[논문]강봉 댐퍼와 록킹 거동

이현호

doi:10.11112/jksmi.2020.24.6.1

강봉 댐퍼와 록킹 거동
Steel Rod Damper and Rocking Behavior 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.6, 2020년, pp.1 - 9

이현호 (동양대학교 건축소방안전학과)

초록
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본 연구에서는 벽체의 록킹 거동을 고려한 내진보강 기법을 개발하였다. 록킹 거동은 벽체 수직 축을 중심으로 좌우로 회전하는 것으로, 개발 시스템은 변위 큰 부분에 댐퍼 등을 설치하여 에너지를 소산 시키는 방법이다. 댐퍼는 강봉 댐퍼를 사용하였으며, 강봉 지름 및 길이(형상비)를 변수로 선정하였다. 실험결과 댐퍼길이 260mm 경우 우수한 내진 성능을 보유한 것으로 평가되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, a seismic reinforcement system was developed considering the rocking behavior of walls. The rocking behavior is to rotate left and right around the vertical axis of the wall, and the development system is a method of dissipating energy by installing a damper to a large displacement part. Developed steel rod damper was used, and steel rod diameter and length(aspect ratio) were selected as variables. As a result of the experiment, it was evaluated to have excellent seismic performance when the damper length was 260mm.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1 Earthquake events in Korea by KMA
그림 Fig. 2 Metallic damper by Chen and Eads(2005)
그림 Fig. 3 Steel rod damper by Lee et al.(2014)
그림 Fig. 4 Failure shape of steel rod damper by Oh and Choi(2017)
그림 Fig. 5 Setting plan of Hashemi et al.(2017)
그림 Fig. 6 Making procedure of steel rod damper
그림 Fig. 7 Setting plan
그림 Fig. 8 Steel rod damper specimens
그림 Fig. 9 Stress-strain curve of steel coupon(Φ 10mm)
그림 Fig. 10 LVDT installation
그림 Fig. 11 Load-displacement curve of Φ 10mm
그림 Fig. 12 Load-displacement curve of Φ 20
그림 Fig. 13 Load-strain curve of SR 10-260
그림 Fig. 14 Failure shape
그림 Fig. 15 Envelope curve comparison
그림 Fig. 16 Comparison of stiffness degradation (+ cycle)
그림 Fig. 17 Comparison of energy dissipation area
그림 Fig. 18 Results comparison by aspect raio

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 이상의 기존 연구를 검토하여 강봉 댐퍼의경제성을 확보하기 위한 새로운 제작 방법과 형상비를 변수로 한 성능 실험을 진행하며, Hashemi 등(2017) 실험 방법을 참고한 셋팅 계획을 고안하였다. Fig.
적용하기 위한 많은 노력이 진행되고 있다. 본 연구에서는기존 연구결과 등을 근거로 하여 골조구조물에 적합하고 경제적인 내진 보강을 연구하였다. 그 결과 록킹 거동을 고려한실험방법을 고안하여, 강봉 댐퍼를 적용한 성능 평가를 실시하였으며, 중요한 연구 결과는 다음과 같다.

제안 방법

2005년 4월 미국 미주리대학교에서 발간한 기술보고서에 따르면 고속도로 다리 보강을 위한 강봉 댐퍼의 성능실험을 기술하고 있다. Fig. 2와 같은형상의 댐퍼를 개발하여 성능실험을 진행하였으며, 우수한보강효과를 검증하였다.
7에록킹 셋팅 개념을 나타내었는데, 엑츄에이터의 가력 수평 변위를 수직으로 설치한 강체를 이용하여 댐퍼에 응력 및 변형이 집중하도록 고안한 것이다. 강봉 댐퍼는 수직 강체 하단부양 끝에 각각 설치하고, 댐퍼에 변형이 집중되도록 수직 강체하단부 중앙을 힌지로 연결하였다. 이러한 셋팅 계획은 댐퍼에 모든 하중이 작용하도록 고안된 것으로 국내에서는 최초로 만든 것이다.
본 연구에서는기존 연구결과 등을 근거로 하여 골조구조물에 적합하고 경제적인 내진 보강을 연구하였다. 그 결과 록킹 거동을 고려한실험방법을 고안하여, 강봉 댐퍼를 적용한 성능 평가를 실시하였으며, 중요한 연구 결과는 다음과 같다.
따라서 강봉을 대량으로 구매하지 않은 이상, 시중에서 구입하여야 되는데, 재생 강봉을 구입할 가능성이 매우 높은 것으로 판단된다. 그렇지만 시중 구매를 현실적인 경우로 인식하고, 사전 제작된 강봉 댐퍼를 대상으로 성능 평가를 실시하였다. 수평하중은 ± 500kN 용량의 엑츄에이터로 가력하였으며, 초기에서 2mm씩 변위를 증가시키면서 진행하였다.
수평하중은 ± 500kN 용량의 엑츄에이터로 가력하였으며, 초기에서 2mm씩 변위를 증가시키면서 진행하였다. 댐퍼의 수직 및 변위는 Fig. 10과 같이 설치된 LVDT로 측정하였으며, 강봉 댐퍼 상단, 중단, 하단에 설치한 스트레인 게이지로 변형 도를 측정하였다.

