2.1 기존 실험 결과

본 연구에 적용한 기존 연구 결과는 다음과 같으며, 출처는 참고문헌에 표기하였다. 여기서 강종은 일반구조용 압연강재 SS275이며, 강판댐퍼 모든 실험체의 스트럿 높이는 260mm, 크기는 12×30mm이며, 단면적은 360㎟이다. 강봉댐퍼의 높이는 260mm이고, R20-260 단면적은 314㎟, R15-260의 단면적은 177㎟이다. R20-260 단면적은 강판댐퍼 대비 0.87배의 단면적을 보유하고 있으며, 이를 강판댐퍼 동일 단면적으로 환산할 경우 1.15배 하여야 한다. 마찬가지로 R15-260은 강판댐퍼 대비 0.49배의 단면적을 보유하고 있으므로, 강판댐퍼 동일 단면적으로 확산할 경우 2.04배 하여야 한다.

2.2 록킹 거동과 횡변형 방지 상세

2006년 NZSEE Conference에서 K.J. Mulligan 등이 록킹 월의(Rocking wall)의 개념을 발표하였다. 이 개념은 벽과 같은 강체가 수직 축을 중심으로 좌우로 회전하는 록킹 거동(Rocking behavior)을 할 때, 벽 하단부에 많은 변위 또는 변형이 생기는데, 이 부위에 제진장치를 설치하여 지진 에너지를 소산시키는 것이다. 그 이후 Marriott 등^{(Marriott et al., 2008)}이 록킹 거동에 대한 논문을 발표하였으며, Belleeri 등^{(Belleeri et al., 2014)}은 Marriott 등의 연구결과로 부터 캔틸레버 월 시스템을 개발하였다.

Hashemi 등^{(Hashemi et al., 2017)}은 목재 구조물의 복원력 특성을 개선하기 위한 마찰댐퍼를 개발하였으며, 이를 위한 성능실험 방법을 록킹 월을 이용하여 진행하였다. 본 연구에서는 이들의 연구를 참조하여 Fig. 2와 같은 셋팅을 고안하여 실험을 진행하였다. 즉 중앙부에 록킹월을 세우고 좌우축 하단에 댐퍼를 각각 설치하고, 록킹월 상단에 수평력이 작용되도록 계획하였다.

본 연구에 적용한 횡변형 방지 상세는 스트럿의 면외 좌굴을 방지하는 것으로, Fig. 3과 같이 가이드 판과 채널을 사용하여 강재 스트럿의 횡변형을 구속한 것을 적용하였다. 여기서 특허번호는 patent no. 10-1753011이며, 특허권자에게 사용 승인을 받아 본 연구에서 개발적인 스트럿 상세에 적용하였다.

Fig. 2 Setting plan of R20-260

Fig. 3 Lateral deformation prevention detail

2.3 성능 실험결과

횡변형 방지 상세(Lateral deformation prevention detail, 이하 Ldpd로 표기함) 없는 실험체는 Fig. 4와 같으며 스트럿 형상은 I형, V형, S형이다. 스트럿 높이는 260mm이다. 실험결과는 Table 1과 같으며, 대부분의 댐퍼는 좌굴에 의한 파괴 양상을 나타내었다.

Ldpd 있는 실험체는 Fig. 5와 같으며, 댐퍼 형상은 I형, V형, S형이다. 실험결과는 Table 2와 같으며, 파괴시 까지 상당한 변형능력의 증진을 확인할 수 있었으며, 최종 파괴시에는 가이드 판과 스트럿이 휘어지는 것이 확인되었다.

강봉실험체는 Fig. 6과 같으며, 높이는 260mm이다. 지름 20mm인 SR 20-260 실험체 및 지름 150mm인 SR 15-260 실험체의 실험결과는 Table 3과 같다.

Fig. 7에 스트럿 I형상의 Ldpd적용 유무 및 지름 20mm인 강봉댐퍼의 모멘트-변위비 곡선을 나타내었다.

Fig. 7(a)는 Ldpd 없는 경우(SI-260)이며, Fig. 7(b)는 Ldpd 있는 경우(I-1)이며, 이력 곡선을 점선으로 표시하였다. 강봉실험체(R20-260)의 이력 곡선은 실선으로 표시하였다.

이에 의하면 Ldpd는 스트럿의 횡변형을 방지하여, 없는 경우에 비하여 모멘트 저항 능력이 우수한 것으로 평가되었다. 또한 강봉 댐퍼는 Ldpd 유무 상관없이 높은 수준의 모멘트 및 변형 저항 능력을 나타내었다.

Fig. 8에 S1-260, I-1, R20-260 실험체의 파괴 양상은 나타내었는데, Ldpd있는 경우, 없는 경우 보다 횡변형이 많이 제어됨을 확인할 수 있었다. 또한 강봉댐퍼는 원형인 단면 특성상 방향성이 없으므로 강판댐퍼 보다 횡변형이 적으며, 록킹거동을 보여 가력방향으로 거동됨을 확인할 수 있었다.

