KR20220085486A - 접합부 응력집중을 최소화하는 전단항복형 강재댐퍼를 활용한 제진보강 시스템 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 접합부 응력집중을 최소화하는 전단항복형 강재댐퍼를 활용한 제진보강 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 샛기둥으로 사용하는 기성형 H형 강재에 접합부의 응력 집중을 최소화하는 제진보강 시스템에 관한 것이다.
본 발명은, 보강하고자 하는 특정 층의 바닥 슬래브(BS)와 천정 슬래브(TS) 사이에 설치되는 제1수직부재(10) 및 제2수직부재(20)와 상기 제1 및 제2수직부재(10, 20) 사이를 연결하는 댐퍼부재(30)를 포함하여 샛기둥 형태를 이루고, 상기 제1 및 제2수직부재(10, 20)은 제1 및 제2패널부(11, 21), 제1 및 제2좌우 플랜지(12, 22), 제1 및 제2엔드플레이트(13, 23) 및 제1 및 제2커넥션 플레이트(14, 24)로 구성되며, 상기 댐퍼부재(30)는 상기 제1 및 제2수직부재(10, 20)에 대해 상대적으로 작은 단면으로 구성되어 상기 제1 및 제2커넥션 플레이트(14, 24)에 높이방향 양단이 장착되고, 상기 바닥 슬래브(BS)에 설치되는 제1수직부재(10)의 양단에는 각각 상기 바닥 슬래브(BS)를 향해 대각선 방향으로 배치되는 와이어 로프(40)가 설치된다.

Description

접합부 응력집중을 최소화하는 전단항복형 강재댐퍼를 활용한 제진보강 시스템{VIBRATION CONTROL REINFORCING SYSTEM USING SHEAR YIELD BASED STEEL DAMPER MINIMIZING STRESS CONCENTRATION ON A CONNECTION}
본 발명은 접합부 응력집중을 최소화하는 전단항복형 강재댐퍼를 활용한 제진보강 시스템에 관한 것으로, 더욱 구체적으로는, 샛기둥으로 사용하는 기성형 H형 강재에 접합부의 응력 집중을 최소화하는 제진보강 시스템에 관한 것이다.
국내 지진 발생의 빈도는 점차 증가 추세이며 최근 경주지진과 포항지진에 의해 지진방재에 관한 국민적 불안감이 증대되고 있다. 또한, 준공 20년이상 노후화 공공 건축물은 2016년 기준 약 45%이며 향후 지속적 증가로 2030년에는 150,000동까지 증가할 것으로 예상된다. SOC시설물은 62.3%의 내진율이 확보되었으나(2018년 기준), 공공 건축물의 내진율은 35% 정도로 다른 시설에 비해 크게 낮다.
현재 기술은 고비용 속도 의존형 댐퍼와 구성 조립이 복잡한 강재브레이스가 주로 가새형 제진 보강공법으로 이용되고 있으며, 이에 따른 비용증가·공간기능 저하의 문제점이 있다.
현재 저항복형 강재댐퍼의 경우 기성품의 판재 또는 H형 강재를 사용하므로 저비용의 생산과 시공이 가능하다, 구성이 간단함에 따른 응력전달 메커니즘이 명확하여 댐퍼의 목표성능 설정이 용이함과 동시에 샛기둥 지지형식이므로 공간기능의 확보가 가능하며 미관·통풍·채광에 유리하다는 장점이 있으나 이러한 강재댐퍼의 경우 응력 집중현상에 의해 접합부가 파괴되는 현상이 발생되어 접합부 길이를 길게 함으로써 시공의 어려움이 발생되는 상황이다.
대한민국 등록특허 제10-1858556호(2018.05.10.)
본 발명은 상기와 같은 문제점을 감안하여 안출된 것으로, 본 발명의 목적은 샛기둥으로 사용하는 기성형 H형 강재에 접합부의 응력 집중을 최소화하는 제진보강 시스템을 제공하는 데 있다.
