1. 서 론
최근 산업화, 도시화로 인해 도심에 시공되는 건축물은 급 격히 고층화, 대형화되는 추세이며, 거주자들의 생활수준이 향상됨에 따라, 실내환경의 질에 대한 관심이 증가하고 있는 데, 특히, 건축물의 바닥진동 문제에 대한 관삼이 높아져, 이 와 관련한 연구가 활발히 이루어지고 있다.
인위적으로 실내환경 조절이 가능한 건축물은 공조기계실 내에 급수설비, 급탕설비, 배수 및 통기설비 등을 포함하는데, 이러한 다양한 설비기기에서 발생하는 소음진동은 공기음 및 고체음의 복합적인 형태로, 바닥, 벽, 천정 등을 통해 주거시 설의 실내로 침입하여, 거주자의 쾌적한 생활환경을 침해하 는 요소로 작용하는 경우가 많으므로, 구조체의 진동저감 성 능 향상을 통한 진동저감 대책이 절실히 필요한 실정이다.
한편, 구조물을 구성하고 있는 콘크리트의 경우, 진동에 대
한 감쇠성능이 작아, 구조물에서 발생하는 다양한 진동 문제 를 해결하는데 어려움이 있으므로, 이러한 문제를 해결하기 위해, 최근 폴리머 콘크리트와 복합구조 댐퍼를 혼합하여 댐 핑 성능을 크게 증가시킨 고 감쇠 시스템에 대한 연구가 활발 히 진행되고 있다. 폴리머 콘크리트는 배합 시, 시멘트와 물을 사용하지 않아, 경화시간이 매우 짧고, 물리적 특성 및 동특성 등이 매우 우수하여 진동저감이 요구되는 건축구조물에의 폭 넓은 활용이 기대되는 구조재료이며(Wang et al.,2003; Cortes et al., 2007, Jang et al., 1992), 복합구조 댐퍼는 파이프 관 내 부에 위치한 쇠구슬의 충돌에 따른 에너지 소산과 점성유체 의 에너지 소산 방식을 통해 진동을 저감하는 구조시스템이 라 할 수 있다.
따라서, 본 연구에서는 폴리머 콘크리트의 물리적 특성으 로, 탄성계수와 강도 특성을 검토하였으며, 동적 특성으로는 주파수 응답함수(Inertance)와 감쇠비(Damping raito)에 대한 검토를 진행하였다. 특히, 복합구조 댐퍼(Hybrid damper)인 충돌 댐퍼(Impact damper)와 점성 댐퍼(Viscous damper)를 일 반 콘크리트와 폴리머 콘크리트에 적용하여, 각각의 경우에 대한 동적 특성을 비교 검증한 후, 구조물에의 적용가능성에 대해 검토하고자 한다.
Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection Vol. 24, No. 5, October 2020, pp.135-142
https://doi.org/10.11112/jksmi.2020.24.5.135 pISSN 2234-6937
eISSN 2287-6979
복합구조 댐퍼를 적용한 고 감쇠 폴리머 콘크리트의 진동 특성에 관한 연구
김정진1, 최경석2, 위준우3, 석원균4*
Vibrational Properties of High Damping Polymer Concrete with Hybrid Damper
Jeong-Jin Kim1, Kyung-Suk Choi2, Joon-Woo We3, Won-Kyun Seok4*
Abstract: In the case of a concrete structure, vibration problems occur under various conditions because of its low damping performance. To solve this problem, a study on the high damping performance of the polymer concrete with hybrid damper has recently been increased. Since water is not used in polymer concrete, the curing time is short. Also, the physical properties and dynamic properties of polymer concrete are quite excellent. So polymer concrete is widely expected to be used for structural materials. The hybrid damper is the structural system that consists of steel balls and viscous fluid inside the pipe which is embedded in polymer concrete. It can reduce the structural vibrations through the energy dissipation mechanism of viscous fluid and steel balls. In this study, the physical and dynamic properties of polymer concrete with hybrid damper were compared with ordinary concrete. As a result, the elasticity coefficient and the strength of the polymer concrete with hybrid damper were so much excellent. In particular, the tensile strength was 6.5 to 10 times higher than ordinary concrete. The frequency response function and damping ratio were also compared. As a result, the dynamic Stiffness of the polymer concrete was 25% greater than that of ordinary concrete. The damping ratio of the polymer concrete was approximately 3 times higher than that of ordinary concrete. Although the dynamic stiffness of the hybrid damper showed similar tendency, the damping ratio was 3.5 times higher than that of ordinary concrete. Therefore, the polymer concrete with hybrid damper was superior to ordinary concrete.
