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KR20090030053A - 하이브리드 비좌굴 가새 - Google Patents

하이브리드 비좌굴 가새 Download PDF

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Abstract

본 발명은 대지진은 물론 약진 및 풍하중에도 효과적인 하이브리드 비좌굴 가새에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄성영역에서는 점탄성 댐퍼(Viscoelastic Damper)로 거동하면서 비탄성영역에서는 기존의 비좌굴 가새와 같은 이력댐퍼(Hysteresis Damper)로 거동함으로써 대지진은 물론 약진 및 풍하중에도 유연하게 대응하면서 저항할 수 있는 하이브리드 비좌굴 가새에 관한 것이다.
본 발명의 하이브리드 비좌굴 가새는, 철골심재; 상기 철골심재의 중앙부를 둘러싸도록 설치되되 일단부가 철골심재에 구속되면서 타단부가 철골심재에 구속되지 않도록 설치되는 보강철골튜브; 상기 철골심재의 단면보다 큰 면적을 가지는 부재로, 철골심재에 구속되지 아니한 보강철골튜브의 타단부 아래 상기 철골심재의 단면에 접합되는 엔드플레이트; 및, 상기 철골심재에 구속되지 아니한 보강철골튜브의 타단부와 상기 엔드플레이트에 동시에 구속되도록 설치되는 점탄성 댐퍼;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 한다.
비좌굴 가새, 하이브리드, 점탄성 댐퍼, 이력 댐퍼

