KR101951455B1 - 힌지핀이 구비된 슬림형 강재댐퍼 및 이를 이용한 내진공법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 지진 발생 시 보강대상 건물의 기둥에 집중되는 횡력을 효과적으로 감쇠할 수 있는 슬림형 강재댐퍼에 관한 것으로서, 기둥의 상부 표면에 부착되는 상부고정판(300); 기둥의 하부 표면에 부착되는 하부고정판(400); 변위전달판(110) 및 상기 변위전달판(110)보다 폭이 넓게 상기 변위전달판(110)의 하부에 일체형으로 형성되는 하부확장판(120)으로 구성되며, 상기 변위전달판(110)의 상단부는 변위전달힌지핀(130)으로 상기 상부고정판(300)에 회전가능하게 결합되며, 상기 하부확장판(120)은 상기 하부고정판(400)에 결합되는 댐퍼몸체(100);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

힌지핀이 구비된 슬림형 강재댐퍼 및 이를 이용한 내진공법{Slim Type Steel Damper with Hinge Pin and Earthquake-proof Method using thereof}

본 발명은 기둥의 표면에 부착할 수 있는 힌지핀이 구비된 슬림형 강재댐퍼에 관한 것으로서, 변위전달판과 상부고정판이 변위전달힌지핀으로 결합되고 변위전달판은 외력에 저항할 수 있는 적절한 강도를 구비하여 지진과 같은 외력을 효율적으로 감쇠시키는 것을 특징으로 한다.

1995년 일본 고베지진, 2008년 중국 쓰촨성 지진 이후 국내에서는 학교 등 중요 공공시설물의 내진보강을 점차적으로 진행하던 중 2016년 9월 경주 지진 이후에는 지진에 대비한 내진보강에 관심이 더욱 증대되면서 학교, 공공시설물 등의 건축 구조물의 내진보강공법 또는 제진보강공법을 진행하고 있다.

그런데 이러한 공공시설물의 내진보강에 사용되고 있는 기술들 중 내진보강공법으로 사용되고 있는 기술은 전단벽 보강, 철골프레임 보강, 철골브레이스 보강 등이 사용되고 있고, 제진보강공법으로는 창호형 슬릿강재댐퍼, 벽식형 슬릿강재댐퍼, 토글형 슬릿강재댐퍼, 유압 또는 점성댐퍼, 마찰댐퍼 등이 사용되고 있는데 이러한 기술들 대부분은 대형 철골프레임이 기본으로 포함되어 있는 기술들이다.

근래 많이 사용되고 있는 창호형 슬릿강재댐퍼, 벽식형 슬릿강재댐퍼의 경우 슬릿강재댐퍼의 안정된 변위를 위하여 상, 하부에 대형 철골구조로 제작한 하중전달용 고정부재를 설치하는데 노후된 기존 구조체에 이러한 대형 철골구조 부재를 설치하여 기존 구조체와 완전히 일체화 한다는 것은 현실적으로 매우 어려운 실정이다. 다시 말하면, 도1에 도시된 바와 같은 기존의 슬릿강재댐퍼(가)들이 지진 에너지를 감쇠하기 위해서는 지진 발생시 하중전달용 고정부재(나)가 기존 구조체와 완전 일체거동을 한다는 조건을 충족하여야만 지진에너지의 감쇠가 가능하다고 할 수 있는데, 내진보강이 필요한 기존 건축시설물이 대부분 노후되어 있고,사용 환경 및 주변 여건을 고려할 때 시공이 용이하지 않아 대형 철골구조로 제작된 하중전달용 고정부재(나)를 보강대상 구조체와 일체화하는 작업은 사실상 어렵다.

아울러, 지진 발생 시 하중전달용 고정부재(나)가 지진하중을 슬릿강재댐퍼(가)에 효율적으로 전달할 수 있는가에 대한 의문도 제기된다.

또한, 대형 철골구조 부재로 제작된 하중전달용 고정부재(나)로 인하여 기존 건축물의 전망, 채광 등에 불편을 초래하고 있고, 건물의 외관 입면 변화로 인하여 건축물의 경제적 가치가 저하된다는 문제점도 있다.

또한, 대형 철골프레임이 포함된 보강기술들을 적용하여 내진보강을 할 경우 보강대상 건물의 창호, 마감재 및 조적벽체 등 철거물(폐기물)이 많이 발생되고, 대형 철골구조 부재의 중량으로 인하여 기존 건물의 기초에 큰 부담으로 작용하게 되고, 소음 및 비산 먼지 등으로 민원이 자주 발생되고, 업무시설의 경우 일상적 업무에 많은 지장을 초래하게 된다.

