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문제 정의
- 본 논문에서는 혼합형 마찰댐퍼를 구성하는 1점 회전형 마찰요소와 슬롯형 마찰요소에 대한 연구결과를 토대로, 혼합형 마찰댐퍼의 다단계 슬립 메커니즘과 구조성능을 평가하기 위하여 마찰요소들을 결합한 장치수준에서 변위 의존성실험을 수행하였다.
- 본 논문에서는 혼합형 마찰댐퍼의 다단계 슬립 메커니즘 검증과 변위의존성을 평가하기 위하여 실험을 수행하였고, 실험결과를 통하여 다음 결론을 도출하였다. 향후 혼합형 마찰댐퍼에대한 보다 상세한 거동평가를 위한 해석연구에 본 논문의 실험결과를 활용할 계획이다.
- 장치실험의 목적은 단계별 혼합형 마찰댐퍼의거동 확보를 통한 메커니즘 검증이다. [Fig.
제안 방법
- 1단계 슬립은 강체로 거동하는 회전형 마찰요소의 플레이트 중간에서 [Fig. 4]와 같이 대각방향 변형량을 계측하였다. 또한 2, 3단계 슬립은 슬롯형 마찰요소 작동방향으로 변형량을 직접 측정하였다.
- 또한 건축계획상 간섭문제를 개선한 고감쇠 고무와 강재핀을 사용한 연결보형 복합댐퍼도 있다.3) 앞서 제기된 문제점을 개선하고 경제성을 높이기 위하여 다단계 슬립 메커니즘을 이용하여 다양한 변위영역에 대응하면서 에너지를 소산할 수 있는 새로운 형태의 혼합형 마찰댐퍼(Hybrid friction damper)를 개발하였다. 혼합형 마찰댐퍼는 [Fig.
- 6) 또한 혼합형 마찰댐퍼의 슬롯형 마찰요소에 대하여도 의존성 실험을 수행하였다.7) 실험결과 두 마찰요소는 변위가 증가할수록 마찰계수가 커지는 경향을 보이지만 변위의존성은 크지 않다고 판단되었다.
- 4]와 같이 대각방향 변형량을 계측하였다. 또한 2, 3단계 슬립은 슬롯형 마찰요소 작동방향으로 변형량을 직접 측정하였다. 또한 다단계 슬립 메커니즘에서 도입 축력의 변화를 모니터링하기 위하여 각 단계별 구성요소마다 1개의 로드셀(Load cell)을 설치하였다.
- 또한 2, 3단계 슬립은 슬롯형 마찰요소 작동방향으로 변형량을 직접 측정하였다. 또한 다단계 슬립 메커니즘에서 도입 축력의 변화를 모니터링하기 위하여 각 단계별 구성요소마다 1개의 로드셀(Load cell)을 설치하였다.
- 혼합형 마찰댐퍼의 다단계 슬립 메커니즘을 검증하기 위하여 각 단계별 변형량을 측정하였다. 변형량 측정을 위하여 실험체 표면에 지점을 설치하고, 다양한 용량의 변위계(Linear VariableDifferential Transformer, LVDT)로 [Fig. 4]와 같이 혼합형 마찰댐퍼 구성요소의 상대변위를 각각 계측하였다.
- 혼합형 마찰댐퍼의 1절점 회전형 마찰요소는 댐퍼에 작용하는 하중을 회전마찰력으로 에너지를 소산하고, 슬롯형 마찰요소는 연결보 대각방향으로 전달되는 하중을 슬롯의 마찰력으로 에너지를 소산시키는 개념이다. 혼합형 마찰댐퍼 구성요소의 변위의존성 실험을 통하여 검증된 구성요소를 조합하여 3단계 슬립이 가능한 혼합형 마찰댐퍼의 장치실험체를 설계하였다. 실험체는 [Fig.
- 혼합형 마찰댐퍼의 1점 회전형 마찰요소에 대한 변위, 주파수, 축력, 장기하중 의존성을 실험적으로 평가하였다.6) 또한 혼합형 마찰댐퍼의 슬롯형 마찰요소에 대하여도 의존성 실험을 수행하였다.
