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문제 정의
- 본 연구에서는 전단벽 시스템 커플링보의 내력조절이 가능하고 소성변형능력을 향상시키기 위해 강재이력댐퍼를 커플링보에 적용하였다. 그리고 강성 및 변형능력을 확보하여 댐퍼의 효율성을 향상시키기 위한 강재이력댐퍼의 형상을 제안하였다. 정적실험을 통해 강재이력댐퍼의 구조적 특성을 분석하고, 해석을 통해 강재이력댐퍼의 최적 형상비와 설계식을 제안하고자 한다.
- 본 연구에서는 전단벽시스템의 연성능력 및 내진성능을 향상시키기 위해 커플링보에 적용할 수 있는 강재이력댐퍼의 형상을 제안하였다. 정적실험을 통해 본 연구에서 제안한 강재이력댐퍼의 구조성능을 검증하였고, 해석을 통해 설계 형상 비의 범위 및 설계식을 제안하였다.
- 그리고 강성 및 변형능력을 확보하여 댐퍼의 효율성을 향상시키기 위한 강재이력댐퍼의 형상을 제안하였다. 정적실험을 통해 강재이력댐퍼의 구조적 특성을 분석하고, 해석을 통해 강재이력댐퍼의 최적 형상비와 설계식을 제안하고자 한다.
가설 설정
- 강재이력댐퍼에 사용된 강종은 SN490이며 인장실험 결과를 그림 12에 나타내었다. 인장실험을 통해 얻어진 결과값은 인장력이 작용하는 동안 강재의 단면적이 일정하다고 가정하여 산정된 값이다. 따라서 포아송비에 의한 단면적의 감소를 고려하여 진응력-로그변형률 값을 나타내었으며, 해석 시 이 값을 이용하여 해석 물성치를 입력하였다.
제안 방법
- (1) 강재이력댐퍼는 두 개의 강재댐퍼를 직렬로 연결한 형상으로 제안하였다. 강재이력댐퍼의 정적실험결과, 방추형의 안정적인 이력특성을 나타내었고, 에너지 흡수능력을 상대적으로 평가하는 누적소성변형배율은 71.
- 실험에서 얻어진 결과와 예비해석을 통한 결과를 비교하여 해석의 신뢰성을 검증하였다. 그리고 본 연구에서 제안한 강재이력댐퍼의 설계근사식을 제안하기 위해 해석에서 얻어진 결과를 이용하여 폭길이비에 따른 초기강성, 변형능력, 응력분포 등을 분석하였다.
- 기존에 사용되는 슬릿댐퍼와 본 연구에서 제안한 강재댐퍼의 구조특성을 비교하고, 본 연구에서 제안한 강재이력댐퍼의 설계 근사식을 제안하기 위해 유한요소 해석을 수행하였다. 실험에서 얻어진 결과와 예비해석을 통한 결과를 비교하여 해석의 신뢰성을 검증하였다.
- )이다. 댐퍼의 길이 Ht는 420mm로 동일하며 댐퍼의 폭을 비율에 맞춰 54, 60, 80, 88mm로 설계하였다. 이때 댐퍼의 두께는 22mm로 2열로 배열하여 설계하였다.
- 인장실험을 통해 얻어진 결과값은 인장력이 작용하는 동안 강재의 단면적이 일정하다고 가정하여 산정된 값이다. 따라서 포아송비에 의한 단면적의 감소를 고려하여 진응력-로그변형률 값을 나타내었으며, 해석 시 이 값을 이용하여 해석 물성치를 입력하였다.
- 4, 4가지 형상을 적용시켰다. 본 연구에서 제안된 강재이력댐퍼를 비교 분석하기 위해 기존의 슬릿댐퍼를 동일한 조건으로 모델링하였으며, 각 모델의 상세는 표 3에 나타내었다. 제안한 강재 이력댐퍼의 설계 상세는 그림 17과 같다.