Keywords: Polymer concrete, Frequency response function, Damping ratio, Hybrid damper
1정회원, 롯데건설 기술연구원 수석연구원, 공학박사
2정회원, 롯데건설 기술연구원 선임연구원, 공학박사
3정회원, 롯데건설 기술연구원 선임연구원
4정회원, 롯데건설 기술연구원 빌딩연구팀장, 교신저자
*Corresponding author: [email protected]
Research & Development Institute Lotte Engineering & Construction
∙본 논문에 대한 토의를 2020년 11월 30일까지 학회로 보내주시면 2020년 12 월호에 토론결과를 게재하겠습니다.
Copyright Ⓒ 2020 by The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution
2. 폴리머 콘크리트의 진동저감 메커니즘
2.1 감쇠원리
감쇠는 진동하는 물체의 진폭이 감소하는 과정으로, 외부 에서 가해진 에너지가 물체의 내부에서 열이나 마찰 등에 의 해서 손실되는 것을 의미한다. 실제 구조물은 반복하중에 의 하여 식 (1)에서와 같이 평균강성()이 저하되고, Fig. 1에서 와 같이 외력에 의해 생성된 에너지가 소비되면서 감쇠비가 증가한다. 이력거동에서 재료의 반응에 의한 면적이 넓을수 록 감쇠성능이 우수하다고 할 수 있다.
단위 (1)
여기서, 는 각 주기 당 평균강성, 은 각 사이클 당 평 균 최대하중, 은 평균 최대변위이다.
점성감쇠에 의해 소산되는 에너지()는 식 (2)와 같이 표 현할 수 있으며, Fig. 1과 같이 조화하중에 의한 하중-변위이 력곡선의 면적과 같다고 할 수 있다(Lee et al., 2007; Cho et al., 2013).
Fig. 1 Hysteresis curve for viscous damping (Cho et al., 2013)
∙ (2)
여기서, 는 소산에너지, 는 외력, 는 변위, c는 감쇠 계수, 는 감쇠고유진동수, 는 시간이다.
또한, 구조물의 변형에너지()는 식 (3)과 같고, 변형에 너지()는 식 (4)로 나타낼 수 있으며, 이는 Fig. 1의 빗금 부분의 넓이와 같다(Lee et al., 2007; Cho et al., 2013).
∙ ∙ (3)
(4)
여기서, 는 변형에너지, 는 근사변형에너지, 는 내력이다.
2.2 폴리머 콘크리트와 복합구조 댐퍼의 진동감쇠 원리 폴리머 콘크리트는 감쇠 성능이 우수하여, 진동과 소음을 줄일 수 있는 건설재료로 활용이 가능한데, 에폭시 수지와 골 재만으로 복합체를 형성함으로써, 강성 증대를 통한 진동 감 쇠 및 골재 사이의 마찰과 맞물림 작용에 의한 에너지 소산을 통해 진동 감쇠가 이루어진다. Fig. 2(A)는 폴리머 콘크리트를 나타내며, Fig. 2(B)와 (C)는 복합구조 충돌 댐퍼와 복합구조 점성 댐퍼의 제조과정 및 형상을 나타낸다.
Fig. 2 Specimem of polymer concrete with hybrid damper 먼저, 복합구조 충돌 댐퍼는 쇠구슬을 활용한 충돌 댐퍼 시 스템으로 진동이 발생하여 전달된 운동에너지가 충돌로 인한 반발계수로 운동에너지 소산을 유도하여 최종적으로 시스템
의 진동을 감쇠하는 역할을 한다. 충돌 댐퍼에 의한 시스템의 응답은 식 (5)과 (6)으로 계산할 수 있다.
(5)
(6)
여기서, 은 충돌체의 질량, 는 주진동계의 밀도, 는 단 면적, 는 충돌체(구슬)의 속도, 는 시스템요소의 변위이다.
