더홀에 삽입되어 좌우 왕복운동을 할 때 내경면과 밀착하여 마찰력이 발생하도록 하는 마찰수단과;
중앙에는 상기 고정브라켓의 제1 축홀에 상응하는 제2 축홀이 형성되어 삽입되는 축에 의하여 회전가능하게 고정되고, 상부로 연장되어 상기 마찰수단의 일단과 연결되며, 하부는 좌우로 연장되어 양측 끝단은 상기 연결프레임의 상단과 회전가능하게 연결되는 회전프레임으로 구성됨을 특징으로 하는 마찰형 내진댐퍼에 관한 것이다.

Description

마찰형 내진댐퍼{The friction damper for the earthquake-proof}

본 고안은 마찰형 내진댐퍼에 관한 것으로서, 좀더 상세하게 설명하면 건물의 내진능력을 향상 또는 부족한 내진능력을 보강하기 위하여 설치하는 내진댐퍼를 지진에 의한 반복되는 진동을 효과적으로 흡수하여 건물에 미치는 영향을 최소화할 수 있도록 하기 위하여 개발된 마찰형 내진댐퍼에 관한 것이다.

최근에 이웃나라인 일본에서 발생한 규모 9.0에 이르는 강진은 지진에 의한 인적 물적인 피해가 얼마나 크다는 것을 단적으로 보여주는 일 예로 상대적으로 지진의 발생빈도가 적은 우리나라도 큰 경각심을 주었다.

아직도 상당히 많은 사람들은 한반도가 지진으로부터 안전한 지역이라 생각하는 경우가 많으나 역사적으로 779년(신라 혜공왕 15년) 경주 지역에서는 규모 8 이상으로 추측되는 발생한 지진과, 1643년 경주 근처에서 발생한 규모 10으로 추측되는 지진이 발생한 기록이 남아 있으며, 특히 후자의 경우 서울과 전라도에서도 느꼈다고 할 정도로 대형 지진으로 대구?안동?영덕?김해의 봉화대가 무너지고 울산에는 땅이 갈라져 물이 솟아났다는 기록으로 상당히 큰 피해가 있었음을 짐작할 수 있다.

역사기록과 지진관측 이후로의 기록을 종합하여 약 2000년 동안의 한반도 지진기록을 보면 진도(MMI) 5 이상은 400여 회, 진도(MMI) 6 이상은 170여 회로 결코 지진으로부터 안전한 지역이 아니라는 것을 알 수 있다.

하지만 국내에서는 그 대비책으로 1988년부터 6층 이상, 연면적 1만㎡ 이상인 구조물만 내진설계를 의무화하고 있으나 1988년 이전에 지은 건축물?교량?터널 등은 사실상 지진피해에 무방비 상태로 노출되어 있으며 6층 미만의 건물과 연면적 1만㎡ 미만의 건물의 경우 마땅한 대비책이 전무한 실정이라고 할 수 있다.

특히 학교의 경우 항상 많은 학생과 교직원이 있는 건물로 이러한 건물은 지진에 의한 붕괴사고시 대량의 인명사고가 발생하는 곳이며, 재난 상황이 발생할 경우 대피소로 쓰임이 많은 곳으로 보다 견고한 내진 설계가 시급한 상황이다.

이에 국내에서도 오래된 건물 또는 지진에 대한 내진설계가 미흡한 건물에 설치하여 부족한 내진 능력을 보강할 수 있는 기술은 일본에서 주로 사용되는 방법으로 고정식 사각 철골 프레임에 유압 또는 점성 댐퍼를 구비한 내진보강방법이 있었다.

이는 건물의 사각 벽면에 경사지게 유압 또는 점성 댐퍼를 설치하여 지진 발생시 층간 변형을 2~3배 증폭하여 유압 또는 점성 댐퍼에 전달함으로써 지진 에너지의 효율을 향상하여 흡수하는 공법이다.

대한민국 특허출원 제10-2009-003393호에서는 토글 댐퍼에 의한 건물의 보강 예를 볼 수 있으며 여기서는 건물의 구획을 이루는 사각 철골 프레임의 세 모서리에 일측단이 연결되고 타측단은 세 개가 연결된 구조를 가지는 내진 보강법을 볼 수 있다.

이때 이러한 종래기술은 그 가격과 설치 비용이 고가이며, 관리를 하지 않고 설치 상태로 장기간 방치될 경우 부식이나 내부 기름 등이 유출되어 그 성능이 저하되어 지진 발생시 최초 설계 요구만큼 진동을 흡수하지 못할 우려가 있다.

