2.1 기본 구조

기존의 내진보강용 가새구조에 적용되는 마찰댐퍼는 일반적으로 슬라이더와 접하는 상･하 두면을 갖는 단일 슬라이더 구조로 개발되었다. 마찰면에서 발생하는 마찰력은 Coulomb의 법칙(F=μN)을 사용하여 계산하는 것이 일반적이며, 마찰면의 마찰계수와 마찰면에 가해지는 지압력이 클수록 마찰력은 증가한다. 따라서, 마찰력은 마찰면적에 무관하고 마찰개소에 따라 비례적으로 증가한다. 다중마찰댐퍼는 이러한 마찰특성을 이용하여 단일 구조를 갖는 기존의 방식과 달리 다수의 슬라이더와 마찰재를 적층하여 마찰이 일어나는 개소의 증가에 따른 마찰력 증가 방식으로 기존 마찰댐퍼에 비해 성능이 우수하고 동일용량 설계 시 소형화가 가능하다. 마찰 패드는 체결 볼트로부터 연결되는 디스크 스프링으로 압축력이 도입되는 방식으로 토크렌치에 의해 볼트가 체결되기 때문에 설계용량 변경이 자유롭게 가능하며, 지진 발생 후에도 원상태로 복원이 가능한 특징이 있다. 다중 마찰댐퍼의 주요 구성은 중앙의 슬라이드 코어판과 좌･우측 측면(수평)에 배치되는 슬라이더 2개, 슈퍼미러 플레이트 4개, 그리고 다수의 마찰재로 구성된다. 마찰재는 중앙슬라이더의 상하면(각각 4개)과 측면 슬라이더(각각 4개)에 홈 가공된 위치에 끼워서 고정시키며 아래 Table 1의 그림과 같이 결합된다. 마찰력은 볼트, 너트, 디스크 스프링으로 구성된 디스크 스프링 어쎔블리에 의해 도입되며, 댐퍼 설계용량에 따라 디스크 스프링 어쎔블리 및 디스크 스프링 개수의 조절을 통해 변경이 가능하다. 댐퍼의 연결부는 축방향 회전뿐만 아니라 좌･우 비틀림에 대해서도 일부 회전을 수용할 수 있도록 스페리컬 베어링을 적용하였다. Fig. 1에는 다중 마찰댐퍼의 제품 사진과 이미지를 나타내었으며, Table 1에는 구성품을 나타내었다.

Fig. 1 Multi-friction damper photo and image

2.2 초고분자량 폴리에틸렌 (UHMWPE: Ultra High Molecular Weight Polyethylene) 마찰재

마찰재는 각종 플랜트의 배관, 설비기기, 교량, 선박, 건축구조물 등에서 상재하중을 견디면서 이동이 필요한 경우 금속부품 사이에 삽입되는 재료로써, 부품이나 설비 등이 움직이는 경우 마찰을 최소화하고 지속적으로 반복이동을 수용해야 하며, 수직응력에 대하여서도 견딜 수 있는 적절한 강도와 내구성을 유지해야 한다. 마찰댐퍼에 사용되는 마찰재는 알루미늄, 스테인레스, 탄소복합재, 고무계 등의 재료가 대표적으로 사용되어 왔으며, 최근에는 뛰어난 화학성과 우수한 내마모성을 가진 폴리머 계열의 재료가 적용되고 있다^{(Unal et al., 2004; Nuruzzaman and Chowdhury, 2012)}. 현재 세계적으로 적용되고 있는 고분자 폴리머는 폴리아미드(PA: Polyamide), 폴리옥시메틸렌(POM: Polyoxymethlyen), 폴리에틸렌(PE: Polyethylense), 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE: Polytetrafluoroethylene) 등이 마찰재로 사용되고 있다^{(Nuruzzaman and Chowdhury, 2012; Sahin et al., 2015)}. Table 2에는 현재 마찰재로 활용되고 있는 고분자 폴리머 복합재의 재료 특성을 비교하여 나타내었다. 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)의 분자량은 약 3,500,000∼10,500,000g/mol의 분자량으로 일반 플라스틱의 약 20배의 고분자량은 갖는 재료로 신장률 한계치는 2∼4%정도이며 강도는 단위 밀도당 강철의 10배에 달하는 강도를 가질 수 있어 잘 끊어지지 않고 잘 늘어나지도 않는다는 의미에서 일정 수준 이상의 강도와 탄성률을 동시에 만족하는 고분자재료이다. 또한 비중은 0.93으로 물보다 작고 지구상에 나와 있는 합성수지 가운데에서 가장 가벼운 물에 뜨는 초경량 합성수지로 현존하는 폴리머 중에서 내충격성과 내마모성이 가장 강하며, 내화학성도 뛰어난 것으로 알려져 있다^{(Zaribaf, 2018)}. 초고분자량 폴리에틸렌 (UHMWPE)는 고강도, 고탄성, 경량성, 내부식성 등의 다양한 특성으로 인하여 초기 방위산업에 주로 적용되었으나 최근 섬유공업을 비롯해 기계, 석탄공업과 광업, 식품포장, 전기도금, 저온기술, 우주/항공, 건설, 의료 분야 등에서 다양하게 활용되고 있다.

