KR20190043795A - 건축물의 내진 보강을 위한 제진장치 - Google Patents

Abstract

본 발명은 변위증폭기를 적용하여 적은 변위에도 지진에너지의 소산이 가능하도록 하되, 변위증폭기를 병렬로 설치하여 댐퍼의 2개소에서 짝힘을 발생시켜 변위 증폭의 신뢰성을 높이고, 변위증폭기가 회전모멘트를 분담하게 되어 변형없이 댐퍼에서 강제적인 소성변형이 원활하게 이루어지도록 한 건축물의 내진 보강을 위한 제진장치를 제공한다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따른 건축물의 내진 보강을 위한 제진장치는, 판상형의 하부플레이트와; 상기 하부플레이트의 상부에 동일 높이와 상호 일정 간격을 가지고 설치된 한 쌍의 변위증폭기 회전축과; 상기 하부플레이트의 하부에 면대칭적으로 배치되어 고정 설치되어 있는 한 쌍의 댐퍼와; 상기 한 쌍의 댐퍼의 상부측 양단에 각기 한 쌍의 변위증폭기 회전축이 갖는 간격과 동일한 간격을 갖고 변위증폭기 회전축으로부터 장반경만큼 떨어진 위치에 회전자유롭게 지지되어 있는 하부베어링과; 상기 하부플레이트의 상방에 일정 간격을 두고 위치되어 동일 평면상에 배치되어 있는 판상형의 상부플레이트와; 상기 상부플레이트의 하부에 한 쌍의 변위증폭기 회전축이 배치된 간격과 동일한 간격을 갖고 변위증폭기 회전축으로부터 단반경만큼 떨어진 위치에 회전 지지되어 있는 한 쌍의 상부베어링과; 한 쌍의 변위증폭기 회전축에 회전중심을 두고 결합되고, 일단이 한 쌍의 상부베어링에 각기 상부슬롯을 통해 결합되고 타단이 한 쌍의 하부베어링에 각기 하부슬롯을 통해 결합되어 나란하게 병렬로 설치되고, 상부플레이트의 수평변위를 증폭시켜 상기 댐퍼에 전달하는 2쌍의 변위증폭기;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

Description

건축물의 내진 보강을 위한 제진장치{Vibration damping device for seismic reinforcement of structure}

본 발명은 건축물의 내진 보강을 위한 제진장치에 관한 것으로, 특히 변위증폭기를 적용하여 적은 변위에도 지진에너지의 소산이 가능하도록 하되, 변위증폭기를 병렬로 설치하여 댐퍼의 2개소에서 짝힘을 발생시켜 변위 증폭의 신뢰성을 높이고, 변위증폭기가 회전모멘트를 분담하게 되어 변형없이 댐퍼에서 강제적인 소성변형이 원활하게 이루어지도록 한 건축물의 내진 보강을 위한 제진장치에 관한 것이다.

건축물의 부족한 내진성능을 확보하기 위하여 실시하는 내진보강은 크게 건물 구조체의 내진성능을 향상시키는 방법과 건물에 작용하는 지진하중을 경감시키는 두 가지 방법으로 분류할 수 있다. 지진하중을 경감시키는 방법으로는 지진력이 건물 중량에 비례하므로 불필요한 내외장재나 칸막이벽 등을 제거하여 건물을 가볍게 만들어 줌으로써 지진하중을 경감시키는 방법, 댐퍼(damper)라고 하는 특수한 진동 및 충격 흡수재를 건물에 설치하여 지진 에너지 흡수하는 제진 방법, 건물과 지반 사이에 유연한 받침을 삽입하여 지반의 움직임이 건물에 전달되는 것을 경감시키는 면진 방법이 알려져 있다.

