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문제 정의
- 그러나 현재 국내에서 적용되고 있는 강재댐퍼의 형태에 관한 거동 특성 및 재료 특성에 대한 실험적 연구는 매우 부족한 실정이다. 따라서 본 연구의 목적은 강재댐퍼에 형성되는 슬릿 형상이 강도 및 변형 능력에 미치는 영향을 평가하는데 있다.
제안 방법
- 실험체 가력방법은 Fig. 3과 같은 변위각으로 표현된 변위증분 반복이력방식을 적용하여 실험체가 항복 후 파괴가 발생하여 더 이상 하중에 저항하지 않는 순간까지 반복가력하였다.
대상 데이터
- 실험체는 재질 SS400의 강재를 사용하여 계획된 실험체 형상과 조건이 만족되도록 제작하였으며, 실험 변수는 Table 2와 같으며, 스트럿 폭 30mm를 갖는 대표적인 강재댐퍼의 형상 및 치수는 Fig. 1과 같다. Table 2의 실험체 명에서 I, S는 실험체의 슬릿 형상, 270, 200, 140은 스트럿 높이, 90, 70, 60, 50은 스트럿의 수평 기준선에 대한 각도를 나타낸다.
- 재료시험을 위한 3개의 시편을 제작하였으며, 시험결과 재료의 특성값은 Table 1과 같다.
데이터처리
- 5kN으로 평가되었다. 이 때 사용된 강재의 강도는 재료실험 결과의 평균값을 적용하였다. Fig.
성능/효과
- (1) 강재댐퍼의 스트럿 높이가 작을수록 각 단계별로 항복강도는 최대 79%, 최대강도는 최대 73%, 강성은 최대 109% 증가하는 것으로 평가되었다.
- (2) Fig. 4 및 Fig. 10에서 강재댐퍼의 스트럿 높이가 커질수록 매 부재각별 강성저하의 변화폭이 줄어들고 파괴시까지의 부재각이 증가하는 것으로 나타났고, Fig.12에서 연성능력은 스트럿 높이가 큰 댐퍼가 우수한 것으로 평가되었다.
- (3) 에너지소산능력은 스트럿 높이가 커질수록 변형능력이 커져 우수한 것으로 평가되었으며, H/W 비 9.0에서는 스트럿 각도 70°, H/W 비 6.67 및 4.67에서는 스트럿 각도 60°인 경우가 우수한 것으로 평가되었다.
- (4) 강재댐퍼는 설치되는 구조물보다 크지 않는 적절한 항복강도, 높은 강성, 큰 연성이 요구되며, 이를 기준하여 본 연구에서 분석된 결과, 높이 200mm 각도 60°의 S형 강재댐퍼가 형상적으로 가장 우수한 것으로 나타났다.
- (5) 기존 항복강도 산정식을 이용한 내력과 실험결과를 비교한 결과, 10~70% 범위에서 실험결과가 높게 평가되는 것으로 나타났다. 따라서 현재 사용되고 있는 내력식을 발전시켜 강재댐퍼의 형태적인 변수로써 폭-두께 비, 높이-폭 비, 형태에 따른 소성항복부 수, 스트럿의 각도 등이 고려된 설계식의 제안 등을 위한 보완연구가 필요한 것으로 판단된다.
- 7은 스트럿 형태별로 항복강도와 최대강도의 변화를 나타낸다. 댐퍼의 항복강도와 최대강도는 모두 스트럿 높이가 낮아질수록 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 스트럿 높이가 낮아지면서 스트럿의 거동이 휨소성저항 거동에서 전단력저항 거동(Shear yielding fracture, SP 거동)이 일정부분 기여하면서 변형에 대한 저항능력이 증가하기 때문인 것으로 판단할 수 있다. 특히, 스트럿 높이가 270mm에서 200mm으로 74% 감소할 때 강도는 평균 45%증가 하고, 높이 200mm에서 140mm으로 70% 감소할 때 강도는 평균 79% 증가하는 것으로 나타나 스트럿 높이의 감소비가 큰 만큼 반비례로 강도가 증가하는 경향을 알 수 있다.
- 동일한 H/W 비를 기준으로 분석하면, H/W 비 9.00과 6.67 댐퍼의 경우 스트럿 각도가 작아질수록 같은 변위단계에서 소산된 에너지 값이 감소하다가 최종 50°에서 약간 증가하는데 반하여, H/W 비 4.67 댐퍼는 지속적으로 증가하고 있음을 확인할 수 있다.
- 따라서 2차 강성이 최소가 되는 댐퍼를 높이별로 분류하면, 높이 270mm에서는 70°의 S형, 높이 200mm에서는 S형 전체, 높이 140mm에서는 각도 50°의 S형 댐퍼가 낮게 나타났다.
