KR20200061761A - 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 연속 강선을 3차원으로 직조하여 형성된 강선 트러스 내부를 충전재로 충전하되 충전재가 3차원 강선 트러스의 외부를 감싸도록 댐퍼 본체를 구성함으로써, 기존 카고메 트러스의 장점을 유지하면서도 강선 트러스와 충전재가 복합적으로 작용하여 우수한 감쇠 효과를 발휘할 수 있고 축강성이 강한 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼에 대한 것이다.
본 발명 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼는 연속 강선을 3차원으로 직조하여 내부에 다공부가 형성된 3차원 강선 트러스와 상기 3차원 강선 트러스의 다공부에 충전되고 외부를 감싸도록 구비되는 합성수지 충전재로 구성되는 댐퍼 본체; 및 상기 댐퍼 본체의 상하부에 각각 결합되는 상부플레이트와 하부플레이트; 로 구성되는 것을 특징으로 한다.

Description

3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼{Composite damper using 3 dimensional steel stuss}
본 발명은 연속 강선을 3차원으로 직조하여 형성된 강선 트러스 내부를 충전재로 충전하되 충전재가 3차원 강선 트러스의 외부를 감싸도록 댐퍼 본체를 구성함으로써, 기존 카고메 트러스의 장점을 유지하면서도 강선 트러스와 충전재가 복합적으로 작용하여 우수한 감쇠 효과를 발휘할 수 있고 축강성이 강한 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼에 대한 것이다.
최근 지진의 발생 빈도가 증가함과 동시에 지진의 강도 또한 증가되면서 기존 건축물에 대한 내진 보강 수요가 급격히 증가하고 있다.
이에 기존 프레임을 보강하기 위해 프레임 내부에 댐퍼를 설치하여 횡력에 저항할 수 있도록 하는 기술이 많이 개발되었다.
일례로 점탄성체인 고감쇠고무를 강재플레이트와 적층하여 구성함으로써, 구조물 변형시 고감쇠고무에 의해 에너지를 소산시켜 구조물에 발생하는 피해를 최소화할 수 있는 댐퍼가 많이 사용된다(등록특허 제10-1348577호 등). 그러나 상기 기술의 경우 댐퍼의 강성이 과도하게 커 기초 등 다른 부재에 부담이 커지고, 강재량이 많이 소요되어 경제성이 떨어지는 문제가 있다.
이러한 문제점을 해결하고자 체적 대비 중량이 적고, 높은 수준의 변형에 대해 안정적인 강성을 유지하며, 에너지 소산 능력이 뛰어난 3차원 다공성 구조체인 카고메 트러스(Kagome Truss)를 이용한 댐퍼가 개발되었다(등록특허 제10-1155232호).
상기 3차원 다공성 구조체는 연속적인 와이어로 구성되되, 다공을 갖는 3차원 구조로 형성되어 댐퍼 부재로 사용된다.
그러나 이러한 3차원 다공성 구조체는 탄성 거동을 하기 때문에 변형에 비해 감쇠 효과가 좋지 못하다. 또한, 압축 성능이 떨어져 축강성이 필요한 부재에는 적용하기 어려운 한계가 있다.
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 기존 카고메 트러스(Kagome Truss)의 장점을 유지하면서도 감쇠 능력이 우수하고, 축강성이 강한 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼를 제공하고자 한다.
바람직한 실시예에 따른 본 발명은 연속 강선을 3차원으로 직조하여 내부에 다공부가 형성된 3차원 강선 트러스와 상기 3차원 강선 트러스의 다공부에 충전되고 외부를 감싸도록 구비되는 합성수지 충전재로 구성되는 댐퍼 본체; 및 상기 댐퍼 본체의 상하부에 각각 결합되는 상부플레이트와 하부플레이트; 로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 3차원 강선 트러스는 상부플레이트 및 하부플레이트와 각각 용접에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 댐퍼 본체의 중앙에는 납 코어가 구비되는 것을 특징으로 하는 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 상부플레이트 하부의 상기 댐퍼 본체 양측에는 상부 스토퍼가 구비되고, 상기 하부플레이트 상부의 상기 댐퍼 본체 양측에는 상기 상부 스토퍼의 내측 또는 외측 위치에 하부 스토퍼가 상부 스토퍼와 이격되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼를 제공한다.
