Rocking Behavior of Steel Dampers according to Strut Shapes and Heights of Steel dampers

1. 서 론

경상북도 포항에서 발생한 규모 5.4의 포항지진(2017년 11 월 15일)은 규모 5.8의 경주지진(2016년 9월 12일)에 이어 두 번째로 큰 규모이며, 역대 가장 많은 지진 피해가 발생하였다 (Fig.1 참조). 이렇게 많은 피해가 발생한 주요 원인은 진원이 얕은 곳에서 지진이 발생 한 점, 도심 가까운 곳에서 발행한 점, 지반이 연약한 점, 지진파가 증폭되어 저층 건물에 피해가 많이 발생된 점 및 역단층이 발생한 점 등으로 요약할 수 있다.

이는 앞으로 발생한 도시 지진 및 연약지반에 건설된 저층 건 물에 많은 지진 피해가 예상되는 미래 시나리오로 정리할 수 있다.

2015년 발표된 국민안전처의 2016년～2020년 기존 공공 시설물 내진보강 기본계획에 의하면, 공공건축물 116,768개 소 중 학교시설 31,900개소의 내진율은 23.7%로 제일 낮게 평 가되어, 향후 지속적이고 신속한 내진보강이 필요함을 제시 하고 있다.

또한 규모 7.9의 쓰촨성 지진(2008년 5월 8일)은 사망자만 최소한 6만 8,000명에 달할 것으로 추정되고 있으며, 학교 건 축물에 많은 피해가 발생하였다.

이후 국내에서는 학교 건축물에 대한 내진보강이 지속적으

로 이루어지고 있으며, 언제 발생할지 모르는 지진에 대한 공 공 건축물 내진 안전성 확보가 시급한 국가 현안으로 인식되 고 있다.

본 연구에서 적용한 록킹 댐퍼(Rocking damper)는 강체가 수직 축을 중심으로 좌우로 회전하는 록킹 거동(Rocking behavior)을 할 때, 변위 또는 변형이 많이 발생하는 위치에 에 너지 소산장치를 설치하여 회전 변형을 제어하는 시스템이다.

이는 2006년 NZSEE Conference에서 K.J. Mulligan 등이

“Hybrid experimental analysis of semi-active rocking wall systems이란 논문에서 발표한 개념이다 (Fig. 2 참조).

이후 Marriott 등(2008)은 록킹월과 강봉 댐퍼를 적용한 실 험결과를 발표하였으며, Wada 등 (2011)은 11층 기존 건물의

Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection Vol. 23, No. 4, July 2019, pp.45-52

https://doi.org/10.11112/jksmi.2019.23.4.45 pISSN 2234-6937

eISSN 2287-6979

강재 댐퍼의 스트럿 형상과 높이에 따른 록킹 거동

이현호^1*

Rocking Behavior of Steel Dampers according to Strut Shapes and Heights of Steel dampers

Hyun-Ho Lee^1*

Abstract:

As a result of comparing the abilities according to I and S type strut shapes, it was evaluated that S type has better seismic performance.

Keywords:

1정회원, 동양대학교 건축소방안전학과 교수

*Corresponding author: hhlee@dyu.ac.kr

Professor, Department of Architecture & Fire Safety, Dongyang University

∙본 논문에 대한 토의를 2019년 8월 1일까지 학회로 보내주시면 2019년 9월 호에 토론결과를 게재하겠습니다.

Copyright Ⓒ 2019 by The Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection. This is an Open Access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution Non-Commercial License (http://creativecommons.org/licenses/by-nc/3.0)which permits unrestricted non-commercial use, distribution, and reproduction in any medium,

Fig. 1 Earthquake events in Korea by The Hankyoreh

내진보강을 위하여 6개의 록킹월과 강재댐퍼를 보강한 사례 를 발표하였다.

Belleeri 등(2014)은 Marriott 등(2008)의 연구결과로 부터 캔틸레버 월 시스템을 제시하였다. 캔틸레버 월 시스템은 텐 돈과 에너지 소산장치의 조합을 의미한다. 실험은 1/2규모의 3층 건물을 대상으로 하였다. 지진의 규모는 설계지진과 최대 가능지진으로 구분하여, 이에 대한 성능 평가를 실시하였다.

에너지 소산장치는 강판(steel plate)을 적용하였다.

Nazari (2016)는 기존 연구를 고려하여, 사전 제작된 프리 캐스트 월 중간에 비부착 포스트 텐션을 도입하였다. 이는 셀 프 센터링용 긴장력을 도입하기 위한 것으로 진동대 실험중, 지진 거동시 복원력 특성을 묘사한 것이다. 텐돈의 비부착 거 동에 따른 이력 특성을 평가하였으며, 에너지 소산 장치 유무 에 따른 내진 성능을 평가하였다. 실험에서는 연결재를 에너 지 소산장치로 사용하였다.

