KR101621966B1 - 빌딩의 움직임을 감쇠시키는 방법 및 구조체 - Google Patents

Abstract

저층, 중간층, 및 고층 구조체(1)들을 위한 감쇠 구조는 점탄성 젠수이 감쇠 장치들과 같은 2 방향 감쇠 수단(5)을 이용하며, 그 감쇠 장치들은 2 개의 코어들 사이 또는 코어(2)와 주위 기둥(3)과 같은, 구조체(1)의 2 개의 평행한 요소들 사이에 배치된다. 구조체(1)의 진동 또는 다른 굴곡 또는 전단 변형은 2 개의 요소(2,3)들 사이의 축방향 움직임을 감쇠시키고 동시에 2 개의 요소(2,3)들 사이의 직각 운동을 감쇠시킴으로써 감쇠된다. 축방향 감쇠 모멘트를 향상시키도록 아웃리거(outrigger, 6,7,8)들이 이용되며, 2 방향 감쇠 수단(5)은 쌍을 이루어 설치되어, 서로 반대로 작동하여 직각 평면에서 동적인 전단 또는 굴곡의 힘을 감쇠시킨다.

Description

빌딩의 움직임을 감쇠시키는 방법 및 구조체{Method and structure for damping movement in buildings}

본 발명은 빌딩 구조체의 움직임을 감쇠시키는 것에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 제 2 구조 부재에 연결된 감쇠부들에 의해 구조 부재에서의 진동 운동을 감쇠시키는 것에 관한 것이다.

빌딩, 특히 높은 구조체들은 예를 들어 점유자들의 활동이나 또는 자동차의 움직임에 의해 야기되는 특정한 양의 진동을 수용하고, 또한 지각의 떨림 또는 돌풍과 같은 자연 현상에 기인하는 움직임을 견디도록 설계된다. 그러한 움직임을 흡수하고 분산시키도록 구조체들이 감쇠부(damper)를 포함하는 빌딩을 설계하는 것은 통상적인 것이다. 빌딩에서의 감쇠는 잠재적으로 파괴적인 지진이나 또는 바람의 힘에 대한 보다 낳은 구조적인 보호를 제공할 뿐만 아니라, 일상의 빌딩 점유를 보다 쾌적하게 한다. 빌딩 구조체의 진동 및 흔들림 움직임은 점유자에 의한 불쾌한 감각으로서 항상 경험된다. 감쇠는 빌딩 움직임의 크기를 감소시키고, 속도 및 가속을 특정한 범위로 감소시킨다.

예를 들어 그러한 해법은 구조체의 상부 부분에서 소위 튜닝 매스 감쇠부(tuned mass damper, TMD)를 제공한다. 튜닝 매스 감쇠부는 하나 또는 그 이상의 극히 육중한 블록으로서 구현되는데, 그것은 구조체 진동의 공진 주파수에 대하여 반대로 움직인다. 대안으로서, 감쇠되는 진동에 반대로 움직이는 액체를 포함하는 수문 탱크(sluice tank)로서 구현될 수 있다. 그러나, 튜닝 매스 감쇠부 또는 수문 탱크 감쇠부를 이용하는 것에는 큰 단점이 있다. 이들은 부피가 크고 무거우며, 통상적으로 빌딩에서 가장 수익성이 높은 공간인 빌딩의 상부에 설치될 필요가 있다. 이것은 사업 계획에서 현저한 가외의 비용이 들게하고, 구조 비용에서 그 어떤 감소도 부여하지 않는다 (실제로, 구조체는 다른 지지 메카니즘 또는 베어링에 추가하여, 튜닝 매스 또는 수문 탱크의 추가적인 중량을 지지하도록 설계되어야 한다). TMD 는 또한 다른 고조파(harmonics)를 희생시키면서 구조체 진동의 제 1 모드에 정확하게 튜닝되어야 한다. 한계 상태 계산(Limit state calculation)은 TMD 에 대하여 신뢰성이 없을 수 있으며, TMD 시스템이 돌풍 및 지진에 대한 빌딩의 궁극적 한계 상태(ultimate limit state, ULS)를 만족시킬지 여부를 확립하는 것은 곤란하거나 또는 불가능할 수 있다. ULS 를 만족시키도록, 정점의 설계 하중을 겪을 때 빌딩은 붕괴되지 않아야 하며, TMD 의 유효한 작동 범위가 정상적으로는 ULS 조건들보다 현저하게 좁기 때문에, TMD 작동 조건들 밖에서의 TMD의 거동은 예측 불가능하다.

종래 기술에서 알려진 다른 해법은 저 항복(low-yeild) 강철 제한 브레이스(steel restraining brace)와 같은 히스테레시스 감쇠부(hysteretic damper)를 이용하는 것으로서, 이것은 빌딩의 구조 강철에 추가의 감쇠 및 강성도(stiffness)를 부여하는데 이용될 수 있다. 이것은 상대적으로 설치가 저렴할 수 있는 반면에, 그러한 브레이스들이 실제로 항복되는 경우에만 감쇠 기능이 달성되며, 작은 지진이나 또는 통상의 돌풍에는 유효하지 않다. 그것은 빌딩의 구조체에 일체화되어 있기 때문에, 브레이스들은 유지 관리 및 수리가 곤란하고 비싸다.

베이스 격리 감쇠부(base isolation damper)들은 빌딩의 베이스에서 진동을 흡수하도록 이용될 수 있다. 그러한 감쇠부들은 오래 동안 이용되어 왔으며, 그 용도는 잘 확립되어 있다. 실제에 있어서, 구조체는 지면의 움직임에 대하여 빌딩 구조체의 움직임을 격리시키는 다수의 감쇠 요소들상의 베이스에 장착된다. 베이스 격리 감쇠부들은 지진의 움직임에 효과적인 해법이지만, 그것은 설치 비용이 비싸고, 상대적으로 낮은 빌딩에만 적절하다. 일단 설치되면, 베이스 격리 감쇠부들은 교체하는 것이 극히 곤란하고 비용이 많이 든다. 베이스 격리 감쇠부들은 또한 바람 하중에 대하여 효과적이지 않은데, 왜냐하면 그것이 정적으로 설계되기 때문이며 (또는 스프링들을 가진 베이스 격리부의 경우에 탄성 변형되게 설계되기 때문이며) 그 어떤 추가적인 감쇠도 제공하지 않기 때문이다. 바람에 평행한 빌딩의 진동에 대하여, 빌딩의 변형은 항상 진동(+/-) 모드에 있지 않다. 더욱이, 베이스 격리 감쇠부는 빌딩이 기계적으로 주위로부터 격리되는 것을 의미하며, 따라서 모든 케이블, 파이프 구조 및 다른 설비들이 상대적인 움직임을 허용하는 유연성의 연결을 가져야 한다는 것을 의미한다.

