KR20130075452A - 캔틸레버 거동식 강재 댐퍼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 강재의 소성변형의 특성을 이용하되 댐퍼가 캔틸레버 거동을 명확하게 하도록 함과 동시에 위치에 관계없이 각 단면에서 균등한 응력이 발생하도록 하여 에너지 소산 능력이 증가되도록 한 캔틸레버 거동식 강재 댐퍼를 제공하기 위한 것으로, 본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 판상형으로서 최대 폭을 갖는 확대정착부, 확대정착부에서 점차 축소되는 폭을 가지고 연장되어 있는 기둥부, 기둥부의 상단측에 관통된 관통홀을 갖는 단위 강재 댐퍼가 복수 개 이상 구비되고; 상기 단위 강재 댐퍼의 확대정착부에 연결되어 복수 개의 단위댐퍼를 폭 방향으로 동일 평면상에 배치 고정시키는 하부 고정판과; 상기 단위 강재 댐퍼의 관통홀에 삽입된 핀 부재; 및 상기 핀 부재를 매개로 단위 강재 댐퍼에 피봇 연결되어 있는 상부 고정판을 포함하여, 기둥부의 각 단면에 모멘트 분포의 크기에 관계없이 동일한 응력이 발생되도록 한 것을 특징으로 한다.

Description

캔틸레버 거동식 강재 댐퍼{Steel damper using cantilever behavior}

본 발명은 지진 에너지 또는 풍하중을 흡수하여 구조물의 손상을 최소화하기 위한 강재 댐퍼에 관한 것으로, 특히 강재가 모멘트 분포에 대응하여 균등한 응력을 가지고 캔틸레버 거동을 하도록 함으로써 에너지 소산 능력을 극대화시킬 수 있도록 한 캔틸레버 거동식 강재 댐퍼에 관한 것이다.

지진에 대응하는 기술로는 구조체 자체의 손상으로 지진 에너지를 흡수하여 붕괴를 방지하는 내진 기술, 제진장치에 손상을 집중시켜 지진 에너지를 흡수하여 건물의 흔들림을 저감하고 건물의 손상을 방지하는 제진 기술, 지진에 의한 지반의 흔들림이 직접 건물에 전달되지 않도록 하는 면진 기술이 있고 이들은 광의의 내진 기술에 포함된다.

내진보강기법의 종류는 구조물의 재료 및 종류에 따라 다양하지만 대부분은 강도 향상, 변형능력 향상 및 입력 에너지 저감 방안 등 3가지로 압축된다. 내진보강기법의 비용과 공기의 측면에서 살펴보면, 강도 또는 강도와 연성을 증진하는 기존의 보강기법은 내진설계 만족하도록 내력을 증가시키기 때문에 많은 개소의 보강이 요구되나 제진장치와 같이 입력 저감에 의한 보강기법은 지진하중의 저감과 동시에 보강 개소가 적으므로 공기단축을 고려하여 경제성을 평가하면 타 공법에 비해 크게 효과적이라 할 수 있다. 또한 건축 및 설비와의 접합성에 있어서도 다른 보강방법에 비해서 보강 개소가 적은 제진장치를 사용할 경우에는 공간 및 채광 확보가 용이하므로 큰 문제점이 없이 설치가 가능하다고 할 수 있다.

에너지 소산형 제진장치는 변위 의존형과 속도 의존형으로 나눌 수 있는데, 변위 의존형 장치는 강재의 소성변형이나 재료의 마찰력에 의한 에너지 소산특성을 이용한 것이고, 속도 의존형은 점성, 점탄성 물질이 변형할 때 열이 발생하며 진동 에너지를 소산하는 특성을 이용하는 것으로 소산되는 에너지는 속도에 비례하여 커지는 특성이 있다. 점성이나 점탄성 댐퍼는 고층의 풍하중에 대한 특성으로 주로 이용되나 저층 건축물의 내진보강에는 주로 강재 댐퍼나 마찰 댐퍼가 사용되는 경향이 뚜렷하다고 할 수 있다. 그 중에서 제작 및 시공성이 우수하면서 큰 변형능력을 발휘하는 강재 댐퍼의 적용이 다수를 차지하고 있다.