상기한 바와 같은 목적을 달성하기 위한 특징에 따르면, 본 발명은 접합부 응력집중을 최소화하는 전단항복형 강재댐퍼를 활용한 제진보강 시스템에 관한 것으로서, 보강하고자 하는 특정 층의 바닥 슬래브와 천정 슬래브 사이에 설치되는 제1수직부재 및 제2수직부재와 상기 제1 및 제2수직부재 사이를 연결하는 댐퍼부재를 포함하여 샛기둥 형태를 이루고, 상기 제1 및 제2수직부재은 제1 및 제2패널부, 제1 및 제2좌우 플랜지, 제1 및 제2엔드플레이트 및 제1 및 제2커넥션 플레이트로 구성되며, 상기 댐퍼부재는 상기 제1 및 제2수직부재에 대해 상대적으로 작은 단면으로 구성되어 상기 제1 및 제2커넥션 플레이트에 높이방향 양단이 장착되고, 상기 바닥 슬래브에 설치되는 제1수직부재의 양단에는 각각 상기 바닥 슬래브를 향해 대각선 방향으로 배치되는 와이어 로프가 설치된다.
그리고 상기 와이어로프는 스테인레스 스틸재로 이루어지는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 접합부 응력집중을 최소화하는 전단항복형 강재댐퍼를 활용한 제진보강 시스템에 의하면, 샛기둥으로 사용하는 기성형 H형 강재에 와이어 로프를 접합시켜 응력을 분산하도록 함으로서 접합부의 응력 집중을 최소화할 수 있는 효과가 있다.
따라서 본 발명에 의하면, 샛기둥을 이루는 강재부재의 단면 깊이를 증가시키지 않고서도 의도하는 응력을 발휘할 수 있는 제진보강 시스템을 구축할 수 있게 된다.
도 1은 본 발명에 따른 제진보강 시스템의 구성을 도시한 사시도,
도 2는 본 발명에 따른 제진보강 시스템의 설치상태를 도시한 도면,
도 3은 본 발명에 따른 관통형 앵커접합부의 접합상세를 도시한 도면,
도 4는 베이스강판의 항복선메카니즘 및 공칭휨저항을 설명하는 도면,
도 5는 관통 앵커접합부의 설계 절차를 설명하는 도면,
도 6은 프로토타입 앵커접합부의 설계 예제를 설명하는 도면,
도 7은 샛기둥부재의 단면폭에 따른 프로토타입 앵커접합부 설계 결과를 설명하는 도면이다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 접합부 응력집중을 최소화하는 전단항복형 강재댐퍼를 활용한 제진보강 시스템의 구조를 구체적으로 설명한다.
도 1은 본 발명에 따른 제진보강 시스템의 구성을 도시한 사시도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 제진 보강 시스템은, 제1수직부재(10), 제2수직부재(20), 댐퍼부재(30) 및 와이어 로프(40)를 포함하여 구성된다.
상기 제1수직부재(10)와 제2수직부재(20) 및 댐퍼부재(30)는 샛기둥 형태를 이루어 보강하고자 하는 특정 층의 바닥 슬래브(BS)와 천정 슬래브(TS) 사이에 설치된다. 이때 상기 제1수직부재(10)는 바닥 슬래브(BS)에 수직하게 설치되고, 상기 제2수직부재(20)는 천정 슬래브(TS)에 수직하게 설치되며, 상기 댐퍼부재(30)는 제1 및 제2수직부재(10, 20) 사이를 연결한다.
상기 제1 및 제2수직부재(10, 20)는 상호 동일한 구성으로 이루어지는데, 보다 상세하게는, 제1 및 제2패널부(11, 21), 제1 및 제2좌우 플랜지(12, 22), 제1 및 제2엔드플레이트(13, 23) 및 제1 및 제2커넥션 플레이트(14, 24)로 구성된다. 상기 패널부와 좌우 플랜지는 열간압연된 H형강으로 구성되고, 상기 패널부와 좌우 플랜지는 엔드플레이트에 완전용입용접으로 접합된다.
또한 댐퍼부재(30)는 상기 제1 및 제2수직부재(10, 20)에 대해 상대적으로 작은 단면으로 구성되어 상기 제1 및 제2커넥션 플레이트(14, 24)에 높이방향 양단이 장착된다. 상기 댐퍼부재의 강재 종류는 SPHC(산세처리 강판 P/O판)을 사용하고(KS D 3501 규격), 좌우플랜지의 단부와 엔드플레이트는 완전용입용접으로 접합한다.