유압 감쇠부로서 알려진 점성 감쇠부(viscous damper)는 빌딩에서의 진동 운동을 흡수 및 분산시키도록 이용될 수 있다. 유압 감쇠부는 커다란 지진 현상 동안에 높은 하중을 흡수할 수 있다는 장점을 가진다. 그러나, 설치하는 것이 비싸고 유지 관리 또는 교체가 비싸며, 단위체가 고장나면 교체하는 것이 특히 번거롭다. 점성 감쇠부 안의 챔버들 사이의 유체 움직임은 밸브들에 의해 제어되며, 이들 밸브들의 구멍은 느리거나 또는 빠른, 필요한 운동에 튜닝될 수 있다. 따라서 점성 감쇠부는 느린 움직임(바람과 같은 저 주파수) 및 빠른 움직임(지진과 같은 높은 주파수) 양쪽에 대하여 튜닝될 수 없다.

유압 감쇠부의 다른 단점은 내장된 여분(inbuilt-redundancy)을 가지지 않는다는 것이며, 만약 단위체가 고장나면, 감쇠부로서 기능하는 것이 정지된다.

점탄성 감쇠부(visco-elastic damper)가 브레이싱 구조체에서 이용된다. 이것은 상대적으로 낮은 비용이 소요되고 유지 관리가 적으며, 현존의 빌딩에 개장(retrofit)될 수 있다는 장점을 가진다. 그것의 점탄성 거동이 의미하는 것은 넓은 범위의 주파수에서 효율적으로 진동을 흡수할 수 있고, 결과적으로 다른 감쇠부들에 필요한 범위로 튜닝을 필요로 하지 않는다는 것이다.

높은 빌딩에 대하여, 근접한 수직 부재들 사이의 상대적인 수직 움직임을 흡수하는 감쇠부들에 의하여 서로로부터 격리된 분리 수직 부재들을 가진 빌딩을 구성함으로써 구조체의 낮은 정도(low-order)의 진동 모드를 감쇠시킬 수 있다. 그러한 구성은 예를 들어 국제 특허 출원 WO 2007045900 (ARUP)에 개시되어 있는데, 그것은 주위 기둥들에 수직의 감쇠부들을 통하여 연결된 몇 개의 수평 아웃리거 부재들 및 코어 구조체를 가진 빌딩을 설명한다. 수직 감쇠부들은 (아웃리거를 통해) 코어와 주위 기둥들 사이의 상대적인 수직 변위를 감쇠시키는데 이용된다. 유사한 생각이 차후에 미국 출원 US 2008/0229684 (대우)에 개시되었다. 주위 기둥들은 강성도가 있는 구조체(stiff structure)로서, 이것은 코어가 굴곡 변형을 겪을 때 수직 감쇠부들이 수직 구조체에 대하여 상방향 또는 하방향으로 반작용을 가할 수 있는 강한 수직 구조체를 제공한다.

국제 특허 출원 WO 2007045900 및 미국 출원 2008/0229648 에 개시된 종래 기술의 구성에서, 수직 감쇠부들은 구조체 높이의 상부 대략 2/3 의 지점들에 장착된다. 근접한 수직 요소들 사이의 상대적인 수직 운동의 양은 빌딩의 하부 부분에서 작으며, 따라서 상대적인 수직 움직임이 큰 곳에 수직 감쇠부들이 장착된다. 그러나, 예를 들어 지면의 흔들림 또는 돌풍에 의해 유도된 구조체의 굴곡 변형은 종종 빌딩 전체 높이의 제 1, 제 2 또는 더 높은 정도의 진동이어서, 종래 기술의 수직 감쇠 구성은 굴곡 문제의 일부를 해결할 뿐이며, 특정 높이 위의 빌딩에 대해서만 적절하다. 덜 높은 빌딩에서나, 또는 구조체의 낮은 부분들에서의 측방향(수평 방향) 움직임을 감쇠시키는데는 상이한 유형의 감쇠부들이 필요할 것이다.
미국 특허 출원 US 2008/0307722 는 2 개의 평행한 구조 요소들 사이의 축방향(수직) 및 측방향(수평) 움직임을 동시에 감쇠시키도록 2 축 점탄성 감쇠부들을 이용하는 것을 개시한다. US 2008/0307722 의 감쇠부들은 균일하게 분포된 것으로 도시되어 있으며, 구조체의 수직 섹션마다 하나의 큰 감쇠부들이 있다.

