1. 서 론

지진은 현대과학으로도 언제 어디서 발생할지 모르는 자연재해로 지각판의 경계에서 대부분이 발생한다는 정도만의 정보가 있다. 대한민국도 태평양 불의 고리라고 불리우는 경계 인근에 위치하여 지진에 대해 안전하다고 할 수 없는 국가이다. 이에 따라 국내에서 지진이 방출하는 에너지에 대흥하기 위한 많은 내진설계 관련 연구, 적용이 진행되었으며 관련 법령도 상당량 변경되어 왔다.

지진에너지에 대응하기 위한 내진설계 기술은 구조물의 강성을 높이는 내진구조, 댐퍼같은 장치로 지진에너지를 소산시키는 제진구조, 면진받침같은 장치로 구조물과 지반의 진동수를 변경시키는 면진구조 등 3가지를 대표로 한다^{(Wilkinson et al., 2006; Buckle and Mayes, 1990)}. 이때, 내진구조와 면진구조는 구조물을 새로이 증축할 때에는 용이할 수 있지만 구조물을 내진 보강하는 데에는 많은 비용이 들게 된다. 따라서 구조물의 보수보강에도 용이하며 에너지를 소산함으로써 구조물을 안전하게 보호할 수 있는 제진구조가 많이 사용되고 이와 관련된 연구도 진행되고 있다. 대표적으로 제진구조에 사용되는 댐퍼의 종류로는 마찰댐퍼, 강재댐퍼, 점탄성댐퍼, 점성댐퍼가 있다^{(Gagnon et al., 2020; Javanmardi et al., 2020)}. 최근들어 신소재를 건설업에 적용하고자 하는 연구가 다량 진행되어 새로운 댐퍼가 많이 개발되었다^{(Lee et al., 2016; Tanaka et al., 2003)}. 대표적으로 건설업 관련 연구에 적용되는 신소재의 종류로는 폴리우레탄과 같은 복합재, 형상기억합금 등의 각종 합금류가 포함된다. 특히나 초탄성 형상기억합금(Super elastic Shape Memory alloy, SSMA)의 경우 상온에서도 자동복원 효과를 나타내기 많은 연구에서 활용되고 있다^{(Kim et al., 2023; Qiu et al., 2020)}.

따라서 본 연구에서는 SSMA와 마찰댐퍼와 강재댐퍼의 에너지소산 메커니즘을 합침으로써 자동복원이 가능하며 성능은 향상된 자동복원 마찰슬릿댐퍼에 대해 연구하였다. 자동복원 마찰슬릿댐퍼는 대표적인 강재댐퍼인 슬릿댐퍼의 형상을 띄고 있지만 일체형이 아닌 모듈형으로 설계되어 마찰용 볼트를 적용시킬 수 있고 이로인해 마찰을 발생시킬 수 있다. 따라서 항복과 마찰 두가지 메커니즘을 통해 지진으로부터 발생된 에너지를 소산할 수 있도록 하며 자동복원까지 가능하여 이 항복 메커니즘을 반영구적으로 나타낼 수 있다. 이러한 자동복원 마찰슬릿댐퍼에 대한 유한요소해석을 수행함으로써 거동 특성을 분석하였다.

2. 자동복원 마찰슬릿댐퍼의 설계

2.1 자동복원 마찰슬릿댐퍼의 이론적 개념 적립

본 연구에서는 혁신적인 구조를 가진 마찰슬릿댐퍼를 개발하는 동시에 SSMA를 적용하여 자동복원까지 가능한 자동복원 마찰슬릿댐퍼를 제안한다. Fig. 1은 기존에 사용하던 슬릿댐퍼와 본 연구의 자동복원 마찰슬릿댐퍼의 조립도를 나타낸 그림이다. Fig. 1(b)를 보면 알 수 있듯 자동복원 마찰슬릿댐퍼는 스트럿(Strut), 연결판(Connect Plate), 마찰볼트(Friction Bolt)라는 세가지 주요 부품으로 완성된다. 연결판에는 상단과 하단에 볼트용 구멍이 천공되어 있고 여기에 요구되는 하중만큼의 스트럿을 준비하여 1단의 볼트용 구멍에 마찰볼트로 고정한다. 또한, 나머지 1단의 볼트용 구멍에 구조물과 연결시켜 구조물에 적용할 수 있도록한다. 이와 반대로 일체화된 강재로 제작된 일반적인 슬릿댐퍼는 여러 강재 스트럿 중 하나가 파손되면 슬릿댐퍼 전체를 변경해야 하는 문제가 있다. 하지만 자동복원 마찰슬릿댐퍼는 하나의 스트럿이 파괴되면 하나의 부품만을 교체하여 경제적인 이점을 취할 수 있다.

