KR20210072977A - 주상복합 건축물의 동조 액체 감쇠기 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 주상복합 건축물의 동조 액체 감쇠기에 관한 것으로, 수조와 수조에 수용되는 액체가 포함되는 유닛부가 구비되고 상기 유닛부는 건축물의 벽식으로 구성되는 상부 구조물과 라멘 골조형식으로 이루어진 건축물의 중간부인 중,저층부로 전이층에 복수 개가 포함되어 부재 수 및 자중의 경감을 가능하게 하고 또한 전이층 구간에서 진동 흡수 및 제어를 가능하게 하여 효율적인 제어를 통해 건물의 안정성을 확보하는 효과를 동시에 가능할 수 있게 한다.

Description

주상복합 건축물의 동조 액체 감쇠기{The tuned liquid damper for mixed-use apartment building}
본 발명은 주상복합 건축물의 동조 액체 감쇠기에 관한 것으로, 보다 상세하게는 벽식 구조로 이루어진 고층부의 구조물과 기둥 구조로 이루어진 중저층부의 구조물 사이에 형성되는 전이보 또는 전이슬래브의 전이구조의 잉여공간에 설치되어 액체의 출렁임을 이용해 건물의 진동을 저감시키고 부재 수 및 자중의 경감을 가능하게 하는 주상복합 건축물의 동조 액체 감쇠기에 관한 것이다.
일반적으로 고층 건물의 건설에서는 지진이나 바람과 같은 불규칙한 동적하중에 대하여 거주자들의 편의를 위한 사용성 및 구조물의 안전성 확보를 우선적으로 고려해야 한다. 이러한 제어장치는 외부 하중으로부터 건물로 전달된 진동에너지를 흡수하여 다양한 형태로 에너지를 소산시키며 액체의 점성을 이용한 Viscous Damper, 재료의 마찰을 이용한 Friction Damper가 있으며 설치되는 질량과 강성을 이용하는 동조 질량 감쇠기(Tuned Mass Damper; TMD), 수조 내부 액체의 운동에너지를 이용한 동조 액체 감쇠기(Tuned Liquid Damper; TLD) 등이 있다. 이 중 동조 질량 감쇠기(TMD)는 스프링의 강성을 조절하여 구조물의 주기에 동조시키는 것으로 추가적인 부가 설비가 필요하지만 동조 액체 감쇠기(TLD)는 수조 내부 액체의 수위를 조절하여 출렁임을 통해 건물의 진동을 저감시키는 것으로 설치 및 유지 관리가 용이하다.
고층 건물 중 주상복합 건축물은 건축물의 목적에 따라 상부는 거주 공간 중처층부는 상업적 공간의 성격을 띠고 있다. 이에 따라 상부는 벽식구조, 하부는 라멘 골조 구조로 설계되어 상부와 하부의 구조적 성질이 다르게 되고 구조적 안정성을 위하여 상부와 하부 사이에 수평하중과 축력을 원활하게 전달시키기 위한 전이보(Transfer Girder) 혹은 전이판(Transfer Plate)을 이용한 전이층 구조를 설치하게 된다.
상기와 같이 주상복합 건축물의 진동을 차단하기 위하여 대한민국 등록특허 제10-1323588호에서는 주상복합 건물의 상부 전단벽 구조물과 하부 라멘 구조물 사이에 설치되는 전이층으로서, 상기 주상복합 하부 라멘 구조물 상부에 시공되는 하부 전이층 및 상기 주상복합 상부 전단벽 구조물 하부에 시공되는 상부 전이층으로 이루어진 전이층 지진 또는 풍하중으로 인한 상기 하부 및 상부 전이층의 수평 이동을 구속하도록 강재로 제작되어 상기 하부 및 상부 전이층에 각각 매설되는 강재 매설형 전단키 상기 하부 및 상부 전이층 내부의 진동을 흡수하도록 상기 하부 및 상부 전이층 사이에 설치되는 방진패드 및 상기 하부 및 상부 전이층에 정착되고, 수직변위를 흡수하여 수직하중을 구속하는 인장구속재를 포함하여 구성되는 진동차단을 위한 일체형 주상복합 전이층 구조가 게시되어 있다.
그러나 종래 기술은 상부벽식과 하부 골조 형식에서 벽체와 전이보가 만나는 전이층에서의 급격한 강성차이와 구조 시스템의 불연속성으로 인해 전이층에 응력이 집중되고 이러한 응력 집중 및 하중 전달의 흐름이 구조물의 전체 거동과 파괴모드를 지배하여 전이층에서 사용되는 전이보나 전이슬래브이 저하되고 또한 전이층에 사용되는 보나 슬래브의 경우 일반 건축물에 비해 깊이가 상대적으로 매우 깊어 전이 구조가 일개 층 전체로 설계되어야 하는 한계가 있다.
대한민국 등록특허 제10-1323588호(2013.10.24)
상술한 바와 같이 주상복합 건축물과 같은 상부 전단벽 구조물과 하부 라멘 골조 구조물 사이에 설치되는 전이층 구간에 동조 액체 감쇠기(Tuned Liquid Damper; TLD)를 설치하여 구조물에 발생되는 횡진동을 저감시켜 전이부의 소요 강성 저감을 통해 안정성을 보장하고 부재 수 및 자중의 경감을 가능하게 하는 주상복합 건축물의 동조 액체 감쇠기를 제공하는 것을 목적으로 한다.
