KR20190129784A - 모멘트 프레임 커넥터 - Google Patents

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KR20190129784A
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바드리 히리유르
스티븐 이. 프라이어
Original Assignee
심슨 스트롱-타이 컴퍼니, 인크.
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Abstract

건축물에서 지주를 보에 부착시키기 위한 수평 브레이싱 시스템에 대해 개시한다. 본 발명의 수평 브레이싱 시스템은 보의 상부 플랜지와 저부 플랜지에 각각 하나씩 부착되는 좌굴 억제판 한 쌍을 포함한다. 또한, 본 발명의 수평 브레이싱 시스템은 각 좌굴 억제판을 위한 적어도 하나의 항복판도 추가로 포함한다. 각 항복판은 지주에 부착된 제1 단부와, 보에 부착된 제2 단부를 포함한다.

Description

모멘트 프레임 커넥터{MOMENT FRAME CONNECTOR}
본 출원은 2006년 12월 22일자로 "모멘트 골조 커넥터"라는 명칭으로 출원된 미국 특허 가출원 제60/871,587호에 기초한 우선권을 주장한 2007년 12월 19일자로 "모멘트 골조 커넥터"라는 명칭으로 출원된 미국 특허 출원 제11/959,696호의 일부 계속 출원이다. 두 출원은 그 전체가 참조되어 여기에 원용된다.
본 발명은 경량 골조 건축물에 사용되는 구조물을 위한 이력 현상적인 감쇠에 관한 것으로, 특히 경량 골조 건축물 내에서 에너지가 낮은 힘 문턱값에서 소산되도록, 높은 초기 강성과 함께 이력 현상적인 감쇠를 통한 높은 에너지 소산도를 제공하도록 구성된 수평 브레이싱 시스템(lateral bracing system)에 관한 것이다.
지진 활동과 바람과 같은 자연 현상에 기인한 전단 응력은 경량 골조 구조물의 구조적 건전성에 파괴적인 영향을 미칠 수 있다. 그와 같은 자연 현상 중에 생성되는 횡방향의 힘은 벽의 저부에 대하여 벽의 상부를 횡방향으로 이동시킬 수도 있으며, 이러한 이동에 의하여 벽의 손상 또는 구조적 파괴가 일어날 수 있고, 경우에 따라서는 건물이 붕괴될 수 있다.
주택 및 소형 건물과 같은 건축물에서는, 경량 골조 건축물의 구조적 건전성에 미치는 전단 응력의 잠재적인 파괴적 영향에 대응하기 위하여 수평 브레이싱 시스템이 개발되었다. 다양한 디자인이 공지되어 있지만, 하나의 유형의 수평 브레이싱 시스템은, 서로 이격된 수직 스터드와, 스터드에 부착되고 스터드들 사이에 뻗어 있는 수평 보를 포함한다. 보는 횡방향의 하중 하에서 구조적 연결 성능을 증가시키기 위한 목적으로 스터드에 부착된다.
많은 종래의 수평 브레이싱 시스템은 횡방향의 하중 하에서 초기에는 양호하게 작동하지만, 상당한 지진 활동과 높은 풍력 중에 흔히 발생하는 반복적인 횡방향의 하중을 받으면 항복하고 파괴된다. 수평 브레이싱 시스템이 감지될 정도로 항복하거나 파괴되면 전체 시스템은 교체되어야 한다.
구조물의 하중과는 무관한 또 다른 고려 사항은, 작업장에서 작업자에 의해 용이하고 효과적으로 건립될 수 있어야 한다는 점이다. 시간, 복잡성 및 시공 비용을 증가시키는 하나의 문제점은 작업장에서 구성품들을 서로 용접하여야 한다는 것이다. 볼트 연결은, 용접과 관련된 추가 장비와 인건비가 필요 없이, 더욱 신속하고 효과적으로 완성될 수 있다는 점에서 전형적으로 바람직하다.
본 발명의 실시 형태는, 개략적으로 설명하자면, 건축물 내에서 지주(column)를 보(beam)에 부착하기 위한 수평 브레이싱 시스템에 관한 것이다. 여러 실시 형태에서, 수평 브레이싱 시스템은 한 쌍의 좌굴 억제 블록을 포함하고 각각의 좌굴 억제 블록은 보의 상부 및 저부 플랜지에 용접된다. 각 좌굴 억제 블록은 블록의 중앙을 관통하여 형성된 하나 이상의 보어를 포함한다. 수평 브레이싱 시스템은 각 좌굴 억제 블록을 위한 적어도 하나의 항복 링크(yield link)를 또한 포함한다. 각 항복 링크는, 지주에 부착된 제1 단부와, 좌굴 억제 블록 내의 보어를 통해 삽입되고 좌굴 억제 블록의 단부에 부착된 제2 단부를 포함한다.
수평 브레이싱 시스템은 인가된 횡방향의 하중 하에서 휨에 대한 높은 저항성을 제공하기에 충분한 강성(stiffness)을 가진다. 그러나, 제어 가능하고 예측 가능한 수준보다 큰 횡방향의 하중에서, 본 발명의 구조는 항복 링크의 안정적인 항복을 제공한다. 이러한 방식으로, 인가된 횡방향의 하중은 시스템으로부터 이력 현상적으로 감쇠(hysteretic damping)되고, 고도의 에너지가 소산되고, 그에 따라 프레임에 대한 손상을 방지한다. 더욱이, 에너지 소산 및 항복 링크의 안정적인 항복은, 프레임이 횡방향의 하중 하에서 반복적 휨에 파괴되지 않고 견딜 수 있게 한다.
