Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection Vol. 22, No. 3, May 2018, pp.046-052
https://doi.org/10.11112/jksmi.2018.22.3.046 pISSN 2234-6937
eISSN 2287-6979
횡 변위 조절을 위한 강재 댐퍼의 이력 거동
이현호1*
Hysteretic Behavior of Steel Damper for the Lateral Displacement Control
Hyun-Ho Lee
1*
Abstract:
Detail development and performance tests were conducted for the purpose of developing a damper system capable of lateral displacement control of existing frame structures. The development details are 1) ALD designed to prevent deformation of beams between columns and 2) AWD designed to control inter-story displacement. The non-reinforced BF specimen was used as a comparative study. The evaluation variables are failure mode, load-displacement curve, envelope curve, maximum strength, stiffness degradation and energy dissipation capacity. As a result, the seismic strengthening effect of ALD and AWD was confirmed. Also, it was confirmed that the method of restraining the column with the aramid sheet is superior to the improvement of the seismic performance.Keywords:
Framed structure, Seismic strengthening, Lateral displacement, Damper, Aramid sheet1정회원, 동양대학교 건축소방안전학과 교수, 교신저자
*Corresponding author: [email protected]
Professor, Department of Architecture & Fire Safety, Dongyang University
∙본 논문에 대한 토의를 2018년 6월 1일까지 학회로 보내주시면 2018년 7월 호에 토론결과를 게재하겠습니다.
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1. 서 론
2017 년 11월 15일 대한민국 경상북도 포항시 흥해읍 남송 리에서 발생한 규모 5.4의 포항지진은 1978년 계기 지진 관 측이래 발생한 2016년 경주지진(규모 5.8)에 이어 두 번째로 큰 규모이나, 역대 가장 많은 지진 피해가 발생하였다(Fig.1
& 2 참조). 2017년 12월 7일 중앙재난안전대책본부는 포항 지진으로 모두 2만 7천여 곳에서 시설물 피해가 발생했고 피 해액은 551억 원에 달하는 것으로 집계됐다고 밝혔다. 이는 지난해 9월 발생한 경주 지진 피해액 110억 원의 5배가 넘는 규모이며, 이재민은 1천 7백여명, 부상자는 92명으로 각각 파악되었다.
국민안전처에서는 2단계(2016-2020) 기존 공공시설물 내 진보강 기본계획을 2015년 12월에 발행하였다. 이에 의하면 공공건축물 116,768개소 중 내진율은 45.6%, 학교시설 31,900 개소 중 내진율은 23.7%로 지속적이고 신속한 내진보강이 필 요함을 제시하였다. 다행히도 포항지진에서 인명피해가 발생 하지 않았는데, 언제 큰 규모의 지진이 내습할지 모르는 상황 에서 철저한 준비가 필요한 것으로 판단된다.
기존시설물 내진보강의 목적은 설계지진발생시 인명피해, 시설물의 붕괴 및 기능상실 등의 중대한 피해를 최소화하기
위함이다. 즉 지진재해를 줄이기 위한 기존시설물의 절대적 인 내진보강이 필요한 것이다. 내진보강공사에 있어 약한 연 성부재를 보강하는 것은 경우, 지진하중이 비연성부재 또는 취성부재에 전달될 수 있기 때문에 바람직하지 않다. 즉 적절 한 보강 지침과 기술이 필요한 것이다.
Fig. 1 Collapsed pilotis column by YONHAP NEWS
약 69,000명 사망한 2008년 쓰촨성지진(규모 8.0) 이후, 국 내에서는 많은 학교 건축물에 대한 내진보강이 이루어지고 있으며, 많은 공법도 개발되고 있다. 2015년 기준, 학교 시설 내진율이 23.7%인 점을 고려하면 앞으로도 지속적인 내진보 강이 이루어질 것으로 판단된다.