본 발명의 목적은 종래 기술의 감쇠 시스템들에 있는 상기의 단점을 극복하는 것이다. 특히, 넓은 고조파 응답(진폭 및 주파수)을 가지고, 또한 감소된 설치 비용 및 유지 관리 비용으로써 전체 구조체의 향상된 감쇠를 달성하는 방식으로 임의 높이의 구조체에 대하여 효율적인 감쇠를 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 빌딩 구조체를 제안하는데, 상기 빌딩 구조체는, 빌딩 구조체의 수직 축에 평행하게 연장된 제 1 구조 요소로서, 제 1 구조 요소는 전단 변형 또는 굴곡 변형을 받아들일 수 있고 실질적으로 자체 지지하며, 전단 변형 또는 굴곡 변형의 성분은 빌딩 구조체의 수평 축을 따르는, 제 1 구조 요소;
제 1 구조 요소에 가까이 있고 수직 축에 평행하게 연장되는 제 2 구조 요소로서, 상기 전단 변형 또는 굴곡 변형이 상기 수직 축을 따라서 미리 결정된 제 1 위치에서 상기 제 1 축에 평행하게 제 1 구조 요소와 제 2 구조 요소 사이에 상대적인 축방향 움직임을 일으키도록 제 1 구조 요소 및 제 2 구조 요소가 되어 있는, 제 2 구조 요소; 및,
복수개의 수직으로 이격된 감쇠 스테이지(damping stages)들로서, 각각의 감쇠 스테이지는 제 1 구조 요소로부터 밖으로 제 2 구조 요소를 향하여 연장된 단단한 아웃리거 요소를 포함하는, 감쇠 스테이지들;을 포함하고,
빌딩 구조체는 복수개의 2 축 감쇠부들을 포함하고, 2 축 감쇠부 각각은 적어도 2 개의 상이한 축들을 따라서 감쇠시킬 수 있으며, 감쇠부들은 쌍을 이루어 배치되되, 제 1 구조 요소와 제 2 구조 요소 사이에서 빌딩 구조체의 수직 축을 따라서 수직으로 이격된 쌍들로서 배치되며, 감쇠부들의 각각의 쌍은 빌딩 구조체의 공통 영역에서 수직으로 이격되어 배치된 제 1 감쇠부 및 제 2 감쇠부를 포함하고,
제 1 감쇠부 및 제 2 감쇠부는 수직 축을 따른 축방향 감쇠(axial damping) 및 수평 축을 따른 측방향 감쇠(lateral damping)를 제공하기 위하여 제 2 구조 요소와 각각의 아웃리거(outrigger)의 외측 부분 사이에 장착됨으로써, 빌딩 구조체의 공통 영역에서 제 1 구조 요소의 상기 전단 변형 또는 굴곡 변형중에, 제 1 감쇠부(5a)는 감쇠 축들중 하나를 따라서 텐션 또는 압축 중의 하나에 있는 반면에, 제 2 감쇠부는 감쇠 축들중 하나를 따라서 텐션 또는 압축중의 다른 하나에 있는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 구조체의 일 변형예에서, 아웃리거 요소는 빌딩 구조체의 벽이다.
본 발명의 구조체의 다른 변형예에서, 제 1 감쇠부 및 제 2 감쇠부중 적어도 하나는 점탄성 감쇠 장치이다.
본 발명의 구조체의 다른 변형예에서, 제 1 구조 요소 및 제 2 구조 요소중 하나는 빌딩 구조체의 제 1 코어이고, 제 1 구조 요소 및 제 2 구조 요소중 다른 하나는 빌딩 구조체의 주위 기둥이거나 또는 빌딩 구조체의 제 2 코어이다.
본 발명은 또한 빌딩 구조체의 움직임을 감쇠시키는 방법을 제안하는데, 빌딩 구조체는 빌딩 구조체의 수직 축에 평행하게 연장된 제 1 구조 요소를 포함하고, 제 1 구조 요소는 전단 변형 또는 굴곡 변형을 실질적으로 자체 지지하고 받아들일 수 있으며, 전단 변형 또는 굴곡 변형의 성분은 빌딩 구조체의 수평 축을 따르며, 빌딩 구조체의 움직임 감쇠 방법은:
수직 축에 평행하게 연장되고 제 1 구조 요소에 가깝게 제 2 구조 요소를 제공하는 제 1 단계로서, 상기 전단 변형 또는 굴곡 변형이 상기 수직 축을 따라서 미리 결정된 제 1 위치에서 상기 제 1 축에 평행하게 제 1 구조 요소와 제 2 구조 요소 사이에 상대적인 축방향 움직임을 일으키도록 제 1 구조 요소 및 제 2 구조 요소가 이루어지는, 제 1 단계;
복수개의 수직으로 이격된 감쇠 스테이지들을 배치하는 제 2 단계로서, 각각의 감쇠 스테이지는 제 1 구조 요소로부터 밖으로 제 2 구조 요소를 향하여 연장되는 단단한 아웃리거 요소를 포함하는, 제 2 단계;를 포함하고,
제 2 단계는 복수개의 2 축 또는 다축(multiaxial) 감쇠부들을 쌍을 이루어 배치하되, 제 1 구조 요소와 제 2 구조 요소 사이에 빌딩 구조체의 수직 축을 따라 수직으로 이격된 쌍으로서 배치하고,
감쇠부들의 각각의 쌍은 빌딩 구조체의 공통의 영역에서 수직으로 이격되게 배치된 제 1 감쇠부 및 제 2 감쇠부를 포함하고,
제 1 감쇠부 및 제 2 감쇠부는 수직 축을 따른 축방향 감쇠(axial damping) 및 수평 축을 따른 측방향 감쇠(lateral damping)를 제공하기 위하여 제 2 구조 요소와 각각의 아웃리거(outrigger)의 외측 가장자리 사이에 장착됨으로써, 빌딩 구조체의 공통 영역에서 제 1 구조 요소의 상기 전단 변형 또는 굴곡 변형중에, 제 1 감쇠부(5a)는 감쇠 축들중 하나를 따라서 텐션 또는 압축 중의 하나에 있는 반면에, 제 2 감쇠부는 감쇠 축들중 하나를 따라서 텐션 또는 압축중의 다른 하나에 있는 것을 특징으로 한다.
제 1 및 제 2 구조 요소들이 예를 들어 빌딩의 코어 및 주위 기둥일 수 있다. 그러한 기둥은 빌딩에 일체형일 수 있거나, 또는 빌딩의 외부에 있을 수 있다. 대안으로서, 제 1 및 제 2 요소들은 근접한 짝수의 빌딩이거나, 또는 단일 빌딩의 2 개의 근접한 코어 구조체일 수 있다.
감쇠되어야 하는 상대적인 수평 움직임들이 유리하게는 제 1 요소 및 제 2 요소의 서로를 향하는 그리고 서로로부터 멀어지는 움직임이다. 본원 발명의 설명에서, Z 축은 제 1 요소 및 제 2 요소에 평행한, 구조체 또는 빌딩의 수직 축으로서 정의되는 반면에, 실질적으로 서로 직각인 X 및 Y 축은 Z 축에 직각인, 실질적으로 수평의 평면에 놓인다. 직사각형 단면의 빌딩의 경우에, X 축 및 Y 축은 빌딩의 단면의 길이 및 폭에 각각 실질적으로 평행하게 놓이는 것으로 가정될 수 있다. 따라서, 이러한 구현예에서, 제 1 감쇠부는 수평 평면의 일 방향, 즉, 제 1 축을 따라 미리 결정된 제 1 위치에서 X 또는 Y 축에 평행한 제 1 수평 축을 따라서 뿐만 아니라, Z 방향의 움직임을 감쇠시키도록 배치된다. 이러한 구현예에서, 제 2 축이 바람직스럽게는 제 1 구조 요소 및 제 2 구조 요소의 서로를 향하는 그리고 서로로부터 멀어지는 움직임의 방향이거나, 또는 적어도, 미리 결정된 제 1 위치에서 제 1 구조 요소 및 제 2 구조 요소의 부분들의 움직임이다.
제 1 구조 요소 및 제 2 구조 요소가 바람직스럽게는 실질적으로 단단한(stiff) 구조체들이고, 제 1 감쇠 수단 및 제 2 감쇠 수단은 쌍(pair)으로서 작용하여, 제 1 구조 요소 및 제 2 구조 요소가 그들의 상호 평행한 정렬 상태로부터 벗어나게 움직이는 경향이 있는 그 어떤 힘(전단력 또는 굴곡의 힘과 같은 힘)에 대해서도 대항한다. 양쪽 감쇠부들은 (수직 구조 요소들의 경우에 수직 축을 따라서) 상대적인 축방향 힘 또는 움직임들에 대항하는 감쇠된 반작용을 제공한다.
각각의 감쇠부가 제 1 수평 축에 평행한 축을 따라서 독립적인 감쇠를 제공하고, 감쇠부들이 아웃리거 요소들의 단부에서 수직으로 이격되게 장착되는, 쌍을 이룬 감쇠부들의 이용은, 수직 구조체의 움직임 및 전단의 힘 또는 굴곡의 힘에 대한 크게 향상된 감쇠를 제공한다. 아웃리거 요소는 또한 수직 감쇠의 힘에 대한 증가된 모멘트를 부여한다.

