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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.19 No.2 pp.27-34
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2019.19.2.27

Rocking Behavior of Clamped Shape Metallic Damper

Hyun-Ho Lee*
주 ․ 교신저자, 정회원, 동양대학교 건축소방안전학과 교수, 공학박사 Dept. of Architecture & Fire Safety, Dongyang Univ. Tel: 054-630-1165 Fax: 054-630-1371 E-mail: hhlee@dyu.ac.kr
February 7, 2019 February 20, 2019 February 24, 2019

Abstract


This study proposes a technique to dissipate the energy of a rocking wall installed on a frame by using a metallic damper. The rocking behavior is to turn left and right about the wall vertical axis. The development system is a method of dissipating energy by installing a damper which is the like on a large displacement portion. Experimental results showed that in case of shorter strut make strength capacity increasement and in case of longer strut make deformation capacity increasement. The higher the strut height, the better the energy dissipation capacity. The proposed equation for estimating the steel damper strength applied to this study is a straight type strut damper. However, it is not suitable for calculation of the strength of clamped type strut damper where both flexural behavior and shear behavior are mixed.



꺽쇠형 강재 댐퍼의 록킹 거동

이 현 호*

초록


    National Research Foundation of Korea
    2017R1D1A1B04029593

    1. 서론

    2017년 기상청 통계에 의하면 우리나라에서 규모 3 이상의 지진은 19회 발생하였으며, 유감 지진 발 생은 98회에 달한다. <Fig. 1>과 같이 1978~1998년 아날로그 관측에 의하면 연평균 19.2회, 1999~2017년 디지털 관측에 의하면 연평균 67.6회에 달하는 지진 이 지속적으로 발생하고 있다. 최근 경주 및 포항의 지진 피해 사례를 고려할 때 우리나라도 상시 지진 의 위험이 존재함을 인지해야 한다.

    2015년 12월 국민안전처에서 발간한 “2단계 (2016~2020) 기존 공공시설물 내진보강 기본계획” 에 따르면 2015년 12월말을 기준으로 건축물 30,619동 중 10,973동만 내진 성능이 확보되어 약 64.2%의 건 물의 내진 보강이 필요한 것으로 보고하고 있다. 즉 일정 규모 이상의 지진이 발생하면 상당한 인명 및 재산 피해를 예측해야 되는 시기가 도래한 것이다.

    건축물의 내진 보강에는 다양한 방식이 적용되고 있다. 그 중 건물 내에 강재 댐퍼나 인방 댐퍼와 같 은 제진 장치를 설치하거나 강재 프레임을 골조 내‧ 외부에 보강하는 방법 등이 널리 사용되고 있다. 내 진 보강은 학교 건물에 많이 적용되고 있으며, 수업 시간을 고려하여 방학 중 설치 가능한 공법이 사용 되고 있다.

    본 연구는 상기와 같은 건물 보강 공법의 일종으 로 구조물 골조 내‧외부에 록킹월(Rocking wall)을 설치하고 강재 댐퍼(Metallic damper)를 이용하여 록킹월에 생기는 변위를 소산시키는 기법을 제안하 고자 한다.

    본 기법은 구조물이 좌우로 회전하는 록킹 거동 을 할 때 생기는 변위를 강재 댐퍼가 흡수하는 기술 이다. Mulligan et al.(2006)이 록킹월을 이용한 내 진 보강 공법을 처음으로 제안한 이후 Marriott et al.(2008)이 록킹월의 진동대 실험 결과를 발표하였 으며1), Wada et al.(2011)은 기존 건물의 내진 보강 시 적용한 록킹월과 강재 댐퍼 사례를 발표하였다2).

    강재 댐퍼는 국내에서 가장 많이 사용되고 있는 지진 에너지 소산 장치이다. 일반적으로 강판에 수 직 구멍을 뚫어 인접하여 남아 있는 스트럿에 변형 을 집중시켜 지진 에너지를 소산시키는 방법으로 생산비 절감 및 손쉬운 교체가 가능하여 널리 사용 되고 있다.

