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첨부참조

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최근 전 세계적으로 지진 발생 빈도와 규모가 증가하고 있는 추세이며, 2024년 1월 일본에서 발생한 이시카와현 지진의 경우 우리나라의 동해안 인군에서까지 해일이 관측될 정도였다. 특히, 2016년 경주(규모 5.8), 2017년 포항(규모 5.4)에 지진 발생으로 국민들의 지진피해에 대한 우려의 인식이 생겼으며, 관련 법제도들이 만들어지는 등 정부 차원에서의 노력도 지속되고 있다. 따라서 국내의 사회적 정황에 부합하는 본 적절한 형태의 지진 예방대책을 고려해 볼 필요가 있다. 본 발명에서는 많은 지진의 대항 방법 중에서도 댐퍼라는 지진의 진동에너지를 감소시키는 감쇠장치 개발한다. 댐퍼란 자동차에 있어서 범퍼가 차체보다 먼저 부서지며 자동차를 지키듯 건물보다 먼저 부서지게 설계된 가세프레임의 진동에너지를 소산 시켜주는 장치이다. 댐퍼는 어느 위치에 적용되는 지와 그 속에 어떤 부품이 들어가는지에 따라 많은 종류의 장치를 고안해 낼 수 있다. 때문에 댐퍼와 관련하여 많은 연구가 수행되었고 신소재들을 사용함으로써 더욱 성능이 향상된 댐퍼들이 고안되었다. 하지만 신소재를 사용한다는 것은 그만큼 경제성 측면에서 단점이 발생할 수 밖에 없으며 실재로 현장에서 사용되지 않은 만큼 신뢰성이 부족하다. 따라서 본 발명에서는 기존에 사용하고 있는 댐퍼들의 장점을 구조와 형태를 변경하여 경제성측면으로도, 기능적으로도 혁신적인 댐퍼를 제안한다. 기본적으로 타원 형태를 띄고 있는 타원형 휨댐퍼는 다음과 같은 방법으로 지진에너지를 소산한다. 이 방법은 재하중과 강재의 변형에 의한 방법이며 기존의 댐퍼와 규격을 크게 다르지 않게 하여 구조물에 적용하는 것에 상당히 용이하다.

판과 판 사이에 위치한 환태평양 조산대 부근 국가들은 끊임없은 지진 재난에 피해를 입어왔다. 지진 피해는 한 차례 본진과 수 차례 반복되는 여진에 의해 구성 되며 지진 에너지에 의한 인명피해, 재산의 손괴를 야기한다. 지진에너지에 의하여 구조물의 붕괴와 이에 따른 국가적인 손실은 국가의 발전과 고도화에 따라 나날이 증가하는 추세이다. 국내의 경우 환태평양 조산대에 위치하지 않았으나, 구조물의 고도화, 고층화, 다기능화에 따라 미약한 지진에도 구조물에 영향을 미칠 수 있으며 더욱이, 국내 구조물은 상당부분 노후화가 진행되어 있어 예상 지진 피해는 증가하고 있다. . 본 발명에서 제안하는 구조물 진동 감쇠 장치는 새로이 설계하는 구조물에 적용이 가능하며, 추가적으로 이미 건설된 구조물에도 장착이 가능한 제진 장치이다. 구조물 내진설계는 대표적으로 내진구조, 제진구조, 면진구조 세가지 형식이 통용되고 있으며, 내진 구조는 구조물 프레임자체의 강도와 강성을 증대시켜 지진 에너지를 버틸 수 있는 구조를 말하며, 제진 구조는 구조물에 입력되는 에너지를 소산시키는 장치를 장착하며 구조물의 안전성을 증대시키는 것을 말한다. 마지막으로 면진장치는 진동 운동을 하는 지면과 구조물를 박리시켜 지진에너지에 대한 에너지를 직접적으로 회피하는 구조를 말한다. 본연구에서 제한하는 진동 감쇠 장치는 앞서 언급한 제진 구조의 장치이며 효율적이며 경제적인 에너지 소산을 도모하고 나아가 현실직으로 국내 구조물에 적용이 가능한 장치이다. 본 발명에서 제안하는 구조물 진동 감쇠 장치는 경제적이며, 유지보수 또한 용이하여 최초 장착 이후 비교적 관리가 간단하여 추가적인 비용 발생 없이 구조물의 안전성을 증대시킨다.