본 연구에서는 기계적 성질이 우수하고 화학저항성이 우수하여 부식발생이 없으며, 온도 및 습기와 같은 외기환경에 거의 영향을 받지 않는 초고분자량 폴리에틸렌(UHMWPE)를 내부 마찰재로 적용하여 마찰댐퍼를 개발하고자 한다.

3.1 UHMWPE의 기초 물성

다중 마찰댐퍼의 내부 마찰재로 사용하는 UHMWPE의 재료물성을 확인하기 위하여, 인장강도, 신장률, 비중에 대한 기초물성 시험을 수행하였다. 인장강도 및 신량률 시험은 ASTM D638-14에 준하여 50mm/min의 시험속도로 시편의 파단 시까지 시험을 수행하였으며, 시편은 Type-Ⅵ로 제작하여 시험을 수행하였다. 또한, 비중은 ASTM D792-13(A법)에 따라 시험을 수행하였다. Fig. 2에는 인장강도와 비중 시험 전경을 나타내었으며, Table 3에 시험 결과를 나타내었다. 기초 물성 시험 결과 UHMWPE의 비중은 0.95로 일반적으로 알려진 비중과 거의 유사한 값을 갖는 것으로 나타났다. 인장강도는 28.3MPa로 나타났으며, 파단 시 신장률은 265%로 측정되었다.

Fig. 2 Test of material properties

3.2 고분자 마찰재의 마모특성 분석

일반적으로 마찰댐퍼의 성능은 사용되는 마찰재의 내마모성에 지배적인 영향을 받으며, 마찰재의 마찰계수가 높을수록 반복회수가 증가함에 따라 마모가 심해져 마찰계수가 급격하게 감소하는 경향을 보인다. 특히 강재의 경우에는 반복회수가 20회를 넘으면 마모도가 급격히 증가하여 초기 마찰계수의 절반 수준으로 감소하는 경향을 보인다. 따라서 마찰댐퍼의 안정적인 성능 및 이력거동을 확보하기 위해서는 마모도가 작고 안정성이 우수한 재질의 마찰재를 사용하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 초고분자 복합재료의 일종인 UHMWPE를 내부 마찰재로 사용하여 다중 마찰댐퍼를 개발하였으며, 마찰재의 성능 검증을 위해 마모도 실험을 수행하였다. 또한 현재 마찰재로 가장 많이 사용되고 있는 PA, PTFE 마찰재의 마모도를 같이 평가하여 성능을 비교하였다.

고분자 마찰재의 내마모성 실험은 AASHTO LRFD Bridge Construction Specifications ^{(AASHTO, 2010)}을 참고하였으며 반복 횟수는 구조물 댐퍼의 특성을 반영하여 2,500 cycle로 설정하였다. 마찰재는 지름 75cm, 두께 8mm로 제작하였으며 고정지그에 삽입하여 실험에 사용하였다. 실험 전경과 실험 조건은 Fig. 3과 Table 4에 각각 나타내었으며, Table 5에는 내마모성 실험 결과를 나타내었다.

