KR20120058000A

KR20120058000A - Ｓ자형 슬릿이 형성된 강재 댐퍼

Info

Publication number: KR20120058000A
Application number: KR1020100119585A
Authority: KR
Inventors: 김진호; 정종덕; 이우동; 이현호
Original assignee: 한국철도기술연구원; 동양대학교 산학협력단
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2010-11-29
Publication date: 2012-06-07
Also published as: KR101212841B1

Abstract

본 발명은 철골 구조물을 보강하기 위하 강재 댐퍼에 관한 것으로서, 구체적으로는 판부재로 이루어진 강재 댐퍼(Steel Damper)에 S자형상의 슬릿(slit)을 형성함으로써, 댐퍼의 에너지 소산 능력을 대폭 향상시켜서, 이를 이용한 브레이스 부재를 철골 구조물에 설치하였을 때, 보강 성능을 극대화할 수 있도록 한 새로운 구조의 강재 댐퍼에 관한 것이다.
본 발명에서는 두께를 가지는 강재 판으로 이루어지며; 상기 강재 판에는 폭을 가지는 관통공으로 이루어진 S자형 슬릿(11)이 형성되어 있어, 수평한 상부(12)와 수평한 하부(13)는 슬릿 사이에 남겨진 S자 스트럿(14)에 의해 일체로 연결되어 있으며; 상기 S자 스트럿(14)은 상부에서 횡방향의 일측으로 경사지게 형성되는 제1경사부(14a)와, 상기 제1경사부(14a)에 연속되지만 제1경사부(14a)와 반대 방향으로 경사지게 형성되는 제2경사부(14b)와, 상기 제2경사부(14b)와 연속되지만 제2경사부(14b)와 반대 방향으로 즉, 제1경사부(14a)와 동일한 경사를 가지도록 경사지게 형성되는 제3경사부(14c)로 구분되어 S자 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 S자형 슬릿 강재 댐퍼가 제공된다.

Description

Ｓ자형 슬릿이 형성된 강재 댐퍼{S-type Slit Damper for Frame Structure}

본 발명은 철골 구조물을 보강하기 위한 강재 댐퍼에 관한 것으로서, 구체적으로는 판부재로 이루어진 강재 댐퍼(Steel Damper)에 S자형상의 슬릿(slit)을 형성함으로써, 댐퍼의 에너지 소산 능력을 대폭 향상시켜서, 이를 이용한 브레이스 부재를 철골 구조물에 설치하였을 때, 보강 성능을 극대화할 수 있도록 한 새로운 구조의 강재 댐퍼에 관한 것이다.

강재 빔 등을 이용하여 형성되는 철골 구조물에 대해 하중에 대한 강성을 보강하기 위하여 철골 구조물의 강재 빔 사이에 브레이스 부재를 설치하게 된다. 그런데 이와 같이 브레이스 부재를 설치하여 철골 구조물을 보강함에 있어서, 내진 성능을 향상시키기 위하여 지진 등이 발생하였을 때 지진 에너지를 소산시킬 수 있는 강재 댐퍼를 구비하게 된다.

국내 등록특허공보 제10-0448441호에는 강재 판으로 이루어지고 다수개의 슬릿이 형성되어 있는 강재 댐퍼를 이용하여 보강한 철골구조가 개시되어 있다. 도 1에는 상기한 국내 등록특허공보 제10-0448441호에 개시되어 있는 것과 같은 구성의 직선 슬릿이 형성된 강재 댐퍼("직선 슬릿형 강재 댐퍼")(100)의 개략적인 정면도가 도시되어 있다. 도 1에서 실선은 변형이 가해지기 전의 상태를 나타내며, 점선은 풍하중이나 지진하중과 같은 수평방향의 하중(P)이 작용하였을 때의 변형 상태를 나타낸다.

도면에 도시된 것처럼, 종래의 강재 댐퍼(100)는 두께를 가지는 강재 판에 수직한 직선 형상을 가지며 소정 폭을 가지는 관통공 즉, 직선 슬릿(101)이 복수개로 서로 나란하게 형성되어 있는 구조를 가지고 있다. 직선 슬릿(101)이 형성되어 있으므로, 상부(102)와 하부(103)는 직선형 스트럿(104)에 의해 일체로 연결되어 있다. 부재번호 105는 강재 댐퍼(100)를 철골 구조물에 설치하여 사용할 때, 다른 부재에 결합하기 위한 결합공(105)이다. 이러한 직선 슬릿형 강재 댐퍼(100)의 경우에도 양호한 수평하중의 에너지 소산 성능을 발휘하지만, 더 나은 에너지 소산 성능을 위해서는 새로운 구조와 형상을 가지는 강재 댐퍼의 개발이 시급한 실정이다.

