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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.15 No.1 pp.85-94
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2015.15.1.085

Structural Performance of RC Frame with SAFE Damper

Byeong-Chan So*, Chang-Hwan Lee**, Young-Kyu Ju***
*School of Civil, Environmental and Architectural Engineering, Korea University
**Dongyang Structural Engineers Group Co., Ltd.
***School of Civil, Environmental and Architectural Engineering, Korea University Tel: 02-3290-3327 Fax: 02-928-7656
Corresponding author: School of Civil, Environmental and Architectural Engineering, Korea University Tel: 02-3290-3327 Fax: 02-928-7656 tallsite@korea.ac.kr
December 2, 2014 December 23, 2014 January 6, 2015

Abstract

SAFE damper is a hybrid damper which is comprised of a friction damper and a metallic damper. These two dampers combine to resist external energy in stages. Under minor earthquake loads, the friction damper operates alone. However, the friction damper and metallic damper dissipate the energy together when a severe earthquake occurs. In comparison with other methods for seismic retrofitting, the SAFE damper has many advantages. The SAFE damper doesn’t cause damage to façade of the building, and the construction period can be reduced when retrofitting. This paper describes experiments evaluating the structural performance of the SAFE damper. From the results, it was found that the structural performance of a conventional RC bare frame can be significantly improved by the installation of the SAFE damper.


SAFE댐퍼 보강골조의 구조성능 실험적 평가

소 병찬*, 이 창환**, 주 영규***
*주저자, 학생회원, 고려대학교 석사과정
**정회원, ㈜동양구조안전기술 팀장
***교신저자, 정회원, 고려대학교 건축사회환경공학부 교수, 공학박사

초록


    National Research Foundation of Korea
    2013R1A1A201378
    14CTAP-C066889-02-000000

    1.서론1)

    최근 동아시아 지역에서는 2011년의 동일본 대지 진(규모 9.0)과 2013년 중국의 쓰촨성 대지진(규모 7.0)등 대규모 지진이 연속적으로 발생하여 막대한 인명 및 재산피해가 유발되었다. 우리나라 또한 지 진발생 빈도수의 지속적 증가로, 지진에 대한 경각 심이 높아지고 있다.

    또한 최근 세월호 침몰사고와 경주 마우나리조트 강당 붕괴사고 등으로 학생들의 인명피해가 커지면 서 정부에서 학교건물을 대상으로 안전진단을 실시 하였고, 비내진설계된 약 86%의 학교건물을 대상으 로 대대적인 보강계획을 발표하였다.1)

    학교시설 내진보강에 대표적으로 활용되는 방법 으로는 철골 브레이스 증설2), 토글댐퍼3) 설치 등이 있으며, 최근에는 BRB 공법4)도 활용되고 있다. 철 골 브레이스 증설, 토글댐퍼, BRB 공법은 기존골조 의 강도 및 강성 향상, 에너지 소산능력의 증대로 내진성능은 향상되지만, 건물의 외관을 손상시킬 수 있다. 또한 지진에너지에 의해 구조체가 손상될 경 우 시스템의 전면적 교체가 필요하고, 순수콘크리트 골조에 적용하기 위해서는 별도의 프레임을 제작해 야 한다. 따라서 건물의 외관을 손상하지 않고 손상 수준에 따라 부분적 교체가 가능하며 개별적 프레 임 설치가 요구되지 않는 보강 기술이 필요하다.

    본 연구에서는 기존 선행연구를 통해 개발된 자 동차 브레이크 패드기술을 이용한 마찰댐퍼와 변단 면 스트립을 갖는 강재댐퍼를 결합한 하이브리드형 댐퍼인 SAFE(Sustainable, Aseismic, Flexible, and Eco-friendly)댐퍼를 실제 비내진설계된 학교건물의 상세를 가진 순수콘크리트골조(RC)에 적용하여 실 험을 수행하였다. 이를 통해 향상된 내진성능을 확 인하고, 에너지 수준에 따른 댐퍼의 단계적 거동, 손상수준에 따른 댐퍼부의 부분적 교체의 가능성을 확인한다.

