[논문]피봇형 회전프레임 변위 증폭 구조와 실리콘 점성댐퍼를 활용한 내진보강시스템

조해진; 박두환

피봇형 회전프레임 변위 증폭 구조와 실리콘 점성댐퍼를 활용한 내진보강시스템
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문제 정의

국내 실정에 적합한 내진보강시스템의 개발을 필요로 함으로 기존의 제진보강공법에 대해 분석하고, 이를 통하여 새로운 내진보강시스템의 설계가이드 라인을 제시하고 기계적 구현가능성과 실제 적용가능성을 위한 실험을 진행하였다.
따라서 이글에서는 기존건축물의 내진보강방안과 방안 별 특징 등을 살펴보고 실제사례를 소개하고자 한다.

제안 방법

1층의 단순한 프레임 구조물과 구조물의 내부에 장착하는 내진보강 댐퍼시스템으로 해석모델을 구성하고(Fig2, Table 2), MIDAS를 이용한 정해석 결과를 바탕으로 개발하고자 하는 제진시스템을 설계하였다.(Fig 4)
개발된 감쇠기 시스템의 성능을 확인하기 위하여 3가지 경우에 대하여 해석을 수행하였다. 기존의 V자형 가새 시스템에 비하여 구조물의 진동을 효과적으로 감소시켜 구조물의 안전성을 확보하는데 유리함을 보여준다.
기존의 내진보강시스템을 보안하기 위하여 다음과 같은 가이드라인을 만들고 이것을 기준으로 제진시스템을 제시하였다.(Fig 1)
대상건축물의 현장상황을 고려하여 시공성 및 효율성을 검토한 뒤 실리콘 점성댐퍼 시스템의 위치를 선정하였다.(Fig 15~19)
이 시스템은 기존 구조물에 설치가 용이하게 위하여 기존 구조물에 부착하기 쉬운 가새 시스템을 이용하여 내부구성 부재인 가새 대신 프레임 구조를 접목하여 좌굴에 대한 영향을 줄여 공간 활용도를 높였고, 프레임을 지반에 장착한 피봇형 힌지와 체결하여 이를 회전이 발생하도록 하였으며, 이로 인해 구조물의 상대변위가 증가하여 적절한 에너지 감쇠효과가 나타날 수 있도록 하였다. 단 프레임 구조는 외부하중에 변형이 발생하지 않고 강체거동을 할 정도의 강도는 확보하여야 한다.
진동대 실험을 이용한 감쇠성능을 비교하기 위하여Landers와 Northridge 지진의 응답곡선의 최대변위와 진폭을 그래프로 나타내었다.(Fig 7) Landers 지진에 대한 최대 진폭과 변위를 살펴보면 Case 2가 가장 낮은 최대진폭을 가지는 것을 가지고 있는 것을 볼 수 있고, 그 다음으로 Case1, Case6, 그리고 Case4, Case3, 그리고 마지막으로 비보강 구조물이 Case 5가 가장 큰 최대진폭을 가지고 있는 것을 확인할 수 있다.
현장상황을 고려하여 시스템의 위치를 선정하여 장변방향(X방향)으로는 철골프레임에 개방형 실리콘 점성댐퍼 시스템을, 단변방향(Y방향)으로는 슬림형 실리콘 점성댐퍼 시스템의 설치에 대한 비선형 시간이력해석을 통해 보강 후 성능을 검증하였다. 보강 후 밑면전단력이 X방향과 Y방향 각각 28%, 23% 감소되고, 층간변위가 허용변위 이내에 들어와 목표성능을 만족하는 것을 알 수 있으므로 해당 위치에 실리콘 점성댐퍼 시스템을 설치상세도에 따라 설치한다.