또한 발생하는 지진에 의한 진동은 보통 0.1 ~ 15Hz의 범위를 가지고 있는 것으로 이는 진동 횟수가 1초에 0.1번에서 15번 이라는 의미로 피해를 주는 대부분의 진동은 1초에 수 번의 진동이 이루어진다.

이는 상대적으로 저주파라고 칭하나 구조학적으로 초당 여러 번의 진동이 있을 경우 유압이나 점성 및 기타 대부분의 댐퍼가 반복되는 진동에 빨리 반응하여 이를 흡수하기가 용이하지 않았던 문제점이 있다.

본 고안은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 개발된 것으로서, 그 목적은 내진 설계가 미흡한 기존의 건물에 용이하게 시공하여 보강할 수 있는 마찰형 내진댐퍼를 개발하는 것에 있다.

또한, 초당 수 번 이상 반복되는 진동을 용이하게 흡수 및 상쇄시킬 수 있도록 하는 마찰형 내진댐퍼를 개발하는 것에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여 본 고안은 철골구조 또는 철근 콘크리트 건축물의 내진보강을 위해서 사각의 틀을 이루는 한 구획의 외곽에 설치되어 상호 끝단이 연결되는 각각 두 개의 수직프레임 및 수평프레임과, 상기 프레임에 의하여 형성되는 사각 틀의 내측을 상호 연결하여 지진에 의하여 발생하는 진동을 흡수 상쇄시키도록 하는 내진댐퍼에 있어서;

상기 내진댐퍼는 상기 수직프레임과 수평프레임이 만나는 하단 양측 모서리에 각각 일 끝단이 고정되고, 타측단은 상호 마주보는 방향으로 상향 경사지게 연장되는 두 개의 연결프레임과;

상기 상부에 위치한 수평프레임의 저면 중앙에 장착되어 전후 방향으로 일정 간격 이격되어 하부로 연장되되 하단에는 전후 방향으로 관통된 제1 축홀이 형성되는 축 장착리브를 포함하는 고정브라켓과;

상기 축 장착리브의 좌우 방향으로 대칭되게 장착되어 중앙에는 수평 관통되는 실린더홀이 형성되는 가이드브라켓과;

상기 가이드브라켓의 실린더홀에 삽입되어 좌우 왕복운동을 할 때 내경면과 밀착하여 마찰력이 발생하도록 하는 마찰수단과;

중앙에는 상기 고정브라켓의 제1 축홀에 상응하는 제2 축홀이 형성되어 삽입되는 축에 의하여 회전가능하게 고정되고, 상부로 연장되어 상기 마찰수단의 일단과 연결되며, 하부는 좌우로 연장되어 양측 끝단은 상기 연결프레임의 상단과 회전가능하게 연결되는 회전프레임으로 구성됨을 특징으로 한다.

아울러, 상기 회전프레임의 연장된 상단에는 핀홈이 추가로 형성되고;

중앙에는 상기 핀홈에 상응하는 핀홀이 형성되어 고정핀에 의하여 상기 회전프레임에 양측이 상하로 시소의 형태로 회전가능하게 장착되고, 양측단은 상기 마찰수단의 일단과 결합되는 이동브라켓이 추가로 형성됨을 특징으로 한다.

또한, 상기 마찰수단은 외경은 상기 실린더홀에 상응하고 중앙에 홀이 형성되어 있는 고무재질을 가진 수 개의 원판 형상의 마찰부재와, 외경이 상기 마찰부재 보다 작고 중앙에 홀이 형성되어 인접한 상기 마찰부재의 사이와 좌우 양측 단에 장착되는 수 개의 간격링과, 상기 마찰부재와 간격링을 관통하여 상호 밀착 고정하도록 하는 한 쌍의 고정볼트 및 너트로 구성되며;

상기 너트로 고정된 상기 고정볼트의 일단이 상기 회전프레임 또는 이동브라켓에 고정되도록 구성됨을 특징으로 한다.

아울러, 상기 마찰수단은 상기 너트와 인접한 간격링의 사이에 중앙에 관통된 홀을 가지고 일정 길이 연장되는 간격부재가 추가로 장착됨을 특징으로 한다.

또한, 가이드브라켓에는 상기 실린더홀의 상기 회전프레임 또는 이동브라켓이 삽입된 타측을 마감하는 마감부재가 추가로 장착됨을 특징으로 한다.

상술한 바와 같이 본 고안은 내진 설계가 되지 않았거나 미흡한 건물에 용이하게 보강 시공하여 지진 발생시 발생하는 에너지를 효과적으로 흡수하도록 하여 건물을 보다 구조적으로 안정화시키는 효과가 있다.

