2.1 특허 자료 조사

본 연구를 진행하기에 앞서 강재 댐퍼의 횡변형을 제어하기 위한 특허자료를 조사하였다. 이는 논문이나 학술발표 등의 내용이 부족하여 국내 지적재산권을 조사한 것이다.

특허 10-1753011(응력집중과 면외좌굴 방지를 갖는 강재 슬릿 댐퍼)은 Fig. 2와 같이 소성 변형이 이루어지는 스트럿의 응력집중에 따른 조기 파단을 방지하고, 면외방향으로 횡좌굴을 억제시켜 면내방향으로 큰 소성 변형이 유도되도록 한 응력집중과 면외좌굴 방지를 갖는 강재 슬릿 댐퍼에 관한 것이다. 즉 강재 스트럿을 면외 방향으로 구속하는 면내변형 유도가이드 판을 설치하는 것이다.

특허 10-2018-0070998(좌굴방지 전단형 강재댐퍼)은 Fig. 3과 같이 상부장착판과 하부장착판 사이에 이들을 연결하는 댐핑플레이트를 결합한다. 댐핑플레이트는 상측 연결부와 하측 연결부의 사이를 연결하는 복수 개의 연결댐퍼와 상측 혹은 하측연결부의 양측 끝단으로부터 자유단을 갖고 돌출된 수평가새지지대가 형성된다. 수평가새지지대에연결댐퍼의 양측에 밀착되는 수평가새를 결합 형성하며, 상기 상하측 연결부가 각기 상부장착판과 하부장착판에 결합 고정되도록 구성한 것이다.

특허 10-2194241(좌굴방지 강재패널형 댐퍼)은 Fig. 4와 강진 발생시 심재의 소성변형에 따른 좌굴을 방지하여 에너지 소산 능력을 높이고, 중·약진시에는 점탄성 요소에 의한 에너지 소산 능력이 발휘되도록 한 좌굴방지 강재패널형 댐퍼에 관한 것이다.

본 연구에서는 상기 3개의 특허권중 댐퍼 적용이 용이하고 그 효과가 명확할 것으로 보이는 Fig. 2와 같은 특허 상세를 특허권자에게 사용 승인을 받아 본 연구에서 개발 중인 강재 댐퍼 스트럿 상세에 적용하였다. 또한 본 연구에서는 Fig. 2의 면내유도 가이드 판이 손쉽게 적용되고 제작이 용이하기 때문에 이를 적용한 것이며, 강재 스트럿의 형태는 Fig. 2와 달리 선행 연구 결과를 적용하여 꺽쇠형 상세를 적용하여 차별성을 도모하였다.

Fig. 2 Steel plate damper with guide plate of patent no. 10-1753011

Fig. 3 Steel plate damper of patent no. 10-2018-0070998

Fig. 4 Steel plate damper of patent no. 10-2194241

2.2 강재 댐퍼에 관한 기존 연구

본 연구와 동일한 조건, 즉 록킹 거동을 하는 강재 댐퍼의 이력 거동에 대한 실험은 ^Lee(2020)의 연구결과 중 꺽쇠형 댐퍼에서 확인할 수 있으며, 그 형상 및 이력 특성을 Fig. 5에 나타내었다(실험체명은 SV-260임). 실험 결과 가력방향댐퍼와 가력반대방향 댐퍼는 인장, 압축 하중을 교대로 받으면서 실험이 진행되었다. 풍부한 이력 특성을 나타내었으며, 정가력 시 최대휨모멘트는 43.84 kNㆍm, 이때의 변위비는 0.498%로 나타났다. 부가력 시 최대휨모멘트는 -28.73 kNㆍm, 이때의 변위비는 –1.089%로 나타났다. 댐퍼는 완전 항복하지는 않았으며, 좌굴에 의한 파괴 양상을 나타내었다.

참고로 본 연구에 적용한 록킹 월(Rocking wall)은 구조체가 축을 중심으로 좌우로 변형하는 즉 회전하는 록킹 거동(Rocking behavior)을 할 때, 변위 또는 변형이 많이 발생하는 위치에 에너지 소산장치를 설치하여 회전 변형을 제어하는 시스템이다.

Fig. 5 Research results of Lee (2020)

3.1 실험 계획 및 변수

본 연구의 선행 연구 결과와 동일한 조건의 가력시스템에 횡변형 방지 상세 적용한 강재 댐퍼를 적용한 2개의 실험을 계획하였다. 즉 횡변형 방지를 위한 가이드 판과 이 가이드 판을 가로 질러 연결하는 가이드 채널을 적용한 꺽쇠형 댐퍼를 실험 대상으로 하였다. Fig. 6에 가이드 판과 가이드 채널사진을 나타내었다.

