KR101781053B1 - 강재 하이 제진댐퍼 - Google Patents

Abstract

본 발명은 일체의 불연속 용접 이음 및 접합부가 없으며 균열 발생없이 우수한 소성 변형 능력을 발휘할 수 있도록 한 강재 하이 제진댐퍼를 제공한다.
본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 구조물의 일개소에 핀결합되어 연결되는 상부수평재와; 상기 상부수평재의 하측에 일정거리 이격되어 평행하도록 배치되고 구조물의 타개소에 핀결합되어 연결되는 하부수평재와; 일단이 상부수평재의 중앙에 일체로 연결되고 타단이 하부수평재의 중앙에 일체로 연결되는 중앙수직재와; 상기 중앙수직재의 양측에 대칭적으로 배치되어 일단이 상부수평재에 일체로 연결되고 타단이 하부수평재에 일체로 연결되어 있는 한 쌍의 외측수직재와; 상기 상부수평재와 하부수평재의 중간 위치에서 중립축을 따라 수평적으로 배치되어 상기 중앙수직재와 외측수직재를 일체로 연결하는 중간 횡 강성체를 포함하되; 한 쌍의 외측수직재는 그의 목길이가 상기 중간 횡 강성체의 목간거리에 비해 짧게 구성되어 중간 횡 강성체의 길이 방향에 대해 일정한 꺽임각을 가지고 있는 것을 특징으로 한다.

Description

강재 하이 제진댐퍼{Steel high vibration control damper}

본 발명은 건축 구조체가 지진력에 대응할 수 있도록 한 강재 제진댐퍼에 관한 것으로, 특히 일체의 불연속 용접 이음 및 접합부가 없으며 균열 발생없이 우수한 소성 변형 능력을 발휘할 수 있도록 한 강재 하이 제진댐퍼에 관한 것이다.

제진, 내진 구조의 필요성은 구조물의 내진성능을 향상시켜 인명과 자산을 보호하고, 구조물의 수명을 장수명화하는 것이 주된 목적이다. 이를 위한 제진 시스템은 높은 강성 확보 또는 연성을 확보하여 입력 지진에너지를 구조적 특성으로 확보한 소산성능으로 저항능력을 발휘해야 한다. 제진장치의 설치로 제진설계를 하는 경우에는 목표 설정에 따라 대부분의 지진하중을 제진 시스템에서 저항하도록 설계 가능하며, 목표하는 부위로 구조물의 손상을 유도하도록 설정도 가능하여 손상을 부분 또는 최소화 할 수 있다. 또한 목표 제진시스템에 한정하여 손상이 발생하므로 구조물 전체의 손상을 최소화하여, 지진도래에 의한 손상이 발생하여도, 제진장치 또는 그 시스템만의 교체로 보수가 경미해지는 효과를 기대 할 수 있다.

본 발명의 배경이 되는 기술로는 한국 등록특허 등록번호 제10-1531206호로서, '강제댐퍼와 이를 이용한 내진보강공법'이 제안되어 있다. 이는 구조물에 핀결합되어 연결되는 상부지지판과; 상기 상부지지판의 하측에 일정거리 이격되어 평행하도록 배치되고 구조물에 고정설치되는 하부지지판과; 상부지지판의 일측 끝단에 상단이 일체로 연결되고 하단이 하부지지판에 일체로 연결되는 좌측스트립과, 상부지지판의 타측 끝단에 상단이 일체로 연결되고 하단이 하부지지판에 연결되도록 연결되되는 우측스트립을 포함하되, 상기 좌측스트립은 상단이 상부지지판의 일측 끝단에 일체로 연결되고, 하단이 하부지지판에 일체로 연결되되, 하부지지판에 대하여 내측경사각이 60°∼86°를 구비하도록 형성되고, 상기 우측스트립은 상단이 상부지지판의 타측 끝단에 일체로 연결되고, 하단이 하부지지판에 일체로 연결되되, 하부지지판에 대하여 60°∼86°의 내측경사각을 구비하도록 형성되며, 좌측스트립과 우측스트립은 동일한 폭을 구비하고 서로 대칭되도록 형성된 것을 특징으로 하여, 과도한 변위를 제어하면서 수평하중에 의한 전단파괴를 방지하는 효과를 갖는다.

그러나 상기 배경기술의 강재댐퍼는 소성변형각이 1.3% 이내를 만족하는 것으로, 소성변형 능력이 매우 작아 충분한 지진에너지의 소산능력을 발휘하기 어려운 단점을 가진다.

