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ISSN : 1598-4095(Print)
ISSN : 2287-7401(Online)
Journal of The korean Association For Spatial Structures Vol.21 No.3 pp.61-68
DOI : https://doi.org/10.9712/KASS.2021.21.3.61

Hysteretic Behavior of Steel Damper using Guide Plate and Channel

Hyun-Ho Lee*
*Department of Architecture & Fire Safety, Dongyang University
* Tel: 054-630-1165 Fax: 054-630-1371 E-mail : hhlee@dyu.ac.kr
August 2, 2021 August 19, 2021 August 19, 2021

Abstract


In this study, a rocking behavior experiment using a guide plate and a guide channel to prevent lateral deformation of a steel damper was planned. For this purpose, strut I-type specimen I-1 and strut S-type specimen S-1 were prepared. The experimental results were compared with the existing experimental results of SI-260 and SS-260 under the same conditions without the details of lateral deformation prevention in order to evaluate the effect of preventing lateral deformation. The damper with lateral deformation prevention detail was evaluated to have superior strength capacity, deformation capacity, and energy dissipation capacity than the damper without it. Therefore, the lateral deformation prevention detail was evaluated to have a good effect in improving the design capability of the steel damper.



가이드 판과 채널을 사용한 강재 댐퍼의 이력 거동

이 현 호*
*교신저자, 동양대학교 건축소방안전학과 교수, 공학박사

초록


    1. 서론

    기상청의 국내 지진 계측 기록에 의하면, 올해 규모 3 이상의 지진이 5회이며, 규모 2이상은 총 68회라고 보고 하고 있다. 올 7월인 시점을 기준으로 전년도 88회와 비교 해보면 지속적인 지진이 계속 발생됨을 알 수 있다. <Fig. 1>에 최근 국내의 지진 발생 현황을 나타내었는데, 2016년 252건의 지진발생 이후 점차로 감소하고 있는 데, 1999년부터 2019년의 평균지진발생 건수 70.7회에 올해는 68회로 거의 육박하고 있으며, 그래프선 추세를 추정해보면 점차 지진발생횟수가 증가할 가능성이 매우 큰 것으로 판단된다.

    이러한 지진에 대응하기 위한 국내의 건축물 내진설계 는 2400년에 1번 발생할 지진의 규모를 대상으로 한다. 물론 경제적인 이유로 지진 크기를 설계단계에서 2/3로 낮추어 사용하고 있지만, 내진설계는 현존하는 자연재해에 대한 최소한의 안전 대책이다. 이러한 사유로 행정안전부 에서는 2011년부터 공공건축물에 내진보강을 실시하고 있 는데, 2021년 4월 29일 발표된 행정안전부의 보도 자료에 의하면 2020년도에 총 7,987억 원이 투입되어, 6,187건 건물의 내진성능이 확보되었다고 한다. 또한 본 연구에서 대상으로 하고 있는 학교 건물과 같은 골조 건물 즉, 학교 시설의 내진 보강은 2,503건이라 보고하고 있다.

    국내에서는 Oh & Chang(2000)1)이 슬릿형 댐퍼가 적용된 가새 골조에 대한 이력 성능 평가를 발표하였다. 그 이후, 강재 댐퍼를 이용한 제진 공법이 학교 건물에 많이 적용되었으며, 아파트의 인방보에도 적용되고 있다. 강판 댐퍼는 단일 또는 복수개의 댐퍼를 사용하는데, 단 일 댐퍼의 경우 횡하중이 작용하는 댐퍼의 면 외 방향으 로 변형(죄굴)이 발생하여 강도 및 변형 능력이 저하되 는 현상이 있다. 만약 댐퍼의 횡변형을 방지할 수 있는 방법이 있다면 강재 댐퍼의 강도와 변형 능력을 정확히 예측할 수 있어 안전한 설계 및 경제성을 확보할 수 있 는 기술이 될 것으로 판단된다.

    본 연구에서는 선행 연구 결과2)를 참고하여, 강재 댐 퍼의 횡변형을 방지할 수 있는 상세를 적용한 성능 평가 를 진행하고자 한다. 또한 선행 연구에서도 확인할 수 있듯이 록킹 거동3)을 실험체에 적용하고자 한다. 여기서 록킹 거동은 건물 골조에 록킹월을 설치하고, 록킹 거동 시 골조 상하단에 발생하는 변위를 댐퍼를 이용하여 소 산시키는 기법이다

    2. 기존 연구

    Lee, Jung, Lee(2020)4)등은 <Fig. 2>와 같이 기존 슬 릿댐퍼 내진보강공법을 보완 개선할 수 있는 내진보강 공법 NBSD-S공법을 제안하였으며, 실물크기의 유사동 적 실험을 수행하여 그 보강효과를 평가하였다.

