3.1 실험 변수

강봉댐퍼의 변위의존성 평가를 위한 실험 변수는 댐퍼의 단면형상과 댐퍼 높이에 대한 지름 또는 폭에 대한 형상비(Aspect ratio, AR)이다. Table 1에 실험체 일람을 나타내었다.

SS 275 강종을 사용한 기본 실험체는 원형단면이고, 댐퍼 높이 260mm, 지름 19mm인 R19-C이다. 이를 기반으로 정사각형 단면(16.8×16.8mm) R19-S, 직사각형 단면(23.6×12mm) R19-R 실험체를 제작하였다. 그리고 이들의 단면적은 거의 동일하게 제작하였다. 또한 댐퍼 지름 15mm의 경우도 평가하기 위하여 원형단면 R15-C와 정사각형단면 R15-S를 제작하였다. 형상비 평가를 위한 댐퍼 높이 200mm인 R19-C-200를 포함한 총 6개의 실험체를 제작하였으며, 평가 변수는 다음과 같다.

① 단면형상 : R19-C, R19-S, R19-R, R15-C, R15-S

② 형상비 13.7 : R19-C, R19-S, R19-R

형상비 17.3 : R15-C, R15-S

형상비 10.5 : R19-C-200

댐퍼 제작은 연결판과 댐퍼를 각각 만들어 연결판에 홈을에 내어 댐퍼를 용접하는 것으로 Fig. 4와 같이 제작이 쉽고 빠른 방법을 적용하였다. 이상과 같이 제작된 댐퍼 상세를 Fig. 5에 나타내었으며, 원형단면은 시중에서 구입하는 재료의 품질을 확신할 수 없어서, 20mm 강판을 원형으로 밀링 가공하여 제작하였다. 이는 시중에서 소량의 SS275 강종을 구입하기 어렵고, 재생 강재도 있어서, 규격에 의한 재료적 물성을 확보하기 위함이다.

Fig. 4 Manufacturing detail of damper

Fig. 5 Details of specimens

3.2 재료 시험

^Lee(2020)의 연구결과에 의하면 댐퍼용 강재를 소량 구입하는 것은 강재의 재료적 특성을 확보할 수 없는 것으로 평가되었다. 이를 근거로 본 연구에서는 밀 시트를 확인하고 재료를 구입하였다. 사용 강종은 SS 275, 20mm 두께의 강판을 사용하였다. 20mm 두께 강판은 연결부를 제작하는데 사용하였으며, 지름 19mm, 15mm 댐퍼는 20mm 두께의 강판을 밀링 가공하여 사용하였다. 따라서 재료 시험은 20mm 두께의 강판 및 지름 19mm, 15mm 댐퍼로 구분하여 진행하였다.

지름 19mm, 15mm의 강봉 인장 시험은 KS B 0801의 강봉 2호 시험편을 사용하여 각 3개씩 제작하였다. 15mm 강봉의 평균 항복강도는 329MPa, 인장강도는 453MPa로 평가되었다. 또한 19mm 강봉의 평균 항복강도는 331MPa, 인장강도는 432MPa로 평가되었다. 20mm 두께의 강판 인장 시험은 KS B 0801의 14B호 시험편을 사용하여 3개씩 제작하였다. 재료 시험 결과 평균 항복강도는 325MPa, 인장강도는 451MPa로 평가되었다. 이로부터 본 연구에 사용한 강종은 KS 규격의 항복강도(265MPa이상) 및 인장강도(415~550MPa)에 적합한 것으로 평가되었다.

3.3 성능 실험

변위의존성 실험은 Fig. 6에 나타낸 것과 같이, 500kN의 엑츄에이터를 수평으로 가력하는 방법으로 진행하였다. 가력 싸이클은 KDS 41 07 00의 지진하중실험에 근거하여 진행하였다. 본 연구에서는 내진 특등급인 학교시설을 대상으로 하여, 1층 높이 3.3m에 대한 허용층간변위각 1%(33mm)를 최대변위로 설정하였다. 예상 최대변위의 0.33배를 10회, 0.67배를 5회, 1.0배를 3회 반복재하하였으며, 가력 곡선은 Fig. 7과 같다.

실험과 동시에 강봉댐퍼 상단 중단 하단에 스트레인 게이지를 설치하여 변형도를 측정하였으며, 댐퍼 수직방향으로 2개의 LVDT, 수평방향으로 또한 2개의 LVDT를 설치하여 댐퍼의 변형을 측정하였다.