한국 등록특허 등록번호 제10-1531206호

본 발명은 일체의 불연속 용접 이음 및 접합부가 없으며 균열 발생없이 우수한 소성 변형 능력을 발휘할 수 있도록 한 강재 하이 제진댐퍼를 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명의 적절한 실시 형태에 따르면, 구조물의 일개소에 핀결합되어 연결되는 상부수평재와; 상기 상부수평재의 하측에 일정거리 이격되어 평행하도록 배치되고 구조물의 타개소에 핀결합되어 연결되는 하부수평재와; 일단이 상부수평재의 중앙에 일체로 연결되고 타단이 하부수평재의 중앙에 일체로 연결되는 중앙수직재와; 상기 중앙수직재의 양측에 대칭적으로 배치되어 일단이 상부수평재에 일체로 연결되고 타단이 하부수평재에 일체로 연결되어 있는 한 쌍의 외측수직재와; 상기 상부수평재와 하부수평재의 중간 위치에서 중립축을 따라 수평적으로 배치되어 상기 중앙수직재와 외측수직재를 일체로 연결하는 중간 횡 강성체를 포함하되; 한 쌍의 외측수직재는 그의 목길이가 상기 중간 횡 강성체의 목간거리에 비해 짧게 구성되어 중간 횡 강성체의 길이 방향에 대해 일정한 꺽임각을 가지고 있는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 중간 횡 강성체의 폭은 외측수직재의 폭보다 상대적으로 짧게 구성한 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 중앙수직재에는 중립축을 기준으로 상하로 대칭되어 있는 한 쌍의 슬릿이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 강재 하이 제진댐퍼는 일정 두께의 평면인 강판재를 가공하여 상부수평재, 하부수평재, 중앙수직재, 한 쌍의 외측수직재 및 중간 횡 강성체를 갖도록 구성함으로써 일체의 불연속 용접 이음 및 접합부가 없어 균열 발생없이 우수한 소성 변형 능력을 발휘한다. 또한, 소성변형각이 4% 이상 발휘되는 소성변형(연성) 능력으로 지진에너지의 소산능력을 크게 발휘할 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 강재 하이 제진댐퍼의 사시도.
도 2는 도 1의 정면도.
도 3은 도 1의 정면도로서 중요 요소 부분의 폭과 목길이, 목간길이를 표시한 도면.
도 4는 본 발명에 따른 강재 하이 제진댐퍼의 변형된 사시도.
도 5a는 본 발명에 따른 강재 하이 제진댐퍼의 설치된 사시도.
도 5b는 도 5a의 정면도.
도 6a는 점증가력의 계획 선도를 나타낸 그래프.
도 6b는 일정가력의 계획 선도를 나타낸 그래프.
도 7a는 본 발명의 강제 하이 제진댐퍼의 1실험예에 따른 점증가력시 나타난 하중-변형각 그래프.
도 7b는 본 발명의 강제 하이 제진댐퍼의 1실험예에 따른 점증가력시 하중-변위 그래프.
도 7c는 본 발명의 강제 하이 제진댐퍼의 구분 1 시험체에 따른 일정가력시 나타난 하중-변형각 그래프.
도 7d는 본 발명의 강제 하이 제진댐퍼의 구분 1 시험체에 따른 일정가력시 나타난 하중-변위 그래프.
도 8a는 본 발명의 강제 하이 제진댐퍼의 구분 10 시험체에에 따른 임의점증가력시 나타난 하중-변형각 그래프.
도 8b는 본 발명의 강제 하이 제진댐퍼의 구분 10 시험체에 따른 임의점증가력시 하중-변위 그래프.

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 강재 하이 제진댐퍼(10)는 도 1 내지 도 3과 같이 구조물의 일개소에 핀결합되어 연결되는 상부수평재(12)와, 상기 상부수평재(12)의 하측에 일정거리 이격되어 평행하도록 배치되고 구조물의 타개소에 핀결합되어 연결되는 하부수평재(14)와, 일단이 상부수평재(12)의 중앙에 일체로 연결되고 타단이 하부수평재(14)의 중앙에 일체로 연결되는 중앙수직재(16)와, 상기 중앙수직재(16)의 양측에 대칭적으로 배치되어 일단이 상부수평재(12)에 일체로 연결되고 타단이 하부수평재(14)에 일체로 연결되어 있는 한 쌍의 외측수직재(18,18)와, 상기 상부수평재(12)와 하부수평재(14)의 중간 위치에서 중립축(X)을 따라 수평적으로 배치되어 상기 중앙수직재(16)와 외측수직재(18,18)를 일체로 연결하는 중간 횡 강성체(20)를 포함하여 구성된다.

따라서 강재 하이 제진댐퍼(10)는 중립축(X)을 기준으로 상,하로 분할되어 대칭을 이루는 2쌍의 개구홀 (22a,22a)(22b,22b)이 구비된다.

