KR20180046558A - 건축구조물의 내진보강을 위한 댐퍼 - Google Patents

건축구조물의 내진보강을 위한 댐퍼 Download PDF

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Abstract

본 발명은 건축구조물의 내진보강을 위한 댐퍼에 관한 것으로서, 본 발명에 따른 건축구조물의 내진보강을 위한 댐퍼는 상하부 구조물 사이에 설치하되, 강판에 복수개의 높이 방향의 슬릿이 형성된 슬릿 댐퍼 및 형상기억합금(SMA: Shape Memory Alloy)으로 봉의 형태로 슬릿 댐퍼에 부착되어 슬릿 댐퍼의 변형을 복원시키도록 하는 형상기억합금 봉을 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

건축구조물의 내진보강을 위한 댐퍼{DAMPER FOR EARTHQUAKE PROOF OF STRUCTURE}
본 발명은 건축구조물의 내진보강을 위한 댐퍼에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 건축구조물에 형성되어 지진에 의한 진동 에너지를 감쇄시켜 건축 구조물의 손괴를 방지하는 건축구조물의 내진보강을 위한 댐퍼에 관한 것이다.
최근 일본과 중국에서 발생한 큰 지진으로 수많은 인명 피해와 경제적 피해가 발생하였으며, 이에 따라 건축구조물의 내진보강 기술에 관하여 관심이 모아지고 있다.
건축구조물의 내진보강을 위해서 전단벽이나 가새 등 추가적인 부재를 설치하는 방법, 기둥이나 보의 크기를 증가시키는 방법, 면진/제진 장치를 이용하는 방법 등이 적용되고 있다.
이러한 방법들 중에서 제진 장치를 이용하는 방법은 지진에 의한 진동에너지를 에너지 소산장치인 댐퍼의 열에너지로 소산하는 방법으로, 내진보강 위치 및 개수를 최소화하여 효과적이면서도 경제적인 내진보강 기법으로 알려져있다.
건축구조물의 내진보강을 위한 에너지 소산장치로 가장 많이 사용되는 댐퍼로 금속의 소성거동에 의하여 진동에너지를 소산하는 강재 슬릿 댐퍼(steel slit dampers)가 알려져 있다. 하지만, 소성 변형에 의하여 에너지를 소산하는 변위 의존형 댐퍼는 지진 발생 후 지진에 의한 소성변형이 회복되지 않아서 건축구조물에 영구 변형이 발생하게 되며, 이러한 경우 건축구조물의 보수 및 보강에 막대한 비용이 소요된다는 문제가 있다.
한국공개특허 2003-0034316호
따라서, 본 발명의 목적은 이와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 슬릿 댐퍼에 초탄성을 가지는 형상기억합금(SMA: Shape Memory Alloy) 봉을 설치하여 강재 슬릿 댐퍼에 자가 복원력을 부가시킬 수 있는 건축구조물의 내진보강을 위한 댐퍼를 제공함에 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제들은 이상에서 언급한 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 당업자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
상기 목적은, 본 발명에 따라, 상하부 구조물 사이에 설치하되, 강판에 복수개의 높이 방향의 슬릿이 형성된 슬릿 댐퍼; 및 형상기억합금(SMA: Shape Memory Alloy)으로 봉의 형태로 상기 슬릿 댐퍼에 부착되어 상기 슬릿 댐퍼의 변형을 복원시키도록 하는 형상기억합금 봉을 포함하는 건축구조물의 내진보강을 위한 댐퍼에 의해 달성될 수가 있다.
여기서, 상기 형상기억합금 봉은 상기 슬릿 댐퍼의 전면과 후면에 각각 서로 다른 방향의 대각선으로 부착될 수가 있다.
여기서, 상기 슬릿 댐퍼의 전면 또는 후면에는 상기 형상기억합금 봉의 양단부가 삽입되는 홀이 형성된 고정부가 형성될 수가 있다.
여기서, 상기 홀의 내측면과 상기 형상기억합금 봉의 양단부의 외측면은 각각 나사산이 형성되어 나사 결합으로 상기 고정부에 상기 형상기억합금 봉이 고정될 수가 있다.