    2.SAFE댐퍼

    2.1.SAFE댐퍼의 구성 및 효과

    <Fig. 1>에서 나타난 SAFE댐퍼는 마찰댐퍼와 강 재댐퍼로 구성되어 있다. 변위의존형 댐퍼인 마찰댐 퍼와 강재댐퍼는 속도 및 온도와 같은 환경요인에 대해 안정적인 성능을 보인다.

    기존 비내진설계된 교육시설의 내진성능을 향상 시키기 위하여 SAFE댐퍼는 입력되는 지진하중의 크기에 따라 단계적으로 작동할 수 있게 설계되었 다. 상시풍하중에 대해서는 구조체의 강성이 증대되 고, 마찰댐퍼의 거동범위인 ±20mm 내에서의 중약 진에서는 마찰댐퍼가 이력거동을 하게 된다. 강진에 는 상부지지재에 설계된 스토퍼에 의해 마찰댐퍼의 이동이 제한되고, 강재댐퍼의 소성변형능력으로 입 력되는 지진에너지를 효과적으로 흡수할 수 있다. SAFE댐퍼의 단계적 이력거동은 <Fig. 1>에 표현되 어 있다.

    마찰댐퍼와 강재댐퍼로 이루어진 SAFE댐퍼는 지 진에너지의 수준에 따라 효율적으로 에너지를 소산 하게 되고, 지진 후에는 손상수준에 따른 부분적인 교체가 가능하다.

    SAFE댐퍼를 적용한 보강은 기존의 대표적인 교 육시설 보강공법인 철골브레이스 공법 및 토글댐퍼 공법에 비해 기존 구조체의 손상이 감소될 수 있으 며, 벽체형 댐퍼로 건물의 외관손상이 없는 특징이 있다. 한편 별도의 프레임 설치 없이 빠른 시공이 가능하기 때문에, 방학기간과 같은 제약적인 시공기 간을 갖는 교육시설에 대하여 적합한 보강공법이 될 수 있다.

    2.2.마찰댐퍼

    SAFE댐퍼에서 마찰댐퍼는 기존의 마찰댐퍼와는 다르게 강재를 적용하지 않고, 안정적인 마찰력을 확보하고 높은 마찰성능을 발현시키기 위해 자동차 브레이크 패드 기술을 이용하여 새롭게 개발된 건 물용 마찰패드를 사용하였다. 마찰댐퍼부의 커버플 레이트와 체결상세는 <Fig. 2>에 나타내었다. 마찰 운동은 상부지지재와 마찰패드 사이에서 발생한다. 커버플레이트의 사각형 형태의 홀은 마찰댐퍼의 거 동범위를 ±20mm로 제한하고, 슬롯홀은 거동범위 내에서 마찰댐퍼가 마찰력을 발현할 수 있게 한다. 선행연구를 통해 가장 우수한 마찰력을 나타낸 확 장와셔 한 개와 디스크스프링 한 개로 구성된 형태 를 체결상세로 결정하였다.5)

    2.3.강재댐퍼

    SAFE댐퍼에서 강재댐퍼는 면내저항형 강재댐퍼 로, 스트립 형상을 갖는 댐퍼가 적용된다. 기존에 연구되어 왔던 면내저항형 스트립댐퍼 중 슬릿댐퍼 는 하중에 저항하는 스트립들이 높이에 걸쳐 동일 한 폭과 두께가 적용된다.6) 슬릿댐퍼의 하중에 대한 응력분포는 스트립의 단부에 응력이 집중되며, 스트 립의 중앙부는 낮은 응력을 나타낸다. 따라서 강재 의 물량을 절감하며, 스트립의 전단면에 걸쳐 응력 이 고르게 분포되는 변단면을 갖는 스트립형상의 강재댐퍼를 선행연구에서 제시하였고, 제시된 변단 면 스트립댐퍼를 SAFE댐퍼의 강재댐퍼로 설계하였 다. 슬릿댐퍼와 변단면 스트립댐퍼의 형상은 각각 <Fig. 3>과 <Fig. 4>에 제시되어 있다. 슬릿댐퍼와 변단면 스트립댐퍼는 전체적으로 동일한 조건을 적 용하였으나, 변단면 스트립댐퍼의 경우 면외강성을 증진시킴으로써, 보다 우수한 에너지 흡수능력을 확 보하기 위해 단부를 보강하였다. 단부 보강에도 불 구하고, 변단면 스트립댐퍼의 전체체적은 슬릿댐퍼 의 약 81%정도로 나타나는 것을 <Table 1>에서 확 인할 수 있다.7)