목적을 달성하기 위한 구성으로는 수조와 수조에 수용되는 액체가 포함되는 유닛부가 구비되는 주상복합 건축물의 동조 액체 감쇠기에 있어서, 상기 유닛부는 건축물의 벽식으로 구성되는 상부 구조물과 라멘 골조형식으로 이루어진 건축물의 중간부인 중,저층부로 전이층에 복수 개가 포함되는 것을 특징으로 하는 주상복합 건축물의 동조 액체 감쇠기이다.
상기한 바와 같이, 본 발명은 벽식 구조의 고층부의 구조물과 중저층부의 라멘 골조 구조물 사이에 설치되는 전이층 구간의 전이구조 잉여공간에 동조 액체 감쇠기(TLD)를 설치하여 부재 수 및 자중의 경감을 가능하게 하고 또한 전이층 구간에서 진동 흡수 및 제어를 가능하게 하여 효율적인 제어를 통해 건물의 안정성을 확보하는 효과를 동시에 가능하게 할 수 있다.
도 1은 3층 주상복합 건물의 입면도.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 동조 액체 감쇠기가 설치되기 전 전이보 평면도.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 동조 액체 감쇠기가 설치된 전이보 평면도.
도 4는 본 발명의 실시예에 따른 동조 액체 감쇠기가 설치된 전이보 입면도.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 동조 액체 감쇠기 개념도.
도 6은 본 발명의 실시예에 따른 동조 액체 감쇠기 설계 사용 수식.
도 7은 3층 주상복합 건물 입체도.
도 8은 본 발명의 실시예에 따른 동조 액체 감쇠기 설치도.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 동조 액체 감쇠기 설치 전과 후의 지반운동에 대한 층전단력 비교도.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 동조 액체 감쇠기가 설치 된 주상복합 건물의 입면도.
도 1 내지 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 주상복합 건축물의 동조 액체 감쇠기를 표현한 구성도 및 도면으로 이를 참고하여 본원발명의 상세 구성을 설명하면 하기와 같다.
수조(11)와 수조에 수용되는 액체(12)가 포함되는 유닛부(10)가 구비되는 주상복합 건축물의 동조 액체 감쇠기에 있어서, 상기 유닛부(10)는 건축물의 벽식으로 구성되는 상부 구조물과 라멘 골조형식으로 이루어진 건축물의 중간부인 중,저층부로 전이층(21)에 복수 개가 포함되어 이루어지고 상기 유닛부(10)는 상기 전이층(21)의 잉여 공간인 중공부(31)에 구비되는 것을 특징으로 한다. 이같은 구성을 통해 건축물의 고유 주기와 전이층(21)에 설치된 유닛부(10)의 고유 주기를 불일치 시킴과 동시에 일정수준 이상의 마찰력을 유지하여, 지진력이나 진동에 효율적으로 대처할 수 있다.
도 2는 유닛부(10)인 동조 액체 감쇠기가 설치되는 주상복합 건축물의 전이층 구조의 개념을 설명하기 위한 도면이다. 이처럼 전이층(21)의 잉여공간인 중공부(31)가 발생되지만 이용되지 않는 비효율적인 구성으로 볼 수 있다.
본 발명의 주상복합 건축물의 동조 액체 감쇠기는 최상층을 새로 만들어 설치하거나 설치를 위한 공간에 대한 별도의 설계를 필요로 하는 것이 아닌 도 4 및 5와 같이 기존의 전이층에 형성되는 중공부(31)를 활용하는 것으로 한다. 이에 따라, 일 실시예에 따른 유닛부(10)는 건물에 장착이 쉽고, 층고나 건물 높이를 증가시키지 않는다는 점에서 설계 및 시공 시에 적용이 용이하다.
상세하게 본 발명의 중공부(31)내에 설치되는 유닛부(10)에 대한 설계법은 아래와 같다.
도 6은 모델링에 적용시킨 동조 액체 감쇠기 설계에 사용한 수식으로 유효 질량
Figure pat00001
과 고유진동수
Figure pat00002
은 그림과 같이 표현할 수 있다. 그림에서, n은 출렁임 모드,
Figure pat00003
은 n차모드의 물질량,
Figure pat00004
물의 출렁임 진동수
Figure pat00005
는 액채의 총 질량이다.
Figure pat00006
은 h/2a로 h는 물의 높이, 2a는 가진 방향으로의 액체의 길이를 뜻한다.
Figure pat00007
와 a는 유효질량과 진동수를 결정하는 데 가장 중요한 변수로 동일한
Figure pat00008
의 경우에도 a가 다르면 진동수가 달라진다.
감쇠비
Figure pat00009
로는 Fujino(1992) 가 제안한 식을 적용하였다. 여기서,
Figure pat00010
는 물의 점도이고 (
