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문제 정의
- 본 연구에서는 국내와 같은 중·약진 지역에서도 감쇠장치의 성능을 최대로 끌어올릴 수 있는 변위증폭형 감쇠시스템을 제안하였다.
- 본 연구에서는 댐퍼의 설치 유무에 따른 제안된 감쇠시스템의 작동 메카니즘 변화 및 설치된 댐퍼가 시스템 작동에 미치는 영향을 실험적으로 확인하고자 하였다. 이를 위해 Fig.
- 본 연구에서는 움직도르래와 케이블의 작동 원리에 근거한 새로운 개념의 변위증폭 시스템에 대해 소개하고, 해당 감쇠시스템의 작동원리와 그 효용성에 대해 실험적인 성능 평가를 통해 확인해 보고자 하였다.
제안 방법
- 9은 실험체 셋업을 나타낸 것이다. 1,000 kN 성능의 액츄에이터를이용하여 실험체에 하중을 가력 하였으며, 가력 시 실험체의 면외방향 변위를 제어하기 위해 골조 상단 보 측면에 횡방향 지지물을 설치하였다.
- 본 실험에 사용된 감쇠장치의 경우, 변위 증폭 효과를 감안하여 최대±300 mm의 스트로크로 거동이 가능한 13 kN급 속도의존형 점성댐퍼를사용하였다. 감쇠시스템에 적용 전에 해당 감쇠장치의 성능을 확인하기 위해서 사전 성능평가 실험을 실시하였으며, 이를 통해 댐퍼의 작동 힘 (Fd)과속도 (Vd) 사이의 관계를 식 (1)과 같이 정의하였다. 본 경험식에 근거하여 댐퍼의 작동 속도를 정확히 파악할 수 있다면 그에 따른 댐퍼에 의해 발생되는 힘도 정확히 추정할 수 있다.
- 본 감쇠시스템은 움직도르래의 원리를 이용하여 케이블과 도르래의 작동으로 댐퍼에 전달되는 변위를 증폭시키는 원리를 기반으로 하고 있다. 개발된 감쇠시스템에 대한 작동 매카니즘을 규명하고 그 성능을 평가하기 위해 실험적 연구를 진행하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 제안된 변위 증폭 시스템에 의해 가력 변위 대비 감쇠장치에 발생되는 변위의 비를 확인하고자 선형 가변 변위 변환기(linear variable displacement transducer)를 설치하였다. 또한, 케이블에 발생되는 축력의 변환을 확인하기 위해 기둥에 고정된 강재 바에 스트레인 게이지를 설치하였다.
- 본 연구에서는 국내와 같은 중·약진 지역에서도 감쇠장치의 성능을 최대로 끌어올릴 수 있는 변위증폭형 감쇠시스템을 제안하였다. 본 감쇠시스템은 움직도르래의 원리를 이용하여 케이블과 도르래의 작동으로 댐퍼에 전달되는 변위를 증폭시키는 원리를 기반으로 하고 있다. 개발된 감쇠시스템에 대한 작동 매카니즘을 규명하고 그 성능을 평가하기 위해 실험적 연구를 진행하였으며, 그 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 본 시스템의 성능 실험에 사용할 케이블을 선택하기 위해 Fig. 6과 같이 KS D 3514 규격에 의거한 로프심(7×7, 기호IWRC)이 들어가고 필러형 25개 강선이 스트랜드(6개)를 구성하는 IWRC 6×Fi(25), 워링턴 실형 36개강선이 6꼬임으로 들어가고 가운데 로프심이 있는 IWRC 6×WS(36), 그리고 7개선 18꼬임(18×7)의 헤라클레스의 인장성능 실험을 수행하였다[9].
- 3장의 케이블 성능 실험에서 확인하였듯이 케이블-도르래 조합형 감쇠시스템이 원활하게 작동하기 위해서는 케이블의 탄성변형을 최소화해야하며 이를 위해 안정된 강성을 확보할 수 있도록 초기 긴장력을 케이블에 도입해야 한다. 본 실험에서는 체인 블록을 이용하여 케이블에 10-15 kN의초기 긴장력을 도입하였으며, 긴장력이 유지될 수 있도록 단부에 핀이 설치된 강봉을 골조 기둥에 설치하였고 이를 잡아당긴 후 너트를 조여 케이블을고정하였다.