국내에서는 록킹월과 댐퍼에 대한 연구가 시작 단계에 있으 며, 기존 강재댐퍼에 대한 연구를 바탕으로 Lee(2014, 2015, 2018)가 학술발표대회에 록킹 거동에 대한 연구를 발표하였다.

본 연구에서는 기존 연구를 바탕으로 강재댐퍼의 스트럿 형상 및 형상비에 대한 록킹 거동을 평가하여, 지진에 의해 발 생되는 횡 변위를 조절할 수 있는 내진보강 효과를 검토하고 자 한다.

2. 실험

2.1 실험체 계획

기 발표된 선행 연구 결과를 참고로 록킹 거동을 구현할 수 있는 실험을 진행하였다. Fig. 3에 록킹 셋팅 개념을 나타내었 는데, 엑츄에이터의 가력 수평 변위를 수직으로 설치한 강체 를 이용하여 댐퍼에 전단 또는 휨 변형이 집중하도록 고안한 것이다. 강재 댐퍼는 2개의 수직 강체 사이에 설치하며, 댐퍼 에 변형이 집중되도록 수직 강체 사이를 힌지로 연결하였다.

또한 수직 강체 상⋅하단에도 힌지를 설치하여 원활한 수평

거동이 발휘되도록 하였다. 추후에는 콘크리트 패널에 강재 댐퍼를 설치하여 실험을 진행할 예정이다.

2.2 변수 및 가력 계획

Fig. 4 및 5에 본 연구에 사용된 강재 댐퍼의 재원을 나타내 었다. SS400 강재를 사용하였으며, 강재의 두께는 12mm이 다. 실험 변수인 스트럿 높이는 140mm, 200mm, 260mm이다.

또 다른 변수인 스트럿 형상은 I형과 S형을 사용하였으며, 스 트럿 개수는 3개이다. S형 댐퍼의 스트럿 사이 각도는 내측으 론 60°, 외측으로 120°이다. 즉 실제적인 스트럿의 수직 길이 는 S형 댐퍼가 I형 댐퍼 보다 길게 제작한 것이다.

Fig. 6에 나타낸 3개의 강재 인장 시험편은 KS B 0801의 시 편14B와 같이 제작하였다. 시험 결과, 평균적으로 항복강도 271MPa, 인장강도 416MPa, 항복비 1.54, 연신율 30.5%로 평 가되었다. 이는 건축구조기준(2016)에 규정한 내진철근의 항

Fig. 2 Rocking behavior by Mulligan(2006)

Fig. 4 I type damper

Fig. 5 S type damper

Fig. 3 Setting plan

복비 1.25를 상회하여 내진 재료로 사용하여도 적절한 것으로 판단된다.

횡하중은 인장하중 500kN, 압축하중 500kN 용량의 엑츄에 이터로 도입하였으며, 초기 1mm에서부터 2mm씩 변위를 증 가시켜 가면서 각 동일변위에 대하여 1회 가력하여 실험하였 다(Fig. 7 참조). 댐퍼의 변위는 Fig. 8과 같이 설치한 LVDT-1 로 측정하였으며, 스트럿에 스트레인 게이지를 설치하여 변 형도를 측정하였다.

3. 실험 결과

3.1 I형 스트럿 댐퍼

Fig. 9 (a)는 스트럿 높이 140mm인 I형 댐퍼의 하중-변위 곡 선을 나타내었는데, 안정적인 이력거동을 나타내었다. 수평 변위 30mm에서 약 60kN의 내력을 나타내었으며, 이후 40mm 에서 실험이 종료되었다. Fig. 9 (b)는 스트럿 높이 200mm인 I 형 댐퍼로 스트럿 높이 140mm의 변위보다 10mm 증가한 40mm에서 최대 내력 약 50kN을 나타내었으며, 60mm에서

Fig. 7 Loading history

Fig. 8 LVDT location

Fig. 6 Tensile test shape for metallic material by KS B 0801

(a) Strut height 140mm

(b) Strut height 200mm

(c) Strut height 260mm

Fig. 9 I type damper

실험이 종료되었다. Fig. 9 (c)는 스트럿 높이 260mm로 변위 60mm에서 최대 내력 약 35kN을 나타내었으며, 80mm에서 실험이 종료되었다.

전체적으로 스트럿 높이가 커질수록 변형 능력이 증가하 며, 내력은 감소하는 것을 확인하였다.