고분자 마찰재 3종류의 2,500cycle 마모도 실험 결과 PA의 질량 감소율은 약 0.3%, PTFE는 2.8%로 나타났으며, UHMWPE는 0.003%로 거의 마모가 발생하지 않는 것을 확인할 수 있었다. PA의 경우에는 높은 경도로 적당한 수준의 질량 감소율을 보였으나, 시험중 마찰재 표면과 SUS plate가 맞닿아 가루형태의 분쇄물이 발생하여 반복사용 시 이물질로 인한 품질저하의 문제 가능성이 있을 것으로 판단된다. 또한 PTFE는 다른 마찰재보다 현격한 질량감소율을 나타내었으며, 시험 후 시편의 표면은 매우 매끄러운 상태이나 낮은 경도로 인하여 얇은 필름형태의 마모물질이 발생하는 연삭마모가 발생하였다. 이러한 연삭마모에 의한 얇은 필름의 형성은 선형고분자인 PTFE, HDPE, POM가 낮은 속도에서 마찰할 경우에 주로 발생하는 현상으로 수직 및 수평응력이 마찰에 의하여 주어졌을 때 고분자 표면에서 분자배열 및 탄소성 변형 내지는 점탄성 유동이 발생하여 발생하는 현상으로 보고되고 있다^{(Yoon, 1987)}. UHMWPE는 다른 고분자 마찰재에 비해 거의 0%에 가까운 질량 변화율을 보이는 것으로 나타나 내마모성이 가장 우수한 것으로 나타났다. 일반적으로 마찰댐퍼의 성능은 사용되는 마찰재의 내마모성에 지배적인 영향을 받으며, 마찰재의 마찰계수가 높을수록 반복횟수가 증가함에 따라 마모가 심해져 마찰계수가 급격하게 감소하는 경향을 보인다. 따라서, UHMWPE의 질량 변화율이 거의 발생하지 않은 것은 우수한 기계적 성질뿐만 아니라 낮은 마찰계수 특성에 기인한 것으로 마찰댐퍼의 반복거동에 의한 품질변동을 최소화 할 수 있어 내부 마찰재로서 우수한 성능을 발휘할 것으로 기대된다.

Fig. 3 Test set up

3.3 디스크 스프링 성능 검토

디스크 스프링(Disc spring)은 작은 변형으로도 큰 탄성력이 발생하기 때문에, 포텐셜에너지(Potential energy)를 저장하는데 자주 사용되며, 정적(Static)인 용도 외에 동적(Dynamic)인 용도로도 사용된다. 디스크 스프링은 원추 높이와 판 두께의 비에 따라 특성이 다르기 때문에 이 비율에 따라 활용도가 넓은 비선형 스프링 특성을 얻을 수 있으며, 이러한 비선형 특성을 이용하여 진동 및 충격 등에 대한 완충효과를 요구사항에 맞게 변화시킬 수 있다. 본 연구에서는 다중 마찰댐퍼의 안정적인 이력거동 및 변형을 최소화하기 위해서 디스크 스프링을 적용하였으며, 개발하고자 하는 마찰댐퍼에 최적화된 디스크 스프링을 설계/제작하기 위해서 유한요소해석과 가력성능시험을 수행하였다. 즉, 표준 제품에 대한 해석결과와 시험결과를 비교함으로써 해석모델에 대한 적정성을 확인하고 하중-변위 관계로부터 선형구간(디스크 스프링 사용 영역)를 확인하고자 한다.