여러 실시 형태에서, 보는 좌굴 억제 블록이 용접, 접착 또는 다른 방식으로 부착되어 있는 상태로 작업장으로 이송될 수 있다. 작업장에서, 항복 링크는 좌굴 억제 블록의 보어 내로 삽입될 수 있고 좌굴 억제 블록과 지주에 부착될 수 있다. 따라서, 작업장에서는 본 발명의 수평 브레이싱 시스템의 최소한의 조립 작업만이 필요하게 된다.
다른 실시 형태에 있어서, 수평 브레이싱 시스템은 보와 지주 사이에 직접 제공된 한 쌍의 좌굴 억제 조립체를 포함할 수 있다. 그러한 실시 형태에서, 각 좌굴 억제 조립체와 보 또는 지주 사이의 모든 연결부는 볼트로 연결될 수 있다. 모든 조립이 볼트로 이루어지는 조립체는 작업장에서의 조립을 용이하게 한다.
본 발명의 수평 브레이싱 시스템에 따르면, 구조물에 횡방향의 하중이 가해질 때 지주 또는 보가 항복되거나 파괴되기 전에 항복 부재가 횡방향의 하중하에서 항복되며, 파손은 쉽게 제거 및 교체될 수 있는 항복 부재에 국한된다.
게다가, 볼트 체결에 의해서 조립될 수 있으므로 용접과 관련된 추가 장비와 인건비가 필요 없이, 더욱 신속하고 효과적으로 완성될 수 있다.
도 1은 본 발명의 한 실시 형태에 따른 수평 브레이싱 시스템에 의해 지주에 연결된 보의 사시도이다.
도 2는 도 1에 따른 수평 브레이싱 시스템의 정면도이다.
도 3 내지 도 5는 본 발명의 다른 실시 형태에 따른 수평 브레이싱 시스템에 의해 지주에 연결된 보의 사시도이다.
도 6은 도 3 내지 도 5에 도시된 수평 브레이싱 시스템의 정면도이다.
도 7은 도 3 내지 도 5에 도시된 수평 브레이싱 시스템의 평면도이다.
도 8은 도 3 내지 도 5에 도시된 수평 브레이싱 시스템의 항복 링크의 측면도이다.
도 9는 도 3 내지 도 5에 도시된 수평 브레이싱 시스템의 좌굴 억제 블록의 단부 도면이다.
도 10은 도 3 내지 도 5에 도시된 수평 브레이싱 시스템의 좌굴 억제 블록의 측면도이다.
도 11은 본 발명의 대안적 실시 형태에 따른 항복 링크의 측면도이다.
도 12는 본 발명의 대안적 실시 형태에 따른 좌굴 억제 블록의 측면도이다.
도 13은 본 발명의 실시 형태에서의 프레임의 횡방향의 하중 대 횡방향의 변위 그래프이다.
도 14는 보를 지주에 직접 부착하는 한 쌍의 좌굴 억제 조립체의 사시도이다.
도 15는 도 14의 좌굴 억제 조립체의 일부 분해 사시도이다.
도 16은 보를 지주에 직접 부착하는 한 쌍의 좌굴 억제 조립체의 측면도이다.
도 17은 도 14와 도 16의 좌굴 억제 조립체의 분해 사시도이다.
횡방향의 하중 하에서 수평 브레이싱 시스템 내부에서 발생되는 에너지를 효과적으로 소산시킬 수 있는 항복 링크를 포함하고 있으며 높은 초기 강성을 갖고 있는 수평 브레이싱 시스템에 관한 본 발명의 실시예들에서, 도 1 내지 도 17을 참조하여 이제 본 발명을 상세하게 설명한다. 본 발명은 각기 다른 많은 형태로 실시될 수 있고 본 명세서에서 제시된 실시예들에 한정되는 것으로 이해해서는 안 된다. 오히려, 이들 실시예는 명세서에 설명하는 내용을 전체적으로 완전하게 되도록 하고 그리고 본 발명을 당업자에게 충분히 전달될 수 있도록 하기 위하여 제공되는 것이다. 실제로, 본 발명은 첨부된 특허청구범위에서 한정된 바와 같은 본 발명의 범위와 기술 사상 내에 포함되는 본 실시예들의 대안적인 실시, 변경 실시 및 균등물들을 포함하도록 하는 것이다. 또한, 이하의 본 발명의 상세한 설명에서는, 본 발명을 완전하게 이해할 수 있게 하기 위하여 다수의 구체적인 세부 사항들이 제시된다. 그러나, 본 발명은 그러한 구체적인 세부 사항들 없이도 실시될 수 있다는 것은 당업자에게는 명확할 것이다.
도 1과 도 2를 참조하면, 수직 지주(104)에 부착된 수평 보(102)를 부분적으로 포함하는 프레임(100)이 도시되어 있다. 보(102)와 지주(104)는 각각 중앙 다이어프램에 의해 연결된 대향하는 쌍으로 이루어진 플랜지를 포함한다. 비록 수직 지주와 수평 보라고 지칭하지만, 대안적인 실시예에서 지주와 보는 90°가 아닌 각도로 서로 부착될 수 있다는 것은 말할 나위도 없다. 보(102)는 수평 브레이싱 시스템을 포함하는 보 스터드(beam stud)(110)에 의해서 지주(104)에 부착된다. 수평 브레이싱 시스템은 보 스터드(110)의 상부 플랜지와 저부 플랜지 각각에 하나씩 있는 한 쌍의 좌굴 억제 브레이싱 장치(112)를 포함한다. 좌굴 억제 브레이싱 장치(112) 각각은, 제1 단부에서는 보 스터드(110)의 플랜지에 용접되거나 접착되고 제2 단부에서는 지주(104)의 플랜지에 용접되거나 접착되는 평탄한 "개뼈" 형상(중간 부분이 단부 부분들보다 좁아서 "개뼈" 형상임)의 항복 링크를 포함한다. 각 항복 링크(114)의 중간 부분을 덮는 것은 좌굴 억제 블록(116)이다. 블록(116)은 보 스터드(110)의 각 플랜지에 용접되거나 접착된다.
