송 용
(Yong Song)
1
이현호
(Hyun-Ho Lee)
2†
허무원
(Moo-Won Hur)
3
-
정회원, 동양대학교 건설공학과 박사과정
-
종신회원, 동양대학교 스마트건축공학과 교수, 교신저자
-
종신회원, 동양대학교 스마트건축공학과 조교수
Copyright © The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection
키워드
강봉댐퍼, 연결보, 성능 평가, 최대 강도
Key words
Steel rod damper, Coupling beam, Performance evaluation, Maximum strength
1. 서 론
구조형식 중 벽식아파트는 Fig. 1에 나타낸 것과 같이 병렬 전단벽과 이를 연결하는 연결(인방)보로 구성된 시스템이다. 이때 건축물에 작용하는 바람이나 지진 등의 횡하중으로 부터 발생하는
전도모멘트의 상당부분을 연결보(Coupling beam)의 커플링 작용에 의하여 벽체와 연결보의 골조작용으로 저항하게 된다.
콘크리트 내진설계기준(KDS 14 20 80 : 2021)의 4.7절 특수철근콘크리트 구조벽체와 연결보에서 정의하고 있는 세장비가 4.0 미만인 연결보는 대각선 다발철근으로 보강되도록 설계할 수 있다고 기술하고
있다. 그러나 특수구조에 있어서 연결보는 배근상세가 매우 복잡하여 시공 시 철근 조립 및 콘크리트 타설이 매우 어려운 실정이다. 국내에서는 시공이
복잡한 특수 전단벽 시스템을 보통 전단벽 시스템과 제진시스템을 적용한 공동주택 성능기반 설계를 적용하고 있다.
본 연구에서는 Lee(2023)의 연구결과에 근거하여 기존 플레이트형 강재댐퍼의 횡변형에 의한 성능 저하를 방지할 수 있는 강봉 댐퍼를 연결보에 적용 및 이에 대한 이력 거동 성능을
평가하고자 한다.
Fig. 1 Behavior of coupling shear wall and beams
2. 기존 연구 분석
Lee et al.(2017)은 Fig. 2와 같은 인방형 강재댐퍼의 구조성능에 대한 성능 평가 실험을 수행하였는데, 기존 RC 인방보와 제안한 인방형 강재댐퍼가 적용된 2개의 실험체를 변수로
하였다. 인방형 강재댐퍼 실험결과는 RC 대비 초기강성, 최대내력, 에너지소산능력이 각각 1.34배, 0.95배, 15.73배로 평가되어, 내진성능이
우수한 것으로 확인되었다.
Fig. 2 Details of lintel type damper
Qu et al.(2020)은 Fig. 3과 같은 병렬 전단벽의 연결보에 마찰댐퍼를 설치하여 변위이력에 대한 성능평가를 수행하였다. 이때 슬래브의 구속효과를 평가하기 위하여 연결부 상부에
슬래브를 타설하여 실험체를 제작하였다. 실험결과 마찰댐퍼의 횡하중 저감 효과와 슬래브 구속효과를 확인할 수 있었다.
Fig. 3 Test setup for coupling beam specimens by Qu et al. (unit : mm)
Li et al.(2022)은 Fig. 4와 같은 죄굴 방지용 강재와 점탄성댐퍼를 적용한 연결보에 대한 성능실험을 실시하였다. 실험 결과를 근간으로 설계 방법 제시 및 비선형 시간이력해석에
대한 응답 특성을 평가하였다.
Fig. 4 Proposed steel and viscous damping composite coupling beam by Li et al
3. 성능 실험
3.1 실험 계획
강봉 댐퍼의 연결보 적용성 평가를 위하여 Fig. 5와 같이 강봉댐퍼의 개수를 1개, 2개, 3개 및 4개인 경우에 대한 성능 실험 계획을 수립하였다. 강봉댐퍼는 Lee(2023)의 연구결과를 인용하여 SS 275 강종의 원형단면으로 제작하였다. 댐퍼 높이는 260 mm, 지름 19 mm이며, 실험체 일람은 Table 1과 같다.