이때 한 쌍의 외측수직재(18,18)는 그의 목길이(L)가 상기 중간 횡 강성체(20)의 목간거리(h)에 비해 짧게 구성되어 중간 횡 강성체(20)의 길이 방향에 대해 일정한 꺽임각(θ)을 가지고 있도록 구성한 것이다. 본 발명에서 외측수직재(18,18)의 꺽임각(θ)은 65°로 하였으나 중간 횡 강성체(20)의 목간길이(h)에 따라 증감될 수 있다.

여기서, 중립축(X)은 강재 하이 제진댐퍼(10)의 도심(O)을 지나는 수평중심선을 의미한다.

또한, 중간 횡 강성체(20)는 강축 방향으로 작용하는 외력에 대해 중앙수직재(16)와 외측수직재(18,18)가 부담하는 하중보다 상대적으로 적어 중간 횡 강성체(20)의 폭(B3)은 외측수직재(18,18)나 중간수직재(16)의 폭(b)보다 상대적으로 짧게 구성할 수 있다.

따라서, 강재 하이 제진댐퍼(10)가 지진도래시 지진 하중에 따른 탄성 거동시 중간 횡 강성체(20)의 양단은 소성힌지의 기능을 하게 된다.

이와 같이 구성된 강재 하이 제진댐퍼(10)는 도 5a 및 도 5b와 같이 구조물(110,120)에 상,하부 정착판(112,122)을 매개로 설치될 수 있다. 이 경우 강재 하이 제진댐퍼(10)에 강축방향으로 수평 전단력이 작용하면 휨 강성으로 저항하며, 면내의 거동으로 연성을 발휘하게 된다. 강재 하이 제진댐퍼(10)는 판 두께와 폭으로 항복내력 및 소성 변형에너지를 추정할 수 있다.

<성능 실험예>

이와 같이 구성된 강재 하이 제진댐퍼(10)의 성능 실험을 하기 위해 변위각 제어방식을 사용하여 3가지 방법의 가력 이력을 계획하여 하였다.

가력방법 1은 도 6a에 나타낸 그래프와 같이 변형각 3~4%의 범위내에서 점즘 반복을 가력하는 것이고, 가력방법 2는 도 6b에 나타낸 그래프와 같이 변형각 2%에 대하여 반복 가력하는 것이고, 가력방법 3은 도 6c에 나타낸 그래프와 같이 임의 이력에 대한 성능을 확인하기 위하여 임의점증가력(최종가력 1.5% 2cycle 이후 5%이상 점즘가력)하는 것이다. 전단변위 및 면외변위는 LVTD(선형 가변 변위 변환기)를 사용하였고, 응력변화는 스트레인 게이지를 부착하여 측정하였다.

이하에서는 외측 수직재(18)와 중앙수직재(16)를 '수직재'로 칭하고, 중간 횡 강성체(20)를 '수평재'로 칭한다.

강재 하이 제진댐퍼(10)의 구성은 크게 3개의 수직재와 1개의 수평재로 구성되어 있다. 수직재의 폭(b)은 시험편에 따라 20mm, 25mm, 30mm 범위 내에서 구성되었으며, 수평재의 폭(B3)은 시험편 구분 없이 10mm로 구성되어있다. 수직재의 목길이(L)는 190mm이며, 수평재의 목간길이(h)는 76mm 이다. 수직재의 폭에 비해 수평재의 폭은 세장한 편이고, 수직재의 길이에 비해 수평재의 길이는 짧은편이다.

따라서 실험에 적용된 댐퍼 요소 형상은 아래 표 1과 같이 구분될 수 있다.

형상	요 소		수직재 길이 L (mm)	가력방법
	판두께 t (mm)	폭(b) (mm)
하이 제진 댐퍼	8,10	20, 25, 30	190, 150	1, 2, 3

이같은 요소를 갖는 하이 제진 댐퍼를 16개의 시험체로 제작하여 아래 그림 1과 같은 성능 실험결과를 얻을 수 있었다.

[그림 1]

예로, 구분 1의 경우 가력방법1(점증 반복가력)을 적용하였을 때 하중-변형각 그래프는 도 7a와 같이 나타나고, 하중-변위 그래프는 도 7b와 같이 나타난다. 또한, 구분 1의 경우 가력방법2(일정 반복가력)를 적용하였을 때 하중-변형각 그래프는 도 7c와 같이 나타나고, 하중-변위 그래프는 도 7d와 같이 나타난다. 구분 10의 경우, 가력방법3(5%이상 점증가력)을 적용하였을 때 하중-변형각 그래프는 도 8a와 같이 나타나고, 하중-변위 그래프는 도 8b와 같이 나타난다.