충돌이 발생한 빔의 응답을 도출하기 위해서, 1차원 무한 시스템에 대해 충돌 전후의 속도와 반발계수에 의한 속도변 화를 변위에 반영하여 응답을 구하는데, 식 (5)와 (6)을 연립 하면 식 (7)을 도출할 수 있다.
×
(7) 특히, 충돌 댐퍼는 고주파수에서 일반적으로 더 큰 성능을 나타내는데, 빔 요소 전역에서 발생하는 충돌 전후의 속도 계 산을 위해 Runge-Kutta method를 도입하여 빔과 충돌체의 응 답을 도출할 수 있다.
한편, 복합구조 점성 댐퍼에서는 점성유체가 가진 특성이 매우 지배적인데, 시스템에 충격에 의한 진동이 발생하면, 유 체에 의한 힘이 그대로 시스템에 전달되면서 진동 감쇠가 발 생하는 원리이다. 횡 진동 빔 시스템에 작용하는 유체에 의한 수력학적 힘은 다음 식 (8)~(10)과 같이 나타낼 수 있다.
(8)
(9)
(10)
여기서, 는 유체 특성과 빔의 단면형상함수를 나타내며, 이번 연구에서는 주파수에 대한 함수가 된다. 수력학적 함수 는 지정된 폭에 대해 단위길이 당 작용하는 유체의 힘을 나타 내는 함수이고, 다음 식 (11)과 같이 나타낼 수 있다.
( : Hydrodynamic function) (11)
여기서, 실수 및 허수 항은 각각 아래와 같이 나타내며, 폭 과 두께의 비율에 따른 무차원의 변수로 나타낼 수 있다. 각각 의 실수와 허수 항은 Taylor 전개로 나타나는 근사화된 식으
로 식 (12), (13)과 같이 표현할 수 있다.
(12)
(13)여기서, 는 빔 시스템의 폭이며, 는 빔의 두께이고 각각 의 계수 값으로, 은 1.0533, 는 3.7997, 는 3.8018,
는 2.7364이다.
점성 댐퍼는 시스템에 유체의 의한 점성력을 이용하여 진 동감쇠를 유발하는 감쇠 시스템으로서 변위가 큰 저주파수에 서 더 효과적인 것으로 확인되었다(Yang et al., 2018).
3. 실험계획 및 방법
3.1 실험계획
본 연구의 배합사항은 Table 1과 같으며, Plain은 1:3 배합 을 적용하였다. 실험사항으로 물리적 특성은 압축강도, 인장 강도, 휨강도와 탄성계수를 측정하였으며, 동특성은 주파수 응답함수와 감쇠비를 측정하였다. 폴리머 콘크리트는 에폭시 를 주제와 경화제 5:1의 질량비로 혼합한 후, 골재와 함께 혼 합하여 제작하였으며, 골재는 규사로서 결정의 크기가 다른 4 호사(0.85~1.2 mm)와 6호사(0.25~0.6 mm)를 1:2 질량 비율로 혼합하여 사용하였으며, 폴리머 콘크리트의 혼합비를 20, 30%까지 증가시키며 실험을 수행하였다.
Type Mixing
ratio Water Cement Epoxy
Aggregate Type Sand Silica
sand #4 Silica sand #6
PC 1:3 130 200 - 600 - -
PM20 2:8 - - 100 150 300
PM30 3:7 - - 150 150 300
PC : Plain concrete, PM : Polymer concrete
Table 1 Mixing design of plain and polymer concrete (kg/m3)
3.2 사용재료
시멘트는 KS L 5201 규정을 만족하는 1종 보통포틀랜드시 멘트를 사용하였으며, 물리적 특성은 Table 2와 같다. 에폭시 는 KS L 5405 규정을 만족하는 국내 A사 제품을 사용하였으 며, 화학적 특성은 Table 3과 같다. 골재는 일반 잔골재는 인천 산 세척사를 사용하였고, 혼합골재는 KS F 2567을 만족하는 규사를 사용하였으며, 골재의 물리적 특성은 Table 4와 같다.