본 연구에 적용한 댐퍼 상세는 Fig. 7에 나타낸 것과 같이 V-1과 V-1R로 계획하였다. 댐퍼 스트럿은 꺽쇠형이며, 폭은 30 mm, 두께는 12 mm, 수직 높이는 260 mm로 계획하였으며, SS 275 강종을 사용하였다. V-1은 가이드 판이 댐퍼 하단부 양끝에서 각각 올라온 형태이며, V-1R은 가이드 판이 한 개는 댐퍼 하단부에서 올라오고, 하나는 상단부에서 내려오는 형상을 적용하였다. 이는 가이드 판의 위치에 따른 이력 특성을 평가하기 위함이다.

Fig. 8에 록킹 거동 실험의 셋팅 개념을 나타내었는데, 엑츄에이터의 가력 수평 변위를 수직으로 설치한 강체를 록킹시켜 댐퍼에 응력 및 변형이 집중하도록 한 것이다. 강재 댐퍼는 수직 강체 하단부 양 끝에 각각 설치하고, 댐퍼에 변형이 집중되도록 수직 강체 하단부 중앙을 힌지로 연결하였다. 강재용 스트레인 게이지는 스트럿 상하단에 각각 1개, 중단에 1개를 부착하였다. LVDT는 록킹월 좌우측에 설치한 댐퍼의 수직 및 수평변위를 측정하였다. 가력은 하중 ±500 kN, 스트로크 ±150 mm의 엑츄에이터를 사용하였으며, Fig. 9와 같이 변위비(%) 증분 및 동일 싸이클 1회씩 실험을 진행하였다. 여기서 변위비는 가력 엑츄에이터 중심에서 철골 기둥 하부에 설치한 힌지 중심까지의 수직 거리 2.54m를 기준으로 하여 산정하였다. 실험체는 최대하중의 80%이하로 떨어지는 시점까지 가력하였으며, 그 후 실험장치 들이 손상되지 않은 범위까지 실험을 진행하였다.

Fig. 6 Detail of guide plate and channel

Fig. 7 Damper detail

Fig. 8 Setting plan

Fig. 9 Loading history

3.2 재료 성능

강재 댐퍼의 인장 시험편은 KS B 0801의 시편 14B로 제작하였다. 3개 시편의 시험 결과를 Table 1에 나타내었는데, 항복강도는 평균 298 MPa, 인장강도는 평균 452 MPa, 탄성계수는 평균 200 GPa, 연신율은 평균 33.3%로 평가되었다.

4.1 V-1 실험체

V-1실험체는 중앙부 힌지 좌우에 설치한 두 개의 댐퍼가 상호작용하였는데, 즉 가력방향댐퍼와 가력반대방향 댐퍼는 인장, 압축 하중을 교대로 받으면서 실험이 진행되었다.

정가력 시 최대휨모멘트는 53.34 kNㆍm, 이때의 변위비는 1.474%로 나타났다. 부가력 시 최대휨모멘트는 -51.82 kNㆍm, 이때의 변위비는 –1.198%로 나타났다.

Fig. 10(a)에 모멘트-변위비 곡선, (b)에 파괴 양상을 나타내었는데, 모멘트-변위비 그림에서도 알 수 있듯이 변위비 1.5%까지 이력 곡선 면적을 크게 형성하는 것으로 평가되었으며, 좌우에 설치한 댐퍼의 파괴 양상에서도 보이는 것이 같이 횡변형 방지를 위해 설치한 가이드 채널의 효과로 꺽쇠형 댐퍼의 횡변형이 발생하지 않음을 확인하였다. 이는 Fig. 11에 나타낸 횡방향 변형 방지 상세 없는 기존 연구결과의 횡변형 발생한 결과와 비교하여 그 효과를 확인할 수 있었다.

Fig. 10 Test results of V-1

Fig. 11 Test results of previous results (SV 260) by Lee (2020)

4.2 V-1R 실험체

V-1R실험체는 가이드 판을 스트럿 좌우 상하에 설치하여 가이드 채널로 연결한 것으로 가이드 판 위치에 따른 효과를 평가하기 위한 것이다. 중앙부 힌지 좌우에 설치한 두 개의 댐퍼가 상호작용하였는데, 즉 가력방향댐퍼와 가력반대방향 댐퍼는 인장, 압축 하중을 교대로 받으면서 실험이 진행되었다. 정가력 시 최대휨모멘트는 59.66 kNㆍm, 이때의 변위비는 1.456%로 나타났다. 부가력 시 최대휨모멘트는 -54.20 kNㆍm, 이때의 변위비는 –1.332%로 나타났다.

Fig. 12(a)에 V-1R 실험체의 모멘트-변위비 곡선, (b)에 파괴 양상을 나타내었는데, 모멘트-변위비 그림에서도 알 수 있듯이 V-1실험체와 마찬가지로 변위비 1.5%까지 이력 곡선 면적을 크게 형성하는 것으로 평가되었다. 좌우에 설치한 댐퍼의 파괴 양상에서도 보이는 것이 같이 횡변형 방지를 위해 설치한 가이드 채널의 효과로 꺽쇠형 댐퍼의 횡변형이 발생하지 않음을 확인하였다.