본 발명은 위와 같은 종래 기술의 한계를 극복하기 위하여 개발된 것으로서, 구체적으로는 더 우수한 수평하중 에너지 소산 성능을 발휘할 수 있는 강재 댐퍼를 제공하는 것을 목적으로 한다.

위와 같은 과제를 달성하기 위하여 본 발명에서는, 두께를 가지는 강재 판으로 이루어지며; 상기 강재 판에는 폭을 가지는 관통공으로 이루어진 S자형 슬릿이 형성되어 있어, 수평한 상부와 수평한 하부는 슬릿 사이에 남겨진 S자 스트럿에 의해 일체로 연결되어 있으며; 상기 S자 스트럿은 상부에서 횡방향의 일측으로 경사지게 형성되는 제1경사부와, 상기 제1경사부에 연속되지만 제1경사부와 반대 방향으로 경사지게 형성되는 제2경사부와, 상기 제2경사부와 연속되지만 제2경사부와 반대 방향으로 경사지게 형성되는 제3경사부로 구분되어 S자 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 S자형 슬릿 강재 댐퍼가 제공된다.

위와 같은 본 발명에 따른 S자형 슬릿 강재 댐퍼에서, S자 스트럿의 제1경사부, 제2경사부 및 제3경사부의 수평방향으로부터의 경사각도는 60ㅀ이고; 상기 S자 스트럿의 높이는 140mm 내지 200 mm이며; 상기 S자 스트럿의 폭은 30mm이고; 강재 판의 두께는 12mm인 것이 바람직하다.

본 발명에 의하면, 종래의 직선형 슬릿을 가지는 강재 댐퍼보다 더 우수한 수평하중 에너지 소산 성능을 발휘할 수 있게 된다.

도 1은 직선 슬릿이 형성된 종래의 직선 슬릿형 강재 댐퍼의 개략적인 정면도이다.
도 2는 S자형 슬릿이 형성된 본 발명에 따른 강재 댐퍼의 개략적인 정면도이다.
도 3 내지 도 5는 각각 본 발명자에 의해 수행된 이론 해석 결과로서 구해진 본 발명에 따른 S자형 슬릿 강재 댐퍼의 하중-변위 곡선이다.
도 6은 본 발명의 S자형 슬릿 강재 댐퍼에 대한 S자 스트럿의 높이에 따른 누적 에너지 소산 면적의 관계를 보여주는 그래프도이다.
도 7은 본 발명의 S자 슬릿 강재 댐퍼에서 S자 스트럿의 높이가 200mm이고, 스트럿의 경사각도가 60도인 실시예에 변형이 발생한 상태와 그에 따른 변형도의 분포를 보여주는 도면이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예를 중심으로 본 발명의 구성과 특징을 설명할 것이나, 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.

도 2는 본 발명에 따른 S자형 슬릿이 형성된 강재 댐퍼(1)의 개략적인 정면도이다. 도면에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 S자형 슬릿이 형성된 강재 댐퍼("S자형 슬릿 강재 댐퍼")(1)는, 두께를 가지는 강재 판으로 이루어지며, 상기 강재 판에는 폭을 가지는 관통공 즉, 슬릿(11)이 S자 형상으로 형성되어 있다. 상기 관통된 구멍으로 이루어진 S자 슬릿(11)이 형성되어 있으므로, 수평한 상부(12)와 수평한 하부(13)는 슬릿 사이에 남겨진 부분 즉, S자 스트럿(14)에 의해 일체로 연결되어 있다. 부재번호 15는 S자형 슬릿 강재 댐퍼(1)를 철골 구조물에 설치하여 사용할 때, 다른 부재에 결합하기 위한 결합공(15)이다.

이와 같이 본 발명의 S자형 슬릿 강재 댐퍼(1)에 형성된 상기 슬릿(11)은 S자 형상을 가지고 있고, 그에 따라 수평한 상부(12)와 수평한 하부(13) 사이를 연결하는 스트럿(14) 역시 S자 형상을 가지게 되는데, 구체적으로 상기 S자 스트럿(14)은 상부에서 횡방향의 일측으로 경사지게 형성되는 제1경사부(14a)와, 상기 제1경사부(14a)에 연속되지만 제1경사부(14a)와 반대 방향으로 경사지게 형성되는 제2경사부(14b)와, 상기 제2경사부(14b)와 연속되지만 제2경사부(14b)와 반대 방향으로 즉, 제1경사부(14a)와 동일한 경사를 가지도록 경사지게 형성되는 제3경사부(14c)로 구분된다.