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감쇠부 또는 감쇠부들이 유리하게는 2 축 또는 다축(multi-axial) 점탄성 감쇠부(visco-elastic damper)이다. 그러한 감쇠부들은 단단한(예를 들어 금속의) 플레이트들의 하나 또는 그 이상의 쌍을 포함할 수 있으며, 플레이트들의 각각의 쌍은 고급 엔지니어링 고무(highly engineered rubber)와 같은 점탄성 재료의 시트(sheet)에 의해 분리된다. 그러한 감쇠부들은 플레이트 및 시이트의 평면에 평행한 모든 방향으로 광범위-응답(broad-response)을 부여한다. 특히 본 발명의 장점은 그러한 플레이트/시이트 감쇠부들을 이용한다는 것인데, 여기에서 점탄성 재료는 실질적으로 직사각형 또는 타원형의 섹션을 가져서, 2 개의 주요 감쇠 축들을 가진다. 2 개의 주요 감쇠 축들은 감쇠되는 빌딩에서 소망의 Z 및 X/Y 축들과 일치하도록 배치될 수 있다.

유리하게는, 구조체에서 강성도 및 강도를 유지하면서 중량을 감소시키도록 아웃리거 요소가 스트럿 및 타이 구조(strut and tie construction)일 수 있다. 대안으로서, 아웃리거 요소는 빌딩 구조체의 벽으로서 구현될 수 있으며, 그 벽은 예를 들어 하중 지탱 코어로부터 외측으로 연장된 내측 벽일 수 있다.

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본 발명의 방법은 여러 종류의 구조체에 적용될 수 있다. 구조체가 빌딩이고, 제 1 요소는 빌딩의 코어이고 제 2 요소는 빌딩의 주위 기둥일 때 특히 유리하다. 본 발명의 방법은 또한 수직으로 연장된 제 1 구조 요소가 빌딩의 제 1 코어이고 수직으로 연장된 제 2 구조 요소가 빌딩의 제 2 코어인 빌딩에서 유리하게 이용될 수 있다.

대안으로서, 본 발명은 캔티레버 플로어(cantilever floor) 또는 비임과 같은 수평 구조 요소들에서, 진동과 같은 수직의 움직임을 감쇠시키는데 이용될 수 있다.

따라서, 본 발명의 방법 및 구조에 따르면, 동일한 유형의 감쇠 요소들이 빌딩의 상부, 중간 및 저부 섹션들을 감쇠시키는데 이용될 수 있고, 감쇠 요소들은 모든 종류의 빌딩들에서 운동을 감쇠시키는데 이용될 수 있다. VSL 의 젠수이 감쇠부(VSL' Gensui damper)들과 같은 2 축 점탄성 감쇠부들의 이용은 비용의 절감 및 유지 관리의 편의성 향상을 의미한다. 집약적인 크기 및 용이한 장착 때문에, 그러한 감쇠부들은 현존하는 구조체들에 대하여 용이하게 개장(改裝)될 수 있다.

2 축 점탄성 감쇠부의 다기능성 때문에, 본 발명의 방법 및 구조는 고층 빌딩에 적절할 뿐만 아니라, 저층 건축물, 가옥, 교량 및 여러 다른 것들을 포함하는 모든 종류의 구조체들에 대해서도 적절하다.

본 발명의 다른 장점들은 다음의 상세한 설명 및 도면들로부터 명백해질 것이다.

도 1a 내지 도 1d 는 본 발명의 전체적인 원리를 도시한다.
도 2 는 유압 감쇠부에 대한 종래 기술의 구성을 도시한다.
도 3a 내지 도 3c 는 2 축 점탄성 감쇠부의 개략적인 도면을 나타낸다.
도 4a 및 도 4b 는 2 개의 수직 구조체들 사이의 움직임을 감쇠시키도록 점탄성 감쇠부가 어떻게 2 개의 수직 구조체들 사이에 배치될 수 있는가를 나타낸다.
도 5a 내지 도 5e 는 본 발명을 고층 빌딩에 적용하는 것을 나타낸다.
도 6a 내지 도 6e 는 본 발명의 공간 절약형 변형을 나타낸다.
도 7a 내지 도 7c 는 본 발명의 다양한 예의 구성을 나타낸다.

도면들은 오직 예시적인 목적을 위해서 포함된 것이며, 첨부된 청구 범위에 대한 그 어떤 제한도 의미하지 않으면서 본 발명의 이해를 돕도록 의도된 것이다.

