KR20120011001A - 변위 증폭형 제진장치를 이용한 다층 변위 증폭 제진시스템 - Google Patents

Abstract

본 발명은 복수개의 층을 가지는 다층 건축구조물에 작용하는 지진력을 흡수하여 건축구조물 자체의 저항능력을 향상시키기 위하여, 댐퍼와 가새부재로 이루어진 제진장치로 제진시스템을 구성하되, 제진장치를 구조물의 여러 층에 걸쳐 배치함으로써, 지진응답에 의해 구조물에 발생되는 횡변위에 따른 댐퍼 변위를 증폭시켜 제진 효율을 크게 증진시킬 수 있게 되며, 더 나아가 댐퍼와 가새부재의 조합구성을 개선하여 제진 효율을 더욱 향상시킨 변위 증폭 제진시스템에 관한 것이다.
본 발명에서는 제진장치(20)가, 하나의 댐퍼(90)와 2개의 가새부재(83, 84)로 이루어지고 상기 댐퍼(90)의 일단과 2개의 가새부재(83, 84)의 일단이 하나의 절점에서 회전가능하게 연결되어 있는 구성을 가지며; 상기 댐퍼(90)의 타단은 건축구조물의 보(302) 위치에서 상기 제1수직 설치 프레임(200a)에 형성되는 절점에 회전가능하게 연결되어, 상기 댐퍼(90)는 제2수직 설치 프레임(200b)을 향하여 대각선 방향으로 배치되고; 상기 가새부재(83, 84) 중 하나의 가새부재(83)의 타단은 제2수직 설치 프레임(200b)에 형성되는 절점에 회전가능하게 연결되는데, 상기 가새부재(83)의 타단이 연결되는 절점은 상기 댐퍼(90)의 타단이 위치하는 높이와 동일한 높이에 위치하며; 상기 가새부재(83, 84) 중 다른 하나의 가새부재(84)의 타단은 건축구조물(300)의 복수개 층 아래에서 제1수직 설치 프레임(200a)에 형성되는 절점에 회전가능하게 연결되어 있어, 상기 제진장치(20)는 건축구조물(300)의 외면에서 다층에 걸쳐서 설치되어 있으며; 상기 댐퍼(90)를 양방향으로 압축 또는 신장시켜서 변위가 증폭되도록 함으로써 제진하게 되는 것을 특징으로 하는 다층 변위 증폭 제진시스템이 제공된다.

Description

변위 증폭형 제진장치를 이용한 다층 변위 증폭 제진시스템{Multi-Story Coupled Seismic Energy Dissipation System with Displacement Amplification}

본 발명은 댐퍼에 가해지는 변위를 증폭시켜 제진 효율을 증가시키는 제진시스템에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 복수개의 층을 가지는 다층 건축구조물에 작용하는 지진력을 흡수하여 건축구조물 자체의 저항능력을 향상시키기 위하여, 댐퍼와 가새부재로 이루어진 제진장치를 이용하여 제진시스템을 구성하되, 댐퍼와 가새부재로 구성된 제진장치를 구조물의 여러 층에 걸쳐 배치함으로써, 지진응답에 의해 구조물에 발생되는 횡변위에 따른 댐퍼 변위를 증폭시켜 제진 효율을 크게 증진시킬 수 있게 되며, 더 나아가 댐퍼와 가새부재의 조합구성을 개선하여 제진 효율을 더욱 향상시킨 다층 변위 증폭 제진시스템에 관한 것이다.

일반적으로 다주택, 빌딩, 건물, 아파트 등과 같은 기존 건축구조물은 지진으로부터 건축구조물을 안전하게 보호하기 위한 내진 설계(耐震設計)가 필수적이다. 특히, 지진 발생시에 건축 구조물의 붕괴로 인한 인명 피해 및 재산 피해는 막대하므로, 지진하중에 저항하기 위해 기둥과 슬래브 등을 보강할 필요성이 제기되고 있다.

내진보강을 위하여 건축구조물에는 제진장치를 포함하는 제진시스템을 설치하게 되는데, 이러한 제진시스템에 구비되는 제진장치는 댐퍼와 가새부재로 이루어진다. 제진장치에 구비된 댐퍼는 하중-변위 이력곡선의 면적에 비례하여 감쇠성능을 발휘하므로, 제진장치에서 댐퍼는 가장 변위가 크게 발생되는 영역(골조구조의 대각선 방향)에 설치하는 것이 일반적이다. 댐퍼의 변위가 클수록 지진력에 의해 발생하는 에너지의 흡수능력이 커지므로, 댐퍼의 변위를 증폭시키는 것은 매우 중요하며, 댐퍼의 변위를 증폭시키기 위한 변위 증폭형 제진장치 및 이를 구비한 제진시스템이 여러 가지 제안되어 있다.

도 1 및 도 2는 건축구조물의 한 층 사이에 종래의 제진장치를 설치한 종래의 변위 증폭 제진시스템을 보여주는 도면 대용 사진이고, 도 3 및 도 4는 각각 도 2에 개시된 종래의 변위 증폭 제진시스템을 개략도로 도시한 것과 횡하중 작용시의 작동 상태를 개략도로 도시한 것이다. 도 5는 도 3에 도시된 종래의 제진장치가 다층 건축구조물의 각 층에 각각 설치되어 있는 상태의 개략도이다. 참고로 도 3 내지 도 5에서 가새부재는 실선으로 표현되어 있고, 각 부재가 서로 회전가능하게 연결되는 부분에 해당하는 절점은 작은 원으로 표현되어 있다.

종래 변위 증폭 제진시스템은, 복수개의 가새부재와 댐퍼로 이루어진 제진장치가 프레임 구조물을 이용하여 다층 건축구조물의 한 층 사이에 설치되는 구성을 가지는데, 이러한 종래의 제진시스템의 예가 도 1 내지 도 5에 도시되어 있다.