본 발명에서 상기 S자 스트럿(14)의 제1경사부(14a), 제2경사부(14b) 및 제3경사부(14c)의 경사각도가 매우 중요한데, S자 스트럿(14)의 제1경사부(14a)가 수평에서 횡방향으로 기울어진 각도(경사각도)(A)는 50도 내지 70도이며, 제2경사부(14b) 역시 수평에 대해 50도 내지 70도로 기울어져 있다. 또한, 제3경사부(14c)는 제1경사부(14a)와 동일하게 50도 내지 70도로 기울어져 있다.

본 발명의 발명자는 도 2에 도시된 위와 같은 S자형 슬릿 강재 댐퍼(1)에서 S자 스트럿(14)의 경사각도(A) 적합성을 확인하기 위하여 다음과 같은 이론 해석을 수행하였다.

구체적으로 위와 같은 구성의 S자형 슬릿 강재 댐퍼에 대해 해석을 수행하였는데, 아래의 표 1은 이론 해석에 사용한 S자형 슬릿 강재 댐퍼의 재질로서 사용한 강재의 재료 특성이다. 위와 같은 강재의 응력-변형도 이상화 곡선은 도 2에 그래프로 도시되어 있다. 구체적인 이론 해석에 사용된 본 발명에 따른 S자형 슬릿 강재 댐퍼의 제원은 표 2와 같다.

재료항목	재료특성
탄성계수	206,000 MPa
포아송비	0.3
항복강도	235 MPa
인장강도	400 MPa
인장강도변형도	0.2
철판두께	12 mm
유한요소	Plane Stress (플래인 스트레스)

실험체명	댐퍼 형상	스트럿 높이 mm	스트럿 폭 mm	각도 (도)	판두께 mm
본 발명의 실시예1 (S 270_30_70)	S	270	30	70	12
본 발명의 실시예2 (S 200_30_70)	S	200	30	70	12
본 발명의 실시예3 (S 140_30_70)	S	140	30	70	12
본 발명의 실시예4 (S 270_30_60)	S	270	30	60	12
본 발명의 실시예5 (S 200_30_60)	S	200	30	60	12
본 발명의 실시예6 (S 140_30_60)	S	140	30	60	12
본 발명의 실시예7 (S 270_30_50)	S	270	30	50	12
본 발명의 실시예8 (S 200_30_50)	S	200	30	50	12
본 발명의 실시예9 (S 140_30_50)	S	140	30	50	12

상기 표 2에서 각도는 수평방향에 대한 스트럿의 경사각도(A)를 의미하며, 제1경사부(14a), 제2경사부(14b) 및 제3경사부(14c)의 경사각도(A)는 동일하게 형성하였다. 예를 들어, 본 발명의 실시예4의 경우, 제1경사부(14a), 제2경사부(14b) 및 제3경사부(14c)의 경사각도는 각각 수평에 대해 60도로 동일한 것이다.

본 발명자의 위와 같은 이론 해석 결과로서 구해진 본 발명에 따른 S자형 슬릿 강재 댐퍼의 하중-변위 곡선은 도 3 내지 도 5에 각각 그래프도로 도시되어 있는데, 도 3은 경사각도(A)가 70도인 실시예1 내지 3에 대한 것이고 도 4는 경사각도(A)가 60도인 실시예4 내지 6에 대한 것이고, 도 5는 경사각도(A)가 50도인 실시예7 내지 9에 대한 것이다. 도 3 내지 도 5에서 가로축은 변위(Disp.)를 나타내고 세로축은 하중(Load)을 의미한다. 한편, 이론 해석에 의해 구해진 각 물성 및 특징의 구체적인 수치 결과는 아래의 표 3에 정리되어 있다.

모델명	실시예1 S270_ 30_70	실시예2 S270_ 30_60	실시예3 S270_ 30_50	실시예4 S200_ 30_70	실시예5 S200_ 30_60	실시예6 S200_ 30_50	실시예7 S140_ 30_70	실시예8 S140_ 30_60	실시예9 S140_ 30_50
해석에 의한 항복 휨강도 (kN)	23.8			31.9			44.9
해석에 의한 항복 전단강도 (kN)	166.3			166.3			166.3
항복강도 (kN)	27.5	28.3	29.3	36.5	35.7	38.3	56.1	57.8	62.7
50mm 변위 최대강도 (kN)	75.3	66.5	61.3	112.55	104.67	105.15	188.32	183.39	199.87
초기강성 (E_di, kN/mm)	13.76	14.14	14.64	33.16	35.69	38.27	93.50	96.31	125.32
평균 2차강성 (E_ds, kN/mm)	1.00	0.80	0.67	1.56	1.41	1.37	2.68	2.54	2.77