    선행 연구에서는 <Fig. 3>과 <Fig. 4>에 제시된 슬릿댐퍼와 변단면 스트립댐퍼에 대해 단조가력과 반복가력 실험을 수행하였다. 단조가력과 반복가력 실험 결과, 스트립댐퍼의 체적당 에너지 소산능력은 슬릿댐퍼 대비 각각 1.43배, 1.28배로 나타났으며, 상세한 결과는 <Table 1>에 정리되어 있다.7)

    3.SAFE댐퍼 보강골조 실험계획

    3.1.실험개요 및 실험체 상세

    SAFE댐퍼의 실제 구조물 적용에 앞서, 최종적인 성능을 검증하기 위해 건설부에서 공고한 제 130호 학교교사 표준설계도서8)를 참고하였다. 이 중 비내 진 설계된 기존 학교건물 1개를 선정하여 프로토타 입 모델로 결정하였고, 이는 <Fig. 5>에서 확인할 수 있다. <Fig. 5>에 표시된 2층 부분이 실험에서 사용되는 골조체이며, 본래 7.5m의 경간은 실험동 의 공간적 제약으로 4.5m로 수정하여 계획하였다. 또한 실제 SAFE댐퍼는 상하부 보에 연결되지만, <Fig. 8>과 같이 반복하중을 받는 실험체를 반력상 에 고정시키기 위해 하부 보를 기초의 형태로 제작 하였다. 기초단면은 1,000mm의 폭, 750mm 높이로 계획하였으며, 상부 보와 동등한 휨강도를 갖도록 주철근의 배근량을 조절하였다. 실험체는 단층 1경 간 실측크기로 제작하였다.

    순수콘크리트골조와 SAFE댐퍼 보강골조에 대해 2개의 실험체를 제작하였고, 순수콘크리트골조와 SAFE댐퍼 보강골조의 공통으로 적용되는 RC골조 는 <Fig. 6>과 <Table 2>에서 확인할 수 있다.

    SAFE댐퍼 보강골조에서 마찰댐퍼와 변단면 스 트립댐퍼로 구성된 하이브리드형 SAFE댐퍼는 상부 및 하부지지재와의 연결을 통해 구조체의 정중앙에 보강된다. <Fig. 7>은 SAFE댐퍼로 보강된 골조의 모습을 보여준다.

    3.2.실험체 세팅 및 가력계획

    실험은 준정적 가력으로 진행하였다. 액추에이터 의 용량은 2,000kN이며, 가용 변위는 ±250mm이다. 이는 실험체의 높이 3m의 8.3%에 해당하는 값이며, 실험체의 예상되는 최대변형을 충분히 초과한다. <Fig. 8>은 세팅 입면도를 나타내며, <Fig. 9>는 실 제 실험체 세팅 전경을 보여준다.

    <Fig. 8>과 같이 실험체의 기둥과 연결된 2,000kN 용량의 액추에이터를 이용하여 변위제어 방식으로 가력을 진행하였으며, 지진하중과 같이 반 복되는 하중에 대해 누적되는 손상을 효과적으로 모사하기 위하여 양방향으로 가력하였다. ACI 374.1-05.9)를 참조하여 <Fig. 100>과 같이 점진적으 로 증가하는 진폭을 갖는 가력프로그램을 적용하였 고, 각 단계별 진폭에 대해서는 3회씩 반복을 수행 하였다.

    3.3.측정계획

    전체 골조의 변위는 액추에이터에 내장된 변위측 정장치(CH.1)와 액추에이터 반대편의 기둥에 설치 된 줄변위계(CH.2)의 평균값으로 산정하였다. 수평 하중은 엑추에이터와 연결된 로드셀(CH.0)에 의해 측정되고, CH.5와 CH.6은 골조의 대각변형을 측정 한다. CH.7, CH.8, CH.9, CH.10은 기초의 변형이 허용범위 내에 있는지를 판단하기 위해 설치한 것 이다.