특히 학교 내진보강의 경우 석면 등의 유해 폐기물 발생으로 인하여 학생들의 건강 및 면학분위기를 해치는 결과를 초래하는 것은 물론 대형 철골 부재의 운반 및 설치로 인한 안전관리 역시 상당한 부담으로 작용하는 실정이다.

[선행기술목록]

등록특허 제10-1000206호

등록특허 제10-1112577호

등록특허 제10-1651849호

상기한 문제점을 해결하기 위하여 창작된 본 발명의 목적은 보강대상 건물 의 기둥 표면에 간단하게 설치할 수 있어 창호 및 마감재, 조적벽체 등의 철거가 불필요하고, 내진보강으로 인한 기존 건물의 자중 증가가 최소화되어 기초에 부담이 없으며, 공사비용 및 공사기간이 단축될 수 있는 슬림형 강재댐퍼를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 목적을 달성하기 위하여 창작된 본 발명의 기술적 구성은 다음과 같다.

본 발명은 지진 발생 시 보강대상 건물의 기둥에 집중되는 횡력을 효과적으로 감쇠할 수 있는 슬림형 강재댐퍼에 관한 것으로서, 기둥의 상부 표면에 부착되는 상부고정판(300); 기둥의 하부 표면에 부착되는 하부고정판(400); 변위전달판(110) 및 상기 변위전달판(110)보다 폭이 넓게 상기 변위전달판(110)의 하부에 일체형으로 형성되는 하부확장판(120)으로 구성되며, 상기 변위전달판(110)의 상단부는 변위전달힌지핀(130)으로 상기 상부고정판(300)에 회전가능하게 결합되며, 상기 하부확장판(120)은 상기 하부고정판(400)에 결합되는 댐퍼몸체(100);를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 구성에 따른 기술적 효과는 다음과 같다.

첫째, 지진 발생시 보강대상 건물의 기둥에 집중되는 횡력을 효율적으로 감쇠할 수 있다.

둘째, 기둥의 표면에 슬림형 강재댐퍼를 간단히 설치하여 기둥 부재의 연성을 보강함으로써, 지진 발생시 기둥 부재의 파괴 및 붕괴를 효과적으로 방지할 수 있다.

셋째, 대형 철골 구조물로 제작된 하중전달용 고정부재가 필요 없어 기존 건물의 자중 증가로 인한 기초의 부담이 발생되지 않는다.

넷째, 노출된 기둥 표면에 간단히 부착 설치함으로써 기존 마감재철거, 조적벽체, 석면 등 폐기물 발생이 거의 없는 친환경 공법을 실현할 수 있다.

도1은 종래에 사용되고 있는 슬릿강재댐퍼들을 예시적으로 도시한다.
도2는 본 발명의 구체적 실시예를 도시한다.
도3은 본 발명의 또 다른 구체적 실시예를 도시하는데, 변위전달판(110)이 2개 구비된 경우를 도시한다.
도4는 슬림형 강재댐퍼의 지진 에너지 감쇠 원리를 도시한다.
도5는 좌굴방지보강판(200)이 구비되는 경우를 도시한다.
도6은 도3에 도시된 슬림형 강재댐퍼를 이용한 내진공법 시공이 완료된 상태를 도시한다.

이하에서는 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 보다 상세히 설명한다.

본 발명은 기둥의 상하부 표면에 부착되어 지진 발생 시 보강대상 건물의 기둥에 집중되는 횡력을 효과적으로 감쇠할 수 있는 슬림형 강재댐퍼에 관한 것이다.

본 발명은 도2에 도시된 것처럼 상부고정판(300), 하부고정판(400) 및 댐퍼몸체(100)를 포함하여 구성된다.

상부고정판(300)은 판상의 부재로서 앵커볼트설치공(55)이 구비되어 앵커볼트(33)에 의하여 기둥의 상부 표면에 부착된다.

하부고정판(400)은 판상의 부재로서 하부확장판(120)의 결합볼트통과공(66)과 대응하는 위치에 결합볼트통과공(66)이 구비된다.

아울러, 하부고정판(400)에는 하부확장판(120)의 앵커볼트용확장공(44)과 대응하는 위치에 앵커볼트설치공(55)이 구비되어 앵커볼트(33)에 의하여 기둥의 하부 표면에 부착된다.