- 본 연구에서는 이러한 케이블의 인장 특성을 감안하여 감쇠장치에 달린 케이블이 작동할 때, 감쇠장치의 저항력에 의해 추가적으로 발생하는 케이블의 탄성변형을 최소화할 수 있도록 고려해야 한다. 이를 달성하기 위해, 최소한 케이블 강성의 안정화 단계 이상의 하중으로 초기 긴장력을 도입하는 것이 필요하다.
- 댐퍼에 하중을 전달하기 위한 강와이어 케이블은 앞선 재료 성능 실험결과에 근거하여 IWRC 6×Fi(25) 제품을 사용하였으며, 작업성 등을 고려하여 지름20 mm인 케이블을 선택하였다. 앞서 제작된 골조에 대각선 방향으로 케이블을 총7회 반복하여 감은 후 양 끝단을 각각 프레임과 댐퍼에 고정시켰다.
- 이를 위해 Fig. 8과 같이 형강 H-250×250×9×14을 이용하여 강재 프레임을 제작하였으며, 기둥과 보의 접합부는 핀으로 연결하여 회전에 대해 자유롭게 움직일 수 있게 하였다.
- 제안된 변위 증폭 시스템에 의해 가력 변위 대비 감쇠장치에 발생되는 변위의 비를 확인하고자 선형 가변 변위 변환기(linear variable displacement transducer)를 설치하였다. 또한, 케이블에 발생되는 축력의 변환을 확인하기 위해 기둥에 고정된 강재 바에 스트레인 게이지를 설치하였다.
대상 데이터
- 댐퍼에 하중을 전달하기 위한 강와이어 케이블은 앞선 재료 성능 실험결과에 근거하여 IWRC 6×Fi(25) 제품을 사용하였으며, 작업성 등을 고려하여 지름20 mm인 케이블을 선택하였다.
- 본 실험에 사용된 감쇠장치의 경우, 변위 증폭 효과를 감안하여 최대±300 mm의 스트로크로 거동이 가능한 13 kN급 속도의존형 점성댐퍼를사용하였다.
성능/효과
- 1) 제안된 감쇠시스템의 감쇠장치 변위 증폭량은 연결된 케이블의 탄성변형과 도르래와 핀 사이에 발생되는 마찰력 때문에 도르래 작동 지연으로 이어져 이론적으로 예상된 값보다 감소된 성능을 나타냈다. 그러나 도르래 작동 시 확인된 감쇠장치의 변위 증폭 비율은 이론값과 거의 유사한 결과를 나타내어 본 감쇠시스템의 작동 메카니즘의 우수성을 확인할 수 있었다.
- 2) 실험 결과, 마찰력에 의해 감쇠장치의 작동 지연이 발생했음에도 불구하고 구조물의 저항력은 설치된 감쇠장치의 저항성능에 이론증폭비를 곱한 값만큼 정확하게 증가하는 경향을 나타냈다. 이는 사용된 감쇠장치의 속도 의존성 때문으로 작동 변위는 지연되었으나 작동 속도는 이론값과 유사하였기 때문이다.
- 3) 케이블에 연결된 고정바의 변형률 계측을 통해 케이블 내 힘의 변화를 관찰한 결과 감쇠시스템에 설치된 케이블은 외부 하중의 작용 방향 변화와 더불어 탄성 변형이 동반되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 탄성 변형은 주로 도르래와 핀 사이에 발생하는 마찰력 및 댐퍼에 의해 부과되는 하중 때문에 나타나는 특징으로 이를 최소화할 수 있다면 본 감쇠시스템의 성능을 극대화할 수 있을 것으로 판단된다.