또한, 지진에 의한 진동이 실린더홀의 내부에서 왕복 운동하는 수 개의 마찰부재에서 마찰력으로 상쇄되도록 하여 짧은 시간에 반복되는 진동에서도 내구성이 최대한 손상되지 않고 진동에 의한 지진 에너지를 효과적으로 흡수할 수 있는 효과가 있다.

도 1은 본 고안의 일 실시 예에 따른 사용상태도
도 2는 본 고안의 일 실시 예에 따른 요부 사시도
도 3은 본 고안의 일 실시 예에 따른 요부 분해사시도
도 4a 내지 도 4b는 본 고안의 일 실시 예에 따른 작동상태도
도 5는 본 고안의 다른 실시 예에 따른 개념도

이에 본 고안의 구성을 첨부된 도면에 의하여 당업자가 용이하게 이해하고 재현할 수 있도록 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 고안의 일 실시 예에 따른 사용상태도로서, 기존의 건물(4)을 보강하기 위하여 철골구조 또는 철근 콘크리트 건축물의 내진보강을 위해서 사각의 틀을 이루는 한 구획의 외곽에 설치되어 상호 끝단이 연결되는 각각 두 개의 수직프레임(1) 및 수평프레임(2)과, 상기 프레임에 의하여 형성되는 사각 틀의 내측을 상호 연결하여 지진에 의하여 발생하는 진동을 흡수 상쇄시키도록 하는 내진댐퍼(3)에 의하여 보강공사를 하고 있다.

본원에서는 상기 내진댐퍼(3)를 상기 수직프레임(1)과 수평프레임(2)이 만나는 하단 양측 모서리에 각각 일 끝단이 고정되고, 타측단은 상호 마주보는 방향으로 상향 경사지게 연장되는 두 개의 연결프레임(31)과;

상기 상부에 위치한 수평프레임(2)의 저면 중앙에서 하부로 연장되는 고정브라켓(32)과;

상기 고정브라켓(32)의 저면 양측에 중앙에는 수평 관통되는 실린더홀이 형성되어 그 내부에는 좌우 왕복운동을 할 때 내경면과 밀착하여 마찰력이 발생하도록 하는 마찰수단(34; 도 3참조)이 장착되는 가이드브라켓(33)과;

이러한 구조에 중앙은 상기 고정브라켓(32)과 회전가능하게 고정되고, 상부 양측은 상기 마찰수단(34)의 일단과 연결되며, 하부는 좌우로 연장되어 양측 끝단은 상기 연결프레임(31)의 상단과 회전가능하게 연결되는 회전프레임(35)으로 구성됨을 특징으로 하는 마찰형 내진댐퍼를 제시하였다.

일단 상기 실시 에는 지진에 의한 주로 진동 에너지를 상기 마찰수단과 가이드브라켓(33)의 사이에서 발생하는 마찰력에 의하여 상쇄하기 위한 것이다.

이하 본원의 보다 구체적인 구성을 첨부된 도면에 의하여 추가적으로 설명하기로 한다.

도 2는 본 고안의 일 실시 예에 따른 요부 사시도이고, 도 3은 본 고안의 일 실시 예에 따른 요부 분해사시도이며, 도 4a 내지 도 4b는 본 고안의 일 실시 예에 따른 작동상태도로서, 상기 상부에 위치한 수평프레임(2)의 저면 중앙에 장착되어 전후 방향으로 일정 간격 이격되어 하부로 연장되되 하단에는 전후 방향으로 관통된 제1 축홀(321)이 형성되는 축 장착리브(322)를 포함하는 고정브라켓(32)과;

상기 축 장착리브(322)의 좌우 방향으로 대칭되게 장착되어 중앙에는 수평 관통되는 실린더홀(331)이 형성되는 가이드브라켓(33)과;

상기 가이드브라켓(33)의 실린더홀(331)에 삽입되어 좌우 왕복운동을 할 때 내경면과 밀착하여 마찰력이 발생하도록 하는 마찰수단(34)과;

중앙에는 상기 고정브라켓(32)의 제1 축홀(321)에 상응하는 제2 축홀(351)이 형성되어 삽입되는 축(352)에 의하여 회전가능하게 고정되고, 상부로 연장되어 상기 마찰수단(34)의 일단과 연결되며, 하부는 좌우로 연장되어 양측 끝단은 상기 연결프레임(31)의 상단과 회전가능하게 연결되는 회전프레임(35)의 보다 구체적인 형상을 나타내었다.