댐퍼몸체(100)는 변위전달판(110)과 변위전달판(110)의 하부에서 연장된 하부확장판(120)으로 이루어지는데, 하부확장판(120)은 변위전달판(110)보다 폭이 넓게 형성되며, 변위전달판(110)과 하나의 몸체를 이루는 구조가 된다.

댐퍼몸체(100)의 변위전달판(110) 상단부는 변위전달힌지핀(130)으로 상부고정판(300)에 회전가능하게 결합된다.

댐퍼몸체(100)의 하부확장판(120)은 하부고정판(400)에 결합되는데, 하부확장판(120)과 하부고정판(400) 각각에 형성된 결합볼트통과공(66)에 결합볼트(11)와 너트(22)를 체결하여 결합한다. 이 경우 결합볼트(11)가 하부고정판(400)에 미리 용접 결합될 경우 보다 편리하게 너트(22)를 체결할 수 있다.

아울러 하부확장판(120)에는 하부고정판(400)의 앵커볼트설치공(55)과 대응하는 위치에 앵커볼트용확장공(44)이 구비되는데, 앵커볼트용확장공(44)은 앵커볼트(33)와 맞닿지 않도록 충분한 내경을 구비하여 앵커볼트(33)를 이용하여 하부고정판(400)을 기둥의 하부 표면에 부착할 때 앵커볼트(33)는 하부확장판(120)의 앵커볼트용확장공(44)을 간섭없이 통과하게 된다.

이와 같이 앵커볼트용확장공(44)을 간섭없이 통과한 앵커볼트(33)는 하부고정판(400)에 구비된 앵커볼트설치공(55)을 통하여 하부고정판(400)을 기둥에 고정시키게 된다.

다시 말하면, 앵커볼트(33)를 이용하여 상부고정판(300)과 하부고정판(400)을 기둥의 상부 및 하부 각각에 고정시키고, 댐퍼몸체(100)의 변위전달판(110)은 변위전달힌지핀(130)으로 상부고정판(300)에 결합되고, 댐퍼몸체(100)의 하부확장판(120)은 결합볼트(11)와 너트(22)으로 하부고정판(400)에 결합되는 구조가 되는 것이다.

따라서, 지진과 같은 외력에 의하여 댐퍼몸체(100)의 변형이나 손상(파단)이 발생할 경우 변위전달힌지핀(130)과 너트(22)를 해체하여 댐퍼몸체(100)만 간편하게 교체할 수 있다.

도3의 경우 본 발명의 또 다른 구체적 실시예가 도시되어 있는데 변위전달판(110)이 하부확장판(120)에서 다수 개가 이격되어 상향 돌출되고, 이러한 변위전달판(110) 각각의 상단부가 변위전달힌지핀(130)으로 상부고정판(300)에 핀결합되는 구조가 된다.

도4에는 본 발명의 구체적 실시예에 따른 지진 에너지 감쇠 원리를 도시하고 있는데. 지진으로 기둥의 좌우 변위가 발생할 경우 기둥의 상하부를 연결하도록 장착된 댐퍼몸체(100)도 함께 거동하면서 지진에 따른 외력을 흡수하여 감쇠하게 된다.

즉 외력이 작용함에 따라 변위전달힌지핀(130)을 중심으로 변위전달판(110)과 상부고정판(300) 사이의 상대적 회전이 반복되고, 변위전달힌지핀(130)의 체결력으로 인하여 변위전달판(110)과 상부고정판(300) 사이에 마찰열이 발생하면서 지진 에너지를 효과적으로 감쇠시키게 된다.

즉, 변위전달판(110)의 하단부에서 파단이나 변형이 발생되기 전까지 변위전달판(110)이 적정한 강도와 외형을 유지하면서 외력에 따른 거동(상대적 회전)을 반복하여 지진 에너지를 단계적으로 감쇠시키고, 미리 설계된 수치 이상의 외력이 작용할 경우 변위전달판(110)의 하단부에서 파단이나 변형이 발생되면서 충격을 다시 한 번 흡수하여 기둥 자체의 손상이나 변형을 최소화시키고 손상이나 변형 시점을 최대한 지연시키게 된다.