여기서, 상기 고정부는 상기 슬릿 댐퍼에 용접 또는 볼트 결합으로 고정될 수가 있다.
상기한 바와 같은 본 발명의 건축구조물의 내진보강을 위한 댐퍼에 따르면 강재 슬릿 댐퍼에 자가 복원력이 있는 형상기억합금(SMA: Shape Memory Alloy) 봉을 설치하여 지진 발생 후에 건축구조물이 원래의 위치로 복구될 수 있도록 하여 건축구조물의 보수 및 보강에 필요한 비용을 절감시킬 수 있다는 장점이 있다.
또한, 형상기억합금 봉 2개를 강재 슬릿 댐퍼의 전면과 후면에 X자 형태로 설치하여 고가의 형상기억합금을 최소화하면서 강재 슬릿 댐퍼의 복원력을 확보할 수 있다는 장점도 있다.
또한, 형상기업합금 봉을 나사결합으로 강재 슬릿 댐퍼에 간단하게 부착할 수가 있기 때문에 제작이 쉽다는 장점도 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건축구조물의 내진보강을 위한 댐퍼의 사시도이다.
도 2는 도 1의 정면도이다.
도 3은 도 1의 형상기억합금 봉의 일단부를 도시하는 도면이다.
도 4는 도 1의 고정부의 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 건축구조물 내진보강을 위한 댐퍼의 성능을 평가하기 위한 실험 구조를 개략적으로 나타내는 도면이다.
도 6은 도 5의 실험 구조에서 내진성능을 비교 실험한 결과를 나타내는 그래프이다.
실시예들의 구체적인 사항들은 상세한 설명 및 도면들에 포함되어 있다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성 요소를 지칭한다
이하, 본 발명의 실시예들에 의하여 건축구조물의 내진보강을 위한 댐퍼를 설명하기 위한 도면들을 참고하여 본 발명에 대해 설명하도록 한다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 건축구조물의 내진보강을 위한 댐퍼의 사시도이고, 도 2는 도 1의 정면도이고, 도 3은 도 1의 형상기억합금 봉의 일단부를 도시하는 도면이고, 도 4는 도 1의 고정부의 사시도이다.
본 발명의 일 실시예에 따른 건축구조물의 내진보강을 위한 댐퍼(100)는 슬릿 댐퍼(110) 및 형상기억합금 봉(120)을 포함하여 구성될 수가 있다.
슬릿 댐퍼(110)는 강재로 형성되고 구조물 사이에 설치되어 지진에 의한 진동 에너지를 소산시킨다. 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 것과 같이 슬릿 댐퍼(110)에는 지진이 발생시 좌우로 거동하도록 복수개의 슬릿(112)이 형성되는데, 슬릿 댐퍼(110)의 상하 중간에 높이 방향의 긴 슬릿(112)이 좌우로 일정한 간격으로 복수개 형성되는 것이 바람직하다.
슬릿 댐퍼(110)의 전면과 후면에는 후술할 형상기억합금 봉(120)을 고정시키기 위한 고정부(130)가 형성될 수가 있다.
형상기억합금 봉(120)은 형상기억합금으로 봉의 형태로 제작되어 슬릿 댐퍼(110)에 고정 설치되어, 지진 발생 시에 횡하중에 의해 슬릿 댐퍼(110)에 변형이 발생하였을 때 슬릿 댐퍼(110)에 자가 복원력을 제공한다.
형상기억합금은 오스테나이트(Austenite)의 안정된 상태에서 응력(Stress)이 가해지는 경우 불안정한 마텐사이트(Martensite) 상태로 변하게 된다. 이를 응력에 의해서 유발되는 마텐사이트(Stress-induced martensite, SIM)라고 한다. 이러한 SIM 상태에서 응력이 제거되면 다시 안정한 오스테나이트(Austenite) 상태로 복원되는 초탄성 효과를 가지고 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 이러한 합금의 거동과정에서 상당한 에너지 흡수능력을 보이게 되며, 큰 변형 후에도 원상으로 복원되는 능력이 매우 뛰어난 것으로 알려져있다.
