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문제 정의
- 본 기법은 구조물이 좌우로 회전하는 록킹 거동을 할 때 생기는 변위를 강재 댐퍼가 흡수하는 기술이다. Mulligan et al.
- 본 연구는 상기와 같은 건물 보강 공법의 일종으로 구조물 골조 내‧외부에 록킹월(Rocking wall)을 설치하고 강재 댐퍼(Metallic damper)를 이용하여 록킹월에 생기는 변위를 소산시키는 기법을 제안하고자 한다.
- 본 연구에서는 록킹 거동을 고려한 강재 댐퍼에 대한 성능 평가를 실시하였다. 실험 방법은 해외 연구 사례를 기초로 하였으며 주요 결과는 다음과 같다.
- 본 연구에서는 스트럿 형상에 대한 선행 연구를 바탕으로 꺽쇠형(또는 V형)으로 만든 스트럿을 록킹 거동에 대한 에너지 소산 장치로 사용하고자 한다.
- 3]에 나타낸 연구 결과6)를 참고하였다. 즉 록킹월을 세우고 측면에 댐퍼를 부착하여 수평력을 적용하는 것이다. 그러나 이를 실험체 셋팅에 적용하는 것이 매우 어려워 록킹월을 철골 기둥으로 대처하고, 수평력이 작용하는 기둥 좌우에 댐퍼를 끼워 설치하는 개념을 적용하여 [Fig.
제안 방법
- 를 참고하여 실험체 변수로 꺽쇠형 댐퍼 수직 스트럿의 높이를 140mm, 200mm, 260mm 총 3개로 하였으며 각각 V 140, V 200, V 260으로 명명하였다. [Fig. 5]에 나타낸 바와 같이 꺽쇠형 스트럿의 각도를 고려하면 스트럿 높이를 일정하게 표현할 수 없으며, 일자형 스트럿을 고려한 기존 내력식3)과의 비교를 위하여 꺽쇠형 상단과 하단의 직선 거리인 높이를 변수로 정하였다. 스트럿 개수는 댐퍼당 3개씩 적용하였으며, 스트럿의 각도는 [Fig.
- 기존 실험 결과3),4)를 참고하여 실험체 변수로 꺽쇠형 댐퍼 수직 스트럿의 높이를 140mm, 200mm, 260mm 총 3개로 하였으며 각각 V 140, V 200, V 260으로 명명하였다. [Fig.
- 즉 엑츄에이터의 가력 수평 변위를 수직으로 설치한 강체 기둥을 이용하여 댐퍼에 변형이 발생하도록 한 것이다. 또한 실험체 하부 및 상부에 힌지를 설치하여 실험 시 좌우 평행이 되도록 세팅을 계획하였다.
- 본 연구에서는 꺽쇠형 댐퍼 수직 스트럿 높이만을 적용한 기존 연구 결과3)를 적용하였다. 이는 꺽쇠형 스트럿의 실제 길이를 고려하면 계산식의 내력이 매우 적게 나옴에 기인한 것이다.
- 4]와 같이 고려하였다. 설치된 2개의 철골 기둥 사이를 힌지로 연결하여 평행한 수평 거동이 발생하도록 하였다. 즉 엑츄에이터의 가력 수평 변위를 수직으로 설치한 강체 기둥을 이용하여 댐퍼에 변형이 발생하도록 한 것이다.
- 이력 거동을 하는 하중-변위 곡선의 포락선으로 댐퍼의 강도 능력 및 변형 능력을 비교하고자 [Fig. 12]에 댐퍼별 포락선을 취합하여 정리하였다. 이에 따르면 스트럿 높이가 증가할수록 강도 능력은 떨어지고 변형 능력은 증가하는 것을 확인할 수 있었다.
대상 데이터
- KS B 0801의 시편 14B에 의거하여 3개의 강재인장 시험편을 제작하였다. 시험 결과, 항복 강도는 평균 271MPa, 인장 강도는 평균 416MPa, 항복비는 평균 1.
- 5]와 같이 60°이다. 강재는 SS400을 사용하였으며 두께는 12mm이다. 강재용 스트레인 게이지는 스트럿 상‧하단에 2개를 설치하였다.
- 본 연구에서는 록킹 거동을 고려한 강재 댐퍼에 대한 성능 평가를 실시하였다. 실험 방법은 해외 연구 사례를 기초로 하였으며 주요 결과는 다음과 같다.