구체적으로 도 1 내지 도 5에 도시된 종래의 제진시스템에서, 제진장치는 댐퍼(90)와 2개의 가새부재(81, 82)가 서로 각도를 가지고 배치되어 일단의 절점에서 서로 회전가능하게 연결되어 있는 구조를 가지고 있다. 구체적으로 수평부재와 상기 수평부재 양단에 일체로 연결된 2개의 수직부재로 이루어져 건축구조물의 한 층 간에 설치되어 있는 프레임 구조물(100)에 종래의 제진장치가 설치되어 종래의 변위 증폭 제진시스템이 형성되는데, 댐퍼(90)의 타단은 프레임 구조물(100)의 상부 모서리에 위치하는 절점에서 프레임 구조물(100)에 회전가능하게 연결되고, 2개의 가새부재(81, 82)의 타단은 각각 프레임 구조물(100)의 수평부재 및 수직부재에 위치하는 절점에서 프레임 구조물(100)에 회전가능하게 연결된다. 즉, 도면에 예시된 종래의 제진시스템은, 댐퍼(90)의 일단과 가새부재(83, 84)의 일단이 하나의 절점에서 회전가능하게 연결되고, 댐퍼(90)는 프레임 구조물(100)의 상부 모서리를 향하여 대각선 방향으로 배치되어 댐퍼(90)의 타단이 프레임 구조물(100)의 상부 모서리 절점에서 회전가능하게 연결되고, 상기 2개의 가새부재(83, 84)의 타단은 각각 프레임 구조물(100)의 수평부재 및 수직부재에 구비된 절점에서 각각 회전가능하게 연결되는 구성을 가지고 있는 것이다.

이러한 프레임 구조물(100)이 건축구조물의 한 층내에 설치되고, 상기한 종래의 제진장치가, 도 1에 도시된 것처럼 프레임 구조물(100)의 한쪽으로만 설치되거나 또는 도 2와 도 3에 도시된 것처럼 프레임 구조물(100) 내에서 서로 대칭이 되도록 배치되어 종래의 변위 증폭 제진시스템을 구성하게 된다.

도 2 및 도 3에 도시된 종래의 변위 증폭 제진시스템에서, 지진력(도 4의 화살표)에 의해 횡변위(δF)가 발생하면, 가새부재(81, 82)가 이루는 각도(θ1)가 커지면서 가새부재(81, 82)의 절점과 댐퍼(90)사이의 거리가 증가한다. 반면, 좌측의 가새부재(83, 84)가 이루는 각도(θ2)는 감소하면서 가새부재(83, 84)의 절점과 댐퍼(90) 사이의 거리는 감소한다. 이와 같이, 댐퍼(90)는 프레임 구조물(100)의 횡변위에 의한 가새부재(81, 82, 83, 84)의 각도 변화에 의해 변위가 증가되어 에너지의 소산작용을 한다.

그러나 상기와 같은 종래의 변위 증폭 제진시스템은, 프레임 구조물과 제진장치가 건축구조물의 한 층 내에 설치되는 구조를 가지고 있으므로, 댐퍼(90)로 하여금 에너지 흡수 기능을 발휘할 수 있게 하는 변위 증폭량이 작다는 한계가 있다. 특히, 다층 건축구조물에 종래의 변위 증폭 제진시스템을 적용하는 경우, 도 5에 도시된 것처럼, 슬래브(건물 각 층의 바닥판)로 구획되는 건축구조물의 각 층마다 프레임 구조물(100)과 제진장치를 설치하여 각 층에서 발생하는 횡방향의 변위를 증폭하는 방식으로 제진 기능을 발휘하게 만든다. 그런데 이러한 종래의 변위 증폭 제진시스템에서는 댐퍼(90)로 하여금 에너지 흡수 기능을 발휘할 수 있게 하는 변위량이 작다는 한계가 있었다.

이러한 종래의 변위 증폭 제진시스템의 한계 즉, 댐퍼(90)로 하여금 에너지 흡수 기능을 발휘할 수 있게 하는 변위량이 작다는 한계는, 결국 제진장치가 한 개의 층 내에서만 설치됨으로 인하여 발생하는 것으로서, 도 1 내지 도 5에 도시된 종래의 제진장치를 사용하는 경우에 국한되는 것이 아니라, 댐퍼와 가새부재의 배열과 조합을 달리한 또다른 종래의 제진장치를 사용하더라도 충분히 해소될 수 없는 것이다.

특히, 도 1 내지 도 5에 개시된 제진장치의 경우는, 댐퍼(90)와 가새부재 간의 기하적인 배열과 연결구조 조합의 한계로 인하여 댐퍼의 변위를 충분히 증폭하지 못한다는 단점이 있다. 이러한 이유 때문에 전단벽 구조와 같이 횡변위 발생량이 작은 구조물에 대해서는 종래의 변위 증폭 제진시스템을 적용하기가 어려웠다.

이와 같은 제진장치와 관련하여 참조할 수 있는 선행기술로는 2004. 01. 29. 공개된 일본 공개특허공보 특개2004-027832호가 있다.

일본 공개특허공보 특개2004-027832호(2004. 01. 29. 공개) 참조.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 다층 건축구조물의 손상변위 이내에서 더욱 우수한 에너지 소산능력을 발휘할 수 있고, 다층 건축구조물에 작용하는 횡방향 변위를 더욱 더 증폭하여 댐퍼에 작용하는 변위를 극대화할 수 있으며, 소용량 고효율의 제진성능을 발휘할 수 있는 다층 변위 증폭 제진시스템, 및 이러한 변위 증폭 제진시스템을 구성하기에 적합한 제진장치를 제공함에 있다.

또한, 본 발명의 다른 목적은 건축구조물에 작용하는 지진력의 대부분을 제진장치에서 흡수 및 소산시킴으로서, 건축구조물의 손상을 최소화하고, 고성능 내진보강효과를 구현할 수 있는 다층 변위 증폭 제진시스템, 및 이러한 변위 증폭 제진시스템을 구성하기에 적합한 제진장치를 제공함에 있다

상기한 목적을 달성하기 위하여, 본 발명에서는 댐퍼와 가새부재로 이루어진 제진장치와, 상기 제진장치가 건축구조물의 다층에 걸쳐 설치되도록 하기 위하여 건축구조물에 구비되는 수직 설치 프레임을 포함하여 구성되는 다층 변위 증폭 제진시스템이 제공된다.