- 본 연구에서 제안하는 강재이력댐퍼는 초기강성을 증가시키기 위해 폭길이비가 큰 전단형 강재댐퍼를 적용하고 변형능력을 향상시키기 위해 전단형 강재댐퍼를 2단으로 구성한 형상이며 그림 6과 같다. 상하부 댐퍼가 독립적으로 거동하기 위해 강재댐퍼 사이에 중앙판을 설치하였고, 중앙판의 회전을 막기 위해 고정판과 중앙판 사이에 연결판을 설치하였다.
- 본 연구에서는 전단벽 시스템 커플링보의 내력조절이 가능하고 소성변형능력을 향상시키기 위해 강재이력댐퍼를 커플링보에 적용하였다. 그리고 강성 및 변형능력을 확보하여 댐퍼의 효율성을 향상시키기 위한 강재이력댐퍼의 형상을 제안하였다.
- 하부 고정보와 상부 가력보 사이에 시험체를 고정하고 강재이력댐퍼에 반복하중을 도입하기 위해 2,000kN용량의 엑츄에이터를 상부 가력보와 체결하였다. 엑츄에이터와 연결된 상부 가력형강의 들뜸 및 횡 변위를 방지 하기 위해 시험체 양 옆에 힌지를 설치하였고 각 사이클 별로 5mm 점증폭으로 가력하였다.
- 본 연구에서는 전단벽시스템의 연성능력 및 내진성능을 향상시키기 위해 커플링보에 적용할 수 있는 강재이력댐퍼의 형상을 제안하였다. 정적실험을 통해 본 연구에서 제안한 강재이력댐퍼의 구조성능을 검증하였고, 해석을 통해 설계 형상 비의 범위 및 설계식을 제안하였다. 그리고 정적실험과 해석의 결과를 비교․분석하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 여기서 식 (5)는 휨 항복내력 근사식이고 식 (6)은 전단 항복내력 근사식이다. 제안된 근사식은 슬릿댐퍼의 설계내력식과 동일하지만 유효 폭과 유효길이에 대해 고려하여 표현하였다.
- 강재이력댐퍼의 구조성능을 평가하기 위한 시험체 설치상황은 그림 11과 같다. 하부 고정보와 상부 가력보 사이에 시험체를 고정하고 강재이력댐퍼에 반복하중을 도입하기 위해 2,000kN용량의 엑츄에이터를 상부 가력보와 체결하였다. 엑츄에이터와 연결된 상부 가력형강의 들뜸 및 횡 변위를 방지 하기 위해 시험체 양 옆에 힌지를 설치하였고 각 사이클 별로 5mm 점증폭으로 가력하였다.
- 해석 시 사용된 모델은 댐퍼 길이(Ht)와 댐퍼 폭(B)의 비인 폭길이비를 변수로 설정하여 0.1, 0.2, 0.3, 0.4, 4가지 형상을 적용시켰다. 본 연구에서 제안된 강재이력댐퍼를 비교 분석하기 위해 기존의 슬릿댐퍼를 동일한 조건으로 모델링하였으며, 각 모델의 상세는 표 3에 나타내었다.
- 해석에 대한 신뢰성을 검증하기 위해 R-350 시험체와 동일한 크기로 모델링하여 예비해석을 수행하였다. 실험결과와 해석결과에서 얻은 하중-변형곡선을 그림 19에 나타내었고.
대상 데이터
- 강재이력댐퍼에 사용된 강종은 SN490이며 인장실험 결과를 그림 12에 나타내었다. 인장실험을 통해 얻어진 결과값은 인장력이 작용하는 동안 강재의 단면적이 일정하다고 가정하여 산정된 값이다.
- 11)를 사용하였다. 해석모델은 철골구조의 3차원 모델링에 자주 사용되고 있는 SOLID 95요소를 적용하였다. 해석에 사용된 물성치는 실제 실험결과와 동일한 조건으로 수행하기 위해 그림 12의 인장시험 결과를 진응력으로 환산한 값으로 입력하였다.