- 또한, 변위단계별 에너지 소산능력은 H/W 비가 작아질 수록 커지는 반면에, 최종파괴까지의 변위단계 수는 H/W 비가 커질수록 증가하는 것으로 나타나고 있는데, 이를 통해 스트럿은 H/W 비에 따라 거동의 차이가 있다는 것을 알 수 있다. 즉, 동일 변위단계에서 강재댐퍼에 누적된 에너지가 상대적으로 크다는 것은 단순히 강재의 저항이 일률적으로 한 가지 형태로만 발생하지 않고, 또 다른 저항형태가 있다고 판단할 수 있다.
- 스트럿 각도 90°의 Fig. 4 (a)에서 I형 강재댐퍼는 스트럿 높이 270mm인 경우 부재각 0.148 (40/270)일 때 최대하중에 도달한 후 내력저하로 파괴되었고, 높이 200mm인 경우 부재각 0.075일 때 최대하중에 도달한 후 부재각 0.100일 때 급격한 내력 저하가 발생되었으며, 높이 140mm인 경우 부재각 0.0714일 때 최대하중에 도달한 후 부재 각 0.107일 때 급격한 내력 저하가 발생되었다.
- 스트럿 높이에 따른 강도비의 증가는 H/W 비가 9.00에서 6.67로 감소할 때 1~14% 증가, H/W 비가 6.67에서 4.67로 감소할 때 20~40%까지 증가하는 것으로 나타났다. 특히 H/W 비가 4.
- 스트럿 높이에 따른 초기강성은 높이 270mm에서는 I형, 높이 200mm에서는 각도 60°의 S형, 높이 140mm에서는 각도 50°의 S형 댐퍼가 가장 높게 나타났다.
- 143일 때 급격히 내력이 저하되어 파괴되었다. 실험결과 전반적으로 스트럿 높이가 낮을수록 최대하중은 높게 나타났으나, 파괴까지의 반복가력 횟수는 적어지는 것으로 나타났다.
- 이상과 같이 댐퍼의 초기강성과 2차 강성은 스트럿 높이가 짧아질수록 증가하는 것을 확인되었다.
- 이상의 분석결과, H/W 비 4.67의 댐퍼는 최대변위가 25mm로 나타났으며, I형 댐퍼를 제외한 H/W 비 6.67, H/W 비 9.0의 댐퍼는 최대변위가 40mm~50mm 될 때까지 댐퍼의 강성을 유지하는 것으로 나타났다.
- 이와 같이 슬릿형 강재댐퍼에 누적된 에너지소산능력은 Fig. 11에서 I형 댐퍼보다 S형 댐퍼가 우수한 것으로 나타나고 있으며, 특히 스트럿 높이가 낮을수록 스트럿 각도가 60°인 S형 댐퍼가 우수한 것으로 나타났다.
- 67 군으로 이동하면서 두 가지 특징이 발견된다. 첫째는 같은 변위단계를 기준하여 H/W 비가 낮을수록 소산된 에너지 값은 높아지고 있으며, 둘째로 댐퍼별 최대변위에서 소산된 최대에너지의 값은 작아지고 있다는 것이다.
- 댐퍼의 항복강도와 최대강도는 모두 스트럿 높이가 낮아질수록 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 스트럿 높이가 낮아지면서 스트럿의 거동이 휨소성저항 거동에서 전단력저항 거동(Shear yielding fracture, SP 거동)이 일정부분 기여하면서 변형에 대한 저항능력이 증가하기 때문인 것으로 판단할 수 있다. 특히, 스트럿 높이가 270mm에서 200mm으로 74% 감소할 때 강도는 평균 45%증가 하고, 높이 200mm에서 140mm으로 70% 감소할 때 강도는 평균 79% 증가하는 것으로 나타나 스트럿 높이의 감소비가 큰 만큼 반비례로 강도가 증가하는 경향을 알 수 있다. 따라서 댐퍼의 항복강도와 최대강도는 스트럿 높이 140mm인 경우가 가장 높게 나타났다.
후속연구
- (5) 기존 항복강도 산정식을 이용한 내력과 실험결과를 비교한 결과, 10~70% 범위에서 실험결과가 높게 평가되는 것으로 나타났다. 따라서 현재 사용되고 있는 내력식을 발전시켜 강재댐퍼의 형태적인 변수로써 폭-두께 비, 높이-폭 비, 형태에 따른 소성항복부 수, 스트럿의 각도 등이 고려된 설계식의 제안 등을 위한 보완연구가 필요한 것으로 판단된다.
- 이상과 같이 댐퍼의 실험결과에 따른 항복강도는 스트럿 높이 및 각도에 크게 영향을 받고 있는 것으로 판단할 수 있으며, 강재댐퍼의 항복강도는 실제 설계에 있어 매우 중요한 설계변수이므로, 향후 댐퍼 형상에 따른 항복강도 산정방법에 대한 보완연구가 필요한 것으로 판단된다.
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