본 발명의 실시예에 따른 변위 증폭 제진시스템에 의하면, 지진력에 의해 발생된 구조물의 변위를 증폭시켜 댐퍼에 작용하게 함으로써, 댐퍼의 에너지 흡수 및 소산 능력을 높인다. 따라서 본 발명의 실시예에 따른 변위 증폭 제진시스템은 지진 등에 의한 구조물의 손상을 방지하고, 구조물의 내진성을 강화한다.

특히, 본 발명에서는 제진장치가 다층 건축구조물의 복수개 층에 걸쳐 배치되므로, 각 층에 개별적으로 제진장치를 설치하는 경우보다 더 큰 변위량이 댐퍼에 가해지게 되며 그에 따라 댐퍼에 의해 더 큰 에너지 소산 능력이 발휘되어 제진성능이 더욱 커지는 효과가 발휘된다.

더 나아가 본 발명에서는 댐퍼와 가새부재의 배열에 의한 새로운 조합을 가지는 제진장치를 새로이 제안하고 있고, 이러한 새로운 제진장치를 이용하게 되면, 동일한 개수의 여러 층에 걸쳐 배치하더라도 종래의 제진장치를 사용하는 것보다 댐퍼에 더욱 큰 횡변위를 발생시키게 되어 댐퍼의 에너지 소산 성능 및 그에 따른 제진성능을 더욱 향상시킬 수 있게 된다.

따라서 본 발명에 의하면, 소용량의 댐퍼로 성능을 극대화하므로 고가의 댐퍼 제작비를 절감할 수 있고, 댐퍼에 작용하는 변위를 극대화하므로 댐퍼 배치각이 증가되는 협소한 공간에서도 충분한 댐핑효과를 발휘하게 되고, 동일한 제진성능 발현을 위하여 설치해야할 제진장치의 수 및 용량을 줄일 수 있어 비용 절감 효과를 얻을 수 있게 된다.

또한, 본 발명의 실시예에 따른 제진시스템은 횡변위의 증폭을 통해 풍하중, 소지진, 진동 등 작은 수평변위에도 효과적인 제진성능 발휘하고, 시스템의 부품화 및 조립화가 가능하고, 시공성이 우수하다.

도 1 및 도 2는 각각 건축구조물의 층간에 종래의 제진장치로 이루어진 변위 증폭 제진시스템이 설치되어 있는 상태를 보여주는 도면 대용 사진이다.
도 3 및 도 4는 각각 도 2에 개시된 종래의 변위 증폭 제진시스템을 도시한 개략도와, 횡하중 작용시의 작동 상태를 도시한 개략도이다.
도 5는 도 3에 도시된 종래의 제진장치가 다층 건축구조물의 각 층에 설치되어 있는 종래의 제진시스템을 도시한 개략도이다.
도 6은 다층 건축구조물을 기둥과 보의 형태로 도시한 개략도이다.
도 7은 도 6에 도시된 다층의 건축구조물에 본 발명의 일 실시예에 따른 다층 변위 증폭 제진시스템이 설치되어 있는 상태를 보여주는 개략도이다.
도 8은 도 7의 선 A-A에 따른 개략적인 단면도 즉, 본 발명에 따른 변위 증폭 제진시스템이 설치된 건축구조물의 한 층 일부에 대한 평면도이다.
도 9는 제진장치가 다양하게 배열되어 본 발명에 따른 다층 변위 증폭 제진시스템을 구성하는 실시예를 보여주는 도 7에 대응되는 개략도이다.
도 10은 건축구조물의 기둥에 수직 설치 프레임이 설치되는 구성을 보여주는 도 8의 원 B부분의 상세도이다.
도 11은 도 8에 대응되는 건축구조물의 단면도로서, 본 발명의 다층 변위 증폭 제진시스템이 건축구조물의 내부에 설치되어 있는 것을 보여주는 단면도이다.
도 12는 본 발명에서 새로이 제안된 제진장치의 일 실시예를 보여주는 개략도이다.
도 13은 도 12에 도시된 본 발명의 제진장치에서 변위 관계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 14는 도 6에 도시된 다층의 건축구조물에 도 12에 도시된 제진장치를 건축구조물의 복층에 걸쳐 설치하여 본 발명의 다층 변위 증폭 제진시스템을 형성한 상태를 보여주는 개략도이다.
도 15는 도 12에 도시된 제진장치를 건축구조물의 복층에 걸쳐 다양한 방향으로 설치하여 본 발명의 다층 변위 증폭 제진시스템을 형성한 상태를 보여주는 도 9에 대응되는 개략도이다.
도 16은 본 발명에서 새로이 제안된 제진장치의 또다른 실시예를 보여주는 개략도이다.
도 17은 도 16에 도시된 본 발명의 제진장치에서 변위 관계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 18은 도 6에 도시된 다층의 건축구조물에 도 16에 도시된 제진장치를 건축구조물의 복층에 걸쳐 설치하여 본 발명의 다층 변위 증폭 제진시스템을 형성한 상태를 보여주는 개략도이다.
도 19는 도 16에 도시된 제진장치를 건축구조물의 복층에 걸쳐 다양한 방향으로 설치하여 본 발명의 다층 변위 증폭 제진시스템을 형성한 상태를 보여주는 도 9에 대응되는 개략도이다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예를 첨부한 도면을 참조하여 설명한다. 본 발명은 도면에 도시된 실시예를 참고로 설명되었으나 이는 하나의 실시예로서 설명되는 것이며, 이것에 의해 본 발명의 기술적 사상과 그 핵심 구성 및 작용이 제한되지 않는다.

본 발명에 따른 다층 변위 증폭 제진시스템은, 댐퍼와 가새부재로 이루어진 제진장치와, 상기 제진장치가 건축구조물의 다층에 걸쳐 설치되도록 건축구조물에 구비되는 수직 설치 프레임을 포함하여 구성된다.