Description

하이브리드 비좌굴 가새{Hybrid Buckling Restrained Brace}
본 발명은 대지진은 물론 약진 및 풍하중에도 효과적인 하이브리드 비좌굴 가새(Hybird Buckling Restrained Brace: H-BRB)에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 탄성영역에서는 점탄성댐퍼(Viscoelastic Damper)로 거동하면서 비탄성영역에서는 기존의 비좌굴 가새와 같은 이력댐퍼(Hysteresis Damper)로 거동함으로써 대지진은 물론 약진 및 풍하중에도 유연하게 대응하면서 저항할 수 있는 하이브리드 비좌굴 가새에 관한 것이다.
가새 골조(Braced Frame)는 상대적으로 높은 강성과 강도가 있기 때문에 지진이나 바람과 같은 수평하중에 대한 저항에 유리하며, 이에 가새 골조는 우수한 내진 요소로서 과도한 수평변위로 인해 발생하는 손상을 조절하는 구조요소로 많이 적용되고 있다.
다만, 가새 골조는 설계지진하중 이상의 극한 하중이 작용하는 경우에 좌굴이 발생하여 강성과 강도가 급격하게 저하될 뿐만 아니라 불안정한 거동으로 에너 지 소산량도 작아져 지진하중에 대하여 큰 저항효과를 발휘하지 못한다는 단점이 있으며, 나아가 반복하중에 따라 가새 및 접합부의 취성파괴가 발생하는 문제점이 있다. 특히, 중심 가새 골조(Concentrically Braced Frame)의 경우에는 압축 가새의 좌굴 후 인장 가새와 압축 가새에 힘의 불균형이 작용하기 때문에, 이에 대한 영향으로 보에도 불균형력(Unbalanced Force)이 작용하게 되고 이때의 불균형력을 지지하지 못하는 층은 손상이 집중되어 연약층(Soft Story)으로 형성되는 등 구조적인 안정성에 큰 문제가 발생하게 된다.
위와 같은 가새의 좌굴 문제를 해결하기 위해 비좌굴 가새(Buckling-Restrained Braces)가 제안되었다. 비좌굴 가새는 큰 지진하중을 받을 때 비탄성 변형이 발생하도록 제안된 것으로, 통상 도 1(a)에서와 같이 중심부의 철골심재(11) 주위를 강관(12) 또는/및 충전재(모르타르, 콘크리트 등. 13) 등으로 보강하는 방법으로 제작된다. 즉, 비좌굴 가새는 보강된 강관과 콘크리트의 안정적인 이력거동에 의하여 많은 에너지를 소산할 수 있게 한 것으로, 높은 누적 소성률을 가짐으로써 지진하중에 대한 이력형 제진댐퍼(Hysteretic Damper)가 된다. 비좌굴 가새는 철골심재(11)의 형태와 그 보강방법에 따라 도 1(b)에서와 같이 다양한 단면으로 완성할 수 있다.
하지만, 도 1과 같은 비좌굴 가새는 도 2와 같이 설치되는데, 이와 같이 설치된 비좌굴 가새는 이력댐퍼로서 강진시 대변형을 전제로 에너지가 소산되는 시스템이기 때문에 바람과 같은 작은 진동에 대해서는 에너지를 소산하지 못한다는 문 제를 가진다. 이는 곧 내진성능과 더불어 바람에 대한 사용성이 중요한 설계변수로 작용하는 고층건물에 대해서는 대변형이 발생하는 지진에 대응하기 위해 비좌굴 가새시스템을 채택하면서도 한편으로는 풍하중에 적절히 대응하기 위해 별도의 질량동조댐퍼(Tuned Mass Damper), 액체동저댐퍼(Tuned Liquid Damper)와 같은 추가의 제진장치를 설치해야만 하는 문제로 이어진다.
본 발명은 상기한 종래의 문제를 개선하고자 제안된 것으로서, 다음과 같은 기술적 과제를 갖는다.
첫째, 본 발명은 대지진은 물론 약진 및 풍하중에도 유연하게 대응하면서 저항할 수 있는 하이브리드 비좌굴 가새를 제공하는데 그 기술적 과제가 있다.
둘째, 본 발명의 다른 기술적 과제는 지진하중은 물론 풍하중에 대해서도 에너지를 소산시킬 수 있어 내진성능과 더불어 바람에 대한 사용성이 중요한 설계변수로 작용하는 고층건물에 유리하게 적용할 수 있는 하이브리드 비좌굴 가새를 제공하는 것이다.
상기한 기술적 과제를 해결하기 위해 본 발명은, 본 발명의 하이브리드 비좌굴 가새는, 철골심재; 상기 철골심재의 중앙부를 둘러싸도록 설치되되 일단부가 철 골심재에 구속되면서 타단부가 철골심재에 구속되지 않도록 설치되는 보강철골튜브; 상기 철골심재의 단면보다 큰 면적을 가지는 부재로, 철골심재에 구속되지 아니한 보강철골튜브의 타단부 아래 상기 철골심재의 단면에 접합되는 엔드플레이트; 및, 상기 철골심재에 구속되지 아니한 보강철골튜브의 타단부와 상기 엔드플레이트에 동시에 구속되도록 설치되는 점탄성 댐퍼;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 비좌굴 가새를 제공한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 기대된다.
첫째, 보강철골튜브로 보강한 철골심재에 점탄성 댐퍼를 결합시켜 하이브리드 비좌굴 가새로 완성함으로써 비좌굴 가새의 강진에 국한된 진동제어범위를 바람에 의한 상시진동제어에까지 확장시킬 수 있게 된다.
둘째, 지진하중은 물론 풍하중에 대해서도 에너지를 소산시킬 수 있기 때문에 내진성능과 더불어 바람에 대한 사용성이 중요한 설계변수로 작용하는 고층건물에 유리하게 적용할 수 있게 된다.
이하, 첨부한 도면에 따라 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한다.
도 3 내지 도 7은 본 발명에 따른 하이브리드 비좌굴 가새의 실시예를 보여주는 도면으로서, 도시하고 있는 바와 같이 본 발명의 하이브리드 비좌굴 가 새(100)는 철골심재(110) 중앙부를 철골튜브로 보강하여 완성된 기존의 비좌굴 가새(100)에 점탄성 댐퍼(200)를 결속시켜 완성된다는데 구성상 특징이 있다.
구체적으로 본 발명은, 철골심재(110); 상기 철골심재(110)의 중앙부를 둘러싸도록 설치되되 일단부가 철골심재에 구속되면서 타단부가 철골심재에 구속되지 않도록 설치되는 보강철골튜브(120); 상기 철골심재(110)의 단면보다 큰 면적을 가지는 부재로, 철골심재에 구속되지 아니한 보강철골튜브(120)의 타단부 아래 상기 철골심재(110)의 단면에 접합되는 엔드플레이트(130); 및, 상기 철골심재에 구속되지 아니한 보강철골튜브(120)의 타단부와 상기 엔드플레이트(130)에 동시에 구속되도록 설치되는 점탄성 댐퍼(200);를 포함하여 구성된다.