성능/효과

기존의 V자형 가새 시스템에 비하여 구조물의 진동을 효과적으로 감소시켜 구조물의 안전성을 확보하는데 유리함을 보여준다.(Fig 9~11, Table 4) 또한, 구조물의 진동을 증폭하여 댐퍼에 가함으로써 동일한 용량의 댐퍼를 보다 효율적으로 이용할 수 있음을 확인할 수 있고, 이를 고려하면 구조물의 응답에서 동일한 감쇠 효과를 얻기 위하여 기존의 V자형 가새 내진보강 시스템에서 보다 개발된 감쇠기 시스템에서는 보다 작은 용량의 댐퍼를 사용할 수 있음을 알 수 있다. 이상의 결과로부터 피붓형 회전 프레임 변위증폭 감쇠기 시스템의 적용성 및 우수성을 확인하였다.
진동대 실험을 이용한 감쇠성능을 비교하기 위하여Landers와 Northridge 지진의 응답곡선의 최대변위와 진폭을 그래프로 나타내었다.(Fig 7) Landers 지진에 대한 최대 진폭과 변위를 살펴보면 Case 2가 가장 낮은 최대진폭을 가지는 것을 가지고 있는 것을 볼 수 있고, 그 다음으로 Case1, Case6, 그리고 Case4, Case3, 그리고 마지막으로 비보강 구조물이 Case 5가 가장 큰 최대진폭을 가지고 있는 것을 확인할 수 있다. Northridge지진에 대한 Case별 최대진폭과 변위도 Landers 지진에 의한 분석과 동일한 결과를 나타내고 있다.
개발된 감쇠기 시스템의 성능을 확인하기 위하여 3가지 경우에 대하여 해석을 수행하였다. 기존의 V자형 가새 시스템에 비하여 구조물의 진동을 효과적으로 감소시켜 구조물의 안전성을 확보하는데 유리함을 보여준다.(Fig 9~11, Table 4) 또한, 구조물의 진동을 증폭하여 댐퍼에 가함으로써 동일한 용량의 댐퍼를 보다 효율적으로 이용할 수 있음을 확인할 수 있고, 이를 고려하면 구조물의 응답에서 동일한 감쇠 효과를 얻기 위하여 기존의 V자형 가새 내진보강 시스템에서 보다 개발된 감쇠기 시스템에서는 보다 작은 용량의 댐퍼를 사용할 수 있음을 알 수 있다.
대상건축물의 내진성능에 대한 보강은 장변방향(X방향)으로는 구조물에 프레임보강과 함께 감쇠장치(실리콘점성댐퍼)시스템을 보강함으로써 기존 구조물의 보유내력을 증가시키고, 지진에너지를 흡수하는 시스템으로 내진시스템과 제진시스템이 결합된 가장 효율적이고 실용적인 보강방법이다. 또한, 반영구적인 점성댐퍼를 사용하여 경제적이고, 에너지 흡수력이 뛰어나며, 불규칙적이고 반복적인 지진에너지에 효과적으로 감쇠력을 발휘한다.(Fig 12)
모든 경우를 살펴본 결과 Case 1이 전체적으로 다른 경우에 비해 댐퍼의 변화량이 큰 것으로 나타났으며 내부프레임의 가로: 세로비가 클수록 댐퍼의 변화량이 증가하는 것을 확인 할 수 있었다. 그리고 지진방향에 대한 영향을 적게 받으므로 개발하고자 하는 가장 적합한 구조라고 판단했다.
(Fig 9~11, Table 4) 또한, 구조물의 진동을 증폭하여 댐퍼에 가함으로써 동일한 용량의 댐퍼를 보다 효율적으로 이용할 수 있음을 확인할 수 있고, 이를 고려하면 구조물의 응답에서 동일한 감쇠 효과를 얻기 위하여 기존의 V자형 가새 내진보강 시스템에서 보다 개발된 감쇠기 시스템에서는 보다 작은 용량의 댐퍼를 사용할 수 있음을 알 수 있다. 이상의 결과로부터 피붓형 회전 프레임 변위증폭 감쇠기 시스템의 적용성 및 우수성을 확인하였다.

후속연구

저층 주거건물에 대한 내진성능평가 및 내진보강이 시급할 것으로 생각된다. 또한 내진설계기준에 부합하는 보강이 이루어질 수 있도록 철저한 검증이 필요할 것으로 사료된다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

우리나라의 건축물 내진설계는 언제 처음 도입되었는가?

우리나라의 건축물 내진설계는 국토해양부의 내진설계 시행령에 의하여 1988년 7월 1일 처음 도입이 되어 6층 이상 혹은 10000㎡ 이상의 건축물에 대하여 내진설계를 의무화하였고, 1995년도에는 5층 이상, 10000㎡ 이상,2005년도부터는 3층 이상, 1000㎡ 이상으로 확대하여 내진설계가 적용되고 있다. 최근에는 더욱 빈번해지는 지진 발생과 피해의 심각성을 인지하여 내진설계 대상을 1~2층 등 저층건물을 포함한 모든 건축물도 확대하는 건축법시행령을 개정키로 하였다.

수동형 제진장치인 층간설치형 진동저감 장치는 무엇인가?

강도 및 연성을 증가시키는 내진보강공법과 달리 구조물의 감쇠능력을 증가시켜 입력지진에너지를 저하하여 구조물의 내진성능을 확보하는 것으로, 보강개수가 적고, 외부시공에도 적용이 용이하기 때문에 거주하면서도 시공이 가능하고, 설치 상에 제약이 적어 여러 구조형식에 적용이 가능한 장점이 있다. 그 중 수동형 제진장치인 층간설치형 진동저감 장치는 제진댐퍼에 토글가새를 적용하거나 회전마찰감쇠기를 이용하는 시스템으로 개발되었다. 두 시스템은 설치 후 공간 활용도가 좋지 않아 기존의 중소형 건물에 설치하기에 무리가 있다.

제진보강공법의 장점은 무엇인가?

강도 및 연성을 증가시키는 내진보강공법과 달리 구조물의 감쇠능력을 증가시켜 입력지진에너지를 저하하여 구조물의 내진성능을 확보하는 것으로, 보강개수가 적고, 외부시공에도 적용이 용이하기 때문에 거주하면서도 시공이 가능하고, 설치 상에 제약이 적어 여러 구조형식에 적용이 가능한 장점이 있다. 그 중 수동형 제진장치인 층간설치형 진동저감 장치는 제진댐퍼에 토글가새를 적용하거나 회전마찰감쇠기를 이용하는 시스템으로 개발되었다.

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