Density (g/cm3)
Blaine fineness
(cm2/g)
Stability (%)
Setting time(min) Compressive strength(N/mm2) Initial Final 3d 7d 28d 3.15 3,318 0.16 210 300 22.0 28.8 38.7 Table 2 Physical properties of cement
Density (g/cm3)
Adhesive strength [N/mm2]
Tensile strength [N/mm2]
Compressive strength [N/mm2]
Bending strength [N/mm2]
1.03 3.7 2.3 4.1 2.5
Table 3 Physical properties of epoxy
Aggregate type Density (g/cm3)
Size (mm)
Absorption
(%) F.M
River sand 2.60 5 0.8 3.09
Silica sand #4 2.64 0.85~1.2 0.4 3.48 Silica sand #6 2.60 0.25~0.6 0.5 1.71 Table 4 Physical properties of aggregate
3.3 실험방법 및 시험체 제작
폴리머 콘크리트와 일반 콘크리트의 물리적 특성 중 탄성 계수는 KS F 4043의 규정에 의거하여 측정하였으며, 압축강 도는 KS L 5105, 인장강도는 KS L 5104, 휨강도는 KS F 2408의 규정에 의거하여 측정하였다.
폴리머 콘크리트와 일반 콘크리트의 주파수 응답함수 및 감쇠비는 Photo 1의 d) 형태의 시험체를 제작하여, 각 위치에 센서를 부착하여 측정하였다.
한편, 동적 특성을 측정하기 위한 시험체는 50x50x500mm
크기이며, Photo 2 a)의 쇠구슬(직경 12mm)과 댐핑유체(오일) 를 Photo 2의 b) 형태의 아크릴관에 충진하여, 복합구조 댐퍼 적용 시험체를 제작하였다. 시험체 종류로 플레인 콘크리트 는 PC, 폴리머 콘크리트는 PM으로 표기하며, 폴리머 혼입율 20%는 PM20, 30%는 PM30으로 표기다. 파이프, 쇠구슬, 점 성유체 적용 여부에 따라, ID(Impact damper), VD(Viscous damper)로 구분하여, Fig. 3과 같이 제작하였다.
a) Steel ball b) Pipe tube installation Photo 2 Pipe inserted polymer concrete
Fig. 3 Specimem of concrete with hybrid damper
4. 실험결과 및 분석
4.1 폴리머 콘크리트의 물리적 특성 4.1.1 탄성계수
Fig. 4는 폴리머 혼입율별 탄성계수를 나타낸 것으로, 탄성 계수는 Plain 콘크리트가 22.3kN/mm2로 나타났으며, 폴리머 혼입량 증가에 따라 Plain 대비 10~40% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 한편, 폴리머 콘크리트는 강도성능 에 비해 탄성계 수의 크기가 작아 압축부재보다는 휨부재 및 인장부재에 적 용하는 것이 유리할 것으로 사료된다.
a) Modulus of elasticity b) Compressive strength
c) Tensile strength d) Modal test of beam Photo 1 Experiment method
4.1.2 압축강도
Fig. 5는 폴리머 혼입율별 압축강도를 나타낸 것으로, Plain 콘크리트가 44.5N/mm2로 가장 작은 값을 나타냈으며, 폴리머를 혼입한 경우는 56.2~95.3N/mm2로 폴리머 혼입율 이 증가할수록 압축강도가 크게 증가하는 것으로 나타났다.
이는 폴리머 혼입율이 증가할수록 골재간의 접착력이 개선되 고 치밀한 내부조직이 형성됨에 따른 것으로 사료된다.
4.1.3 인장강도
Fig. 6은 폴리머 혼입율별 인장강도를 나타낸 것으로, Plain 에 비해 폴리머 혼입율이 증가할수록, 인장강도가 6.5~10배 정도 큰 폭으로 증가하는 것으로 나타났는데, 이는 치밀한 내 부조직이 형성됨에 따른 것으로 사료되며, 이로 인한 강성증 가가 동적 특성에 미치는 영향도 클 것으로 사료된다.
4.1.4 휨강도
Fig. 7은 폴리머 혼입율별 휨강도를 나타낸 것으로, Plain 에 비해 폴리머 혼입율이 증가할수록, 휨강도가 4.6~9.2배 정 도 큰 폭으로 증가하는 것으로 나타나, Plain 대비 폴리머 콘크
리트의 강도 특성이 우수한 것으로 나타났다. 또한, 이는 강성 증가에 영향을 미쳐, 폴리머 콘크리트의 동적 특성 중 고유진 동수를 증가시키는 요인이 될 수 있을 것으로 사료된다.