이로써, 바람이나 약진시에는 점탄성 댐퍼(200)가 탄성 변형하여 에너지를 소산하는 한편 대지진시에는 보강철골튜브(120)에 의한 철골심재의 보강부분이 이력거동하여 에너지를 소산할 수 있게 된다. 즉, 본 발명에서도 기존의 비좌굴 가새와 마찬가지로 철골심재(110) 중앙부가 보강철골튜브(120)에 둘러싸인 채 보강되기 때문에 기존의 비좌굴 가새와 동일하게 이력댐퍼로 거동하게 되는 것이며, 다만 본 발명은 기존의 비좌굴 가새와는 달리 보강철골튜브(120)가 일단부는 철골심재(110)에 용접 등에 의해 구속되면서도 타단부는 철골심재(110)에 구속되지 않도록 설치되는 한편 점탄성 댐퍼(200)가 엔드플레이트(130)와 보강철골튜브(120)에 동시에 구속되도록 설치되기 때문에 바람이나 약진시의 하중이 가해지면 보강철골튜브(120)와 점탄성 댐퍼(200) 사이에 상대변위가 발생하면서 점탄성 댐퍼(200)의 전단변형으로 에너지를 소산시킬 수 있게 되는 것이다. 결국, 본 발명의 하이브리 드 비좌굴 가새(100)는 진동제어범위를 강진은 물론 바람이나 약진에 의한 상시진동제어에까지 확장시킬 수 있게 된다.
도 3 내지 도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 비좌굴 가새의 실시예로서, 엔드플레이트(130)와 보강철골튜브(120)에 동시에 구속되도록 설치된 점탄성 댐퍼(200)의 종류에 따라 구분된다.
도 3은 철골심재에 구속되지 아니한 보강철골튜브(120)의 타단부 외표면에 구속결합된 제1점탄성체(210a);와, 상기 제1점탄성체(210a)를 사이에 두고 보강철골튜브(120)와 마주보도록 배치되어 상기 제1점탄성체(210a)에 구속결합되면서 엔드플레이트(130)에 접합된 심재연결플레이트(220);로 구성된 점탄성 댐퍼(200)가 설치된 예로서, 도 4는 도 3의 입면도 및 단면도를 보여준다. 제1점탄성체(210a)는 보강철골튜브(120)와 심재연결플레이트(220)에 직접 부착하는 방법으로 구속결합시킬 수 있으며, 또는 도시하지는 않았지만 보강철골튜브(120)와 심재연결플레이트(220)에 각각 결속핀을 접합한 후 결속핀에 제1점탄성체(210a)를 물리는 방법으로 구속결합시킬 수도 있다.
도 3의 점탄성 댐퍼(200)는 바람이나 약진시의 횡하중이 비좌굴 가새(100)에 가해지면 도 4(d)에서와 같이 보강철골튜브(120)와 심재연결플레이트(220) 상호간에 상대변위를 일으키면서 보강철골튜브(120)와 심재연결플레이트(220) 사이에 있는 제1점탄성체(210a)의 전단변형을 통해 에너지를 소산시키는 구조가 된다.
도 5는 도 3의 점탄성 댐퍼(200)를 보완하여 감쇠효과를 더 증대시킨 점탄성 댐퍼(200)가 설치된 예로서, 도 4의 점탄성 댐퍼(200)는 제1점탄성체(210a)와 심재연결플레이트(220) 외에, 상기 심재연결플레이트(220)의 외표면에 구속결합된 제2점탄성체(210b);과, 중앙면과 양 측면으로 구분되는 ㄷ자형 부재로, 중앙면이 상기 제2점탄성체(210b)를 사이에 두고 보강철골튜브(120)와 마주보도록 배치되어 상기 제2점탄성체(210b)에 구속결합되고, 양 측면이 철골심재에 구속되지 아니한 보강철골튜브(120)의 타단부 외표면에 접합된 튜브연결플레이트(230);를 더 포함하여 구성된다. 이는 도 6의 단면도를 보면 더욱 명확해진다.
도 5의 점탄성 댐퍼(200)는 바람이나 약진시의 횡하중이 비좌굴 가새(100)에 가해지면 도 6(d)에서와 같이 보강철골튜브(120)와 심재연결플레이트(220) 상호간, 그리고 심재연결플레이트(220)와 튜브연결플레이트(230) 상호간에 상대변위를 일으키면서 보강철골튜브(120)와 심재연결플레이트(220) 사이에 있는 제1점탄성체(210a)와 심재연결플레이트(220)와 튜브연결플레이트(230) 사이에 있는 제2점탄성체(210b)의 전단변형을 통해 에너지를 소산시키는 구조가 된다. 튜브연결플레이트(230)가 보강철골튜브(120)에 직접 접합되기 때문에 튜브연결플레이트(230)는 보강철골튜브(120)와 동일한 방향으로 변위를 일으키지만, 중간의 심재연결플레이트(220)는 제1,2점탄성층(210a, 210b)을 매개로 보강철골튜브(120) 및 튜브연결플레이트(230)와 연결될 뿐 이들과 직접적으로 결합하지 않기 때문에 이들과는 상대적인 변위를 일으키게 되는 것이다.
도 4 및 도 6은 본 발명에 따른 하이브리드 비좌굴 가새의 핀접합 설치를 위해 엔드플레이트(130)에 핀접합구(310)가 더 접합된 예를 보여주며, 물론 별도 핀접합구 없이 엔드플레이트(130)를 직접 골조에 볼트접합하는 것으로 하이브리드 비좌굴 가새(100)를 핀접합할 수도 있다.
또한, 도 7은 본 발명에 따른 하이브리드 비좌굴 가새의 모멘트접합 설치를 위해 엔드플레이트(130)에 +자형 모멘트접합구(320)가 더 접합된 예를 보여준다. 특히, 도 7(b)와 도 7(c)에서는 모멘트 접합상세를 보여주는데, 골조에 접합된 +자형 브라켓(400)에 하이브리드 비좌굴 가새의 +자형 모멘트접합구(320)를 맞댄 후 연결플레이트(410)를 대고 고력볼트(420)로 접합하고 있다. 물론 별도 모멘트접합구(320) 없이 엔드플레이트(130)를 직접 골조에 용접접합하는 것으로 하이브리드 비좌굴 가새(100)를 모멘트접합하는 것도 가능하다.
한편, 본 발명에서는 도 3 내지 도 7을 통해 H형강 철골심재(110)의 웨브에 나란하게 점탄성 댐퍼(200) 2개가 서로 마주보는 위치에 설치된 상태를 제안하고 있다. 물론 철골심재(110)로 다양한 단면의 부재를 채택할 수 있음은 당연하나, 본 발명에서는 단면성능이 우수한 H형강을 제안한다. H형강 철골심재(110)로 구성된 비좌굴 가새(100)의 설치상태를 고려한다면 점탄성 댐퍼(200)는 H형강 철골심재(110)의 웨브와 나란하게 설치하는 것이 점탄성 댐퍼(200)와 마감재 설치의 간섭을 줄일 수 있어 바람직하다. 또한, 점탄성 댐퍼(200) 2개를 서로 마주보도록 배치하면 균형적인 진동제어가 가능해진다.
이상에서 본 발명은 기재된 실시예를 참조하여 상세히 설명되었으나, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 상기에서 설명된 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 여러가지 치환, 부가 및 변형이 가능할 것임은 당연한 것으로, 이와 같은 변형된 실시 형태들 역시 아래에 첨부한 특허청구범위에 의하여 정하여지는 본 발명의 보호 범위에 속하는 것으로 이해되어야 할 것이다.
도 1 및 도 2는 종래의 비좌굴 가새와 그 설치상태를 보여주는 도면이다.
도 3 내지 도 7은 본 발명에 따른 하이브리드 비좌굴 가새의 실시예를 보여주는 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10: 기존의 비좌굴 가새
100: 하이브리드 비좌굴 가새
11, 110: 철골심재 12, 120: 보강철골튜브
130: 엔드플레이트
200: 점탄성 댐퍼
210a: 제1점탄성체 210b: 제2점탄성체
220: 심재연결플레이트 230: 튜브연결플레이트
310: 핀접합구 320: 모멘트접합구

