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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.17 No.4 pp.77-84
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2017.17.4.077

Experimental Evaluation of the Seismic Performance for Lintel Beam Type Steel Damper

Kyong Min Ro*, Min Sook Kim**, Young Hak Lee***
*Architectural Engineering, Kyung Hee University
**Architectural Engineering, Kyung Hee University
***Architectural Engineering, Kyung Hee University
031-201-3815031-204-3815leeyh@khu.ac.kr
20171011 20171025 20171026

Abstract

As an alternative to coupling beam in shear wall system, application of the damper which can dissipate energy is increasing. In this study, lintel beam type steel damper which is simple to construct and change depending on design load was proposed. Cyclic loading test was conducted to compare reinforced concrete coupling beam and lintel beam type steel damper. The test results showed that lintel beam type steel damper has higher initial stiffness and energy dissipation capacity than reinforced concrete coupling beam.


인방형 강재댐퍼의 구조성능에 대한 실험적 연구

노경민*, 김민숙**, 이영학***
*학생회원, 경희대학교 건축공학과, 석사과정
**정회원, 경희대학교 건축공학과 학술연구교수
***교신저자, 정회원, 경희대학교 건축공학과 교수

초록


    1.서론

    일반적으로 개구부가 있는 전단벽에서는 횡하중 에 효과적으로 대응하기 위해서 인방보의 강도, 강성 및 변형능력이 요구된다. 그러나 인방보는 <Fig. 1> 과 같이 배근 상세가 매우 복잡하여 시공이 어렵고 비경제적이다. 또한 층간변형을 감소시키기 위하여 인방보의 강도와 강성을 크게 설계할 경우 큰 횡하 중이 작용하면 상대적으로 약한 내력을 가진 전단 벽이 손상될 수 있으며, 이는 구조물 전체에 취성적 인 파괴를 유발할 수 있다.

    반면, 인방보에 댐퍼를 설치할 경우 횡하중 작용 시 콘크리트 전단벽보다 먼저 항복하여 지진에너지 를 소산시켜 구조물의 취성파괴를 방지할 수 있다. 이에 전단벽 시스템의 연성능력 및 내진성능 향상 이 가능하도록 댐퍼를 인방보에 적용하는 연구가 다수 수행되었다1). 국외에서는 Hitaka and Matsui(2003)2)는 슬릿이 있는 강판 전단벽의 구조 성능을 평가하기 위하여 반복가력실험을 수행하였 다. 이를 통해 약 3%의 층간변위에 저항할 수 있는 강판 전단벽 슬릿의 폭‧두께비를 제안하였다. Christopoulos and Montgomery(2013)3)은 고층건 물에서 풍하중과 지진하중에 효과적으로 저항할 수 있는 점탄성 커플링 댐퍼를 제안하고 댐퍼의 구조 성능을 평가하였다. 국내에서는 Oh(2012)4)가 전단 벽 시스템의 연성능력과 내진성능을 향상시키기 위 해 강성은 기존의 인방보 이상으로 발휘되면서 설 계하중에 따라 내력을 변화시킬 수 있는 강재이력 댐퍼의 형상을 제안하였다. 또한 Kim(2014)5)은 설 치공간, 비용 및 시공과정을 최소화하기 위해서 연 결보에 설치 가능한 혼합형 마찰댐퍼를 개발하였으 며 실험을 통해 혼합형 마찰댐퍼의 구조성능을 평 가하였다. 본 연구에서는 기존 인방형 댐퍼와 비교 하여 설치방법이 단순하고 사용자가 의도한 목표내 력에 맞게 설계가 가능하며 초기강성과 에너지 소 산능력이 개선된 인방형 강재댐퍼를 제안하고 이에 대한 내진성능을 평가하는 것을 목표로 하였다. 기 존 슬릿 댐퍼에 비해 성능을 향상시키기 위해 슬릿 중앙에 홈이 있는 댐퍼, 봉 부재, H형강으로 구성된 강재댐퍼를 고안하였으며 유한요소해석을 통하여 최적의 댐퍼형상을 도출하였다. 정적 반복가력 실험 을 수행하여 최대 내력, 에너지 소산능력, 초기강성 의 측면에서 인방형 댐퍼의 성능을 평가하였다.

