이 현호
(Hyun-Ho Lee)
1)*
© The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
키워드
댐퍼, 스트럿 형상, 변위, 속도, 의존성
Key words
Damper, Strut type, Displacement, Velocity, Dependency
1. 서 론
2000년 이후 국내에서 널리 적용되고 있는 강재 댐퍼는 1970년대에 개발이 시작되어 현재까지 다양한 형태의 연구 및 결과물로 내진성능 향상을 위한
건축물에 널리 적용되어 왔다. 특히 중국 쓰촨성 (2008) 지진의 학교 시설 붕괴로 인 한 인명사고를 예방하기 위하여, 학교 등 공공건축물의 적용
사례가 지속적으로 증가되고 있다. 이러한 강재댐퍼는 경제 적이고, 시공이 편리한 장점 등이 많아 앞으로도 댐퍼 보강 수요가 지속적으로 유지될 전망이다.
그렇지만 지금까지의 수많은 적용 실적에도 불구하고, 실무적용에 따른 기초적인 정적성능 검토만 대부분 진행되고 있는 실정이다. 즉 강재 댐퍼의 스터럿
형상에 따른 내력 평가는 매우 부족하며, 지 진동이 발생했을 경우 구조물의 제진 거동에 중대한 영향을 미치는 강재 댐퍼의 각종 변위 및 속도 의존성에
대한 시험 적 연구도 매우 부족한 실정이다.
본 연구에서는 기존 연구결과 (Lee and Kim, 2011)를 근 거로 일반적으로 사용되고 있는 I형 스트럿 강재댐퍼와 에너 지 소산능력이 우수한 S형 스트럿 강재댐퍼의 변위 및 속도 의존성을 평가하는데
목적이 있다.
2. 의존성 평가 방법
구조물에 적용되는 제진장치는 기본특성 평가 시험, 프로 토타입 시험 및 양산을 위한 품질확보 시험 등이 필요하다. 기본특성평가에는 강도, 강성 및
에너지 소산 능력 등이 포 함되며, 프로토타입 시험에는 각종 의존성 평가가 시행된다. 국내에서 많이 적용되는 있는 미국 ASCE 7-10 (ASCE, 2010) 의 18.9절에는 설계할 건축물의 바람과 지진에 대한 만족도 시험을 규정하고 있다. 즉 주파수에 대한 반복 횟수를 평가 하여 안정성을 평가하는
규정을 제시하고 있는 것이다. 바람 의 경우 설계풍하중에서 예상되는 사이클 수 또는 2,000회 이상의 반복 사이클에 대하여 제진장치가 저항하여야
하며, 가력 주파수는 구조물 1차 주기의 역수를 적용하도록 규정 하고 있다. 또한 지진동의 반복 사이클에 대하여 최소 5회 이상 저항하여야 하며,
가력 주파수는 구조물에 예상되는 최 대 가능 지진에 대한 1차 주기의 역수를 적용하라고 기술하 고 있다.
일본면진구조협회 (Japan Society of Seismic Isolation, 2005) 에서 발행한 수동형제진구조 설계 및 시공매뉴얼에서는 각종 의존성 평가를 제시하고 있다. 이중 강재댐퍼의 경우 변위의 존성, 속도의존성 등을 평가하도록
규정하고 있다. 강재댐퍼 에 대한 변위의존성 시험에서는 변형률의 일정 비율에 대한 정변위 반복재하시험을 수행하여 최종 파괴시까지의 가력회 수, 누적
에너지 흡수량 등을 평가하여야 하며, 가력 변위가 증가할수록 조기 파단이 발생되는 경향이 있다고 기술하고 있다. 또한 속도의존성 시험에서는 건물의
동적특성을 고려 한 0.1 mm/sec~150 mm/sec의 속도에 대하여 정변위 반복 재하시험을 수행하여 최종 파괴시까지의 가력회수, 누적 에 너지
흡수량 등을 평가하여야 하며, 속도가 증가함에 따라 댐퍼의 항복 및 최대내력은 증가하고 피로 성능은 감소하는 것으로 평가된다고 기술하고 있다. 이상과
같이 미국과 일본 에서는 제진장치에 대한 의존성 평가 규정이 있지만 국내에 서는 지금까지의 댐퍼적용 사례에 비하여 관련 규정이 전무 한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 지진하중을 대상으로 강재댐퍼의 최대 5회 이상 이력거동 여부 및 누적에너지소산능력 등을 평가하고자 한다. 제진구조물에 적용되는
변위 및 속도의존 성은 적용 대상 구조물별 각각 이루어지므로 특정치를 규정 지울 수 없다. 본 연구에서는 범용적인 댐퍼 의존성 특성 평 가를 위하여
변위 의존성 변위는 설계 수준인 25mm 변위 및 예상 최대변위인 40mm 및 50mm를 변수로 선정하였다. 아 울러 속도 의존성은 항복 또는 최대
수준을 고려하여 40mm/sec, 50mm/sec, 60mm/sec의 3단계로 선정하였다.