대상 데이터

실험 변수에의한 댐퍼 지름은 10mm, 20mm이고, 길이는 260mm, 200mm, 140mm이다. 2018년부터 강종 표시방법이 기존 인장강도에서 항복강도 기준으로 변경되어 SS275로 강봉 댐퍼 제작을발주하였으나, 시중에서는 소량이고, 변경 내용을 알지 못하여 이전 인장강도 기준인 SS400을 사용하여 댐퍼를 제작하였다.
강봉 댐퍼의 인장 시험편은 KS B 0801의 시편 14A로 제작하였다. 시험 결과, 지름 10mm 강봉은 평균 인장강도 611MPa, 지름 20mm 강봉은 584MPa로 평가되었다.
18 (a)에 나타내었다. 객관적인 비교를 위하여강봉 댐퍼 지름 10mm, 길이 260mm인 SR 10-260을 기준으로상대비를 나타내었다. 댐퍼 지름 10mm인 실험체의 최대 강도 경우, 형상비가 작아질수록(댐퍼 길이가 짧아질수록) 증가하는 것으로 평가되었다.
여기서 형상비(Aspect ratio, AR)는 댐퍼 지름에 대한 길이의 비로 정의한다. 실험 변수에의한 댐퍼 지름은 10mm, 20mm이고, 길이는 260mm, 200mm, 140mm이다. 2018년부터 강종 표시방법이 기존 인장강도에서 항복강도 기준으로 변경되어 SS275로 강봉 댐퍼 제작을발주하였으나, 시중에서는 소량이고, 변경 내용을 알지 못하여 이전 인장강도 기준인 SS400을 사용하여 댐퍼를 제작하였다.
지름 10mm, 댐퍼 길이 140mm인 SR10-140 실험체는 가력방향댐퍼와 가력반대방향 댐퍼는 인장, 압축 하중을 교대로받으면서 실험이 진행되었다. 정가력 시 최대하중은 21.
지름 10mm, 댐퍼 길이 200mm인 SR10-200 실험체는 가력방향댐퍼와 가력반대방향 댐퍼는 인장, 압축 하중을 교대로받으면서 실험이 진행되었다. 정가력 시 최대하중은 19.
지름 10mm, 댐퍼 길이 260mm인 SR10-260 실험체는 두 개의 댐퍼가 같이 거동하면서 가력방향댐퍼와 가력반대방향 댐퍼는 인장, 압축 하중을 교대로 받으면서 실험이 진행되었다. 정가력 시 최대하중은 18.
지름 20mm, 댐퍼 길이 140mm인 SR 20-140 실험체는 가력방향댐퍼와 가력반대방향 댐퍼는 인장, 압축 하중을 교대로 받으면서 실험이 진행되었다. 정가력 시 최대하중은 86.
12 (a) 에 하중-변위 곡선을 나타내었다. 지름 20mm, 댐퍼 길이 200mm인 SR 20-200 실험체는 가력방향댐퍼와 가력반대방향 댐퍼는 인장, 압축 하중을 교대로 받으면서 실험이 진행되었다. 정가력 시 최대하중은 63.
지름 20mm, 댐퍼 길이 260mm인 SR 20-260 실험체는 두 개의 댐퍼가 같이 거동하면서 가력방향댐퍼와 가력반대방향 댐퍼는 인장, 압축 하중을 교대로 받으면서 실험이 진행되었다. 정가력 시 최대하중은 78.