Fig. 12 Test results of V-1R

4.3 스트럿 변형도

Fig. 13에 댐퍼 스트럿 중앙의 변형도를 나타내었는데, 작용 하중 증가에 따른 실험체별 변형도는 유사한 것으로 판단된다. V-1의 경우 52 kNㆍm에서 항복 변형도에 도달하였다가, 이후 하중의 증가에 따른 변형도 증진을 나타내었다. V-1R은 V-1보다 조금 높은 56 kNㆍm에서 항복 변형도에 도달하였다가, 이후 하중의 증가에 따른 변형도 증진을 나타내었다. 댐퍼 상하부의 변형도는 항복변형이 발생하지 않은 것으로 계측되어, 댐퍼 중앙부에 응력이 집중되어 댐퍼의 성능이 결정되는 것으로 판단된다.

Fig. 13 Stress-strain curve of vertical center in strut

5.1 포락선

Fig. 14에 V-1, V-1R 및 비교 결과인 SV-260의 포락선을 나타내었다. 그림에서 알 수 있듯이 횡변형 방지 상세 없는 SV-260은 강도 능력이 44 kNㆍm로 V-1 및 V-1R의 53 kNㆍm 및 59 kNㆍm 대비 낮은 것으로 평가되었다. 이때의 변위비는 각각 1.0%, 1.56%, 1.5%로 평가되어 학교 건축물과 같이 내진 1등급(층간변위비 제한 1.5%)으로 분류되는 구조물의 성능수준을 V-1 및 V-1R은 확실하게 보유하는 것으로 평가되었다. 가이드 판 위치에 따른 포락 능력은 가이드 판을 스트럿 좌우 상하에 설치한 V-1R의 능력이 우수한 것으로 평가되었다.

Fig. 14 Envelope curve comparison

5.2 강성 저하

각 실험체별 정(+) 싸이클의 강성 저하를 Fig. 15에 나타내었다. 여기서 강성은 원점과 각 사이클별 최대하중을 연결한 직선의 기울기로 정의한다. 가력 초기인 변위비 0.18%까지는 강도 능력이 우수한 것으로 평가된 V-1R은 초기 강성 대비 0.69 kN/m가 저하되었으며, V-1은 0.81 kN/m, SV-260은 0.63 kN/m 저하되는 것으로 평가되었다. 이후 3개의 실험체는 거의 유사한 강성저하를 나타내면서 파괴에 도달함을 확인할 수 있었다. 변위비 1.5%이후에도 충분한 변형능력을 나타내어 강성저하가 없는 것으로 평가되었다.

Fig. 15 Comparison of stiffness degradation (+ cycle)

5.3 에너지소산 능력

하중-변위 곡선을 면적으로 정리한 에너지소산 능력을 Fig. 16에 나타내었다. 횡변형 방지 상세 없는 SV-260은 변위비 1.0%에서는 10,939 kN·mm로 평가되었으며, 변위비 1.5%에서는 26,855 kN·mm로 평가되었다. 횡변형 방지 상세가 댐퍼 좌우 하단에 설치된 V-1은 변위비 1.0%에서는 14,670 kN·mm로 평가되었으며, 변위비 1.5%에서는 37,213 kN·mm로 평가되었다. 또한 횡변형 방지 상세가 댐퍼 좌우 상하단에 설치된 V-1R은 변위비 1.0%에서는 16,272 kN·mm로 평가되었으며, 변위비 1.5%에서는 40,918 kN·mm로 평가되었다.

이상의 결과에서도 알 수 있듯이 횡변형 방지 상세가 있는 경우가 없는 경우보다 우수한 에너지 소산능력을 나타내었으며, 가이드 판이 댐퍼 스트럿 좌우 상하에 있는 경우의 에너지 소산능력이 가이드 판이 하부에 설치된 경우보다 우수함을 확인 할 수 있었다.

Fig. 16 Comparison of energy dissipation area

5.4 스트럿 변형도

Fig. 17에 횡변형 방지 상세 없는 SV-260의 스트럿 수직 센터 변형도를 나타내었는데, 이를 Fig. 13의 횡변형 방지 상세 있는 V-1 및 V-1R과 비교하였다. SV-260은 약 43 kNㆍm에서 스트럿이 항복한 후, 스트럿 횡변형이 증가함과 동시에 변형도가 증가하면서 파괴에 도달함을 확인할 수 있었다. 반면 Fig. 13에 의하면 횡변형 방지 상세가 있는 경우 항복 변형도 이후 안정적인 스트럿 변형도를 나타내는 것으로 평가되어, 횡변형 방지 상세 있는 경우가 안정적인 댐퍼의 이력 거동을 확보할 수 있는 댐퍼로 평가되었다.

Fig. 17 Stress-strain curve of SV-260