3. 의존성 시험 및 평가
3.1. 시험 방법
3.1.1. 재료 시험
본 연구에 적용한 강재의 재료특성을 평가하기 위하여 SS 400 (Fy=240 MPa), 두께 12 mm의 시험시편을 3개 제작하 였으며, KS B
0801의 강재인장시험방법에 의거 성능시험을 실시하여 그 결과를 Table 1에 정리하였다. 여기서 Table 1 의 시험결과는 KOLAS 인증기관에서 평가한 결과이다. 그 결과 연신율이 42.5%로 평가되어 일본에서 강재 댐퍼 강재로 널리 사용되고 있는 저탄소
저항복강 LY 225 (Japan Society of Seismic Isolation, 2005)에서 요구하고 있는 40% 이상의 연신율을 만족하는 것으로 평가되었다.
Table 1.
|
No.
|
Fy (N/mm2)
|
Fu (N/mm2)
|
Es (N/mm2)
|
Elongation ratio (%)
|
|
Specimen 1
|
289
|
377
|
1.90×105
|
41.3
|
|
Specimen 2
|
275
|
364
|
1.84×105
|
43.5
|
|
Specimen 3
|
283
|
375
|
1.94×105
|
42.8
|
|
Average
|
282
|
372
|
1.89×105
|
42.5
|
|
LY 225 (Japan)
|
225±20
|
300~400
|
-
|
min. 40
|
강재시편의 항복강도는 LY 225의 항복강도 225±20 MPa 보다 다소 큰 282 MPa로 평가되었으며, 인장강도는 LY 255 에서 제시하고
있는 300~400 MPa의 범위에 있는 것으로 평 가되었다. 항복강도에 대한 인장강도의 비로 표시되는 항복 비를 LY 225의 경우 80%이하로
규정하고 있는데, 본 시험 에서는 76%로 평가되었다. 이상의 결과로부터 본 연구에서 사용한 SS 400 강종으로 구조용 제진 댐퍼를 적용하는 것은
문제가 없는 것으로 판단되며, 국내에서 생산되는 저항복강 이 없는 경우를 고려할 때 SS 400 강종이 좋은 대체 재료로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.
그렇지만 댐퍼 적용 이전 에 공인기관에서 강재의 재료 특성 평가시험을 실시하는 것 이 적절한 것으로 판단된다.
3.1.2. 시험체
본 연구에서는 기존 시험 결과를 근거로 I형 및 S형 스트 럿을 가지는 두께 12mm의 SS 400 강종을 대상으로 시험체 를 제작하였으며, 이력
특성 의존성을 평가하기 위하여 속도 및 변위의존성 평가를 실시하였다. 시험체 이름 및 시험변수 를 Table 2에 나타내었으며, 주파수 특성을 무시할 수 있도 록 0.1 mm/sec로 가력한 기본시험체 I (또는 S) 380+B, 변 위의존성 평가를 위하여
가력속도를 60 mm/sec로 일정하게 하고, 가력변위를 ±25mm, ±40mm, ±50mm로 설정한 I (또 는 S) 380+D 25_60, I
(또는 S) 380+D 40_60, I (또는 S) 380+D 50_60의 6개 시험체 및 가력 변위를 ±40mm로 일정 하게 하고 가력속도를 40mm/sec,
50mm/sec로 가력한 I (또 는 S) 380+V 40_40, I (또는 S) 380+V 40_50의 4개 시험 체로 총 12개의 시험체를 제작하였다.