Fig. 1. Shape of Automatic Restoration Friction Slit Damper. (a) General Slit Damper, (b) Automatic Restorationfriction Slit Damper

Fig. 2는 일반적인 슬릿댐퍼와 자동복원 마찰슬릿댐퍼의 형상과 하중이 적용되었을 때의 형상이다. 일반적으로 슬릿댐퍼는 지진이 발생하였을 때 전단변위에 의한 소성 변형을 통해 지진에너지를 소산한다. 이는 일체된 강재로 스트럿 부분과 연결부가 고정연결로 되어 나타나는 양상이다(Fig. 2(a)). 하지만 Fig. 2(b)에서 보면 알 수 있듯 자동복원 마찰댐퍼는 스트럿과 연결판이 마찰볼트에 의한 마찰접합으로 하중 발생 시 마찰력, 전단력, 인장력이 동시에 발생하게 된다. 이때, 자동복원 마찰슬릿댐퍼의 인장력과 전단력은 마찰볼트에 적용된 볼트 체결력에 의해 변경될 수 있다. 볼트 체결력이 커질수록 스트럿과 연결판은 고정 연결에 가까워져 전단력이 커지며 체결력이 작아질수록 핀연결에 가까워져 인장력이 더욱 커지게 된다.

Fig. 2. Shape of Damper before and after Load Application. (a) Shape of Damper before Load Application, (b) Shape of Damper after Load Application and Generated Load

2.2 자동복원 마찰슬릿댐퍼의 설계

자동복원 마찰슬릿댐퍼는 앞서 언급한 바와 같이 한 방향으로 하중이 가해지면 전단, 인장, 마찰 등 다양한 에너지소산 메커니즘이 일어난다. 이때, Fig. 3(a)에서 스트럿은 폭이 30 mm인 것을 볼 수 있는데 가운데 부분은 인장과 전단이 동시에 일어나기 때문에 연결판과 연결되는 부분이 파단될 수 있다. 따라서 가운데 부분의 폭이 30 mm가 아니라 얇게 설정하였고 이 폭을 W로 칭하여 본 연구의 변수로 선택하였다. 또한, 스트럿에는 마찰볼트를 통해 연결판과 연결되기 위한 구멍이 형성되어 있다. 이 구멍은 30 mm로 M30볼트가 사용된다고 가정하며 ^{KS B 1010: 2022} 규격에 따라 492.5 kN의 체결력이 적용된다. Fig. 3(d)는 본 연구의 자동복원 마찰슬릿댐퍼의 대조군인 일반적인 슬릿댐퍼의 제원이며 이 슬릿댐퍼에서도 스트럿과 같이 W가 적용된다.

Fig. 3. Drawings and Dimensions of Damper Components. (a) Strut, (b) Connect Plate, (c) Friction Bolt, (d) Slit Damper

Table 1. Case ID of Automatic Restoration Friction Slit Damper

Case ID	Variable
	Material	Bolt Load (kN)	Width, W (mm)
S25	Gr.50	0	25
S15	Gr.50	0	15
FS25	Gr.50	492.5	25
FS15	Gr.50	492.5	15
EFS25	Gr.50	738.75	25
EFS15	Gr.50	738.75	15
RS25	SSMA	0	25
RS15	SSMA	0	15
RFS25	SSMA	492.5	25
RFS15	SSMA	492.5	15
REFS25	SSMA	738.75	25
REFS15	SSMA	738.75	15