성능/효과

1) 강봉 댐퍼 상단, 중단에 설치한 게이지에서 측정한 변형 도를 평가한 결과, 상단의 경우 수평하중 20kN에서 항복하여, 교번되는 하중에 따라 인장변형도가 증가하였으며, 그후 변형이 진전되어 상당한 변형 능력을 보여주었다. 중단에 설치한 게이지에서 측정한 변형도는 최종 파괴 시까지 탄성 상태에 있다가, 최종 좌굴 파괴되면서 압축 변형도가 매우 크게 증가됨을 확인할 수 있었다.
2) 포락선, 강성저하 및 에너지소산능력 등을 평가한 결과, 지름이 20mm이고, 길이가 260mm인 SR 20-260 강봉 댐퍼의 능력이 가장 우수한 것으로 평가되었으며, 그 외의댐퍼도 강봉의 지름 및 길이에 적합한 거동을 발휘하였다. 3) 강봉 지름이 10mm인 경우, 최대하중 20kN까지 탄성 거동하다가, 댐퍼 항복 후 변형 능력이 증진되는 특성을 나타내었다.
발휘하였다. 3) 강봉 지름이 10mm인 경우, 최대하중 20kN까지 탄성 거동하다가, 댐퍼 항복 후 변형 능력이 증진되는 특성을 나타내었다. 반면 지름이 20mm인 경우, 최대하중 80∼ 90kN까지 탄성거동을 하다가, 이후 강성과 변형 능력이뚝 떨어지는 경향을 나타내었다.
4) 최대 하중 발현시 강도와 변위 및 실험 종료시까지 측정한에너지소산면적을 SR 10-260 기준으로 상대 평가한 결과, 댐퍼 지름 20mm이고, 길이 260mm이고, 형상비 13인 SR 20-260의 강도, 변위, 에너지 소산능력이 우수한 것으로 평가되었다. 또한 댐퍼 단면적 대비, 형상비 26인 SR 10-260 의 에너지소산 능력도 우수한 것으로 평가되었다.
하단의 경우는 상단과 같은 거동을 보여주었다. 다른 실험체도 거의 유사한 변형도 거동을 보여 주여 본 실험체 사용한 셋팅이댐퍼에 응력 집중 및 변형을 유발함을 확인할 수 있었다. Fig.
15 (a)에 강봉 댐퍼 10mm인 SR 10 시리즈의 포락선을 나타내었다. 댐퍼 길이 140mm인 SR 10-140 경우의 강도 능력(최대강도 25.05N, 변위 7.96mm)이 우수한 것으로 평가되었으며, 댐퍼 길이 260mm인 SR 10-260 경우 변형 능력(변위 36.18mm)이 우수한 것으로 평가되었다. 댐퍼 길이 200mm인 SR 10-200는 강도 및 변형 능력은 중간 정도로 평가되었다.
객관적인 비교를 위하여강봉 댐퍼 지름 10mm, 길이 260mm인 SR 10-260을 기준으로상대비를 나타내었다. 댐퍼 지름 10mm인 실험체의 최대 강도 경우, 형상비가 작아질수록(댐퍼 길이가 짧아질수록) 증가하는 것으로 평가되었다. 즉 댐퍼 지름 10mm이고 길이 200, 140mm인 경우 22%, 31% 강도가 증가하였다.
댐퍼 제작시 우려했던 댐퍼와 판넬부의 용접부위는 파괴되지 않았다. 댐퍼강성이 가장 큰 SR 20-140 실험체는 좌측은 압축을, 우측은인장거동을 하다가 파괴됨을 확인할 수 있었으며, 용접부위는 파괴되지 않음을 확인하였다.
이상의 결과로 부터 댐퍼 지름 20mm이고, 길이 260mm이고, 형상비 13인 SR 20-260의 강도, 변위, 에너지 소산능력이 우수한 것으로 평가되었다. 또한 댐퍼의 단면적 대비, 형상비 26 인 SR 10-260의 에너지소산 능력도 우수한 것으로 평가되었다. 향후, 댐퍼 지름 및 길이, 형상비를 고려한 보완 실험 및 댐퍼 설계자료 축적이 필요한 것으로 판단된다.
이상의 결과로 부터 댐퍼 지름 20mm이고, 길이 260mm이고, 형상비 13인 SR 20-260의 강도, 변위, 에너지 소산능력이 우수한 것으로 평가되었다. 또한 댐퍼의 단면적 대비, 형상비 26 인 SR 10-260의 에너지소산 능력도 우수한 것으로 평가되었다. 향후, 댐퍼 지름 및 길이, 형상비를 고려한 보완 실험 및 댐퍼 설계자료 축적이 필요한 것으로 판단된다.
시험 결과, 지름 10mm 강봉은 평균 인장강도 611MPa, 지름 20mm 강봉은 584MPa로 평가되었다. Fig.
중단에 설치한 게이지에서 측정한 변형도는 최종 파괴 시까지 탄성 상태에 있다가, 최종 좌굴 파괴되면서 압축 변형도가 매우 크게 증가됨을 확인할 수 있었다. 이로부터 본 실험체 사용한 셋팅이 댐퍼에 응력의 집중 및 변형을 유발함을 확인할 수 있었다.
강도 및 변위 비교와 같이 SR 20-260의 에너지소산 능력은 SR 10-260보다 540% 증가하였다. 이상의 결과로 부터 댐퍼 지름 20mm이고, 길이 260mm이고, 형상비 13인 SR 20-260의 강도, 변위, 에너지 소산능력이 우수한 것으로 평가되었다. 또한 댐퍼의 단면적 대비, 형상비 26 인 SR 10-260의 에너지소산 능력도 우수한 것으로 평가되었다.
것으로 나타났다. 이후 댐퍼 길이가 260mm인 SR 10-260의 강성저하가 가장 완만하게, 변형능력이 크게 평가되었다. Fig.
13에 SR 10-260 실험체의 댐퍼 상단, 중단에 부착한 게이지에서 측정한 변형도를 나타내었는데, 상단의 경우 수평하중 20kN에서 항복하여, 교번되는 하중에 따라 인장변형도가 변하였으며, 6, 000με까지 변형이 진전되어 상당한 변형능력을 보여주었다. 중단에 설치한 게이지에서 측정한 변형도는 최종 파괴시까지 탄성상태에 있다가, 최종 좌굴 파괴되면서 압축 변형도가 매우 크게 증가됨을 확인할 수 있었다. 하단의 경우는 상단과 같은 거동을 보여주었다.
13에 SR 10-260 실험체의 댐퍼 상단, 중단에 부착한 게이지에서 측정한 변형도를 나타내었는데, 상단의 경우 수평하중 20kN에서 항복하여, 교번되는 하중에 따라 인장변형도가 변하였으며, 6, 000με까지 변형이 진전되어 상당한 변형능력을 보여주었다. 중단에 설치한 게이지에서 측정한 변형도는 최종 파괴시까지 탄성상태에 있다가, 최종 좌굴 파괴되면서 압축 변형도가 매우 크게 증가됨을 확인할 수 있었다. 하단의 경우는 상단과 같은 거동을 보여주었다.