시험체중 I (또는 S) 380+D 40_60는 I (또는 S) 380+V 40_60으로 이름을 변경 하여 속도의존성 평가에 적용하였다. 시험체 이름에서
380은 스트럿의 수직 높이 (mm)이며, 스트럿 폭은 30mm 이다. S 형 스트럿의 경우 스트럿 각도는 60°이며, 시험체 상세를 Fig. 1에 나타내었다.
Table 2.
|
Strut type
|
Name
|
Dependence type
|
Loading displacement mm
|
Loading velocity mm/sec
|
|
I
|
I380+B
|
Basic
|
±1,±3,±5,±7,±10~±100
|
0.1
|
|
I380+D25_60
|
±25 mm
|
60
|
|
I380+D40_60
|
Displacement dependence
|
±40 mm
|
60
|
|
I380+D50_60
|
±50 mm
|
60
|
|
I380+V40_40
|
Velocity dependence
|
±40 mm
|
40
|
|
I380+V40_50
|
±40 mm
|
50
|
|
S
|
S 380+B
|
Basic
|
±1,±3,±5,±7,±10~±100
|
0.1
|
|
S380+D25_60
|
±25 mm
|
60
|
|
S380+D40_60
|
Displacement dependence
|
±40 mm
|
60
|
|
S380+D50_60
|
±50 mm
|
60
|
|
S380+V40_40
|
Velocity dependence
|
±40 mm
|
40
|
|
S380+V40_50
|
±40 mm
|
50
|
3.1.3. 시험체 셋팅
댐퍼 의존성 평가를 위하여 시험체 스트럿을 수직으로 설 치하고, 댐퍼 상단을 수평 가력하였다, 가력장치는 시험체별 최대내력에 대하여 충분한 여유를
갖도록 500kN 용량의 유 압서보 엑츄에이터를 사용하였다. 기본 댐퍼 시험체인 I (또 는 S) 380+B의 가력방법은 Fig. 2와 같은 변위증분 반복이 력방식을 적용하여 시험체가 항복 후 파괴가 발생하여 더 이 상 하중에 저항하지 않는 순간까지 반복 가력 하였다.
3.2. 시험 결과 및 의존성 평가
3.2.1. 기본 시험체
기본 시험체인 I 380+B 및 S 380+B의 하중-변위곡선을 Fig. 3에 나타내었다. 이에 의하면 가력 변위는 엑츄에이터 최대 가능 스트로크인 130mm에 도달하였으며, 가력 변위가 점차 증가할수록 내력이 상승하는 일반적인
강재댐퍼의 거 동이 확인되었다. 이상의 결과를 정리한 즉 각 변위 가력 사 이클의 가력 하중 최대 이후만을 연결한 골격곡선 (skeleton curve)으로
강재댐퍼의 중요한 기본특성인 항복강도 및 변 위, 최대강도 및 변위, 초기탄성계수 (초기강성), 이차강성 및 강성비 (초기탄성계수/이차강성)를 산정하여,
Table 3에 I 380+B 시험체의 주요 특성을 정리하였다. 이에 의하면 항복 강도는 정방향 경우 22.86 kN으로 평가되었으며, 초기탄성 계수는 3.93
kN/mm, 이차강성은 0.47 kN/mm 및 강성비는 8.32로 평가되었다. 또한 Table 4에 S 380+B 시험체의 주요 특성을 나타내었는데, 정방향 경우 항복강도는 21.02 kN으 로 평가되었으며, 초기탄성계수는 3.49 kN/mm,
이차강성은 0.50 kN/mm 및 강성비는 6.99로 평가되었다. 이상의 결과 로부터 S형 스트럿을 가지는 댐퍼 시험체의 거동이 I형 스트 럿 댐퍼보다
스트럿이 길어 연성적이 거동이 가능함을 확인 할 수 있었다. 이러한 강재 댐퍼의 기본특성에 관한 자료는 댐퍼 설계 및 다양한 강재댐퍼 등의 설계 내력을
결정하는 중요한 요소이다. 그렇지만 국내의 경우 다양한 댐퍼 형상 및 폭-높이비에 대한 자료 등이 없어 이에 대한 자료 구축이 필요한 것으로 판단된다.