    특허 10-17530115)은 응력집중과 면 외 좌굴 방지를 갖는 강재 슬릿 댐퍼에 관한 것인데, <Fig. 3>과 같이 스트럿의 조기 파괴를 방지하고, 면 외 방향으로 횡좌굴 을 억제시키는 강재 슬릿 댐퍼이다.

    본 연구에서는 댐퍼 적용이 용이하고 그 효과가 명확 할 것으로 보이는 <Fig. 3>과 같은 특허 상세를 특허권 자에게 사용 승인을 받아 본 연구에서 개발 중인 강판 댐퍼 스트럿 상세에 적용하였다.

    3. 록킹 거동 실험

    3.1 선행 연구와 실험체 계획

    본 연구의 선행 연구인 Lee(2020)2)의 연구결과는 횡 변형 방지 상세가 없는 강재 댐퍼를 사용한 것이다. 본 연구와 같이 록킹 거동이 구현되도록 실험을 진행하였 으며, 주요한 파괴양상을 <Fig. 4>에 나타내었는데, 본 연구와 동일한 비교를 위하여 SI-260, SS-260을 선정 하였다. 이에 의하면 댐퍼 스트럿의 횡 변형에 의하여 실험이 종료됨을 확인할 수 있었다.

    본 연구에서는 상기 연구 결과와 비교를 위하여 동일 조건의 실험 셋팅과, 강종을 사용한 실험체 계획을 진행 하였다. 실험체는 스트럿 형상을 변수로 선정하였는데, I-1 및 S-1의 2개 강재 댐퍼를 제작하였다. 이 두 실험 체는 <Fig. 5>와 같은 횡변형 방지용 상세, 가이드 판과 가이드 채널을 적용한 것이다. 즉 기존 실험결과인 SI-260 및 SS-260과 동일한 댐퍼 상세에다가 <Fig. 5> 와 같이 가이드 판을 댐퍼 좌측 및 우축에 설치한 뒤, 이 가이드 판을 가이드 채널로 연결한 것이다. 그림에서 도 확인할 수 있듯이 댐퍼 스트럿 앞뒤를 가이드채널로 구속하여 스트럿의 횡변형을 방지한 댐퍼시스템을 고안 한 것이다. 자세한 댐퍼 상세는 <Fig. 6>과 같다. 실험체 강종은 SS 275이고, 스트럿 수직 높이는 260mm, 스트 럿 폭은 30mm, 두께는 12mm이다. 가이드 판은 스트럿 좌우에 설치하였는데, 높이는 180mm, 폭은 50mm로 제 작하였으며, 가이드 채널은 C- 100×50× 5×7.5로 제작 하였다.

    록킹 거동을 구현할 수 있도록 기존 연구결과3)를 참 고하여 셋팅 계획을 진행하였다. 가력 프레임 중앙부에 록킹월을 대신할 프레임을 세우고 좌우측 하단에 댐퍼 를 각각 설치하였으며, 록킹월 상단에 수평력이 작용되 도록 계획하였다. <Fig. 7>에 실제 사용한 실험체 셋팅 상세를 나타내었다.

    강재용 스트레인 게이지는 스트럿 상하단에 각각 1개, 중단에 1개를 부착하였다. LVDT는 록킹월 좌우측에 설 치한 댐퍼의 수직 및 수평변위를 측정하였다. 가력은 하 중 ±500kN, 스트로크 ±150mm의 엑츄에이터를 사용하 였으며, <Fig. 8>과 같은 변위비(%) 증분으로 실험을 진 행하였다. 여기서 변위비는 가력 엑츄에이터 중심에서 철골 기둥 하부에 설치한 힌지 중심까지의 수직 거리 2.54m를 기준으로 하여 산정하였다.

    3.2 재료 시험 결과

    강판 댐퍼의 인장 시험편은 KS B 0801의 시편 14B 로 제작하였다. 인장 시험편 3개의 평균 항복강도는 평 균 298MPa, 평균 인장강도는 452MPa, 평균탄성계수는 200GPa, 평균 연신율은 33.3%로 평가되었다.