전단 탭(122)이 보 스터드(110)와 지주(104) 사이에 추가로 마련될 수 있다. 전단 탭(122)은 용접, 접착 또는 볼트 체결에 의해서 지주(104)의 플랜지에 부착될 수 있고, 용접, 접착 또는 볼트 체결에 의해서 보 스터드(110)의 중앙 다이어프램에 부착될 수 있다. 보 스터드(110)는 전단 탭(122)의 반대쪽에 있는 보 스터드의 단부에 용접된 단부 판(124)을 추가로 포함한다. 단부 판(124)은 아래에서 설명하는 바와 같이 유사한 단부 판(126)에 볼트 체결되어 보(102)를 보 스터드(110)에 부착시킬 수 있다.
작동 시에, 한 쌍의 좌굴 억제 브레이싱 장치(112)는 횡방향의 하중 하에서 지주에 대한 보의 회전(즉, 전단 탭(122)에 대한 회전)에 동시에 대항하도록 작동한다. 제1 방향에서 시도되는 회전에 의해서는 장치(112)들 중 첫 번째 장치는 인장 상태에 놓이게 되고 장치들 중 두 번째 장치는 압축 상태에 놓이게 될 것이다. 반대 방향에서 시도되는 회전에 의해서는 첫 번째 장치는 압축 상태에 놓이게 되고 장치들 중 두 번째 장치는 인장 상태에 놓이게 될 것이다.
각 장치(112)의 항복 링크(114)는 횡방향의 하중 하에서 지주(104)와 보(102) 간의 상대 이동에 대한 높은 인장 저항성 및 높은 초기 강성을 제공하지만, 예측 가능하고 제어되는 수준 이상의 횡방향의 하중 하에서는 안정적인 항복과 에너지 소산을 제공한다. 특히, 지주와 보의 굽힘 강도는 항복 링크(114), 특히 항복 링크(114)의 얇은 중간 부분의 모멘트 강도(moment capacity)를 초과하도록 설계될 수 있다. 따라서, 항복 링크(114)는 지주나 보가 항복하거나 파괴되기 전에 횡방향의 하중 하에서 항복하며, 파손은 쉽게 제거되고 교체될 수 있는 항복 링크에 국한된다. 좌굴 억제 블록(116)은 압축 하중 하에서 항복 링크들의 좌굴을 방지한다. 전단 탭(122)은 수직 하중하에서 수직 전단력(즉, 지주(104)의 길이를 따라서)에 대항하도록 마련된다.
또한, 상술한 그리고 후술하는 실시예들에 대해 설명하는 바와 같은 보(102)와 지주(104) 사이에 마련된 수평 브레이싱 시스템은 통상적으로 보의 일부분으로 마련되는 수평 비틀림 좌굴 억제 시스템을 생략할 수 있게 된다. 다시 말해, 종래 기술의 시스템에서는, 수평 비틀림 좌굴 억제 시스템이 보의 일부분으로 마련되어 과도한 횡방향의 하중이 가해지는 경우에 항복한다. 이들 수평 비틀림 좌굴 억제 시스템은 보의 좌굴을 방지하는 수평 브레이싱과 항복 링크를 포함한다. 본 발명에 따른 수평 브레이싱 시스템을 사용함으로써, 종래 기술의 보에 구비되는 수평 비틀림 좌굴 억제 시스템은 생략될 수 있다. 보 자체와는 별도인 본 발명의 수평 브레이싱 시스템을 통하여 보에 대한 투입 요구를, 링크 모멘트 강도에 대한 한정된 상한을 통해서 제어하는 능력을 가짐으로써 보가 브레이싱 없이 설계될 수 있게 된다. 또한, 이에 의해서 보와 지주가 최대의 항복 링크 연결 모멘트 강도의 수준에서 탄성적으로 유지되도록 설계될 수 있게 된다.
횡방향의 하중이 가해질 때, 항복 링크(114)는 항복 링크가 부착되는 지주(104)의 플랜지에 힘을 가한다. 따라서, 연속적인 판(130)은 지주(104)의 영향을 받는 플랜지에 선택적으로 부착되어 항복 링크에 의해 가해지는 힘에 대항할 수 있다.
배경 기술 항목에서 설명한 바와 같이, 작업장에서 용접하는 것을 회피하는 것이 바람직하다. 이에 따라, 실시예들에서는, 보(102)와 지주(104)의 조립과 연결은 다음과 같이 이루어진다. 작업장에 도착하기 전에, 항복 링크(114)의 제1 단부와 좌굴 억제 블록(116)이 보 스터드(110)에 용접 또는 접착될 수 있다. 단부 판(124)도 또한 스터드(110)에 용접 또는 접착될 수 있다.
그러고 나서, 항복 링크(114)의 제2 단부를 지주(104)의 플랜지에 용접/접착하고 전단 탭을 지주(104)의 다이어프램에 용접/접착하는 것에 의해 보 스터드(110)는 지주(104)에 용접 또는 접착될 수 있다. 그 다음에, 전단 탭은 보 스터드(110)의 다이어프램에 볼트 체결될 수 있다. 그러고 나서, 연결된 보 스터드(110)와 지주(104)가 작업장으로 전달될 수 있다. 보 스터드(110)를 포함함으로써 모든 용접/접착은 지주가 작업장에 도착하기 전에 이루어진다. 단부 판(126)은 보(102)에 용접 또는 접착될 수 있고 그러고 나서 보는 작업장으로 전달된다. 작업장에서는, 보(102)는 단부 판(124, 126)을 서로 볼트 체결하는 것에 의해 보 스터드(110)에 부착될 수 있다.