3.3.1 수치해석

본 연구에서는 마찰댐퍼에 적용하기 위한 최적의 스프링을 설계하기 위해 스프링의 높이, 직경 및 두께 등을 변화시켜 가며 유한요소해석을 수행하였다. 디스크 스프링 상단에 중심 축 하중이 작용하였을 때 기하학적 비선형을 고려한 정적해석을 수행하였으며, 탄성계수는 200GPa, 포아송비는 0.3의 입력값을 적용하였다. 기하학적 비선형 특성을 반영하기 위해 디스크 스프링 상단에 등분포로 하중의 크기를 점진적으로 증가시켜가며 단계별 해석을 실시하여 각 단계별 처짐 및 응력을 도출하였다. 유한요소해석에는 MIDAS GEN 프로그램을 사용하여 3차원 해석을 수행하였으며 저면 지지점에서의 마찰은 없는 것으로 가정하였다. Figs. 4와 5에는 디스크 스프링의 표준 단면과 해석모델의 응력분포도를 각각 나타내었다. 또한 Table 6에는 디스크 스프링의 제원 및 해석 결과를 나타내었으며, Fig. 6에는 결과 그래프를 나타내었다.

디스크 스프링의 외부 직경이 60mm, 80mm 및 100mm인 경우에 대하여 두께와 높이 등을 다르게 하여 해석을 수행한 결과 응력은 하중이 가해지는 상단을 중심으로 크게 나타났으며 중심부에서 멀어질수록 그 크기는 감소하는 경향을 나타내었다. 또한 하중의 증가에 따라 변위가 증가할수록 기하학적 비선형의 영향이 증가하여 강성이 저하하는 특성을 나타내었다. 동일한 내경과 외경을 갖는 디스크 스프링의 경우에는 두께가 증가할수록 하중 저항력이 증가하였으며 높이가 크면서 두께가 작은 경우 기하학적 비선형에 의한 강성 기여가 증가하는 것으로 나타났다.

Fig. 4 Standard drawing of disc spring

Fig. 5 Stress distribution of disc spring

Fig. 6 Analysis results of load-displacement

Table 6 Specifications and analysis results

Model No.	Specification					Analysis result
	De	Di	t	l0	h0	at δ=0.25h0		at δ=0.5h0		at δ=0.75h0
						Displ.(mm)	Load (N)	Displ.(mm)	Load (N)	Displ.(mm)	Load (N)
015 700	60	30.5	2.5	4.3	1.8	0.45	3,772	0.900	6,804	1.340	9,339
015 800	60	30.5	3.0	4.7	1.7	0.425	5,476	0.850	10,137	1.275	14,295
015 900	60	30.5	3.5	5.0	1.5	0.375	6,900	0.750	13,126	1.125	18,853
018 739	80	41.0	2.25	5.2	2.95	0.738	3,739	1.475	5,879	2.213	7,061
016 935	80	41.0	3.0	5.3	2.3	0.575	4,543	1.150	8,070	1.725	10,953
018 674	80	41.0	4.0	6.2	2.2	0.550	8,769	1.100	16,270	1.650	22,874
018 100	80	41.0	5.0	6.7	1.7	0.425	11,445	0.850	22,081	1.275	32,041
018 938	100	51.0	2.7	6.2	3.5	0.875	4,644	1.750	7,333	2.625	8,801
018 939	100	51.0	3.5	6.3	2.8	0.700	5,502	1.400	9,653	2.100	12,926
018 940	100	51.0	4.0	7.0	3.0	0.750	8,496	1.500	15,027	2.250	20,330
017 123	100	51.0	5.0	7.8	2.8	0.700	13,655	1.400	25,015	2.100	35,303
016 832	100	51.0	6.0	8.2	2.2	0.550	16,609	1.100	31,838	1.650	46,135

3.3.2 디스크 스프링 압축 가력시험

디스크 스프링의 성능검증을 위해서 수치해석의 직경별 최대 두께의 디스크 스프링을 대상으로 압축가력시험을 수행하였다. 시험방법은 변위제어로 0.02mm/sec의 속도로 디스크 스프링이 완전히 압축될 때까지 압축 재하하는 방식을 적용하였다. 시험에 사용한 디스크 스프링과 시험체 셋팅은 Fig. 7에 나타내었으며, 시험결과는 Table 7과 Fig. 8에 나타내었다.

