[논문]전단벽 제진시스템의 반복가력실험

안태상; 김영주; 김형근; 장동운; 최경규; 김종락

doi:10.7781/kjoss.2013.25.1.081

전단벽 제진시스템의 반복가력실험
Cyclic Test of Shear Wall Damping Systems 원문보기

韓國鋼構造學會論文集 = Journal of Korean Society of Steel Construction, v.25 no.1 = no.122, 2013년, pp.81 - 92

안태상 (DRB동일, 면진제진기술연구소) , 김영주 (DRB동일, 면진제진기술연구소) , 김형근 (SH공사, 도시연구소) , 장동운 (쌍용건설, 건축기술부) , 최경규 (숭실대학교, 건축학부) , 김종락 (숭실대학교, 건축학부)

초록
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기존 내진설계의 목적은 구조물의 갑작스런 피해로 인한 인명손실을 방지하는 것이다. 지난 수십년간 구조물의 내진성능을 향상시키기 위해서 효과적인 지진저항시스템을 개발하는 수많은 연구들이 진행되었다. 본 연구의 목적은 내진성능을 향상시킴과 동시에 지진 이후 보수가 편리하도록 하는 새로운 제진시스템을 제안하는데 있다. 제안된 제진시스템은 벽의 하부에 슬릿을 두고 제진장치가 수평으로 작동하도록 하여 지진에너지를 소산하도록 계획되었다. 제안된 시스템의 이력거동과 에너지소산능력을 조사하기 위해서 반복가력실험을 실시하였다. 실험결과는 제안된 시스템이 안정된 이력응답을 나타내며, 에너지의 소산은 제진장치에 집중되는 것을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

The objective of conventional seismic design is to ensure an acceptable safety level while avoiding catastrophic failures of structures and loss of life. Over the last many years, a large amount of research has been devoted into developing effective earthquake resistant systems in order to raise the seismic performance level of structures. The purpose of this study is to propose a new damping system, which realize not only increasing seismic performance but also easy repairing after an earthquake. The proposed damping system is slit in the bottom of wall with damping devices installed in the slit horizontally aiming to dissipate energy during earthquakes. Cyclic loading tests were conducted to investigate hysteretic behavior and energy dissipation capacity. Test results show that the proposed systems exhibit a stable hysteretic response and the energy dissipation in this system is concentrated on the damping devices.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 제진시스템은 지진하중 하에서 건물이 수평변형을 하게 되면 강도가 큰 벽체는 탄성거동을 하게 되고, 강성이 매우 크게 설계된 댐퍼가 상대적인 수평변위를 경험하면서 에너지를 흡수하도록 하는 시스템이다. 또한, 면진장치는 제진장치가 변형능력을 잘 발휘할 수 있도록 충분한 수평변형능력을 갖도록 계획하였다^[13]. 단, 제진장치가 안정적으로 거동하도록 하기 위해서 제진시스템의 상하부에 작용하는 모멘트나 전단력에 충분히 견디는 바닥시스템의 성능을 갖추어야 한다.
본 연구는 새로운 지진저항시스템인 전단벽 제진시스템을 제안하고, 반복가력 실험을 실시하여 댐퍼종류에 따른 이력특성 및 에너지소산능력을 평가하였다. 연구에 관한 주요결론은 아래와 같이 요약할 수 있다.
면진장치는 강판 및 고무로 구성된 적층고무와 상하단의 연결접합부로 구성되어 있다. 본 연구에서 사용되는 면진장치는 상부의 전단벽 자중을 받는 상태에서 큰 수평변형능력을 발휘하도록 계획되었다. 즉, 제진장치가 중력하중에 의한 영향을 받지 않도록 하면서 수평변형에 의한 에너지소산능력을 극대화도록 하는 장치로써, 수평강성은 작아야 한다.
본 연구의 목적은 새로운 지진저항시스템인 전단벽 제진시스템을 제안하고, 실험적으로 내진성능을 평가하는 것이다. 반복가력 실험을 실시하여 댐퍼종류에 따른 이력특성 및 에너지소산능력을 평가하였다.

가설 설정

댐퍼를 이상화하기 위해서 고정단부의 원형부분을 직선으로 가정하고, Benavent-Climent 등[15]의 연구를 참조하여 댐퍼요소의 유효길이(L')를 산출하였다.