Claims (4)

  1. 철골심재(110);
    상기 철골심재(110)의 중앙부를 둘러싸도록 설치되되, 일단부가 철골심재에 구속되면서 타단부가 철골심재에 구속되지 않도록 설치되는 보강철골튜브(120);
    상기 철골심재(110)의 단면보다 큰 면적을 가지는 부재로, 철골심재에 구속되지 아니한 보강철골튜브(120)의 타단부 아래 상기 철골심재(110)의 단면에 접합되는 엔드플레이트(130); 및,
    상기 철골심재에 구속되지 아니한 보강철골튜브(120)의 타단부와 상기 엔드플레이트(130)에 동시에 구속되도록 설치되는 점탄성 댐퍼(200);
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 비좌굴 가새.
  2. 제1항에서,
    상기 점탄성 댐퍼(200)는,
    철골심재에 구속되지 아니한 보강철골튜브(120)의 타단부 외표면에 구속결합된 제1점탄성체(210a);
    상기 제1점탄성체(210a)를 사이에 두고 보강철골튜브(120)와 마주보도록 배치되어 상기 제1점탄성체(210a)에 구속결합되면서 엔드플레이트(130)에 접합된 심재연결플레이트(220);
    를 포함하여 구성된 것임을 특징으로 하는 하이브리드 비좌굴 가새.
  3. 제2항에서,
    상기 점탄성 댐퍼(200)는,
    상기 심재연결플레이트(220)의 외표면에 구속결합된 제2점탄성체(210b);
    중앙면과 양 측면으로 구분되는 ㄷ자형 부재로, 중앙면이 상기 제2점탄성체(210b)를 사이에 두고 보강철골튜브(120)와 마주보도록 배치되어 상기 제2점탄성체(210b)에 구속결합되고, 양 측면이 철골심재에 구속되지 아니한 보강철골튜브(120)의 타단부 외표면에 접합된 튜브연결플레이트(230);
    를 더 포함하여 구성된 것임을 특징으로 하는 하이브리드 비좌굴 가새.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에서,
    상기 철골심재(110)는 H형강이며,
    상기 점탄성 댐퍼(200)는 2개가 H형강 철골심재(110)의 웨브를 사이에 두고 서로 마주보는 위치에 설치되는 것을 특징으로 하는 하이브리드 비좌굴 가새.
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