상기 실시 예는 지진에 의한 진동은 상기 수직 및 수평프레임(1, 2)에 전달되어 상기 프레임이 직사각형에서 평행사변형으로 찌그러트리는 방향으로 이루어지며 이는 상기 연결프레임(31)에 전달된다.

이때 상기 연결프레임(31)은 상기 축(352)의 기준으로 한쪽 상단은 상승하고 다른 한쪽 상단은 하강하는 형태로 진동이 전달되며 이러한 축의 운동은 상기 회전프레임(35)의 상단이 좌우로 진동하게 되는 운동으로 전환되는 것이다.

이러한 좌우운동은 상기 마찰수단(34)이 상기 가이드브라켓(37)의 실린더홀(331)의 내부에서 왕복운동을 하는 것으로 이때 발생하는 마찰력이 지진의 에너지를 상쇄하는 것이다.

이때 상기 마찰수단(34)의 보다 구체적인 구성으로는 외경은 상기 실린더홀(331)에 상응하고 중앙에 홀이 형성되어 있는 고무재질을 가진 수 개의 원판 형상의 마찰부재(341)와;

외경이 상기 마찰부재(341) 보다 작고 중앙에 홀이 형성되어 인접한 상기 마찰부재(341)의 사이와 좌우 양측 단에 장착되는 수 개의 간격링(342)과;

상기 마찰부재(341)와 간격링(342)을 관통하여 상호 밀착 고정하도록 하는 한 쌍의 고정볼트(343) 및 너트(344)로 구성되어;

상기 너트(344)로 고정된 상기 고정볼트(343)의 일단이 상기 회전프레임(35) 또는 이동브라켓(36)에 고정되도록 구성되는 실시 예를 나타내었다.

상기 실시 예에서 마찰부재(341)을 수 개가 일정 간격 이격되면 하나의 원통형으로 형성할 경우 정지마찰력이 극대화되어 진동에도 잘 움직이지 않는 문제를 해결하는데 그 첫번째 목적이 있다.

다른 목적으로는 고정볼트(343)와 너트(344)에 의한 조임이 견고하게 이루어질 경우와 약간 느슨하게 이루질 경우 최초 유동하도록 하는 힘 즉 정지마찰력과 운동마찰력에 차이가 있으므로 이를 이용하여 원하는 마찰력을 조절할 수 있도록 하는 것이다.

이때 상기 회전프레임(35)의 상단은 단순 좌우왕복운동이 아니라 일정한 호를 이루면서 운동하기에 상기 마찰수단(34)과의 결합부가 손상될 우려가 있으며 이를 방지하기 위한 구성으로는 두 가지의 일 예로 들 수 있다.

하나는 상기 마찰수단(34)은 상기 너트(344)와 인접한 간격링(342)의 사이에 중앙에 관통된 홀을 가지고 일정 길이 연장되는 간격부재(345)가 추가로 장착되는 실시 예로서, 상기 간격부재(345)는 상기 회전프레임(35)의 방향으로 길게 연장되는 고정볼트(343)를 보강하면서 동시에 너트(344)의 결합을 견고하게 하는 역할을 한다.

다른 하나로는 상기 회전프레임(35)의 연장된 상단에는 핀홈(353)이 추가로 형성되고;

중앙에는 상기 핀홈(353)에 상응하는 핀홀(361)이 형성되어 고정핀(362)에 의하여 상기 회전프레임(35)에 양측이 상하로 시소의 형태로 회전가능하게 장착되고, 양측단은 상기 마찰수단(34)의 일단과 결합되는 이동브라켓(36)을 추가로 형성하는 것이다.

상기 구성은 상기 이동브라켓(36)이 항상 수평을 유지할 수 있도록 하여 상기 고정볼트(343)에 측방향으로 가해지는 힘을 제거하도록 한 것이다.

도 5는 본 고안의 다른 실시 예에 따른 개념도로서, 상기 가이드브라켓(33)에는 상기 실린더홀(331)의 상기 회전프레임(35) 또는 이동브라켓(36)이 삽입된 타측을 마감하는 마감부재(332)가 추가로 장착됨을 특징으로 하는 실시 예를 나타내었다.

상기 실시 예는 상기 마찰부재(332)의 마찰력 뿐만 아니라 마찰부재(332)가 움직일때 그 사이의 공기가 압축력 또는 팽창력에 대하여 대할 할 수 있는 에어쿠션 구조를 가지도록 한 것이다.