본 발명의 배경이 되는 기술로는 한국 공개특허 제10-2008-0100314호로서 '왕복실 슬릿강재 댐퍼'가 있다. 이는 전체적으로 원통관 형상을 하고 일측 외주면에는 길이 방향을 따라 길게 절개된 절개홈부가 구비된 내부실린더; 상기 내부실린더의 타측 내주면에 일측 단부가 결합되고, 상기 내부실린더의 중앙부를 통과하여 상기 절개홈부의 외측으로 타측 단부가 돌출되는 슬릿강판; 및, 전체적으로 원통관 형상을 하여 상기 내부실린더의 외측에 삽입되고, 일측 내주면에는 상기 절개홈부의 외측으로 돌출된 상기 슬릿강판의 타측 단부가 결합되는 외부실린더;를 포함하여 구성된 것으로, 지진과 같은 충격을 슬릿강판이 소성 변형을 통해 흡수하는 구조이다.

그러나 상기 배경기술은 슬릿강판 이외에 내,외부 실린더 등의 복잡한 구조를 통해 이루어지므로 제작 비용이 상승하는 문제가 있다. 또한 충격을 받을 경우 슬릿 강판에 전체적으로 균등한 응력이 작용하는 것이 어렵기 때문에 에너지 소산 능력을 증대시키는데 한계가 있다.

한국 등록특허 제10-0908864호에는 '하중전달판과 슬릿강판을 이용한 강재 댐퍼'가 제시되어 있다. 이는 전체적으로 내부가 비어있는 사각단면의 관형상을 하고 있으며, 서로 마주보는 좌우 양측면에는 각각 길이방향으로 절개된 측면절개부가 구비된 내부실린더; 직사각 형태의 평판으로서 양측 단부가 상기 내부실린더의 전후면에 결합고정되는 슬릿강판; 직사각 형태의 평판으로서 양측 단부가 상기 측면절개부를 통과하여 상기 내부실린더의 외측으로 돌출되고, 상기 슬릿강판이 통과하는 중앙절개부가 중앙에 길이방향으로 구비되어 상기 슬릿강판이 상기 중앙절개부를 통과하여 "+"자 형태로 결합되는 하중전달판; 전체적으로 내부가 비어있는 사각단면의 관형상을 하고 있으며, 상기 내부실린더의 외부에 삽입되고, 상기 측면절개부를 통과한 하중전달판의 양측 단부가 결합고정되는 외부실린더;를 포함하여 구성된 것이다. 따라서 외부 충격이 하중전달판을 통해 슬릿 강판으로 도입되고, 슬릿 강판은 슬릿이 없는 살 부분이 소성 변형을 일으키면서 충격 에너지를 흡수한다. 그러나 특허문헌 1의 경우에도 슬릿 강판에 전체적으로 균등한 응력이 작용하는 것이 어렵기 때문에 에너지 소산 능력을 증대시키는데 한계가 있다. 또한 구성 부품이 많이 들어가 제작 비용을 상승시킨다.

본 발명은 강재의 소성변형의 특성을 이용하되 댐퍼가 캔틸레버 거동을 명확하게 하도록 함과 동시에 위치에 관계없이 각 단면에서 균등한 응력이 발생하도록 하여 에너지 소산 능력이 증가되도록 한 캔틸레버 거동식 강재 댐퍼를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 다른 목적은 제작시 재료의 손실을 감소시켜 제작비용을 저감할 수 있는 캔틸레버 거동식 강재 댐퍼를 제공함에 있다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면,

판상형으로서 최대 폭을 갖는 확대정착부, 확대정착부에서 점차 축소되는 폭을 가지고 연장되어 있는 기둥부, 기둥부의 상단측에 관통된 관통홀을 갖는 단위 강재 댐퍼가 복수 개 이상 구비되고;

상기 단위 강재 댐퍼의 확대정착부에 연결되어 복수 개의 단위댐퍼를 폭 방향으로 동일 평면상에 배치 고정시키는 하부 고정판과;

상기 단위 강재 댐퍼의 관통홀에 삽입된 핀 부재; 및

상기 핀 부재를 매개로 단위 강재 댐퍼에 피봇 연결되어 있는 상부 고정판을 포함하여, 기둥부의 각 단면에 모멘트 분포의 크기에 관계없이 동일한 응력이 발생되도록 한 것을 특징으로 한다.