    본 연구에서는 스트럿 형상에 대한 선행 연구를 바탕으로 꺽쇠형(또는 V형)으로 만든 스트럿을 록 킹 거동에 대한 에너지 소산 장치로 사용하고자 한다.

    2. 기존 연구

    강재 댐퍼 중 꺽쇠형 댐퍼에 대한 연구는 Lee & Kim(2011)Lee(2013)가 처음으로 진행하였다3),4). Lee & Kim(2011)은 슬릿형 강재 댐퍼보다 에너지 소산 능력이 우수할 것으로 예상되는 꺽쇠형 강재 댐퍼를 개발하기 위한 성능 실험을 실시하였다. 실 험 변수는 꺽쇠형 댐퍼 스트럿의 수직 높이 및 각도 로 총 9개 댐퍼에 대한 실험을 진행하였다. 실험 결 과, 스트럿 높이가 270mm, 스트럿 각도가 60°인 경 우의 V형 강재 댐퍼가 가장 우수한 변형 성능을 보 유한 것으로 평가되었다. Lee(2013)는 꺽쇠형 스트 럿을 가지는 강재 댐퍼의 변위의존성 및 속도의존 성에 대한 성능 평가를 위하여 <Fig. 2>와 같은 실 험을 진행하였다. 이를 통해 목표 변위가 증가할수 록 가력 횟수는 감소하고 강도는 증가하지만 누적 에너지 소산 능력이 저하되어 강재 댐퍼가 조기 파 단되는 변위의존성 평가 결과를 발표하였다.

    국내에서 록킹 거동에 대한 논문은 매우 드물다. Lee(2017)는 BCP(Business Continuous Plan)의 일 환으로 록킹월을 세우고 강재 댐퍼와 같은 에너지 소산 장치를 건물과 상호 연결하는 보강 공법을 학 술발표대회를 통해 소개한 바 있다5). 이를 통해 기 존 연구 결과 등을 종합 평가하였으며, 록킹월에 적 합한 댐퍼를 개발할 예정임을 발표하였다.

    3. 성능 실험

    3.1 실험체 계획

    록킹 거동은 <Fig. 3>에 나타낸 연구 결과6)를 참 고하였다. 즉 록킹월을 세우고 측면에 댐퍼를 부착 하여 수평력을 적용하는 것이다. 그러나 이를 실험 체 셋팅에 적용하는 것이 매우 어려워 록킹월을 철 골 기둥으로 대처하고, 수평력이 작용하는 기둥 좌우 에 댐퍼를 끼워 설치하는 개념을 적용하여 <Fig. 4> 와 같이 고려하였다. 설치된 2개의 철골 기둥 사이 를 힌지로 연결하여 평행한 수평 거동이 발생하도 록 하였다. 즉 엑츄에이터의 가력 수평 변위를 수직 으로 설치한 강체 기둥을 이용하여 댐퍼에 변형이 발생하도록 한 것이다. 또한 실험체 하부 및 상부에 힌지를 설치하여 실험 시 좌우 평행이 되도록 세팅 을 계획하였다.

    기존 실험 결과3),4)를 참고하여 실험체 변수로 꺽 쇠형 댐퍼 수직 스트럿의 높이를 140mm, 200mm, 260mm 총 3개로 하였으며 각각 V 140, V 200, V 260 으로 명명하였다. <Fig. 5>에 나타낸 바와 같이 꺽 쇠형 스트럿의 각도를 고려하면 스트럿 높이를 일 정하게 표현할 수 없으며, 일자형 스트럿을 고려한 기존 내력식3)과의 비교를 위하여 꺽쇠형 상단과 하 단의 직선 거리인 높이를 변수로 정하였다. 스트럿 개수는 댐퍼당 3개씩 적용하였으며, 스트럿의 각도 는 <Fig. 5>와 같이 60°이다. 강재는 SS400을 사용 하였으며 두께는 12mm이다. 강재용 스트레인 게이 지는 스트럿 상‧하단에 2개를 설치하였다. 가력은 하중 ±500kN, 스트로크 ±150mm의 엑츄에이터를 사용하였으며, <Fig. 6>과 같은 변위 증분으로 실험 을 진행하였다.