여기서, 댐퍼는 변위를 소성 변형이나 점탄성 변형 또는 마찰변형을 일으켜 에너지를 소산시킴으로써 제진을 수행하게 된다. 이때 변형을 일으키는 댐퍼는 제진시 발생되는 횡 변형의 량을 그대로 수용하여 제진을 하게 되는데 이럴 경우, 제진에는 최소 요구량을 갖게 된다. 최소요구량 이하의 변위에서는 에너지 소산이 불가능하여 댐퍼의 효율이 떨어진다. 강성이 높아 횡변위가 크지 않은 건물(콘크리트 전단벽식 아파트 등)에서는 댐퍼의 효용성이 미미하여 추가적인 내진보강을 필요로 한다.

본 발명의 배경이 되는 기술로는 한국 등록특허 등록번호 제10-1134911호로서, '지진에너지 저감을 위한 변위 증폭형 왕복운동하는 회전식 댐퍼장치'가 제안되어 있다. 이는 중앙으로 제1중심홈이 형성되며, 상기 제1중심홈의 외측으로 다수개의 제1고정홈이 형성되는 제1고정부와, 상기 제1고정부에 연결되는 연결부와, 상기 연결부의 타측으로 형성되고, 제1고정부와 대향되어 형성되며 제1중심홈과 제1고정홈과 대응되는 제2중심홈과 제2고정홈이 형성되는 제2고정부로 형성된 회전연결판과, 회전형마찰패드와, 왕복판과, 중앙강판과, 상기 왕복판의 제1판의 상, 하측으로 위치되며 장공홈에 대응되는 마찰홈이 형성되는 왕복형마찰패드와, 상기 왕복형마찰패드를 왕복판의 제1판에 고정시키며 일측으로 다수개의 볼트홈이 형성된 고정판으로 이루어진 것으로, 지진과 같은 외부진동이 구조물 등으로 전해질 경우 그 진동을 다양한 형태로 형성된 회전연결판으로 나눠지면서 분산되도록 하면서, 구조물로 전해지는 진동을 최소화하여 구조물의 파손을 예방할 수 있는 장점을 갖는다.

그러나 상기 배경기술은 구조가 복잡하여 구성 부품이 많이 들어가 제작 비용이 상승하고, 댐퍼의 용량이 커져 설치 면적이 커지는 단점을 가진다. 또한 적은 변위에서는 지진에너지의 소산을 크게 할 수 없다.

한국 등록특허 등록번호 제10-1134911호

본 발명은 변위증폭기를 적용하여 적은 변위에도 지진에너지의 소산이 가능하도록 하되, 변위증폭기를 병렬로 설치하여 댐퍼의 2개소에서 짝힘을 발생시켜 변위 증폭의 신뢰성을 높이고, 변위증폭기가 회전모멘트를 분담하게 되어 변형없이 댐퍼에서 강제적인 소성변형이 원활하게 이루어지도록 한 건축물의 내진 보강을 위한 제진장치를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따른 건축물의 내진 보강을 위한 제진장치는, 판상형의 하부플레이트와; 상기 하부플레이트의 상부에 동일 높이와 상호 일정 간격을 가지고 설치된 한 쌍의 변위증폭기 회전축과; 상기 하부플레이트의 하부에 면대칭적으로 배치되어 고정 설치되어 있는 한 쌍의 댐퍼와; 상기 한 쌍의 댐퍼의 상부측 양단에 각기 한 쌍의 변위증폭기 회전축이 갖는 간격과 동일한 간격을 갖고 변위증폭기 회전축으로부터 장반경만큼 떨어진 위치에 회전자유롭게 지지되어 있는 하부베어링과; 상기 하부플레이트의 상방에 일정 간격을 두고 위치되어 동일 평면상에 배치되어 있는 판상형의 상부플레이트와; 상기 상부플레이트의 하부에 한 쌍의 변위증폭기 회전축이 배치된 간격과 동일한 간격을 갖고 변위증폭기 회전축으로부터 단반경만큼 떨어진 위치에 회전 지지되어 있는 한 쌍의 상부베어링과; 한 쌍의 변위증폭기 회전축에 회전중심을 두고 결합되고, 일단이 한 쌍의 상부베어링에 각기 상부슬롯을 통해 결합되고 타단이 한 쌍의 하부베어링에 각기 하부슬롯을 통해 결합되어 나란하게 병렬로 설치되고, 상부플레이트의 수평변위를 증폭시켜 상기 댐퍼에 전달하는 2쌍의 변위증폭기;를 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 2쌍의 변위증폭기는 각각 한 쌍의 변위증폭기 회전축에 회전중심 베어링을 통해 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 댐퍼는 강재로 제작되어, 상기 하부플레이트측에 고정되는 하부플랜지와; 상기 하부베어링이 결합되는 베어링 지지축을 갖는 상부 플랜지와; 상기 상부플랜지와 하부플랜지를 연결하는 복수개 이상의 소성힌지와; 상기 소성힌지들간의 사이사이에 긴 구멍 형태로 관통 형성된 장공형 슬롯;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 댐퍼는 강재로 제작되어, 상기 하부플레이트측에 고정되는 하부플랜지와; 상기 하부베어링이 결합되는 베어링 지지축을 갖는 상부 플랜지와; 상기 상부플랜지와 하부플랜지를 연결하는 복수개 이상의 소성힌지와; 상기 소성힌지들간의 사이사이에 사각 구멍 형태로 관통 형성된 사각형 슬롯;을 포함하여 구성된 것을 특징으로 한다.