    SAFE댐퍼의 구성요소별 수평변위는 별도의 변위 계를 이용하여 측정하였다. 마찰댐퍼의 상대변위는 상부지지재에 설치된 CH.11과 마찰댐퍼부에 설치 된 CH.12에서 측정된 값의 차이로 산정되고, 변단 면 스트립댐퍼의 상대변위는 변단면 스트립댐퍼의 상단에 설치된 CH.13과 하부에 설치된 CH.14의 측 정값 차이로 산정된다. 또한 상부지지재의 상대변위 는 골조전체의 수평변위와 CH.11의 차이값에 의해 산정되며, 하부지지재의 상대변위는 기초에서의 변 위가 미미함을 고려하여 CH.14에서 얻어지는 변위 값을 이용하였다. 전체적인 변위측정 계획은 <Fig. 111>에 제시되어 있다.

    콘크리트골조 내에서 철근의 하중저항 특성을 확 인하기 위해 기둥주근(상부 및 하부)에 다수의 스트 레인게이지를 콘크리트 타설 전에 부착하였다.

    SAFE댐퍼의 상하부지지재가 탄성범위 내에 존재 하는지 확인하기 위하여 상하부지지재에 스트레인 게이지를 설치하였으며, SAFE댐퍼의 단계적 거동 확인과 변단면 스트립댐퍼의 전후 플레이트의 일체 거동 확인을 위하여 변단면 스트립댐퍼에도 스트레 인게이지를 부착하였다. 상세한 설치 위치는 <Fig. 12에 나타난다.

    4.실험결과 및 분석

    4.1.재료실험 결과

    실험체를 구성하는 콘크리트 골조는 설계기준압 축강도(fck )가 21MPa인 콘크리트를 사용하였다. 상 부 기둥 및 보의 콘크리트는 실제 압축강도가 실험 결과에 중요한 영향을 미칠 수 있기 때문에 KS F 240310)에 따라 공시체를 제작하였다. KS F 240511)에 따른 압축강도 시험을 수행하였고, 시험결과 설계기 준압축강도를 만족하였다.

    콘크리트골조의 제작에는 설계기준항복강도(fy ) 가 400MPa인 총 5종의 SD400 철근이 사용되었고, 스트립댐퍼의 제작에는 총 3종류의 강판이 사용되 었다. 5종류의 철근은 각각 D10, D16, D19, D22, D25이며, 강판은 댐퍼 상하부지지재에 사용되는 웨 브(14mm, SM 490) 및 플랜지(20mm, SM490)와 변 단면 스트립댐퍼 제작에 사용된 강판(19mm, SS400) 으로 구분된다.

    사용된 철근과 강판에 대하여 인장시험을 수행하 기 위해, 각각 3개씩의 인장시험편을 KS B 080112) 에 따라 제작하여 KS B 080213)에 따라 시험을 진행 하였다. 3개씩 제작된 철근과 강판의 인장시험 결과 의 평균값을 <Table 3>에 제시하였다.

    4.2.파괴양상 비교

    두 실험체 모두 전반적으로 유사한 파괴양상을 보였다. 두 실험체의 RC골조 파괴모드를 살펴보면 3단계(층간변위비 0.2%)부터 기둥하부에 미세균열 이 발생하였고, 6단계(층간변위비 0.5%)까지는 특이 한 사항 없이 휨균열이 새로운 위치에서 생성되고, 이전 단계에서 생성된 휨균열는 폭과 길이가 확장 하는 모습을 나타냈다. 7단계(층간변위비 0.75%)부 터는 대각균열이 발생하였고, 강한 진폭으로 구분되 는 8단계(층간변위비 1%)부터 10단계(층간변위비 1.75%)까지 대각균열이 진전되고, 뚜렷해지는 양상 을 보였다. 최대 균열폭은 1.5mm로 관찰되었다.

    순수콘크리트골조의 경우, 11단계(층간변위비 2.2%)에서 액추에이터 쪽의 기둥에서 콘크리트 피 복이 박리되었고, 균열폭은 보통 2~3mm로 진전되 었으며, 최대 6mm까지의 균열폭도 확인할 수 있었 다. <Fig. 133>은 실험체의 균열도를 나타내며, 이를 통해 전체적인 균열양상을 확인할 수 있다.