시험체의 최종파괴 사항을 Photo 1 에 나타내었는데, 스트럿의 상하단의 최종 파단에 의하여 파 괴됨을 확인할 수 있었다.
Fig. 3.
Load-displacement curve of I 380+B and S 380+B
Table 3.
Basic properties of I 380+B
|
Loading direction
|
Yield strength (kN)
|
Yield displacement (kN)
|
Initial elastic modulus (kN/mm)
|
Second stiffness (kN/mm)
|
Stiffness ratio
|
|
(+)cycle
|
22.86
|
5.81
|
3.93
|
0.47
|
8.32
|
|
(-)cycle
|
21.95
|
6.24
|
3.52
|
0.48
|
7.36
|
Table 4.
Basic properties of S 380+B
|
Loading direction
|
Yield strength (kN)
|
Yield displacement (kN)
|
Initial elastic modulus (kN/mm)
|
Second stiffness (kN/mm)
|
Stiffness ratio
|
|
(+)cycle
|
21.02
|
6.02
|
3.49
|
0.50
|
6.99
|
|
(-)cycle
|
26.99
|
7.68
|
3.51
|
0.42
|
8.43
|
Photo 1.
Failure shape of I 380+B and S 380+B
3.2.2. 변위 의존성 평가
I형
(1)
I형 스트럿을 가지는 변위의존성 시험체는 총 3개로, 60mm/sec 의 가력속도로 목표변위 25mm, 40mm, 50mm에 대하여 평 가한 시험체의
하중-변위곡선을 Fig. 4에 나타내었다. 여기 서 Fig. 4(b)는 시험시 계측한 LVDT 값이 오류가 있어 액츄 에이터의 변위 자료를 사용하였다.
Fig. 4.
Displacement dependence load-displacement curve of I strut type specimens
이상의 시험결과에 의한 변위의존 반복횟수는 목표 변위 25mm의 경우 89회, 변위 40mm의 경우 45회, 변위 50mm 의 경우 33회로 평가되었다.
이는 ASCE 7-10에서 규정한 최소 반복횟수 5회를 상회하는 것으로 강재댐퍼의 이력안정 성을 확인할 수 있었다. 그렇지만 목표변위가 증가할수록
이 력횟수가 감소하는 것으로 평가되어, 설계지진이나 최대가능 지진 수준 등 사용하는 지진수준에 대한 댐퍼의 변위의존성 성능시험이 반듯이 필요한 것으로
판단된다.
S형
(2)
S형 스트럿을 가지는 변위의존성 시험체는 I형과 마찬가지 로, 60mm/sec의 가력속도로 목표변위 25mm, 40mm, 50mm 에 대한 시험체의
하중-변위곡선을 Fig. 5에 나타내었다.
Fig. 5.
Displacement dependence load-displacement curve of S strut type specimens
변위의존 반복횟수는 목표 변위 25mm의 경우 184회, 변 위 40mm의 경우 84회, 변위 50mm의 경우 58회로 평가되 었다. 이는 ASCE
7-10에서 규정한 최소 반복횟수 5회를 상 회하여 강재댐퍼의 변위의존성이 확보됨을 확인할 수 있었 다. 그렇지만 목표변위가 증가할수록 이력횟수가
감소되므로 사용하는 지진수준에 대한 댐퍼의 변위의존성 성능시험이 필요한 것으로 판단된다.
스트럿 형상에 대한 변위의존성 이력횟수를 비교하면, 목 표변위 25mm인 경우 I형 스트럿은 89회 S형 스트럿은 184 회로 평가되어 S형 스트럿의
이력거동이 매우 우수한 것으 로 평가되었다. 이러한 결과는 목표변위 40mm, 50mm인 경 우도 유사하게 나타나, 같은 크기의 강판을 사용하였을
경우 S형 스트럿을 사용하는 것이 변위의존성 확보에 유리한 것 으로 판단된다.