디스크 스프링의 압축가력 시험결과 모든 시험체는 시험 초기에 가력판과 디스크 스프링의 밀착과정에서 발생하는 접촉 문제로 강성이 작게 측정되었으나, 초기 이후에는 전반적으로 안정적인 거동을 나타내었다. 그러나 디스크 스프링의 허용변위값의 75%인 0.75h0를 넘어서는 경우 비선형성을 보이며 저항력을 상실하는 것으로 나타났다. 시험결과는 해석결과보다 큰 값을 나타냈으며, 외부직경이 커질수록 해석 결과와 큰 차이를 보였다. 이러한 결과는 디스크 스프링과 가력판 사이에 발생하는 접촉면과 마찰력에 의한 구속조건으로 인해 강성이 증가되었기 때문인 것으로 사료된다. 또한 해석모델에서는 재료의 비선형은 고려하지 않고 기하학적 비선형성만을 고려하였다. 특히 지름 60mm 디스크 스프링에서는 변위 0.75h0 이후에 기하학적 비선형 특성이 뚜렷이 나타나고 있다. 따라서, 디스크 스프링을 적용한 제품의 설계시에는 0.75h0의 값을 설계값으로 적용하는 것이 타당하다고 판단되며, 개발 제품의 설계시에는 디스크 스프링 허용변위값의 75%만을 설계값으로 사용하였다.

Fig. 7 Disc spring and test setup

Table 7 Compression test results of disc spring

Model No.	Analysis results						Test results
	at δ=0.25h0		at δ=0.5h0		at δ=0.75h0		at δ=0.25h0		at δ=0.5h0		at δ=0.75h0
	Displ. (mm)	Load (N)	Displ. (mm)	Load (N)	Displ. (mm)	Load (N)	Displ. (mm)	Load (N)	Displ. (mm)	Load (N)	Displ. (mm)	Load (N)
015 900	0.375	6,900	0.750	13,126	1.125	18,853	0.375	6,950	0.750	13,680	1.125	19,610
018 100	0.425	11,445	0.850	22,081	1.275	32,041	0.425	11,070	0.850	23,860	1.275	36,100
016 832	0.550	16,609	1.100	31,838	1.650	46,135	0.550	16,380	1.100	35,900	1.650	56,800

Fig. 8 Comparison of analysis results and test results

4.1 다중 마찰댐퍼의 지압력 시험

마찰댐퍼는 마찰면에 가해지는 지압의 크기에 따라 마찰력이 결정되기 때문에 토크렌치에 의해 가해지는 압력에 따른 마찰력을 확인할 필요가 있다. 이에 본 연구에서는 토크 값의 변화에 따른 마찰력의 변화를 확인하였다.

볼트의 토크에 따른 마찰력 시험은 댐퍼의 이력거동을 통하여 확인하였으며, 전자식 토크렌치를 사용하여 200, 300, 500, 700N·m를 순차적으로 가력 한 후 각각의 이력거동 시험을 통해서 마찰력을 확인하였다.

시험 결과 토크값 200N·m에서는 약 85kN의 마찰력이 발생하였고, 300N·m에서는 123kN, 500N·m에서는 200kN, 700N·m에서는 287kN의 마찰력이 발생하는 것으로 나타났다. 즉, 토크값과 마찰력에 대한 데이터로 정리하면 거의 선형에 가까운 증가 그래프 결과를 보여 다중 마찰댐퍼는 토크값의 변화에 따라 선형적인 마찰력 변화를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 결과로부터 추후 구조물의 특성에 맞춰 마찰댐퍼의 성능을 조절할 수 있으며, 정기적인 토크렌치에 의한 볼트의 토크값 확인으로 마찰댐퍼의 성능 점검이 가능할 것으로 판단된다. 또한 구조물의 개·보수 등에 의해 구조물의 형상 및 조건이 바뀌어도 간단한 토크값 조절로 구조물에 적합한 용량으로 변경이 가능하여 매우 효율성이 높을 것으로 판단된다. Fig. 9는 토크 값에 따른 댐퍼의 마찰력 변화 그래프를 보여주고 있다.