    SAFE댐퍼 보강골조는 2단계(층간변위비 0.15%) 에서 마찰댐퍼의 거동이 시작되었다. 또한 7단계(층 간변위비 0.75%)부터는 스토퍼에 의해 마찰댐퍼의 슬립이동이 제한되고, 강재댐퍼의 거동이 시작되었 다. SAFE댐퍼 보강골조의 경우 10단계(층간변위비 1.75%)의 첫 사이클에서 액추에이터 측 기둥 하부 에 대각균열로 인한 콘크리트 손상이 다소 크게 나 타났고, 이러한 영향으로 강도가 급격하게 저하되었 다. 결국 10단계(층간변위비 1.75%)의 마지막 사이 클에서 콘크리트 피복이 박리되었다.

    SAFE댐퍼 보강골조의 조기파단 원인을 액추에이 터 측 기둥 하부 주근의 변형률을 통해 예측할 수 있다. <Fig. 144>는 주근의 변형률을 나타내는데, 순 수콘크리트골조의 주근은 항복 후 잔류변형이 가력 이 진행될수록 작아지고 있는 반면에, SAFE댐퍼 보 강골조의 주근은 항복 후 잔류변형이 계속 유지되 고 있다. 순수콘크리트골조는 주근이 항복한 후에도 힘의 재분배가 원활하게 이루어지고 있지만, SAFE 댐퍼 보강골조는 주근이 항복한 후에 액추에이터 측 기둥 하부에 계속적인 하중의 집중현상이 나타 나는 양상을 보였다.

    4.3.하중-변위 관계

    <Fig. 155>는 순수콘크리트골조의 하중-변위 관계 를 보여준다. 순수콘크리트골조는 10단계(층간변위 비 1.75%)까지는 진폭이 증가됨에 따라 최대강도가 점진적으로 증가하였고, 10단계(층간변위비 1.75%) 에서 301kN의 최대강도를 나타냈다. 11단계(층간변 위비 2.2%)의 첫 사이클 정방향 가력에서 강도 저감 이 발생하였고, 부방향에서는 최대강도 대비 약 70%로 강도가 급격히 감소하였다. 가력은 11단계 (층간변위비 2.2%)의 두 번째 사이클까지 진행되었 다.

    SAFE댐퍼 보강골조의 하중-변위 관계는 <Fig. 166>에서 확인할 수 있다. SAFE댐퍼 보강골조의 경 우, 순수콘크리트 골조보다 빠른 10단계(층간변위비 1.75%)의 첫 사이클 정방향 가력에서 순간적으로 강도가 저감되는 모습을 보이고 있다. 이는 앞서 언 급했던 바와 같이 액추에이터 측 하부 기둥에 하중 집중현상에 기인한 것으로 판단된다. 10단계(층간변 위비 1.75%) 부방향에서의 내력은 정방향보다 크게 나타났고, 이때 순수콘크리트골조의 1.95배에 해당 하는 586kN의 최대강도를 나타냈다. 가력은 10단계 의 마지막 사이클까지 진행되었다.

    순수콘크리트골조와 SAFE댐퍼 보강골조의 성능 을 보다 효과적으로 비교하기 위해, 하중-변위 관계 에서 각 단계별 최대하중점을 이은 단조곡선을 <Fig. 177>에 나타냈다. 단조곡선을 통해 초기강성을 비교할 수 있는데, 순수콘크리트골조의 경우 초기강 성이 약 21kN/mm로 나타났고, SAFE댐퍼 보강골 조의 초기강성은 약 42kN/mm로 나타났다. SAFE 댐퍼 보강골조의 강도가 순수콘크리트골조 대비 약 2배 정도 높게 나타나는 것을 확인할 수 있다.

    4.4.단계적 이력거동

    SAFE댐퍼의 단계적 이력거동은 SAFE댐퍼 보강 골조의 하중-변위관계 및 변단면 스트립댐퍼의 변 형률을 통해서 확인할 수 있다.

    <Fig. 186>에서 제시된 SAFE댐퍼 보강골조의 하 중-변위 관계는 순수콘크리트골조와는 다른 양상을 나타낸다. ±20mm이내의 변형에서는 거의 일정한 기울기를 갖는 평행사변형의 이력이 나타나는데, 이 는 마찰댐퍼가 작동하는 단계가 된다. 마찰댐퍼의 이력곡선은 일반적으로 직사각형 형태로 나타나게 되는데, SAFE댐퍼 보강골조에서 평행사변형으로 나타나는 이유는 기존 순수콘크리트골조와 마찰댐 퍼가 함께 거동하기 때문이다. 또한 ±20mm 근방에 서 급격하게 강도와 강성이 증가하는 이유는 스토 퍼에 의해 마찰댐퍼의 거동이 제한되고, 강재댐퍼가 이력거동하기 때문이다.