본 발명의 다층 변위 증폭 제진시스템에 있어서, 상기 제진장치는 후술하는 것처럼 본 발명자가 제안하는 신규한 구성의 제진장치로 이루어질 수도 있고, 이미 알려진 종래의 상기 제진장치로 이루어질 수도 있다. 즉, 본 발명에 따른 다층 변위 증폭 제진시스템을 구성함에 있어서, 상기 제진장치는 앞서 예시한 종래의 상기 제진장치로 이루어질 수 있는 것이다. 다만, 후술하는 것처럼 본 발명에서 새로 제안되는 신규한 구성의 제진장치를 이용하는 경우, 변위 증폭에 의한 제진 효과는 더욱 크게 향상된다.

우선 도 6 내지 도 8에서는 앞서 도 1 내지 도 5에서 살펴본 바와 같은 종래의 제진장치를 이용한 본 발명의 변위 증폭 제진시스템에 대하여 설명한다.

도 6은 다층 건축구조물(300)을 기둥(301)과 보(302)의 형태로 도시한 개략도이고, 도 7은 도 6에 도시된 다층의 건축구조물에 본 발명의 일 실시예에 따른 변위 증폭 제진시스템이 설치되어 있는 상태를 보여주는 개략도이다. 도 8은 도 7의 선 A-A에 따른 개략적인 단면도 즉, 본 발명에 따른 변위 증폭 제진시스템이 설치된 건축구조물의 한 층 일부에 대한 평면도가 도시되어 있다. 도 7에서 본 발명의 변위 증폭 제진시스템에 사용되는 제진장치는, 앞서 살펴본 종래의 제진장치로 이루어져 있는 것으로 예시되었다.

도 7 및 도 8에 도시된 것처럼, 본 발명에 따른 다층 변위 증폭 제진시스템은, 제진장치가 건축구조물의 다층에 걸쳐 설치되는 구성을 가진다. 구체적으로 본 발명에 따른 변위 증폭 제진시스템은, 건축구조물(300)의 기둥(301)과 나란하게 부착 설치되는 수직 설치 프레임(200a, 200b)과, 댐퍼 및 가새부재로 이루어지며 상기 수직 설치 프레임(200a, 200b)을 이용하여 건축구조물(300)의 다층에 걸쳐서 설치되는 제진장치(20)로 구성된다. 도면에서 부재번호 301은 다층 건축구조물(300)의 기둥(301)이고, 부재번호 302는 보(302)이며, 부재번호 303은 건축구조물(300)의 각 층의 바닥판에 해당하는 슬래브(303)이다.

도 7 및 도 8에 도시된 실시예에서는, 수직 설치 프레임(200a, 200b)이 건축구조물(300)의 외면에 설치되어 있는 것으로 도시되어 있는데, 우선 이를 참조하여 본 발명의 구성을 구체적으로 살펴보면, 건축구조물(300)에서 서로 이웃하게 존재하는 2개의 기둥(301) 각각의 표면에는, 수직한 철골기둥으로 이루어지며 2개가 한 쌍을 이루고 있는 수직 설치 프레임(200a, 200b)이 각각 기둥(301)과 일체로 설치된다. 댐퍼와 가새부재로 이루어진 제진장치(20)는 상기 수직 설치 프레임(200a, 200b)을 이용하여 건축구조물(300)의 다층에 걸쳐서 설치된다. 필요에 따라서는 상기 제1수직 설치 프레임(200a)과 제2수직 설치 프레임(200b) 사이를 수평하게 연결하는 링크부재(201)가 더 구비될 수 있다. 상기 링크부재(201)는 강재 빔으로 이루어져 양단부가 상기 제1수직 설치 프레임(200a)과 제2수직 설치 프레임(200b)에 각각 용접되거나 볼트 결합되어 설치될 수 있다.

도 7에 도시된 것처럼, 본 발명에 이용되는 제진장치(20)가, 하나의 댐퍼(90)와 2개의 가새부재(83, 84)로 이루어지고 상기 댐퍼(90)의 일단과 2개의 가새부재(83, 84)의 일단이 하나의 절점에서 회전가능하게 연결되어 있는 종래의 제진장치로 이루어진 경우를 예시하여 설명한다.

상기 댐퍼(90)의 타단은 건축구조물의 보(302) 위치에서 상기 제1수직 설치 프레임(200a)에 형성되는 절점에 회전가능하게 연결되어, 상기 댐퍼(90)는 제2수직 설치 프레임(200b)을 향하여 대각선 방향으로 배치된다. 보(302)의 위치에서 제1수직 설치 프레임(200a)과 제2수직 설치 프레임(200b) 사이에 링크부재(201)가 설치되어 있는 경우, 상기 링크부재(201)와 제1수직 설치 프레임(200a) 사이의 모서리에, 댐퍼(90)의 타단이 회전가능하게 연결되는 절점이 형성되도록 할 수 있다.

상기 가새부재(83, 84) 중 하나의 가새부재(83)의 타단은 제2수직 설치 프레임(200b)에 형성되는 절점에 회전가능하게 연결되는데, 상기 가새부재(83)의 타단이 연결되는 절점은 상기 댐퍼(90)의 타단이 위치하는 높이와 동일한 높이에 위치한다. 링크부재(201)가 설치된 경우 상기 가재부재(83)의 타단에 형성되는 절점은 댐퍼(90)의 경우와 마찬가지로 링크부재(201)와 제2수직 설치 프레임(200b) 사이의 모서리에 형성될 수 있다.

다른 가새부재(84)의 타단은 복수개 층 아래(도 7에 도시된 실시예에서는 2개 층 아래)에서 제1수직 설치 프레임(200a)에 형성되는 절점에 회전가능하게 연결된다. 이 경우, 상기 다른 가새부재(84)의 타단이 위치하게 되는 곳에, 상기 제1수직 설치 프레임(200a)과 제2수직 설치 프레임(200b) 사이로 수평한 링크부재(201)를 설치하고, 상기 링크부재(201)와 제1수직 설치 프레임(200a) 사이의 모서리에, 상기 다른 가새부재(84)의 타단이 회전가능하게 연결되는 절점이 형성되도록 할 수도 있다.