제안 방법

7(b)에 상세가 표현되어 있다. FR실험체와 마찬가지로 철근콘크리트전단벽 하부의 중앙에 MEED댐퍼 2개가 설치되어 있고, 목표로 하는 항복내력이 100kN이 되도록 계획하였다. MEED01실험체는 FR03실험체와 이력특성 및 에너지소산능력을 비교하기 위해서 목표층간변형각을 2%로 설정하였다.
가력은 500kN 용량의 엑츄에이터를 사용하여 수평방향으로 가력하였다. 또한 면외방지지그를 상부에 설치하여 실험체의 면외방향 변형을 방지하도록 하였다.
마찰 패드는 크기가 60×30mm이며 두께가 3.3mm로 계획하였고, 목표하는 마찰내력을 발휘하도록 고력볼트에 장력을 도입하였다.
마찰댐퍼에서 슬롯홀은 120mm로 제작하여 마찰패드가 약 ±55mm의 상대변형을 할 수 있어서 목표하는 층간변형각을 잘 발휘하도록 계획하였다.
본 연구의 목적은 새로운 지진저항시스템인 전단벽 제진시스템을 제안하고, 실험적으로 내진성능을 평가하는 것이다. 반복가력 실험을 실시하여 댐퍼종류에 따른 이력특성 및 에너지소산능력을 평가하였다.
본 연구에서는 보다 직접적인 마찰댐퍼의 성능산정을 위해서 Fig. 9와 같이 기존의 실험결과^[14]를 통해 회귀분석방법을 사용하여 마찰성능(F_T)과 볼트 조임력(T)의 관계를 (3) 식과 같이 나타냈다.
7에 나타낸 실험체는 실대형 실험체로서 높이가 2700mm, 너비가 1500mm이고, 하부에는 중앙부 댐퍼와 양측 2개의 면진장치가 설치되어 있다. 상부의 철근콘크리트전단벽은 댐퍼가 최대내력에 도달하더라도 성능을 잘 발휘하도록 충분히 강하게 설계하였다(ASCE 7-10). 실험체의 상부는 T-자형으로 형상을 고안하여 볼트를 사용하여 가력보와 접합할 수 있도록 하였고, 하부는 강판을 통해 바로 하부지그에 결합하도록 계획하였다.
식(3)과 Fig. 9를 참조해서 FR02와 FR03실험체의 마찰댐퍼의 고력볼트를 각각 166 N.m와 224 N.m의 토크로 조임으로써, 목표로 하는 마찰내력인 100kN과 130kN을 달성하도록 설계하였다.
실험체는 사각형 강체프레임의 안쪽에 설치하였다. 실험 시, 실험체의 회전에 의한 변형을 최소화하고 수평적으로만 변위를 유도하여 제진시스템의 수평저항성능을 효과적으로 평가하기 위해서 기둥의 상하부를 핀 지점으로 처리하였다. 가력은 500kN 용량의 엑츄에이터를 사용하여 수평방향으로 가력하였다.
12는 실험체의 가력 프로토콜을 나타낸 것이다. 실험체의 가력은 층간변형각이 0.25, 0.5, 0.75, 1.00, 1.5 및 2% rad으로 점증변위제어를 하되, 각 스텝당 2회를 가력한다. FR02실험체는 목표층간변형각인 1.
상부의 철근콘크리트전단벽은 댐퍼가 최대내력에 도달하더라도 성능을 잘 발휘하도록 충분히 강하게 설계하였다(ASCE 7-10). 실험체의 상부는 T-자형으로 형상을 고안하여 볼트를 사용하여 가력보와 접합할 수 있도록 하였고, 하부는 강판을 통해 바로 하부지그에 결합하도록 계획하였다.
본 제진시스템에는 변위의존형 장치인 마찰댐퍼와 강재이력댐퍼가 사용된다. 양측에 배치된 2개의 면진장치는 전단벽의 자중을 견디도록 하여, 제진장치가 중력하중에 영향을 받지 않도록 계획하였다.
즉, 제진장치가 중력하중에 의한 영향을 받지 않도록 하면서 수평변형에 의한 에너지소산능력을 극대화도록 하는 장치로써, 수평강성은 작아야 한다. 이러한 성능을 잘 발휘하는지 실험적으로 검증하기 위해서 그림1과 같이 상부에 전단벽이 있는 상태에서 면진장치를 양측에 설치하여 수평하중을 반복적으로 가력하였다.
1은 전단벽 제진시스템의 개념을 나타낸 것이다. 제안된 시스템은 콘크리트 전단벽, 댐퍼, 적층고무 면진장치로 구성되어 있으며, 전단벽 하부에 슬릿을 두어 가운데에는 댐퍼를, 양측에는 면진장치를 배치하였다. 본 제진시스템에는 변위의존형 장치인 마찰댐퍼와 강재이력댐퍼가 사용된다.