    2.인방형 강재댐퍼 형상제안

    2.1.인방형 강재댐퍼 구성요소

    본 연구에서 제안한 인방형 강재댐퍼는 <Fig. 2> 와 같이 슬릿이 있는 댐퍼, 봉 부재 그리고 H형강으 로 구성된다. 횡력 발생 시 슬릿이 먼저 항복하면서 에너지를 소산시키며 슬릿의 개수 또는 슬릿 두께 등을 조절하여 사용자가 원하는 수준의 내력에 맞 추어 설계가 가능하다. 댐퍼의 슬릿이 고정되는 양 단의 플레이트에 천공 후 볼트 형태의 봉 부재를 결 합하는 상세를 고안하였다. 이는 슬릿 파단 이후 봉 부재로 손상이 집중되게 하여 여진 등에 대비할 수 있도록 하기 위함이다. H형강은 댐퍼에 용접된 형 태로 댐퍼를 전단벽에 정착하기 위한 목적으로 고 안되었다. 기존 인방형 댐퍼에 철근을 다수 배치하 여 정착 및 보강하던 방법에 비해 보다 단순한 시공 을 기대할 수 있다.

    2.2.인방형 강재댐퍼 설계

    Oh4)는 연구를 통해 댐퍼의 슬릿의 폭(B)을 슬릿 의 길이(Ht )로 나눈 폭‧길이비가 댐퍼의 강성과 변 형능력에 영향을 주는 것을 확인하였다. <Fig. 3>은 일반적인 슬릿의 형상이며 r은 슬릿 단부 곡선의 반 지름, H는 직선부의 높이를 의미한다. 기존 연구를 참고하여 슬릿 단부 곡선의 반지름 r은 슬릿의 길이 Ht 의 1/6 값으로 설계하였다. 본 연구에서는 댐퍼 크기를 고려하여 슬릿의 길이(HT )를 160mm, 슬릿 단부 곡선의 반지름(r)은 20mm로 고정하고 슬릿의 목표내력을 30kN으로 설계하였다. 목표내력을 갖는 슬릿의 폭‧길이비를 도출하기 위하여 댐퍼길이를 변 수로 해석을 수행하였다. 해석에서 사용한 유한요소 해석프로그램은 ANSYS (R15.0)이며 해석조건은 <Table 1>과 같다. <Fig. 4>에 슬릿의 폭‧길이비에 따른 댐퍼 슬릿의 하중-변위 곡선을 나타내었다.

    폭‧길이비가 0.4일 때 슬릿의 내력은 27.4kN으로 목표내력인 30kN에 근접한 결과를 보였다. 따라서 이를 바탕으로 <Fig. 5>와 같이 슬릿의 상세 형상을 결정하였다. 기존 슬릿댐퍼에 비해 단부에서의 응력 집중을 완화시키기 위하여 슬릿의 중앙에 홈을 만 들어 중앙에서 파단이 일어나도록 유도하였다.

    댐퍼 슬릿의 상세치수를 결정한 이후 유한요소해 석을 통해 횡하중으로 인한 에너지를 댐퍼 슬릿에 효과적으로 전달할 수 있도록 댐퍼를 이루는 각 부 분의 상세 치수를 결정하고자 하였다. 유한요소해석 을 통해 산출된 슬릿 1개의 내력은 27.4kN으로 본 연구에서는 27.4kN의 내력을 가진 슬릿이 6개 배치 된 인방형 강재 댐퍼를 설계하였다. 댐퍼의 해석 조 건은 <Table 2>와 같다.

    해석 결과 슬릿이 고정되는 좌측 및 우측의 댐퍼 플레이트 두께를 30mm로 하였을 때 <Fig. 6>과 같 이 플레이트에 변형이 거의 발생하지 않았으며 슬 릿에 응력이 고르게 분포하는 것으로 나타났다.

    3.실험계획

    3.1.사용재료

    시험체 제작에 사용된 콘크리트의 경우 KS F 2405(2010) 기준에 따라 측정한 결과 재령 28일 평 균압축강도는 35MPa이며, 인장철근의 경우 항복강 도 400MPa인 이형철근을 사용하였다. 인방형 강재 댐퍼는 항복강도 235MPa인 SS400 강판을 사용하였 다. 실험에 사용된 재료의 물성치는 <Table 3>에 나 타내었다.