또한, 기둥부는 폭 방향의 장변과 두께 방향의 단변을 이루는 사각 단면을 이루고, 그의 말단에서 상단 방향으로 단면의 두께는 동일하고 단면의 폭은 모멘트의 응력선도에 비례하여 점차적으로 축소되는 것을 특징으로 한다.

또한, 단위 강재 댐퍼는 하나의 판상형의 강판을 기둥부의 외관을 따라 절단한 후 각기 기둥부의 정점에서 절단하여 확대정착부를 이룸으로써 상부 및 하부에 동시적으로 동일한 크기와 형상으로 제작되는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 따른 캔틸레버 거동식 강재 댐퍼는, 일단이 확대정착부를 통해 하부 고정판에 고정되어 있고 기둥부의 타단이 핀 결합을 통해 상부 고정판에 피봇 연결되어 있어 댐퍼가 탄소성 변형과 함께 캔틸레버 거동을 명확히 하게 된다.

또한, 기둥부의 각기 단면 폭이 휨모멘트에 비례하여 구성됨으로써 각 단면에서 균등한 응력이 발생되어여 에너지 소산 능력이 증가된다.

또한, 강재 댐퍼의 구성요소인 단위 강재 댐퍼를 강판에 빈틈없이 대칭적으로 구성할 수 있어 재료의 손실이 없어지므로 제작비용을 절감할 수 있다.

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 1a는 본 발명에 따른 캔틸레버 거동식 강재 댐퍼에 적용되는 단위 강재 댐퍼의 사시도.
도 1b는 도 1a의 A-A선 단면도.
도 2는 본 발명에 적용되는 단위 강대 댐퍼의 제작 예시도.
도 3a는 본 발명에 따른 캔틸레버 거동식 강재 댐퍼의 사시도.
도 3b는 본 발명에 따른 캔틸레버 거동식 강재 댐퍼의 거동 상태도.
도 4는 본 발명에 따른 캔틸레버 거동식 강재 댐퍼가 벽체에 설치된 상태도.
도 5는 본 발명에 따른 캔틸레버 거동식 강재 댐퍼가 기둥 사이에 설치된 상태도.
도 6a는 본 발명에 따른 캔틸레버 거동식 강재 댐퍼가 K자형 브레이스 타입에 적용된 설치상태도.
도 6b는 본 발명에 따른 캔틸레버 거동식 강재 댐퍼가 X자형 브레이스 타입에 적용된 설치상태도.
도 7은 본 발명에 따른 캔틸레버 거동식 강재 댐퍼가 인방보에 적용된 설치상태도.

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.

본 발명에 따른 강재 댐퍼는 캔틸레버 거동을 하며 탄소성 변형으로 수평 하중 에너지를 소산시킨다. 캔틸레버 거동시 강재 댐퍼에 작용하는 수평하중은 자유단에서 고정단으로 갈수록 증가되는 모멘트 분포를 이루게 된다. 이때 각 고정단으로부터 떨어진 거리에 비례하여 단면의 폭을 증가시켜 모멘트 분포에 따른 균등한 응력발생이 일어나도록 함을 특징으로 하고 있다. 이로 인해 강재 댐퍼는 에너지 소산 능력이 증가된다.

본 발명에 따른 강재 댐퍼(1)는 다양한 형태에 적용될 수 있는데 기본적으로 단위 강재 댐퍼(10)를 하나 이상 포함한다.