후속연구

5) 향후, 댐퍼 지름 및 길이, 형상비를 고려한 보완 실험 및 댐퍼설계자료 축적이 필요한 것으로 판단된다.
또한 댐퍼의 단면적 대비, 형상비 26 인 SR 10-260의 에너지소산 능력도 우수한 것으로 평가되었다. 향후, 댐퍼 지름 및 길이, 형상비를 고려한 보완 실험 및 댐퍼 설계자료 축적이 필요한 것으로 판단된다.

참고문헌 (7)

Baek, E. L., Oh, S. H., & Lee, S. H.(2014), Seismic performance of an existing low-rise reinforced concrete piloti building retrofitted by steel rod damper, EESK J Earthquake Eng, 18(5), pp.241-251.
Belleeri, A., Schoettler, M., Restrepo, J. I., & Fleischman, R. B. (2014), Dynamic behavior of rocking and hybrid cantilever walls in a precast concrete building, ACI Structural Journal, May-June.
Chen, G., & Eads, S. A.(2005), Behavior and Fatigue Properties of Metallic Dampers for Seismic Retrofit of Highways Bridges, University of Missouri/Roll, RDT 05-007.
Hashemi, A., Zarnani, P., Masoudnia, & Quenneville, P.(2017), Seismic resilient lateral load resisting system for timber structures, Construction and Building Materials, 149, pp.432-443.

상세보기
Lee, H. H. (2018), Literature Review of Precast Concrete Rocking Wall. Proceeding of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 22(1), 271-272.
Lee, H. H. (2019), Rocking Behavior of Steel Dampers according to Strut Shapes and Heights of Steel dampers. Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, 23(4), 45-52.
Oh, S. H., & Choi, K. Y.(2017), An experience study of structural performance of steel rod damperl. Proceeding of the Architectural Institude of Korea, 27(1), 731-732.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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