대상 데이터

7에는 실험체 상세를 나타내었다. Fig. 7에 나타낸 실험체는 실대형 실험체로서 높이가 2700mm, 너비가 1500mm이고, 하부에는 중앙부 댐퍼와 양측 2개의 면진장치가 설치되어 있다. 상부의 철근콘크리트전단벽은 댐퍼가 최대내력에 도달하더라도 성능을 잘 발휘하도록 충분히 강하게 설계하였다(ASCE 7-10).
FR실험체와 마찬가지로 철근콘크리트전단벽 하부의 중앙에 MEED댐퍼 2개가 설치되어 있고, 목표로 하는 항복내력이 100kN이 되도록 계획하였다. MEED01실험체는 FR03실험체와 이력특성 및 에너지소산능력을 비교하기 위해서 목표층간변형각을 2%로 설정하였다.
제안된 시스템은 콘크리트 전단벽, 댐퍼, 적층고무 면진장치로 구성되어 있으며, 전단벽 하부에 슬릿을 두어 가운데에는 댐퍼를, 양측에는 면진장치를 배치하였다. 본 제진시스템에는 변위의존형 장치인 마찰댐퍼와 강재이력댐퍼가 사용된다. 양측에 배치된 2개의 면진장치는 전단벽의 자중을 견디도록 하여, 제진장치가 중력하중에 영향을 받지 않도록 계획하였다.
11은 실험체 셋업상태를 나타낸 것이다. 실험체는 사각형 강체프레임의 안쪽에 설치하였다. 실험 시, 실험체의 회전에 의한 변형을 최소화하고 수평적으로만 변위를 유도하여 제진시스템의 수평저항성능을 효과적으로 평가하기 위해서 기둥의 상하부를 핀 지점으로 처리하였다.
실험체에 사용된 철근콘크리트전단벽은 압축강도(f_ck)가 24MPa인 콘크리트와 항복강도(f_y)가 400MPa인 철근재료(HD400)로 제작되었고, 마찰댐퍼와 강재댐퍼에 사용된 강재는 모두 항복강도(f_y)가 235MPa인 일반구조용강재(SS400)로 제작되었다.

성능/효과

(1) 실험결과 제안된 구조시스템은 마찰댐퍼와 강재댐퍼의 이력특성을 반영한 안정된 하중-변형 이력성상을 나타냄으로써, 국내 구조물에 전단벽 제진시스템의 적용가능성을 보여준다.
(2) 마찰댐퍼가 적용된 실험체의 경우, 초기 가력(FR02) 후 마찰댐퍼만 교체하여 다시 실험(FR03)할지라도 강성, 내력 및 이력성상 등의 성능이 저하하지 않고 우수한 변형 능력을 나타냈다. 이는 지진 후 댐퍼의 교체만으로 내진보강을 간단히 실시할 수 있음을 보여준다.
(3) 실험결과 제안된 시스템에서 마찰댐퍼와 강재댐퍼는 전형적인 이력특성을 제대로 발휘하였고, 또한 제안된 이론식은 댐퍼의 내력을 잘 예측하였다.
(4) 에너지소산능력 및 변형도분포를 살펴본 결과, 콘크리트와 철근은 종국상황에서도 탄성상태를 유지하였고 대부분의 에너지는 댐퍼에 집중되는 결과를 보였다.
(5) 마찰댐퍼와 MEED댐퍼의 에너지소산능력을 비교한 결과, 가력초기에는 강재댐퍼인 MEED댐퍼가 더욱 큰 성능을 나타냈다. 이는 국내와 같은 중·약진 지역특성에 적합한 시스템이라고 판단된다.
25는 각 요소별 에너지소산량과 각 실험체별 소산비율을 막대그래프로 나타낸 것이다. FR02, FR03 및 MEED01 실험체의 댐퍼의 에너지소산비율은 각각 82%, 86% 및 82%의 결과를 나타내었다. 콘크리트의 에너지 소산비율도 각각 9%, 7%, 4%의 결과를 나타내고 있는데, 이는 콘크리트벽체의 균열에 따른 결과라고 할 수 있다.
15는 실험종료 후 콘크리트벽체의 균열패턴을 나타낸 것이다. FR03 실험체는 FR02실험체를 재사용한 것으로써 일부 균열이 추가적으로 발생하였지만, 균열로 인해서 실험체의 내력 및 이력특성에 미치는 영향은 미미한 것으로 조사되었다.
16의 우측에 나타낸 벽체의 균열도를 보면, MEED01실험체는 가력 시 우측 상부의 슬래브와 벽체접합부의 균열이 과대하게 증가한데 따른 것이다. 결론적으로, Fig. 25의 결과는 콘크리트는 균열이 발생하였지만 탄성상태에 머무르고 대부분의 에너지를 댐퍼가 소산하고 있음을 알 수 있다. 이는 건물의 주요구조부재의 손상을 저감할 수 있음을 나타내 준다고 할 수 있다.
그러나 국내와 같이 중·약진국가의 경우에는 댐퍼의 극한에너지소산능력보다 초기의 에너지소산능력이 더욱 더 중요하다. 그런 측면에서는 본 연구에서 제안하고 있는 MEED댐퍼가 적용된 제진시스템이 국내와 같은 지진환경에 있어서는 더욱 효과적이라고 판단된다.
댐퍼의 수평변형성분(θD) 곡선은 MEED댐퍼가 탄성강성이 크고, 항복내력은 약 110kN으로 목표 항복내력인 100kN을 약간 상회하지만 잘 예측하고 있음을 알 수 있다.
본 연구에서 개발한 전단벽 제진시스템에 사용된 마찰패드의 마찰 메커니즘은 마찰패드와 강재와의 슬라이딩을 통해 안정된 마찰거동을 나타내고 있다. 이러한 마찰댐퍼는 마찰재료와 스테인리스 스틸을 이용하여 마찰면을 구성하고, 볼트의 조임력을 마찰면에 지압형태로 가력하여 마찰을 발생시킨다.
콘크리트의 에너지 소산비율도 각각 9%, 7%, 4%의 결과를 나타내고 있는데, 이는 콘크리트벽체의 균열에 따른 결과라고 할 수 있다. 실험체의 강체회전에 의한 에너지소산비율은 각각 9%, 7%, 14%의 결과를 나타내었다. 특히 MEED01실험체의 경우 그 비율이 다소 크게 나타났는데 이는 Fig.
그래프는 천연고무계 적층고무의 선형적인 이력을 잘 나타내었고, 강성 및 내력은 매우 미미하여 댐퍼의 이력에 미치는 영향은 적다고 할 수 있다. 이 결과는 MEED댐퍼가 큰 성능을 발휘하도록 요구되는 면진장치의 성능을 잘 발휘하는 것으로 판단된다.