도 1a에서와 같이 단위 강재 댐퍼(10)는 판상형의 강재로 제작된 것으로 최대 폭을 갖는 확대정착부(11), 확대정착부(11)에서 점차 축소되는 폭을 가지고 연장되어 있는 기둥부(12), 기둥부(12)의 상단측에 관통된 관통홀(13)을 갖는다. 이때 단위 강재 댐퍼(10)는 기둥부(12)가 확대정착부(11)에 하나 또는 2개 이상의 복수개로 입설되어 있을 수 있다. 본 실시예는 단위 강재 댐퍼(10)에 기둥부(12)를 한 쌍으로 구성하였으나 이러한 갯수에 본 발명이 제한되는 것은 아니다.

이때 기둥부(12)는 도 1b와 같이 폭 방향의 장변(12a)과 두께 방향의 단변(12b)을 이루는 사각 단면을 이루고 있다. 따라서 기둥부(12)는 사다리꼴 형태가 된다. 바람직하게 기둥부(12)는 그의 말단에서 상단 방향 즉 자유단 방향으로 단면의 두께는 동일하고 단면의 폭은 휨모멘트의 응력선도에 비례하여 점차적으로 축소되어 있다.

이같이 기둥부(12)는 확대정착부(11)측에서 가장 넓은 폭을 이루고 자유단부로 갈수록 폭이 감소하는 구조이기 때문에 확대정착부(11)를 고정시켜 놓고 기둥부(12)의 관통홀(13)이 있는 자유단부에 수평 하중이 작용하면 기둥부(12)의 전길이에 대해 모멘트 분포에 따른 균등 응력이 발생된다. 이는 기둥부(12)에 나타나는 휨모멘트 분포의 크기가 단면의 폭(장변) 치수와 비례적으로 대응되기 때문이다.

따라서 본 발명에 따르면 수평 하중이 작용할 경우 기둥부(12)의 어느 한 부분에 집중적으로 응력이 작용하는 것이 아니라 전체적으로 고르게 응력이 발생된다. 이같이 고른 응력 발생은 응력집중의 완화가 되어 단위 강재 댐퍼(10)의 변형 능력이 증가되어 결국, 에너지 소산의 능력이 증가하게 되는 것이다.

단위 강재 댐퍼(10)는 예를 들어 도 2와 같이 제작될 수 있다. 즉, 도 2와 같이 하나의 판상형의 강판을 기둥부(12)의 외관을 따라 절단한 후 선택된 기둥부(12)의 정점에서 절단하여 확대정착부(11)를 이룸으로써 상부 및 하부에 동일한 크기와 형상의 단위 강재 댐퍼(10)가 다수개로 제작될 수 있다. 이같이 단위 강재 댐퍼(10)를 제작하여 구성할 경우 재료의 손실이 없어지는 이점도 있게 된다.

한편, 강재 잼퍼(1)는 도 3과 같이 복수 개의 단위 강재 댐퍼(10)를 폭 방향으로 동일 평면상에 배치 고정시키는 하부 고정판(20)이 설치된다. 하부 고정판(20)은 예로 강재로 제작될 수 있다. 하부 고정판(20)은 단위 강재 댐퍼(10)의 확대정착부(11)를 고정시킨다. 이때 고정 방법은 용접으로 이루어지거나 확대정착부(11)의 정착구멍(11a)과 하부 고정판(20)을 삽통하여 조립된 고장력 볼트(50)를 통하여 이루어질 수 있다. 이때 용접된 접합부의 강도 또는 고장력 볼트의 강도는 단위댐퍼(10)가 탄성 소성 변형을 일으키기 전까지는 용접부가 파괴되거나 절단되지 않는 강도를 요한다. 또한 하부 고정판(20)도 단위댐퍼(10)가 탄성 소성 변형을 일으키기 전까지는 파단되지 않는 충분한 강도와 강성을 갖도록 그 재질이나 치수가 결정된다.

단위 강재 댐퍼(10)의 관통홀(13)에는 핀 부재(30)가 삽입되어 있고, 핀 부재(30)를 매개로 단위 강재 댐퍼(10)에 상부 고정판(40)이 피봇 연결되어 있다. 핀 부재(30)와 상부 고정판(40)은 강재로 제작될 수 있다. 핀 부재(30)와 상부 고정판(40)은 단위댐퍼(10)가 탄소성 변형을 일으키기 전까지는 변형 또는 절단되지 않는 강도를 갖는다.

