이현호
(Hyun-Ho Lee)
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Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
키워드
강봉 댐퍼, 록킹 거동, 형상비, 댐퍼 길이
Key words
Steel rod damper, Rocking behavior, Aspect ratio, Damper length
1. 서 론
기상청 자료에 의하면, 아날로그 관측(1978년~1998년)시에는 년 평균 19.1회의 지진이 발생했으며, 디지털 관측(1999년～2018년)시에는
년 평균 69.9회의 지진이 발생하고 있다고 한다. 최근 들어 지진발생이 잦아지고 있으며, 이는 규모 5.4의 포항지진(2017년 11월 15일)과
규모 5.8의 경주지진(2016년 9월 12일)이 입증하고 있다. 2019년에는 규모 3이상의 유감지진이 년 14회에 달해 지진발생에 따른 인명과
재산피해가 예상되고 있다. Fig. 1에 1978년부터 2019년까지 기상청에서 제공한 진앙분포도를 나타내었는데, 서울, 경기, 강원 등을 제외한 지역에서 지진이 지속적으로 발생하고 있으며,
부산 경남과 충남 홍성 등을 연결하는 축을 중심으로 큰 규모의 지진이 발생함을 새삼 확인할 수 있다.
따라서 기존 및 신축 건물에 많은 내진설계 및 보강이 이루어지고 있는데, 기존 건물 공공 건축물 및 학교 건축물 등은 많은 이용자로 인하여 지진 취약
구조물로 인식되고 있다. 2015년 발표된 국민안전처의 2단계(2016년∼2020년) 기존 공공시설물 내진보강 기본계획에 의하면, 공공건축물 116,768개소
중 학교시설 31,900개소의 내진율은 23.7%로 제일 낮게 평가되어, 교육시설재난공제회 등에서는 지속적인 내진보강을 하고 있다.
Fig. 1. Earthquake events in Korea by KMA
국내 학교 건축물의 내진보강에서는 강판을 적용한 제진장치 등이 초기에는 많이 적용되다가, 최근에는 다양한 제진장치 및 강성 보강공법이 사용되고 있다.
강판을 이용한 제진장치 등은 아파트 건축물에 인방형 댐퍼로 많이 사용되고 있으며, 단수가 아닌 복수개의 강판을 적층하여 사용하고 있다.
일방향인 강판의 방향성을 개선한 강봉 댐퍼(Steel rod damper)는 국내에서 많이 사용되고 있지 않으나, 최근 적용성에 대한 연구가 일부
진행되고 있다. 2005년 4월 미국 미주리 대학교에서 발간한 기술보고서에 따르면 고속도로 다리 보강을 위한 강봉 댐퍼의 성능실험을 기술하고 있다.
Fig. 2와 같은 형상의 댐퍼를 개발하여 성능실험을 진행하였으며, 우수한 보강효과를 검증하였다.
Fig. 2. Metallic damper by Chen and Eads(2005)(3)
Fig. 3. Steel rod damper by Lee et al.(2014)(1)
국내에서는 Lee 등(2014)
(1)이 기존 저층 철근콘크리트 필로티 건물에 강봉댐퍼로 보강한 성능실험을 진행하였다. 댐퍼의 형상과 보강계획은
Fig. 3과 같다. 강봉 댐퍼를 적용한 진동대 실험결과, 댐퍼의 이력거동에 의한 에너지 흡수 능력을 확인하였다고 발표하였다. 이때 사용한 강봉댐퍼는 강봉을
깍아서 만들었다.
Oh and Choi(2017)(7)는 강봉의 형상비를 변수로 한 성능실험을 Fig. 4와 같이 실시하였으며, 형상비에 따른 특성을 평가하였다.