다른 바람직한 실시예에 따른 본 발명은 상기 상부플레이트의 하부와 하부플레이트의 상부에는 댐퍼 본체의 내부에 매립되는 댐핑바가 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼를 제공한다.
본 발명에 따르면 다음과 같은 효과가 있다.
첫째, 연속 강선을 3차원으로 직조하여 내부에 다공부가 형성된 3차원 강선 트러스의 다공부를 충전재로 충전하되 충전재가 3차원 강선 트러스의 외부를 감싸도록 댐퍼 본체를 구성함으로써, 3차원 강선 트러스와 충전재가 복합적으로 작용하여 감쇠 효과를 발휘할 수 있다. 즉, 3차원 강선 트러스에 의해 횡강성을 보유하면서 충전재에 의하여 압축 및 인장 저항 성능 확보 및 연성 능력 향상이 가능하다. 따라서 기존 카고메 트러스의 장점을 유지하면서도 감쇠 능력이 우수하고, 축강성이 강한 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼를 제공할 수 있다.
둘째, 댐퍼 본체의 중앙에 납 코어가 구비되는 경우에는 지진 발생시 1차로 충전재, 2차로 납 코어, 3차로 3차원 강선 트러스가 하중을 부담하여 다단으로 면진 거동이 가능하다.
셋째, 댐퍼 본체의 좌우 양측에 스토퍼가 구비되는 경우에는 횡변위가 과다하게 발생하더라도 합성 댐퍼의 손상을 방지함과 동시에 구조물의 과다 변위를 방지할 수 있다.
넷째, 상하부플레이트 사이에서 댐퍼 본체의 내부에 댐핑바가 매립되도록 구비되는 경우에는 작은 규모의 횡하중에 대해 댐퍼 본체가 저항하고, 중규모 이상의 횡하중에 대해 댐핑바와 댐퍼 본체가 복합적으로 거동하여 횡하중의 강도에 따라 단계별로 에너지를 흡수 및 감쇠시킬 수 있다.
도 1은 본 발명 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼를 도시하는 정면도.
도 2는 합성 댐퍼의 제작 과정을 도시하는 도면.
도 3은 본 발명 합성 댐퍼가 결합된 브레이싱재를 이용하여 보강되는 프레임을 도시하는 정면도.
도 4는 본 발명 합성 댐퍼가 결합된 보강벽체를 이용하여 보강되는 프레임을 도시하는 정면도.
도 5는 납 코어가 구비된 합성 댐퍼를 도시하는 정면도.
도 6은 스토퍼가 구비된 합성 댐퍼를 도시하는 정면도.
도 7은 댐핑바가 구비된 합성 댐퍼를 도시하는 단면도.
도 8은 댐핑바에 의한 합성 댐퍼의 거동을 도시하는 도면.
도 9는 댐핑바가 복수 열로 구비된 합성 댐퍼의 실시예를 도시하는 도면.
이하, 첨부한 도면 및 바람직한 실시예에 따라 본 발명을 상세히 설명한다.
도 1은 본 발명 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼를 도시하는 정면도이고, 도 2는 합성 댐퍼의 제작 과정을 도시하는 도면이다. 그리고 도 3은 본 발명 합성 댐퍼가 결합된 브레이싱재를 이용하여 보강되는 프레임을 도시하는 정면도이고, 도 4는 본 발명 합성 댐퍼가 결합된 보강벽체를 이용하여 보강되는 프레임을 도시하는 정면도이다.