    3.2 재료 시험 결과

    KS B 0801의 시편 14B에 의거하여 3개의 강재 인장 시험편을 제작하였다. 시험 결과, 항복 강도는 평균 271MPa, 인장 강도는 평균 416MPa, 항복비는 평균 1.54, 연신율은 평균 30.5%로 평가되었다. <Fig. 7>에 응력‑변형도 곡선을 나타내었다.

    70mm에서 실험이 종료되었다. 또한 파괴 양상을 살펴보면 3개의 스트럿 상‧하단이 파괴되어 충분한 변형 능력을 발휘함을 확인할 수 있었다.

    3.3 실험 결과

    <Fig. 8>에 스트럿 높이가 140mm인 V 140 댐퍼 의 하중-변위 곡선을 나타내었으며 안정적인 이력 거동을 보였다. 수평 변위 (+) 20mm에서 63.5kN의 최대 내력을 나타내었으며, (-) 20mm에서 65.8kN의 최대 내력을 나타내었다. 이후 40mm에서 실험이 종료되었다. 또한 파괴 양상을 살펴보면 3개의 스트 럿 상‧하단이 파괴됨을 확인할 수 있었다.

    <Fig. 9>에 스트럿 높이가 200mm인 V 200 댐퍼 의 하중-변위 곡선을 나타내었으며 V 140 댐퍼보다 풍부한 이력 거동을 보였다. 수평 변위 (+) 40mm에 서 42.5kN의 최대 내력을 나타내었으며, (-) 40mm 에서 49.4kN의 최대 내력을 나타내었다. 이후 70mm에서 실험이 종료되었다. 또한 파괴 양상을 살펴보면 3개의 스트럿 상‧하단이 파괴되어 충분한 변형 능력을 발휘함을 확인할 수 있었다.

    <Fig. 10>에 스트럿 높이가 260mm인 V 260 댐 퍼의 하중-변위 곡선을 나타내었으며 우수한 에너 지 능력을 보였다. 수평 변위 (+) 60mm에서 31.2kN의 최대 내력을 나타내었으며, (-) 60mm에서 37.3kN의 최대 내력을 나타내었다. 이후 90mm에서 실험이 종료되었다. 또한 파괴 양상을 살펴보면 3개 의 스트럿 상‧하단이 파괴되어 충분한 변형 능력을 발휘함을 확인할 수 있었다.

    파괴 양상을 종합한 결과, V 140의 경우 스트럿 각도 60°가 펴지는 현상 없이 스트럿의 전단 저항 으로 인하여 상당한 강도 저항 능력을 발휘하였다. V 200 및 V 260의 파괴 양상을 보면 실험 초기에는 스트럿 상‧하단부의 각도를 60°로 유지하다가 항복 이후 약 70~80°로 펴지면서 실험이 종료됨을 확인 하였다. 이로부터 스트럿 항복은 V 140보다 적은 하중에 발생하였으나 스트럿의 각도가 커지면서 변 형 능력이 증진됨을 확인하였다. 스트럿 파단 또한 V 140의 경우 수평으로, V 200 및 V 260 경우 사선 으로 발생하여 스트럿 각도가 펴지면서 변형 능력 이 증진됨을 확인할 수 있었다.

    전체적으로 스트럿 높이가 길어질수록 최대 내력 은 감소하고 변위 능력은 증가하는 것으로 평가되 었다. 이러한 경향은 스트럿 형상이 꺽쇠형에서 직 선으로 변하면서 스트럿 높이가 길어져 휨 변형을 더 많이 흡수함에 따른 것으로 판단된다.