이제 도 3 내지 도 12를 참조하여 본 발명의 대안적인 실시예들을 설명한다. 이 실시예에서는, 보 스터드(110)를 생략할 수 있고 더욱 단순하지만 효과적인 구성을 제공하는 수평 브레이싱 시스템이 마련된다. 우선 도 3 내지 도 7을 참조하면, 프레임(200)은 수직 지주(104)에 부착된 수평 보(102)를 부분적으로 포함한다. 비록 수직 지주와 수평 보라고 지칭하지만, 대안적인 실시예에서 지주와 보는 90°가 아닌 각도로 서로 부착될 수 있다는 것은 말할 나위도 없다.
보(102)는 수평 브레이싱 시스템에 의해서 지주(104)에 부착된다. 수평 브레이싱 시스템은 보 스터드(110)의 상부 플랜지와 저부 플랜지 각각에 하나씩 있는 한 쌍의 좌굴 억제 브레이싱 장치(212)를 포함한다. 좌굴 억제 브레이싱 장치(212) 각각은 하나 이상의 원통형 항복 링크(214)를 포함하고, 항복 링크는 각각 아래에서 설명하는 바와 같이 단부에 나사산을 포함한다. 각 세트의 하나 이상의 항복 링크(214)는 보(102)의 플랜지의 상부 및 저부 플랜지에 용접되거나, 접착되거나 혹은 다른 방식으로 부착된 좌굴 억제 블록(216) 내에 마련될 수 있다.
전단 탭(222)이 보(102)와 지주(104) 사이에 추가로 마련될 수 있다. 전단 탭(222)은 용접, 접착 또는 볼트 체결에 의해 지주(104)의 플랜지에 부착될 수 있고, 용접, 접착 또는 볼트 체결에 의해 보 스터드(102)의 중앙 다이어프램에 부착될 수 있다. 지주 플랜지 보강재(230)가 지주(104)의 플랜지에 선택적으로 부착되어 항복 링크들에 의해 가해지는 힘에 대항할 수 있다.
도 8은 원통형 항복 링크의 실시예를 도시한 측면도이고, 도 9와 도 10은 각각 좌굴 억제 블록(216)의 실시예를 도시한 단부 도면과 측면도이다. 원통형 항복 링크(214)는 강으로 만들어질 수 있고, 나사산 가공된 제1 및 제2 단부(240, 242) 및 단부(240, 242) 사이의 중간 부분을 포함한다. 바람직하게는, 중간 부분(244)은 단부(240, 242)보다 직경이 작으므로, 아래에서 설명하는 바와 같이 항복시에 항복 링크(214)는 중간 부분(244)에서 항복한다. 테이퍼 경사진 경사부(246, 248)가 마련되어 단부(240, 242)의 직경에서부터 중간 부분(244)까지 부드럽게 이어질 수 있다. 도시하지는 않았으나, 단부(240, 242)는 좌굴 억제 블록(216)에 쉽게 삽입될 수 있도록 모따기될 수 있다. 중간 부분(244)은 리브(250)를 포함할 수 있는데, 그 목적은 아래에서 설명한다. 중간 부분(244)을 단부(240, 242)와 다른 소재로 형성하는 것도 가능한데, 이 경우 중간 부분이 탄성 계수가 더 낮다. 이러한 실시예에서는, 중간 부분은 그 직경이 단부(240)와 동일할 수 있고, 그럼에도 불구하고 중간 부분 항복점 이상의 인장 응력이 가해질 때 항복하는 첫 번째 부분이다.
도 8에 도시된 실시예에서, 단부(242)는 그 직경이 단부(240)보다 크다. 일례로, 단부(242)는 직경이 1.30 인치일 수 있고, 단부(240)는 직경이 1.25 인치일 수 있고, 그리고 중간 부분은, 직경이 1.25 인치일 수 있는 리브(250)를 제외하고, 직경이 1.00 인치일 수 있다. 대안적인 실시예들에서, 상술한 치수들 각각이 서로 비례해서 또는 서로 비례하지 않게 제시된 치수 이상 또는 이하로 바뀔 수 있다는 것은 말할 나위도 없다.
좌굴 억제 블록(216)은 하나 이상의 항복 링크(214)를 통과시켜서 수용하기 위해 형성된 하나 이상의 보어(260)를 구비한 알루미늄 또는 강과 같은 금속으로 된 블록일 수 있다. 보어(260)는 직경이 리브(250) 및/또는 단부(240)의 직경과 대략 동일할 수 있고, 단부(264)에서는 항복 링크(214)들의 나사산 가공된 단부(242)를 수용하도록 약간 더 클 수 있다. 블록(216)의 길이(보(102)의 길이를 따라서)는 예를 들어 6.50 인치일 수 있고, 폭(보(102)의 플랜지의 폭을 가로질러서)은, 예를 들어 7.00 인치와 같이 보(102)의 플랜지들의 폭과 대략 동일하거나 약간 작을 수 있고, 그리고 블록(216)은 높이가 2.50 인치일 수 있다. 블록(216)이 한 쌍의 보어(260)를 포함하는 경우, 보어들은 중심선에서 중심선까지 4.00 인치 간격으로 서로 이격될 수 있다. 대안적인 실시예들에서는 이들 치수가 서로 비례해서 또는 서로 비례하지 않게 바뀔 수 있다는 것은 말할 나위도 없다.
블록(216)은, 장치(112)가 아래에서 설명하는 바와 같이 조립될 때 항복 링크(214)의 단부(240)가 통과하여 돌출하는 단부(262) 및 단부(262) 반대쪽의 단부(264)를 포함할 수 있다. 보어(260)의 일부는 아래에서 설명하는 바와 같이 항복 링크의 나사산 가공된 단부(242)를 수용하기 위해 단부(264)에 인접한 곳에 나사산이 형성될 수 있다.