과거에 우리나라는 ‘지진 안전국’이라고 불릴 정도로 지진에 대해 안전한 나라로인식 되어왔다. 하지만 최근 보도된 자료에 따르면 규모가 2.0이 넘는 지진이 최근 한달동안 10건이상 발생하여 더 이상 지진 안전국이라고 부르기 어려운 상황이 되었다. 이에 따라 정부에서는 지진에 대한 정책을 수립하고, 지진의 대응방법에 대한 많은 연구도 진행하였다. 그럼에도 불구하고 지진에 대한 시민들의 경각심은 부족한 실정이다. 이웃나라인 일본의 경우 최근 한 달간 3.0 이상의 지진이 수십 넘게 보고 되고 있으며, 이에 따른 피해도 속출하고 있다. 또한, 2010년에 아이티라는 국가에서 7.0 규모의 강진이 발생하여 수많은 피해가 발생하였다. 더 나아가 2021년에는 아직 전 지진에 대한 피해가 복구되지도 않은 상태에서 7.2의 강진을 맞이하여 국가의 결제적 피해가 발생하였다. 이러한 사례들은 우리나라 또한 지진에 대한 경각심을 갖고, 체계적인 예방 대책을 마련해야함을 시사한다. 본 발명은 지진 발생시 진동 에너지를 효과적으로 감쇠시키는 장치인 댐퍼를 개발하여 지진에 대항하도록 한다. 댐퍼란 기본적으로 자동차의 범퍼처럼 외부 충격시 구조물보다 먼저 손상되어 에너지를 흡수함으로써 구조물을 보해주는 장치이다. 구조물 내에 설치되어 지진에 의해 발생하는 진동 에너지를 흡수하고 소산시켜 손상을 줄이는 역할을 한다. 댐퍼는 설치위치, 사용재료, 구성부품에 따라 다양한 형태로 개발 될 수 있다. 이러한 댐퍼의 특성 덕분에 많은 연구가 진행되어 왔으며, 복잡한 구조나 신소재를 활용한 댐퍼들이 고안되어왔다. 하지만 이들 중 일부는 경제성 측면에서 한계가 있어 실제 현장에서 상용화되기 어렵고 이에 따라 신뢰성에도 제약이 있다. 따라서 본 발명에서는 기존 댐퍼들의 장점을 바탕으로 새로운 구조를 도입하여 경제성과 성능을 동시에 만족시키는 혁신적인 댐퍼를 제안한다.

