이 연구에서는 고무스프링의 동적 압축실험을 수행하여 고무스프링의 거동 및 특성을 규명하고 압축 강성도를 계산하여 실제 설계값에 대해 알아보고자 하였다. 고무스프링의 동적 압축실험을 수행하기 위하여, L80-D55, L90-D58, L100-D60의 고무스프링의 형상계수를 구하여 총 9개의 고무스프링을 주문 제작 하여 실험에 사용하였다. 실험은 고무스프링의 길이에 따라 기압축을 제어하여 수행하였으며, 기압축은 변형률의 5%, 10%, 15%, 20%, 25% 순서로 증가시켰다. 실험결과를 통해 힘-변형률 곡선을 얻을 수 있었고, 변형률의 증가함에 따라 강도감소 현상과 강도증가 현상이 발생함을 확인하였다. 또한 고무스프링의 크기와 지름에 따라 강성저하 및 강성증가 현상이 확연하게 나타남을 확인하였고, 힘-변형률 곡선에서 할선기울기를 이용하여 유효 압축강성도를 추정하였다. 유효압축강성도를 이용하여 실제 설계에 사용할 수 있는 설계값을 제시하였다.
이 연구에서는 고무스프링의 동적 압축실험을 수행하여 고무스프링의 거동 및 특성을 규명하고 압축 강성도를 계산하여 실제 설계값에 대해 알아보고자 하였다. 고무스프링의 동적 압축실험을 수행하기 위하여, L80-D55, L90-D58, L100-D60의 고무스프링의 형상계수를 구하여 총 9개의 고무스프링을 주문 제작 하여 실험에 사용하였다. 실험은 고무스프링의 길이에 따라 기압축을 제어하여 수행하였으며, 기압축은 변형률의 5%, 10%, 15%, 20%, 25% 순서로 증가시켰다. 실험결과를 통해 힘-변형률 곡선을 얻을 수 있었고, 변형률의 증가함에 따라 강도감소 현상과 강도증가 현상이 발생함을 확인하였다. 또한 고무스프링의 크기와 지름에 따라 강성저하 및 강성증가 현상이 확연하게 나타남을 확인하였고, 힘-변형률 곡선에서 할선기울기를 이용하여 유효 압축강성도를 추정하였다. 유효압축강성도를 이용하여 실제 설계에 사용할 수 있는 설계값을 제시하였다.
The purpose of this study is to investigate the behavior and characteristics of rubber springs and calculate the compressive stiffness by performing dynamic compression tests of rubber springs. In order to carry out the dynamic compression test of rubber spring, total 9 rubber springs were tailored ...
The purpose of this study is to investigate the behavior and characteristics of rubber springs and calculate the compressive stiffness by performing dynamic compression tests of rubber springs. In order to carry out the dynamic compression test of rubber spring, total 9 rubber springs were tailored by calculating the shape factor of L80-D55, L90-D58, and L100-D60, and used for the experiments. Experiments were performed by controlling the compression according to the length of the rubber spring, and the compression was increased in the order of 5%, 10%, 15%, 20% and 25% of the strain. From the experimental results, the force-strain curves were obtained and it was confirmed that strength decrease and strength increase phenomenon occurred as the strain increased. In addition, it was confirmed that the decrease of stiffness and the increase of stiffness were clearly observed according to the size and diameter of the rubber spring, and the effective compression stiffness was estimated using the slope of the force-strain curve. By using the effective compressive stiffness, design values that can be used in actual design were presented.
The purpose of this study is to investigate the behavior and characteristics of rubber springs and calculate the compressive stiffness by performing dynamic compression tests of rubber springs. In order to carry out the dynamic compression test of rubber spring, total 9 rubber springs were tailored by calculating the shape factor of L80-D55, L90-D58, and L100-D60, and used for the experiments. Experiments were performed by controlling the compression according to the length of the rubber spring, and the compression was increased in the order of 5%, 10%, 15%, 20% and 25% of the strain. From the experimental results, the force-strain curves were obtained and it was confirmed that strength decrease and strength increase phenomenon occurred as the strain increased. In addition, it was confirmed that the decrease of stiffness and the increase of stiffness were clearly observed according to the size and diameter of the rubber spring, and the effective compression stiffness was estimated using the slope of the force-strain curve. By using the effective compressive stiffness, design values that can be used in actual design were presented.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
기존의 고무스프링을 이용한 스마트 댐퍼의 개발연구에서 고무스프링에 대한 거동에 대해서 일부 연구가 진행되었으나, 댐퍼 개발을 위한 거동실험에 국한 된 것이다[6],[7],[8]. 따라서 이 연구에서는 폴리우레탄 고무스프링의 압축 강성도를 추정하고, 추정된 강성도와 실험치를 비교하여 설계에 사용될 수 있는 방법을 제안하고자 한다.