보(102)는 보에 용접, 접착 또는 다른 방식으로 부착되는 블록(216)을 구비한 상태로 작업장에 인도될 수 있다. 지주는 지주에 용접, 접착 또는 다른 방식으로 부착되는 전단 탭(222)을 구비한 상태로 작업장에 인도될 수 있다. 이제 도 6 내지 도 10을 참조하면, 일단 작업장에서 항복 링크(214)는 항복 링크(214)의 단부가 블록(2116)의 단부(264)에 먼저 삽입된 상태(즉, 도 6 및 도 7의 사시도에서 좌측으로부터 우측으로)에서 보어(260) 내로 삽입될 수 있다. 나사산 가공된 항복 링크 단부(242)가 나사산 가공된 보어의 단부에 결합할 때까지 항복 링크의 작은 직경부(240, 244, 250)는 대직경 보어(260)를 통과한다. 그 지점에서, 단부(242)는 항복 링크(214)를 좌굴 억제 블록(216)에 부착하기 위하여 블록 단부(264)내에 체결될 수 있다. 항복 링크(214)의 단부(242)는 블록 내에 링크를 밀어 넣기 위한 머리부를 포함할 수 있지만, 변경 실시예에서 머리부는 생략될 수도 있다.
각각의 항복 링크(214)에서, 링크는 링크 단부(240)가 블록 단부(262)로부터 돌출할 때까지 조여진다. 도 7의 예에 도시된 바와 같이, 그 다음에 너트(270)가 링크 단부(240)에 체결되고, 단부(240)는 지주의 플랜지에 형성된 구멍을 통과하고, 제2 너트(272)가 단부(240)에 체결된다. 일단 너트(270, 272)가 지주 플랜지의 양쪽에서 조여지면, 좌굴 억제 브레이싱 장치(212)가 보(102)와 지주(104) 간의 이동에 대항하는 위치에 고정된다.
특히, 한 쌍의 좌굴 억제 브레이싱 장치(212)는 횡방향의 하중하에서 지주(104)에 대한 보(102)의 회전에 대항하도록 동시에 작동한다. 각각의 좌굴 억제 브레이싱 장치(212)의 항복 링크(214)는 횡방향의 하중하에서 지주(104)와 보(102) 간의 상대 이동에 대한 높은 인장 저항성 및 높은 초기 강성을 제공하지만, 예측할 수 있고 제어되는 수준 이상의 횡방향의 하중하에서 에너지 소산 및 중간 부분(244)에서 안정적인 항복을 제공한다. 특히, 지주 및 보의 굽힘 강도는 항복 링크(214)의 중간 부분(244)의 모멘트 강도를 초과하도록 설계될 수 있다. 따라서, 지주 또는 보가 항복되거나 파괴되기 전에 항복 링크(214)가 횡방향의 하중하에서 항복되며, 파손은 쉽게 제거 및 교체될 수 있는 항복 링크에 국한된다.
좌굴 억제 블록(216)은 압축 하중하에서 항복 링크의 좌굴을 방지한다. 특히, 항복 링크(214)의 중간 부분(244)의 직경에 대한 보어(260)의 상대적인 직경은 항복 링크가 좌굴될 수 있는 양을 제한한다. 전술한 바와 같이, 중간 부분(244)은 리브(250)를 포함할 수 있다. 리브(250)의 확장된 직경은, 항복 링크(214)가 좌굴 억제 블록(216)의 보어(260) 내에서 좌굴될 수 있는 양을 더욱 제한한다. 실시예에는 세개의 리브(250)가 있지만, 변경 실시예에서 하나, 두개 또는 네개 이상이 있을 수 있다. 또 다른 실시예에서, 리브(250)는 모두 생략될 수 있다.
도 8 내지 도 10과 관련하여 설명된 실시예에서, 링크 단부(242)는 링크 단부(240) 보다 큰 직경을 가지고 있으며, 따라서 링크 단부(242)와 블록 단부(264)에서 나사 결합할 때까지 항복 링크는 좌굴 억제 블록(216)을 자유롭게 통과할 수 있다. 도 11의 변경 실시예에서, 항복 링크(214)는 동일한 직경, 예를 들면 1.25 인치의 직경을 갖는 단부(240, 242)를 가지고 있다. 이러한 실시예에서, 좌굴 억제 블록(216)은 도 12에 도시된 바와 같이 전체 길이를 따라 나사산 가공된 보어(260)를 가질 수 있다. 도 11 및 도 12의 실시예는 더욱 작은 직경의 중간 부분에서 리브를 구비하거나 또는 구비하지 않고 작동할 수 있다.
도 1 내지 도 12와 관련하여 앞에서 설명한 본 발명의 실시예에 따라, 측면 브레이싱 시스템은 횡방향의 하중이 가해지는 상황하에서 휨에 대한 높은 저항성을 제공하기에 충분한 강성 및 견고함을 가지고 있다. 그러나, 제어할 수 있고 예측가능한 수준 이상의 횡방향의 하중에서, 본 발명의 구조는 항복 링크의 안정적인 항복을 제공한다. 이 방식에서, 인가되는 횡방향의 하중은 시스템으로부터 이력 현상적으로 감소되고 높은 에너지가 소산되며, 따라서 프레임에 대한 파손을 방지한다. 게다가, 에너지 소산 및 항복 링크의 안정적인 항복은, 횡방향의 하중하에서 파괴되지 않고 프레임(100)이 반복적인 휨을 견딜 수 있도록 한다.
링크가 항복에 의해 파손되는 경우에, 수평 브레이싱 시스템은 항복 링크를 제거하고 교체하는 것에 의해, 원래의 완전한 상태 및 하중 지탱 능력으로 복원될 수 있다. 구조 프레임은 온전한 상태로 남아 있고 교체할 필요가 없다.