본 연구에서는 기존 연구를 바탕으로 골조 구조물의 취성
적인 기둥을 보강하고, 횡 변위를 조절할 수 있는 내진보강공 법을 제안하고자 한다.
Fig. 2 Damaged masonry structure
Fig. 3 Sichuan earthquake (2008)
2. 기존 연구
Lee(2017) 등은 인방형 강재댐퍼의 구조성능을 실험적으 로 평가하였는데, 개구부가 있는 전단벽 구조에서 연결보를 인방보가 있는 댐퍼 구조로 변경하는 상세를 제안하였다. 실 험결과, 인방형 강재댐퍼 실험체의 경우 일반 RC 실험체에 비 하여 초기강성, 최대내력 및 에너지 소산능력이 각각 1.34배, 0.95 배, 15.73배로 평가되었다. 그 결과 최대내력은 5% 감소 하였으나 초기강성과 에너지 소산능력이 뛰어난 것을 확인하 였다. 이 연구에서 중요한 변수는 연결보사이에 강재 댐퍼를 설치하여 전단변형을 흡수한 것이다.
Fig. 4 Lintel beam type steel damper (Lee et al., 2017)
Kim(2010) 등은 고감쇠고무와 강재핀을 이용한 복합댐퍼 에 대한 성능실험을 실시하였는데, 주요 대상은 연결보에 적 용하기 위한 것이다. 즉 바람과 약진에는 고감쇠 고무가 작동 하고, 강진에서만 강재이력댐퍼가 작동하는 시스템을 개발 하였다.
국내 KDPT사에는 Fig. 5와 같은 인방형 댐퍼를 개발하여 많은 설계 및 시공실적으로 보유하고 있다. 그 외에도 많은 인 방 댐퍼 등이 개발되고 있으며, 다양한 보강 공법의 주요한 차 이점은 댐퍼의 형상 및 기능이다.
Fig. 5 MD-C type damper by KDPT
이상의 연구 등은 벽식 아파트의 병렬 전단력 사이에 설치
되는 연결보의 변형능력을 증진시키기 위한 것이다. 따라서
학교건물과 같은 골조 건물에 적합한 댐퍼 보강공법 등이 개
발되고 있다. 또한 골조건물에 매립되는 철골프레임 공법
(Fig. 6 참조) 등도 많이 개발되고 적용되고 있다. 이 공법은 박
스 형상의 철골프레임을 보강대상 건물 내부의 기둥, 보 부재
면에 간단히 매입 시공함으로써 보강대상 건물의 외부 입면
변화가 없는 특징이 있다.
Fig. 6 Steel frame reinforcing method by CTS engineering
(a) Plan
(b) Elevation
Fig. 7 Steel damper for lateral displacement control
3. 횡 변위 조절 위한 댐퍼 시스템 개발
본 연구에서는 기존 인방 댐퍼 보강시스템 또는 철골프레 임보강과는 다르게 , 2개의 기둥 상부에 횡 변위를 조절할 수 있는 장치를 설치하고, 이에 집중되는 에너지를 강재댐퍼로 소산하는 시스템을 개발하였다. 즉 보 변형을 방지하는 댐퍼 시스템에 관한 것으로, Fig. 7과 같은 보강 시스템을 개발하였 다. 강재댐퍼는 기존 연구(Lee, 2014)를 참고하여 S형 스트럿 을 가지는 댐퍼를 사용하였다.
또한 Fig. 8과 같이 기둥 사이에 중간벽체를 설치하고 그 상 단에 강재댐퍼를 보강하는 시공이 간편한 보강공법도 아울러 제안하였다. 중간벽체는 강판으로 만들었으며, 댐퍼는 S형 스 트럿 타입을 사용하였다.