이때, 본 발명에서는 형상기억합금 봉(120)은 도 1 및 도 2에 도시되어 있는 것과 같이 슬릿 댐퍼(110)의 전면과 후면에 각각 서로 다른 방향의 대각선으로 부착될 수가 있는데, 전면의 형상기억합금 봉과 후면의 형상기억합금 봉이 함께 X자의 형태를 띄게 된다.
지진이 발생하여 횡하중에 의해 슬릿 댐퍼(110)에 횡방향의 휨변형이 발생하는 경우, 본 발명에서와 같이 대각선의 형태로 설치되는 형상기억합금 봉(120)에서는 축방향의 변형이 발생하게 된다. 이때, 강봉은 압축력이 작용할 때 좌굴하여 큰 힘을 받지 못하므로, 본 발명에서는 슬릿 댐퍼(110)의 전면과 후면에 각각 서로 다른 대각선 방향으로 형상기억합금 봉(120)을 설치함으로써 좌우의 반복하중이 작용할 때 최소 하나의 형상기억합금 봉(120)에는 인장력이 작용하도록 할 수가 있다. 즉, 일방향의 횡하중이 가해지는 경우, 전면과 후면에 형성되는 형상기억합금 봉(120) 중 어느 하나의 형상기억합금 봉(120)에는 압축력이 작용하게 되고 나머지 하나의 형상기억합금 봉(120)에는 인장력이 작용하게 된다. 반대로 다른 일방향의 횡하중이 가해지는 경우, 압축력이 작용했던 형상기억합금 봉(120)에는 인장력이 작용하게 되고 인장력이 작용했던 형상기억합금 봉(120)에는 압축력이 작용하게 된다.
따라서, 본 발명에서는 슬릿 댐퍼(110)의 전면과 후면에 서로 다른 대각선 방향으로 설치되는 두 개의 형상기억합금 봉(120)을 이용하여, 고가의 형상기억합금을 최소한으로 사용하면서 슬릿 댐퍼(110)에 자가 복원력을 제공할 수가 있다.
형상기억합금 봉(120)을 용접 등의 방법으로 강재인 슬릿 댐퍼(110)에 강력하게 고정시키는 것이 용이하지 않으므로, 본 발명에서는 후술하는 고정부(130)를 이용하여 형상기억합금 봉(120)을 슬릿 댐퍼(110)에 고정시키도록 할 수 있다.
고정부(130)는 형상기억합금 봉(120)을 슬릿 댐퍼(110)에 고정시키기 위한 것으로, 형상기억합금 봉(120)의 양단부가 삽입되도록 하는 홀(132)이 형성되며 양쪽으로 분기되는 플랜지부(134)가 형성되어 전체적으로 Ω 의 형태를 띄나 이에 한정되는 것은 아니다.
플랜지부(134)를 포함하는 고정부(130)의 아래쪽 측면을 슬릿 댐퍼(110)에 나사 결합 또는 용접 등의 방법으로 고정 시킴으로써 고정부(130)를 슬릿 댐퍼(110)에 고정시킬 수가 있다. 도 4에서는 나사 결합을 위한 나사공(136)이 플랜지부(134)에 형성된 형태를 도시하고 있다.
또한, 고정부(130)는 별도의 부재로 형성되지 않고 슬릿 댐퍼(110)에 일체로 형성될 수도 있다.
고정부(130)는 형상기억합금 봉(120)의 양단부가 위치하는 곳에 슬릿 댐퍼(110)의 전면과 후면에 각각 쌍으로 설치될 수가 있으며, 고정부(130)의 홀(132) 내측면에는 나사 결합을 위한 나사산(138)이 형성될 수가 있다. 또한, 형상기억합금 봉(120)의 양단부에도 도 3에 도시되어 있는 것과 같이 고정부의 홀(132)과 나사결합을 할 수 있도록 나사산(122)이 형성될 수가 있다.