- 단부 슬롯은 1절점 회전요소가 1단계 슬립영역에서 단독으로 작동하기 위한 필요한 기구이다. 혼합형 마찰댐퍼의 다단계 슬립 메커니즘을 검증하기 위하여 각 단계별 변형량을 측정하였다. 변형량 측정을 위하여 실험체 표면에 지점을 설치하고, 다양한 용량의 변위계(Linear VariableDifferential Transformer, LVDT)로 [Fig.
- 5]같이 세팅하였다. 혼합형 마찰댐퍼의 진폭의존성 실험은 1,000kN 정적 액츄에이터와 [Table 1]의 가력 프로그램을 이용하여 정현파로 가력하였다.
대상 데이터
- [Fig. 3(c)]와 같이 두께 5mm의 마찰재를 직사각형으로 단슬롯패드(165mm×100mm)와 장슬롯패드(165mm×130mm)로 제작하였다.
- 3(c)]와 같이 두께 5mm의 마찰재를 직사각형으로 단슬롯패드(165mm×100mm)와 장슬롯패드(165mm×130mm)로 제작하였다. 마찰패드와 결합되는 강재는 SS400을 사용하였고, 1절점 회전형 마찰요소와 연결되는 슬롯형 마찰요소의 한쪽 단부에 8mm 슬롯을 제작하였다. 단부 슬롯은 1절점 회전요소가 1단계 슬립영역에서 단독으로 작동하기 위한 필요한 기구이다.
- 9 (a)]와 같이 가력진폭 10mm부터 발생한다. 실험결과는 안정적인 슬립이 발생하는 15mm부터 분석하였다.
- 실험에 사용된 마찰재는 마찰재질 분류상 비석면계인 케브라 섬유재질 복합체이며, 한국산업규격 KS L 52128)에 따른 정속마찰계수는 0.4이다.
- 혼합형 마찰댐퍼 구성요소의 변위의존성 실험을 통하여 검증된 구성요소를 조합하여 3단계 슬립이 가능한 혼합형 마찰댐퍼의 장치실험체를 설계하였다. 실험체는 [Fig.3 (a)]와 같이 구성요소 실험과 동일한 규격 및 재료를 이용하여 제작하였다.
이론/모형
- 실험결과는 일본면진구조협회에서 발간한 제진구조매뉴얼9)에 따라 [Fig. 8]과 같이 평균마찰하중(Fd,ave), 에너지흡수량(E)를 산정하여 평가하였다. 평균마찰하중는 Eq(4)를, 마찰계수는 Eq(5)에 따라, [Table 2], [Table 3]과 같이 산정하였다.
- 혼합형 마찰댐퍼는 1절점 회전마찰요소 2개와 슬롯형 마찰요소 1개로 구성된다. 혼합형 마찰댐퍼의 다단계 슬립 메커니즘은 핀-락(Pin-Lock)시스템을 이용한다. 슬롯형 마찰요소 단부 힌지지점에 형성된 슬롯홀 구간에서는 1절점 회전마찰요소만 작동하고, 슬롯홀 구간에 도달하는 순간 슬롯형 마찰요소가 함께 누적되어 작동하는 다단계 슬립이 발생한다.
성능/효과
- (1) 혼합형 마찰댐퍼의 다단계 슬립 메커니즘은 세 단계로 구성되며, 각 단계별 슬립은 특정마찰력(1단계=4.5kN, 2단계=49.9kN, 3단계=110kN)에서 순차적으로 발생함을 확인할 수 있다.또한 기존 요소실험으로 검증된 슬롯형 마찰요소의 다단계 슬립 메커니즘은 1절점 회전형 마찰요소와 핀-락(Pin-Lock) 시스템으로 결합되어 혼합형 마찰댐퍼에서 안정적으로 작동하였다.
- (2) 혼합형 마찰댐퍼의 1단계 슬립이 발생하는 회전형 마찰요소는 가력진폭 10mm부터 작동하며, 변위가 커짐에 따라 평균마찰력 및 마찰계수가 증가하는 변위의존성을 보였다. 평균 마찰계수는 0.