Table 1은 본 연구에서 3가지 변수에 따라 유한요소해석을 수행한 댐퍼의 Case ID이다. 이 변수는 SSMA, Gr.50강재로 구성된 재료, ^{KS B 1010: 2022} 규격에 따라 492.5 kN, 그의 1.5배인 738.75 kN, 0 kN로 구성된 볼트의 체결력, 25 mm, 15 mm로 구성된 스트럿의 두께인 W이다. 이때 볼트 체결력이 없는 0 kN의 댐퍼들은 일반 슬릿댐퍼 형상을 갖는다. Case ID에서 S는 Slit의 약자이며 F는 마찰(Friction), E는 추가(Extra), R은 복원(Restoration)을 의미한다. 가장 기본적인 S는 Gr.50 강재로 이루어진 일반적인 슬릿댐퍼이며 여기에 F가 붙는다면 492.5 kN의 볼트 체결력이 적용된 마찰슬릿댐퍼의 형태가 되고 E가 붙으면 추가 체결력이 적용된 댐퍼, R이 붙게 되면 재료가 SSMA인 댐퍼가 된다. 그리고 W가 25 mm이면 댐퍼명 뒤에 25, 15 mm면 댐퍼명 뒤에 15를 붙여 Case ID를 부여한다. 예를 들어 SSMA 재료에 마찰슬릿댐퍼 형태를 갖고 체결력이 738.75 kN, W가 25 mm인 댐퍼의 Case ID는 REFS25이다.

Fig. 4는 본 연구에서 자동복원 마찰슬릿댐퍼의 유한요소해석을 수행할 때 사용하기 위해 설계한 로딩 프로토콜이다. 본 연구의 댐퍼는 한 방향으로 거동하지만 인장과 압축이 아닌 전단 방향으로 거동하기 때문에 회전각에 따라 변위주기가 증가하는 SAC/BD-97/02 코드에 의거하여 로딩 프로토콜을 설계하였다^{(Clark, 2002)}. 0.01 rad씩 즉, 3.3 mm만큼씩 최종적으로 42.9 mm까지 거동시켜가며 자동복원 마찰슬릿댐퍼의 유한요소해석을 수행하고 거동을 확인하였다.

Fig. 4. Loading Protocol of Damper

3. 자동복원 마찰슬릿댐퍼의 유한요소해석

하중 주기를 설계한 이후 ABAQUS 프로그램을 활용하여 자동복원 마찰슬릿댐퍼에 대한 모델링을 수행하였다. 앞서 소개한 바와같이 자동복원 마찰슬릿댐퍼의 부품인 스트럿, 마찰볼트, 연결판에 대해 3차원 도형으로 모델링하고 각 부품에 물성을 입력하였다. 본 연구의 자동복원 마찰슬릿댐퍼의 비교군으로 사용되는 일반 슬릿댐퍼에 대해서도 이와 동일한 과정을 수행하였다. 이후 모델링한 부품들을 조합하고 Fig. 5와 같이 하중을 부여하였다. 이때, 고정조건으로 두 가지 댐퍼 모두 밑면의 x, y, z 방향을 고정하였고 윗면에는 설계된 로딩프로토콜 하중을 x 방향에 적용하였다. 이때, 일반적인 슬릿댐퍼는 하나의 개체로 이루어져 밑면을 고정시키면 댐퍼 전체가 고정되지만 본 연구의 자동복원 마찰슬릿댐퍼는 모듈화가 되어 있기 때문에 마찰볼트 및 스트럿에 대해서는 z 방향의 고정조건을 부여하였다. 메쉬 단계의 경우 모든 부품에 대해서 Structured Technique 기반의 육면체형태로 매쉬하였다. 육면체형태의 매쉬는 단순하고 안정적인 직육면체의 형태이기 때문에 본 연구에서 수행하는 많은 종류의 댐퍼에 대해 빠르고 신뢰도 높게 유한요소해석의 결과를 도출하게 도와준다.

