3.1 실험체 상세

Table 1과 Fig. 2에는 SDI 유닛의 실험체 상세를 나타내었다. 실험체들의 주요변수는 스프링의 유무, 방진고무의 적층수와 볼트의 프리스트레스력의 크기 그리고 재하방법이다. 환출 방진고무의 적층수는 1층과 3층이며, 프리스트레스력의 크기는 0과 0.1$f_{by}$로 변화하였는데, 여기서 $f_{by}$는 볼트의 항복강도를 의미한다. Table 1의 실험체 명에서 첫 번째 알파벳은 재하방법(M = 단조하중, C = 반복하중)을, 두 번째 숫자는 환출 방진고무의 적층수(1 = 1층, 3 = 3층)를, 세 번째 알파벳은 스프링의 유무를, 마지막 숫자는 프리스트레스력의 크기(0 = 0$f_{by}$, 0.1 = 0.1$f_{by}$)를 의미한다. 또한, 실험체 명에서 M-S와 C-S는 각각 단조 및 반복하중을 받으면서 스프링만으로 구성된 실험체를(Fig. 2(a)), M-C와 C-C는 컨트롤 실험체로서 각각 단조 및 반복하중을 받으면서 스프링과 볼트의 프리스트레스력이 없는 실험체를 의미한다(Fig. 2(b)). 이들 실험체들은 스프링 및 육각랜치볼트에 도입된 프리스트력이 최대압축 및 인장 그리고 에너지소산능력에 미치는 영향을 평가하기 위해 추가적으로 준비되었다. 한편, 실험체 명에서 C-3-S-0.1은 내부에 스프링이 있으면서 3층으로 적층된 환출 방진고무와 0.1$f_{by}$의 프리스트레스력으로 긴장된 볼트로 구성되어 있으며, 반복하중이 도입된 실험체이다.

환출 방진고무의 전체 두께는 15 mm이며, 돌출부의 직경과 높이는 각각 5 mm 및 5 mm이다. 이때 돌출부의 개수는 상부 및 하부에 각각 6개이다. 환출 방진고무 사이에 삽입되는 강판의 직경 및 두께는 각각 35 mm 및 2 mm이다. 스프링과 볼트의 관통을 위한 환출 방진고무 및 강판 홀의 크기는 모두 14 mm이다. 스프링 관통을 위한 홀의 위치는 중앙부에 있으며, 볼트의 관통을 위한 홀은 가장자리에 위치해 있다. 상부 및 하부의 강판은 내부에 스프링이 고정될 수 있도록 나사산이 있으며, 볼트체결을 위해 환출 방진고무 및 강판에 있는 볼트 관통 홀과 동일한 위치에 직경 4 mm의 홀이 있다. 스프링은 경소하중 스프링을 사용하였으며, 선경, 외경, 내경 및 높이가 각각 1 mm, 12 mm, 6 mm 및 35 mm이다. 각 재료들의 융합을 위한 볼트는 직경 4 mm의 육각랜치 볼트를 사용하였다. 실험체 M-3-S-0.1 및 C-3-S-0.1은 토크 드라이버를 이용하여 너트 조임방식으로 볼트에 프리스트레스력을 도입하였다.

Fig. 2 Details of specimens

3.2 재료 특성

Table 2에는 SDI 유닛에 사용된 재료들의 역학적 특성을 나타내었다. 인장 실험을 위해 강봉과 용접을 위한 상부 및 하부 판재와 환출 방진 고무판 사이에 삽입되는 강판의 강종은 SS 235이다. SS 235의 항복강도, 인장강도 및 탄성계수는 각각 247.0 MPa, 339.2 MPa 및 169,752 MPa이다. 환출 방진 고무판은 방진용으로서 압축강도 및 인장강도가 각각 0.81 MPa 및 20.3 MPa이었다. 환출 방진고무, 강판 및 스프링을 연결하기 위해 사용된 볼트는 열처리된 육각랜치볼트이다. 육각랜치볼트의 항복강도, 인장강도 및 탄성계수는 각각 1,146.2 MPa, 1,220.7 MPa 및 186,552 MPa이다. 사용된 스프링은 경소하중 스프링을 사용하였으며, 스프링상수는 0.8 N/mm이었다. 스프링에 사용된 강종은 SAE 9254이다. SAE 9254의 항복강도 및 인장강도 및 탄성계수는 각각 1,158.0 MPa, 1,300.0 MPa 및 190,000 MPa이다.