지진과 같은 외부 동적 하중에 효과적으로 저항할 수 있는 구조 시스템의 개발은 구조물의 안정성과 생명, 재산 보호 측면에서 매우 중요한 기술적 과제로 대두되고 있다. 기존의 감쇠 장치는 대부분 선형 운동을 기반으로 하는 장치로, 지진의 불규칙하고 비선형적인 에너지에 대해 충분한 대응이 어려운 경우가 많았다. 또한 반복되는 지진 하중이나 잔류 변형 발생 시 유지보수 비용 증가 및 성능 저하라는 문제가 존재하였다. 이에 따라 내진, 제진, 면진의 복합 기능을 수행하며 반복 하중에 대한 감쇠 능력과 복원 성능을 동시에 갖춘 댐퍼 기술의 수요가 급증하고 있다. 따라서 구조적 효율성을 적용한 감쇠 능력과 복원 성능을 동시에 갖춘 SMA 댐퍼를 제안하고자 한다. 본 발명은 이러한 기술적 요구에 부응하여, 곡률 형상을 갖는 마찰형 감쇠 장치에 형상기억합금(SMA: Shape Memory Alloy)을 적용함으로써, 지진 발생 시 구조물에 전달되는 에너지를 효과적으로 흡수하고, 그 이후에는 SMA의 초탄성 및 형상 복원 기능을 통해 구조물의 원상 복귀를 유도할 수 있도록 한 댐퍼 구조이다. 이 장치는 곡률이 부여된 마찰 접촉면과 이를 따라 이동하는 마찰 볼트를 포함한다. 구조물에 지진 하중이 작용하면, 곡률 형상을 따라 볼트가 이동하며 마찰력에 의해 운동 에너지가 열에너지로 전환되어 에너지가 소산된다. 이 때, 곡률로 인해 비선형 응력 분포가 유도되며, 다양한 규모의 지진 에너지에 대응 가능한 다단계 감쇠 효과를 얻을 수 있다. 또한 SMA 재료가 구조에 적용되어 있어, 마찰 접촉면에서 소산된 이후 변형된 구조는 SMA의 형상기억 효과에 의해 원래의 형상으로 회복되며 구조물 전체의 복원력을 증가시킨다. 이 발명은 곡률 구조의 비선형성, 마찰 감쇠 메커니즘, 그리고 SMA 기반 복원 기능이 결합된 하이브리드 구조로, 기존의 단순 감쇠 장치와 차별화되는 고성능 스마트 댐퍼이다. 공간 효율성, 설치의 유연성, 유지관리의 편의성 측면에서도 우수하며, 특히 대형 플랜트 구조물이나 고층 건물, 중요 인프라 구조물에 최적화된 솔루션이 될 수 있다. 또한, 본 발명은 구조적 충격 저항성과 내구성 향상은 물론, 장기적 유지관리 비용 절감이라는 실질적 경제성을 갖추고 있어, 향후 내진 설계가 요구되는 다양한 건설 산업군에서 높은 실용성과 시장성을 가질 것으로 기대된다.

지진의 강도와 발생 빈도가 증가함에 따라 건축물의 안정성을 확보하기 위한 내진 기술 개발이 중요해지고 있다. 특히 최근 몇 년간 터키, 일본, 뉴질랜드 등 지진 다발 지역에 발생한 대규모 지진은 구조물의 안정성을 높이고 피해를 최소화할 수 있는 혁신적인 기술의 필요성을 강조하고 있다. 이러한 상황에서 내진 댐퍼 기술은 지진 에너지를 흡수하고 구조물의 변형을 최소화하는 것에 효과적인 대안이다. 본 발명에서 제안하는 S자 형 강판 댐퍼 장치에 형상 기억 합금 소재인 SMA를 적용하여 에너지 소산 능력과 중심 복원 능력을 동시에 향상시킨 내진 댐퍼이다. 일반적인 댐퍼는 달리 중량, 에너지 흡수 및 장기 내구성 측면에서 한계성을 보인다. 따라서 구조적 효율성을 결합한 기술인 SMA 적용 S자형 강판 지능형 댐퍼를 제안하고자 한다. 본 발명은 형상 기업합금(SMA)를 적용한 S자형 강판 지능형 댐퍼를 통해 구조물의 내진 성능을 극대화 하는 것을 목적으로 한다. S자형 댐퍼는 S자형 플레이트 강판이 구성되어 제작, 설치, 점검 및 교체가 용이한 구조의 형상을 가진다. 본 발명에서 S자형 댐퍼 통해 작은 변위에서의 변형은 플랙서럴 변형을 통해 에너지를 흡수하며, 큰 변위에서는 변형이 플렉서럴에서 인장 변형으로 전환되며 구조의 강성과 강도를 크게 향상시킨다. SMA 소재 적용을 통해 초탄성과 형상 기억 효과를 통해 댐퍼의 성능을 극대화하며, 잔류 변형을 최소화 하고 지진 후 구조물을 신속히 복구할 수 있는 특성을 제공하여 높은 감쇠 성능을 제공할 것이다. S자형 구조 강판 댐퍼에 SMA를 통합한다면 S자형 댐퍼가 가진 고유한 복합 변형 특성을 통해 큰 변위에서 안정적인 강성과 강도를 유지하며, SMA가 가진 초탄성과 형상 기역효과를 통해 지진에 대해 효과적인 대응이 가능하다. 이는 지진이 발생할 경우 효율적인 에너지 소산과, 복구 용이성으로 인하여 대규모 교체 공사 및 수리 비용을 절감하여 경제적인 부분의 손해를 줄일 수 있을 것으로 예상된다.