    <Fig. 198>에 제시된 변단면 스트립댐퍼의 중앙 스트립 변형률을 살펴보면, 마찰댐퍼와 골조가 함께 거동하는 6단계(층간변위비 0.5%)까지 변형률이 재 료실험을 통해 얻어진 항복변형률(ϵy ) 0.00129보다 작게 나타난다. 6단계(층간변위비 0.5%)까지는 변단 면 스트립댐퍼가 탄성범위 내에 존재하고 있고, 7단 계(층간변위비 0.75%)부터 점차적인 변형률의 증가 를 보이며, 스토퍼에 의해 마찰댐퍼의 거동이 제한 되는 부분부터 급격한 변형률의 증가를 나타낸다. 이를 통해 마찰댐퍼와 변단면 스트립댐퍼의 단계적 거동을 확인할 수 있다. 또한 전면부 변단면 스트립 댐퍼의 중앙스트립 변형률과 후면부의 중앙스트립 변형률이 유사한 형태를 나타내고 있기 때문에, 전 면과 후면에 배치된 2개의 변단면 스트립 강재댐퍼 가 외부하중에 대해 동일하게 저항한다는 것을 알 수 있다.

    4.5.에너지 소산능력

    전체 골조의 손상수준은 에너지 소산능력에 의해 좌우되기 때문에 SAFE댐퍼에 의한 전체골조의 내 진성능향상 효과를 확인하기 위해 순수콘크리트골 조와 SAFE댐퍼 보강골조의 에너지 소산능력을 비 교하였다. 에너지 소산량은 하중-변위 관계 그래프 의 면적을 합산하여 산정할 수 있으며, 동일한 기준 에서 비교하기 위해 SAFE댐퍼 보강골조가 거동한 10단계(층간변위비 1.75%)까지를 대상범위로 하였 다. 10단계(층간변위비 1.75%)까지 순수콘크리트골 조와 SAFE댐퍼 보강골조의 가력단계별 에너지 소 산량을 <Fig. 209>에 나타냈다.

    가력의 초반단계인 3단계(층간변위비 0.2%)까지 는 전체골조가 탄성적인 거동을 하므로 에너지 소 산량이 거의 나타나지 않지만, 단계가 진행되면서 에너지 소산량이 지수함수의 형태로 증가하는 양상 을 보인다. 이는 가력이 후반부로 진행될수록 실험 체의 변형과 강도의 증가가 동반되기 때문이다.

    <Fig. 219>에서 순수콘크리트골조는 42kJ의 에너 지 소산능력을 나타냈고, SAFE댐퍼 보강골조는 순 수콘크리트골조 에너지 소산능력의 약 4배에 해당 하는 164kJ의 에너지 소산능력을 보였다. 순수콘크 리트골조의 경우 입력되는 에너지를 모두 주구조체 가 소산하기 때문에 콘크리트 골조의 손상을 항상 동반하게 된다. 그러나 SAFE댐퍼로 보강된 SAFE댐 퍼 보강골조는 동일한 변형에서 콘크리트 골조의 손상정도는 순수콘크리트골조와 비슷하지만 마찰댐 퍼와 강재댐퍼에 의해 소산되는 에너지양이 더 많 기 때문에 최종 상태에서는 훨씬 큰 에너지 소산능 력을 보이게 된다.

    10단계(층간변위비 1.75%)까지의 SAFE댐퍼 보 강골조의 부분별 에너지 소산량은 <Table 4>에 제 시되어 있다. 마찰댐퍼 및 변단면 스트립댐퍼의 에 너지 소산량은 하중과 각각의 상대변위 관계에서 나타나는 면적을 합산하여 나타냈다. SAFE댐퍼 보 강골조는 10단계(층간변위비 1.75%)까지 마찰댐퍼 및 변단면 스트립댐퍼가 소산하는 에너지의 양이 각각 약 71kJ, 약 32kJ로 SAFE댐퍼가 전체에너지의 약 69.5%의 에너지를 소산하였다.