이와 같이, 본 발명에 따른 변위 증폭 제진시스템은, 제진장치가 복수개의 층에 걸쳐 설치되어 있되, 제진장치를 이루는 댐퍼(90)의 타단(가새부재와 연결되지 아니한 단부)과 가새부재(83, 84)의 타단(다른 가새부재나 댐퍼와 연결되지 아니한 단부)은 각각 건축구조물의 표면에 별도로 일체 설치된 수직 설치 프레임(200a, 200b)에 형성되는 절점 또는 상기 수직 설치 프레임(200a, 200b)과 링크부재(201) 사이의 모서리에 형성되는 절점에 각각 회전가능하게 연결되어 설치되어 있는 것이다.

이러한 제진장치를 포함하는 본 발명의 변위 증폭 제진시스템이 설치된 건축구조물(300)에 변형이 발생하는 경우, 상기 댐퍼(90)가 연결된 양측의 절점이 서로 멀어지거나 가까워지는 방향으로 이동하게 되어 상기 댐퍼(90)를 양방향으로 압축 또는 신장시켜서 변위가 증폭된다. 특히, 위에서 살펴본 것처럼, 제진장치와 수직 설치 프레임, 그리고 필요한 경우 링크부재로 이루어진 구성을 가지는 본 발명의 변위 증폭 제진시스템에서는 제진장치가 복수개의 층에 걸쳐 설치되어 있으므로, 연결부재(83, 84) 및 댐퍼(90)가 각 층에 개별적으로 제진장치가 설치되는 경우에 비하여, 연결부재(83, 84)와 댐퍼(90)의 길이가 더 길어지게 되고, 따라서 각 층에 개별적으로 제진장치를 설치하는 경우보다 더 큰 변위량이 댐퍼(90)에 가해지게 되며 그에 따라 댐퍼에 의해 더 큰 에너지 소산 능력이 발휘되어 제진성능이 더욱 커지는 효과가 발휘된다.

도 9에는 상기한 제진장치가 다양하게 배열되어 본 발명에 따른 변위 증폭 제진시스템을 구성하는 실시예를 보여주는 도 7에 대응되는 개략도가 도시되어 있다. 도 9에 도시된 것처럼, 제진장치는 3개 층 또는 그 이상의 복수개의 층에 걸쳐서 설치될 수 있으며, 높이에 따라 제진장치의 배치 방향을 달리할 수도 있다.

도 10에는 건축구조물의 기둥(301)에 제1 및 제2수직 설치 프레임(200a, 200b)이 설치되는 구성을 보여주는 도 8의 원 B부분의 상세도가 도시되어 있다. 도면에 도시된 것처럼, 상기 제1 및 제2수직 설치 프레임(200a, 200b)은 H형강이나 ㄷ자 단면의 형강, 또는 ㅂ자 단면의 형강 등으로 구성된 철골기둥(210)으로 이루어질 수 있다. 도 10의 (a)는 ㅂ자 단면의 형강으로 상기 제1 및 제2수직 설치 프레임(200a, 200b)이 이루어진 경우인데, 기둥(301)의 표면에 콘크리트 앵커부재(311)를 설치하고, 상기 콘크리트 앵커부재(311)의 돌출된 단부를, ㅂ자 단면 형강의 내측 격벽(212)과 용접 등을 통해서 일체 결합하는 구성을 통해 제1 및 제2수직 설치 프레임(200a, 200b)을 기둥(301)의 표면에 일체로 설치할 수 있다. 부재번호 211은 ㅂ자 단면의 형강 내에 채워지는 콘크리트 채움재(211)이다.

한편, 도 10의 (b)는 일측이 개방된 ㄷ자 단면 형강의 철골기둥(210)에 의해 상기 제1 및 제2수직 설치 프레임(200a, 200b)이 이루어진 경우인데, 기둥(301)의 표면에 콘크리트 앵커부재(311)를 설치하고, 상기 콘크리트 앵커부재(311)의 돌출된 단부가 ㄷ자 단면 형강의 내부에 위치한 상태에서 콘크리트 채움재(211)를 형강 내부에 타설하여 콘크리트 앵커부재(311)와 ㄷ자 단면 형강을 일체화시킴으로써 제1 및 제2수직 설치 프레임(200a, 200b)을 기둥(301)의 표면에 일체로 설치할 수 있다. 도 10의 (c)는 H형강의 철골기둥(210)을 이용하여 제1 및 제2수직 설치 프레임(200a, 200b)을 형성하는 경우인데, H형강의 웨브와 상기 콘크리트 앵커부재(311)의 돌출 단부를 용접 연결하여 제1 및 제2수직 설치 프레임(200a, 200b)을 기둥(301)의 표면에 일체로 설치할 수 있다. 웨브와 기둥(301)의 표면 사이에는 콘크리트 채움재(211)를 타설할 수 있다. 도 10에 도시된 새로운 구성을 통하여 기둥(301)에 제1 및 제2수직 설치 프레임(200a, 200b)을 견고하고 용이하게 일체 설치할 수 있게 된다.

위에서 설명에서 참조한 실시예에서는, 제1 및 제2수직 설치 프레임(200a, 200b)과 제진장치로 이루어진 본 발명의 다층 변위 증폭 시스템이 건축구조물(300)의 외부에 설치된 것으로 도시되어 있지만, 이에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 다층 변위 증폭 시스템은 건축구조물(300)의 내부에 설치될 수도 있다.

도 11은 도 8에 대응되는 건축구조물(300)의 단면도인데, 도 11에 도시된 것처럼, 건축구조물(300)의 내부에서 서로 이웃하게 위치하는 기둥(301) 사이에서 슬래브(303)에 상,하로 관통되는 관통부(304)를 형성하고, 상기 관통부(304) 내에서 기둥(301)의 서로 마주보는 면에 제1 및 제2수직 설치 프레임(200a, 200b)을 설치하고, 필요한 경우에는 링크부재(201)를 더 설치한 후, 상기 관통부(304)를 통과하여 제1 및 제2수직 프레임(200a, 200b) 사이에 앞서 설명한 것처럼 제진장치(20)를 복층에 걸쳐 설치할 수도 있는 것이다.