    3.3 모멘트-변위비 곡선 및 파괴 양상

    <Fig. 9>에 I형 스트럿 높이 260mm인 I-1 강재댐퍼 의 모멘트-변위비 곡선을 나타내었는데, 록킹월 좌우에 설치한 두 개의 댐퍼가 같이 거동하면서 가력방향댐퍼 와 가력반대방향 댐퍼는 인장, 압축 하중을 교대로 받으 면서 실험이 진행되었다. 정가력 시, 최대휨모멘트는 128.04kN·m, 이때의 변위비는 0.198%로 나타났다. 부 가력 시 최대휨모멘트는 –120.83kN·m, 이때의 변위비 는 -0.330%로 나타났다. 최대하중 발생 후 변위비 1.34%까지 가력을 하였는데, 상당한 변형 능력의 증진 을 확인할 수 있었으며, 최종 파괴 시에는 가이드 판과 스트럿이 휘어지는 것이 확인되어 실험을 종료하였다.

    <Fig. 10>에 나타낸 S-1 실험체는 두 개의 댐퍼가 같 이 거동하면서 가력방향댐퍼와 가력반대방향 댐퍼는 인 장, 압축 하중을 교대로 받으면서 실험이 진행되었다. 정 가력 시, 최대휨모멘트는 90.63kN·m, 이 때의 변위비는 1.246%로 나타났다. 부가력 시, 최대휨모멘트는 – 75.79kN·m, 이때의 변위비는 –1.267%로 나타났다. I-1 실험체와 다르게 최대하중에 도달하기까지 하중과 변형 능력이 꾸준하게 증진되었으며, 최대하중 이후 급 격한 하중 저하를 보이며, 변위 1.57%에서 실험이 종료 되었다. 파괴 양상에서도 스트럿에 횡변형이 발생하지 않았으며, 스트럿이 파단되어 파괴되는 것을 확인할 수 있었다. 즉 가이드 판과 채널에 의한 횡변형 방지 효과 를 확인할 수 있었다.

    3.4 스트레인 게이지 계측 결과

    <Fig.11>에 횡변형 방지 효과가 우수한 S-1실험체의 스트럿에 설치한 게이지에서 측정한 변형도를 나타내었 다. 강재 댐퍼 스트럿 상단, 중단, 하단에 부착한 스트레 인 게이지 측정 결과를 검토한 결과, 최대모멘트 도달 이후 상단, 중단, 하단 전부 항복하여 소성변형을 나타내 었다. 특히 상단과 하단은 항복후 약간의 변형도가 증가 하였지만, 중단은 매우 큰 변형도롤 나타내어, 가력 횡하 중 대부분을 스트럿 중단에서 소산시킴을 확인할 수 있 었다. 또한 <Fig.12>에 나타낸 횡변형 방지 상세가 없는 기존 연구 결과 SS-260 실험체의 스트럿 중단 변형도 를 살펴보면, S-1보다 낮은 최대 모멘트 65kN·m와 최 대모멘트 이후 뚜렷한 저항 없는 변형도를 확인할 수 있 었다. 이상으로부터 횡변형 방지 상세가 적절히 거동하 여 강재 댐퍼의 강도 및 변형 능력 발현에 효율적임을 확인할 수 있었다.

    4. 기존 실험 결과와 비교 분석

    결과 분석에서는 기존 연구 결과2)인 횡변형 방지 상 세 없는 SI-260 및 SS-260 결과와 본 연구 결과 I-1 및 S-1을 같이 비교하여, 횡변형 방지 상세 유무에 따른 성능 평가를 진행하였다. 여기서 SI-260과 I-1, SS-260 과 S-1은 동일 조건이다.

    4.1 포락선 비교

    총 4개 실험체의 모멘트-변위비 곡선을 포락선으로 정리하여 <Fig.13>에 나타내었다. 강도 능력은 스트럿 I 형이 우수한 것으로 평가되었으며, 횡변형 방지 상세 적 용한 I-1이 제일 크게 평가되었다. 즉 상대적으로 횡변 형 방지 상세가 없는 I-260 대비, 횡변형 방지에 의한 강도 능력의 증진이 나타난 것으로 판단된다. 반면 스터 럿 S형은 최대 모멘트 발현이 I형 보다 완만하게 나타나 는 것으로 평가되어, 가력 횡하중에 대한 에너지 소산을 점차적으로 증진시키는 효과가 있는 것으로 판단되다. 또한 횡변형 방지 상세 적용한 S-1은 상세 없는 S-260 대비, 최대 모멘트 발현이 좀 더 지연되었으며, 강도 능 력 또한 큰 것으로 나타났다.