3.3 측정상세

Fig. 3은 실험체의 측정상세를 나타내었다. 실험은 계명대학교 첨단건설재료실험센터 구조연구실의 250 kN 용량의 만능재료시험기를 이용하여 수행하였다. 단조 및 반복하중은 스프링의 설계변위까지 가력한 이후 인장력으로 도입하여 실험체가 파괴되는 시점까지 가력하였다. 최대 압축변위는 스프링의 스프링상수 및 자유장을 고려하여 결정하였다(^{JIS B 2704-1, 2018}). 단, C-C는 스프링이 없으므로 기존 실험체들과 동일한 압축변위로 가력을 진행하였다. 반복하중에서 각 사이클의 증분변위는 단조하중에서 얻어진 하중-변위관계에서 탄성한계점을 기준으로 결정하였다. 탄성한계점은 응력설계법(^{AASHTO LRFD, 2004})을 이용하여 최대하중의 40%로 결정하였다. Fig. 4에는 반복하중에서 각 사이클의 증분변위를 나타내었다. 증분변위는 결정된 탄성한계점에서의 변위($\Delta_{E}$)의 0.33, 0.67, 1.0, 2.0 및 3.0배로 설정하였으며, 각 변위당 3 사이클로 가력하였다. 축방향의 변위는 100 mm 용량의 LVDT(linear variable differential transducer)를 실험체의 연결된 강봉에 부착하여 측정하였다(Fig. 3).

Fig. 3 Test setup

Fig. 4 Loading history

4.1 파괴모드

Photo 1에는 실험체의 파괴모드를 나타내었다. 스프링만으로 구성된 실험체와 환출 방진고무가 1개가 적층된 실험체를 제외한 나머지 실험체들은 모두 볼트의 인장파단에 의해 파괴되었다. 이에 반해 스프링만으로 구성된 실험체 M-C와 C-C는 탄성한계점 변위의 2.0$\Delta_{E}$에서 큰 인장변형이 발생하였다. Photo 1(d)에 나타낸바와 같이 환출 방진고무의 적층수가 1개인 실험체인 M-1-S-0 및 C-1-S-0은 접합부에서 파단이 발생하여 실험을 조기 종료하였기 때문에 실험결과에서 이들 실험체들의 분석을 제외하였다. 위의 파괴모드의 결과로부터, 인장내력에 기여하는 재료는 대부분 볼트와 스프링이 분담하고 있음을 확인하였다.

Photo 1 Failure mode of specimens

4.2 하중-변위 관계

Fig. 5에는 압축 및 인장상태에서의 하중-변위 관계를 나타내었다. 하중-변위관계에서 탄성한계점까지의 강성은 볼트의 프리스트레스력 크기와 스프링의 유무에 의해 다소 영향을 받았다. 탄성한계점까지의 강성은 볼트의 프리스트레스력의 크기가 클수록, 반복하중 보다는 단조하중에서, 그리고 스프링이 있는 실험체에서 더 컸다. 방진고무, 볼트 및 스프링으로 융합된 실험체들의 탄성한계점까지의 강성은 컨트롤 실험체들 보다 약 1.10배 높았다. 실험체의 탄성한계점까지의 강성은 볼트의 프리스트레스력의 크기가 0에서 0.1$f_{py}$로 변화될 때에 약 1.02배 증가하였다. 또한 이들 값들은 반복 하중을 받는 실험체들 보다 약 1.44배 높았다. 탄성한계점 이후의 강성은 인장하중상태에서만 평가하였다. 변위가 증가할수록 탄성한계점 이후의 강성은 점차 감소하였으며, 최대인장하중 이후에는 하중이 급격히 감소하였다. 최대인장하중 이후의 거동은 볼트의 프리스트레스력의 크기가 클수록, 반복하중 보다는 단조하중에서, 그리고 스프링이 있는 실험체에서 더 완만하였다. 이와 같이 볼트의 프리스트레스력, 스프링의 유무 및 하중상태는 최대인장하중 이후의 거동, 즉 SDI 유닛의 연성능력에 중요한 영향을 미치고 있음을 확인하였다. 이에 반해 방진고무의 적층수는 인장 및 압축하중 상태에 관계없이 SDI 유닛의 하중-변위 관계에 미치는 영향이 미미하였다.