- 6배까지 하중스텝이 증가 할수록 커지는경향을 나타냈다. 각 스텝별로 확인된 변위증폭비의 평균값을 감쇠장치 설치 전후로 비교하면 3.94/4.89로 약 20% 가량 성능이 감소하는 것으로 나타났다. 이는 댐퍼 하중에 의해 추가로 마찰력이 증가하고 이에 따라 케이블에 의한 탄성변형도 증가했기 때문이다.
- 감쇠장치가 설치된 실험체의 경우, 가력스텝 증가에 따른 댐퍼하중 증가로 골조의 저항성능이 점차 증가하는 경향이 나타났다. 설치된 감쇠장치가속도 증가에 따라 저항하는 하중이 식 (1)에 근거하여 비선형적으로 증가하기 때문에 가력스텝이 높은 단계에서는 상대적으로 골조의 하중 증가량이다소 둔화되는 모습을 나타냈다.
- 15는 감쇠장치가 설치된 실험체의 고정바 쪽에 설치한 변형률 게이지에서 계측된 변형률의 변화를 층간변위에 따라 나타낸 것이다. 그래프에서 확인해 볼 수 있듯이, 가력 방향이 부방향에서 정방향으로 변화할 때에는 왼쪽 아래에서 오른쪽 위에 걸쳐 연결된 케이블의 변형률이 증가하고 반대편에 설치된 케이블의 변형률은 감소하였다. 반대로, 정방향에서 부방향으로 가력 방향이 변화하여 진행될 때에는 왼쪽 위에서 오른쪽 아래에 걸쳐 연결된 케이블의 변형률이 증가하고 동시에 반대측 케이블 변형률은 감소하는 것이 뚜렷하게 나타났다.
- 설치된 감쇠장치가속도 증가에 따라 저항하는 하중이 식 (1)에 근거하여 비선형적으로 증가하기 때문에 가력스텝이 높은 단계에서는 상대적으로 골조의 하중 증가량이다소 둔화되는 모습을 나타냈다. 그러나 가력 첫 스텝에서 나타난 골조의 평균 저항하중 172.6 kN보다 마지막 스텝에서의 하중은 215.8 kN으로 약25% 가량 골조저항력이 댐퍼의 작동 속도 증가에 의해 나타난 것으로 확인되었다.
- 1) 제안된 감쇠시스템의 감쇠장치 변위 증폭량은 연결된 케이블의 탄성변형과 도르래와 핀 사이에 발생되는 마찰력 때문에 도르래 작동 지연으로 이어져 이론적으로 예상된 값보다 감소된 성능을 나타냈다. 그러나 도르래 작동 시 확인된 감쇠장치의 변위 증폭 비율은 이론값과 거의 유사한 결과를 나타내어 본 감쇠시스템의 작동 메카니즘의 우수성을 확인할 수 있었다.
- 12에 실험체 별 층간변위 대비 감쇠장치 변위의 증폭비를 나타내었다. 도르래의 정지마찰력으로 도르래가 움직이지 않고 있을때 댐퍼가 설치되지 않은 실험체에서 감쇠장치 설치 부위의 변위 증가율은 하중스텝1에서 9까지 4.23배에서 5.3배까지 증가하였으며 감쇠장치가 설치된 실험체에서는 2.55배에서 4.6배까지 하중스텝이 증가 할수록 커지는경향을 나타냈다. 각 스텝별로 확인된 변위증폭비의 평균값을 감쇠장치 설치 전후로 비교하면 3.
- 두 실험체의 마지막 스텝에서의 하중 차이는 약 90.8 kN으로 나타났으며, 이는 댐퍼가 설치되지 않은 실험체에 비해 설치 후 하중이 약 73% 증가한 결과이다. 설치된 댐퍼의 마지막 가력스텝에서 확인된 속도에 근거하여식 (1)에 대입하면 댐퍼의 작동 하중을 약 13.
- 또한, 실험체 종류별로 보면, IWRC 6×Fi(25) 제품군이 IWRC 6×WS(36) 제품군보다 더 높은 강성을 가지는 것으로 확인되었다.