4.2 폴리머 콘크리트와 복합구조 댐퍼의 동적 특성 Photo 3은 양끝이 자유단인 경계조건에서 임팩트 해머로 충격 가진 한 뒤, 가속도 응답에 대한 전달함수를 측정하는 과 정이며, Fig. 8은 충격 가진 시, 3개의 가속도계 중 가운데 지 점에서의 PC, PM, 복합구조 댐퍼(충돌, 점성)에 대한 가속도 시간이력과 스펙트럼을 나타내는 것으로, PC의 경우, 진동이 상대적으로 긴 시간동안 지속되지만, PM 및 복합구조 댐퍼 (충돌, 점성)에서는 PC대비 감쇠성능이 향상되어, 진동 지속 시간이 크게 줄어듦을 알 수 있다. 복합구조 점성 댐퍼, PM, 복합구조 충격 댐퍼 순으로 짧아지는 것으로 나타났다.
Fig. 9는 PC 및 PM 시험체에 대한 동적 특성을 나타낸 것으 로, 주파수 응답함수(Inertance) 및 감쇠비(Damping ratio)를 비교한 결과, 주파수 응답함수는 PC가 16.2로 가장 큰 것으로 나타났으며, PM30이 가장 작은 값을 나타내었다. 한편, 감쇠 비의 경우는, PC가 1.35로 가장 낮은 것으로 나타났으며, 폴리 Fig. 5 Compressive strength by polymer content Fig. 7 Flexual strength by polymer content
Fig. 4 Modulus of elasticity by polymer content Fig. 6 Tensile strength by polymer content
머 혼입율이 증가함에 따라 높아지는 것으로 나타났다. 특히, PM30의 경우는 감쇠비가 4.9로 PC에 비해 3.5배정도로 크게 증가하여, 진동감쇠 성능이 우수한 것으로 나타났다.
Fig. 10은 폴리머 혼입율과 충돌 댐퍼 적용유무에 따른 동 적 특성을 비교한 것으로, 충돌 댐퍼를 적용한 경우, 주파수 응답함수는 큰 차이를 보이지 않았지만, 감쇠비는 PC에 비해, PC_ID는 1.5배, PM20_ID는 1.8배, PM30_ID는 2.2배정도 증 가하여, 폴리머 혼입율 및 충돌 댐퍼 적용에 따라 진동감쇠 성 능이 증가하는 것으로 나타났다.
Fig. 11은 폴리머 혼입율과 점성댐퍼 적용유무에 따른 동적 특성을 비교한 것으로, 점성 댐퍼를 적용한 경우, 폴리머 혼입 율이 증가함에 따라 주파수 응답함수는 다소 증가하는 경향 을 보였다. 한편, 감쇠비는 PC에 비해, PC_VD는 2.8배, PM20_VD는 3.9배, PM30_VD는 2.9배정도 증가하여, 진동 감쇠 성능이 우수한 것으로 나타났으며, 진동감쇠 성능면에 서는 점성 댐퍼가 충돌 댐퍼보다 우수한 것으로 나타났다.
4.3 주파수 응답함수 분석 4.3.1 플레인 콘크리트 (PC)
Fig. 12는 PC의 복합구조 댐퍼 적용유무에 따른 주파수 응 답함수를 비교한 것으로, PC의 경우는 고유주파수가 488Hz 로 나타났는데, 충돌 댐퍼를 적용하게 되면 강성이 다소 증가 하여 고유주파수가 518Hz로 증가하면서 주파수 응답함수는 26%정도 감소하는 것으로 나타났다. 또한, 점성 댐퍼를 적용 한 경우는 고유주파수는 478Hz로 유사하지만, 주파수 응답함 수는 5.1로 70%정도 크게 감소하는 것으로 나타나, 진동감쇠 성능이 크게 증가하는 것으로 나타났다.