- Lee & Kim(2011)은 슬릿형 강재 댐퍼보다 에너지 소산 능력이 우수할 것으로 예상되는 꺽쇠형 강재댐퍼를 개발하기 위한 성능 실험을 실시하였다. 실험 변수는 꺽쇠형 댐퍼 스트럿의 수직 높이 및 각도로 총 9개 댐퍼에 대한 실험을 진행하였다. 실험 결과, 스트럿 높이가 270mm, 스트럿 각도가 60°인 경우의 V형 강재 댐퍼가 가장 우수한 변형 성능을 보유한 것으로 평가되었다.
성능/효과
- 1) 꺽쇠형 댐퍼의 하중-변위 곡선 및 파괴 양상을평가한 결과, 스트럿 높이가 길어질수록 최대 내력은 감소하고 변위 능력은 증가하는 것으로 평가되었다. 이러한 경향은 스트럿 형상이 꺽쇠형에서 직선으로 변하면서 스트럿 높이가 길어져 휨 변형을 더 많이 흡수함에 따른 것으로 판단된다.
- 2) 실험체별 스트럿 변형도를 평가한 결과, V 140의 경우 항복 변형도에 도달하지 않은 것으로 평가되어 스트럿의 변형 흡수 능력이 완전히 발휘되지 못함을 확인할 수 있었다. V 200 및 V 260의 경우 항복 변형도에 도달하였으며, 하중 강도와 변형도가 증가하여 최종 파괴에 도달함을 확인할 수 있었다.
- 3) 포락선 비교 결과, 스트럿 높이가 140mm인 V 140 경우 강도 능력이 매우 뛰어난 반면 변형 능력은 부족함을 확인할 수 있었다. V 200 및 V 260 경우 강도 능력은 떨어지지만 변형 능력은 매우 우수함을 확인할 수 있었다.
- 4) V 140의 에너지 소산 능력은 매우 적게 평가된 반면, V 200 및 V 260의 에너지 소산 능력은 우수한 것으로 평가되었다. 최종 파괴 시 에너지 소산능력은 V 140 대비 V 200은 약 2.
- 5) 기존 제안식은 실험 결과를 1.44배, 1.28배, 1.37배 적게 평가하는 것으로 판단되며, 평균 1.36배 과소평가하는 것으로 평가되었다. 기존 내력식의 경우 일자형 스트럿에 대한 제안식으로, 전소성 모멘트 거동 및 전단 거동이 혼재되는 꺽쇠형 스트럿의 내력 산정에는 적합하지 못한 것으로 판단된다.
- V 140의 경우 62kN에 도달할 때까지 항복변형도 2,000με에 도달하지 않은 것으로 평가되어 스트럿의 변형 흡수 능력이 완전히 발휘되지 못함을 확인할 수 있었다.
- 2) 실험체별 스트럿 변형도를 평가한 결과, V 140의 경우 항복 변형도에 도달하지 않은 것으로 평가되어 스트럿의 변형 흡수 능력이 완전히 발휘되지 못함을 확인할 수 있었다. V 200 및 V 260의 경우 항복 변형도에 도달하였으며, 하중 강도와 변형도가 증가하여 최종 파괴에 도달함을 확인할 수 있었다.
- V 200 및 V 260의 파괴 양상을 보면 실험 초기에는 스트럿 상‧하단부의 각도를 60°로 유지하다가 항복이후 약 70~80°로 펴지면서 실험이 종료됨을 확인하였다.
- 이후 70mm에서 실험이 종료되었다. 또한 파괴 양상을 살펴보면 3개의 스트럿 상‧하단이 파괴되어 충분한 변형 능력을 발휘함을 확인할 수 있었다.
- 이후 40mm에서 실험이 종료되었다. 또한 파괴 양상을 살펴보면 3개의 스트럿 상‧하단이 파괴됨을 확인할 수 있었다.
- 이로부터 스트럿 항복은 V 140보다 적은 하중에 발생하였으나 스트럿의 각도가 커지면서 변형 능력이 증진됨을 확인하였다. 스트럿 파단 또한V 140의 경우 수평으로, V 200 및 V 260 경우 사선으로 발생하여 스트럿 각도가 펴지면서 변형 능력이 증진됨을 확인할 수 있었다.
- KS B 0801의 시편 14B에 의거하여 3개의 강재인장 시험편을 제작하였다. 시험 결과, 항복 강도는 평균 271MPa, 인장 강도는 평균 416MPa, 항복비는 평균 1.54, 연신율은 평균 30.5%로 평가되었다. [Fig.