Fig. 4 Damper shape without Ldpd

Fig. 5 Damper shape with Ldpd

Fig. 6 Steel rod damper

Fig. 7 Moment-drift ratio curve

Fig. 8 Failure shape

3.1 포락선 및 모멘트-변위비

Fig. 9에 Ldpd 없는 경우(이하 N-Ldpd로 표기)의 강판댐퍼 포락선을 강봉댐퍼 포락선과 같이 나타내었다. 여기서 N-Ldpd 실험체는 SI-260, SV-260, SS-260이며, 강봉댐퍼 실험체는 강봉 지름 20mm인 R20-260 및 지름 15mm인 R15-260이다. 이에 의하면 스트럿 I형의 포락선이 V형, S형 보다 우수한 모멘트 저항능력을 보유하였으나, 강봉댐퍼인 R20-260의 모멘트-변형능력이 매우 우수함을 확인할 수 있었다. 단면적이 타댐퍼 대비 0.56배 적은 강봉댐퍼 R15-260은 SI-260과 유사한 포락선을 나타내었다. 그렇지만 단면적 적음을 고려할 경우, 강봉댐퍼가 우수한 강도 및 변형 능력을 보유함을 확인하였다.

보다 상세한 평가를 위하여 SI-260의 최대모멘트 및 변위비를 기준으로 상대 평가한 결과를 Fig. 10에 정리하였다.

이에 의하면 모멘트 능력은 SI-260기준으로 R20-260이 1.86배로 가장 우수하고, 순차적으로 SI-260, R15-260인 것으로 평가할 수 있었다. 반면 변위비의 상대비교 결과, R20-260이 11.92배로 상당한 변위능력을 발휘함을 알 수 있었다. 이는 Fig. 8(c)의 파괴양상에서 확인할 수 있듯이 면외 변형 없이 최대모멘트까지 가력방향으로 보유한 변형능력을 충분히 발휘함에 기인한 것이다. 또한 R15-260도 우수한 강도 및 변형능력을 보유함을 확인하였다.

최대모멘트 이후의 거동을 평가하기 위하여 최대모멘트시 변위비, 연성비(최대하중이 80% 떨어지는 점을 극한 변위비라 정하고, 극한변위비대 최대모멘트시 변위비를 연성비로 정의함)를 비교하여 Fig. 11에 나타내었다. 이에 의하면 SI-260이 가장 우수한 연성비 4.41을 보유하고, 순차적으로 SV-260 및 SI-260인 것으로 나타났다. 반면 강봉댐퍼는 최대모멘트까지 충분한 변형을 보이다가, 최대모멘트 이후 급격한 모멘트 저항 능력 저하로 실험이 종료되어 상대적으로 낮은 연성비를 나타내었다. 그렇지만 내진설계에서 강재댐퍼는 구조체에 손상이 발생되지 않도록 자체적으로 에너지를 소산하는 기구이므로, 이상의 연성비 평가결과는 적절한 것으로 판단할 수 있다.

Fig. 9 Envelope curve comparison (N-Ldpd)

Fig. 10 Max, moment and drift ratio comparison (N-Ldpd)

Fig. 11 Ductility ratio comparison (N-Ldpd)

3.2 강성 저하

Fig. 12에 Ldpd 없는 경우의 강판댐퍼 강성저하 곡선을 강봉댐퍼 강성저하 곡선과 같이 나타내었다. 여기서 강성은 원점과 각 사이클별 최대하중을 연결한 직선의 기울기로 정의한다. 변위비 약 0.5%까지 SI-260의 강성저하가 가장 크게 나타났으며, 순차적으로 R15-260, SS-260인 것으로 나타났다. 최대모멘트까지 충분한 변형능력을 보여준 R20-260는 변위비 0.5%까지 거의 유사한 강성저하를 보여 주여, 안정적인 모멘트 저항능력 증진과 아울러 변위비도 일정한 비율로 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 또한 변위비 2.0%까지 강봉댐퍼는 충분히 변형하면서 소성거동을 하는 것으로 나타났다.

Fig. 12 Stiffness degradation comparison (+ cycle, N-Ldpd)

3.3 에너지 소산

Fig. 13에 Ldpd 없는 경우의 강판댐퍼 에너지소산 곡선을 강봉댐퍼 에너지 소산 강성저하 곡선과 같이 나타내었다. 변위비 1.5%까지 SI-260 및 SS-260의 에너지 소산이 우수한 것으로 평가되었으며, 강봉댐퍼는 다소 적은 것으로 나타났다. 변위비 2.0% 도달한 실험체는 강봉댐퍼 및 SV-260이었으며, 특히 R20-260이 가장 우수한 것으로 평가되었다. 단면적이 적은 R15-260도 변위비 2.0% 도달은 물론, 꾸준한 에너지 소산능력을 발휘하는 것으로 나타났다.

이상의 평가로부터 횡변형 방지 상세 없는 강판댐퍼 대비 강봉 댐퍼의 이력 거동은 매우 우수함을 확인하였다.