    3.2.시험체 상세

    본 연구에 사용된 시험체는 기존 철근콘크리트 인방보로 연결된 전단벽 시스템인 RC 시험체와 철 근콘크리트 인방보 중앙에 본 연구에서 제안한 인 방형 강재댐퍼를 삽입한 SD 시험체로 제작하였다. 모든 시험체 크기는 장변방향 길이 2,400mm, 단변 방향 길이 1,000mm, 높이 2,100mm이며 <Fig. 7>과 <Fig. 8>에 각각 RC 시험체와 SD 시험체의 상세를 나타내었다. 인방형 강재댐퍼는 유한요소해석을 통 해 <Fig. 8 (c)>와 같이 장변방향 길이 800mm, 폭 300mm이며 댐퍼에 사용된 슬릿의 두께는 6mm, 상 하부 플레이트의 두께는 30mm, 측면 플레이트 두 께는 10mm로 하였다. 시험체 일람을 <Table 4>에 나타내었다.

    3.3.실험 방법

    시험체 상부 가력보에 1,000kN 용량의 엑츄에이 터를 체결하였으며 시험체 하부에 스위블 조인트를 설치하여 반복하중을 도입하였다. 시험체 설치 상세 는 <Fig. 9>에 나타내었다. 시험체의 구조성능을 평 가하기 위하여 <Fig. 10>과 같이 변위제어를 통한 정적 반복가력 하였다. SC 시험체의 경우 목표층간 변위인 1.5%에 도달할 때 까지 0.25%씩 점증적으로 가력하였으며 SD 시험체의 경우 목표 층간변위를 3.0%로 설정하여 0.5%에서 0.5%씩 점증적으로 가 력하였다.

    4.실험 결과

    4.1.시험체 균열 및 파괴양상

    기존 철근콘크리트 인방보 형상인 RC 시험체의 경우, 층간변위각 0.5%일 때 인방보와 벽체의 접합 부에서 초기 균열이 발생하였다. 이후 가력이 진전 됨에 따라 인방보에서 전단균열이 발생하였으며, 층 간변위각이 1.0%인 네 번째 사이클 이후 인방보 뿐 만 아니라 벽체에서도 큰 균열이 관찰되었다.

    본 연구에서 제안한 인방형 강재댐퍼 시험체인 SD 시험체의 경우, 층간변위각 0.5%일 때 인방보 단부에서 초기 균열이 발생하였으며, 실험이 종료될 때까지 RC 시험체와 같이 큰 균열이 발생하지 않았 다. 또한 벽체에도 균열이 발생하지 않았다. RC 시 험체의 균열도와 실험 종료 후 사진을 <Fig. 11>에 나타내었으며 <Fig. 12>는 SD 시험체의 균열도와 시험체의 파괴상황이다.

    4.2.하중-변위 곡선

    RC 시험체와 SD 시험체의 구조성능을 비교하기 위하여 <Fig. 13>에 하중-변위 곡선을 나타내었다.

    RC 시험체의 하중-변위 곡선의 경우, 철근콘크리 트 구조물 거동에서 전형적으로 나타나는 핀칭현상 이 관찰되었다. RC 시험체의 최대 내력은 정방향으 로 194.43kN, 부방향으로 213.74kN이였으며, 최대 변위는 정방향으로 31.46mm, 부방향으로 29.84mm 로 관찰되었다.

    SD 시험체의 경우 안정적인 방추형 이력거동을 나타내고 있다. 시험체의 최대 내력은 정방향으로 203.98kN, 부방향으로 203.70kN이였으며, 최대 변 위는 정방향으로 63.08mm, 부방향으로 63.02mm로 관찰되었다. <Table 5>에 하중-변위 곡선에서 관찰 된 실험 결과를 나타내었다. 동일한 설계하중을 적 용하였기 때문에 RC 시험체와 SD 시험체의 최대 내력은 유사하게 나타났다.

    4.3.에너지 소산능력

    지진 발생 시 건물의 손상을 최소화하기 위하여 댐퍼에는 지진으로 인한 에너지를 최대한으로 흡수 하는 능력이 요구된다. 본 연구에서 각 시험체의 하 중-변위 곡선의 면적으로 에너지 소산면적을 산정 하였으며 이를 통해 제안한 인방형 강재댐퍼의 에 너지 소산능력을 평가하고자 하였다. 각 시험체 별 에너지 소산능력을 <Fig. 14>에 나타내었다. SD 시 험체의 소산 에너지량은 30.68kN·m이며 RC 시험 체에 비해 15배 이상의 에너지 소산능력을 발휘하 였다. <Fig. 12>에 나타낸 SD 시험체의 균열도를 보 면, 벽체에 균열이 발생하지 않아 대부분의 에너지 가 인방형 강재댐퍼에서 소산되고 있음을 확인할 수 있다. 또한 <Table 6>에 RC 시험체와 SD 시험 체의 실험 결과를 비교분석 하였으며 <Fig. 15>에 RC 시험체를 기준으로 SD 시험체의 초기강성, 최 대 내력과 에너지 소산능력을 평가하였다.