Fig. 6 Setting plan

Fig. 7 Loading history

3.4 실험 결과

지름 19mm 원형단면 강봉댐퍼 R19-C의 하중-변위 곡선을 Fig. 8(a)에 나타내었다. Fig. 7의 가력 곡선에 따른 정·부가력에 따라 인장과 압축을 교대로 받으면서 실험이 진행되었다. 최대 정가력 변위 33mm일 때 하중은 4.23kN, 부가력 변위 –33mm일 때 하중은 –4.46kN으로 평가되었으며, 댐퍼의 큰 손상 없이 변위위존성 평가가 진행되었다. 정사각형단면 강봉댐퍼 R19-S의 하중-변위 곡선을 Fig. 8(b)에 나타내었다. 최대 정가력 변위 33mm일 때 하중은 4.12kN, 부가력 변위 –33mm일 때 하중은 –4.31kN으로 평가되었으며, 댐퍼의 큰 손상 없이 변위위존성 평가가 진행되었다. 직사각형단면 강봉댐퍼 R19-R의 하중-변위 곡선을 Fig. 8(c)에 나타내었다. 최대 정가력 변위 33mm일 때 하중은 5.39kN, 부가력 변위 –33mm일 때 하중은 –6.12kN으로 평가되었다. Fig. 9에 나타낸 R19-R 실험체의 실험 종료 상황과 같이 댐퍼의 큰 손상 없이 변위위존성 평가가 진행되었다.

지름 15mm 원형단면 강봉댐퍼 R15-C의 하중-변위 곡선을 Fig. 10(a)에 나타내었다. 최대 정가력 변위 33mm일 때 하중은 2.70kN, 부가력 변위 –33mm일 때 하중은 –1.66kN으로 평가되었으며, 댐퍼의 큰 손상 없이 변위위존성 평가가 진행되었다. 정사각형단면 강봉댐퍼 R15-S의 하중-변위 곡선을 Fig. 10(b)에 나타내었다. 최대 정가력 변위 33mm일 때 하중은 2.45kN, 부가력 변위 –33mm일 때 하중은 –2.53kN으로 평가되었다. 또한 형상비 10.5인 R19-C-200의 하중-변위 곡선을 Fig. 11에 나타내었다. 최대 정가력 변위 33mmm일 때 하중은 6.43kN, 부가력 변위 –33mmm일 때 하중은 –6.50kN으로 평가되었으며, 댐퍼의 큰 손상 없이 변위위존성 평가가 진행되었다.

형상비 10.5인 R19-C-200의 하중-변위 곡선을 Fig. 11에 나타내었다. 최대 정가력 변위 33mm일 때 하중은 6.43kN, 부가력 변위 –33mmm일 때 하중은 –6.50kN으로 평가되었으며, 댐퍼의 큰 손상 없이 변위위존성 평가가 진행되었다.

Fig. 8 Load-displacement curve of R19-C, R19-S, R19-R

Fig. 9 Final figure of R19-R

Fig. 10 Load-displacement curve of R15-C, R15-S

Fig. 11 Load-displacement curve of R 19-C-200

3.5 변위의존성 평가

KDS 41 17 00(건축물내진설계기준)에서 제시하는 변위의존형 제진장치의 적합 기준은 본 논문의 2장에 기술한 조건 (가), (나), (다)와 같다. 조건 (가)는 변위 원점(제로 변위)에서 하중이 모든 하중값이 평균의 15%이하 이어야 하고, 조건 (나)는 최대 변위에서 하중이 모든 하중값 평균의 15%이하 이어야 하고, 조건 (다)는 하중-변위 이력 곡선 면적이 평균치 면적의 15% 이하이어야 하는 것이다. Table 2에 최대변위 33mmm 경우, 6개 실험체의 변위의존성 적합기준 (가), (나), (다)를 정리하였다. 그 결과 평균치의 15%이하로 평가되어 적합 기준을 만족하는 것으로 판단된다.

4.1 하중-변위 곡선 및 최대하중

3장의 변위의존성 평가 결과는 적합한 것으로 평가되었기에, 댐퍼의 단면형상 및 형상비에 대한 평가를 하중-변위 곡선을 대상으로 진행하였다. Fig. 12에 지름 19mm인 강봉댐퍼의 단면형상별 하중-변위곡선을 나타내었다. 원형단면인 R19-C와 정사각형 단면인 R19-S의 이력 거동은 거의 유사한 반면, 가력 방향으로 길이가 긴 직사각형 단면인 F19-R의 강도 능력이 다소 큼을 확인할 수 있었다.

