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문제 정의
- 본 논문에서는 [Fig. 1]과 같이 풍진동에 보다 효율적인 고감쇠고무(점탄성댐퍼)와 지진 시 안정적인 성능을 갖는 강재(이력댐퍼)를 사용한 복합제진댐퍼의 작동메커니즘을 검증하고, 단계별 구조성능을 평가하기 위하여 장치수준에서 다양한 가력 프로토콜을 이용하여 실험을 수행하였다.
제안 방법
- 혼합형 복합마찰댐퍼는 2개의 1절점 회전 마찰요소와 1개의 슬롯형 마찰요소가 발생변위 크기에 따라 내력이 누적되어 작동되는 혼합형 마찰 댐퍼의 변위 의존성 실험을 통하여 댐퍼성능을 검증하였다4). 또한 회전형 복합마찰댐퍼는 단계별 내력이 누적되는 복수의 회전마찰요소로 구성된 회전형 복합마찰댐퍼에 대한 변위, 주파수 및 장기반복가력에 대한 의존성 평가를 수행하여 작동 메커니즘과 구조성능을 검증하였다5).
- 본 논문에서는 고감쇠고무와 강재핀을 사용한 복합제진댐퍼의 작동메커니즘과 단계별 구조성능을 평가하기 위하여 장치수준에서 다양한 가력 프로토콜을 이용하여 실험을 수행하였고, 실험결과를 통하여 다음 결론을 도출하였다.
- 실제 구조물에서 좌우 반복하중을 받을 때 연결보 내에 설치된 댐퍼는 연결보 직각방향으로 거동되기 때문에 실험체를 복합제진댐퍼 직각방향으로 가력할 수 있도록 실험체 세팅을 설계하였다. 실험체 세팅은 [Fig.
- 실험체 가력계획은 고감쇠고무를 고려하여 기본적으로 정현파 반복가력을 수행하였고, 진폭 및 가력횟수는 핀-락 메커니즘 작동 전후(핀-락 한계값=3.5mm)로 구분하였다. 핀-락 메커니즘 작동 전에는 고감쇠고무만 작동하기 때문에 고감쇠고무의 감쇠성능을 평가하기 위하여 [Table 1]과 같이 동일 진폭(고무두께 10%∼50%)에 대하여 가력주파수(0.
- 이를 구현하기 위해서는 핀-락 메커니즘 검증과 복합제진댐퍼 내에서 각각의 댐퍼성능이 확보되어야 한다. 이를 위하여 핀-락 메커니즘 작동 전 변위(풍하중 영역)에서는 고감쇠고무의 변위 및 주파수 의존성 실험을 수행하였고, 핀-락 메커니즘 작동 이후 변위(지진하중 영역)에서는 강재핀 파괴까지 변위를 증가하여 실험을 수행하도록 계획하였다.
대상 데이터
- 고감쇠고무와 강재를 이용한 복합제진댐퍼(이하 복합제진댐퍼)는 고감쇠고무를 이용한 점탄성댐퍼와 강재핀을 이용한 이력댐퍼의 조합으로 구성된다. [Fig.
- 5%에 대한 연결보 발생변위에 저항가능한 단일 두께 6mm로 결정하였다. 고감쇠고무판(190mm×150mm) 3장을 사용하였고, 고감쇠고무판과 내부 강판을 교대로 겹쳐서 제작하였다. 강재핀은 외경 27mm인 원형 막대형에 한쪽은 외부 강판에 볼트접합이 가능하도록 나사산을 가공하였다.
- 동일한 고감쇠고무 조건으로 강재핀 수량에 대한 내력을 비교하기 위하여 실험체 HDRS-2(강재핀=2개), HDRS-4(강재핀=4개), HDRS-6(강재핀=6개)을 3개를 제작하였다. 또한 핀-락 메커니즘 작동 전에는 강재핀의 영향이 없기 때문에 같은 실험체를 이용하여 고감쇠고무 성능을 분석하였다.