한편, 앞서 설명한 것처럼, 본 발명에 따른 변위 증폭 제진시스템에 구비되는 제진장치는 종래의 제진장치를 이용해도 무방하며, 댐퍼와 가새부재의 조합을 달리하여도 무방하지만, 도 12 내지 도 19에 도시된 바와 같이 본 발명에서 특별하게 새로이 제안하는 제진장치를 이용하여 본 발명에 따른 변위 증폭 제진시스템을 구성하게 되면, 댐퍼 변위의 증폭에 따른 제진 효율의 증진 효과가 더욱 커지게 된다.

도 12는 본 발명에서 새로이 제안된 제진장치의 일 실시예를 보여주는 개략도이며, 도 13은 도 12에 도시된 본 발명의 제진장치에서 변위 관계를 설명하기 위한 개략도이다. 도 14는 도 6에 도시된 다층의 건축구조물에 도 12에 도시된 제진장치를 건축구조물의 복층에 걸쳐 설치하여 본 발명의 다층 변위 증폭 제진시스템을 형성한 상태를 보여주는 개략도이다. 도 15는 도 12에 도시된 제진장치를 건축구조물의 복층에 걸쳐 다양한 방향으로 설치하여 본 발명의 다층 변위 증폭 제진시스템을 형성한 상태를 보여주는 도 9에 대응되는 개략도이다.

도 12 및 도 13에서는 편의상 수평부재와 수직부재로 이루어진 프레임 구조물(100)에 본 발명에 따른 제진장치가 설치되어 있는 것으로 도시되어 있는데, 실제로는 도 14 및 도 15에 도시된 것처럼, 수직 설치 프레임을 이용하여 제진장치가 설치된다. 다만 설명의 편의를 위하여 프레임 구조물(100)에 본 발명에 따른 제진장치가 설치된 것을 보여주는 도 12 및 도 13을 참조하여 본 발명에 따른 제진장치의 구성을 설명한다.

도 12 및 도 13에 도시된 본 발명의 실시예에 따른 제진장치는, 2개의 가새부재(11, 12)로 이루어지고 가새부재(11, 12)의 단부는 제1 절점(N1)을 통해 서로 회전가능하게 연결되는 제1가새부재 세트와, 또다른 2개의 가새부재(13, 14)로 이루어져 가새부재(13, 14)의 단부가 제2 절점(N2)에서 서로 회전가능하게 연결되는 제2가새부재 세트와, 일단이 상기 제1가재부재 세트(11, 12)의 제1 절점(N1)과 회전가능하게 연결되고 타단은 상기 제2가새부재(13, 14)의 제2 절점(N2)과 회전가능하게 연결되는 댐퍼(90)로 구성된다.

댐퍼(90) 측에서 바라본 상기 제1가새부재 세트의 가새부재(11, 12)가 이루는 각도(θ1)는 90도 보다 크고 180도 보다 작게 형성되며, 댐퍼(90) 측에서 바라본 상기 제2가새부재 세트의 가새부재(13, 14)가 이루는 각도(θ2)는 180도 보다 크고 360도 보다 작게 형성된다.

상기와 같이 구성된 본 발명의 제진장치가 프레임 구조물(100)에 설치된다면, 제1가새부재 세트의 가새부재(11)와 제2가새부재 세트의 가새부재(13)는 그 단부는 프레임 구조물(100)의 수평부재에 형성되는 절점에서 회전가능하게 서로 연결되고, 제1가새부재 세트의 다른 가새부재(12) 단부와 제2가새부재 세트의 또다른 가새부재(14) 단부는 각각 수직부재에 형성되는 절점에서 회전가능하게 연결된다.

위와 같이 프레임 구조물(100)에 본 발명의 제진장치가 설치된 상태에서 도 13에 도시된 것처럼, 제진장치에 좌측으로 지진력이 작용하여 횡변위(δF)가 발생하면, 제1가새부재 세트의 가새부재(11, 12)가 이루는 각도가 증가(θ'1 ＞ θ1)함과 동시에 제2가새부재 세트의 가새부재(13, 14)가 이루는 각도도 증가(θ'2 ＞ θ2)한다. 이에 따라, 제1 절점(N1)과 제2 절점(N2) 사이의 거리는 가까워진다. 따라서 댐퍼(90)는 상기 가새부재(11, 12, 13, 14)의 각도 변화에 의해 양방향으로 압축되고, 이러한 댐퍼(90)의 압축 변위는 구조물의 횡변위(δF)보다 증폭되어 댐퍼(90)의 제진 성능을 향상시킨다. 이와 같이, 본 발명의 상기한 제진장치는 양측의 절점(N1, N2)이 서로 가까워지게 이동하여 댐퍼(90)의 변위를 양방향으로 증폭함으로써, 댐퍼의 일측만이 절점에 연결된 도 2 내지 도 5에 도시된 종래의 제진장치보다 댐퍼(90)의 압축변위가 증대되고, 그에 따라 댐퍼의 에너지 소산 능력이 현저하게 향상된다.

위에서는 절점(N1, N2)이 서로 가까워져 댐퍼(90)가 압축되는 경우에 대해서 살펴보았으나, 반대방향(우측)으로 지진력이 작용하여 횡변위가 발생되면 절점(N1, N2)이 서로 멀어지게 이동하여 댐퍼(90)가 양방향으로 신장되는 경우도 위와 마찬가지로 댐퍼(90)의 변위가 양방향으로 증폭되어 댐퍼의 에너지 소산 능력이 현저하게 향상된다.

실제로 본 발명의 다층 변위 증폭 제진시스템에서 도 12에 도시된 제진장치가 설치될 때에는 앞서 설명한 것처럼 건축구조물에 제1 및 제2수직 설치 프레임(200a, 200b)을 설치하고 이를 이용하여 제진장치를 설치하게 되는데, 도 14 및 도 15에 도시된 것처럼, 제1가새부재 세트의 가새부재(11)의 단부와 제2가새부재 세트의 가새부재(13)의 단부가 연결되는 절점은 제1 및 제2수직 설치 프레임(200a, 200b) 중의 하나에 형성되고, 제1가새부재 세트의 다른 가새부재(12) 단부의 절점과, 제2가새부재 세트의 또다른 가새부재(14) 단부의 절점은 모두 반대쪽 수직 설치 프레임에 형성된다. 물론 제진장치는 복층에 걸쳐서 설치된다.