도 1 등에 도시된 바와 같이, 본 발명 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼는 연속 강선을 3차원으로 직조하여 내부에 다공부(112)가 형성된 3차원 강선 트러스(111)와 상기 3차원 강선 트러스(111)의 다공부(112)에 충전되고 외부를 감싸도록 구비되는 합성수지 충전재(113)로 구성되는 댐퍼 본체(11); 및 상기 댐퍼 본체(11)의 상하부에 각각 결합되는 상부플레이트(12)와 하부플레이트(13); 로 구성되는 것을 특징으로 한다.
본 발명은 기존 카고메 트러스(Kagome Truss )의 장점을 유지하면서도 감쇠 능력이 우수하고, 축강성이 강한 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼를 제공하기 위한 것이다.
본 발명 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼(1)는 댐퍼 본체(11)와 상하부플레이트(12, 13)로 구성된다.
상기 댐퍼 본체(11)는 연속 강선을 3차원으로 직조하여 내부에 다공부(112)가 형성된 3차원 강선 트러스(111)와 상기 3차원 강선 트러스(111)의 다공부(112)에 충전되고 외부를 감싸도록 구비되는 합성수지 충전재(113)로 구성된다.
상기 3차원 강선 트러스(111)는 소정의 높이와 폭을 갖도록 연속 강선을 3차원으로 직조하여 형성되는 것으로, 내부에 복수의 다공부(112)가 형성된다.
상기 3차원 강선 트러스(111)는 댐퍼가 횡강성을 갖도록 하면서 탄성 거동을 하도록 한다.
상기 충전재(113)는 3차원 강선 트러스(111)의 다공부(112)에 충전됨과 동시에 3차원 강선 트러스(111)의 외부를 감싼다.
상기 충전재(113)는 단순히 3차원 강선 트러스(111)를 보호하는 것이 아니라 그 자체로 댐퍼의 기능을 수행한다.
즉, 본 발명은 3차원 강선 트러스(111)와 충전재(113)가 복합적으로 감쇠 효과를 발휘하는 합성 댐퍼(1)이다.
상기 충전재(113)는 강선 트러스의 단점인 압축 및 인장 저항 성능을 보완할 뿐 아니라 댐퍼의 연성을 향상시켜 횡변위 발생시 에너지 소산량을 증대시키고, 복원력을 증진시킨다.
아울러 충전재(113)가 3차원 강선 트러스(111)의 외부를 감싸고 있으므로, 횡변위 발생시 충전재(113)의 내부에서 강선에 미세 슬립(slip)이 발생하여 마찰에 의해 추가적인 감쇠 효과를 발휘할 수 있게 된다.
상기 충전재(113)는 실리콘 고무 등 합성수지재를 사용할 수 있다.
상기 실리콘 고무는 내열성, 내한성, 내약품성 등이 뛰어나 내구성이 우수하다.
상기 댐퍼 본체(11)의 상부와 하부에는 각각 상부플레이트(12)와 하부플레이트(13)가 결합된다.
상기 상부플레이트(12)와 하부플레이트(13)는 금속재 등으로 구성 가능하다.
본 발명 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼는 다음과 같은 순서로 제작 가능하다.
먼저, 도 2의 (a)와 같이, 연속된 강선을 3차원으로 직조한 3차원 강선 트러스(111)의 상부와 하부에 상부플레이트(12)와 하부플레이트(13)를 각각 결합한다.
그리고 도 2의 (b)와 같이, 상기 3차원 강선 트러스(111)의 외부에 몰드(2)를 설치하고, 내부에 충전재(113)를 주입한다.
마지막으로, 도 2의 (c)와 같이, 상기 충전재(113) 경화 후 몰드(2)를 탈형하여 합성 댐퍼(1)의 제작을 완료한다.
본 발명 합성 댐퍼(1)를 이용하여 보(3)와 기둥(4)을 포함하여 구성되는 기존 프레임을 보강할 수 있다.