따라서 댐퍼몸체(100)의 변위전달판(110)은 외력을 고려하여 적절한 강도를 구비해야만 하는데, 댐퍼몸체(100)의 변위전달판(110)이 적정한 강도를 구비하지 못하면 외력이 작용할 경우 변위전달판(110)의 전체 영역에서 불규칙적인 좌굴과 변형이 발생되고, 변위전달힌지핀(130)을 중심으로 한 변위전달판(110)과 상부고정판(300)의 상대적인 회전이 발생될 수 없어 지진에 따른 외력 감쇠 효과나 콘크리트 기둥의 연성 증대 효과를 기대할 수 없기 때문이다.

도5에는 본 발명의 또 다른 구체적 실시예가 도시되어 있는데, 변위전달판(110)의 좌굴과 파단을 방지하고 강도를 보강하기 위하여 변위전달판(110)과 겹쳐지도록 좌굴방지보강판(200)을 결합한 구조이다.

이러한 좌굴방지보강판(200)은 볼트 체결 방식으로 결합할 수도 있고, 첨부도면에 별도로 도시하지 않았으나 용접 결합 방식이 선택될 수도 있다.

도6에는 도3에 도시된 힌지핀이 구비된 슬림형 강재댐퍼를 이용한 내진공법의 시공이 완료된 상태를 도시하는데, 이러한 내진공법은 다음과 같은 과정으로 수행된다.

(1) 제1단계

내진 보강이 필요한 건물의 기둥의 바탕면에 있는 페인트나 이물질을 연마작업으로 제거하는 과정이다.

(2) 제2단계

상부고정판(300), 변위전달판(110), 하부확장판(120) 및 하부고정판(400)이 일체로 결합된 슬림형 강재댐퍼의 상부고정판(300)과 하부고정판(400) 각각에 구비된 앵커볼트설치공(55)의 패턴에 따라 기둥의 바탕면에 앵커구멍을 천공하고, 천공된 앵커구멍 내부의 먼지나 이물질을 제거하는 과정이다.

(3) 제3단계

상부고정판(300), 변위전달판(110), 하부확장판(120) 및 하부고정판(400)이 일체로 결합된 슬림형 강재댐퍼를 앵커볼트(33)를 이용하여 기둥의 상하부 표면에 가설치한 후 상부고정판(300), 하부고정판(400) 및 앵커볼트(33) 둘레를 실링재로 밀봉하는 과정이다.

앵커볼트(33)의 종류는 상용화된 제품 가운데 필요에 따라 자유롭게 선택할 수 있으며 특정 구조를 가진 제품으로 한정되지 않는다. 아울러 앵커볼트(33)의 설치는 선택된 앵커볼트(33)에 따른 일반적인 과정이 수행될 수 있는 바 이에 대한 별도의 세부 설명은 생략한다.

아울러 밀봉 작업은 상용화된 합성수지(실링재)를 이용하여 이루어지며 틈새가 발생되지 않도록 충분한 양을 사용한다.

(4) 제4단계

제3단계에서 밀봉된 내부 공간에 합성수지 접착제나 그라우트형 모르타르를 주입하여 충전하는 과정으로서 내부 공간에 공극이 발생되지 않도록 주입구와 공기배출구를 이격 설치한 후 작업을 진행한다. 이러한 합성수지 접착제는 특정한 제품으로 한정되는 것은 아니며 일반적으로 상용화된 제품 가운데 적절한 제품을 자유롭게 선택할 수 있다.

필요에 따라서는 상기한 제3단계 및 제4단계를 수행하지 않고, 상부고정판(300)의 바닥면, 하부고정판(400)의 바닥면, 및 상기 상부고정판(300)과 하부고정판(400)이 부착된 기둥의 바탕면 표면에 퍼티성 합성수지 접착제를 충분히 도포한 후 앵커볼트(33)를 설치하여 기둥의 표면에 슬림형 강재댐퍼를 부착하는 방법이 선택될 수도 있다.

(5) 제5단계

마감작업 후 시공을 완료하는 과정으로서, 여분의 합성수지 접착제나 그라우트형 모르타르를 제거하는 과정, 작업장 주변을 정리하는 과정, 기둥의 표면에 필요한 마감작업을 수행하는 과정 등이 포함될 수 있다.

상기한 바와 같이 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하였으나 본 발명의 보호범위가 반드시 이러한 실시예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양한 설계변경, 공지기술의 부가나 삭제, 단순한 수치한정 등의 경우에도 본 발명의 보호범위에 속함을 분명히 한다.