Fig. 13에 지름 15mm인 강봉댐퍼의 단면형상별 하중-변위 곡선을 나타내었다. 이 경우 단면형상은 원형 및 정사각형으로 제한하였다. 정가력시는 원형단면이, 부가력시는 정사각형단면의 하중 능력이 좋음을 확인할 수 있었다. 그렇지만 실제 차이는 최대 0.87kN으로 중요한 특성이 발현되지 않은 것으로 판단된다.

형상비에 따른 최대하중을 비교하기 위하여 Fig. 14에 형상비별 최대하중을 정리하였다. 여기서 최대하중은 정·부 가력시 하중의 평균치이며, 형상비 13.7은 댐퍼 높이가 260mm, 지름이 19mm인 경우이다. 또한 형상비 17.3은 댐퍼 높이가 260mm, 지름이 15mm인 경우이며, 형상비 10.5는 댐퍼 높이가 200mm, 지름이 19mm인 경우이다. 본 비교에서는 실험체 개수가 적어 단면형상은 동일하다고 보고 평가를 진행하였다. 그 결과, 형상비가 커질수록 최대하중이 선형적으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 14에 나타낸 회귀분석에 의한 신뢰도 지수(R2)가 0.89로 산정되어, 선형적으로 최대강도를 산정할 수 있는 것으로 판단된다. 그렇지만 향후 많은 실험결과의 보완이 필요한 것으로 판단된다. 이상의 결과로부터 강재댐퍼 사용시 강도와 변형능력의 증진이라는 측면에서 형상비를 적절히 활용할 수 있는데, 본 연구에서는 형상비 13.7이 적절한 강도 및 변형능력을 보유한 것으로 평가되었다.

Fig. 12 Load-displacement curve comparison of R19-C, R19-S, R19-R

Fig. 13 Load-displacement curve comparison of R15-C, R15-S

Fig. 14 Max. load comparison by aspect ratio

4.2 에너지소산능력

형상비에 따른 누적 에너지소산능력을 평가하기 위하여 Fig. 15에 6개 실험체 형상비별 에너지소산면적을 정리하였다. 본 비교에서는 실험체 개수가 적어 단면형상은 동일하다고 보고 평가를 진행하였다. 형상비 10.5인 R19-C-200의 에너지 소산능력이 5,254 kN·mm로 가장 우수한 것으로 평가되었다. 이는 타 실험체 댐퍼 높이 260mm에 비해, 높이가 200mm이므로 동일 변위에 대한 강도저항능력이 크게 평가된 것에 기인한 것으로 판단된다. 이후 형상비 13.7 및 10.5로 갈수록 선형적으로 에너지소산능력이 감소하는 것으로 평가되었다. Fig. 15에 나타낸 회귀분석에 의한 신뢰도 지수(R2)가 0.85로 산정되어, 선형적으로 에너지 소산능력을 산정할 수 있는 것으로 판단된다. 그렇지만 향후 많은 실험결과의 보완이 필요한 것으로 판단된다.

Fig. 15 Energy dissipation area comparison by aspect ratio

4.3 댐퍼 변형도

본 연구의 성능실험 진행시 Fig. 16에 나타낸 것과 같이 댐퍼의 상단, 중단, 하단에 스트레인 게이지를 설치하여 변위 이력에 따른 변형도를 측정하였다. 그 결과 상단의 변형도는 매우 크게 측정되었는데 중단의 변형도는 항복하지 않은 것으로 평가되었다. 하단의 변형도는 상단과 유사한 경향을 나타내었다. 이를 수치적으로 확인하기 위하여 최대변위 33mmm 가력시 상단부 변형도를 Table 3에 나타내었다. 이에 의하면 형상비 13.7인 원형단면 R19-C와 직사각형단면 R19-R이 큰 변형도를 나타내었다. 또한 타 실험체보다 단면적이 적은 형상비 17.3인 R15-C, R15-S는 가력변위 33mm일 때 강도가 낮게 평가되어 이에 따른 낮은 변형도를 나타내었다. 또한 댐퍼 높이가 200mm인 형상비 10.5인 R19-C-200도 변형도도 낮게 평가되었다. 이상으로부터 적정한 강봉댐퍼의 형상비는 13.7, 즉 댐퍼 높이가 260mm이고, 지름 19mm와 이와 동등한 단면적을 가지는 댐퍼의 변형 능력이 우수한 것으로 판단된다.

Fig. 16 Attachment of strain gauge