즉, 도 3과 같이, 보(3)의 일측에 본 발명 합성 댐퍼(1)를 결합하고, 합성 댐퍼(1)에 브레이싱재(5)를 결합하여 기존 프레임을 보강할 수 있다.
또한, 도 4와 같이, 프레임의 내부에 보강벽체(6)를 설치하여 기존 프레임을 보강하고자 하는 경우에는 보강벽체(6)의 중간에 합성 댐퍼(1)를 설치하여 보강하는 것도 가능하다.
특히, 보강벽체(6)에 의하여 보강할 경우에는 횡방향 하중에 의한 전단력 뿐 아니라 수직 하중을 지지할 수 있어야 한다. 본 발명 합성 댐퍼(1)의 댐퍼 본체(11)는 3차원 강선 트러스(111)와 충전재(113)의 합성으로 축강성이 뛰어나 이러한 보강벽체(6)의 성능을 충분히 발휘할 수 있다.
상기 3차원 강선 트러스(111)는 상부플레이트(12) 및 하부플레이트(13)와 각각 용접에 의해 결합할 수 있다.
이와 같이, 상기 3차원 강선 트러스(111) 자체를 상부플레이트(12) 및 하부플레이트(13)와 용접에 의해 결합하면, 상하부플레이트(12, 13)의 횡방향 변위를 댐퍼 본체(11)로 직접 전달할 수 있을 뿐만 아니라 합성 댐퍼(1)가 인장 저항 성능을 보유할 수 있다.
특히, 기존 댐퍼는 회전 변위 발생시 플레이트가 댐퍼 본체(11)와 떨어져 감쇠 효과가 저하될 수 있다. 이와 달리 본 발명은 3차원 강선 트러스(111)가 복수의 지점에서 상하부플레이트(12, 13)와 용접 결합되므로, 상하부플레이트(12, 13)와 댐퍼 본체(11)의 들림 현상이 없다.
도 5는 납 코어가 구비된 합성 댐퍼를 도시하는 정면도이다.
도 5에 도시된 바와 같이, 상기 댐퍼 본체(11)의 중앙에는 납 코어(14)가 구비될 수 있다.
기존의 LRB(Lead Rubber Bearing) 면진 장치는 철판과 고무가 적층된 적층고무에 납 플러그(plug)를 주입시켜 제작되는 것으로, 상부 구조물의 고유주기를 길게 하여 상부 구조물에 유발되는 지진력의 크기를 줄이고자 하는 면진 받침의 일종이다.
이러한 LRB 면진 장치에 형성된 납 코어는 풍하중 등 낮은 수준의 진동은 초기 강성으로 제어한다. 그리고 지진시 발생하는 큰 수평력에 대해서는 납 코어의 소성 변형에 의해 에너지를 흡수하여 열 에너지로 변환함으로써 진동 에너지를 감쇠한다. 이에 따라 구조물에 발생할 수 있는 거동에 대하여 안정성을 확보한다.
그러나 기존의 LRB 면진 장치는 설계 변위를 초과하거나 면진 장치에 들림이 발생할 경우 저항 성능이 전혀 없는 단점이 있다.
또한, 횡강성과 축강성은 각각 납 코어와 적층고무가 담당하는 것으로, 적층고무의 철판은 단순히 수직 하중에 대해 저항할 뿐 수평 하중에 대해서는 횡강성을 전혀 갖지 않는다.
따라서 본 발명에서는 기존 LRB 면진 장치에서 적층고무를 대신하여 3차원 강선 트러스(111)와 충전재(113)로 구성된 댐퍼 본체(11)를 사용함으로써, 합성 댐퍼(1) 전체가 횡강성을 갖도록 하여 감쇠 효과를 증가할 수 있도록 하였다. 이에 따라 횡하중이 과다한 경우에도 저항 성능을 유지할 수 있다.