Fig. 5 Details of specimen (unit : mm)
Table 1 Test specimen list
|
Name
|
Damper height & diameter [mm]
|
No. of damper
[ea]
|
Section area
[mm2]
|
|
R19-C-1
|
260, 19
|
1
|
283.4
|
|
R19-C-2
|
260, 19
|
2
|
566.8
|
|
R19-C-3
|
260 , 19
|
3
|
580.2
|
|
R19-C-4
|
200, 19
|
4
|
1,133.6
|
본 연구에 사용한 강봉은 품질확보를 위하여 사전 밀시트를 확인하고 구입하였다. 지름 19 mm의 강봉 인장 시험은 KS B 0801의 강봉 2호 시험편을
사용하여 3개씩 제작 및 시험하였다. 시험 결과, 평균 항복강도는 340.6 MPa, 평균 인장강도는 446.4 MPa, 평균 연신율은 31.4%로
평가되었다. 따라서 본 연구에 사용한 강종은 KS 규격의 항복강도(265 MPa이상) 및 인장강도(415~550 MPa)에 적합한 것으로 평가되었다.
3.2 성능 실험
연결보 적용 강봉댐퍼의 변위의존성 실험은 Fig. 6에 나타낸 것과 같이 500 kN의 엑츄에이터를 수평으로 가력하는 방법으로 진행하였다. 즉 연결보 중앙에 강봉댐퍼를 설치하고 횡하중 작용 시 강봉
댐퍼의 이력특성으로 평가하는 셋팅을 Qu et al.(2020)의 연구결과를 바탕으로 고안하였다.
Fig. 6 Setting plan (unit : mm)
가력은 Fig. 7과 같이 연결보 순경간(1,460 mm)을 기준으로 0.1 %, 0.3 %, 0.5 %, 1.0 %, 2.0 %, 2.5 %, 3.5 %, 5.0
% 및 7.0 % 까지 층간 변위비를 증가시키면서 가력하였다(Table 2 참조). 강성저하 및 에너지 소산정도를 충분히 파악하기 위하여 각 스텝 당 2 사이클씩 반복가력 하였다. 또한 강봉 댐퍼 별로 C-1, C-2 실험체에는
상단 중단 하단에 스트레인 게이지를 3개씩 설치하였고, C-3, C-4 실험체에는 상단 중단 하단에 스트레인 게이지 6개씩 설치하여 변형도를 측정하였다(Fig. 5참조). LVDT는 Fig. 6과 같이 6개를 설치하였다.
Table 2 Loading history
|
Cycle
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
|
Drift(%)
|
0.1
|
0.3
|
0.5
|
1.0
|
2.0
|
2.5
|
3.5
|
5.0
|
7.0
|
|
Displ.(mm)
|
1.46
|
4.38
|
7.30
|
14.60
|
29.20
|
36.50
|
51.10
|
73.00
|
102.20
|
3.3 실험 결과
3.3.1 RW19-C-1
Fig. 8 (a)에 지름 19 mm 강봉 1개를 적용한 RW19-C-1의 하중-변위 곡선을 나타내었는데, 정가력(+) 시 최대하중은 23.4 kN, 가력 변위 73.0
mm로 층간 변위비는 5.0 %로 나타났다. 부가력(-) 시 최대하중은 –21.1 kN, 가력 변위는 –73.0 mm로 층간 변위비는 정가력과 동일하게
5.0 %로 나타났다. Fig. 8 (b)의 최종 파괴에 의하면 강봉 댐퍼의 단부 손상으로 강재의 균열이 점차 증가하면서 하중의 증가 없이 변형이 증가하여 최종적으로 층간 변위비 5.0%에서
실험이 종료되었다.
Fig. 8 Test result of RW19-C-1
3.3.2 RW19-C-2
Fig. 9 (a)에 지름 19 mm 강봉 2개를 적용한 RW19-C-2의 하중-변위 곡선을 나타내었는데, 정가력(+) 시 최대하중은 29.1 kN, 가력 변위 73.0
mm로 층간 변위비는 5.0 %로 나타났다. 부가력(-) 시 최대하중은 –25.7 kN, 가력 변위는 –73.0 mm로 층간 변위비는 5.0 %로
나타났다. Fig.9 (b)의 최종 파괴에 의하면 강봉댐퍼와 연결판 사이의 용접부에서 균열이 발생하였고 강재의 균열이 점차 증가하여 하중의 증가 없이
변형이 증가하는 현상이 발생하여 층간 변위비 5.0%에서 실험이 종료하였다.