(항복 강도에 대한 결과)

표 3 및 도 3 내지 도 5에서 알 수 있듯이, 본 발명의 S자형 슬릿 강재 댐퍼에서, S자형 스트럿(14)의 높이가 감소할수록 항복강도가 증가함과 동시에, S자 스트럿(14)의 경사각도가 70ㅀ에서 50ㅀ로 작아짐에 따라 항복강도가 증가한다. S자 스트럿(14)의 높이가 270mm인 경우, 초기강성은 경사각도가 60ㅀ에서 70ㅀ로 증가할 때 2.7% 감소, 경사각도가 60ㅀ에서 50ㅀ로 감소할 때 3.5% 증가하는 것으로 나타났다. 항복강도는 경사각도가 60ㅀ에서 70ㅀ로 증가할 때 2.7% 감소하고, 경사각도가 60ㅀ에서 50ㅀ로 감소할 때 3.5% 증가하는 것으로 나타났다. 평균2차 강성은 경사각도가 60ㅀ에서 70ㅀ로 증가할 때 24.9% 증가하고, 경사각도가 60ㅀ에서 50ㅀ로 감소할 때 16.3% 감소하는 것으로 나타났다. 2차 강성비는 경사각도가 60ㅀ에서 70ㅀ로 증가할 때 28.3% 증가하고, 경사각도가 60ㅀ에서 50ㅀ로 감소할 때 19.1% 감소하는 것으로 나타났다.

또한 S자 스트럿(14)의 높이가 200mm인 경우, 초기강성은 경사각도가 60ㅀ에서 70ㅀ로 증가할 때 7.1% 감소, 경사각도가 60ㅀ에서 50ㅀ로 감소할 때 7.2% 증가하는 것으로 나타났다. 항복강도는 경사각도가 60ㅀ에서 70ㅀ로 증가할 때 2.2%로 증가하고, 경사각도가 60ㅀ에서 50ㅀ로 감소할 때에도 6.2% 증가하는 것으로 나타났다. 평균2차 강성은 경사각도가 60ㅀ에서 70ㅀ로 증가할 때 10.5% 증가하고, 경사각도가 60ㅀ에서 50ㅀ로 감소할 때 3.0% 감소하는 것으로 나타났다. 2차 강성비는 경사각도가 60ㅀ에서 70ㅀ로 증가할 때 18.9% 증가하고, 경사각도가 60ㅀ에서 50ㅀ로 감소할 때 9.6% 감소하는 것으로 나타났다.

S자 스트럿(14)의 폭 30mm이고 춤(높이)이 140mm인 경우, 초기강성은 경사각도가 60ㅀ에서 70ㅀ로 증가할 때 2.9% 감소, 경사각도가 60ㅀ에서 50ㅀ로 감소할 때 30.1% 증가하는 것으로 나타났다. 항복강도는 경사각도가 60ㅀ에서 70ㅀ로 증가할 때 2.9% 감소하고, 경사각도가 60ㅀ에서 50ㅀ로 감소할 때 8.4% 증가하는 것으로 나타났다. 평균2차 강성은 경사각도가 60ㅀ에서 70ㅀ로 증가할 때 5.3%, 경사각도가 60ㅀ에서 50ㅀ로 감소할 때에도 9.0% 모두 증가하는 것으로 나타났다. 2차 강성비는 경사각도가 60ㅀ에서 70ㅀ로 증가할 때 8.4% 증가하고, 경사각도가 60ㅀ에서 50ㅀ로 감소할 때 16.2% 감소하는 것으로 나타났다.

S자 스트럿(14)의 폭이 30mm인 경우, 경사각도의 변화에 따라 발생되는 각 특성치 변동율 범위는 S자 스트럿(14)의 높이가 작아지면서 초기강성은 26.8% 차이 증가, 항복강도는 5.1% 차이 이하로 감소 후 증가, 평균 2차 강성 및 2차 강성비는 각각 45.0%, 22.9% 차이로 감소하고 있는 것으로 확인되었다.

특히, S자 스트럿의 경사각도가 50도일 경우, 매우 높은 항복강도를 갖는 것으로 나타났다. S자 스트럿의 높이와 항복강도의 관계에 있어서는, S자 스트럿(14)의 높이가 낮아질수록 항복강도가 큰 비율로 증가하는 것으로 나타났다.