    <Fig. 15>에 따르면 RC 시험체를 기준으로 할 때, SD 시험체의 초기강성은 RC 시험체의 1.34배, 최대 내력은 0.95배로 나타났다. 이를 통해 SD 시험 체가 RC 시험체에 비교하여 최대 내력은 유사하나 초기강성이 더 우수한 것으로 판단된다. 또한 에너 지 소산능력의 경우 RC 시험체의 에너지 소산량을 1.0으로 할 때, SD 시험체의 에너지 소산량은 15.73 으로 댐퍼의 에너지 소산능력이 기존 인방보에 비 하여 우수한 것을 확인할 수 있다. 따라서 본 연구 에서 제안하는 인방형 강재댐퍼는 기존 철근 콘크 리트 인방보와 비교하여 볼 때, 초기강성과 에너지 소산능력이 우수한 것으로 판단된다.

    5.결론

    본 연구는 인방형 강재댐퍼의 형상을 제안하고 정적반복실험을 수행하여 제안한 인방형 강재댐퍼 의 구조성능을 평가하고자 하였다. 연구를 통해 얻 은 주요 결론은 다음과 같다.

    • 1) 인방형 강재댐퍼는 인방보에 강재댐퍼가 삽입 되는 형태로 슬릿이 있는 댐퍼, 봉 부재 그리고 H형 강으로 구성된다. 유한요소해석을 통해 강재댐퍼의 상세치수를 결정하였으며 폭‧길이비 0.4, 댐퍼 플레 이트의 두께가 30mm일 때 응력이 슬릿에 분포하는 이상적인 거동을 얻을 수 있었다.

    • 2) 실험 결과 기존 철근콘크리트 인방보 상세인 RC 시험체의 경우 초기 균열은 인방보와 벽체의 접 합부에서 발생하였으며 이후 인방보와 벽체에서 전 단균열이 발생하였다. 인방형 강재댐퍼가 적용된 SD 시험체의 경우 초기 균열은 인방보 단부에서 발 생하였으며 벽체에 균열이 발생하지 않아 인방형 강재댐퍼가 에너지를 효과적으로 흡수했음을 보여 준다.

    • 3) 본 연구에서 제안한 인방형 강재댐퍼가 적용된 SD 시험체의 경우 RC 시험체에 비하여 초기강성과 최대 내력, 에너지 소산능력은 각각 1.34배, 0.95배, 15.73배로 최대 내력은 5% 감소하였으나 초기강성 과 에너지 소산능력이 뛰어난 것을 확인하였다.

    감사의 글

    이 논문은 중소기업청에서 지원하는 2016년도 산학 연협력 기술개발사업(No.C0442764)의 연구수행으 로 인한 결과물임을 밝힙니다.

    Figure

    KASS-17-77_F1.gif

    Detail of coupling beam

    KASS-17-77_F2.gif

    Lintel beam type steel damper

    KASS-17-77_F3.gif

    Geometric properties of slit

    KASS-17-77_F4.gif

    Load-displacement curve of slit (Ht =160mm)

    KASS-17-77_F5.gif

    Detail of slit(mm)

    KASS-17-77_F6.gif

    Stress distribution of damper

    KASS-17-77_F7.gif

    Detail of RC specimen(mm)

    KASS-17-77_F8.gif

    Detail of SD specimen(mm)

    KASS-17-77_F9.gif

    Test setup

    KASS-17-77_F10.gif

    Load history

    KASS-17-77_F11.gif

    Crack patterns of RC specimen after testing

    KASS-17-77_F12.gif

    Crack pattern of SD specimen after testing

    KASS-17-77_F13.gif

    Load-displacement curve

    KASS-17-77_F14.gif

    Dissipated energy of specimens

    KASS-17-77_F15.gif

    Comparison of test result

    Table

    Mechanical properties and load condition of slit model

    fy : Yield stress(MPa), Et : Tangent modulus

    Mechanical properties and load condition of damper model

    Material Properties

    Details of specimens

    Results of experiment

    Results of experiment

    Ki: Initial stiffness, Qu : Ultimate strength, E: Dissipated energy

    Reference

    1. KimJY JungIY KimHG KimDH (2016) “ Evaluation on the Structural Performance of Hybrid Damper Using Highdamping Rubber and Steel” , Journal of Korean Association for Spatial Structures, Vol.16 (3) ; pp. 99-106
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