지난 튀르키예에 발생한 지진은 말그대로 전지구적인 재앙이다. 상당히 많은 인적 물적 피해를 낳은 지진은 내진설계와 같은 기술이 적용될 경우 그 피해를 기하급수적으로 줄일 수 있게 된다. 따라서 본 발명에서는 이러한 지진을 막을 수 있는 에너지 소산형 댐퍼를 제안한다. 본 발명에서는 많은 지진의 대항 방법 중에서도 댐퍼라는 지진의 진동에너지를 감소시키는 감쇠장치 개발한다. 댐퍼란 자동차에 있어서 범퍼가 차체보다 먼저 부서지며 자동차를 지키듯 건물보다 먼저 부서지게 설계된 가세프레임의 진동에너지를 소산 시켜주는 장치이다. 댐퍼는 어느 위치에 적용되는 지와 그 속에 어떤 부품이 들어가는지에 따라 많은 종류의 장치를 고안해 낼 수 있다. 이번 발명은 강재의 항복메커니즘을 사용하는 회전형식의 댐퍼를 제안한다. 조립형식으로 되어 있는 에너지소산형 댐퍼는 지진이후 댐퍼가 손상될 시 손상된 부품만을 교체함으로써 물적 손상도 줄일 수 있다. 에너지 소산 댐퍼에서 에너지소산은 힘-변위 거동의 폐합면적을 의미한다. 따라서 연성거동이 뛰어난 강재의 항복을 활용한 강재댐퍼, 고무 같은 재료의 탄성력을 이용한 탄성댐퍼, 유체의 반발력 및 마찰열을 이용한 점성댐퍼, 붙어있는 물체간의 마찰력을 이용한 마찰댐퍼 등 다양한 메커니즘으로 에너지를 소산하는 것이 댐퍼이다. 본 연구에서는 강재댐퍼를 제안하는데 강재의 항복 메커니즘을 따르지만 항복의 방식이 인장력이 아닌 회전, 전단을 이용한다.

차세대 국가로 거듭남과 동시에 도시 플랫폼의 다기능화가 촉진되고있다. 기존 대한민국 도시의 기능을 벗어나 클러스터형태로 거듭난 차세대 도시는 유기적으로 기능이 얽혀있다. 그러므로 미래도시에서 구조물의 붕괴나 기능 정지는 도시 전체의 기능 정지로 이어진다. 본 발명의 주안점은 구조물에 기능을 정지시키는 진동으로의 최종붕괴를 예방 및 방지하여 도시플랫폼 기능의 유지이다. 여기서 진동이랑 바람이나 지진동에 의한 구조물 횡 하중 뿐만 아닌 기계진동, 생활진동, 활동진동 등 전체적인 구조물과 지반 사이에 횡 하중을 지칭한다. 구조물의 진동을 저감하기 위한 방법으로는 구조물 프레임 자체를 보강하는 내진구조, 지반과 구조물을 격리 및 박리시키는 면진구조, 구조물에 입력되는 진동하중을 감쇠시키는 제진구조가 있으며 본 발명에서는 경제적이며 시공적인 간편함이있는 제진구조의 지능형 감쇠를 구조물에 부착하는 것으로 진행한다.