    <Fig. 11>에 실험체별 스트럿 변형도를 나타내었 으며 스트럿 높이 변화에 따른 변형 특성을 확인할 수 있다. V 140의 경우 62kN에 도달할 때까지 항복 변형도 2,000με에 도달하지 않은 것으로 평가되어 스트럿의 변형 흡수 능력이 완전히 발휘되지 못함 을 확인할 수 있었다. V 200의 경우 40kN에 도달할 때 항복 변형도 2,000με에 도달하는 것으로 나타났 다. 이후 하중의 증가 없이 최종 파괴에 도달함을 확인할 수 있었다. V 260의 경우 25kN에 도달할 때 항복 변형도에 도달하는 것으로 나타났다. 이후 하 중 강도와 변형도가 증가하여 최종 파괴에 도달함 을 확인할 수 있었다.

    4. 결과 분석

    4.1 포락선 비교

    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 능력 은 떨어지고 변형 능력은 증가하는 것을 확인할 수 있었다. 스트럿 높이가 140mm인 V 140 경우 강도 능력은 매우 뛰어난 반면 변형 능력은 거의 없음을 확인할 수 있었다. 스트럿 높이가 260mm인 V 260 경우 강도 능력은 떨어지지만 변형 능력은 매우 우 수함을 확인할 수 있었다. 스트럿 높이가 200mm인 V 200 경우 강도 및 변형 능력은 중간 정도인 것으 로 나타났다.

    4.2 강성 저하 비교

    실험체별 정(+) 싸이클의 강성 저하를 <Fig. 13> 에 나타내었다. 여기서 강성은 원점과 사이클별 최 대 하중을 연결한 직선의 기울기로 정의한다. 수평 변위 40mm까지 V 140의 강성 저하가 가장 크게 나 타났으며 그 이후로는 거의 유사한 것으로 나타났 다. 이는 스트럿 높이가 짧을수록 강도 능력이 우수 하므로 상대적인 강성 저하도 크게 나타나는 특성 에 기인한 것으로 판단된다. 포락선 비교와 마찬가 지로 V 260의 강성 저하가 가장 완만한 것으로 평 가되었다.

    4.3 에너지 소산 능력 비교

    1 싸이클 당 하중-변위 곡선을 면적으로 정리한 에너지 소산 능력을 <Fig. 14>에 나타내었다. 여기 에서 V 140의 에너지 소산 능력은 매우 적게 평가 되었다. 이전 결과와 다르게 V 260보다 V 200의 에 너지 소산 능력이 크게 나타났는데, 이는 <Fig. 9> V 200의 하중-변위 곡선 면적이 V 260보다 큼에 기인 한 것으로 평가된다. 최종 파괴 시 에너지 소산 능 력은 V 140 대비 V 200은 약 2.98배, V 260은 약 2.17배 증진되는 것으로 평가되었다.

    5. 내력식 검토

    Lee & Kim(2011)은 오상훈 등이 제안한 국내 강 재를 사용한 강재 댐퍼의 특성을 고려한 내력식을 검토하였다3). 이 제안식은 <Fig. 15>와 같이 일자형 슬릿이 만든 스트럿 내력에 대한 것이다.

    댐퍼에 횡하중이 작용할 때 휨 모멘트와 전단력 이 발생한다. 따라서 댐퍼의 항복 또는 최대 내력은 휨 모멘트 저항 능력 또는 전단 저항 능력 중 작은 값으로 결정되며, 계산 방법은 식 (1)~(3)과 같다.