3.2.3. 속도 의존성 평가
I형
(1)
I형 스트럿을 가지는 속도의존성 시험체는 총 3개로, 40mm 의 가력변위에 대하여 목표속도 40mm/sec, 50mm/sec, 60mm/sec 로
속도의존성을 평가하였으며, Fig. 6에 하중-변위곡선을 나 타내었다. 여기서 60mm/sec로 가력하는 시험체는 변위의존 성 시험체인 I 380+D 40_60시험체와 같은 것이나, 시험체
이름의 혼동을 피하도록 I 380+V 40_60로 변경하여 기술하 였다. 여기서 I 380+V 40_60의 하중-변위곡선은 계측 LVDT 값이 오류가
있어 엑츄에이터 변위 값을 사용하였다.
Fig. 6.
Velocity dependence load-displacement curve of I strut type specimens
Fig. 6에 의하면 목표 속도 40mm/sec의 경우 이력곡선은 52 회, 속도 50mm/sec의 경우 이력곡선은 49회, 속도 60mm/sec 의 경우 이력곡선은
45회 반복가력 되었다. 이는 ASCE 7-10 의 반복횟수 5회를 상회하는 것으로 강재댐퍼의 이력안정성 을 확인할 수 있었다. 그렇지만 목표속도가
증가할수록 이력 횟수가 감소하는 경향을 보여 사용하는 지진수준에 대한 속 도의존성 수준에 대한 상세 평가가 필요한 것으로 판단된다.
S형
(2)
S형 스트럿을 가지는 속도의존성 시험체는 I형과 마찬가지로 40mm의 가력변위에 대하여 목표속도 40mm/sec, 50mm/sec, 60mm/sec로
속도의존성을 평가하였으며, Fig. 7에 하중-변 위곡선을 나타내었다. 여기서 60mm/sec로 가력하는 S 380+V 40_60 시험체는 변위의존성 시험체인 S 380+D 40_60시험
체와 같은 것이나, 시험체 이름의 혼동을 피하도록 S 380+V 40_60로 변경하여 기술한 것이다.
Fig. 7.
Velocity dependence load-displacement curve of S strut type specimens
Fig. 7에 의하면 목표 속도 40mm/sec의 경우 이력곡선은 119 회, 속도 50mm/sec의 경우 이력곡선은 106회, 속도 60mm/sec 의 경우
이력곡선은 84회 반복가력 되었다.
이는 ASCE 7-10의 반복횟수 5회를 상회하는 것으로 강재 댐퍼의 이력안정성을 확인할 수 있었다.
또한 스트럿 형상에 대한 속도의존성 이력횟수를 비교하 면, 목표속도 40mm/sec인 경우 I형 스트럿은 52회, S형 스 트럿은 119회로 평가되어
S형 스트럿의 이력거동이 매우 우 수한 것으로 평가되었다. 이러한 결과는 목표속도 50mm/sec, 60mm/sec인 경우도 S형 스트럿을 사용하는
경우의 이력횟 수가 월등하게 큼으로서 확인할 수 있었다.
따라서 강재댐퍼 제작시 얇은 강판을 레이저로 절단되는 가공 공정을 고려할 경우, 또한 같은 크기의 강판을 사용하 는 경우 S형 스트럿을 사용하는 것이
속도의존성 확보에 유 리한 것으로 판단된다.
4. 누적에너지소산능력 평가
4.1. 변위의존성 시험체
본 연구에 적용한 강재 댐퍼의 변위의존성능은 반복횟수 및 누적에너지소산능력으로 평가한다. 여기서 반복회수는 3.2.2절에서 평가하였듯이 ACSE 7-10의
5회 반복가력 규정 을 만족하는 것으로 평가되었다. Fig. 8에 스트럿 형태에 따 른 변위의존성 평가 시험체의 가력회수별 누적에너지소산 면적을 나타내었다. 이에 의하면 I형 및 S형 스트럿의 에너 지소산능력은
목표 변위가 증가할수록 소산능력이 감소하고, 초기단계의 에너지 소산능력은 증가하는 것으로 평가되었다.