따라서 본 발명의 S자형 슬릿 강재 댐퍼(1)의 항복 강도에 있어서는, S자 스트럿(14)의 경사각도가 60도이고, S자 스트럿(14)의 폭이 30mm 인 경우가 가장 효율적이고 안정적이라고 할 수 있다.

(에너지 소산 능력에 대한 결과)

도 6에는 본 발명의 S자형 슬릿 강재 댐퍼에 대한 S자 스트럿(14)의 높이에 따른 누적 에너지 소산 면적의 관계를 보여주는 그래프가 도시되어 있는데, 가로축은 댐퍼 높이별 분류 즉, S자 스트럿(14)의 높이를 나타내며, 세로축은 축적에너지값을 나타낸다. 도 6의 가로축에서 H140, H200, H270은 각각 S자 스트럿(14)의 높이가 140mm, 200mm, 270mm인 것을 의미하며, 우측 상단의 각도는 스트럿의 경사각도를 의미한다. 도 6에 도시된 것처럼, 본 발명의 S자형 슬릿 강재 댐퍼에서는 총 에너지소산 면적이 감소하는 것으로 나타났다. S자 스트럿(14)의 높이가 140mm일 경우 매우 강성이 큼을 확인할 수 있었으며, 스트럿의 각도 90도인 경우 즉, 종래의 경우처럼 직선 슬릿이 형성된 경우에 비하여, 본 발명의 S자형 슬릿 강재 댐퍼는 전반적인 총에너지 감소 범위가 79.9% ~ 121.5%로 나타났다. 전체적으로 S자 스트럿(14)의 높이가 200 mm이고 경사각도 50ㅀ인 경우가 에너지 소산능력이 우수하고 안정적인 것으로 평가되었다.

한편, 도 7에는 S자 스트럿(14)의 높이가 200mm이고, 스트럿의 경사각도가 60도인 실시예에 변형이 발생한 상태와 그에 따른 변형도의 분포를 보여주는 도면이 도시되어 있는데, 도 7에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 S자형 슬릿 강재 댐퍼서는, 제1경사부(14a)와 제2경사부(14b)가 예각으로 연결되는 부분과, 제2경사부(14b)와 제3경사부(14c)가 예각으로 연결되는 부분에서 소성힌지가 발생된다. 이와 같이 S자 스트럿(15)의 중앙부 절곡된 2개소에 소성힌지가 위치하게 되므로, 소성힌지의 분포를 고려할 때, 본 발명에 따른 S자 스트럿을 가진 S자형 슬릿 강재 댐퍼는 매우 적절한 에너지 소산 거동을 보이게 됨을 확인할 수 있다.

위와 같은 이론 해석 결과에 의하면, 항복강도, 최대강도 등의 댐퍼로서의 성능과 관련하여 본 발명에 따른 S자형 슬릿 강재 댐퍼는 우수한 성능을 보유한 것으로 확인되었다. 특히, 에너지 소산능력에 있어서는 S자 스트럿(14)의 경사각도가 60ㅀ이고 높이가 140mm 또는 200 mm인 경우가 안정적인 성능을 발휘하는 것으로 확인되었다.

1 : S자형 슬릿 강재 댐퍼 11 : S자 슬릿
12 : 수평한 상부 13 : 수평한 하부 14 : S자 스트럿

Claims

두께를 가지는 강재 판으로 이루어지며;
상기 강재 판에는 폭을 가지는 관통공으로 이루어진 S자형 슬릿(11)이 형성되어 있어, 수평한 상부(12)와 수평한 하부(13)는 슬릿 사이에 남겨진 S자 스트럿(14)에 의해 일체로 연결되어 있으며;
상기 S자 스트럿(14)은 상부에서 횡방향의 일측으로 경사지게 형성되는 제1경사부(14a)와, 상기 제1경사부(14a)에 연속되지만 제1경사부(14a)와 반대 방향으로 경사지게 형성되는 제2경사부(14b)와, 상기 제2경사부(14b)와 연속되지만 제2경사부(14b)와 반대 방향으로 즉, 제1경사부(14a)와 동일한 경사를 가지도록 경사지게 형성되는 제3경사부(14c)로 구분되어 S자 형상을 가지는 것을 특징으로 하는 S자형 슬릿 강재 댐퍼.
제1항에 있어서,
S자 스트럿(14)의 제1경사부(14a), 제2경사부(14b) 및 제3경사부(14c)의 수평방향으로부터의 경사각도는 60ㅀ이고;
상기 S자 스트럿(14)의 높이는 140mm 내지 200 mm이며;
상기 S자 스트럿(14)의 폭은 30mm이고;
강재 판의 두께는 12mm인 것을 특징으로 하는 S자형 슬릿 강재 댐퍼.