아울러 지진 발생시 1차로 충전재(113), 2차로 납 코어(14), 3차로 3차원 강선 트러스(111)가 하중을 부담하여 다단으로 면진 거동이 가능하다.
상기 합성 댐퍼(1)의 상하부플레이트(12, 13)는 3차원 강선 트러스(111)에 의해 고정되어 있으므로, 댐퍼 본체(11)와 상하부플레이트(12, 13)의 접합 면에서 횡강성을 보유하며, 상하부플레이트(12, 13)의 들림을 방지할 수 있다.
도 6은 스토퍼가 구비된 합성 댐퍼를 도시하는 정면도이다.
도 6에 도시된 바와 같이, 상기 상부플레이트(12) 하부의 상기 댐퍼 본체(11) 양측에는 상부 스토퍼(15a)가 구비되고, 상기 하부플레이트(13) 상부의 상기 댐퍼 본체(11) 양측에는 상기 상부 스토퍼(15a)의 내측 또는 외측 위치에 하부 스토퍼(15b)가 상부 스토퍼(15a)와 이격되어 구비되도록 구성할 수 있다.
경우에 따라 횡하중이 과다하게 작용할 경우에는 댐퍼의 설계 횡변위를 초과할 수 있다.
따라서 댐퍼 본체(11)의 좌우에 스토퍼(15a, 15b)를 설치하여 합성 댐퍼(1)의 손상을 방지함과 동시에 구조물의 과다한 변위를 방지할 수 있도록 하였다.
이 경우 횡하중 발생시에는 1차적으로 댐퍼 본체(11)가 구조물의 횡변위를 제어한다. 그리고 설계강도 이상의 횡하중이 발생하면 2차적으로 스토퍼(15a, 15b)가 횡변위를 제어할 수 있다.
도 7은 댐핑바가 구비된 합성 댐퍼를 도시하는 단면도이고, 도 8은 댐핑바에 의한 합성 댐퍼의 거동을 도시하는 도면이며, 도 9는 댐핑바가 복수 열로 구비된 합성 댐퍼의 실시예를 도시하는 도면이다.
도 7, 도 8 등에 도시된 바와 같이, 상기 상부플레이트(12)의 하부와 하부플레이트(13)의 상부에는 댐퍼 본체(11)의 내부에 매립되는 댐핑바(16)가 각각 구비될 수 있다.
상기 3차원 강선 트러스(111)와 충전재(113)로 구성되는 댐퍼 본체(11)만으로는 횡방향 강성이 다소 약하여 초기 변형이 커지는 경우가 발생할 수 있다.
따라서 상기 합성 댐퍼(1)의 상하부플레이트(12, 13) 내측에 댐핑바(16)를 결합하여, 댐핑바(16)가 3차원 강선 트러스(111)의 다공부(112) 내에 삽입된 후 다공부(112)를 채우는 충전재(113) 내부에 매립되도록 구성할 수 있다.
도 7, 도 8의 (a)에 도시된 바와 같이, 상기 댐핑바(16)는 상하부플레이트(12, 13)에 캔틸레버 형식으로 결합되어, 초기 변형에 대해서는 캔틸레버 강성에 의해 저항하도록 구성할 수 있다.
이 경우, 초기 작은 규모의 횡하중에 대해서는 댐핑바(16)가 구비된 댐퍼 본체(11)의 상하부는 강성이 커 거동하지 않는다. 그리고 댐퍼 본체(11)의 중앙 부분에만 횡변위가 발생한다(θ1).
또한, 상하부 댐핑바(16)에 의해 댐핑바(16) 사이의 댐퍼 본체(11) 높이가 작아지므로, 초기 횡방향 강성이 증가된다.
횡하중이 더 커지면, 도 8의 (b)와 같이 댐핑바(16)가 포함된 댐퍼 본체(11)는 상하부에 휨 변형을 일으키면서 에너지가 소산된다(θ3).