Fig. 13 Energy dissipation area comparison (N-Ldpd)

4.1 포락선 및 모멘트-변위비

Fig. 14에 Ldpd 있는 경우의 강판댐퍼 포락선을 강봉댐퍼 포락선과 같이 나타내었다. 여기서 Ldpd 실험체는 I-1, V-1, S-1이며, 강봉댐퍼 실험체는 강봉 지름 20mm인 R20-260 및 지름 15mm인 R15-260이다. 이에 의하면 스트럿 I형의 포락선이 V형, S형 보다 우수한 모멘트 저항능력을 보유하였으나, 강봉댐퍼인 R20-260의 모멘트-변형 능력은 매우 우수함을 확인할 수 있었다. 반면 단면적이 타댐퍼 대비 0.56배 적은 강봉댐퍼 R15-260은 S-1과 유사한 포락선을 나타내었다. 그렇지만 단면적 적음을 고려할 경우, 강봉댐퍼가 우수한 강도 및 변형 능력을 보유함을 확인하였다. R20-260실험체는 변위비 1.5%이후에 발생한 최대모멘트 이후 급격한 모멘트 저항능력 저하로 실험이 종료됨을 확인하였다. 그렇지만 이는 충분한 능력 발휘 이후에 발생한 것이므로 에너지를 소산하는 강봉댐퍼의 능력이 우수함을 확인할 수 있는 계기가 되었다.

보다 상세한 평가를 위하여 I-1의 최대모멘트 및 변위비를 기준으로 상대 평가한 내용을 Fig.15에 정리하였다.

이에 의하면 모멘트 능력은 I-1기준으로 R20-260이 1.32배로 가장 우수하고, 순차적으로 I-1, S-1인 것으로 평가할 수 있었다. 변위비의 상대비교 결과, I-1 기준으로 R20-260이 9.09배로 상당한 변위능력을 발휘함을 알 수 있었다. 이는 Fig. 8(c)의 파괴양상에서 확인할 수 있듯이 면외 변형 없이 최대모멘트까지 가력방향으로 보유한 변형능력을 충분히 발휘함에 기인한 것이다. 순차적으로 V-1, S-1, R15-260순으로 상대변위비가 평가되었다. 약 0.2%의 변형비에 최대모멘트 도달한 I-1이 변위비가 가장 낮은 것으로 평가되었으나, 최대 강도 이후의 변형능력 발휘함을 확인하였다.

또한 최대모멘트 이후의 거동을 평가하기 위하여 최대모멘트시 변위비, 연성비를 비교하여 Fig. 16에 나타내었다. 이에 의하면 I-1이 가장 우수한 연성비 3.36을 보유하고, 순차적으로 R15-260, V-1인 것으로 나타났다. 강봉댐퍼는 최대모멘트까지 충분한 변형을 보이다가 최대모멘트 이후 급격한 모멘트 저항 능력 저하로 실험이 종료되어 상대적으로 낮은 연성비를 나타내었다. 하지만 3장에서도 평가한 것과 같이, 강재댐퍼는 구조체에 손상이 발생되지 않도록 자체적으로 에너지를 소산하는 기구이므로, 이상의 연성비 평가결과는 적절한 것으로 판단할 수 있다.

Fig. 14 Envelope curve comparison (Ldpd)

Fig. 15 Max, moment and drift ratio comparison (Ldpd)

Fig. 16 Ductility ratio comparison (Ldpd)

4.2 강성 저하

Fig. 17에 Ldpd 있는 경우의 강판댐퍼 강성저하 곡선을 강봉댐퍼 강성저하 곡선과 같이 나타내었다. 변위비 약 0.5%까지 I-1의 강성저하가 가장 크게 나타났으며, 순차적으로 R15-260, S-1인 것으로 나타났다. 최대모멘트까지 충분한 변형능력을 보여준 R20-260는 변위비 0.5%까지 거의 유사한 강성저하를 보여주여, 안정적인 모멘트 저항능력 증진과 아울러 변위비도 일정한 비율로 증가되는 것을 확인할 수 있었다. 변위비 2.0%까지 강봉댐퍼는 충분히 변형하면서 소성거동을 하는 것으로 나타났다.

Fig. 17 Stiffness degradation comparison (+ cycle, Ldpd)

4.3 에너지 소산

Fig. 18에 Ldpd 있는 경우의 강판댐퍼 에너지소산 곡선을 강봉댐퍼 에너지 소산 강성저하 곡선과 같이 나타내었다. 변위비 1.5%까지 S-1 및 V-1의 에너지 소산이 우수한 것으로 평가되었으며, 강봉댐퍼는 다소 적은 것으로 나타났다. 그러나 변위비 2.0%까지 도달한 실험체는 강봉댐퍼이며, R20-260이 가장 우수한 것으로 평가되었다. 단면적이 적은 R15-260도 변위비 2.0% 도달은 물론, 꾸준한 에너지 소산능력을 발휘하는 것으로 나타났다.

Fig. 18 Energy dissipation area comparison (Ldpd)