표1의 성능 실험결과에서 알 수 있는 바와 같이, 소성 변형각 1.5%, 3.0%, 4.0% 모든 경우에 충분한 소성 변형능력을 보유하고 있다는 것이 확인되었다. 또한 변형각 5.0% 이상으로 2Cycle씩 반복가력 하여도 면내, 외의 변형 또는 균열이 발생하지 않는 우수한 소성변형능력이 확인된다. 실험에 의한 항복내력은 실험 계획시에 정한 응력집중부 최외측면 항복응력으로 계산한 항복내력의 2배 이상이 발휘되는 것이 확인되었고, 하이 제진댐퍼를 파단, 좌굴 또는 균열 발생하는 단계까지 가력하지 못했으나, 종국상태의 내력은 실험시 항복내력의 1.5배 이상은 충분히 발휘하는 것으로 판단되었다. 두께와 수직요소의 길이 조정으로 항복내력과 항복시의 변위를 추정하면 소성 변형각은 4.0%이상 충분한 성능을 발휘하는 것으로 나타난다.

하이 제진 댐퍼에 강축방향으로 외력이 가해졌을 때, 외력에 대해 수직재와 수평재가 분담하는 비율은 수평재-수직재 간 강성비에 따르며 이는 다음 식을 통해 산정할 수 있다.

...........(식1)

위와 같은 식1을 통해 산정된 수평재-수직재 강성비 값은 대체로 4%~ 6%였으며, 이는 댐퍼에 강축방향으로 외력이 가해졌을 때 외력에 대해 수평재가 4% ~ 6%의 하중을 부담하고 나머지 96% ~ 94%의 하중은 수직재가 부담한다는 의미가 된다. 이를 통해 강재 하이 제진댐퍼(10)의 성능을 검증하는데 있어 중요요소는 수직재임을 알 수 있으며, 수평재는 수직재에 비해 그 역할이 크지 않다는 것을 알 수 있다.

수평재의 폭은 수직재의 폭 대비 1/3~1/2의 비를 갖는데, 이는 수평재가 수직재로부터 전달받는 모멘트에 대해 취약한 구조가 되게끔 하며, 수직재에 비해 수평재가 먼저 항복하게 만드는 요인이 된다. 실제실험에서도 수직재가 항복한 시점 대비 다소 빠른 시점에 수평재의 양 끝단에 소성힌지가 형성된 것을 확인 할 수 있었으며, 이를 통해 수평재의 역할이 크지 않다고 할 수 있다.

이와 같이 구성된 인방보 강재 강재 하이 제진댐퍼(10)는 댐퍼 요소의 판두께와 폭 및 수직재의 길이를 조정하면 자유롭게 항복내력을 결정 할 수 있고 에너지 소산과 관계되는 소성 변형 각도 4.0% 이상 충분히 발휘될 수 있다.

한편, 본 발명의 강재 하이 제진댐퍼는 도 4와 같이 중앙수직재(16)에는 상하로 대칭되어 있는 한 쌍의 슬릿(161,161)이 더 형성되어 구성될 수 있다. 한 쌍의 슬릿(161,161)이 더 구비되는 경우, 소성 변형각도(연성)를 더 크게 하여 소성변형 능력이 더 향상된다.

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.

12: 상부수평재
14: 하부수평재
16: 중앙수직재
161: 슬릿
18: 외측수직재
20: 중간 횡 강성체

Claims (3)

1. 구조물의 일개소에 핀결합되어 연결되는 상부수평재(12)와;
   상기 상부수평재(12)의 하측에 일정거리 이격되어 평행하도록 배치되고 구조물의 타개소에 핀결합되어 연결되는 하부수평재(14)와;
   일단이 상부수평재(12)의 중앙에 일체로 연결되고 타단이 하부수평재(14)의 중앙에 일체로 연결되는 중앙수직재(16)와;
   상기 중앙수직재(16)의 양측에 대칭적으로 배치되어 일단이 상부수평재(12)에 일체로 연결되고 타단이 하부수평재(14)에 일체로 연결되어 있는 한 쌍의 외측수직재(18,18)와;
   상기 상부수평재(12)와 하부수평재(14)의 중간 위치에서 중립축(X)을 따라 수평적으로 배치되어 상기 중앙수직재(16)와 외측수직재(18,18)를 일체로 연결하는 중간 횡 강성체(20)를 포함하되;
   한 쌍의 외측수직재(18,18)는 그의 목길이(L)가 상기 중간 횡 강성체(20)의 목간거리(h)에 비해 짧게 구성되어 중간 횡 강성체(20)의 길이 방향에 대해 일정한 꺽임각(θ)을 가지고, 상기 중간 횡 강성체(20)의 폭(B3)은 외측수직재(18,18)의 폭(b)보다 상대적으로 짧게 구성한 것을 특징으로 하는 강재 하이 제진댐퍼.
2. 삭제
3. 제 1항에 있어서,
   상기 중앙수직재(16)에는 중립축을 기준으로 상하로 대칭되어 있는 한 쌍의 슬릿(161,161)이 더 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 강재 하이 제진댐퍼.
   

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