Fig. 6은 Gr.50강재가 적용된 마찰슬릿댐퍼이며 Fig. 7은 SSMA가 적용된 자동복원 마찰슬릿댐퍼의 유한요소해석 이후 도출한 힘-변위 그래프이다. S25와 S15의 거동인 Fig. 6(a), (d)을 전형적인 슬릿댐퍼의 힘-변위 거동을 나타낸 것을 확인할 수 있다. 또한, FS25, FS15, EFS25, EFS15의 경우 슬릿댐퍼에 마찰볼트가 적용됨에 따라 그래프의 폐합면적이 방대하게 넓어지는 것을 확인할 수 있다. 이렇게 마찰에 의한 추가적인 에너지소산 거동은 EFS25, EFS15에서 더욱 크게 확인할 수 있으며 최대하중 또한 비약적으로 상승하는 것을 확인할 수 있다. 하지만 재료가 SSMA인 RS25, RS15의 경우 변위가 발생한 다음 자동적으로 복원이 되는 것을 확인할 수 있다. 이에 따라 그래프의 폐합면적이 좁아져 에너지를 소산하는 양이 적어지는 것을 유추할 수 있으나 댐퍼가 잔류변위없이 복원되어 반영구적으로 지속 가능할 것으로 기대된다. SSMA 재료와 마찰력이 적용된 RFS25와 RFS15는 완벽하게 댐퍼가 복 원되는 거동을 나타내지 않았다. 이는 스트럿과 연결판이 완벽한 고정 연결이 아니라 볼트에 의한 핀 연결로 인한 거동으로 확인되며 마찰볼트가 SSMA의 회복거동에 의해 부족한 에너지소산양을 크게 보강하는 것을 확인할 수 있다. 또한, REF25 및 REF15는 마찰볼트에 적용되는 볼트 체결력이 1.5배 강해졌기 때문에 스트럿, 연결판의 연결이 더욱 고정 연결에 가까워져 SSMA의 회복 거동이 더욱 강해지는 것을 확인할 수 있다. 강해진 회복거동을 통해 힘-변위 거동이 RS25, RS15와 비슷하게 나타나는 것을 확인할 수 있으며 그래프의 폐합면적을 보다 넓혀 댐퍼로서의 기능을 잘 수행할 수 있도록 하였다.

Fig. 5. Assembly and Mesh of Dampers

Fig. 6. Force-displacement Behavior of Friction Slit Damper. (a) S25, (b) FS25, (c) EFS25, (d) S15, (e) FS15, (f) EFS15

Fig. 7. Force-displacement Behavior of Automatic Restoring Friction Slit Damper. (a) RS25, (b) RFS25, (c) REFS25, (d) RS15, (e) RFS15, (f) REFS15

Fig. 8. Maximum Force of Automatic Restoring Friction Slit Damper. (a) Friction Slit Damper, (b) Automatic Restoring Friction Slit Damper

Fig. 9. Energy Dissipation of Automatic Restoring Friction Slit Damper. (a) Friction Slit Damper, (b) Automatic Restoring Friction Slit Damper

Fig. 8은 본 연구에서 유한요소해석을 수행한 자동복원 마찰슬릿댐퍼의 최대하중을 나타낸 그래프이며 Fig. 9는 에너지소산 양이다. 최대하중을 확인했을 때 재료가 변경됨에 따라 최대하중이 늘어나는 경향을 나타내며 대체적으로 W의 길이가 클수록 강재의 저항이 강해져 하중이 커지는 것을 확인할 수 있다. 또한, 마찰볼트가 적용됨에 따라 큰 하중 상승 효과를 볼 수 있는 것으로 나타났다. 이때, FS25는 78.46 kN이고 FS15는 77.88 kN, RFS25는 73.43 kN, RFS15는 73.83 kN으로 W가 카져도 최대하중 증가 폭이 크지 않는 것을 확인할 수 있다. 이는 마찰볼트가 파단될 위험성이 있어 자동복원 마찰슬릿댐퍼에 W를 적용하였기 때문에 전단과 인장 항복이 동시에 발생하여 발생된 현상으로 판단되었다. 하중성능 측면에서 가장 우수한 댐퍼는 EFS25로 114.19 kN의 하중성능을 나타내었다. 에너지소산 측면으로는 SSMA가 적용된 자동복원 마찰슬릿댐퍼가 초탄성 효과 때문에 Gr.50 적용 마찰슬릿댐퍼에 비해 상당히 적은 에너지를 소산한 것으로 나타났다. 또한, 자동복원 마찰슬릿댐퍼와 마찰슬릿댐퍼 모두 적용된 W가 클수록 소산하는 에너지양이 커지는 것을 확인할 수 있지만 자동복원 마찰슬릿댐퍼는 마찰볼트에 적용된 체결력이 커졌을 때 오히려 소산하는 에너지 양이 작아졌다. 이는 앞서 언급하였든 체결력이 너무 강해져 스트럿과 연결판이 고정연결에 가까운 연결이 되었기 때문으로 사료된다. 이를 통해 ^{KS B 1010 : 2022} 규격만큼의 체결력인 492.5 kN이 가장 적절한 것으로 판단되었다.