Fig. 5 Load-displacement curve

4.3 최대압축 및 인장하중

Table 3에는 압축 및 인장하중을 나타내었다. 압축 및 인장에서의 최대하중은 볼트의 프리스트레스력 크기, 스프링의 유무 및 재하방법에 의해 다소 영향을 받았다. 볼트의 프리스트레스력의 크기가 0에서 0.1$f_{py}$로 변화될 때에 압축 및 인장하중하에서 각각 1.15배 및 1.06배 증가하였으며, 스프링이 있는 실험체가 없는 실험체 보다 각각 1.23배 및 1.02배 높았다. 또한 이들 값들은 반복 하중을 받는 실험체들 보다 각각 1.24배 및 1.49배 높았다. 이로서 SDI 유닛에서 최대인장하중의 산정은 볼트의 프리스트레스력 크기, 스프링 및 하중 재하방법을 고려할 필요가 있음을 확인하였다.

4.4 에너지 소산능력

실험체의 에너지 소산능력($E_{d}$)은 최대내력시점까지 누적된 사이클의 면적으로 평가하였다(^{Lijuan, 2010}; ^{Kim and Kim, 2020}). 또한, Fig. 6에는 사이클 증가에 따른 $E_{d}$의 변화를 나타내었다. 에너지 소산량은 사이클이 증가함에 따라 항복시점까지는 점진적으로 증가하였다. 항복시점 이후 $E_{d}$는 실험 종료시점까지 급격히 증가하였다. 이러한 경향은 하중재하방법에 관계없이 방진고무의 적층 수 및 프리스트레스가 가장 높은 실험체인 C-3-S-0.1에서 가장 현저하였다. 또한 압축하중하에서 실험체의 $E_{d}$는 스프링이 있으면서, 방진고무의 적층 수 및 프리스트레스가 가장 높은 실험체인 C-3-S-0.1에서 가장 높았다. 실험체 C-3-S-0.1의 $E_{d}$는 25,326.9 kN･mm로서 스프링이 없는 실험체와 프리스트레스력이 0인 실험체에 보다 각각 1.22배 및 1.14배 높았다. 인장하중하에서 실험체들의 에너지 소산능력도 압축하중하의 실험체의 경향과 동일하였다. 따라서 에너지 소산능력은 스프링이 있으면서, 3층의 방진고무 및 0.1$f_{py}$의 프리스트력을 갖는 실험체 C-3-S-0.1에서 가장 높았다. 결과적으로 스프링과, 고무적층수 및 프리스트레스력의 크기는 SDI 유닛의 에너지 소산능력을 향상시키는데 효과적임을 확인하였다.