이때, 상기 댐퍼 본체(11)의 중앙에는 추가로 횡변위가 발생한다(θ1+2).
뿐만 아니라 상기 댐핑바(16)의 휨 변형시 댐핑바(16)와 충전재(113) 사이에서 슬립(slip)이 발생하면서 추가적인 에너지 소산 능력을 발휘할 수 있다.
즉, 작은 규모의 횡하중에 대해서는 상하부 댐핑바(16) 사이의 댐퍼 본체(11)가 저항하고, 중규모 이상의 횡하중에 대해서는 상하부의 댐핑바(16)와 댐퍼 본체(11)가 같이 복합적으로 거동하여 에너지 흡수 및 감쇠가 일어난다.
따라서 초기 변형을 줄이면서도 횡하중의 강도에 따라 단계별 대응이 가능하다.
상기 댐핑바(16)는 요구되는 설계 강성, 댐퍼 본체(11)의 다공부(112) 크기 등을 고려하여 환봉 형태 또는 평철(Flat bar) 형태 등을 사용 가능하다. 그러나 일정 규모 이상의 횡하중에 대해 변형이 용이하도록 댐퍼 본체(11)의 폭 방향으로 배치되는 평철을 사용하는 것이 바람직하다.
상기 댐핑바(16)는 합성 댐퍼(1)의 길이 방향을 따라 복수 개가 상호 이격되도록 배치될 수 있다.
도 9에 도시된 바와 같이, 상기 댐핑바(16)는 댐퍼 본체(11)의 폭, 초기 설계 강성 등에 따라 합성 댐퍼(1)의 폭 방향을 따라 상호 이격되도록 복수 열로 배치될 수도 있다.
1: 합성 댐퍼 11: 댐퍼 본체
111: 3차원 강선 트러스 112: 다공부
113: 충전재 12: 상부플레이트
13: 하부플레이트 14: 납 코어
15a: 상부 스토퍼 15b: 하부 스토퍼
16: 댐핑바 2: 몰드
3: 보 4: 기둥
5: 브레이싱재 6: 보강벽체

Claims (5)

  1. 연속 강선을 3차원으로 직조하여 내부에 다공부(112)가 형성된 3차원 강선 트러스(111)와 상기 3차원 강선 트러스(111)의 다공부(112)에 충전되고 외부를 감싸도록 구비되는 합성수지 충전재(113)로 구성되는 댐퍼 본체(11); 및
    상기 댐퍼 본체(11)의 상하부에 각각 결합되는 상부플레이트(12)와 하부플레이트(13); 로 구성되는 것을 특징으로 하는 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼.
  2. 제1항에서,
    상기 3차원 강선 트러스(111)는 상부플레이트(12) 및 하부플레이트(13)와 각각 용접에 의해 결합되는 것을 특징으로 하는 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼.
  3. 제2항에서,
    상기 댐퍼 본체(11)의 중앙에는 납 코어(14)가 구비되는 것을 특징으로 하는 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼.
  4. 제1항에서,
    상기 상부플레이트(12) 하부의 상기 댐퍼 본체(11) 양측에는 상부 스토퍼(15a)가 구비되고,
    상기 하부플레이트(13) 상부의 상기 댐퍼 본체(11) 양측에는 상기 상부 스토퍼(15a)의 내측 또는 외측 위치에 하부 스토퍼(15b)가 상부 스토퍼(15a)와 이격되도록 구비되는 것을 특징으로 하는 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼.
  5. 제1항에서,
    상기 상부플레이트(12)의 하부와 하부플레이트(13)의 상부에는 댐퍼 본체(11)의 내부에 매립되는 댐핑바(16)가 각각 구비되는 것을 특징으로 하는 3차원 강선 트러스를 이용한 합성 댐퍼.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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CN111634249A (zh) * 2020-06-16 2020-09-08 重庆广播电视大学重庆工商职业学院 一种基于三维点阵材料的汽车保险杠

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