데이터처리
- 고감쇠고무의 주파수 의존성을 분석하기 위하여 핀-락 메커니즘 작동 전 가장 큰 가력진폭인 3mm에 대하여 등가강성과 등가감쇠율을 비교하였다[Table 3]. 반복가력 시 등가강성은 가력주파수 1.
- 동일한 고감쇠고무 조건으로 강재핀 수량에 대한 내력을 비교하기 위하여 실험체 HDRS-2(강재핀=2개), HDRS-4(강재핀=4개), HDRS-6(강재핀=6개)을 3개를 제작하였다. 또한 핀-락 메커니즘 작동 전에는 강재핀의 영향이 없기 때문에 같은 실험체를 이용하여 고감쇠고무 성능을 분석하였다.
- 핀-락 메커니즘 작동 전 고감쇠고무의 구조성능을 평가하기 위하여 진폭의존성과 주파수 의존성을 등가강성(Keq)과 등가감쇠율(ζeq)에 대하여 분석하였다.
- 핀-락 메커니즘 작동 후 거동을 분석하기 위하여 각 실험체별 최대하중 도달 시 이력거동을 분석하였다. 실험체 HDRS-6은 [Fig.
- 한편 복합제진댐퍼에 대한 연구로는 다단계 슬립이 가능한 혼합형 복합마찰댐퍼와 회전형 마찰댐퍼가 있다. 혼합형 복합마찰댐퍼는 2개의 1절점 회전 마찰요소와 1개의 슬롯형 마찰요소가 발생변위 크기에 따라 내력이 누적되어 작동되는 혼합형 마찰 댐퍼의 변위 의존성 실험을 통하여 댐퍼성능을 검증하였다4). 또한 회전형 복합마찰댐퍼는 단계별 내력이 누적되는 복수의 회전마찰요소로 구성된 회전형 복합마찰댐퍼에 대한 변위, 주파수 및 장기반복가력에 대한 의존성 평가를 수행하여 작동 메커니즘과 구조성능을 검증하였다5).
이론/모형
- 191까지 증가하고 있다. 고감쇠고무의 댐퍼적절성 평가에 실험값이 평균의 15% 이내이어야 하는 ASCE 7(2010)을 사용하였다7). 등가감쇠율의 경우 실험체 HDRS-6의 가력변위 1.
성능/효과
- 또한 주파수가 커질수록 등가감쇠 및 등가감쇠율은 전체 적으로 약간 저감하는 경향을 보이지만 뚜렷한 의존성은 보이지 않았다. 고감쇠고무의 댐퍼적절성은 평균의 15%를 약간 상회하는 실험체 HDRS-6의 1.2mm, 1.8mm에 대한 진폭의존성을 제외하고 모두 ASCE 7(2010) 기준을 만족하였다.
- 1. 복합제진댐퍼의 핀-락(Pin-lock) 메커니즘은 강재핀과 외부 강판의 구멍 사이의 갭(3.5mm)에 의하여 발생하며, 모든 실험체에서 핀-락 메커니즘이 발생함을 확인하였다. 또한 핀-락 메커니즘 작동 전(풍하중 영역)에는 복합제진댐퍼가 고감쇠고무만으로 작동하였고, 핀-락 메커니즘 작동 후(지진하중 영역)에는 고감쇠고무와 강재핀이 함께 작동하는 복함제진댐퍼가 안정적으로 작동하였다.
- 2. 핀-락 메커니즘 작동 전 고감쇠고무에 대한 진폭 의존성 실험 분석결과, 모든 실험체는 진폭(0.6mm~3.0mm)이 증가할수록 등가강성은 감소하였고 등가감쇠율은 증가하는 경향을 보였다. 또한 주파수가 커질수록 등가감쇠 및 등가감쇠율은 전체 적으로 약간 저감하는 경향을 보이지만 뚜렷한 의존성은 보이지 않았다.
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