1 : 수직프레임
2 : 수평프레임
3 : 내진댐퍼
31 : 연결프레임
32 : 고정브라켓
321 : 제1 축홀 322 : 축 장착리브
33 : 가이드브라켓
331 : 실린더홀 332 : 마감부재
34 : 마찰수단
341 : 마찰부재 342 : 간격링
343 : 고정볼트 344 : 너트
345 : 간격부재
35 : 회전프레임
351 : 제2 축홀 352 : 축
353 : 핀홈
36 : 이동브라켓
361 : 핀홀 362 : 고정핀
4 : 건물

Claims (5)

1. 철골구조 또는 철근 콘크리트 건축물의 내진보강을 위해서 사각의 틀을 이루는 한 구획의 외곽에 설치되어 상호 끝단이 연결되는 각각 두 개의 수직프레임(1) 및 수평프레임(2)과, 상기 프레임에 의하여 형성되는 사각 틀의 내측을 상호 연결하여 지진에 의하여 발생하는 진동을 흡수 상쇄시키도록 하는 내진댐퍼(3)에 있어서;
   상기 내진댐퍼(3)는 상기 수직프레임(1)과 수평프레임(2)이 만나는 하단 양측 모서리에 각각 일 끝단이 고정되고, 타측단은 상호 마주보는 방향으로 상향 경사지게 연장되는 두 개의 연결프레임(31)과;
   상기 상부에 위치한 수평프레임(2)의 저면 중앙에 장착되어 전후 방향으로 일정 간격 이격되어 하부로 연장되되 하단에는 전후 방향으로 관통된 제1 축홀(321)이 형성되는 축 장착리브(322)를 포함하는 고정브라켓(32)과;
   상기 축 장착리브(322)의 좌우 방향으로 대칭되게 장착되어 중앙에는 수평 관통되는 실린더홀(331)이 형성되는 가이드브라켓(33)과;
   상기 가이드브라켓(33)의 실린더홀(331)에 삽입되어 좌우 왕복운동을 할 때 내경면과 밀착하여 마찰력이 발생하도록 하는 마찰수단(34)과;
   중앙에는 상기 고정브라켓(32)의 제1 축홀(321)에 상응하는 제2 축홀(351)이 형성되어 삽입되는 축(352)에 의하여 회전가능하게 고정되고, 상부로 연장되어 상기 마찰수단(34)의 일단과 연결되며, 하부는 좌우로 연장되어 양측 끝단은 상기 연결프레임(31)의 상단과 회전가능하게 연결되는 회전프레임(35)으로 구성됨을 특징으로 하는 마찰형 내진댐퍼.
   
2. 제 1항에 있어서, 상기 회전프레임(35)의 연장된 상단에는 핀홈(353)이 추가로 형성되고;
   중앙에는 상기 핀홈(353)에 상응하는 핀홀(361)이 형성되어 고정핀(362)에 의하여 상기 회전프레임(35)에 양측이 상하로 시소의 형태로 회전가능하게 장착되고, 양측단은 상기 마찰수단(34)의 일단과 결합되는 이동브라켓(36)이 추가로 형성됨을 특징으로 하는 마찰형 내진 댐퍼.
   
3. 제 1항 또는 제 2항에 있어서, 상기 마찰수단(34)은 외경은 상기 실린더홀(331)에 상응하고 중앙에 홀이 형성되어 있는 고무재질을 가진 수 개의 원판 형상의 마찰부재(341)와, 외경이 상기 마찰부재(341) 보다 작고 중앙에 홀이 형성되어 인접한 상기 마찰부재(341)의 사이와 좌우 양측 단에 장착되는 수 개의 간격링(342)과, 상기 마찰부재(341)와 간격링(342)을 관통하여 상호 밀착 고정하도록 하는 한 쌍의 고정볼트(343) 및 너트(344)로 구성되며;
   상기 너트(344)로 고정된 상기 고정볼트(343)의 일단이 상기 회전프레임(35) 또는 이동브라켓(36)에 고정되도록 구성됨을 특징으로 하는 마찰형 내진댐퍼.
   
4. 제 3항에 있어서, 상기 마찰수단(34)은 상기 너트(344)와 인접한 간격링(342)의 사이에 중앙에 관통된 홀을 가지고 일정 길이 연장되는 간격부재(345)가 추가로 장착됨을 특징으로 하는 마찰형 내진댐퍼.
   
5. 제 1항 내지 제 4항 중 어느 한 항에 있어서, 가이드브라켓(33)에는 상기 실린더홀(331)의 상기 회전프레임(35) 또는 이동브라켓(36)이 삽입된 타측을 마감하는 마감부재(332)가 추가로 장착됨을 특징으로 하는 마찰형 내진댐퍼.

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