근접한 수직 구조들 사이의 수직 운동을 감쇠시킴으로써 굴곡 변형 운동을 감쇠시키는 일반적인 원리는 도 1a 를 참조하여 이해될 수 있으며, 도 1a 는 진동 변형을 겪고 있는 빌딩의 정면을 매우 과장된 개략적인 형태로 도시한다. 도시된 예에서 빌딩은 중앙의 코어 구조체(2) 및 2 개의 외부 기둥(3)을 포함하며, 코어 구조체는 예를 들면 주요 정하중 지탱 구조체(main static load bearing structure) 및, 2 개의 외부 기둥(3)일 수 있다. 본 출원에서 이전에 언급된 종래 기술의 시스템들에서와 같이, 코어(2)와 기둥(3) 사이의 상대적인 수직 운동을 감쇠시키기 위하여, 진동 운동의 감쇠는 구조체의 높이를 따라서 다양한 지점들에서 코어(2)와 기둥(3)들 사이에 장착된 수직 감쇠부(5')에 의해 달성될 수 있다. 감쇠력에 추가의 모멘트를 제공하는 캔티레버(cantilever)로서 아웃리거(outrigger, 10)가 이용될 수 있다. 기둥(3)들은 코어가 굽혀질 때 수직 감쇠부로부터 기둥들에 전달되는 수직의 동적 텐션 및 압축 반응을 견딜 수 있다. 이러한 방식으로, 코어(2)의 굴곡 및 진동 운동에서의 운동 에너지의 현저한 부분이 수직 감쇠부(5')에서 소산될 수 있다.

도 1b 및 도 1c 는 측면 및 정면에서, 종래 기술의 전형적인 수직 감쇠 구성의 보다 상세한 점을 도시한다. 비록 다른 종류의 감쇠부들이 이용될 수 있을지라도, 유압 감쇠부일 수 있는 단일 축 감쇠부(uni-axial damper 5')들은 주변 기둥(3)과 코어(2) 사이에 장착됨으로써, 도 1b 에 도시된 화살표에 의해 표시된 바와 같이 코어 및 기둥에 평행한 움직임을 감쇠시킨다.

대조적으로, 본 발명의 방법 및 구조체에서 이용된 감쇠부(5)들은 도 2a 내지 도 2d 에 도시된 바와 같이 적어도 2 개의 상이한 축들을 따라서 감쇠시킬 수 있는 2 축 감쇠부(bi-axial damper)들이다. 도 2a 에 도시된 구조체(1)는 구조체상에서 상이한 높이들에 있는 3 개의 연속적인 감쇠 단계들을 가지는 것으로 도시되어 있다. 물론, 그러한 구조체는 필요에 따라서 많은 감쇠 단계들을 가지고 설치될 수 있다. 최상부 감쇠 단계는 주위 기둥(3)을 향하여 외측으로 코어(2)의 단단한 기계적 연장을 제공하기 위한 아웃리거(6)를 포함한다. 고층 빌딩에서, 그러한 아웃리거는 예를 들어 1 개 층 또는 그 이상의 층의 높이에서 수직으로 연장될 수 있다.

도 2a 내지 도 2d 에 도시된 본 발명의 구현예는 아웃리거(6,7,8)와 기둥(3) 사이에서 아웃리거(6,7,8)의 각각의 단부에 장착된 수직으로 이격된 2 축 감쇠부(5,5a,5b)들의 쌍을 가진다. 감쇠부(5a,5b)들의 각각의 쌍은 수직 방향에서 (코어(2) 및 기둥(3)에 평행한 수직 축을 따라서) 감쇠를 제공할 뿐만 아니라, 서로 평행한 수평 축들을 따라서 감쇠를 제공하며, 수평 축들은 아웃리거(6,7,8)들에 실질적으로 평행하고 수직 축에 직각이다.

기둥(3)의 강성도(stiffness)와 함께, 감쇠부(5a,5b)들의 쌍(pair)을 이루는, 수직으로 이격된 배치는 각각의 감쇠부(5)에 의해 개별적으로 제공되는 수직 감쇠 및 수평 감쇠에 더하여 제 2 감쇠 효과를 가져온다. 그러한 효과는 예를 들어 도 2c 에 도시되어 있다: 감쇠부(5a,5b)의 전단 변형에 의해 감쇠되는, 수직의 변위에 더하여, 기둥(3)에 대한 아웃리거(7)의 측방향 변위는 감쇠부(5a,5b)상에 수평의 힘에서의 불균형을 발생시킬 것이다. 만약, 예를 들어, 아웃리거(7)가 수평으로 유지되면서 우측으로(도 2c 에 도시된 바와 같이) 움직인다면, 기둥은, 고유한 강성도(stiffness)에 의하여, 변형되는 것에 저항하며, 결과적으로 쌍을 이룬 감쇠부들중 상부 감쇠부(5a)는 압축력(C)을 겪는 반면에, 하부 감쇠부(5b)는 수평 텐션의 힘(T)을 겪는다. 따라서, 감쇠부(5a,5b)들의 점탄성 거동(visco-elastic behaviour)과 함께, 기둥의 강성도는 기둥(3)에 대하여 아웃리거(7)의 수평 운동에 여분의, 제 2 감쇠 효과를 제공한다. 기둥(3)들은 감쇠부(5a,5b)들의 쌍을 통한 전단 변형에 대하여 필요한 저항을 제공하기에 충분한 강성도를 가지도록 구성되고, 감쇠부(5a,5b)들의 수직 간격은 예상된 운동에 대한 최적의 감쇠를 제공하도록 선택된다. 만약 아웃리거(7)가 기둥(3)에 대하여 경사(tilting) 운동 또는 회전 운동을 겪는다면, 유사한 감쇠 효과가 발생된다는 점이 주목되어야 한다.

역학적 힘 및 변형의 특성들이 정상적으로는 빌딩(1)의 상이한 높이들에서 상이하고, 쌍을 이룬 감쇠의 3 가지 상이한 예들이 도 2b, 도 2c 및 도 2d 에 도시되어 있다. 도 2b 내지 도 2d 에 도시된 화살표들의 방향 및 상대적인 크기는 관련된 힘 및/또는 변위의 크기 및 방향을 나타내며, 따라서 구조체(1)의 전단 변형 또는 굴곡 동안에 예상되는 감쇠의 양을 나타낸다.