한편, 충돌 댐퍼의 주파수 응답이 거친 요철형상을 보이는 Photo 3 Measurement of dynamic properties
Fig. 8 Vibrational properties of concrete and hybrid damper
Fig. 9 Dynamic properties of Polymer content
Fig. 10 Dynamic properties of concrete and Impact damper
Fig. 11 Dynamic properties of concrete and Viscous damper
것은 시스템에서 일정한 가진이 발생하고 외부 인자의 영향 을 무시할 경우, 그 시스템 고유의 주파수 응답이 나와야 하지 만, 충돌로 인해 방해를 받게 되면 진동의 크기는 줄어들지만 주파수에서 비선형성이 발생하게 되는데, 이러한 충돌이 계 속 발생하게 되면 에너지는 충돌체(구슬)에 흡수되지만 여타 주파수들이 무작위로 나타나, 발생한 현상으로 사료된다.
4.3.2 폴리머 콘크리트 20% (PM20)
Figure 13은 PC와 PM20의 복합구조 댐퍼 적용유무에 따른 주파수 응답함수를 비교한 것으로, PC의 경우는 고유주파수 가 488Hz로 나타났지만, 폴리머 콘크리트와 복합구조 댐퍼를 적용한 경우는 강성이 크게 증가하여 고유주파수는 583~
603Hz로 증가하였으며, 주파수 응답함수도 25~59%정도 크 게 감소하는 것으로 나타나, 구조물의 변형저항성과 진동감 쇠 성능을 크게 향상 시킬 수 있을 것으로 사료된다.
한편, 점성 댐퍼를 적용한 경우가 진동감쇠 성능면에서 충 돌 댐퍼보다 우수한 것으로 나타났는데, 유체의 점성에 의한 시스템 요소의 속도변화는 시스템의 진동이 일어나는 모든 시간에서 지속적으로 발생하기 때문에 진동에너지의 손실이 일어나는 시간이 긴 반면, 충돌 댐퍼는 충돌이 일어난 전후의 짧은 시간에 대해서만 진동감쇠가 발생하기 때문에 진동에너 지 손실이 일어나는 시간이 비교적 짧기 때문이다. 하지만, 1kHz 미만의 저주파수에서는 점성의 감쇠성능이 우수한 반 면, 고주파수에서는 충돌 댐퍼의 성능이 더 우수할 수 있다.
4.3.3 폴리머 콘크리트 30% (PM30)
Figure 14는 PC와 PM30의 복합구조 댐퍼 적용유무에 따른 주파수 응답함수를 비교한 것으로, 폴리머 콘크리트와 복합 구조 댐퍼를 적용한 경우는 고유주파수가 578~597Hz이고, 주파수 응답함수도 PC대비 30~46% 정도 크게 감소하여, PM20과 유사한 결과를 보였으며, 진동감쇠 성능면에서 PC대 비 우수한 것으로 나타났다. 따라서, 폴리머 콘크리트와 복합
구조 댐퍼를 동시에 적용하면 구조물의 변형저항성과 진동감 쇠 성능을 크게 향상 시킬 수 있을 것으로 사료된다.
5. 결 론
복합구조 댐퍼를 적용한 폴리머 콘크리트의 고 감쇠 특성 에 관한 고찰을 목적으로, 물리적 특성 중 탄성계수, 압축강도, 인장강도, 휨강도를 측정하고, 동적 특성으로는 주파수 응답 함수와 감쇠비를 측정하여 검토한 결과 이하의 결론을 얻을 수 있었다.
(1) 탄성계수는 Plain 콘크리트가 22.3kN/mm2로 가장 작은 값을 나타냈고, 폴리머 혼입율이 20~30%로 증가함에 따라 Plain 대비 10~40%정도 증가하는 것으로 나타나, 폴리머 혼입에 따라, 콘크리트의 강성도 함께 증가하는 것으로 나타났다.