본 발명의 건축물의 내진 보강을 위한 제진장치는 적은 변위에도 증폭된 비율로 댐퍼가 작동하게 되어 지진에너지의 소산이 가능할 뿐만 아니라 간단하게 구성할 수 있어 제작 비용이 저렴하고, 슬림형으로 구성할 수 있어 설치 공간을 작게 차지하는 이점을 갖는다.

또한, 병렬 설치된 2쌍의 변위증폭기를 사용함으로써 회전모멘트를 분담하게 되어 변형없이 댐퍼에 강제적인 소성변형을 일으킬 수 있어 제진의 신뢰성을 높일 수 있다.

또한, 제진시 2쌍의 변위증폭기는 상단은 상부슬롯을 통해 상부베어링에 결합되어 있고 동시에 하단은 하부슬롯을 통해 하부베어링에 결합되어 있어 회전모멘트가 원활히 일어나 댐퍼에 효율적으로 강제적인 소성변형을 인가시킬 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 1은 본 발명에 따른 건축물의 내진 보강을 위한 제진장치의 사시도.
도 2a는 도 1의 'A'부 확대도.
도 2b는 도 1의 'B'부 확대도.
도 2c는 도 1의 'C'부 확대도.
도 3은 도 1의 일부분 분해사시도.
도 4는 도 1의 정면도.
도 5는 도 4의 D-D선 단면도.
도 6a는 본 발명의 제진장치에 적용되는 일 형태에 따른 댐퍼의 정면도.
도 6b는 본 발명의 제진장치에 적용되는 다른 형태에 따른 댐퍼의 정면도.
도 7은 도 1에 도시된 제진장치의 사용상태도.

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 건축물의 내진 보강을 위한 제진장치(10)는 도 1 내지 도 5와 같이 판상형의 하부플레이트(12)가 구비된다. 하부플레이트(12)는 강재로 제작된다. 하부플레이트(12)에는 상부에 한 쌍의 변위증폭기 회전축(13,13)이 설치되어 있다. 한 쌍의 변위증폭기 회전축(13,13)은 하부플레이트(12)의 두께 방향으로 삽입되어 고정 설치되어 있다. 따라서 한 쌍의 변위증폭기 회전축(13,13)은 하부플레이트(12)의 양면에 대해 일정량 돌출되게 설치된다. 이때 한 쌍의 변위증폭기 회전축(13,13)은 동일 높이와 상호 일정 간격(L)을 가지고 설치된다.