Table 2는 본 연구의 자동복원 마찰슬릿댐퍼의 복원력을 평가하기 위해 유한요소해석 최종변위에서 측정한 댐퍼의 잔류변위이다. SSMA가 적용된 자동복원 마찰슬릿댐퍼는 Gr.50 강재적용 마찰슬릿댐퍼에 비해 월등히 잔류변형이 줄어든 것을 확인할 수 있었다. 또한, 스트럿의 W가 25로 다소 두꺼운 댐퍼들이 W가 15인 댐퍼보다 다소 큰 잔류변형을 나타내는 경향이 나타났다. 특히 REFS25, REFS15를 비교했을 때 다른 댐퍼들에 비해 잔류변형이 큰 차이가 나타난 것을 확인할 수 있는데 이를 통해서 마찰볼트의 체결력에 따라 스트럿과 연결판의 고정상태가 변형됨을 증명하였다.

4. 결 론

본 연구에서는 강재의 전단 및 인장과 같은 항복 거동과 마찰 볼트의 마찰 거동에 의해 지진하중의 에너지를 소산하는 슬릿 댐퍼와 마찰 댐퍼의 개념을 결합하며 자동복원이 가능한 혁신적인 구조의 자동복원 마찰슬릿댐퍼에 대한 수치적 거동 특성 규명 연구를 수행하였다. 이를 위해 개념 정립을 통한 자동복원 마찰슬릿댐퍼의 에너지소산 시스템 정립, 자동복원 마찰슬릿댐퍼의 변수 설정, 로딩프로토콜 설계, 자동복원 마찰슬릿댐퍼의 상세설계 및 모델링, 자동복원 마찰슬릿댐퍼의 유한요소해석 및 해석결과 분석 순으로 연구가 진행되었다. 또한, 자동복원 마찰슬릿댐퍼 유한요소해석의 변수는 스트럿의 재료, 스트럿에 적용되는 W 2종류, 볼트 체결력의 크기 3개로 총 12가지 댐퍼에 대해서 유한요소해석을 수행하였다. 결과 분석 이후 도출한 결론은 다음과 같다.

Gr. 50 강재가 적용된 FS25, FS15, EFS25, EFS15 마찰슬릿댐퍼는 마찰볼트가 적용됨에 따라 S25, S15에 비해 최대 강도가 상승하였으며 소산하는 에너지의 양이 상당량 상승하였다. 또한, 마찰볼트의 축력이 더욱 커진 EFS25, EFS15는 추가적인 에너지소산 성능과 하중저항 성능을 보였고 이중 EFS25는 114.19 kN의 하중성능으로 S25보다 2배 이상의 하중성능이 향상되었다. SSMA가 적용된 자동복원 마찰슬릿댐퍼들은 하중 측면으로는 대체로 마찰슬릿댐퍼보다 뛰어난 성능을 보였지만 에너지소산측면으로는 상당히 저조한 성능을 나타냈다. 이는 자동적으로 변위를 회복하기 위한 거동특성 때문으로 판단되었다. 또한, RS25, RS15보다 RFS25, RFS15는 2배 이상 많은 에너지를 소산함으로써 마찰댐퍼과 슬릿댐퍼의 개념을 합친 본 연구의 자동복원 마찰슬릿댐퍼의 구조가 상당히 우수함을 증명하였다. 추후 연구로서는 해석적으로 파악된 자동복원 마찰슬릿댐퍼의 거동을 실험적으로 증명하고자 하며 본 연구의 댐퍼가 적용된 구조물에 지진하중을 가한 수치해석을 진행하여 정확한 성능평가를 수행하고자 한다.