후속연구

이는 국내와 같은 중·약진 지역특성에 적합한 시스템이라고 판단된다. 그러나 실험이 매우 제한적이므로 이러한 효과에 대한 추후 연구가 필요하다.
본 연구에서 실험하고 있는 마찰댐퍼와 강재댐퍼는 그 이력루프의 형상이 다르므로 그 특성을 비교하고 조사할 필요가 있다. Fig.
15(a)에서와 같이 마찰패드의 전단면이 접촉되지 않았기 때문이다. 이러한 결과는 실험 셋팅상황에 의해서 발생한 것으로서, 실제 적용 시에는 공장에서 마찰댐퍼를 제작하여 정밀성을 유지하게 됨으로 위와 같은 문제점은 방지할 수 있을 것으로 판단된다. 그리고 콘크리트의 전단변형성분과 강체회전변형성분 곡선들은 거의 탄성상태를 유지하고 있는 것을 관찰할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	제진구조시스템이란 무엇인가?	제진구조시스템은 구조물 내에 제진장치를 삽입하여 지진에 의한 진동을 제어하여 구조물을 보다 안전하게 하는 구조 시스템이다. 에너지흡수에 의한 수동제진방법은 마찰에 의한 미끄럼, 강재의 항복, 재료의 상변환, 점(탄성)재료의 변형 등에 따라서 다양하게 적용되고 있다.
	전단벽 제진시스템은 어떻게 구성되어 있는가?	1은 전단벽 제진시스템의 개념을 나타낸 것이다. 제안된 시스템은 콘크리트 전단벽, 댐퍼, 적층고무 면진장치로 구성되어 있으며, 전단벽 하부에 슬릿을 두어 가운데에는 댐퍼를, 양측에는 면진장치를 배치하였다. 본 제진시스템에는 변위의존형 장치인 마찰댐퍼와 강재이력댐퍼가 사용된다.
	전통적인 내진설계의 기본개념은 무엇인가?	전통적인 내진설계의 기본개념은 구조물의 붕괴를 방지하고 인명을 보호하도록 안전성을 유지하는 것이다. 지진 후에 구조물이 완전히 붕괴되지 않고 거주자들의 생명이 보호받으면 그 구조물을 기능적으로 재사용을 할 수 없을지라도 이건물은 내진설계의 목적을 충족했다고 할 수 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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