하부플레이트(12)에는 한 쌍의 댐퍼(14,14)가 고정 설치되어 있다. 한 쌍의 댐퍼(14,14)는 하부플레이트(12)의 하부에 위치되어 면대칭적으로 배치된다. 일 형태의 댐퍼(14)는 도 3 및 도 6a와 같이 강재로 제작되어 하부플레이트(12)측에 고정되는 하부플랜지(141)와, 하부베어링(15,15)이 결합되는 베어링 지지축(142a,142a)을 갖는 상부 플랜지(142)와, 상부플랜지(142)와 하부플랜지(141)를 연결하는 복수개 이상의 소성힌지(143)와, 소성힌지(143)들간의 사이사이에 긴 구멍 형태로 관통 형성된 장공형 슬롯(144)을 포함하여 구성되어 있다. 따라서 한 쌍의 댐퍼(14,14)는 하부플랜지(141)가 볼트 및 너트의 결합을 통해 하부플레이트(12)에 고정 설치될 수 있다.

한 쌍의 댐퍼(14,14)의 상부측 양단에 각기 회전자유롭게 지지되어 있는 하부베어링(15,15)이 설치되어 있다. 하부베어링(15,15)은 각기 한 쌍의 변위증폭기 회전축(13,13)이 갖는 간격(L)과 동일한 간격을 갖고 변위증폭기 회전축(13,13)으로부터 장반경(R2)만큼 떨어진 위치에 설치되어 있다. 하부베어링(15,15)은 롤러 베어링 또는 니들 베어링 형태가 될 수 있다.

하부플레이트(12)의 상방에 일정 간격(G)을 두고 위치되어 판상형의 상부플레이트(16)가 설치되어 있다. 상부플레이트(16)는 하부플레이트(12)와 동일 평면상에 배치되어 있다. 상부플레이트(16)에는 한 쌍의 상부베어링(17,17)이 설치되어 있다. 한 쌍의 상부베어링(17,17)은 상부플레이트(16)의 하부측 지지축(161,161)에 삽입되어 회전자유롭게 지지되어 있다. 이때 한 쌍의 상부베어링(17,17)은 한 쌍의 변위증폭기 회전축(13,13)이 배치된 간격(L)과 동일한 간격을 갖고 변위증폭기 회전축(13,13)으로부터 단반경(R1)만큼 떨어진 위치에 설치되어 있다. 상부베어링(17,17)은 롤러 베어링 또는 니들 베어링 형태가 될 수 있다.

상부플레이트(16)의 수평변위를 증폭시켜 상기 댐퍼(14,14)에 전달하는 2쌍의 변위증폭기(18,18)(18a,18a)가 구비되어 있다. 2쌍의 변위증폭기(18,18)(18a,18a)는 상부플레이트(16)에 대해 면대칭적으로 배치되어 있다. 각 쌍의 변위증폭기(18,18)(18a,18a)는 한 쌍의 변위증폭기 회전축(13,13)에 회전중심을 두고 결합되어 있다. 또한 각 쌍의 변위증폭기(18,18)(18a,18a)는 일단이 한 쌍의 상부베어링(17,17)에 각기 상부슬롯(181)을 통해 결합되고 타단이 한 쌍의 하부베어링(15,15)에 각기 하부슬롯(182)을 통해 결합되어 나란하게 병렬로 설치되어 있다.

이때 각 쌍의 변위증폭기(18,18)(18a,18a)는 각각 한 쌍의 변위증폭기 회전축(13,13)에 회전중심 베어링(19,19)을 통해 결합되는 것이 바람직하다. 여기서 회전중심 베어링(19,19)은 롤러 베어링 또는 니들 베어링 형태가 될 수 있다.

이와 같이 구성된 건축물의 내진 보강을 위한 제진장치(10)는 도 7과 같이 하부플레이트(12)의 하단이 건물의 하부슬래브(110)에 상부플레이트(16)의 상단이 이웃한 상부슬래브(120)에 고정 설치되어 제진을 수행하게 된다.