Fig. 9 Test result of RW19-C-2
3.3.3 RW19-C-3
Fig. 10 (a)에 지름 19 mm 강봉 3개를 적용한 RW19-C-3의 하중-변위 곡선을 나타내었다. 정가력(+) 시 최대하중은 33.2 kN, 가력 변위 73.0
mm로 층간 변위비는 5.0 %로 나타났다. 부가력(-) 시 최대하중은 –41.0 kN, 가력 변위는 –73.0 mm로 층간 변위비는 5.0 %로
나타났다. Fig.10 (b)의 최종 파괴는 강봉댐퍼와 연결판 사이의 용접부에서 균열이 발생하였고 층간 변위비 5.0%에서 실험이 종료하였다.
Fig. 10 Test result of RW19-C-3
3.3.4 RW19-C-4
Fig. 11 (a)에 지름 19 mm 강봉 4개를 적용한 RW19-C-4의 하중-변위 곡선을 나타내었다. 정가력(+) 시 최대하중은 40.6 kN, 가력 변위 73.0
mm로 층간 변위비는 5.0 %로 나타났다. 부가력(-) 시 최대하중은 –45.2 kN, 가력 변위는 –73.0 mm로 층간 변위비는 5.0 %로
나타났다. Fig.11(b)의 최종 파괴에 의하면 강봉 댐퍼와 연결판 사이의 용접부에서 균열이 발생하여, 강재의 균열이 점차 증가하여 하중의 증가
없이 변형이 증가하는 현상이 발생하여 층간 변위비 5.0%에서 실험이 종료하였다.
Fig. 11 Test result of RW19-C-4
4. 강봉 댐퍼의 성능평가
4.1 포락선
Fig. 12에 4개 실험체의 포락선을 나타내었다. 3장에서의 하중-변위 곡선과 같이 변위 73.0 mm(층간 변위비 5.0 %)에서 최대하중이 나타났다. 또한,
Table 3에 강봉 댐퍼의 실험결과 및 강봉 댐퍼 1개인 경우 최대 하중에 대한 상대비도 같이 나타내었다. 분석 결과 하중의 증가는 강봉 수량이 증가할수록 비례적은
아니지만, 선형적으로 증가하는 것으로 평가되었다.
Fig. 12 Envelope curve comparison
Table 3 Test results
|
Specimen
|
Positive maximum load (kN)
|
Negative maximum load (kN)
|
Positive ratio (C1)
|
Negative ratio (C1)
|
|
RW19-C-1
|
23.4
|
-21.1
|
1.00
|
1.00
|
|
RW19-C-2
|
29.1
|
-25.7
|
1.24
|
1.22
|
|
RW19-C-3
|
33.2
|
-41.0
|
1.42
|
1.94
|
|
RW19-C-4
|
40.6
|
-45.2
|
1.74
|
2.14
|
4.2 강성저하
Fig. 13에 정가력 시 각 실험체별 강성저하를 나타내었는데, 강봉 댐퍼 개수가 4개로 가장 많은 RW 19-C-4의 초기 강성이 4.03 kN/mm로 가장
크게 평가되었으며, 강봉 댐퍼 개수가 줄어들수록 RW 19-C-3, RW 19-C-2, RW 19-C-1의 초기강성은 각각 2.62 kN/mm, 2.28
kN/mm, 1.28 kN/mm로 평가되었다. 층간 변위비가 증가할수록 강성이 완만하게 저하되었는데, 초기강성이 가장 큰 RW 19-C-4의 강성저하가
가장 크게 나타났다. 이후 변위 21.9 mm (층간 변위비 2.0%)까지 강성이 저하되다가, 이후 거의 일정한 강성을 보유하는 것으로 평가되었다.