Fig. 4. Failure shape of steel rod damper by Oh and Choi(2017)(7)
Fig. 5. Setting plan of Hashemi et al.(2017)(4)
록킹 월은(Rocking wall)는 2006년 NZSEE Conference에서 K.J. Mulligan 등이 “Hybrid experimental
analysis of semi-active rocking wall systems이란 논문에서 발표한 개념으로, 강체가 수직 축을 중심으로 좌우로 회전하는
록킹 거동(Rocking behavior)을 할 때, 변위 또는 변형이 많이 발생하는 위치에 에너지 소산장치를 설치하여 회전 변형을 제어하는 시스템이다.
이후 Marriott 등(2008)이 록킹 거동에 대한 논문을 발표하였으며, Belleeri 등(2014)
(2)은 Marriott 등(2008)의 연구결과로 부터 캔틸레버 월 시스템을 개발하였다.
Hashemi 등(2017)(4)은 목재 구조물의 복원력 특성을 개선하기 위한 마찰댐퍼를 개발하였으며, 이를 위한 성능실험 방법을 록킹 월을 이용하여 진행하였다. Fig. 5에 셋팅 계획을 나타내었으며, 이를 본 연구에서도 고려하였다.
본 연구에서는 이상의 기존 연구를 검토하여 강봉 댐퍼의 경제성을 확보하기 위한 새로운 제작 방법과 형상비를 변수로 한 성능 실험을 진행하며, Hashemi
등(2017)(4) 실험방법을 참고한 셋팅 계획을 고안하였다. Fig. 6에 나타낸 것과 같이 강봉 상하단을 지그에 고정하기 위한 강판에 용접하여 손쉽게 강봉 댐퍼를 제작하였다.
Fig. 6. Making procedure of steel rod damper
2. 실험
2.1 실험 계획
Hashemi 등(2017)(4)의 연구 및 선행 연구 결과를 참고로 록킹 거동을 구현할 수 있는 셋팅 계획을 수립하였다. Fig. 7에 록킹 셋팅 개념을 나타내었는데, 엑츄에이터의 가력 수평 변위를 수직으로 설치한 강체를 이용하여 댐퍼에 응력 및 변형이 집중하도록 고안한 것이다.
강봉 댐퍼는 수직 강체 하단부 양 끝에 각각 설치하고, 댐퍼에 변형이 집중되도록 수직 강체 하단부 중앙을 힌지로 연결하였다. 이러한 셋팅 계획은
댐퍼에 모든 하중이 작용하도록 고안된 것으로 국내에서는 최초로 만든 것이다.
2.2 실험 변수 및 가력 계획
Fig. 8에 본 연구에 사용된 강봉 댐퍼의 재원을 나타내었다. 변수는 강봉의 지름 및 길이이다. 여기서 형상비(Aspect ratio, AR)는 댐퍼 지름에
대한 길이의 비로 정의한다. 실험 변수에 의한 댐퍼 지름은 10mm, 20mm이고, 길이는 260mm, 200mm, 140mm이다. 2018년부터
강종 표시방법이 기존 인장강도에서 항복강도 기준으로 변경되어 SS275로 강봉 댐퍼 제작을 발주하였으나, 시중에서는 소량이고, 변경 내용을 알지 못하여
이전 인장강도 기준인 SS400을 사용하여 댐퍼를 제작하였다.
Fig. 8. Steel rod damper specimens
Fig. 9. Stress-strain curve of steel coupon(Φ 10mm)
2.3 재료 시험
강봉 댐퍼의 인장 시험편은 KS B 0801의 시편 14A로 제작하였다. 시험 결과, 지름 10mm 강봉은 평균 인장강도 611MPa, 지름 20mm
강봉은 584MPa로 평가되었다. Fig. 9에 나타낸 응력-변형도 곡선에서 보면 항복강도는 인장강도와 같은 것을 알 수 있는데, 전문가들과 협의한 결과 시중에서 재생한 강봉으로 추정되었다.
일반적으로 재생 강봉은 항복점이 명확하지 않은 것으로 평가된다. 따라서 강봉을 대량으로 구매하지 않은 이상, 시중에서 구입하여야 되는데, 재생 강봉을
구입할 가능성이 매우 높은 것으로 판단된다. 그렇지만 시중 구매를 현실적인 경우로 인식하고, 사전 제작된 강봉 댐퍼를 대상으로 성능 평가를 실시하였다.