(a) B section
(b) Elevation
Fig. 8 Steel damper with steel wall
4. 실험체 제작
4.1 실험체 계획
본 연구의 일환인 Lee(2015 b)의 연구결과를 참고로 실험 체 2개를 계획하였다. 기둥사이에 댐퍼 설치한 경우를 ALD (Armid Lintel Damper) 로, 벽체위에 댐퍼 설치한 경우를 AWD (Aramid Wall Damper) 로 명명하였다. Lee(2015 b)의 연구에 서 평가한 비보강 실험체(BF)를 본 실험체(ALD 및 AWD)의 결과와 비교하기 위하여 사용하였다.
실험체 기둥의 크기는 300×300mm이며, 주근은 8-D16이 며, 띠철근은 D10@200이다. 가력보와 기초는 수평하중 가력 시 문제 없도록 충분히 크게 설계하였다. 또한 콘크리트는 24 MPa, 철근은 400 MPa로 설계하였다. 기둥의 강성을 충분히 하기 위하여 아라미드 시트(Lee, 2012, 비보강대비 1.25배 강 도 증진됨, 5배 이상의 에너지 소산능력 증진됨)로 보강하였 으며, 물성치는 Table 1과 같다. 강재 댐퍼의 스트럿 폭은 30 mm 이고, 각도는 30°, 스트럿의 수직 높이는 200mm이다. 댐 퍼는 SS400 강종을 사용하였으며, 재료 특성은 Table 2와 같 다. 타설된 콘크리트의 재료 시험 결과 압축강도는 21.2 MPa 로, 탄성계수는 26.3 GPa로 확인되었다. 사용된 D10 철근의 항복강도는 500.7 MPa로, 인장강도는 636.3 MPa로, 탄성계 수는 176.4 GPa로 확인되었다. 또한 사용된 D16 철근의 항복 강도는 527.3 MPa로, 인장강도는 634.0 MPa로, 탄성계수는 193.7 GPa 로 확인되었다. Fig. 9에 제작된 실험체 전경을 나타 내었다. 이에 의하면 기둥은 아라미드 시트로 감싸서 보강되 어 있고, 횡 변위를 조절하기 위한 철물 및 S형 스트럿을 가지 는 강재 댐퍼를 확인할 수 있다.
Unit weight [g/m
2]
Thk.
[mm]
Width [mm]
Tensile strength [N/mm
2]
Tensile modulus [N/mm
2]
280 0.194 400 2,100 1.2×10
5Table 1 Material properties of aramid sheet
Yield strength [N/mm
2]
Tensile strength [N/mm
2]
Elastic modulus [N/mm
2]
Elongation percentage
[%]
356.7 498.3 1.74×10
530.2
Table 2 Material properties of steel damper
4.2 셋팅
Fig. 9 의 셋팅과 같이 실험체에 작용한 축력은 기둥 단면 10%
에 해당하는 약 100 kN의 하중을 골조 기둥 각각에 도입하였
으며, 변위이력에 해당하는 수평하중 로딩 싸이클을 Fig. 10 과 같이 적용하였다. 변위는 초기 5mm에서부터 5mm씩 증가 시켜 가면서 실험을 진행하였다. 또한 실험체의 철근 및 댐퍼 에는 스트레인 게이지를 부착해 하중 이력에 따른 변형도를 측정하였으며, LVDT를 수직, 수평, 대각선 방향으로 실험체 에 설치하여 실험 진행에 따른 변위를 측정하였다.
Fig. 9 Setting of ALD
-60 -40 -20 0 20 40 60
0 2 4 6 8 10 12
Cycle no.
Displacement (mm)
Fig. 10 Loading history
5. 실험 결과
5.1 ALD 실험체
ALD 실험체의 최종파괴는 아라미드 시트로 보강된 RC기
둥의 상하부 단부에서의 콘크리트 압괴 및 수직 주근의 좌굴
에 의해 발생하였다. 실험예상과는 다르게 가력보의 수평강
성이 너무 강한 결과, 2개의 기둥이 동시로 수평 이동하여 댐
퍼에 발생하는 변위는 미미하였다. 즉 댐퍼의 거동보다는 수 평으로 설치한 강재의 횡 변위 조절효과에 의한 보강효과가 발생한 것이다. 실험체의 최종 파괴 및 하중-변위곡선을 Fig.