Fig. 13 Stiffness degradation comparison
4.3 에너지소산능력
Fig. 14에 정가력 시 각 실험체별 에너지소산면적을 나타내었다. 실험 종료 시인 최대 변위 73 mm (층간 변위비 5.0%)에 대하여 RW 19-C-1,
RW 19-C-2, RW 19-C-4, RW 19-C-4의 에너지소산면적은 각각 1,095, 1,301, 1,942, 2,304 kN·mm로 평가되었다.
최대강도 발현과 유사하게 강봉 댐퍼 개수 증가에 따른 에너지소산능력도 비례적으로 증진되는 것으로 평가되었다.
Fig. 14 Energy dissipation area comparison
4.4 최대강도 예측
강봉 댐퍼의 연결보 적용 성능 실험결과 댐퍼 개수에 맞춰 최대강도도 선형적으로 증가하는 것을 알 수 있었다. 이를 정량적으로 평가하기 위하여 정·부
하중의 평균값을 사용한 강봉댐퍼 개수 상관을 Fig. 15와 같이 평가하여 보았다.
Fig. 15 Max. load estimation by number of steel rod dampers
이에 의하면 댐퍼 개수가 1개에서 2개, 3개, 4개로 증가할 경우, 1개 대비 2개는 1.23배, 3개는 1.67배, 4개는 1.92배 증가하는
것으로 추정할 수 있었다. 최대강도와 댐퍼개수 상관 평가를 위한 회귀분석을 수행하였는데, 신뢰도 지수(R2)가 0.9859인 선형식이 산정되어, 연결보의
강봉 댐퍼 적용 실험에 근거할 경우, 강봉 댐퍼의 개수에 따른 최대강도는 식 (1)과 같이 예측 가능한 것으로 평가되었다.
여기서, $P_{\max}$는 최대 강도 (kN), $SRD_{n}$는 강봉댐퍼 개수이다. 그렇지만 이상의 결과는 4개 실험에 근거한 것이므로 향우
실험 변수 및 이론식과 제안식의 차이에 대한 보완 연구를 진행할 예정이다.
4.5 파괴양상 고찰
강봉 댐퍼는 스트럿 역할을 하는 강봉과 부재에 접합하기 위한 연결판을 용접하여 제작을 한다. 본 연구에서는 강봉의 단부를 테이퍼지게 개선하여 용접
살이 충분하도록 연결판과 용접하였다.
Fig. 16에 강봉 댐퍼 실험체의 강봉 단부 파괴양상을 확대하여 나타내었다. 강봉이 1개인 RW 19-C-1의 파괴양상은 용접 부위 파단이 아닌 강봉에서 부분
손상이 발생됨을 확인할 수 있었다. 강봉이 2개인 RW 19-C-2와 강봉이 3개인 RW 19-C-3와 강봉이 4개인 RW 19-C-3의 파괴양상은
응력이 집중된 용접 부위의 부분 파단과 강봉의 부분 손상이 발생됨을 확인할 수 있었다. 또한 댐퍼의 이력거동과 아울러 댐퍼 일부분이 끊어지는 파괴
양상을 확인할 수 있었다.
Fig. 16 Failure shape of specimens
5. 결 론
본 연구에서는 기존 연구결과를 근간으로 제작된 강봉댐퍼를 연결보에 적용하여, 댐퍼로서의 거동과 파괴양상을 평가하였다.
1) 단계별 하중-변위 곡선을 평가한 결과, 최대강도는 강봉 댐퍼 개수 증가에 따라 비례적으로 증가하지는 않지만 선형적으로 증가하는 것으로 평가되어,
실험 결과를 근간으로 강봉 댐퍼 개수에 따른 최대강도 예측은 가능한 것으로 판단된다.
2) 강봉 댐퍼 파괴양상 평가결과, 강봉과 연결부의 용접부위 내측으로 응력이 집중되어 파단되는 것으로 평가되었다, 따라서 본 연구에서 적용한 강봉과
연결부 용접으로 제작한 댐퍼의 품질은 적절한 것으로 판단된다.
3) 이상의 실험 결과는 제한된 개수의 평가에 의한 결과이므로, 향후 강봉 댐퍼의 댐퍼 개수 및 배열 등에 의한 보완 성능평가를 진행할 예정이다.
감사의 글
본 연구는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(2022R1F1A1063821, NRF- 2022R1I1A1A0106389911).
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