도 13은 횡방향으로 가해지는 하중에 대한 도 1 및 도 2의 좌굴 억제 브레이싱 장치(12)의 실시예와 도 3 내지 도 10의 좌굴 억제 브레이싱 장치의 실시예의 반응을 그래프로 나타낸 것이다. 도시된 바와 같이, 두 실시예는 대략 22,000 파운드인 횡방향의 하중에서의 항복점까지 탄성적인 거동을 나타낸다.
도 14 내지 도 17은 수평 브레이싱 시스템(300)을 포함하고 있는 본 발명의 다른 실시예를 나타내고 있다. 이 실시예에서는, 수평 브레이싱 시스템(300)이 보(102)를 지주(104)에 직접 연결하기 위하여 전술한 실시예의 보 스터브(110)는 생략될 수 있다.
수평 브레이싱 시스템(300)은 서로 동일하거나 또는 동일하지 않은 한 쌍의 좌굴 억제 조립체(302)를 포함하고 있는데, 하나는 보(102)의 상부에 배치되고 다른 하나는 보(102)의 아래에 배치되어 있다. 좌굴 억제 조립체(302)에 대한 이하의 설명은 양자의 조립체(302) 모두에 적용된다.
각각의 좌굴 억제 조립체(302)는 지주 장착판(308), 보 장착판(310), 그리고 지주 장착판과 보 장착판 사이에 연결된 항복판(312)을 갖고 있는 항복 부재(304)를 포함하고 있다. 지주 장착판(308)은 서로 직각으로 용접될 수 있는 수직부(308a)와 수평부(308b)를 가질 수 있다. 수직부 및 수평부(308a, 308b)는 다른 수단에 의해서 서로 부착되거나, 또 다른 실시예에서 단일편으로 주조될 수 있다.
수평부(308b)는 보 장착판(310) 및 항복판(312)과 통합된 평탄한 단일체로 형성될 수 있다. 예를 들면, 수평부(308b)와 판(308, 310, 312)은 1/4 인치의 단일편의 강으로 형성될 수 있다. 다른 실시예에서, 예를 들면 수평부(308b)와 판(308, 310, 312)은 다른 두께로 형성될 수 있다.
지주 장착판(308)과 보 장착판(310)은 보(102)의 각각 플랜지의 폭과 대략 동일하거나 또는 약간 작은 폭, 예를 들면 7.00 인치의 폭(보(102)의 플랜지의 폭을 가로지르는 폭)을 가질 수 있다. 항복판(312)은 판(308, 312)의 폭보다 작은 폭(보(102)의 플랜지의 폭을 가로지르는 폭)을 가질 수 있다. 항복판(312)의 폭은 실시예에서 1 내지 6 인치, 다른 실시예에서 1 내지 3 인치, 또 다른 실시예에서 2 내지 3 인치가 될 수 있다. 항복판이 지주 장착판 및 보 장착판(308, 310) 보다 작은 폭을 갖는다는 전제하에서, 항복판(312)의 폭은 다른 치수가 될 수 있다.
좌굴 억제 조립체(302)는 좌굴 억제 부재(316) 및 한 쌍의 스페이서 블록(318)(명료함을 위해 도 17에서 하나는 생략되어 있음)을 더 포함하고 있다. 좌굴 억제 부재(316)는 항복판(312)의 길이와 대략 동일한 길이(보(102)의 길이를 따라서)를 갖는 평탄한 판이 될 수 있다. 다른 실시예에서 좌굴 억제 부재(316)는 항복판(312)보다 길거나 또는 작은 것이 될 수 있다. 비록 다른 실시예에서 더 두껍거나 또는 더 얇을 수 있지만, 좌굴 억제 부재(316)는 1/4 인치 두께의 강이 될 수 있다.
좌굴 억제 조립체(302)가 이하에 설명하는 바와 같이 함께 조립될 때, 스페이서 블록(318)은 항복판(312)의 양쪽에서 보 장착판(310)과 지주 장착판(308)의 수평부(308b) 사이에 끼워지는 크기로 되어 있다. 스페이서 블록(318)은 항복 부재(304)와 동일한 두께를 가질 수 있다. 앞에서 설명한 바와 같이 보강재(230)가 또한 제공될 수 있다.
지주 장착판(308), 보 장착판(310) 및 항복판(312)을 포함하고 있는 항복 부재(304)가 작업장에서 또는 작업장에서 떨어진 곳에서 지주(104)에 부착될 수 있다. 일 실시예에서, 항복 부재(304)가 지주(104)에 볼트 체결될 수 있도록 수직부(308a)는 수평부(308b) 위와 아래에 볼트(322)(예를 들면, 도 15)를 수용하기 위한 구멍(320)(도 17)을 포함하고 있다. 다른 실시예에서, 항복 부재(304)는 대안으로 용접 또는 접착에 의해서 지주(104)에 부착될 수 있다.
다음에, 작업장에서 보 장착판(310)이 복수의 볼트(326)를 사용하여 보(102)에 볼트 체결될 수 있다. 도면에는 6개의 볼트(326)가 도시되어 있지만, 다른 실시예에서 많은 혹은 적은 개수의 볼트가 사용될 수 있다. 이 때에, 항복 부재(304)는 보(102) 및 지주(104) 양자에 부착된다. 또한 보와 지주는 전술한 바와 같이 전단 탭(222)에 의해서 서로 부착될 수 있다. 전단 탭(222)은 용접, 접착 또는 볼트 체결에 의해 지주(104)에 부착되고, 볼트(328)에 의해 지주(104)의 플랜지 및 보(102)의 웨브에 부착될 수 있다. 이 조립 단계에서 보(102)와 지주(104)에 대한 항복 부재(304)의 조립이 예를 들면 도 15에 도시되어 있다.