Fig. 9 Graph result of frictional force to torque change

4.2 다중 마찰댐퍼의 지진하중 시험

건축물 내진설계기준인 KDS 41 17 00 ^{(MOLIT, 2019)}에서는 감쇠장치에 대한 시험 항목을 규정하고 있으며, 지진하중시험의 경우 최대 고려지진 시 예상되는 장치변위의 0.33배 10회, 0.67배 5회, 1.0배 3회를 반복재하 하여 성능을 검증하도록 하고 있으며, 모든 반복재하로부터 산정된 각각의 평균치의 오차가 15%미만으로 요구하고 있다. 이는 국내 뿐만 아니라 ASCE/SEI 7-10에서도 동일한 기준을 제시하고 있다. 이에 따라 본 연구에서는 개발된 다중 마찰댐퍼에 대한 반복시험을 수행하고 이를 통해 성능을 검증하고자 한다.

실험에 사용된 다중 마찰댐퍼는 UHMWPE 마찰재와 외경 80mm (Model. 018 100)의 디스크 스프링을 적용하였으며, 토크값 500N·m을 도입하였다. 제작된 마찰댐퍼는 설계용량 200kN, 설계변위 ±40mm를 갖도록 하였으며 마찰댐퍼의 설계변위의 1/3수준에서 10회, 2/3수준에서 5회, 설계변위에서 3회 반복재하 한 실험조건에 따라 정현시험을 수행하였다. Table 8은 다중 마찰댐퍼의 실험 조건을 나타내고 있으며, Fig. 10과 Table 9에는 변위에 따른 반복이력 곡선 결과를 나타내었다.

설계변위 1/3 수준에서 10회 반복재하 시험을 수행한 결과, 원점에서의 평균하중은 256.2kN, 평균 최대하중 305.3kN, 평균 에너지 소산능력은 9,896.5kN․m로 나타났으며, 반복 허용오차는 10.37%, 에너지소산 변동성은 약 7%로 나타났다. 설계변위 2/3 수준에서 5회 반복재하 시험을 수행한 결과, 원점에서의 평균하중은 235.6kN, 평균 최대하중 296.4kN, 평균 에너지 소산능력은 21,798.2kN․m로 나타났으며, 반복허용오차는 4.32%, 에너지소산 변동성은 약 2.44%로 나타났다. 설계변위인 ±40mm에서 3회 반복재하 시험 결과는 원점에서의 평균하중 232.9kN, 평균 최대하중 299.5kN, 평균 에너지 소산능력은 34,231.3kN․m로 나타났으며, 반복허용오차는 3.68%, 에너지소산 변동성은 약 6.97%로 나타났다. 전체적으로 측정된 최대하중은 반복재하 시험 시 발생하는 장비의 기계적인 영향으로 스틱슬립(Stick-slip)현상이 과도하게 발생하여 높게 측정된 것으로 판단되며, 반복 허용오차도 상대적으로 크게 발생하는 것으로 나타났다. 또한 모든 실험에서 반복 횟수가 증가할수록 최대하중과 에너지 흡수능력이 증가하는 것으로 나타났다.

반복 허용오차는 변위가 증가함에 따라 감소하는 경향을 보였으며, 설계 변위에서의 실험값이 가장 작은 오차를 보였다. 모든 시험에서의 반복허용 오차는 설계기준에서 요구하는 15% 미만의 값을 갖는 것으로 나타났으며, 이러한 결과는 설계기준에서 요구하는 제진장치로서의 요구조건을 만족하는 것으로 나타났다.

에너지 흡수능력은 변위가 커짐에 따라 증가하였으며, 반복 횟수가 증가할수록 안정화되는 경향을 보였다. 반복 재하 시 측정된 최대, 최소 값의 편차는 약 5% 수준으로 이력곡선의 대칭성도 우수한 것으로 나타났으며, 마찰댐퍼의 특성인 사각형 이력거동을 보여주고 있다. 이러한 결과로부터 동일용량 설계 시 원형 및 마름모 형상의 이력거동을 보이는 다른 댐퍼에 비해 가장 우수한 에너지 흡수능력을 갖는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 10 Experimental result curves according to displacement