설치 방향에 따라서는 제1가새부재 세트의 가새부재(11)의 단부와 제2가새부재 세트의 가새부재(13)의 단부가 연결되는 절점을 링크 부재(201)에 형성하고, 제1가새부재 세트의 다른 가새부재(12) 단부의 절점과, 제2가새부재 세트의 또다른 가새부재(14) 단부의 절점은 두 개의 수직 설치 프레임 각각에 나누어서 형성되도록 할 수도 있다. 건축구조물의 복층에 걸쳐 제진장치가 설치된 본 발명의 변위 증폭 제진시스템에서 건축구조물에 횡변위가 발생하게 되면, 앞서 도 13과 관련하여 살펴본 것과 같은 메카니즘에 의해 종래의 제진장치보다 댐퍼(90)의 압축변위가 증대되고, 그에 따라 댐퍼의 에너지 소산 능력이 현저하게 향상되는데, 특히 제진장치가 건축구조물의 복수개 층에 걸쳐 설치되므로, 이러한 댐퍼(90)의 압축변위 증대 효과가 더욱 배가되어 댐퍼의 에너지 소산 능력 향상이 효과가 더욱 커지게 된다.

본 발명에 따른 다층 변위 증폭 제진시스템에 구비되는 제진장치로서, 앞서 설명한 도 12 및 도 13에 도시된 제진장치 이외에도 도 16 및 도 17에 도시된 제진장치를 이용하는 것도 바람직하다. 도 16 및 도 17은 도 12 및 도 13에 각각 대응되는 개략도로서, 도 16은 본 발명에서 새로이 제안된 새로운 구성의 제진장치에 대한 또다른 실시예를 보여주는 개략도이며, 도 17은 도 16에 도시된 본 발명의 제진장치의 변위 관계를 설명하기 위한 개략도이다. 도 18은 도 6에 도시된 다층의 건축구조물에 도 16에 도시된 제진장치를 건축구조물의 복층에 걸쳐 설치하여 본 발명의 변위 증폭 제진시스템을 형성한 상태를 보여주는 개략도이고, 도 19는 도 16에 도시된 제진장치를 건축구조물의 복층에 걸쳐 다양한 방향으로 설치하여 본 발명의 변위 증폭 제진시스템을 형성한 상태를 보여주는 도 9에 대응되는 개략도이다.

도 16 및 도 17에서도 수평부재와 수직부재로 이루어진 프레임 구조물(100)에 본 발명에 따른 제진장치가 설치되어 있는 것으로 도시되어 있는데, 이는 단지 설명을 위하여 편의상 도시한 것으로서, 실제로 본 발명에 따른 제진장치는, 도 18 및 도 19에 도시된 것처럼 수직 설치 프레임을 이용하여 건축구조물의 복층에 걸쳐 설치된다.

일단, 프레임 구조물(100)에 설치되는 형상(도 16 및 도 17 참조)으로 본 발명의 제진장치 구성을 설명하면, 상기한 제진장치는, 수평부(41) 및 그 일단에 결합되는 수직부(42)로 이루어져 ㄴ자 형상으로 절곡되어 있는 앵글형 편심 회전판(40)과, 제1대각선 방향으로 배치되어 있는 한 쌍의 가재부재로서 각각의 단부는 상기 앵글형 편심 회전판(40)의 수평부(41)와 수직부(42)가 만나는 모서리에 형성된 모서리 절점(N3)에서 서로 회전가능하게 연결되는 한 쌍의 가새부재로 이루어진 중앙 가새부재(21, 22)와, 상기 제1대각선 방향과 교차하는 제2대각선 방향으로 배치되며 상기 앵글형 편심 회전판(40)의 수직부(42)의 외측 단부에 형성된 절점(N5)에서 회전가능하게 연결되는 대각선 가새부재(23)와, 제2대각선 방향으로 배치되며 일단이 수평부(41)의 외측 단부에 형성된 절점(N4)에서 단부가 회전가능하게 연결되어 배치되는 댐퍼(90)로 이루어져 있다.

즉, 도 16 및 도 17에 도시된 것처럼, 프레임 구조물(100)에 상기한 제진장치가 설치된다면, 2개의 중앙 가새부재(21, 22)는 프레임 구조물(100)의 제1대각선 방향으로 배치되고, 중앙 가새부재(21, 22)의 일단부는 앵글형 편심 회전판(40)의 모서리 절점(N3)에서 서로 회전가능하게 연결되어 있다. 제2대각선 방향으로 배치되는 대각선 가새부재(23)는 그 일단이 상기 앵글형 편심 회전판(40)의 수직부(42)의 외측 단부에 형성된 절점(N5)에서 회전가능하게 연결되고 타단은 프레임 구조물(100)의 모서리에서 절점에 회전가능하게 연결된다. 댐퍼(90)는 그 일단이 상기 앵글형 편심 회전판(40)의 수평부(41)의 외측 단부에 형성된 절점(N4)에서 회전가능하게 연결되고 타단은 상기 대각선 가새부재(23)와 함께 프레임 구조물(100)의 모서리에서 절점에 회전가능하게 연결된다.