수평하중은 ± 500kN 용량의 엑츄에이터로 가력하였으며, 초기에서 2mm씩 변위를 증가시키면서 진행하였다. 댐퍼의 수직 및 변위는 Fig. 10과 같이 설치된 LVDT로 측정하였으며, 강봉 댐퍼 상단, 중단, 하단에 설치한 스트레인 게이지로변형도를 측정하였다.
Fig. 10. 10 LVDT installation
3. 실험 결과
3.1 지름 10mm 강봉 댐퍼
지름 10mm, 댐퍼 길이 260mm인 SR10-260 실험체는 두 개의 댐퍼가 같이 거동하면서 가력방향댐퍼와 가력반대방향 댐퍼는 인장, 압축 하중을
교대로 받으면서 실험이 진행되었다. 정가력 시 최대하중은 18.74kN, 이때의 변위는 4.0mm으로 나타났으며, 부가력 시 최대하중은 -19.06kN,
이때의 변위는 –5.97mm로 나타났다. Fig. 11(a) 에 하중-변위 곡선을 나타내었다.
지름 10mm, 댐퍼 길이 200mm인 SR10-200 실험체는 가력방향댐퍼와 가력반대방향 댐퍼는 인장, 압축 하중을 교대로 받으면서 실험이 진행되었다.
정가력 시 최대하중은 19.14kN, 이때의 변위는 2.91mm로 나타났으며, 부가력 시 최대하중은 -23.25kN, 이때의 변위는 –4.0mm로
나타났다. Fig. 11(b) 에 하중-변위 곡선을 나타내었다.
Fig. 11. Load-displacement curve of Φ 10mm
지름 10mm, 댐퍼 길이 140mm인 SR10-140 실험체는 가력방향댐퍼와 가력반대방향 댐퍼는 인장, 압축 하중을 교대로 받으면서 실험이 진행되었다.
정가력 시 최대하중은 21.89kN, 이때의 변위는 3.08mm로 나타났다. 부가력 시 최대하중은 -25.05kN, 이때의 변위는 -7.96mm로
나타났다.
Fig. 11(c) 에 하중-변위 곡선을 나타내었다.
3.2 지름 20mm 강봉 댐퍼
Fig. 12. 12 Load-displacement curve of Φ 20
지름 20mm, 댐퍼 길이 260mm인 SR 20-260 실험체는 두 개의 댐퍼가 같이 거동하면서 가력방향댐퍼와 가력반대방향 댐퍼는 인장, 압축
하중을 교대로 받으면서 실험이 진행되었다. 정가력 시 최대하중은 78.22kN, 이때의 변위는 35.96mm로 나타났다. 부가력 시 최대하중은 -80.14kN,
이때의 변위는 -38.04mm로 나타났다.
Fig. 12(a) 에 하중-변위 곡선을 나타내었다.
지름 20mm, 댐퍼 길이 200mm인 SR 20-200 실험체는 가력방향댐퍼와 가력반대방향 댐퍼는 인장, 압축 하중을 교대로 받으면서 실험이 진행되었다.
정가력 시 최대하중은 63.24kN, 이때의 변위는 22.05mm로 나타났다. 부가력 시 최대하중은 -76.74kN, 이때의 변위는 -22.13mm로
나타났다. Fig. 12(b) 에 하중-변위 곡선을 나타내었다.
지름 20mm, 댐퍼 길이 140mm인 SR 20-140 실험체는 가력방향댐퍼와 가력반대방향 댐퍼는 인장, 압축 하중을 교대로 받으면서 실험이 진행되었다.
정가력 시 최대하중은 86.76kN, 이때의 변위는 20.12mm로 나타났다. 부가력 시 최대하중은 -98.91kN, 이때의 변위는 -22.24mm로
나타났다. Fig. 12(c) 에 하중-변위 곡선을 나타내었다.