- 실험 결과, 스트럿 높이가 270mm, 스트럿 각도가 60°인 경우의 V형 강재 댐퍼가 가장 우수한 변형 성능을 보유한 것으로 평가되었다.
- V 200 및 V 260의 파괴 양상을 보면 실험 초기에는 스트럿 상‧하단부의 각도를 60°로 유지하다가 항복이후 약 70~80°로 펴지면서 실험이 종료됨을 확인하였다. 이로부터 스트럿 항복은 V 140보다 적은 하중에 발생하였으나 스트럿의 각도가 커지면서 변형 능력이 증진됨을 확인하였다. 스트럿 파단 또한V 140의 경우 수평으로, V 200 및 V 260 경우 사선으로 발생하여 스트럿 각도가 펴지면서 변형 능력이 증진됨을 확인할 수 있었다.
- 2]와 같은 실험을 진행하였다. 이를 통해 목표 변위가 증가할수록 가력 횟수는 감소하고 강도는 증가하지만 누적에너지 소산 능력이 저하되어 강재 댐퍼가 조기 파단되는 변위의존성 평가 결과를 발표하였다.
- 이는 꺽쇠형 스트럿의 실제 길이를 고려하면 계산식의 내력이 매우 적게 나옴에 기인한 것이다. 이상의 식을 적용하여 계산한 본 실험 결과는 V 260, V 200, V 140에 대하여 각각 25.9kN, 38.7kN, 48.1kN으로 산정되었다. 이는 전단 내력이 아닌 전소성 모멘트에 의하여 내력이 지배되는 결과이다.
- 12]에 댐퍼별 포락선을 취합하여 정리하였다. 이에 따르면 스트럿 높이가 증가할수록 강도 능력은 떨어지고 변형 능력은 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 스트럿 높이가 140mm인 V 140 경우 강도능력은 매우 뛰어난 반면 변형 능력은 거의 없음을 확인할 수 있었다.
- V 260의 경우 25kN에 도달할 때 항복 변형도에 도달하는 것으로 나타났다. 이후 하중 강도와 변형도가 증가하여 최종 파괴에 도달함을 확인할 수 있었다.
- V 200의 경우 40kN에 도달할때 항복 변형도 2,000με에 도달하는 것으로 나타났다. 이후 하중의 증가 없이 최종 파괴에 도달함을 확인할 수 있었다. V 260의 경우 25kN에 도달할 때 항복 변형도에 도달하는 것으로 나타났다.
- 전체적으로 스트럿 높이가 길어질수록 최대 내력은 감소하고 변위 능력은 증가하는 것으로 평가되었다. 이러한 경향은 스트럿 형상이 꺽쇠형에서 직선으로 변하면서 스트럿 높이가 길어져 휨 변형을 더 많이 흡수함에 따른 것으로 판단된다.
- 이는 전단 내력이 아닌 전소성 모멘트에 의하여 내력이 지배되는 결과이다. 제안식은 실험 결과를 1.44배, 1.28배, 1.37배 적게 평가하여 평균 1.36배 과소평가하는 것으로 판단된다. 기존 내력식의 경우 일자형 스트럿에 대한 제안식으로, 본 연구와 같이 전소성 모멘트 거동 및 전단 거동이 혼재되는 꺽쇠형 스트럿의 내력 산정에는 적합하지 못한 것으로 판단된다.
- 9] V200의 하중-변위 곡선 면적이 V 260보다 큼에 기인한 것으로 평가된다. 최종 파괴 시 에너지 소산 능력은 V 140 대비 V 200은 약 2.98배, V 260은 약 2.17배 증진되는 것으로 평가되었다.
- 9] V200의 하중-변위 곡선 면적이 V 260보다 큼에 기인한 것으로 평가된다. 최종 파괴 시 에너지 소산 능력은 V 140 대비 V 200은 약 2.98배, V 260은 약 2.17배 증진되는 것으로 평가되었다.
- 파괴 양상을 종합한 결과, V 140의 경우 스트럿 각도 60°가 펴지는 현상 없이 스트럿의 전단 저항으로 인하여 상당한 강도 저항 능력을 발휘하였다.
후속연구
- Lee(2017)는 BCP(Business Continuous Plan)의 일환으로 록킹월을 세우고 강재 댐퍼와 같은 에너지 소산 장치를 건물과 상호 연결하는 보강 공법을 학술발표대회를 통해 소개한 바 있다5). 이를 통해 기존 연구 결과 등을 종합 평가하였으며, 록킹월에 적합한 댐퍼를 개발할 예정임을 발표하였다.
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