도 2b 는 빌딩(1)의 상부에서 또는 상부에 가까운 곳에서의 감쇠를 나타내며, 여기에서 코어(2) 및 기둥(3)들의 굴곡 변형은 항상 각각의 기둥(3)과 아웃리거(6)를 통한 코어(2) 사이에서 최대의 상대적인 수직 변위를 발생시킨다. 이러한 커다란 상대적인 수직 변위는 도 2b 에 도시된 바와 같이 감쇠부(5a,5b)들 양쪽에서 커다란 수직의 전단 변형(V)을 일으킨다. 대조적으로, 기둥(3)에 대한 코어(2)의 상대적인 수평 또는 비틀림 전단 변형은 상대적으로 많지 않으며, 결과적으로 감쇠부(5a,5b)들에서의 압축(C) 및 텐션(T)은 구조체(1)의 굴곡 변형에 의해 발생되는 수직의 전단력보다 작을 것이다.

도 2c 는 구조체(1)의 높이의 중간 지점에서의 감쇠를 도시하며, 그 지점에서 아웃리거(7) 및 기둥(3)의 상대적인 수직 변위에 기인하는 감쇠부(5a,5b)들상의 전단력은 감쇠부(5a,5b)들에서의 대향하는 수평의 압축(C) 및 텐션(T)과 각각 비교될 수 있다.

도 2d 는 빌딩(1)의 아래 지점에서의 감쇠를 나타내는데, 여기에서 코어(2)와 기둥(3) 사이의 수직 움직임은 아웃리거(7)를 통하여 덜 드러난다. 이러한 높이에서의 구조체(1)의 전단 변형은 감쇠부(5a,5b)에서 압축(C) 및 텐션(T)의 수평 방향 힘을 일으키며, 그것은 수직 움직임에 기인하는 전단력(V) 보다 현저하게 크다.

VSL 의 Gensui 감쇠부와 같은 2 방향, 초고성능 감쇠용 점탄성 감쇠부(bidirectional, super-high damping visco-elastic dampers)를 이용함으로써, 변형의 수직 및 수평 성분들을 동일한 감쇠부를 이용하여 동시에 감쇠시킬 수 있다. 이러한 감쇠부들은 적어도 2 개의 방향에서 높은 감쇠 특성 및 강성도 특성과 바이리니어 히스테리시스(bilinear hysteresis)를 나타낸다. 이들은 넓은 주파수 범위내에서 진동 제어를 제공한다. 이들은 빌딩들의 모든 영역들 및 유형들에 대하여 유효하다. 이들은 유지 관리가 불필요하고, 매우 내구성이 있으며, 그것의 감쇠 특성은 스트레인 비율, 온도 및 진동 주파수에 많이 의존적이다. 멀티 유닛 장치(multi-unit devices)는 또한 현저한 여분(redundancy)을 제공한다. 장치가 고장나기 시작하였을 경우에, 예를 들어 유압 감쇠부들에서 보이는 갑작스럽고 완전한 고장과는 대조적으로, 그것은 점진적으로 고장나서, 성능이 점증적으로 열화(劣化)된다.

그러한 감쇠부들의 적용예는 도 3a 및 도 3b 에 도시되어 있다. 도 3b 는 기둥(3)과 아웃리거(6) 사이에 장착된 다중층 젠수이 감쇠부(multi-layered Gensui damper)를 가까이에서 도시한다. 감쇠부(5)는 짧게 설명되는 바로서, 점탄성의 고무와 같은 재료의 다수 층(multiple layers)들을 포함하며, 각각의 층은 강철 플레이트들 사이에 끼워져 있다. 도 3a 는 도 2a 내지 도 2d 에 도시된 바와 같이 아웃리거(6)의 단부에 장착된 2 개의 그러한 감쇠부(5a,5b)들을 도시한다. 화살표는 감쇠부들이 겪게 되는 동하중(dynamic loading)을 나타낸다.

도 4a 내지 도 4c 는 VSL 의 젠수이 감쇠부(Gensui damper)와 같은 점탄성 감쇠부가 어떻게 구성될 수 있는지를 상세하게 도시한다. 도 4a 는 그러한 감쇠부의 기본 개념을 나타낸다: 강철 플레이트(20, 21)(이것은 대안으로서 다른 단단한 재료로 제조될 수 있다)들은 고무와 같은 점탄성 재료의 2 개 층(24)들을 감싼다. 플레이트(20)는 제 1 구조체에 볼트 결합되고, 플레이트(21)는 제 2 구조체에 볼트 결합되며, 결과적으로 감쇠부의 평면에서 2 개 구조체들의 그 어떤 상대적인 움직임이라도 감쇠부에 의해-평면에서의 전단(shear), 회전 또는 병진의 임의 조합에 의해-감쇠될 수 있다. 스페이서(spacer)들이 항상 플레이트(20)들 사이에 제공되어서, 플레이트 사이의 점탄성 재료(24)를 분쇄시키거나 그렇지 않으면 왜곡시키지 않으면서 조여질 수 있다. 브래킷(23)들이 이용되어 감쇠되는 구조체에 감쇠부 유닛을 장착한다. 도 4a 및 도 4b 는 각각 사시도 및 정면도로 단일 유닛의 감쇠부를 도시한다. 도 4c 는 멀티 유닛 감쇠부를 정면도로 도시한다. 그러한 감쇠부들에서 이용된 점탄성 재료는, 다양한 재료들이 이용될 수 있지만, 통상적으로 고도로 엔지니어링된 유형의 천연 또는 인조 고무 또는 고무 복합체이다.

도 5a 내지 도 5c 는 본 발명의 감쇠 방법이 고층 빌딩에 어떻게 적용될 수 있는지의 예를 나타낸다. 도시된 예에서, 감쇠는 도 5a 에 있는 빌딩의 3 개 층(41,42,43)에 제공된다. 층의 번호에 대한 선택은 감쇠되어야 하는 구조체에 달려 있다-일부 구조체에서, 더 많은 층들이 감쇠를 필요로 할 수 있으며, 다른 예에서는 단지 하나 또는 2 개 층을 필요로 할 수 있다. 도 5b 및 도 5c 는 평면도 및 사시도에서 코어 구조체(33)와 기둥(30) 사이의 아웃리거 벽(outrigger wall, 31)들을 도시한다. 감쇠부(32)들은 각각의 날개 벽 아웃리거(wing-wall outrigger, 31)의 외측 가장자리의 상부와 저부 가까이에 쌍을 이루어 위치된다. 아웃리거(31)의 저부와 상부에 감쇠부(32)를 제공하는 것의 한가지 장점은 근접한 층의 슬래브(slab)(각각 위 또는 아래의 층)가 아웃리거(31)에 추가적인 강도를 제공하고, 또한 날개 벽(wing wall)이 압축에 의해 휘어지는 것(buckling)을 방지하는데 도움이 되는 것이다.