먼저, 건축물에 지진이 도래하여 상부플레이트(16)에 수평 하중(E)이 인가되면, 2쌍의 변위증폭기(18,18)(18a,18a)가 도 7에서 한 쌍의 변위증폭기 회전축(13,13)을 중심으로 회전하게 된다.

이때 2쌍의 변위증폭기(18,18)(18a,18a)는 상부플레이트(16)에 단반경(R1)을 가지고 연결되고 댐퍼(14)에 장반경(R2)을 가지고 연결되어 있어 상부플레이트(16)의 작은 변위에도 댐퍼(14)에 증폭된 비율로 변위를 일으키게 된다. 이에 의해 댐퍼(14)의 상부플랜지(142)가 상부플레이트(16)의 변위와 반대방향으로 변위가 일어나면서 소성힌지(143)가 소성 변형을 일으키면서 지진 에너지를 소산시키게 된다.

예를 들어, 상부플레이트(16)가 우측으로 수평하중을 받게 되면, 2쌍의 변위증폭기(18,18)(18a,18a)는 시계방향으로 회전하고, 이에 의해 댐퍼(14)의 상부플랜지(142)가 좌측으로 변위하여 소성힌지(143)가 소성 변형을 일으키게 된다. 만일 상부플레이트(16)가 좌측으로 수평하중을 받게 되면, 2쌍의 변위증폭기(18,18)(18a,18a)는 반시계방향으로 회전하고, 이에 의해 댐퍼(14)의 상부플랜지(142)가 우측으로 변위하여 소성힌지(143)가 소성 변형을 일으키게 된다.

이같이 본 발명에 따르면 지진 도래시 상부플레이트(16)가 받는 수평 방향에 상관없이 댐퍼(14)에 상부 양단 즉 2개소에서 소성변형을 일으켜 지진에너지를 소산시키게 되어 건축물의 내진 보강 효과를 얻을 수 있다.

이와 같이 본 발명의 건축물의 내진 보강을 위한 제진장치(10)는 적은 변위에도 증폭된 비율로 댐퍼(14)가 작동하게 되어 지진에너지의 소산이 가능할 뿐만 아니라 간단하게 구성할 수 있어 제작 비용이 저렴하고, 슬림형으로 구성할 수 있어 설치 공간을 작게 차지하는 이점을 갖는다.

또한, 병렬 설치된 2쌍의 변위증폭기(18,18)(18a,18a)를 사용함으로써 상부플레이트(16)의 수평 변위를 확실하게 댐퍼(14)에 증폭된 변위로 전달할 수 있어, 제진의 신뢰성을 높일 수 있다. 즉, 지진 도래시 병렬 설치된 2쌍의 변위증폭기(18,18)(18a,18a)에서 충분하게 회전 에너지를 분담하여 댐퍼(14)에 확실한 소성 변형을 일으키기 때문에 제진의 신뢰성을 높일 수 있다.

또한, 지진 도래시 2쌍의 변위증폭기(18,18)(18a,18a)는 상단은 상부슬롯(181)을 통해 상부베어링(17)에 결합되어 있고 동시에 하단은 하부슬롯(182)을 통해 하부베어링(15)에 결합되어 있어 회전의 억제를 받지 않으므로 댐퍼(14)에 효율적으로 짝힘을 발생시켜 소성 변형을 인가시킬 수 있다.

한편, 본 발명에 적용되는 상기 댐퍼(14)는 다른 실시 예로서 도 6b와 같이 하부플레이트(12)측에 고정되는 하부플랜지(141)와, 하부베어링(15,15)이 결합되는 베어링 지지축(142a,142a)을 갖는 상부 플랜지(142)와, 상부플랜지(142)와 하부플랜지(141)를 연결하는 복수개 이상의 소성힌지(143)와, 소성힌지(143)들간의 사이사이에 사각 구멍 형태로 관통 형성된 사각형 슬롯(144a)을 포함하여 구성될 수도 있다. 이같이 댐퍼(14)에 사각형 슬롯(144a)이 구성되는 경우 구조가 간단해지고 재료비가 절감되면서 동일하게 지진에너지를 소산시킬 수 있다.