따라서, 본 발명에서는 슬릿 댐퍼(110)에 고정 형성된 고정부(130)의 홀(132)에 형상기억합금 봉(120)을 삽입시켜 간단하게 고정시키는데, 이때 고정부(130)와 형상기억합금 봉(120) 사이의 나사 결합으로 강력하게 결합이 가능하다. 또한, 도 1 도시되어 있는 것과 같이 고정부(130)의 양쪽에는 고정 너트(140)에 의해 더욱 견고하게 결합시킬 수가 있다.
이하, 본 발명의 일 실시예에 따른 건축구조물의 내진보강을 위한 댐퍼(100)의 성능을 비교 실험한 결과를 도 5 및 도 6을 참조로 설명하기로 한다.
도 5는 본 발명에 따른 건축구조물 내진보강을 위한 댐퍼의 성능을 평가하기 위한 실험 구조를 개략적으로 나타내는 도면이고, 도 6은 도 5의 실험 구조에서 내진성능을 비교 실험한 결과를 나타내는 그래프이다.
먼저, 도 5에 도시되어 있는 것과 같은 1층 1경간 실험 구조물(200)의 중간에 댐퍼를 설치하지 않은 경우(제 1 모델), 종래의 강재 슬릿 댐퍼가 설치된 경우(제 2 모델), 및 본 발명에 따라 형상기억합금 봉(120)이 서로 다른 대각선의 형태로 전면과 후면에 설치된 강재 댐퍼(100)가 설치된 경우(제 3 모델)에 있어서, El Centro 지진에 대한 비선형 시간이력의 해석 결과를 도 6의 그래프에서 도시하고 있다.
도 6에 나타나 있는 것과 같이 제 1 모델의 경우 지진이 발생한 이후에 큰 영구변형이 발생할 것을 알 수가 있고, 제 2 모델의 경우 제 1 모델과 비교하여 영구 변형이 소폭 감소한 것을 알 수가 있으며, 본 발명에 관한 제 3 모델의 경우 영구 변위가 큰 폭으로 감소되었다는 것을 알 수가 있다.
본 발명의 권리범위는 상술한 실시예에 한정되는 것이 아니라 첨부된 특허청구범위 내에서 다양한 형태의 실시예로 구현될 수 있다. 특허청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 변형 가능한 다양한 범위까지 본 발명의 청구범위 기재의 범위 내에 있는 것으로 본다.
110: 슬릿 댐퍼 112: 슬릿
120: 형상기억합금 봉 122: 나사산
130: 고정부 132: 홀
134: 플랜지부 136: 나사공
138: 나사산 140: 고정 너트
200: 실험 구조물

Claims (5)

  1. 상하부 구조물 사이에 설치하되, 강판에 복수개의 높이 방향의 슬릿이 형성된 슬릿 댐퍼; 및
    형상기억합금(SMA: Shape Memory Alloy)으로 봉의 형태로 상기 슬릿 댐퍼에 부착되어 상기 슬릿 댐퍼의 변형을 복원시키도록 하는 형상기억합금 봉을 포함하는 건축구조물의 내진보강을 위한 댐퍼.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 형상기억합금 봉은 상기 슬릿 댐퍼의 전면과 후면에 각각 서로 다른 방향의 대각선으로 부착되는 건축구조물의 내진보강을 위한 댐퍼.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 슬릿 댐퍼의 전면 또는 후면에는 상기 형상기억합금 봉의 양단부가 삽입되는 홀이 형성된 고정부가 형성되는 건축구조물의 내진보강을 위한 댐퍼.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 홀의 내측면과 상기 형상기억합금 봉의 양단부의 외측면은 각각 나사산이 형성되어 나사 결합으로 상기 고정부에 상기 형상기억합금 봉이 고정되는 건축구조물의 내진보강을 위한 댐퍼.
  5. 제 3 항에 있어서,
    상기 고정부는 상기 슬릿 댐퍼에 용접 또는 볼트 결합으로 고정되는 건축구조물의 내진보강을 위한 댐퍼.
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