여기서 하부 및 상부 고정판(20,40)의 형상은 예시된 형태에 한정되는 것은 아니며 설치 구조에 따라 다양한 형태로 변형이 가능함은 물론이다.

이와 같이 구성된 강재 댐퍼(1)는 그 적용예로서 도 4와 같이 전단벽식 타입에 적용될 수 있다. 이때 강재 댐퍼(1)는 도 5와 같이 각 층간 기둥 (2,3)의 사이에 설치되거나 콘크리트 벽과 슬라브의 사이에 설치될 수도 있다.

또한 강재 댐퍼(1)는 다른 적용예로서 브레이스 타입에 적용될 수 있다. 즉 도 6a와 같이 K자 형태의 브레이스나 도 6b와 같이 X자 형태의 브레이스에 적용될 수 있다.

또한 강재 댐퍼(1)는 또 다른 적용예로서 도 7과 같이 인방보(3)에 적용될 수도 있다.

본 적용예들에서 강재 댐퍼(1)는 단위 강재 댐퍼(10)의 확대정착부(11)가 하방에 위치하여 기둥부(12)가 상방으로 뻗어올라가는 구조로 설치하였으나 이와 반대 방향으로 설치할 수도 있다.

이와 같은 구조물에 적용된 강재 댐퍼(1)는 풍하중 또는 지진으로 구조물이 수평 하중을 받을 경우 하부고정판(20)의 고정된 확대정착부(11)를 고정 단부로 하여 기둥부(12)가 단순 명확하게 캔틸레버 거동을 하게 된다. 이때 각기 기둥부(12)에서는 해당 위치에서 모멘트에 비례하는 단면적을 갖기 때문에 단면 위치에 관계없이 모든 단면에 모멘트 분포에 따른 균등 응력이 발생된다. 따라서 기둥부(12)에서는 전체적으로 응력집중이 완화되어 변형 능력이 증가되고, 이로 인해 에너지 소산 능력이 증가되어 내진 및 풍하중이 발생될 경우 구조물의 손상이 최소화되어 안전성이 높아진다.

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.

10: 단위 강재 댐퍼
11: 확대정착부
12: 기둥부
20: 하부 고정판
30: 핀 부재
40: 상부 고정판

Claims (3)

1. 판상형으로서 최대 폭을 갖는 확대정착부(11), 확대정착부(11)에서 점차 축소되는 폭을 가지고 연장되어 있는 기둥부(12), 기둥부(12)의 상단측에 관통된 관통홀(13)을 갖는 단위 강재 댐퍼(10)가 복수 개 이상 구비되고;
   상기 단위 강재 댐퍼(10)의 확대정착부(11)에 연결되어 복수 개의 단위댐퍼(10)를 폭 방향으로 동일 평면상에 배치 고정시키는 하부 고정판(20)과;
   상기 단위 강재 댐퍼(10)의 관통홀(13)에 삽입된 핀 부재(30); 및
   상기 핀 부재(30)를 매개로 단위 강재 댐퍼(10)에 피봇 연결되어 있는 상부 고정판(40)을 포함하여, 기둥부(12)의 각 단면에 모멘트 분포의 크기에 관계없이 동일한 응력이 발생되도록 한 것을 특징으로 하는 캔틸레버 거동식 강재 댐퍼.
2. 제 1항에 있어서,
   상기 기둥부(12)는 폭 방향의 장변과 두께 방향의 단변을 이루는 사각 단면을 이루고, 그의 말단에서 상단 방향으로 단면의 두께는 동일하고 단면의 폭은 굽힘모멘트의 응력선도에 비례하여 점차적으로 축소되는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 거동식 강재 댐퍼.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 단위 강재 댐퍼(10)는 하나의 판상형의 강판을 기둥부(12)의 외관을 따라 절단한 후 각기 기둥부(12)의 정점에서 절단하여 확대정착부(11)를 이룸으로써 상부 및 하부에 동시적으로 동일한 크기와 형상으로 제작되는 것을 특징으로 하는 캔틸레버 거동식 강재 댐퍼.

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