제안 방법
각 고무스프링의 힘-변형율 곡선에서 할선기울기를 이용하여 1% 변형율에서부터 1%씩 증가시키면서 변형율 30%까지 유효 압축강성도(effective compressive stiffness)를 추정하였다. Fig.
폴리우레탄 고무스프링의 압축 반복재하 실험을 통해서 힘-변형(또는 변형율) 곡선을 얻었고, 이를 통해서 고무스프링의 압축강성도를 추정하였다. 이 연구를 통해서 얻어진 결론을 정리하면 아래와 같다.
대상 데이터
2.1 고무스프링 시편이 연구에 사용한 폴리우레탄 고무는 경도 95A이며, 고무 스프링 시편은 3개 조(suite)에 3개씩 9개의 시편을 사용하였다. 각 조의 고무스프링은 압축 강성도가 유사하게 나타나도록 크기를 조정하여서 제작하였다.
고무스프링은 실린더 형태로 중앙부에 내경 20mm의 원이 있어 샤프트 삽입이 가능하도록 제작되었다. 길이는 80, 90 및 100mm의 세 종류를 사용하였고, 외경은 3개조의 압축강성도를 고려하여 결정하였으며, Table 1에 나타나있다. Suite-I의 경우 외경이 각각 55, 58 및 60mm이고, Suite-II는 80, 85 및 89mm이다.
여기서, β는 실험적으로 얻어지는 상수로서 단면이 정방형, 원형 또는 길이/높이 비가 일반적인 사각형인 경우 β = 2를 사용해야 한다. 이 연구에서 사용된 경도 95A 폴리우레탄 고무의 탄성계수는 52.8MPa로 이전 연구에서 추정되었다. Table 2에는 식 (2)와 (3)를 이용하여 계산한 각 고무스프링의 겉보기 탄성계수와 압축강성도가 나타나있다.
이 연구에서는 경도가 95A인 고무스프링만을 사용하였는데, 고무의 경도가 작은 경우 소정의 압축 강성도를 얻기 위해서 고무스프링의 크기가 상대적으로 커져야 한다. 또한, 경도 65D와 같이 큰 폴리우레탄 고무의 경우 하중 제거 후 잔류변형이 크게 남고, 반응속도가 95A 폴리우레탄 고무에 비해 느려 스프링으로 사용하기에 적절하지 않았다.
성능/효과
(1) 고무스프링은 하중재하 시에 약 5%의 변형율에서 강도감소(strength softening) 현상이 발생하고, 약 15% 변형율 이후에는 강도증가(strength hardening) 현상이 발생한다.
(2) 고무스프링의 1회 하중재하 곡선과 2회 이후의 곡선은상이하게 나타나며, 2회 이후의 하중-변형률 곡선은 거의 동일한 형태로 나타난다.
(3) 고무스프링의 크기와 지름이 클수록 크기와 지름이 작은 고무스프링에 비해 강성저하 및 강성증가 현상이 확연하게 나타나는 것을 알 수 있다.
(4) 각 고무스프링의 힘-변형율 곡선에서 할선 기울기를 이용하여 유효 압축강성도를 추정하였으며, 1회 하중재하에 의해서 얻어진 압축강성도의 변화는 초기에 최대치가 나타나며 약 15% 변형율까지 급격히 감소한 후, 30%변형율까지 약간 증가하는 형태로 나타난다. 이것은 힘-변위 곡선에서 강도감소 및 증가현상에서 기인한다.
(5) 고무스프링의 변형율을 5% 이내로 사용할 경우 계산된 압축강성도의 85%을 사용하는 것이 적절하다고 판단된다. 고무스프링의 변형율을 15% 이상으로 사용하는 경우에는 15%의 변형율에서 압축강성도는 계산된 압축강성도의 65-70%에 해당하므로 고무스프링의 압축강성도는 보수적으로 계산치의 65%을 설계값으로 하는 것이 적절하다고 판단된다.