- (3) 혼합형 마찰댐퍼의 슬롯형 마찰요소는 단슬롯(15mm)과 장슬롯(30mm)에서 순차적으로 작동하며 다단계 슬립이 형성되었다. 슬롯형 마찰요소의 평균 마찰계수로 단슬롯(0.
- 6) 반면 혼합형 마찰댐퍼 내 회전형 마찰요소의 마찰계수는 [Table 2]와 같이 전체평균값 대비 –24%~17%의 편차가 발생하였고, 가력진폭과 비례하여 평균마찰력 및 마찰계수가증가하는 변위의존성을 보이고 있다.
- 6) 또한 혼합형 마찰댐퍼의 슬롯형 마찰요소에 대하여도 의존성 실험을 수행하였다.7) 실험결과 두 마찰요소는 변위가 증가할수록 마찰계수가 커지는 경향을 보이지만 변위의존성은 크지 않다고 판단되었다. 또한 주파수, 장기하중에 대해서는 의존성을 보이지 않았으나 축력이 증가할수록 마찰력은 2차식으로 저감함을 확인하였다.
- 29로 나타났다.7) 혼합형 마찰댐퍼의 단슬롯 마찰계수 평균값은 0.243이며, 기존 요소실험의 평균 마찰계수 0.290의 84%에 해당된다. 마찰계수는 [Table 3]과 같이 평균값 대비 –11.
- 239이며, 기존 회전형 마찰요소실험 대비20% 감소하였다. 또한 변위가 커짐에 따라 평균마찰력 및 마찰계수가 증가하는 변위의존성을 보였다.
- 7) 실험결과 두 마찰요소는 변위가 증가할수록 마찰계수가 커지는 경향을 보이지만 변위의존성은 크지 않다고 판단되었다. 또한 주파수, 장기하중에 대해서는 의존성을 보이지 않았으나 축력이 증가할수록 마찰력은 2차식으로 저감함을 확인하였다.6),7)
- 마찰계수는 [Table 3]과 같이 평균값 대비 –11.1%~16.4%의 편차가 발생하였고, 진폭과 비례하여 마찰계수가 증가하는 변위의존성을 보이고 있다.
- 슬롯형 마찰요소 실험결과에 따르면 단슬롯 도입축력이 60kN인 경우 단슬롯 마찰계수는 평균값 대비 –7.2%~10.3%의 편차를 보이며, 평균 마찰계수는 0.29로 나타났다.
- (3) 혼합형 마찰댐퍼의 슬롯형 마찰요소는 단슬롯(15mm)과 장슬롯(30mm)에서 순차적으로 작동하며 다단계 슬립이 형성되었다. 슬롯형 마찰요소의 평균 마찰계수로 단슬롯(0.243)과 장슬롯(0.250)이 유사하며, 단슬롯 평균마찰계수는 기존 요소실험 대비 16% 감소하였다. 회전형 마찰요소와 유사한 변위의존성이 나타났다.
- (2) 혼합형 마찰댐퍼의 1단계 슬립이 발생하는 회전형 마찰요소는 가력진폭 10mm부터 작동하며, 변위가 커짐에 따라 평균마찰력 및 마찰계수가 증가하는 변위의존성을 보였다. 평균 마찰계수는 0.239이며, 기존 회전형 마찰요소실험 대비20% 감소하였다. 또한 변위가 커짐에 따라 평균마찰력 및 마찰계수가 증가하는 변위의존성을 보였다.
- 회전형 마찰요소 실험결과에 따르면 도입축력이 120kN인 경우 마찰계수는 평균값 대비 –8%~9%의 편차를 보이며, 평균마찰계수는 0.3으로 나타났다.
후속연구
- 본 논문에서는 혼합형 마찰댐퍼의 다단계 슬립 메커니즘 검증과 변위의존성을 평가하기 위하여 실험을 수행하였고, 실험결과를 통하여 다음 결론을 도출하였다. 향후 혼합형 마찰댐퍼에대한 보다 상세한 거동평가를 위한 해석연구에 본 논문의 실험결과를 활용할 계획이다.
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