Fig. 13. Load-strain curve of SR 10-260
3.3 하중-변형도 및 파괴 양상
Fig. 13에 SR 10-260 실험체의 댐퍼 상단, 중단에 부착한 게이지에서 측정한 변형도를 나타내었는데, 상단의 경우 수평하중 20kN에서 항복하여, 교번되는
하중에 따라 인장변형도가 변하였으며, 6,000με까지 변형이 진전되어 상당한 변형능력을 보여주었다. 중단에 설치한 게이지에서 측정한 변형도는 최종
파괴시까지 탄성상태에 있다가, 최종 좌굴 파괴되면서 압축 변형도가 매우 크게 증가됨을 확인할 수 있었다. 하단의 경우는 상단과 같은 거동을 보여주었다.
다른 실험체도 거의 유사한 변형도 거동을 보여 주여 본 실험체 사용한 셋팅이 댐퍼에 응력 집중 및 변형을 유발함을 확인할 수 있었다.
Fig. 14에 SR 10-260 및 SR 20-140 실험체의 파괴양상을 나타내었다. SR 10-260 실험체의 경우 좌측에 설치한 댐퍼는 인장거동을 하다가,
우측에 설치한 댐퍼는 압축거동을 하다가 좌굴파괴에 도달하였음을 확인할 수 있었다. 댐퍼 제작시 우려했던 댐퍼와 판넬부의 용접부위는 파괴되지 않았다.
댐퍼 강성이 가장 큰 SR 20-140 실험체는 좌측은 압축을, 우측은 인장거동을 하다가 파괴됨을 확인할 수 있었으며, 용접부위는 파괴되지 않음을
확인하였다.
4. 성능 평가
4.1 포락선
Fig. 15(a)에 강봉 댐퍼 10mm인 SR 10 시리즈의 포락선을 나타내었다. 댐퍼 길이 140mm인 SR 10-140 경우의 강도 능력(최대강도 25.05N,
변위 7.96mm)이 우수한 것으로 평가되었으며, 댐퍼 길이 260mm인 SR 10-260 경우 변형 능력(변위 36.18mm)이 우수한 것으로
평가되었다. 댐퍼 길이 200mm인 SR 10-200는 강도 및 변형 능력은 중간 정도로 평가되었다.
Fig. 15(b)에 나타낸 강봉 댐퍼 지름이 20mm인 경우 포락선을 나타내었다. SR20-140과 SR20-200은 최대하중 이후 급격한 내력 저하가 발생되었다.
댐퍼길이가 140mm이고 지름이 20mm인 SR20-140은 –98.91kN로 실험 결과중 에서 제일 큰 내력을 나타내었다. 변형 능력인 경우, 댐퍼
길이가 260mm인 SR20-260가 48.56mm로 가장 크게 평가되었다.
강봉 지름이 10mm인 경우, 최대하중 20kN까지 탄성 거동하다가, 댐퍼 항복 후 변형 능력이 증진되는 특성을 나타내었다. 반면 지름이 20mm인
경우, 최대하중 80∼90kN까지 탄성거동을 하다가, 이후 강성과 변형 능력이 뚝 떨어지는 경향을 나타내었다. 이는 댐퍼 설계 시 변형 능력의 증진과
강도 능력의 증진이라는 목표를 명확히 구분하여야 됨을 의미한다고 판단된다.
Fig. 15. Envelope curve comparison
4.2 강성 저하
각 실험체별 정(+) 싸이클의 강성 저하를 Fig. 16에 나타내었다. 여기서 강성은 원점과 각 사이클별 최대하중을 연결한 직선의 기울기로 정의한다. Fig. 16(a)에 나타낸 SR 10 시리즈인 경우 댐퍼 길이에 상관없이 수평 변위 24mm까지는 거의 유사한 것으로 나타났다. 이후 댐퍼 길이가 260mm인
SR 10-260의 강성저하가 가장 완만하게, 변형능력이 크게 평가되었다. Fig. 16(b)에 나타낸 SR 20 시리즈의 경우 댐퍼 길이140mm인 SR20-140과 200mm인 SR20-200은 가력변위 200mm까지 강성저하를 나타내었는데,
이는 하중-변위곡선에서 나타난 것과 같이 최대하중이후 급격한 내력저하로 실험이 종료되었기 때문이다. 댐퍼 길이 260mm인 SR20-260은 강성저하비율이
완만하게 저하되어 48.56mm 변위까지 진행되어, 가장 우수한 변형 특성을 나타내었다.