실시예에서, 좌굴 억제 조립체(302) 및 전단 탭(222)은 작업장에서 볼트만을 사용하여 보(102)와 지주(104)에 부착될 수 있고, 따라서 용접을 생략함으로써 건축 공사를 간소화한다. 그러나, 다른 실시예에서, 보 장착판(310) 및/또는 전단 탭(222)은 용접 또는 접착에 의해 보(102)에 부착될 수 있다. 또 다른 실시예에서, 작업장에서 또는 사전에 항복 부재(304)가 먼저 보(102)에 부착되고, 그 다음에 지주(104)에 부착될 수 있다.
다음에 좌굴 억제 부재(316)가 항복판(312) 위의 보(102)에 부착된다. 예를 들어 도 17에 도시된 바와 같이, 한 쌍의 볼트(332)가 좌굴 억제 부재(316)의 각각의 구멍(334)을 통과하고, 스페이서(318)의 구멍(338)을 통하여 위로 끼워지고, 보(102)에 형성된 구멍(340)(도 15) 안으로 끼워지는데, 여기에서 볼트는 제 위치에 볼트를 고정시키는 너트와 체결될 수 있다. 항복 부재(304)와 동일한 두께가 되기 때문에, 볼트(332)가 항복판 주위에서 보(302)에 고정될 때 스페이서는 좌굴 억제 부재(316)를 가로질러 균일한 하중 분포를 보장한다.
작동시에, 쌍으로 이루어진 좌굴 억제 조립체(302)가 횡방향의 하중하에서 지주에 대한 보의 회전(즉, 전단 탭(222)에 대한 회전)에 동시에 대항하도록 작동한다. 제1 방향에서 시도되는 회전은 첫번째 조립체(302)를 인장 상태에 놓이게 하고 두번째 조립체를 압축 상태에 놓이게 한다. 반대 방향에서 시도되는 회전은 두번째 조립체를 인장 상태에 놓이게 하고 첫번째 조립체를 압축 상태에 놓이게 한다.
각각의 조립체(302)의 항복판(312)은 횡방향의 하중하에서 지주(104)와 보(102) 사이에 상대 이동에 대한 높은 인장 저항성 및 높은 초기 강성을 제공하지만, 예측 가능하고 제어되는 수준 이상의 횡방향의 하중하에서 안정적인 항복 및 에너지 소산을 제공한다. 특히, 지주 및 보의 굽힘 강도는 쌍으로 이루어진 항복 부재(304) 및 특히 더욱 얇은 중간 항복판(312)의 모멘트 강도를 초과하도록 설계될 수 있다. 따라서, 횡방향의 하중하에서 지주 또는 보의 항복 또는 파괴 전에 항복판(312)이 항복되며, 파손은 쉽게 제거되고 교체될 수 있는 항복판으로 국한된다. 좌굴 억제판(316)은 압축 하중하에서 항복판의 좌굴을 방지한다. 수직 하중하에서 수직 전단력(지주(104)의 길이를 따라서)에 대항하도록 전단 탭(222)이 제공된다.
비록 본 발명은 명세서에서 상세하게 설명되었지만, 본 발명은 명세서에 기재된 실시예로 제한되는 것은 아니다. 청구범위에 기재되고 정의되는 바와 같이 본 발명의 기술 사상 또는 범주에서 벗어나지 않고 당업자에 의해 다양한 변경, 치환 및 개량이 이루어질 수 있다.

Claims (11)

  1. 보와 지주를 구비한 건축물에 있어서,
    보의 상부 플랜지와 하부 플랜지 사이에 수직으로 향한 길이를 가지며, 상기 지주에 부착되고 상기 보에 볼트로 체결되는 전단 탭,
    상기 보의 상부 플랜지 및 하부 플랜지 중의 적어도 하나의 플랜지에 설치되는 좌굴 억제 조립체를 포함하며,
    상기 좌굴 억제 조립체는 상기 지주에 부착되는 지주 장착판, 상기 보에 부착되는 보 장착판, 제1 절결부와 제2 절결부를 구비하며 상기 지주 장착판과 상기 보 장착판 사이에 연결되는 항복 부재, 항복 부재의 제1 절결부와 제2 절결부에 설치되고 상기 항복 부재와 실질적으로 동일한 두께를 갖는 한 쌍의 스페이서 블록, 좌굴 억제 부재, 및 한 쌍의 볼트를 포함하고,
    상기 항복 부재는 상기 보 및/또는 지주에 횡방향의 하중이 가해질 때에 응력이 건축물 내에서 소산될 수 있도록 인장 항복 및 압축 항복이 가능하고,
    상기 좌굴 억제 부재가 항복 부재의 적어도 일부를 덮으며, 한 쌍의 스페이서 블록은 항복 부재의 절결부로 인해 좌굴 억제 부재를 가로질러 균일한 하중 분포를 제공하도록 형성되며,
    상기 한 쌍의 볼트는 좌굴 억제 부재의 구멍과 스페이서 블록의 구멍을 통해 상기 보의 상부 플랜지와 하부 플랜지 중의 하나에 체결되고, 상기 한 쌍의 볼트는 상기 보의 상부 플랜지와 하부 플랜지 중의 하나에 좌굴 억제 부재 및 스페이서 블록을 부착하는 한 쌍의 너트를 수용하며,
    상기 전단 탭은 중앙의 원형 구멍과, 상기 중앙의 원형 구멍보다 각각 상부 플랜지와 하부 플랜지에 가까이 위치하는 제1 장방형 구멍 및 제2 장방형 구멍을 포함하며, 상기 원형 구멍 및 장방형 구멍은 중력에 대항하여 보의 무게를 지탱하며 좌굴 억제 조립체의 항복시 전단 탭, 지주 또는 보를 손상시키지 않고 보의 회전을 허용하도록 구성된 것을 특징으로 하는 건축물.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 항복 부재는 제1 절결부 및 제2 절결부에 상기 제1 단부 및 제2 단부의 강도보다 낮은 강도를 갖는 중간부를 포함하고, 또한 상기 항복 부재는 소정의 인장력을 받았을 때에 상기 중간부에서 항복하는 것을 특징으로 하는 건축물.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 중간부는 그 폭이 상기 제1 단부 및 제2 단부의 폭보다 작은 것을 특징으로 하는 건축물.