현존하는 구조체에 아웃리거 및 감쇠부를 개장(retrofitting)할 때, 아웃리거 날개 벽 또는 트러스는 구조체의 현존하는 벽 또는 트러스를 국부적으로 두껍게 함으로써, 또는 그렇지 않으면 강화시킴으로써 실현될 수 있다.

도 5a 내지 도 5c 에 도시된 예에서, 감쇠부(32)들은 빌딩의 어느 측에 그들이 있는지에 따라서 (즉, 기둥 및 코어를 통해 연장된 수직축을 따라서 그리고 수평축을 따라서 있는지에 따라서), Z 및 X 방향 또는 Z 및 Y 방향으로 움직임을 감쇠시키도록 도 5d 에 도시된 바와 같이 배치된다. 그것은 모든 층들에서 감쇠되는 경우일 수 있다. 대안으로서, 변형의 수직 성분이 훨씬 작은, 빌딩의 하부 부분에서의 감쇠를 위하여, 2 방향 감쇠부(5)들이 도 5e 에 도시된 바와 같이 X 및 Y 방향에서 감쇠되도록 장착될 수 있다. 그러한 방식으로, 수직으로 분리된 감쇠부들의 쌍을 이룬 방식의 장착(pairwise mounting) 덕분에, 구조체의 전단 및 굴곡 변형에 대한 여분의 감쇠가 유지되지만, 수평면에서 X 축 및 Y 축 양쪽에서 진동의 움직임 또는 다른 움직임의 더욱 향상된 감쇠가 이루어진다.

도 6a 내지 도 6e 는 개략적인 형태로, 감쇠부들 자체에 필요한 공간의 양을 최적화시키면서, 아웃리거가 본 발명의 감쇠 구성을 이용하도록 설계될 수 있는 2 가지 방법의 평면도 및 정면도를 도시한 것이다. 도 6a 및 도 6b 는 감쇠되는 빌딩의 벽일 수 있는 아웃리거(36) 안으로 어떻게 2 방향 감쇠부들이 적절하게 두어지는지를 각각 측면도 및 평면도로 도시한 것이다. 따라서 오직 작은 간극만이 아웃리거(36)와 주위 기둥(35) 사이에 필요하여, 아웃리거들 사이의 전체 공간 및, 코어와 주위 기둥 사이의 전체 공간이 빌딩의 점유자들에 의해 이용될 수 있게 남겨진다. 도 6c 내지 도 6e 는 대안의 공간 최적화 구성을 나타내는데, 여기에서는 아웃리거 벽(36) 안에 놓이는 대신에, 감쇠부(5)들이 브래킷(38)을 이용하여 아웃리거(36)의 측부들에 고정된다. 주위 기둥의 기하 형상에 의존하여, 감쇠부(5)들이 도 6d 에 도시된 바와 같이 기둥의 내측면에 볼트 결합될 수 있거나, 또는 아웃리거 벽에 감쇠부들을 고정하도록 이용된 것과 유사한 브래킷(38)을 이용하여 결합될 수 있다.

도 7a 내지 도 7c 는 본 발명을 이용하는 구조 구성의 다양한 예를 평면도로 도시한다. 도 7a 에서, 2 개의 수직 코어 구조체(50,51)는 2 방향 감쇠부를 이용하여 상호 감쇠(inter-damped)되는데, 감쇠는 2 개의 브레이싱 구조체(bracing structures, 48) 사이에서 수행되고, 그것은 아웃리거로서 기능하여 감쇠 모멘트(damping moment)를 향상시키고, 감쇠부(5)들이 본 발명의 일 구현예에 따라서 수직의 쌍들에 고정될 때, 상세한 설명에서 이전에 언급된 수평 전단력들의 제 2 감쇠를 위해 필요한 강성도(stiffness)를 제공한다.

도 7b 는 코어(54) 및 2 개의 근접한 기둥(52,53)들을 도시하며, 스트럿-타이(strut-and-tie) 유형의 아웃리거가 브레이싱(bracing)된 스트럿구조로 구성되고, 감쇠 유닛(5)들은 스트럿구조(strutwork)와 기둥(52,53)들 사이에 장착된다. 도 7c 는 도 7b 의 구성이 어떻게 2 개 또는 그 이상의 코어들을 가진 구조체로 변경될 수 있는지 또는 연장될 수 있는지를 나타낸다: 2 방향 감쇠부(5)들은 코어(55,56)들 사이에 설치될 수 있거나, 또는 코어들중 하나와 주위 기둥 사이에 설치될 수 있거나 또는 그 양쪽에 설치될 수 있다.

2. 코어 3. 기둥
5. 감쇠부 6.7.8. 아웃리거(outrigger)

Claims (15)