4.3 에너지소산 능력
하중-변위 곡선을 면적으로 정리한 에너지소산 능력을 Fig. 17에 나타내었다. Fig. 17(a)에 나타낸 SR 10 시리즈인 경우, 하중-변위곡선 및 포락선 비교에서도 나타난 것과 같이 강성이 크고 변형 능력이 작은 SR10-140은 가력변위
26mm까지 에너지소산 되었지만, 더 이상의 에너지소산을 진행하지 못하였다. 댐퍼 길이 200mm인 SR10-200은 가력변위 30mm까지 에너지소산
되었다. 강성저하가 완만한 댐퍼 길이 260mm인 SR10-260은 가력변위 36mm까지 에너지소산 되었으며, 약 13,000 kN·mm의 에너지소산
능력을 나타내었다. Fig. 17(b)에 나타낸 SR 20 시리즈인 경우, 댐퍼 길이 140mm인 SR20-140은 가력변위 24mm까지 34,444 kN·mm의 에너지소산 능력을 나타내었다.
댐퍼 길이 200mm인 SR20-200은 가력변위 22mm까지 19,770kN·mm의 에너지소산 능력을 나타내었다. 댐퍼 길이 260mm인 SR20-260은
가력변위 46mm까지 에너지소산 되었으며, 109,259 kN·mm의 에너지소산 능력을 나타내었다.
Fig. 16. Comparison of stiffness degradation (+ cycle)
Fig. 17. Comparison of energy dissipation area
5. 형상비 비교
대상 실험체의 최대 하중 발현 시, 강도 및 변위를 형상비로 정리하여 Fig. 18(a)에 나타내었다. 객관적인 비교를 위하여 강봉 댐퍼 지름 10mm, 길이 260mm인 SR 10-260을 기준으로 상대비를 나타내었다. 댐퍼 지름 10mm인
실험체의 최대 강도 경우, 형상비가 작아질수록(댐퍼 길이가 짧아질수록) 증가하는 것으로 평가되었다. 즉 댐퍼 지름 10mm이고 길이 200, 140mm인
경우 22%, 31% 강도가 증가하였다. 또한 댐퍼 지름 20mm이고 댐퍼 길이 260, 200, 140mm인 경우, SR10-260대비 420%,
403%, 518% 증가하였다. 그렇지만 강봉 지름 10mm 대비 20mm는 단면적이 4배 증가한 것으로 검토하면, 댐퍼 지름 증가에 따를 강도 증진은
약간 있는 것으로 평가된다. Fig. 18(a)에 나타낸 최대 강도 시 발현된 최대 변위도 강도와 유사하게 댐퍼 단면적에 비례하는 특성이 나타났으며, 형상비에 따른 차이는 크지 않았다. 그렇지만
SR 20-260은 SR 10-260 대비 637% 증가하여, 변형 능력이 증진되는 것을 확인할 수 있었다.