100:댐퍼몸체
110:변위전달판
120:하부확장판
130:변위전달힌지핀
200:좌굴방지보강판
300:상부고정판
400:하부고정판
11:결합볼트
22:너트
33:앵커볼트
44:앵커볼트용확장공
55:앵커볼트설치공
66:결합볼트통과공

Claims (5)

1. 지진 발생 시 보강대상 건물의 기둥에 집중되는 횡력을 효과적으로 감쇠할 수 있는 슬림형 강재댐퍼에 관한 것으로서,
   기둥의 상부 표면에 부착되는 상부고정판(300);
   기둥의 하부 표면에 부착되는 하부고정판(400); 및,
   변위전달판(110) 및 상기 변위전달판(110)보다 폭이 넓게 상기 변위전달판(110)의 하부에 일체형으로 형성되는 하부확장판(120)으로 구성되며, 상기 변위전달판(110)의 상단부는 변위전달힌지핀(130)으로 상기 상부고정판(300)에 회전가능하게 결합되며, 상기 하부확장판(120)은 상기 하부고정판(400)에 결합되는 댐퍼몸체(100);
   를 포함하여 구성되되,
   상기 상부고정판(300)에는 앵커볼트설치공(55)이 구비되고,
   상기 하부확장판(120)에는 결합볼트통과공(66) 및 앵커볼트용확장공(44)이 구비되고,
   상기 하부고정판(400)에는 상기 하부확장판(120)의 결합볼트통과공(66)과 대응하는 위치에 결합볼트통과공(66)이 구비되며, 상기 하부확장판(120)의 앵커볼트용확장공(44)과 대응하는 위치에 앵커볼트설치공(55)이 구비되고,
   상기 상부고정판(300)은 앵커볼트설치공(55)을 통하여 장착되는 앵커볼트(33)에 의하여 기둥의 상부 표면에 부착되고,
   상기 하부고정판(400)는 앵커볼트설치공(55)을 통하여 장착되는 앵커볼트(33)에 의하여 기둥의 하부 표면에 부착되고,
   상기 하부확장판(120)과 상기 하부고정판(400)에 구비된 결합볼트통과공(66)을 통과하는 결합볼트(11)에 너트(22)를 체결하여 상기 하부확장판(120)과 상기 하부고정판(400)를 결합하며, 앵커볼트(33)는 상기 하부확장판(120)의 앵커볼트용확장공(44)을 간섭없이 통과하는 것을 특징으로 하는 힌지핀이 구비된 슬림형 강재댐퍼.
2. 제1항에서,
   상기 변위전달판(110)은 상기 하부확장판(120)에서 다수 개가 이격되어 상향 돌출되고, 상기 변위전달판(110) 각각의 상단부가 상기 변위전달힌지핀(130)으로 상기 상부고정판(300)에 핀결합되는 것을 특징으로 하는 힌지핀이 구비된 슬림형 강재댐퍼.
3. 제1항에서,
   상기 변위전달판(110)에 겹쳐지도록 결합되어 상기 변위전달판(110)의 좌굴과 파단을 방지하는 좌굴방지보강판(200);
   이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 힌지핀이 구비된 슬림형 강재댐퍼.
4. 제1항 내지 제3항 가운데 어느 한 항에 기재된 힌지핀이 구비된 슬림형 강재댐퍼를 이용한 내진공법에 관한 것으로서,
   보강이 필요한 기둥의 바탕면의 페인트나 이물질을 연마작업으로 제거하는 제1단계;
   상부고정판(300)과 하부고정판(400) 각각에 구비된 앵커볼트설치공(55)의 패턴에 따라 기둥의 바탕면에 앵커구멍을 천공하고, 천공된 앵커구멍 내부의 먼지나 이물질을 제거하는 제2단계;
   댐퍼몸체(100)를 통하여 하나로 연결된 상부고정판(300)과 하부고정판(400)을 앵커볼트(33)를 이용하여 기둥의 표면에 가설치한 후 상부고정판(300), 하부고정판(400) 및 앵커볼트(33) 둘레를 실링재로 밀봉하는 제3단계;
   제3단계에서 밀봉된 내부 공간에 합성수지 접착제나 그라우트형 모르타르를 주입하여 충전하는 제4단계; 및,
   마감작업 후 시공을 완료하는 제5단계;
   를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 힌지핀이 구비된 슬림형 강재댐퍼를 이용한 내진공법.
   
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