1. 빌딩 구조체(1)의 수직 축에 평행하게 연장된 제 1 구조 요소(2)로서, 제 1 구조 요소(2)는 전단 변형 또는 굴곡 변형을 받아들일 수 있고 실질적으로 자체 지지하며, 전단 변형 또는 굴곡 변형의 성분은 빌딩 구조체의 수평축을 따르는, 제 1 구조 요소(2);
   제 1 구조 요소에 가까이 있고 수직 축에 평행하게 연장되는 제 2 구조 요소(3)로서, 제 1 구조 요소(2) 및 제 2 구조 요소(3)는, 상기 전단 변형 또는 굴곡 변형이 상기 수직 축을 따라서 미리 결정된 제 1 위치에서 상기 제 1 축에 평행하게 제 1 구조 요소(2)와 제 2 구조 요소(3) 사이에 상대적인 축방향 움직임을 일으키도록 되어 있는, 제 2 구조 요소(3); 및,
   복수개의 수직으로 이격된 감쇠 스테이지(damping stages)들로서, 각각의 감쇠 스테이지는 제 1 구조 요소(2)로부터 밖으로 제 2 구조 요소(3)를 향하여 연장된 단단한 아웃리거 요소(6,7,8,10)를 포함하는, 감쇠 스테이지들;을 포함하는 빌딩 구조체(1)로서,
   빌딩 구조체(1)는 복수개의 2 축 감쇠부(5a,5b) 또는 다축 감쇠부(multiaxial damper)들을 포함하고, 각각의 감쇠부는 상기 수직 축에 대하여 실질적으로 평행한 제 1 감쇠 축 및, 상기 제 1 감쇠 축에 직각인 제 2 감쇠 축을 따라서 감쇠시킬 수 있으며,
   감쇠부들은 쌍을 이루어 배치되되, 제 1 구조 요소(2)와 제 2 구조 요소(3) 사이에서 빌딩 구조체(1)의 수직 축을 따라서 수직으로 이격된 쌍(5)들로서 배치되며,
   감쇠부(5a,5b)들의 각각의 쌍(5)은 빌딩 구조체(1)의 공통 영역에서 수직으로 이격되어 배치된 제 1 감쇠부(5a) 및 제 2 감쇠부(5b)를 포함하고,
   제 1 감쇠부(5a) 및 제 2 감쇠부(5b)는 수직 축을 따른 축방향 감쇠(axial damping) 및 수평 축을 따른 측방향 감쇠(lateral damping)를 제공하기 위하여 제 2 구조 요소(3)와 각각의 아웃리거(outrigger)의 외측 부분 사이에 장착됨으로써, 빌딩 구조체(1)의 공통 영역에서의 제 1 구조 요소(2)의 상기 전단 변형 또는 굴곡 변형중에, 제 1 감쇠부(5a)는 감쇠 축들중 하나를 따라서 텐션(T) 또는 압축(C) 중의 하나에 있는 반면에, 제 2 감쇠부(5b)는 감쇠 축들중 하나를 따라서 텐션(T) 또는 압축(C)중의 다른 하나에 있는 것을 특징으로 하는, 빌딩 구조체(1).
2. 제 1 항에 있어서,
   아웃리거 요소(6,7,8)는 빌딩 구조체(1)의 벽인, 빌딩 구조체(1).
3. 제 1 항에 있어서,
   제 1 감쇠부 및 제 2 감쇠부(5,5a,5b,32)중 적어도 하나는 점탄성 감쇠 장치(visco-elastic damping device)인, 빌딩 구조체(1).
4. 제 1 항에 있어서,
   제 1 구조 요소(2) 및 제 2 구조 요소(3)중 하나는 빌딩 구조체(1)의 제 1 코어이고, 제 1 구조 요소(2) 및 제 2 구조 요소(3)중 다른 하나는 빌딩 구조체(1)의 주위 기둥(perimeter column)이거나 또는 빌딩 구조체(1)의 제 2 코어인, 빌딩 구조체(1).
5. 빌딩 구조체(1)의 수직 축에 평행하게 연장된 제 1 구조 요소(2)를 포함하는 빌딩 구조체(1)의 움직임 감쇠 방법으로서, 제 1 구조 요소(2)는, 전단 변형 또는 굴곡 변형을 받아들일 수 있고 실질적으로 자체 지지하고, 전단 변형 또는 굴곡 변형의 성분은 빌딩 구조체(1)의 수평 축을 따르며, 빌딩 구조체의 움직임 감쇠 방법은:
   수직 축에 평행하게 연장되고 제 1 구조 요소(2)에 가깝게 제 2 구조 요소(3)를 제공하는 제 1 단계로서, 상기 전단 변형 또는 굴곡 변형이 상기 수직 축을 따라서 미리 결정된 제 1 위치에서 상기 제 1 축에 평행하게 제 1 구조 요소(2)와 제 2 구조 요소(3) 사이에 상대적인 축방향 움직임을 일으키도록 제 1 구조 요소(2) 및 제 2 구조 요소(3)가 이루어지는, 제 1 단계;
   복수개의 수직으로 이격된 감쇠 스테이지들을 배치하는 제 2 단계로서, 각각의 감쇠 스테이지는 제 1 구조 요소(2)로부터 밖으로 제 2 구조 요소(3)를 향하여 연장되는 단단한 아웃리거 요소(6,7,8,10)를 포함하는, 제 2 단계;를 포함하고,
   제 2 단계는 복수개의 2 축 또는 다축(multiaxial) 감쇠부들을 쌍을 이루어 배치하되, 제 1 구조 요소와 제 2 구조 요소 사이에 빌딩 구조체의 수직 축을 따라 수직으로 이격된 쌍으로서 배치하고, 상기 감쇠부들 각각은 상기 수직 축에 대하여 실질적으로 평행한 제 1 감쇠 축 및, 상기 제 1 감쇠 축에 직각인 제 2 감쇠 축을 따라서 감쇠시킬 수 있으며,
   감쇠부들의 각각의 쌍은 빌딩 구조체의 공통의 영역에서 수직으로 이격되게 배치된 제 1 감쇠부 및 제 2 감쇠부를 포함하고,
   제 1 감쇠부(5a) 및 제 2 감쇠부(5b)는 수직 축을 따른 축방향 감쇠(axial damping) 및 수평 축을 따른 측방향 감쇠(lateral damping)를 제공하기 위하여 제 2 구조 요소(3)와 각각의 아웃리거(outrigger)의 외측 가장자리 사이에 장착됨으로써, 빌딩 구조체(1)의 공통 영역에서 제 1 구조 요소(2)의 상기 전단 변형 또는 굴곡 변형중에, 제 1 감쇠부(5a)는 감쇠 축들중 하나를 따라서 텐션(T) 또는 압축(C) 중의 하나에 있는 반면에, 제 2 감쇠부(5b)는 감쇠 축들중 하나를 따라서 텐션(T) 또는 압축(C)중의 다른 하나에 있는 것을 특징으로 하는, 빌딩 구조체의 움직임 감쇠 방법.
6. 제 5 항에 있어서,
   제 1 및/또는 제 2 감쇠 수단(5,5a,5b,32)은 점탄성 감쇠 장치들인, 빌딩 구조체의 움직임 감쇠 방법.
7. 제 5 항에 있어서,
   제 1 구조 요소 및 제 2 구조 요소중 하나(2)는 빌딩 구조체의 제 1 코어이고, 제 1 구조 요소 및 제 2 구조 요소중 다른 하나(3)는 빌딩 구조체(1)의 주위 기둥이거나 또는 빌딩 구조체(1)의 제 2 코어인, 빌딩 구조체의 움직임 감쇠 방법.
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