    이상의 포락선 비교로부터 횡변형 방지 상세는 최대 모멘트 발현을 점증적으로 유도하며, 안정적인 강도 발 현이 가능한 것으로 판단된다. 횡변형 상세 없는 경우를 기준으로 횡변형 상세 있는 I형 스트럿은 최대모멘트가 1.41배 증가하였고, 변위는 1.31배 증가하였다. 또한 횡 변형 상세 있는 S형 스트럿은 최대모멘트가 1.41배 증가 하였고, 변위는 2.30배 증가하였다. 즉 횡변형 방지 상세 는 레이저 절단기로 절단 및 가공되는 강재 댐퍼의 강도 및 변형 능력을 증대시키며, 설계 능력을 증진시켜 경제 적인 이득을 얻을 수 있는 효과가 있는 것으로 평가되 었다.

    4.2 강성 저하 비교

    댐퍼의 스트럿 형상별 정(+) 싸이클의 강성 저하를 <Fig.14>에 나타내었다. 여기서 강성은 원점과 각 사이 클별 최대하중을 연결한 직선의 기울기로 정의한다. 스 트럿 I형이 상대적으로 스트럿 S형 보다 변위비 0.5%까 지는 강성저하가 큰 것으로 평가되었다. 횡변형 방지 상 세가 있는 경우가 없는 경우 보다 강도가 크게 발현되어 초기에는 강성 저하가 다소 크게 나타났으나, 변위비 0.5% 이후에는 거의 유사한 강성저하를 나타내었다.

    4.3 에너지 소산 능력 비교

    1싸이클 당 모멘트-변위비 곡선을 면적으로 정리한 에너지 소산 능력을 <Fig.15>에 나타내었다. 이에 의하 면 변위비 1.3%까지 I-1의 에너지 소산 능력이 가장 우 수하였고, 변위비 1.57%까지는 S-1의 에너지 소산능력 이 가장 우수한 것으로 나타났다. 반면 횡변형 방지 상 세가 없는 SI-260 및 SS-260은 횡변형 방지 상세 있는 경우 보다 낮은 에너지 소산 능력을 나타내었다.

    4.4 상대 비교

    이상의 평가 결과들을 종합적으로 분석하기 위하여 최대 모멘트 발현 시, 모멘트, 변위비 및 변위비 1.5%일 때 에너지 소산능력을 횡변형 방지 상세 없는 SS-260 을 기준으로 상대비로 정리하여 <Fig. 16>에 나타내었 다. 여기서 스트럿 타입 S형은 I형 보다 변형 능력이 우 수하여 이를 기준으로 하였다.

    SS-260 대비 SI-260, S-1 및 I-1의 최대모멘트는 1.42배, 1.41배, 1.99배 증가하였는데, I형 스트럿의 강도 증진 및 횡변형 방지 상세 있는 S-1 및 I-1의 증진이 우수한 것으로 나타났다.

    SS-260 대비 SI-260, S-1 및 I-1의 변위비는 0.28 배, 2.30배, 0.37배로 나타나, I형 스트럿의 최대모멘트는 횡하중 가력 초기인 낮은 변위비에 발생하는 것을 알 수 있으며, S형 스트럿은 점증적인 변형 능력 증진이 발현 되는 것으로 판단된다. 또한 횡변형 방지 상세 있는 S-1 의 변형 능력이 없는 SS-260보다 2.3배 우수한 것으로 나타난 것은 횡변형 방지 상세가 스트럿의 좌굴을 방지 하여 변형 능력을 충분히 발휘할 수 있는 효과를 보유한 것으로 판단된다.

    SS-260 대비 SI-260, S-1 및 I-1의 에너지 소산능 력도 각각 1.02베, 1.6배, 1.46배를 나타내어 횡변형 방 지 상세가 에너지 소산 능력 증진에 매우 큰 효과가 있 음을 보여주었다. 여기서 변위비 1.5%는 본 연구에서 대 상으로 하고 있는 학교 건물(1등급 건물)의 층간변위비 제한이다.