상기 와이어 로프(40)는 상기 바닥 슬래브(BS)에 설치되는 제1수직부재(10)의 양단에서 각각 상기 바닥 슬래브(BS)를 향해 대각선 방향으로 배치된다. 즉, 상기 와이어 로프(40)의 일단은 상기 제1수직부재(10)의 일측에 장착되고 타단은 상기 제1수직부재(10)에 인접하여 바닥 슬래브(BS)에 장착된다. 이러한 와이어 로프(40)는 스테인레스 스틸로 제작된다.
다음으로 본 발명에 따른 제진보강 시스템의 앵커접합부 상세에 대해 설명한다.
댐퍼부재의 최대내력을 200kN으로 가정한 경우, 댐퍼부재의 최대내력을 전달할 수 있는 관통형 앵커접합부 상세는 도 2에 도시된 바와 같다. 제진보강 시스템은 기둥과 기둥 사이 또는 내벽에 가려진 위치에 설치될 수 있는 크기(폭 300mm, 깊이 600mm(슬래브 두께 150mm 포함))로 구성될 수 있다.
그리고 앵커접합부는 댐퍼부재의 최대내력에 대해 탄성거동의 조건이 필요하지만, 기존의 콘크리트 부착식앵커의 인발저항강도는 휨모멘트에 의한 앵커 인장력보다 크게 작으므로 슬래브를 관통시켜 앵커볼트를 설치하여 상하에서 밀착조임으로 체결하는 관통형 앵커접합상세를 가진다.
샛기둥 부재의 좌우 플랜지 주변에 앵커볼트를 집중시켜 휨모멘트에 의한 인장력에 저항하고, 하부에는 베이스강판을 설치하여 플랜지(샛기둥 부재)의 인장력을 앵커볼트로 전달하여 앵커접합부의 슬래브 콘크리트를 횡보강한다. 또한 슬래브 하부에서도 슬래브 콘크리트 아래에 보조강판을 넣고 너트를 조임함으로써 앵커접합부 주변의 콘크리트를 횡보강한다.
여러 층에 걸쳐 동일한 위치에 수직 연속으로 설치되는 경우에는 슬래브 윗면에 설치되는 관통형 앵커접합부와 보 아랫면에 설치되는 앵커접합부를 일체화할 수 있는 접합상세를 도 3의 (a) 및 (b)에 도시된 바와 같이 적용한다.
관통형 앵커접합부 설계방법 및 절차
관통형 앵커접합부는 1) 수직부재 하부에 설치되는 베이스강판, 2) 콘크리트 슬래브를 관통하여 설치되는 앵커볼트 등 2개의 접합요소로 구성된다.
베이스강판은 수직부재의 플랜지 인장력을 관통 앵커볼트로 전달해주는 구조요소로서 적정 두께를 확보하여 강도를 확보하고 변형률을 줄여야 한다. 도 4의 (a)는 비선형 유한요소해석방법으로 도출한 앵커접합부의 베이스강판 변형형상 및 응력(Von Mises 응력) 분포를 나타낸다. 도면에서 적색이 항복영역을 나타낸다.
해석 결과를 토대로 작성한 인장 앵커볼트 주변에서 베이스강판의 항복선메커니즘(yield line mechanism)은 도 4의 (b)에 도시된 바와 같다.
그리고 실제 항복선메커니즘은 매우 복잡하므로, 간편한 설계식 유도에 적합하도록 베이스강판의 항복선메커니즘을 유효항복선으로 단순화하면 도 4의 (c)와 같다. 또한 이에 대한 베이스강판의 공칭휨강도는 도 4의 (d)와 같다.
앵커접합부 설계방법
앵커접합부는 1) 다음 그림의 베이스강판 공칭휨강도를 사용하여 소요 두께(
Figure pat00001
)를 결정하고, 2) 모듈부재 플랜지 인장력에 근거하여 앵커볼트의 소요 개수와 직경을 산정하여 설계한다.
도 5에 도시된 바와 같이, 단부강판의 소요 두께 결정시 강도감소계수 φ=0.9와 추가 안전계수 ψ= 1.1을 사용하여 소요 강판두께를 최대한 보수적으로 산정하였다.
또한 도 5에 도시된 바와 같이, 앵커볼트의 소요 개수 및 직경 산정시에도 강도감소계수 φ=0.75와 추가 안전계수 ψ= 1.1을 사용하여 최대한 보수적으로 앵커설계를 수행한다.