Fig. 18. Results comparison by aspect raio
실험 종료 시까지 측정한 에너지소산 면적을 SR 10-260을 기준으로 정리한 상대비를
Fig. 18(b)에 나타내었다. 댐퍼 지름 10mm이고 길이 200, 140mm인 경우, 85%, 84%로 에너지 소산능력이 감소하였다. 또한 댐퍼 지름 20mm이고
댐퍼 길이 260, 200, 140mm인 경우 840%, 152%, 260% 증가하였다. 그렇지만 강봉 지름 10mm 대비 20mm는 단면적이 4배
증가한 것으로 보면 SR 20-200, SR 20-140은 에너지소산 능력이 SR 10-260보다 감소하는 것으로 판단된다. 강도 및 변위 비교와
같이 SR 20-260의 에너지소산 능력은 SR 10-260보다 540% 증가하였다. 이상의 결과로 부터 댐퍼 지름 20mm이고, 길이 260mm이고,
형상비 13인 SR 20-260의 강도, 변위, 에너지 소산능력이 우수한 것으로 평가되었다. 또한 댐퍼의 단면적 대비, 형상비 26인 SR 10-260의
에너지소산 능력도 우수한 것으로 평가되었다. 향후, 댐퍼 지름 및 길이, 형상비를 고려한 보완 실험 및 댐퍼 설계자료 축적이 필요한 것으로 판단된다.
6. 결 론
최근 발생한 경주지진, 포항지진을 계기로 신축 및 기존 건축물에 대한 내진보강이 매우 중요한 기술이 되고 있으며, 이를 적용하기 위한 많은 노력이
진행되고 있다. 본 연구에서는 기존 연구결과 등을 근거로 하여 골조구조물에 적합하고 경제적인 내진 보강을 연구하였다. 그 결과 록킹 거동을 고려한
실험방법을 고안하여, 강봉 댐퍼를 적용한 성능 평가를 실시하였으며, 중요한 연구 결과는 다음과 같다.
1) 강봉 댐퍼 상단, 중단에 설치한 게이지에서 측정한 변형도를 평가한 결과, 상단의 경우 수평하중 20kN에서 항복하여, 교번되는 하중에 따라 인장변형도가
증가하였으며, 그후 변형이 진전되어 상당한 변형 능력을 보여주었다. 중단에 설치한 게이지에서 측정한 변형도는 최종 파괴 시까지 탄성 상태에 있다가,
최종 좌굴 파괴되면서 압축 변형도가 매우 크게 증가됨을 확인할 수 있었다. 이로 부터 본 실험체 사용한 셋팅이 댐퍼에 응력의 집중 및 변형을 유발함을
확인할 수 있었다.
2) 포락선, 강성저하 및 에너지소산능력 등을 평가한 결과, 지름이 20mm이고, 길이가 260mm인 SR 20-260 강봉 댐퍼의 능력이 가장 우수한
것으로 평가되었으며, 그 외의 댐퍼도 강봉의 지름 및 길이에 적합한 거동을 발휘하였다.
3) 강봉 지름이 10mm인 경우, 최대하중 20kN까지 탄성 거동하다가, 댐퍼 항복 후 변형 능력이 증진되는 특성을 나타내었다. 반면 지름이 20mm인
경우, 최대하중 80∼90kN까지 탄성거동을 하다가, 이후 강성과 변형 능력이 뚝 떨어지는 경향을 나타내었다. 이는 댐퍼 설계 시 변형 능력의 증진과
강도 능력의 증진이라는 목표를 명확히 구분하여야 됨을 의미한다고 판단된다.
4) 최대 하중 발현시 강도와 변위 및 실험 종료시까지 측정한 에너지소산면적을 SR 10-260 기준으로 상대 평가한 결과, 댐퍼 지름 20mm이고,
길이 260mm이고, 형상비 13인 SR 20-260의 강도, 변위, 에너지 소산능력이 우수한 것으로 평가되었다. 또한 댐퍼 단면적 대비, 형상비
26인 SR 10-260의 에너지소산 능력도 우수한 것으로 평가되었다.
5) 향후, 댐퍼 지름 및 길이, 형상비를 고려한 보완 실험 및 댐퍼 설계자료 축적이 필요한 것으로 판단된다.
감사의 글
본 연구는 2020년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(No. 2017 R1D1A1B 04029593)에 의해
수행되었습니다.
References
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Chen, G., Eads, S. A. (2005), Behavior and Fatigue Properties of Metallic Dampers
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