인장 소자가 장착된 셀프-센터링 에너지 소산형 브레이스장치

정상 하중 조건하에서 구조물의 디자인은 강도(strength), 경도(stiffness) 및 안정성(stability)을 주어 편리성(Serviceability) 및 최종 강도 요구성(ultimate strength requirements)을 그 목표로 하고 있지만, 최근 지진과 돌풍 하중(blast load)과 같은 극단 하중 조건을 효과적이고 안전하게 견디도록 근본적으로 다른 방식의 연구가 이루어져야 한다. 특히 만약 이러한 디자인 철학의 결과로, 탄력 성능(ductility capacity)이 이 시스템에서 제공되지 않는다면, 그러한 하중 조건에서 선형 탄성 반응을 위한 구조물를 디자인하는데 잠재적으로 불안전할뿐만 아니라 경제적으로도 실행 불가능하다. 이것은 구조물에 유발된 진동력(seismic force)을 제한하는, 항복 시스템(yielding system)의 비선형 동작(nonlinear behavior)이 매우 바람직한 특징임을 암시한다. 항복 시스템에서, 이력항복(hysteretic yielding)(비탄력적 변형: inelastic deformation)을 통한 사이클당 소산된 에너지는 일반적으로 구조적 손상과 관계된다. 그러한 항복 시스템은 그 구조물을 매우 많이 손상시키고 수리비용을 증가시킬 수 있는 잔여 변형(residual deformation)을 받을 것으로 예상된다. 이것은 극단 하중 조건에 잇따르는 해결하지 못한 채 남아있는 중요한 문제를 일으킨다: 특정 수준의 비탄성 변형을 받는 구조물이 여전히 전과 동일한 수준의 보호를 할수 있을까? 모든 항복된 소자(yielded element)들을 교체하여야만 할까? 항복이 일어난 모든 위치의 재료들의 상태를 평가하여야만 할까? 대중들은 주로 최근 지진 코드에 따라 디자인된 구조물은, 예를 들어 구조적 수선이 적거나 거의 없을 것이고 지진 후에 최소 분열 시간만이 남을 것이라고 강한 믿음을 갖는다. 지진 공학에서 현재 연구적 노력은 구조물의 소정의 소자들의 안정한 이력 반응을 달성하려고 하는 이러한 철학을 여전히 신봉하고 있다. 그러므로 구조적 손상과 잔여 변형은 디자인 정도의 지진하에 있을 것으로 예상된다. 예를 들어, 종래의 스틸 브레이스 프레임은 일차적으로 큰 지진시 삶의 안전성을 확보하는데 우선적으로 디자인된다. 그들은 브레이스 인장 항복(brace tension yielding) 및 브레이스 압축 버클링(brace compression buckling)의 반복 사이클로 인하여 지진후 큰 손상을 입을 것으로 예상된다. 게다가, 이러한 소자들에 발생한 손상의 직접적인 결과로서, 전체 빌딩의 최종 상태는 수직이 아닐 것이다. 다른 종래 스틸, 보강 콘크리트, 석수(masonry) 및 목재 구조 시스템(모멘트-저항 프레임, 벽, 등)에서 유사한 반응이 또한 예상된다. 좋지 못한 구조적 성능(structual performance)은 또한 건축적 구성 요소(architectural component), 빌딩 서비스 또는 빌딩 컨덴츠와 같은 빌딩의 작동적 및 기능적 구성요소에 손상을 일으킨다. 구조적 및 비구조적 손상 모두 빌딩의 거주자의 안전성 및 보호에 나쁜 영향을 줄 수 있으며 빌딩 가동을 방해할 수 있다. 이러한 실체는 수리비용 및 큰 지진후 잇따르는 분열시간으로 야기된 비용에 대한 것으로서 중요한 영향력을 갖는다. 지진 후 구조적으로 건전한 것으로 발견된 구조물이 만약 회복비용이 상승하거나 또는 거주자들에게 불안전한 것으로 나타난다면 비난받을 수도 있다. 점점더, 큰 지진 후 그들의 구조물의 예상 상태를 직면하게되는 지진 위험 지역의 구조물의 소유자들은 때때로 직접적으로 더 높은 성능 시스템을 실행하는 것을 선택한다. 게다가, 보험회사들은 또한 예산 손해비용을 근거로 그들의 프리미엄을 점점 더 높게 산정하고 있으며, 이러한 추가적인 인센티브와 함께, 새로운 또는 기존의 구조물들의 높은 성능 시스템을 채택할 소유자의 수가 증가할 것이다. 지진 성능을 개선하기 위하여 사용된 특정 댐퍼(damper)에 대한 현재 첨단 기술은 이력(항복), 마찰(friction), 점성 감쇠(viscously), 점탄성(viscoelastic) 시스템이나 형태 기억 합금(shape memory alloy)으로 주로 구성되어 있다. 상기 이력(항복) 시스템은 반복적인 비탄성 변형을 받도록 디자인된 다양한 이력 반응을 나타내는 소자들로 이루어져 있다. 