    5. 결론

    본 연구에서는 록킹 거동을 하는 기존 강재 댐퍼 연 구결과를 바탕으로 하여, 횡변형 방지를 위한 가이드 판 및 가이드 채널 적용한 록킹 거동 실험을 계획하였다. 결과 분석에서는 기존 연구 결과인 횡변형 방지 상세 없 는 SI-260 및 SS-260 결과와 본 연구 결과 I-1 및 S-1 을 같이 비교하여, 횡변형 방지 상세 유무에 따른 성능 평가를 진행하였다.

    • 1. 모멘트-변위비 곡선을 포락선으로 정리한 비교로 부터 횡변형 방지 상세는 최대 모멘트 발현을 점증적으 로 유도하며, 안정적인 강도 발현을 유도하는 것으로 평 가되었다. 횡변형 상세 없는 경우를 기준으로 횡변형 상 세 있는 I형 스트럿은 최대모멘트가 1.41배 증가하였고, 변위는 1.31배 증가하였다. 또한 횡변형 상세 있는 S형 스트럿은 최대모멘트가 1.41배 증가하였고, 변위는 2.30 배 증가하였다. 즉 횡변형 방지 상세는 강재 댐퍼의 강 도 및 변형 능력을 증대시키는 것으로 판단된다.

    • 2. 정(+) 싸이클의 강성 저하를 평가한 결과, 스트럿 I 형이 스트럿 S형 보다 변위비 0.5%까지는 강성저하가 큰 것으로 평가되었다. 횡변형 방지 상세가 있는 경우가 없는 경우 보다 강도가 크게 발현되어 초기에는 강성 저 하가 다소 크게 나타났으나, 변위비 0.5% 이후에는 거의 유사한 강성저하를 나타내었다.

    • 3. 에너지 소산 능력을 평가한 결과, 변위비 1.3%까지 I-1의 에너지 소산 능력이 가장 우수하였고, 변위비 1.57%까지는 S-1의 에너지 소산능력이 가장 우수한 것 으로 나타났다. 반면 횡변형 방지 상세가 없는 SI-260 및 SS-260은 횡변형 방지 상세 있는 경우 보다 낮은 에 너지 소산 능력을 나타내었다.

    • 4. 이상의 평가 결과들을 종합적으로 분석하기 위하여 최대 모멘트 발현 시, 모멘트, 변위비 및 변위비 1.5%일 때 에너지 소산능력을 횡변형 방지 상세 없는 SS-260 을 기준으로 상대비로 정리하여 평가하였다. SS-260 대 비 SI-260, S-1 및 I-1의 최대모멘트는 1.42배, 1.41배, 1.99배 증가하였다. SS-260 대비 SI-260, S-1 및 I-1 의 변위비는 0.28배, 2.30배, 0.37배로 나타났다. 여기서 횡변형 방지 상세 있는 S-1의 변형 능력이 SS-260보다 2.3배 우수한 것으로 나타난 것은 횡변형 방지 상세가 스트럿의 좌굴을 방지하여 변형 능력을 충분히 발휘할 수 있는 효과를 보유한 것으로 판단된다. SS-260 대비 SI-260, S-1 및 I-1의 에너지 소산능력도 각각 1.02배, 1.6배, 1.46배를 나타내어 횡변형 방지 상세가 에너지 소 산 능력 증진에 매우 큰 효과가 있는 평가되었다.

    • 5. 본 연구에서는 강재 댐퍼의 횡변형 방지를 위한 가 이드 판 및 가이드 채널 적용한 댐퍼 시스템을 개발하 여, 시스템 적용되지 아니한 기존 실험결과 대비 우수함 을 확인하였다. 향후 다양한 댐퍼 스트럿 높이 및 형상 에 대한 보완 연구 및 이를 RC 골조에 적용한 구조물 적용 성능 실험을 진행할 예정이다.

    감사의 글

    본 연구는 2021년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연 구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(No. 2017 R1D1A1B 04029593)에 의해 수행되었습니다.

    Figure

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    Earthquake events in Korea by KMA

    JKASS-21-3-61_F2.gif

    Detail of NBSD-S

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    Steel damper of patent no. 10-1753011

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    Test results of Lee(2020)

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    Detail of guide plate and channel

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    Damper detail

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    Test setup

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    Loading history

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    Test results of I-1

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    Test results of S-1

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    Moment-strain curve of S-1

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    Moment-strain curve of SS 260

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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

    JKASS-21-3-61_F16.gif

    Relative comparison of test results

    Table

    Reference

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