도 17에 도시된 것처럼, 위와 같이 앵글형 편심 회전판(40)과 댐퍼(90), 그리고 중앙 가새부재(21, 22)와 대각선 가새부재(23)를 포함하는 제진장치가 프레임 구조물(100)에 설치된 경우, 프레임 구조물(100)의 좌측에서 우측방향으로 지진력이 작용하여 횡변위(δF)가 발생하면, 둔각으로 되어 있던 중앙 가새부재(21, 22) 사이의 각도가 증가하면서 제2대각선 방향으로 앵글형 편심 회전판(40)이 이동하면서 댐퍼(90)에 신장 방향의 변위를 발생시키게 되는데, 앵글형 편심 회전판(40)의 수직부(42)의 단부가 대각선 가새부재(23)에 의해 구속되어 있으므로, 앵글형 편심 회전판(40)의 수평부(41) 단부가 도면에서 시계방향으로 회전하면서 댐퍼(90)의 신장 방향의 변위가 더욱 크게 증폭되며, 그에 따라 댐퍼의 에너지 소산 능력이 현저하게 향상된다. 즉, 중앙 가새부재(21, 22) 사이의 각도 변화에 의한 댐퍼(90)의 1차 변위 증폭 및 앵글형 편심 회전판(40)의 회전에 의한 댐퍼(90)의 2차 변위 증폭이 일어나게 되어 댐퍼(90)에 의한 에너지 소산 효과를 크게 향상시키게 되는 것이다.

실제로 본 발명의 다층 변위 증폭 제진시스템에서 도 16에 도시된 실시예에 의한 제진장치는 도 18 및 도 19에 도시된 것처럼 수직 설치 프레임에 의해 건축구조물의 복층에 걸쳐 설치되는 것이므로, 도 16에 도시된 제진장치를 이용하여 본 발명의 다층 변위 증폭 제진시스템을 구성하는 경우, 앞서 설명한 것처럼 건축구조물의 기둥 표면에 제1 및 제2수직 설치 프레임(200a, 200b)을 설치하고, 중앙 가새부재(21, 22)의 외측 양단에 형성되는 2개의 절점은 각각 수직 설치 프레임에 나누어서 위치시킨다. 즉, 2개의 중앙 가새부재(21, 22) 중 하나의 중앙 가새부재(21)의 타단은 일측의 수직 설치 프레임에 위치하게 되고, 다른 중앙 가새부재(22)의 타단은 반대쪽 수직 설치 프레임에 위치하게 되는 것이다. 위에서 프레임 구조물(100)의 모서리에서 연결된다고 설명하였던 대각선 가새부재(23)와 댐퍼(90)의 연결 절점, 즉 대각선 가새부재(23)의 단부와 댐퍼(90)의 타단을 연결하도록 형성되는 절점은 일측 수직 설치 프레임에 위치한다. 수평한 링크 부재(201)가 구비되는 경우, 외측의 대각선 가새부재(23)의 단부와 댐퍼(90)의 타단에 형성되는 절점은 링크 부재(201)와 수직 설치 프레임 간의 모서리에 위치하게 된다. 물론 이 경우도 제진장치는 복층에 걸쳐서 설치된다.

도 12에 도시된 본 발명의 새로운 제진장치가 도 14 및 도 15에 도시된 것처럼 건축구조물에서 복층에 걸쳐 설치되어 본 발명에 따른 변위 증폭 제진시스템을 구성하거나 또는 도 16에 도시된 본 발명의 새로운 제진장치가 도 18 및 도 19에 도시된 것처럼 건축구조물에서 복층에 걸쳐 설치되어 본 발명에 따른 변위 증폭 제진시스템을 구성하게 되는 경우, 복층 설치에 따른 효과와, 새로운 제진장치에 의한 효과가 합쳐져서 더욱 향상된 제진 성능의 발휘가 가능하게 되는 효과가 발휘된다.

한편, 앞서 언급하였듯이, 본 발명에 따른 변위 증폭 제진시스템에 사용되는 제진장치는 위와 같은 본 발명에서 새로 제안되는 제진장치에 한정되지 아니하며, 종래의 다양한 제진장치를 이용할 수 있다.

도 12 내지 도 19에 도시된 실시예의 경우에도, 본 발명의 다층 변위 증폭 제어시스템이 건축구조물의 외부에 설치될 수 있을 뿐만 아니라, 도 11에 도시된 것처럼 건축구조물의 내부에도 설치될 수 있다.

90 : 댐퍼
200a 및 200b : 수직 설치 프레임
201 : 링크 부재

Claims (1)

1. 기둥(301), 보(302) 및 슬래브(303)를 구비한 건축구조물(300)에서 기둥(301)의 표면에 기둥(301)과 나란하게 부착 설치되는 수직 설치 프레임(200a, 200b)과;
   댐퍼(90) 및 가새부재로 이루어진 제진장치(20)를 포함하여 구성되며;
   상기 제진장치(20)는, 하나의 댐퍼(90)와 2개의 가새부재(83, 84)로 이루어지고 상기 댐퍼(90)의 일단과 2개의 가새부재(83, 84)의 일단이 하나의 절점에서 회전가능하게 연결되어 있는 구성을 가지며;
   상기 댐퍼(90)의 타단은 건축구조물의 보(302) 위치에서 상기 제1수직 설치 프레임(200a)에 형성되는 절점에 회전가능하게 연결되어, 상기 댐퍼(90)는 제2수직 설치 프레임(200b)을 향하여 대각선 방향으로 배치되고;
   상기 가새부재(83, 84) 중 하나의 가새부재(83)의 타단은 제2수직 설치 프레임(200b)에 형성되는 절점에 회전가능하게 연결되는데, 상기 가새부재(83)의 타단이 연결되는 절점은 상기 댐퍼(90)의 타단이 위치하는 높이와 동일한 높이에 위치하며;
   상기 가새부재(83, 84) 중 다른 하나의 가새부재(84)의 타단은 건축구조물(300)의 복수개 층 아래에서 제1수직 설치 프레임(200a)에 형성되는 절점에 회전가능하게 연결되어 있어, 상기 제진장치(20)는 건축구조물(300)의 외면에서 다층에 걸쳐서 설치되어 있으며;
   상기 건축구조물(300)이 변형되는 경우, 상기 댐퍼(90)가 연결된 양측의 절점이 서로 멀어지거나 가까워지는 방향으로 이동하게 되어 상기 댐퍼(90)를 양방향으로 압축 또는 신장시켜서 변위가 증폭되도록 함으로써 제진하게 되는 것을 특징으로 하는 다층 변위 증폭 제진시스템.

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