11 에 나타내었다. 실험체는 정가력에서 최대하중 297.2kN(변 위 46.9mm), 부가력에서 최대하중 -290.8kN(변위 –43.4mm) 로 나타났다. 하중-변위 곡선에 의하면 최대하중 이후, 급격한 하중의 저하 없이 아라미드 시트의 기둥 구속효과에 의한 강 성저하가 완만하게 진행됨을 확인할 수 있었다.
(a) Failure shape
(b) Load-displacement curve Fig. 11 Test results of ALD
5.2 AWD 실험체
AWD 는 강판 벽체 및 댐퍼를 설치한 실험체로, Fig. 12의 파괴양상을 보면 댐퍼에 변형이 집중되어 최종파괴에 도달함 을 확인할 수 있었다. 기둥의 경우 댐퍼의 에너지 소산에 의하 여 손상 없이 최종파괴에 도달하였다. 즉 횡 변위를 구속하기 위한 댐퍼의 거동을 확연하게 구연한 것이다. AWD의 기둥 상하단의 아라미드 시트를 제거한 결과, 기둥에는 균열이 거
의 발생하지 않음을 확인하였으며, 강판 벽체도 손상이 없음 을 확인하였다.
(a) Failure shape
(b) Load-displacement curve Fig. 12 Test results of AWD
6. 분 석
6.1 포락선 및 강도
본 연구의 선행연구(Lee, 2015 b)로 진행된 비보강골조
(BF) 실험체는 제원이 동일하므로, 보강 효과를 평가하기 위
한 비교 실험체로 사용하였다. BF 실험체의 최종파괴는 기둥
상하단에 응력이 집중된 파괴 양상을 나타내었다. Fig. 13에
BF, ALD, AWD 의 최대하중을 나타내었는데, 비보강 대비 명
확한 강도증진효과를 확인할 수 있었다. 정사이클의 경우 벽
체에 댐퍼를 보강한 AWD의 최대강도는 비보강 대비 1.4배의
강도 증진이 나타났다. 이에 반하여 ALD는 실험체에 설치한
아라미드시트의 구속효과에 의한 강도 증진이 확인되었다.
Fig. 13 Comparison of maximum strength
Fig. 14 Comparison of envelope curve
Fig. 14 에 실험체별 하중-변위곡선을 단순화한 포락선을 정리하였다. 이에 의하면 ALD 및 AWD와 같이 아라미드 시 트로 기둥을 횡구속한 후 댐퍼를 보강한 실험체가 BF 실험체 대비 강도 및 변형 능력이 우수한 것으로 평가되었다. BF 실 험체는 주근 항복후 점차 강도가 증가하다가 최대하중 이후 급격한 강도 저하가 확인되었다. ALD는 횡변위를 구속한 댐 퍼 시스템의 영향으로 완만한 강도 증진과 최대하중 이후 완 만한 변형능력의 증진을 보였주었다. AWD는 기둥보강과 댐 퍼의 영향으로 우수한 강도증진을 보여주다가, 댐퍼에 변형 이 집중되어 에너지를 소산하는 내진성능을 보여주었다. 또 한 댐퍼의 스트럿이 파단된 이후에도 기둥의 보강효과로 연 성 거동을 확인할 수 있었다. 특히 AWD의 경우 최대하중시 변위는 70.2mm로 층간변위비 3.9%에 해당하는 우수한 변형 능력을 나타내었다.