그러한 시스템의 일차적 부류는 버클링 억제 브레이스와 같은 항복 시스템 또는 항복 스틸 플레이트를 의미한다. 항복 시스템은 아시아 및 북아메리카에서 수많은 프로젝트에서 성공적으로 시행되어왔다. 그러한 시스템의 이차적 부류는 마찰력 시스템으로, 가장 인기있는 것중 하나는 폴 시스템(Pall system)이다. 이 시스템은 과거 15년 동안 수많은 구조물에서 시행되어 왔다. 이들 두 가지 시스템중 어느 것도 셀프-센터링 성질을 나타내지 않아, 지진 그리고 다른 심각하거나 극단적인 하중을 받는 구조물 전체 성능에 부정적 영향을 줄 수 있어 영구적 변형을 일으킨다는 것에 주목하여야 한다. 점성 시스템(viscous system)은 속도 의존 힘(velocity dependent force)을 나타내는 장치이고 그 구조물의 감쇠(damping)를 증가시켜 지진 하중의 반응을 감소시키는 특정 장치이다. 점탄성 댐퍼는 또한 속도 의존 힘을 나타내어 추가적인 탄성 회복력을 평행하게 제공하면서 감쇠를 증가시킨다. 점성 및 점탄성 댐퍼를 장착한 구조물은 주요 구조 시스템이 부가된 하중을 견디기에 충분한 탄성 경도 및 강도를 제공할 것을 요구한다. 이들 장치는 상기 주요 구조적 소자가 비탄성적 변형을 받는다면 셀프-센터링 성질을 보장하지는 않는다. 형상 기억 합금은 일반적으로 변형되거나 특정 온도로 가열된 후 그 스스로 원래의 기하학적 구조를 회복하는 금속이다. 형상 기억 합금은 일반적으로 매우 전문적 생산능력(production capacity)을 제공하나 일반적으로 값비싼 재료이다. 오늘날까지, 셀프-센터링 동작은, 정교한 제조과정 및 형상 기억 합금재질이 필요한 복잡한 내부-연결 스프링 소자로 구성된 특정 댐퍼에 의해 주로 달성되어왔으나, 대부분 가격상승을 이유로 일반적인 구조물 설계에서는 금지되어 왔다. 발명의 명칭 "지진 에너지 소진을 위한 브레이싱 시스템에서 마찰력에 근거한 보충적 감쇠를 갖는 빌딩 구조물(Building structure with friction based supplementary damping in its bracing system for disspating seismic energy)"의 미국 특허 제5,819,484호(1998년 10월 13일 등록)에서, 카(Kar)는 마찰 스프링 에너지 소진 장치를 통해 재센터링(re-centering) 능력을 부여하는 브레이스 장치에 관하여 개시하고 있으나, 이는 장치에 부가된 인장과 압축을, 빌딩의 2 부분에 장착 가능한 장치의 2개의 말단부 사이의 스택(stack)에서 작용하는 압축으로 전환시킨다. 발명의 명칭이 "이력 감쇠 장치 및 방법(Hysteritic damping apparatus and methods)"(1998년 12월 1일 등록)인 미국 특허 제5,842,312호에서, 크룸(Krumme et al.,)은 에너지 소진을 시키는 형상 기억 합금으로 제조된 하나 이상의 인장 소자를 사용하는 감쇠 장치에 관하여 개시하고 있다. 그러나 크룸 등의 장치는 인장 소자에 의해 함께 연결된 2개의 상대적으로 움직이는 브레이스 부재를 포함하는 장치로서, 힘 하중 동안에 몇몇 인장 소자들이 관련되나, 감쇠 장치의 셀프-센터링 성질은 특정 비선형 재질 성질의 결과이며 탄성 구성 요소들 사이의 기계적 상호작용과는 관련이 없다. 이전의 논의들은 결과적으로 최적의 극단 하중 저항 시스템은 다음을 만족해야할 것을 제안한다: i) 심각하거나 극단적인 하중에 의해 상기 시스템에 부가된 힘을 제한하고, 입력 에너지를 소진시켜 변형을 제어하도록, 항복 구조물들의 비선형 특성들을 통합하며; ii) 지진 하중후에 원래의 위치로 회복하도록 하는 재-센터링 성질을 완성시켜 구조물의 수리 비용을 낮추고; iii) 주요 구조적 소자에 대한 손상의 발생을 최소화하여 수리 비용을 더 줄인다. 심각하거나 극단적인 하중의 최적 저항은 커다란 지진, 허리케인 등이 때때로 인구 밀집된 도시 지역에서 일어나는 경우 구조물의 성능 정도를 증가시키는 것이다. 이들 높은 성능의 소자들이 장착된 구조물들은 최소 손해, 줄어든 수리 비용 및 분열시간으로 극단 하중에 대해 더 나은 반응을 한다. 게다가, 이들 시스템들은 심각하거나 치명적인 사건 후에 바로 그리고 그 동안에 기능적으로 유지되어야만 하는 중요한 공장들의 매니저들과 소유자들뿐만 아니라 구역(local), 지역(provincial) 및 연방 정부 설비들에 매우 매력적일 수 있다.