데이터처리
- 기존에 사용되는 슬릿댐퍼와 본 연구에서 제안한 강재댐퍼의 구조특성을 비교하고, 본 연구에서 제안한 강재이력댐퍼의 설계 근사식을 제안하기 위해 유한요소 해석을 수행하였다. 실험에서 얻어진 결과와 예비해석을 통한 결과를 비교하여 해석의 신뢰성을 검증하였다. 그리고 본 연구에서 제안한 강재이력댐퍼의 설계근사식을 제안하기 위해 해석에서 얻어진 결과를 이용하여 폭길이비에 따른 초기강성, 변형능력, 응력분포 등을 분석하였다.
- 해석은 유한요소 해석 프로그램인 ANSYS(Ver.11)를 사용하였다. 해석모델은 철골구조의 3차원 모델링에 자주 사용되고 있는 SOLID 95요소를 적용하였다.
이론/모형
- 그림 4는 오상훈 등에 의해 제안된 커플링보의 형상으로 커플링보 중앙에 강재이력댐퍼를 적용하였다. 강재이력댐퍼를 전단벽시스템에 적용할 경우, 연성능력과 내진성능을 향상시키기 위해 강재이력댐퍼에 요구되는 성능은 다음과 같이 제시되어 있다.
- 그림 15의 에너지 흡수량은 댐퍼의 내력 기여분이 포함되어 있어 소성변형능력을 직접적으로 평가하기 어렵다. 따라서 본 연구에서 에너지 흡수능력과 소성변형능력을 동시에 표현하기 위하여 누적소성변형배율을 이용하였다.
성능/효과
- (2) 본 연구에서 사용한 모델링 기법을 통해 예비해석을 수행한 결과, 해석값과 실험값을 비교하였을 때 내력은 10%, 강성은 15%의 차이로 유사한 경향을 나타내었다.
- (3) FEM 해석결과, 강성, 내력, 변형능력 등에서 기존의 슬릿댐퍼보다 본 연구에서 제안한 강재이력댐퍼가 크게 나타났다. 폭길이비가 클수록 초기강성과 내력은 증가되고 응력은 단부에서 집중된 반면, 폭길이비가 작을수록 초기강성과 내력은 저하되지만 응력의 분산효과로 인해 변형능력은 향상되었다.
- (4) 본 연구에서 제안된 설계근사식을 해석결과와 비교하였을 때 항복내력의 차이는 10% 미만으로 잘 대응하는 것으로 나타났다.
- 5배 더 크게 나타내었다. 각 해석모델에서 폭길이비가 클수록 소성변형배율과 누적소성변형배율은 감소하였고, 감소량은 R댐퍼가 S댐퍼에 비해 작은 것으로 나타내었다.
- (1) 강재이력댐퍼는 두 개의 강재댐퍼를 직렬로 연결한 형상으로 제안하였다. 강재이력댐퍼의 정적실험결과, 방추형의 안정적인 이력특성을 나타내었고, 에너지 흡수능력을 상대적으로 평가하는 누적소성변형배율은 71.4 ～105.6의 값을 나타내었으며, 폭길이비가 0.14에서 가장 우수한 것으로 나타났다.
- 초기강성과 내력은 폭길이비가 클수록 증가하는 것으로 나타났다. 그리고 동일한 폭길이비일 때, 슬릿댐퍼인 S댐퍼보다 본 연구에서 제안한 R댐퍼가 초기강성과 내력이 더 크게 나타났다. 이때 초기강성의 증가 추세는 폭길이비의 제곱에 비례하는 것으로 나타났다.
- 수평력 작용 시 강재댐퍼의 단부에서 인장 및 압축응력이 발생된다. 그림 9와 같이 1단의 강재댐퍼는 양단부의 4개소에서 응력이 발생하고, 본 연구에서 제안한 2단의 강재댐퍼는 두 개의 강재댐퍼 양단부의 8개소에서 응력이 발생하므로 1단의 강재댐퍼보다 응력을 부담하는 면적이 증가함에 따라 2단의 강재댐퍼는 1단의 강재댐퍼 보다 응력부담 면적이 증가하므로 변형능력이 증가할 것으로 예상된다.