따라서 고무스프링을 5% 변형율 이내로 사용하는 경우, 2회 곡선의 압축강성도 감소로 인하여 20% 추가적으로 감소시켜 사용해야 하므로, 계산된 압축강성도의 68%을 설계 압축강성도르 사용하는 것이 적절하다. 고무스프링을 15% 변형율 이상으로 사용하는 경우는 2회 거동에서 강성도의 감소가 없으므로, 위에서 언급한 65%의 감소만을 고려하는 것이 적절하다.
따라서 고무스프링을 5% 변형율 이내로 사용하는 경우, 2회 곡선의 압축강성도 감소로 인하여 20% 추가적으로 감소시켜 사용해야 하므로, 계산된 압축강성도의 68%을 설계 압축강성도르 사용하는 것이 적절하다. 고무스프링을 15% 변형율 이상으로 사용하는 경우는 2회 거동에서 강성도의 감소가 없으므로, 위에서 언급한 65%의 감소만을 고려하는 것이 적절하다.
(5) 고무스프링의 변형율을 5% 이내로 사용할 경우 계산된 압축강성도의 85%을 사용하는 것이 적절하다고 판단된다. 고무스프링의 변형율을 15% 이상으로 사용하는 경우에는 15%의 변형율에서 압축강성도는 계산된 압축강성도의 65-70%에 해당하므로 고무스프링의 압축강성도는 보수적으로 계산치의 65%을 설계값으로 하는 것이 적절하다고 판단된다.
고무스프링을 변형율 15% 이상으로 사용하는 경우, 15% 변형율에서 압축강성도는 계산된 압축 강성도의 65-70%에 해당한다. 따라서 5% 변형율 이상 변형율을 사용하는 경우, 고무스프링의 압축강성도는 보수적으로 계산치의 65%을 설계값으로 하는 것이 적절하다고 판단된다.
따라서 5%이내의 작은 변형율에서는 68% 감소, 15% 이상의 큰 변형율에서는 65%의 감소를 고려해야 하므로, 전체적으로 식 (3)에 의해서 계산된 압축강성도의 65%를 고무스프링의 설계 압축강성도로 사용한다면 보수적인 설계값이될 것이다.
그러나 변형율이 증가하여 10% 이상이 되면, 그 비율은 1을 상회하며, 2회 곡선에서 얻어진 압축강성도가 더 큰 것을 알 수 있다. 따라서 고무스프링을 5% 변형율 이내로 사용하는 경우, 2회 곡선의 압축강성도 감소로 인하여 20% 추가적으로 감소시켜 사용해야 하므로, 계산된 압축강성도의 68%을 설계 압축강성도르 사용하는 것이 적절하다. 고무스프링을 15% 변형율 이상으로 사용하는 경우는 2회 거동에서 강성도의 감소가 없으므로, 위에서 언급한 65%의 감소만을 고려하는 것이 적절하다.
그러나 변형율이 증가하여 10% 이상이 되면, 그 비율은 1을 상회하며, 2회 곡선에서 얻어진 압축강성도가 더 큰 것을 알 수 있다. 따라서 고무스프링을 5% 변형율 이내로 사용하는 경우, 2회 곡선의 압축강성도 감소로 인하여 20% 추가적으로 감소시켜 사용해야 하므로, 계산된 압축강성도의 68%을 설계 압축강성도르 사용하는 것이 적절하다. 고무스프링을 15% 변형율 이상으로 사용하는 경우는 2회 거동에서 강성도의 감소가 없으므로, 위에서 언급한 65%의 감소만을 고려하는 것이 적절하다.
그러나 Suite-I 및 –III 고무스프링의 경우는 계산된 압축강성도를 약 15%정도 감소시켜서 사용해야 한다. 따라서 전체적으로 5%이내의 변형율을 사용하는 고무 스프링의 경우 계산된 압축강성도의 85%을 사용하는 것이 적절하다고 판단된다. 고무스프링을 변형율 15% 이상으로 사용하는 경우, 15% 변형율에서 압축강성도는 계산된 압축 강성도의 65-70%에 해당한다.
폴리우레탄 고무스프링은 스마트 댐퍼에서 복원력을 제공하는 형상기억합금과 같은 스마트 재료에 비해서 가격이 월등히 저렴하며[9], 스프링-와셔 시스템 보다 기계적으로 아주 간단하다. 따라서 폴리우레탄 고무스프링은 경제적으로 저렴하며 기계적으로 내구성이 우수하여 상업화에 유리하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
폴리우레탄 고무스프링의 특징은?