  4. 지주,
    보,
    보의 상부 플랜지와 하부 플랜지 사이에 수직으로 향한 길이를 가지며, 상기 지주와 보 사이에 부착되는 전단 탭, 그리고
    상기 지주와 보 사이에 부착된 수평 브레이싱 시스템을 포함하고;
    상기 수평 브레이싱 시스템은,
    지주에 부착되는 제1 단부와 보에 부착되는 제2 단부를 구비한 항복 부재, 항복 부재의 절결부에 설치되고 상기 항복 부재와 실질적으로 동일한 두께를 갖는 한 쌍의 스페이서 블록, 좌굴 억제 부재, 및 한 쌍의 볼트를 포함하고,
    항복 부재의 좁은 부분을 형성하는 한 쌍의 절결부를 포함하는 상기 항복 부재는 상기 보 및/또는 지주에 횡방향의 하중이 가해질 때에 응력이 건축물 내에서 소산될 수 있도록 인장 항복 및 압축 항복이 가능하고,
    상기 좌굴 억제 부재가 항복 부재의 적어도 일부를 덮으며, 한 쌍의 스페이서 블록은 항복 부재의 절결부로 인해 좌굴 억제 부재를 가로질러 균일한 하중 분포를 제공하도록 형성되며,
    상기 한 쌍의 볼트는 좌굴 억제 부재의 구멍과 스페이서 블록의 구멍을 통해 상기 보의 상부 플랜지와 하부 플랜지 중의 하나에 체결되고, 상기 한 쌍의 볼트는 상기 보의 상부 플랜지와 하부 플랜지 중의 하나에 좌굴 억제 부재 및 스페이서 블록을 부착하는 한 쌍의 너트를 수용하는 것을 특징으로 하는 건축물.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 항복 부재의 제1 단부는 지주에 볼트로 체결되고, 상기 항복 부재의 제2 단부는 보에 볼트로 체결되는 것을 특징으로 하는 건축물.
  6. 제4항에 있어서,
    상기 보와 좌굴 억제 부재 사이에 설치되는 하나 이상의 스페이서 블록을 추가로 포함하고,
    상기 하나 이상의 스페이서 블록은 상기 항복 부재와 동일 평면을 유지하는 것을 특징으로 하는 건축물.
  7. 보, 지주, 및 상기 보와 지주 사이의 수평 브레이싱 시스템을 구비하는 프레임을 조립하는 방법에 있어서,
    (a) 항복 부재를 상기 보와 지주 중 첫 번째의 것에 볼트로 체결시키는 단계,
    (b) 상기 항복 부재를 상기 보와 지주 중 두 번째의 것에 볼트로 체결시키는 단계,
    (c) 항복 부재에 형성된 절결부 내에 상기 항복 부재의 두께와 실질적으로 동일한 두께를 갖는 한 쌍의 스페이서 블록을 제공하는 단계,
    (d) 항복 부재 및 스페이스 블록 위에 좌굴 억제 부재를 제공하는 단계, 및
    (e) 좌굴 억제 부재의 구멍과 스페이서 블록의 구멍을 통해 상기 보의 플랜지에 체결되는 한 쌍의 볼트를 사용하여 좌굴 억제 부재를 보에 볼트 체결하는 단계를 포함하며, 상기 한 쌍의 볼트는 상기 보의 플랜지에 좌굴 억제 부재 및 스페이서 블록을 부착하는 한 쌍의 너트를 수용하고, 스페이서 블록이 볼트 및 항복 부재로 인한 힘을 좌굴 억제 부재에 균일하게 분포시키는 것을 특징으로 하는 프레임 조립 방법.
  8. 제7항에 있어서,
    좌굴 억제 부재를 상기 보와 지주 중 첫 번째의 것에 부착시키는 단계(a)는, 상기 보와 지주가 작업장에 도착하기 전에 상기 좌굴 억제 부재를 상기 보와 지주 중 하나에 부착시키는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 프레임 조립 방법.
  9. 제7항에 있어서,
    상기 단계(a)에서 부착된 항복 부재와 상기 단계(b)에서 부착된 좌굴 억제 부재는 지주에 대한 보의 횡방향 휨에는 서로가 함께 저항하지만, 하중이 문턱값 수준을 넘었을 때에는 항복 부재의 항복판에서 항복되는 것을 특징으로 하는 프레임 조립 방법.
  10. 제7항에 있어서,
    상기 단계(a)에서 부착된 항복판과 상기 단계(b)에서 부착된 좌굴 억제 부재는, 항복판의 항복 강도에 의해서 항복에 대항하도록 되어 있는 항복판에 인장 하중이 가해지게 함으로써, 서로가 함께 지주에 대한 보의 횡방향 휨에 저항하는 것을 특징으로 하는 프레임 조립 방법.
  11. 제7항에 있어서,
    상기 단계(a)에서 부착된 항복판과 상기 단계(b)에서 부착된 좌굴 억제 부재는, 좌굴 억제 부재에 의해서 좌굴에 대항하도록 되어 있는 항복판에 압축 하중이 가해지게 함으로써, 서로가 함께 지주에 대한 보의 횡방향 휨에 저항하는 것을 특징으로 하는 프레임 조립 방법.
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