- 추가된 해석범위는 폭길이비(B/Ht)이며 댐퍼길이(Ht)는 600mm로 설계하였다. 근사식으로 산정한 항복내력 값은 해석에서 얻은 항복내력 값에 비해 다소 작게 나타나는 결과를 보였으며, 값의 차이는 10% 내로 유사한 경향을 나타내었다.
- 9으로 나타났다. 누적소성변형배율은 폭길이 비가 클수록 증가하는 강성 및 내력과는 달리 E-R14 시험체에서 가장 크게 나타났다.
- 8배 더 크게 나타내었다. 또한, 누적소성변형배율도 R댐퍼가 S댐퍼에 비해 1.4~3.9배로 평균 2.5배 더 크게 나타내었다. 각 해석모델에서 폭길이비가 클수록 소성변형배율과 누적소성변형배율은 감소하였고, 감소량은 R댐퍼가 S댐퍼에 비해 작은 것으로 나타내었다.
- 각 해석 모델이 항복내력과 최대내력에 도달하였을 때 von-Mises stress를 표 6에 나타내었다. 모든 모델에서 수평력 작용 시 발생된 응력은 대각선 방향으로 인장응력과 압축응력이 대칭적으로 나타났다.
- 해석모델에서 폭길이비가 클수록 초기강성, 항복내력, 최대내력이 증가하는 반면 최대내력 시 변형은 감소하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 제안한 R댐퍼는 기존의 슬릿댐퍼인 S댐퍼에 비해 초기강성, 항복내력, 최대내력, 변형이 더 크게 나타났다.
- 슬릿댐퍼를 식(2)에 의한 항복내력과 해석에서 얻어진 항복내력 비로 표현하여 그림 27에 나타내었다. 슬릿댐퍼는 설계 값과 해석 값이 3% 미만으로 잘 대응되는 것으로 나타났다.
- 시험체의 하중-변형 곡선은 방추형의 형태로 안정적인 이력 거동을 나타내었다. 폭길이비가 클수록 시험체의 초기강성, 항복내력, 최대내력이 증가하는 것으로 나타났다. 하중-변형 곡선에서 얻어진 실험결과를 표 2에 나타내었다.
- (3) FEM 해석결과, 강성, 내력, 변형능력 등에서 기존의 슬릿댐퍼보다 본 연구에서 제안한 강재이력댐퍼가 크게 나타났다. 폭길이비가 클수록 초기강성과 내력은 증가되고 응력은 단부에서 집중된 반면, 폭길이비가 작을수록 초기강성과 내력은 저하되지만 응력의 분산효과로 인해 변형능력은 향상되었다.
- 실험과 해석의 구조특성을 표 4에 나타내었다. 항복내력과 최대 내력은 10%의 차이를 나타내고 해석결과에 비해 실험값이 더 크게 나타났다. 그러나 해석조건에서 힌지의 유격 등의 실험오차가 고려되지 않았기 때문에 초기강성의 경우 해석값이 실험값에 비해 15% 크게 나타났다.
- 하중-변형 곡선에서 얻은 시험체의 구조성능을 표 5에 나타내었다. 해석모델에서 폭길이비가 클수록 초기강성, 항복내력, 최대내력이 증가하는 반면 최대내력 시 변형은 감소하는 것으로 나타났다. 본 연구에서 제안한 R댐퍼는 기존의 슬릿댐퍼인 S댐퍼에 비해 초기강성, 항복내력, 최대내력, 변형이 더 크게 나타났다.
- 각 해석모델에 대한 FEM 해석결과로부터 얻은 하중-변형 곡선을 그림 20에 나타내었다. 해석모델의 하중-변형 곡선은 실험과 유사하게 방추형의 형태로 안정적인 이력거동을 나타내었다. 하중-변형 곡선에서 얻은 시험체의 구조성능을 표 5에 나타내었다.
후속연구
- 식(2)에 의한 항복내력 값은 해석 값에 비해 40% 작게 나타났다. 본 연구에서 제안한 강재이력댐퍼의 경우 단부보강면적이 슬릿댐퍼에 비해 크기 때문에 보강효과를 고려한 댐퍼의 유효폭과 유효길이에 대한 설계식이 필요하다.
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