이러한 보수적인 앵커접합부 설계는 베이스강판의 면외변형에 의한 앵커접합부 회전을 최소화하기 위한 것으로서, 간주형 제진보강 시스템이 효과를 발휘하기 위해서는 강도에 대한 안전성 확보뿐만 아니라 앵커접합부의 변형을 억제하는 조건이 필요하다.
다음 도 7은, 도 6과 같은 프로토타입 앵커접합부에 대하여 수직부재의 깊이(400mm(도 7의 1안), 600mm(도 7의 2안), 800mm(도 7의 3안))와 그 하부의 베이스강판 길이를 증가시키며 수행한 설계 결과이다.
샛기둥 부재의 단면폭이 증가할수록 플랜지의 인장력이 감소하여 베이스강판 소요 두께가 32mm, 25mm, 22mm로 감소하고 앵커볼트 치수가 M18, M14, M12로 감소하는 경향이 있으며 이는 샛기둥 부재 단면 깊이를 증가시킴으로써 보다 강건한 앵커접합부 설계가 가능할 것으로 판단된다.
기존 RC부재 안전성 검토
샛기둥 부재 및 그 하부의 베이스강판, 앵커볼트는 매우 큰 힘을 집중하여 저항할 수 있는 강재이나, 이를 지지하는 기존 RC부재의 콘크리트는 상대적으로 취약하다. 특히 기존 건물은 휨철근 및 횡철근(후프, 스트럽 등) 상세가 부적합한 경우가 많으므로, 샛기둥 부재로부터 앵커접합부를 통하여 전달되는 하중에 대하여 충분한 안전성을 확보해야 한다.
본 발명 적용시
부재 단면의 깊이를 증가시키는 경우 기존의 슬래브를 파내려가거나 깎는 길이가 늘어남에 따라 시공이 복잡해진다는 단점이 있다. 이러한, 단점을 해결하는 수단은 전달하는 하중에 대한 안정성을 확보하는 방법이 필요하다. 즉, 샛기둥에서 접합부에 전달하는 하중의 일부를 샛기둥에 설치한 와이어 로프를 통하여 하중의 일부를 분담함으로써, 수직부재의 깊이와 길이를 감소시켜 시공성을 개선하는 시스템을 만들 수 있다.
본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.
10 : 제1수직부재 11 : 제1패널부
12 : 제1좌우플랜지 13 : 제1엔드플레이트
14 : 제1커넥션 플레이트
20 : 제2수직부재 21 : 제1패널부
22 : 제1좌우플랜지 23 : 제1엔드플레이트
24 : 제1커넥션 플레이트
30 : 댐퍼부재
40 : 와이어 로프
BS : 바닥 슬래브
TS : 천정 슬래브

Claims (2)

  1. 보강하고자 하는 특정 층의 바닥 슬래브(BS)와 천정 슬래브(TS) 사이에 설치되는 제1수직부재(10) 및 제2수직부재(20)와 상기 제1 및 제2수직부재(10, 20) 사이를 연결하는 댐퍼부재(30)를 포함하여 샛기둥 형태를 이루고,
    상기 제1 및 제2수직부재(10, 20)은 제1 및 제2패널부(11, 21), 제1 및 제2좌우 플랜지(12, 22), 제1 및 제2엔드플레이트(13, 23) 및 제1 및 제2커넥션 플레이트(14, 24)로 구성되며,
    상기 댐퍼부재(30)는 상기 제1 및 제2수직부재(10, 20)에 대해 상대적으로 작은 단면으로 구성되어 상기 제1 및 제2커넥션 플레이트(14, 24)에 높이방향 양단이 장착되고,
    상기 바닥 슬래브(BS)에 설치되는 제1수직부재(10)의 양단에는 각각 상기 바닥 슬래브(BS)를 향해 대각선 방향으로 배치되는 와이어 로프(40)가 설치되는 것을 특징으로 하는 접합부 응력집중을 최소화하는 전단항복형 강재댐퍼를 활용한 제진보강 시스템.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 와이어 로프(40)는 스테인레스 스틸재로 이루어지는 것을 특징으로 하는 접합부 응력집중을 최소화하는 전단항복형 강재댐퍼를 활용한 제진보강 시스템.
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