- 이를 달성하기 위해, 최소한 케이블 강성의 안정화 단계 이상의 하중으로 초기 긴장력을 도입하는 것이 필요하다. 또한, 안정화 단계 이후 형성되는 선형구간의 기울기와 감쇠장치하중에 의해 케이블에 추가로 발생되는 인장력의 크기를 바탕으로 케이블도르래 감쇠시스템 작동 시 케이블에 발생하는 추가 탄성변형을 계산할 수 있으며, 이를 통해 감쇠장치에 증폭되는 변위의 감소효과를 평가할 수 있다.
- 또한, 증가하던 케이블의 변형률은 도르래가 작동한 이후에는 정·부방향 가릴 것 없이 거의 일정한 변형률을 유지하는 특징을 나타냈다.
- 그래프에서 확인해 볼 수 있듯이, 가력 방향이 부방향에서 정방향으로 변화할 때에는 왼쪽 아래에서 오른쪽 위에 걸쳐 연결된 케이블의 변형률이 증가하고 반대편에 설치된 케이블의 변형률은 감소하였다. 반대로, 정방향에서 부방향으로 가력 방향이 변화하여 진행될 때에는 왼쪽 위에서 오른쪽 아래에 걸쳐 연결된 케이블의 변형률이 증가하고 동시에 반대측 케이블 변형률은 감소하는 것이 뚜렷하게 나타났다.
- 그러나 모든 실험체에서 계측된 댐퍼의 실제 작동 최고 속도는 이론적으로 예측되는 값과 거의 일치하였다. 본 결과에 근거하여 감쇠장치의 실제 작동 최고 속도를 이론값에 근거하여 정확하게 예측할 수 있으며, 이를 바탕으로 감쇠장치에 발생되는 최대저항하중 또한 정확히 계산할 수 있음을 확인할 수 있다.
- 본 연구를 통해 제안된 감쇠시스템은 케이블의 탄성 변형과 도르래와 핀사이에 발생되는 마찰력으로 이론적 증폭비보다 감소된 효율이 발생하는 것이 실험을 통해 확인되었다. 보다 인장 강성이 높은 소재를 케이블로 사용하고 핀접합부에 발생되는 마찰력을 줄일 수 있다면 보다 이론적 증폭비에 가까운 효율을 얻을 수 있을 것으로 기대된다.
- 이 그래프에서 확인할 수 있듯이, 액츄에이터의 가력속도 변화와 더불어 감쇠장치의 작동 속도 역시 사인파 형상으로 증감하는 것을 확인할 수 있다.다만, 속도가 0인 시점에서 최고 속도에 도달할 때까지 도르래 작동 멈춤에 의한 지연 현상(lag)이 발생하였고 이 때문에 이러한 지연 현상이 발생하지 않는 이상적인 그래프 형상에 비해 속도가 급격하게 증가하는 특징이 그래프 상에서 관찰되었다.
- 또 다른 변위증폭형 시스템으로 피봇형 변위증폭 시스템이 있다[8]. 이는 피봇형 힌지와 프레임의 회전을 이용하여 감쇠장치의 변위를 증폭시키는 원리에 기반한 것으로 기존 V형 가새 시스템과 비교하여 약 2배의 증폭효과가 있는 것으로 연구 결과 나타났다. 그러나 본 시스템들 역시 실제 시공 시 발생되는 접합부들의 공차 등을 감안한다면 이론적으로 기대되는 성능보다 다소 작은 증폭효과가 발생하는 한계가 있다.
- 또한, 증가하던 케이블의 변형률은 도르래가 작동한 이후에는 정·부방향 가릴 것 없이 거의 일정한 변형률을 유지하는 특징을 나타냈다. 이를 통해 본 감쇠시스템에 설치된 강와이어 로프는 외부 하중의 작용방향 변화와 더불어 탄성 변형이 동반되는 것을 확인할 수 있다. 이는 앞서설명한 바와 같이 도르래와 핀 사이에 발생하는 마찰력 및 댐퍼에 의해 부과되는 하중 때문에 나타나는 특징이다.
- 이는 사용된 감쇠장치의 속도 의존성 때문으로 작동 변위는 지연되었으나 작동 속도는 이론값과 유사하였기 때문이다. 이를 통해 작은 용량의 댐퍼 사용으로도 그의 수배에 달하는 성능을 가진 댐퍼 효과를 거둘 수 있음을 확인할 수 있었다.