Fig. 8.
Cumulated energy dissipated area of displacement dependence test results
이는 변위의존성 시험체의 하중-변위곡선에서도 알 수 있 듯이 목표변위가 증가할수록 강도는 증가하고 초기에 에너 지소산능력도 증가되지만, 시험체는 조기
파단되는 특성에 기인한 것으로 판단된다.
스트럿 형상에 대한 에너지소산능력은 Fig. 8에서 명확히 알 수 있듯이 S형 스트럿의 에너지소산능력이 I형 스트럿 보 다 매우 우수한 것으로 평가되었다. 이로부터 S형 댐퍼를 사 용하는 것이
에너지능력 확보에 유리한 것으로 판단된다.
4.2. 속도의존성 시험체
Fig. 9에 스트럿 형태에 따른 속도의존성 평가 시험체의 가력회수별 누적에너지소산 면적을 나타내었다. 이에 의하면 목표 속도가 증가함에 따른 에너지소산능력의
저하는 다소 적은 것으로 평가되었다. 즉 속도의존성 시험은 가력변위를 40mm로 일정하게 하고 가력속도를 조정하는 것이므로 에너 지소산능력은 거의
일정한 경향을 나타내는 것으로 판단된다.
스트럿 형상에 대한 에너지소산능력은 Fig. 9에서 명확히 알 수 있듯이 S형 스트럿의 에너지소산능력이 I형 스트럿 보 다 매우 우수한 것으로 평가되었다.
Fig. 9.
Cumulated energy dissipated area of velocity dependence test results
5. 결 론
본 연구에서는 I형과 S형의 스트럿을 가지는 강재 댐퍼의 변위의존성 및 속도의존성에 대한 시험적 평가를 수행하여 아래와 같은 결론을 도출하였다.
-
I형과 S형의 스트럿을 가지는 강재 댐퍼 기본 물성 (항복강도, 초기탄성계수, 이차강성, 강성비)을 시험에 의해 제시하였다. 이러한 물성치는 댐퍼
내력을 결정 하는 중요한 자료가 되므로, 향후 다양한 댐퍼 형상 및 폭 높이비 등을 고려한 기본 물성 자료의 축척이 시급 한 것으로 판단된다.
-
변위 및 속도의존성에 의한 반복횟수 평가결과, ASCE 7-10에서 규정한 최소 반복횟수 5회를 충분히 상회하 는 것으로 평가되어 강재댐퍼의 이력안정성을
확인할 수 있었다. 또한 목표 변위가 증가할수록 이력횟수는 감소하고, 초기단계에서의 에너지 소산능력은 증가하 는 것으로 평가되어 설계지진이나 최대가능지진
수준 등 사용하는 지진수준에 대한 댐퍼의 변위의존성 성능 시험이 반듯이 필요한 것으로 판단된다.
-
강재댐퍼의 기본 물성, 의존성 평가, 누적에너지소산능 력 평가결과, S형 스트럿을 가지는 강재댐퍼의 능력이 I형보다 윌등히 우수한 것으로 평가되었다.
따라서 댐 퍼제작시 얇은 강판을 레이저로 절단되는 가공 공정을 고려할 경우 S형 스트럿을 사용하는 것이 각종 의존성 확보에 매우 유리한 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 2011년도 정부 (교육과학기술부)의 재원으로 한 국연구재단의 지원을 받아 수행한 기초연구사업 (No. 2011 - 0006551) 및
2013년 동양대학교 교내연구과제 연구비 지원 에 의해 수행되었습니다.
References
(2010), Minimum Design Loads for Buildings and Other Structures (ASCE 7-10), ASCE,
179-197.
(2005), Design and Construction Manual of Passive Seismic Control Structures, Japan
Society of Seismic Isolation (in Japanese)
(2013), Displacement and Velocity Dependence of Clamped Shape Metallic Dampers, Journal
of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, (in Korean), 17(2),
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