    Q y = n × min Q y b , Q y s
    (1)

    여기서,

    • n =플레이트 1장에 포함된 댐퍼의 스트럿 개수

    • Qyb = 댐퍼의 전소성 모멘트에 의한 항복 내력

      Q y b = t · B 2 · σ y 2 H
      (2)

    • Qys =전단력에 의한 항복 내력

      Q y s = 2 3 t · B · σ y 3
      (3)

      t=댐퍼 두께, B=댐퍼 폭, H=댐퍼 높이

      H = H + 2 r 2 H + 2 r

    본 연구에서는 꺽쇠형 댐퍼 수직 스트럿 높이만을 적용한 기존 연구 결과3)를 적용하였다. 이는 꺽쇠형 스트럿의 실제 길이를 고려하면 계산식의 내력이 매 우 적게 나옴에 기인한 것이다. 이상의 식을 적용하 여 계산한 본 실험 결과는 V 260, V 200, V 140에 대하여 각각 25.9kN, 38.7kN, 48.1kN으로 산정되었 다. 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 경 우 일자형 스트럿에 대한 제안식으로, 본 연구와 같이 전소성 모멘트 거동 및 전단 거동이 혼재되는 꺽쇠형 스트럿의 내력 산정에는 적합하지 못한 것 으로 판단된다. 따라서 기존 내력식의 적용은 수많 은 실험 결과 등을 고려한 보완이 필요한 것으로 판단된다.

    6. 결론

    본 연구에서는 록킹 거동을 고려한 강재 댐퍼에 대한 성능 평가를 실시하였다. 실험 방법은 해외 연 구 사례를 기초로 하였으며 주요 결과는 다음과 같다.

    • 1) 꺽쇠형 댐퍼의 하중-변위 곡선 및 파괴 양상을 평가한 결과, 스트럿 높이가 길어질수록 최대 내력 은 감소하고 변위 능력은 증가하는 것으로 평가되 었다. 이러한 경향은 스트럿 형상이 꺽쇠형에서 직 선으로 변하면서 스트럿 높이가 길어져 휨 변형을 더 많이 흡수함에 따른 것으로 판단된다.

    • 2) 실험체별 스트럿 변형도를 평가한 결과, V 140 의 경우 항복 변형도에 도달하지 않은 것으로 평가 되어 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 능 력은 부족함을 확인할 수 있었다. V 200 및 V 260 경우 강도 능력은 떨어지지만 변형 능력은 매우 우수 함을 확인할 수 있었다. 포락선과 마찬가지로 V 260 의 강성 저하가 가장 완만한 것으로 평가되었다.

    • 4) V 140의 에너지 소산 능력은 매우 적게 평가 된 반면, V 200 및 V 260의 에너지 소산 능력은 우 수한 것으로 평가되었다. 최종 파괴 시 에너지 소산 능력은 V 140 대비 V 200은 약 2.98배, V 260은 약 2.17배 증진되는 것으로 평가되었다.

    • 5) 기존 제안식은 실험 결과를 1.44배, 1.28배, 1.37배 적게 평가하는 것으로 판단되며, 평균 1.36배 과소평가하는 것으로 평가되었다. 기존 내력식의 경 우 일자형 스트럿에 대한 제안식으로, 전소성 모멘 트 거동 및 전단 거동이 혼재되는 꺽쇠형 스트럿의 내력 산정에는 적합하지 못한 것으로 판단된다. 따 라서 기존 내력식의 적용은 수많은 실험 결과 등을 고려한 보완이 필요한 것으로 판단된다.

    감사의 글

    본 연구는 2019년도 정부(교육부)의 재원으로 한국 연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(No. 2017 R1D1A1B 04029593)에 의해 수행되었습니다.

    Figure

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    Earthquake events in Korea

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    Dependence test of clamped shape metallic dampers

    KASS-19-2-27_F3.gif

    Precast wall with end columns using steel O-connectors6)

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    Setting plan

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    Damper shape (V 260)

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    Loading history

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    Stress-strain curve of steel coupon

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    Test results of V 140

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    Test results of V 200

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    Test results of V 260

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    Load-strain curve

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    Comparison of envelope curve

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    Comparison of stiffness degradation (+cycle)

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    Comparison of energy dissipation area

    KASS-19-2-27_F15.gif

    Detail of I shape damper

    Table

    Reference

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