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: 제진장치
12: 하부플레이트
13: 변위증폭기 회전축
14: 댐퍼
15: 하부베어링
16: 상부플레이트
17: 상부베어링
18,18a: 변위증폭기

Claims (4)

1. 판상형의 하부플레이트(12)와;
   상기 하부플레이트(12)의 상부에 동일 높이와 상호 일정 간격(L)을 가지고 설치된 한 쌍의 변위증폭기 회전축(13,13)과;
   상기 하부플레이트(12)의 하부에 면대칭적으로 배치되어 고정 설치되어 있는 한 쌍의 댐퍼(14,14)와;
   상기 한 쌍의 댐퍼(14,14)의 상부측 양단에 각기 한 쌍의 변위증폭기 회전축(13,13)이 갖는 간격(L)과 동일한 간격을 갖고 변위증폭기 회전축(13,13)으로부터 장반경(R2)만큼 떨어진 위치에 회전자유롭게 지지되어 있는 하부베어링(15,15)과;
   상기 하부플레이트(12)의 상방에 일정 간격(G)을 두고 위치되어 동일 평면상에 배치되어 있는 판상형의 상부플레이트(16)와;
   상기 상부플레이트(16)의 하부에 한 쌍의 변위증폭기 회전축(13,13)이 배치된 간격(L)과 동일한 간격을 갖고 변위증폭기 회전축(13,13)으로부터 단반경(R1)만큼 떨어진 위치에 회전 지지되어 있는 한 쌍의 상부베어링(17,17)과;
   한 쌍의 변위증폭기 회전축(13,13)에 회전중심을 두고 결합되고, 일단이 한 쌍의 상부베어링(17,17)에 각기 상부슬롯(181)을 통해 결합되고 타단이 한 쌍의 하부베어링(15,15)에 각기 하부슬롯(182)을 통해 결합되어 나란하게 병렬로 설치되고, 상부플레이트(16)의 수평변위를 증폭시켜 상기 댐퍼(14,14)에 전달하는 2쌍의 변위증폭기(18,18)(18a,18a);를 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 건축물의 내진 보강을 위한 제진장치.
2. 제 1항에 있어서,
   2쌍의 변위증폭기(18,18)(18a,18a)는 각각 한 쌍의 변위증폭기 회전축(13,13)에 회전중심 베어링(19,19)을 통해 결합되어 있는 것을 특징으로 하는 건축물의 내진 보강을 위한 제진장치.
3. 제 1항에 있어서,
   상기 댐퍼(14)는 강재로 제작되어,
   상기 하부플레이트(12)측에 고정되는 하부플랜지(141)와;
   상기 하부베어링(15,15)이 결합되는 베어링 지지축(142a,142a)을 갖는 상부 플랜지(142)와;
   상기 상부플랜지(142)와 하부플랜지(141)를 연결하는 복수개 이상의 소성힌지(143)와;
   상기 소성힌지(143)들간의 사이사이에 긴 구멍 형태로 관통 형성된 장공형 슬롯(144);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 건축물의 내진 보강을 위한 제진장치.
4. 제 1항에 있어서,
   상기 댐퍼(14)는 강재로 제작되어,
   상기 하부플레이트(12)측에 고정되는 하부플랜지(141)와;
   상기 하부베어링(15,15)이 결합되는 베어링 지지축(142a,142a)을 갖는 상부 플랜지(142)와;
   상기 상부플랜지(142)와 하부플랜지(141)를 연결하는 복수개 이상의 소성힌지(143)와;
   상기 소성힌지(143)들간의 사이사이에 사각 구멍 형태로 관통 형성된 사각형 슬롯(144a);을 포함하여 구성된 것을 특징으로 하는 건축물의 내진 보강을 위한 제진장치.

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