폴리우레탄 고무스프링은 기압축 상태에서 작용을 하게 되면 초기에 강체거동(rigid-body behavior)을 보이는데, 이를 이용하여 댐퍼의 복원력(self-centering capacity)을 확보할 수 있다[6],[7],[8]. 폴리우레탄 고무스프링은 스마트 댐퍼에서 복원력을 제공하는 형상기억합금과 같은 스마트 재료에 비해서 가격이 월등히 저렴하며[9], 스프링-와셔 시스템 보다 기계적으로 아주 간단하다. 따라서 폴리우레탄 고무스프링은 경제적으로 저렴하며 기계적으로 내구성이 우수하여 상업화에 유리하다.
고무스프링은 변형율은 어떻게 계산되는가?
하중은 실험장비의 하중계를 통해서 측정되었으며, 이를 통해서 고무스프링의 하중-변형율 곡선을 얻을 수 있다. 고무스프링은 변형율 30%까지 5회 반복재하 하였으며, 여기서 변형율은 고무스프링의 변형량을 초기 길이로 나눈값이다. 고무스프링의 길이가 3종류이므로 변형률을 일정하게 하여 실험을 수행하였다.
5% 변형율 이상 변형율을 사용하는 경우, 고무스프링의 압축강성도는 보수적으로 계산치의 65%을 설계값으로 하는 것이 적절하다고 판단되는 근거는?
따라서 전체적으로 5%이내의 변형율을 사용하는 고무 스프링의 경우 계산된 압축강성도의 85%을 사용하는 것이 적절하다고 판단된다. 고무스프링을 변형율 15% 이상으로 사용하는 경우, 15% 변형율에서 압축강성도는 계산된 압축 강성도의 65-70%에 해당한다. 따라서 5% 변형율 이상 변형율을 사용하는 경우, 고무스프링의 압축강성도는 보수적으로 계산치의 65%을 설계값으로 하는 것이 적절하다고 판단된다.
참고문헌 (11)
Oh, S.W., Choi, E., and Jung, H.Y. (2005) The Estimated Stiffness of Rubber Pads for Railway Bridges, Journal of Korea Society of Steel Construction, Vol.17,3):307-316.
Qi, H.J. and Boyce, M.C. (2005) Stress-Strain Behavior of Thermoplastic Polyurethane, Mechanics of Materials 37, pp.817-839.
Choi, E., Lee, H.U., Kim, S.I., and Kim, L.H. (2006) Variation of Natural Frequency and Dynamic Behavior of Railway Open-Steel-Plate-Girder Bridge with Installing Disk Bearings, Journal of Korea Society of Steel Construction, Vol.18, No.4, pp.437-446.
Oh, S.W., Choi, E., Jung, H.Y., and Kim, H.S. (2006) Static and Dynamic Behavior of Disk Bearings under Railway Vehicle loading, Journal of Korea Society of Steel Construction, Vol.18, No.4, pp.469-480.
Choi, E., Kim, L.H., and Kim, H.S. (2005) Variation of Rail's Axial Compressive Force on Railway Bridges Due to Thermal and Seismic Loads with using EQS bearings, Journal of Korea Society of Railway, Vol.8, No.3, pp.1-10.
Choi, E., Choi, G., Kim, H.T., and Youn, H. (2015). Smart Damper Using the Combination of Magnetic Friction and Pre-compressed Rubber Springs, Journal of Sound and Vibration, Vol.351, pp.68-89.
Jeong, K., Choi, E., Back, S.Y., and Kang, J.W. (2016) Smart Damper Using Sliding Friction of Aramid Brake Lining and Self-centering of Rubber Springs, International Journal of Steel Structures, Vol.16, No.4, pp.1239-1250.
Choi, E., Youn, H., Park, K., and Jeon, J.S. (2017) Vibration Tests of Precompressed Rubber Springs and a Flag-shaped Smart Damper, Engineering Structures, Vol.132, pp.372-382.
Dolce, M., Cardone, D., and Marnetto, R. (2000) Implementation and Testing of Passive Control Devices Based on Shape Memory Alloys, Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol.29, No.7, pp.945-968.
Koblar, D., Skofic, J., and Boltezar, M. (2014) Evaluation of the Young's Modulus of Rubber-Like Materials Bonded to Rigid Surfaces with Respect to Poisson's Ratio, Journal of Mechanical Engineering, Vol.60, No.7-8, pp.508-511.
Sim, H. and Kim, K.J. (1990) A Method to Determine the Complex Modulus and Poisson's Ratio of Viscoelastic Materials for FEM Applications, Journal of Sounds and Vibrations, Vol.141, No.1, pp.71-82.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.