    4.6.상하부 지지재 변형률

    SAFE댐퍼의 단계적 거동을 유도하고, 전체골조 의 효율적인 손상제어, 손상수준에 따른 SAFE댐퍼 의 부분적 교체를 위해서는 댐퍼의 상하부지지재가 극한상황에서도 탄성상태를 유지해야 한다. 이를 확 인하기 위해, SAFE댐퍼 보강골조의 최종 파괴시점 인 10단계(층간변위비 1.75%)까지 상부지지재와 하 부지지재에 부착된 스트레인게이지를 통해 계측된 변형률을 <Fig. 20>과 <Fig. 21>에 각각 나타냈다. 상부지지재와 하부지지재 모두 재료실험결과에서 얻어진 항복변형률(ϵy )인 0.00154보다 낮은 값을 나 타냈으며, 이로부터 상부와 하부지지재 모두 SAFE 댐퍼 보강골조가 파괴하는 시점까지 탄성범위 내에 있었을 확인할 수 있다.

    한편, 하부지지부에서는 상부지지부보다 조금 더 큰 변형률을 나타내고 있는데, 이는 하부지지부의 고정도가 상부지지부의 고정도보다 크다는 것을 의 미한다. 실제 건물에서는 상부와 하부 모두 동일한 크기의 전단력과 모멘트가 발생하지만, 본 실험에서 는 실험체를 반력상에 고정시키기 위해 하부 보를 기초의 형태로 변화시켰고, 하부 보를 바닥과 강봉 으로 연결하여 강하게 구속시켰다. 따라서 하부지지 부는 상부지지부에 비해 강하게 댐퍼를 구속하였고, 이것이 하부지지부에 더 큰 모멘트를 유발했을 것 으로 판단된다.

    5.결론

    SAFE댐퍼의 보강효과를 검증하기 위해 순수콘크 리트골조와 SAFE댐퍼 보강골조에 대해 2개의 실험 체를 제작하여 반복가력 실험을 수행하였고, 이를 통해 다음의 결론을 도출하였다.

    1. 하중-변위 관계를 통해 SAFE댐퍼 보강골조의 최대강도와 초기강성이 순수콘크리트골조 대비 약 2배 상승한 것을 확인하였다.

    2. SAFE댐퍼 보강골조는 액추에이터 측 기둥 하 부의 하중 집중현상으로 순수콘크리트골조의 가력 단계인 11단계(층간변위비 2.20%)보다 한 단계 낮 은 10단계(최대변위비 1.75%)까지 진행되었으며, 10 단계(층간변위비 1.75%)까지의 에너지 소산능력은 약 4배 우수하게 나타났다.

    3. SAFE댐퍼는 전체 입력된 에너지의 약 69.5% 에 해당하는 에너지를 소산함으로써 기존골조의 내 진성능을 향상시켰다.

    4. 하중-변위 관계 및 변단면 스트립댐퍼 중앙부 의 변형률을 통해 마찰댐퍼와 변단면 스트립댐퍼의 단계적 거동을 확인하였다.

    5. SAFE댐퍼의 상하부지지재는 SAFE댐퍼 보강 골조의 콘크리트 골조가 파괴되는 극한시점까지 탄 성범위 내에 존재하였으며, 이로써 손상수준에 따른 SAFE댐퍼부의 부분적 교체 및 SAFE댐퍼의 성능 극대화가 가능함을 확인할 수 있었다.

    Figure

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    Composition and behaviour of SAFE damper

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    Detail of friction damper5)

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    Detail of slit damper7)

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    Detail of SAFE steel damper7)

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    Plan and elevation of Prototype

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    Detail of prototype

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    RC frame with SAFE damper

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    Test set-up

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    Complete view of test set-up

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    Loading protocol

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    Instrumentation

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    Instrumentation of supports and SAFE steel damper

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    Damage patterns of Specimen

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    Strain of column main bar

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    Load-displacement of RC frame

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    Load-displacement of RC frame with SAFE damper

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    Load-displacement envelope curve of specimens

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    Strain of central strip

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    Energy dissipation capacity of test specimens

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    Strain of upper support

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    Strain of bottom support

    Table

    Test result of slit damper and SAFE steel damper7)

    Detail of RC frame

    Material test result

    Energy dissipation of SAFE damper

    Reference

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