Figure pat00011
=0.01
Figure pat00012
/s), h는 수심,
Figure pat00013
는 h/2a, g는 중력가속도이다. 앞에서 유효 질량
Figure pat00014
과 고유진동수
Figure pat00015
, 감쇠비
Figure pat00016
통해 물탱크 내의 액체의 감쇠계수
Figure pat00017
및 강성
Figure pat00018
를 구하였다.
도 6의 수식을 참고하여 동조 액체 감쇠기의 고유진동수는
Figure pat00019
＝4.664[rad/s], 감쇠비
Figure pat00020
는 = 1.155×1
Figure pat00021
, 감쇠계수
Figure pat00022
는 = 5.3011[N·s/mm], 강성
Figure pat00023
는 = 10700.515[N/mm], 그리고 댐퍼(물탱크)의 체적은 1.3*1.3*0.880[
Figure pat00024
]와 같이 가정하여 모델링을 진행했다.
모델링을 하기 위해 주상복합 구조를 도 7과 같이 1층 골조(기둥)구조, 전이층, 2, 3층 벽식 구조로 가정하였다. 상기 전이층에 대한 모델링은 두껍게 가정하여 진행하였다.
도 9를 참조하면, 일 실시예에 따른 유닛부(10)를 주상복합건물 전이층에 설치하였을 때의 배치 상태에 따른 효과를 알 수 있다. 도 9의 (a)에는 3층 주상복합건물A의 전이층에 유닛부(10)인 동조 액체 감쇠기를 설치한 경우가 나타나고, 도 13의 (b)는 상기와 똑같은 지반운동에 대한 건물(a)의 층간변위를 나타낸다.
도 9의 (a')에는 3층 주상복합건물에 유닛부(10)를 미설치한 경우가 나타나고, (b')는 상기와 같은 경우 지반운동에 대한 주상복합건물 층간변위를 나타낸다.
상기 실험에서, 주상복합건물에 유닛부(10)를 미설치한 경우 건물의 최고층부의 지반운동에 대한 변위는 (b')에 나타난 바와 같이 90.5mm이나, 주상복합건물의 전이층에 유닛부(10)를 설치한 경우 최고층부의 지반운동에 대한 변위는 (b)에 나타난 바와 같이 73.5mm이다.
상기 실험에서 층 최대변위를 각 층 별로 정리하면, 1층 골조부분은 63.20mm에서 56.00mm로, 2층 전단벽 부분에서는 12.10mm에서 7.40mm로, 3층 전단벽 부분에서는 10.70mm에서 6.40mm로 감소 효과를 보였고, 최고층인 3층의 경우에는 40.19%만큼의 변위 감소 효과를 보였다.
상기 실험에서, 유닛부(10)인 동조 액체 감쇠장치를 미설치한 경우 주상복합건물의 총 밑면전단력은 308.99KN이나, 주상복합건물의 전이층에 동조액체댐퍼를 설치한 경우 건물의 밑면전단력은 284KN으로 8%의 감소 효과를 보였다.
따라서, 주상복합건물의 전이부에 유닛부(10)를 설치할 때가 미설치하였을 경우에 비해 지반운동에 의한 건물의 진동을 효과적으로 저감시킬 수 있음을 알 수 있다.
본 발명은 특정의 실시 예 및 적용 예와 관련하여 도시 및 설명하였지만, 첨부된 특허청구범위에 의해 나타난 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 한도 내에서 다양한 개조 및 변화 가능하다는 것을 당 업계에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 쉽게 알 수 있을 것이다.
10. 유닛부 11. 수조
12. 액체 21. 전이층
31. 중공부 41. 벽식 구조물
51. 골조 구조물

Claims (2)

  1. 수조(11)와 수조에 수용되는 액체(12)가 포함되는 유닛부(10)가 구비되는 주상복합 건축물의 동조 액체 감쇠기에 있어서,
    상기 유닛부(10)는 건축물의 벽식으로 구성되는 상부 구조물과 라멘 골조형식으로 이루어진 건축물의 중간부인 중,저층부로 전이층(21)에 복수 개가 포함되는 것을 특징으로 하는 주상복합 건축물의 동조 액체 감쇠기.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 유닛부(10)는 상기 전이층(21)의 잉여 공간인 중공부(31)에 구비되는 것을 특징으로 하는 주상복합 건축물의 동조 액체 감쇠기.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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KR101323588B1 (ko) 2013-04-15 2013-11-01 한국건설기술연구원 진동차단을 위한 일체형 주상복합 전이층 구조

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