(2) 압축강도는 Plain 콘크리트가 44.5N/mm2로 가장 작은 값을 나타냈으나, 폴리머 콘크리트의 경우는 혼입율이
100 200 300 400 500 600 700 800
0.01 0.1 1 10 100
Inertance[m/s2/N]
Frequency(Hz) PC PC_ID
PC_VD
Fig. 12 Dynamic properties of concrete and Hybrid damper
100 200 300 400 500 600 700 800
0.01 0.1 1 10 100
Inertance[m/s2/N]
Frequency(Hz) PC PM20_ID
PM20_VD
Fig. 13 Dynamic properties of concrete and Hybrid damper
100 200 300 400 500 600 700 800
0.01 0.1 1 10 100
Inertance[m/s2/N]
Frequency(Hz) PC PM30_ID
PM30_VD
Fig. 14 Dynamic properties of concrete and Hybrid damper
증가할수록 56~95N/mm2로 압축강도가 크게 증가하는 것으로 나타났다. 한편, 인장강도는 폴리머 혼입율에 따라 6.5~10배 정도 크게 증가하였으며, 휨강도도 4~9 배 정도 크게 증가하였는데, 압축강도에 비해 인장강도 와 휨강도가 더 큰 폭으로 증가하여, 폴리머가 콘크리트 의 인장과 휨강도에 미치는 영향이 더 큰 것으로 확인되 었다.
(3) 폴리머 콘크리트와 복합구조 댐퍼의 동적 특성을 검토 한 결과, Plain 콘크리트의 경우, 외부 충격에 의해 발생 한 진동이 상대적으로 긴 시간동안 지속되지만, 폴리머 콘크리트 및 복합구조 댐퍼(충돌, 점성)에서는 Plain 콘 크리트대비 감쇠성능이 향상되어, 진동 지속시간이 크 게 줄어드는 것으로 확인되었다. 특히, 점성 댐퍼의 경 우, 감쇠비가 Plain 콘크리트에 비해, 2.8~3.9배정도 크 게 증가하여, 진동감쇠 성능이 우수한 것으로 나타났다.
(4) Plain 콘크리트는 고유주파수가 488Hz 대역이지만, 폴 리머 콘크리트와 복합구조 댐퍼를 함께 적용한 경우는 강성이 크게 증가하여 578~603Hz 대역으로 나타났고, 주파수 응답함수도 25~59%정도로 크게 감소하여, 진 동감쇠 성능면에서 PC대비 우수한 것으로 나타났다.
따라서, 폴리머 콘크리트와 복합구조 댐퍼를 동시에 적 용하면 구조물의 변형저항성과 진동감쇠 성능을 크게 향상 시킬 수 있을 것으로 사료된다.
감사의 글
이 연구는 국토교통부 사회이슈해결 연구개발사업의 연구
비지원(20CTAP-C153014-02)에 의해 수행되었습니다.
References
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Received : 10/16/2020 Revised : 10/29/2020 Accepted : 10/30/2020
요 지 : 구조물을 구성하고 있는 콘크리트의 경우, 진동에 대한 감쇠성능이 작아, 구조물에서 발생하는 다양한 진동 문제를 해결하는데 어
려움이 있으므로, 이러한 문제를 해결하기 위해, 최근 폴리머 콘크리트와 복합구조 댐퍼를 혼합하여 댐핑 성능을 크게 증가시킨 고 감쇠 시스 템에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다. 한편, 폴리머 콘크리트는 배합 시, 시멘트와 물을 사용하지 않아, 경화시간이 매우 짧고, 물리적 특성 및 동특성 등이 매우 우수하여 진동저감이 요구되는 건축구조물에의 폭넓은 활용이 기대되는 구조재료이며, 복합구조 댐퍼는 파이프 관 내부 에 위치한 쇠구슬의 충돌에 따른 운동에너지 소산과 점성유체의 에너지 소산 방식을 통해 진동을 저감하는 구조시스템이라 할 수 있다. 본 연구 에서는 폴리머 콘크리트와 복합구조 댐퍼의 물리적, 동적 특성을 일반 콘크리트와 비교하였는데, 물리적 특성의 경우, 폴리머 콘크리트가 탄성 계수 및 강도 특성에서 상당히 우수한 결과를 보였으며, 특히 인장강도는 6.5~10배 이상 큰 차이를 보였다. 또한, 동적 특성의 경우도 폴리머 콘 크리트는 일반 콘크리트 대비 동적강성은 25%, 감쇠비는 약 3배 정도 증가하였으며, 복합구조 댐퍼는 동적강성은 비슷한 경향을 보였지만 감 쇠비는 3.5배 이상 증가하여, 일반 콘크리트보다 진동 감쇠성능이 우수한 것으로 나타났다.
핵심용어 : 폴리머 콘크리트, 주파수 응답함수, 감쇠비, 복합구조 댐퍼