6.2 강성저하
각 실험체별 정․부 싸이클의 평균 강성 저하를 Fig. 15에 나 타내었다. 여기서 강성은 원점과 각 사이클별 최대하중을 연 결한 직선의 기울기로 정의한다. 변형능력이 우수한 ALD의 경우 점차적인 강도 저하가 나타났다. AWD의 경우 최대하중
이후 댐퍼 스트럿이 파단되어, 안전한 실험을 위하여 종료하 였기에 지속적인 강성저하를 확인하지 못하였다. 그렇지만 보강 실험체는 대부분 거의 유사한 강성저하 기울기를 나타 내었으며, 비보강 실험체가 종료된 수평변위 50mm이후에서 도 급격한 강성저하가 나타나지 않아, 최대하중 이후의 연성 적인 거동을 확인할 수 있었다.
Fig. 15 Comparison of stiffness degradation
Fig. 16 Comparison of energy dissipation area
6.3 에너지 소산능력
실험시 기록된 하중-변위 곡선을 면적으로 정리한 에너지
소산능력을 Fig. 16에 나타내었다. 비보강실험체 BF의 소산
능력은 매우 열악한 것으로 평가되어, 내진보강이 필요한 것
으로 판단된다. 아라미드 시트로 기둥을 구속하고, 경간내부
에 강판 벽체를 세우고 댐퍼를 보강한 AWD의 에너지 소산
능력이 매우 우수함을 확인할 수 있었다. 이는 층간변위 평가
기준에 있어, 기둥 상하단의 변위차가 크게 발생하여 댐퍼에
에너지가 집중됨에 기인한 것으로 판단된다. ALD의 경우 보
강 철물 및 댐퍼가 수평변위를 구속하여, 우수한 에너지 소산
능력을 나타내었다.
요 지 : 기존 골조구조물의 횡 변위 조절이 가능한 댐퍼 시스템을 개발하기 위한 목적으로 상세개발 및 성능실험을 실시하였다. 개발 상세 는 기둥간 보의 변형을 방지하기 위하여 고안된 ALD및 층간변위를 제어하기 위하여 고안된 AWD로 구분되며, 기존 연구결과의 비보강 BF를 비교대상으로 사용하였다. 파괴양상, 하중-변위 곡선, 포락선, 최대강도, 강성저하 및 에너지 소산능력 등을 비교 평가하였으며, ALD 및 AWD 의 내진보강효과를 확인할 수 있었다. 또한 아라미드 시트로 기둥을 구속하는 공법이 내진성능 향상에 매우 우수함을 확인하였다.
핵심용어 : 골조구조물, 내진보강, 횡변위, 댐퍼, 아라미드 시트
7. 결 론
2017 년 포항지진을 계기로 내진보강에 대한 관심이 집중 되고 있으며, 내진보강은 국가의 중요한 안전정책이 되고 있 다. 본 연구에서는 기존 골조구조물의 횡 변위 조절이 가능한 댐퍼 시스템을 개발하기 위한 목적으로 상세개발 및 성능실 험을 실시하였다.
개발 상세는 기둥간 보의 변형을 방지하기 위하여 고안된 ALD 및 층간변위를 제어하기 위하여 고안된 AWD로 구분되 며, 기존 연구결과의 비보강 BF를 비교대상으로 성능을 비교 하였다. 파괴양상, 하중-변위 곡선, 포락선, 최대강도, 강성저 하 및 에너지 소산능력 등을 비교 평가하였으며, ALD 및 AWD 의 내진보강효과를 확인할 수 있었다. 그렇지만 ALD의 경우 가력보의 강성이 너무 강하고, 엑츄에이터의 스트로크 가 제한되어 충분한 변위 실험을 진행하지 못하였다. 반면 AWD 는 최대하중시 변층간변위비 3.9%에 해당하는 우수한 변형능력 및 에너지 소산능력을 나타내었다. 강도 및 강성 측 면에서는 ALD의 횡 변위 조절능력에 의하여 우수한 성능을 확인하였다.
또한 기존 연구에서 검증된 것과 같이 아라미드 시트로 기 둥을 구속하는 공법의 내진성능 보강이 매우 우수함을 다시 확인하였다.
감사의 글
본 연구는 2017년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재 단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(No. 2017 R1D1A1B 04029593) 에 의해 수행되었습니다.
References