- 인장실험 결과 케이블을 구성하고 있는 스트랜드(strand)는 물론, 스트랜드 내 강와이어(steel wire)까지 일체로 꼬여있던 부분들이 절단과 함께 풀려나오며 최종 파괴되었으며, Fig. 7의 하중-변형률 그래프에서 확인 할수 있듯이 인장력이 가해질 때 케이블의 거동은 크게 3단계로 나누어 볼 수 있다. 첫 번째 단계는 케이블의 강성이 안정화되는 단계로 꼬여 있는 강선 및 스트랜드들이 인장력 하에서 공극을 메우며 소정의 강성을 발현할 수 있도록 정착이 되어가는 과정을 거친다.
- 케이블의 인장 실험 결과를 바탕으로, 실제 케이블-도르래 감쇠시스템에 적합한 케이블로 IWRC 6×Fi(25) 제품군을 사용하는 것이 케이블의 탄성변형에 의한 증폭비율 저감 효과를 완화시키는데 더 적절할 것으로 판단된다.
- Table 1는 케이블 종류별 인장실험 결과를 정리하여 나타낸 것이다. 해당 실험 결과로부터 확인할 수 있듯이, 케이블의 지름이 증가할수록 강성이 안정화되었을 때의 하중에 대한 변형 강성이 더 높게 나타났다. 또한, 실험체 종류별로 보면, IWRC 6×Fi(25) 제품군이 IWRC 6×WS(36) 제품군보다 더 높은 강성을 가지는 것으로 확인되었다.
후속연구
- 또한, 기존에 널리 사용되어온 변위증폭 시스템의 증폭 효율(2-3배)과 비교하였을 때, 이론값 대비 성능은 떨어지지만 케이블의 감은 횟수에 따라 증폭비를 추가로 증가시킬 수있기 때문에 3배 이상의 증폭 효율이 요구되는 감쇠시스템에서는 유용하게 적용이 될 수 있을 것으로 판단된다.
- 이는 피봇형 힌지와 프레임의 회전을 이용하여 감쇠장치의 변위를 증폭시키는 원리에 기반한 것으로 기존 V형 가새 시스템과 비교하여 약 2배의 증폭효과가 있는 것으로 연구 결과 나타났다. 그러나 본 시스템들 역시 실제 시공 시 발생되는 접합부들의 공차 등을 감안한다면 이론적으로 기대되는 성능보다 다소 작은 증폭효과가 발생하는 한계가 있다.
- 본 연구를 통해 제안된 감쇠시스템은 케이블의 탄성 변형과 도르래와 핀사이에 발생되는 마찰력으로 이론적 증폭비보다 감소된 효율이 발생하는 것이 실험을 통해 확인되었다. 보다 인장 강성이 높은 소재를 케이블로 사용하고 핀접합부에 발생되는 마찰력을 줄일 수 있다면 보다 이론적 증폭비에 가까운 효율을 얻을 수 있을 것으로 기대된다. 또한, 기존에 널리 사용되어온 변위증폭 시스템의 증폭 효율(2-3배)과 비교하였을 때, 이론값 대비 성능은 떨어지지만 케이블의 감은 횟수에 따라 증폭비를 추가로 증가시킬 수있기 때문에 3배 이상의 증폭 효율이 요구되는 감쇠시스템에서는 유용하게 적용이 될 수 있을 것으로 판단된다.
- 3) 케이블에 연결된 고정바의 변형률 계측을 통해 케이블 내 힘의 변화를 관찰한 결과 감쇠시스템에 설치된 케이블은 외부 하중의 작용 방향 변화와 더불어 탄성 변형이 동반되는 것을 확인할 수 있었다. 이러한 탄성 변형은 주로 도르래와 핀 사이에 발생하는 마찰력 및 댐퍼에 의해 부과되는 하중 때문에 나타나는 특징으로 이를 최소화할 수 있다면 본 감쇠시스템의 성능을 극대화할 수 있을 것으로 판단된다.
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