Fig. 6 Cumulative dissipated energy with cycles increased

5.1 설계값

SDI 유닛의 인장최대내력은 4.3절의 실험결과를 기반으로 인장하중하에서 기여하는 재료들을 고려하여 다음과 같이 나타낼 수 있다. 스프링과 볼트의 기여분은 각각 ^{JIS B 2704-1(2018)} 및 ^{KDS 31 00(2019)}에 준하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, $T_{i}$는 SDI 유닛의 인장력, $T_{b}$는 볼트의 인장력, $T_{s}$는 스프링의 인장력, $n_{b}$는 볼트의 개수, $A_{b}$는 볼트의 단면적, $f_{u}$는 볼트의 인장강도, $f_{ps}$는 볼트에 도입되는 프리스트레스력, $K$는 스프링상수, $L$은 자유장, $d$는 선경, $N_{e}$는 유효권수 및 $N_{t}$는 총권수를 의미한다. 스프링, 3층의 환출 방진고무 및 0.1$f_{py}$의 프리스트레스력을 갖는 실험체를 기준으로 볼트 및 스프링이 SDI 유닛의 인장력에 기여하는 기여율은 식 (1)으로부터 각각 99.97% 및 0.03%로 평가될 수 있었다. 압축하중하에서의 최대값은 스프링 및 고무의 기여분은 각각 ^{JIS B 2704-1(2018)}와 ^{KS M 6518(2021)}에 기반하여 다음과 같이 나타낼 수 있다.

여기서, $C_{i}$는 SDI 유닛의 압축력, $C_{r}$은 고무의 압축력, $C_{s}$는 스프링의 압축력, $F_{cr}$은 고무의 압축강도, $A_{r}$은 고무의 단면적을 의미한다. 스프링, 3층의 환출 방진고무 및 0.1$f_{py}$의 프리스트레스력을 갖는 실험체를 기준으로 고무 및 스프링이 SDI 유닛의 압축력에 기여하는 기여율은 식 (1)으로부터 각각 87.6% 및 12.4%로 평가될 수 있었다.

5.2 설계값과 실험값의 비교

Table 4에는 5.1절에서 산정된 설계값과 실험값을 비교하였다. 압축하중은 스프링의 압축설계변위까지만 가력하였기 때문에 설계값과 최대압축하중 결과값의 비교를 제외하였다. 또한 만능재료시험기의 최대변위의 한계로 인해 중단된 실험체인 M-S와 C-S의 최대인장하중도 설계값과의 비교에서 제외하였다. 식 (1)의 설계식은 1개의 방진고무의 적층수가 적용된 실험체를 제외한 나머지 실험체들의 단조상태의 최대인장하중을 안전적으로 예측하였다. 이때의 예측값 대비 실험결과값의 비는 0.98 ∼ 1.37에 있었다. 특히 식 (1)의 설계식은 반복하중상태의 최대인장하중을 대부분 불안전측으로 예측하였다. 예측값 대비 실험결과값의 비는 0.82 ∼ 0.97에 있었다. 이는 하중을 분담하는 재료들에서 반복하중에 의한 연화 효과로 발휘되는 하중이 저하된 것으로 판단된다(^{Kulak et al., 2001}; ^{Fares et al., 2006}). 결과적으로 반복하중하에서의 SDI 유닛의 최대인장하중은 약 10% 낮게 평가할 필요가 있다.

5.3 최적의 상세 제시

Fig. 7에는 위의 실험결과를 기반하여 제시된 최적의 SDI 유닛의 상세를 나타내었다. 하중-변위관계에서 탄성한계점까지의 강성, 최대인장하중 및 에너지소산능력을 고려하면 SDI 유닛에서 스프링, 3층의 환출 방진고무 및 0.1$f_{py}$의 프리스트레스력을 갖는 볼트의 구성이 필요하다. 결과적으로 C-3-S-0.1 실험체의 탄성한계점까지의 강성, 최대인장하중 및 에너지소산능력은 각각 21,875.0 kN/m, 28.8 kN 및 21,654.1 kN･mm으로 다른 실험체 보다 가장 높은 값을 보유하고 있다. 반면, 압축하중하에서는 스프링의 설계변위까지 가력하였기 때문에 강성, 최대하중 및 에너지소산능력을 파단시점까지 정량적인 분석이 불가능하였다. 하지만, SDI 유닛의 인장하중상태의 실험결과와 설계변위까지의 하중-변위관계를 분석하여 볼 때, 압축하중하에서도 스프링이 있으면서 3층의 환출 방진고무 및 0.1$f_{py}$의 프리스트레스력이 강성, 최대하중 및 에너지소산능력을 향상시키기는데 효과적일 것으로 판단된다.

Fig. 7 Optimum details of the SDI unit