3.2 S형 스트럿 댐퍼

Fig. 10 (a)는 스트럿 높이 140mm인 S형 댐퍼의 하중-변위 곡선을 나타내었는데, 안정적인 이력거동을 나타내었다. 수 평변위 25mm에서 약 65kN의 내력을 나타내었으며, 이후

40mm에서 실험이 종료되었다. Fig. 10 (b)는 스트럿 높이 200mm의 하중-변위를 나타낸 것으로 스트럿 높이 140mm 보 다 정부 싸이클의 편차가 다소 크게 발생하였다. 이는 최대 변 위시 S형 스트럿이 펴지면서 상대적인 변위차가 발생한 것으 로 판단된다. 평균변위 50mm에서 최대 내력 약 50kN을 나타 내었으며, 70mm에서 실험이 종료되었다. Fig. 10 (c)는 스트 럿 높이 260mm로 정부 싸이클의 편차가 매우 크게 나타난 실 험체이다. 이는 스트럿 높이 140mm의 실험결과와 동일하게, 스트럿 형상이 곡선에서 직선으로 변하면서 스트럿 파단면의 각도의 한쪽으로 발생하였기 때문으로 판단된다.

S형 댐퍼의 경우 스트럿 높이가 커질수록 정부 사이클의 편 차가 크게 발생하였으나, 이와 병행하여 변형 능력의 증진도 확인할 수 있었다.

3.3 하중-변형도

Fig. 11에 스트럿 변형이 가장 크게 나타난 I형 및 S형 댐퍼 의 스트럿(높이 260mm) 변형도를 나타내었다. 전체적으로 스트럿이 항복하기 전까지는 하중 증분에 비례하여 변형도가 증가하는 것으로 나타났다. I형 댐퍼의 경우 항복은 35kN에 서 발생하였으며, 이후 하중의 증가보다는 변형도가 증가하

(a) Strut height 140mm

(b) Strut height 200mm

(c) Strut height 260mm Fig. 10 S type damper

(a) I type damper (strut height 260mm)

(b) S type damper (strut height 260mm)

Fig. 11 Load-strain curve

여 최종 파괴에 도달하였다. 파괴 시 변형도는 약 5,700με이 다. S형 댐퍼의 경우 항복은 I형 보다 낮은 21kN에서 발생하 였으며, 이후 하중과 변형도가 증가하여, 변형도 약 42,000με 에 최종 파괴에 도달하였다. 이는 S형 스트럿의 각도가 60°에 서 일직선으로 펴지면서 강도 및 변형 능력이 증진됨에 기인 한 것으로 판단된다. 스트럿 변형도 측정을 통한 항복강도(변 형도 2,000με 기준)는 I형 댐퍼 높이 140mm, 200mm, 260mm 각각에 대하여 54kN, 40kN, 35kN으로 평가되었다. 이로 부터 스트럿 높이가 커질 수록, 강도 능력은 저하됨을 확인할 수 있 었다. 또한 S형 댐퍼 높이 140mm, 200mm, 260mm 각각에 대 하여 항복강도는 53kN, 37kN, 21kN으로 평가되어, 스트럿 높 이가 커질수록 강도능력이 저하됨을 확인할 수 있었다.

3.4 파괴 양상

Fig. 12에 안정적인 이력거동을 보인 스트럿 높이 140mm 인 I형과 S형 댐퍼의 파괴 양상을 나타내었다.

I형 댐퍼의 스트럿은 상 하단에 손상이 집중되었으며, S형 댐퍼 역시 스트럿 상하단에 손상이 집중됨을 확인할 수 있었 다. Fig. 13에 스트럿 변형이 많이 발생한 S형 댐퍼 스트럿 높 이 140mm의 실험 전 후 사진을 나타내었다. 이에 의하면 곡 선에서 직선으로 펴지는 스트럿 변형을 확인할 수 있어, 긴 스 트럿을 가지는 S형 댐퍼를 사용할 경우 섬세한 검토가 필요한 것으로 판단된다.

4. 성능 평가

4.1 포락선

Fig. 14 (a)에 I형 댐퍼의 포락선을 정리하였는데, 스트럿 높 이 140mm(형상비 = 높이/폭=140/30=4.67)인 경우의 강도 능 력(최대강도 63kN, 변위 29.6mm)이 우수한 것으로 평가되었 으며, 스트럿 높이 260mm(형상비 = 높이/폭=260/30=8.67)인 경우 변형 능력(최대강도 31.3kN, 변위 70mm)이 우수한 것으 로 평가되었다. 즉 스트럿 높이가 짧은 경우 전단 거동이, 긴 경우는 휨 거동이 크게 작용하는 것을 확인할 수 있었다. 중간 높이인 스트럿 200mm(형상비 = 높이/폭=200/30=6.67)는 강 도 및 변형 능력(최대강도 45.9kN, 변위 39mm)이 중간 정도 로 평가되었다.

Fig. 14 (b)에 나타낸 S형 댐퍼의 포락선도 I형 댐퍼와 유사 한 거동을 나타낸 것으로 평가되었다. 최대강도시 변위는 스 트럿 높이 140mm, 200mm, 260mm에 대하여 각각 최대강도 63kN, 변위 29.7mm, 53.9kN, 변위 60mm, 33.1kN, 변위 70mm로 나타났다. 이상의 결과로부터 S형 댐퍼의 강도 및 변 형 능력이 I형 보다 우수한 것으로 평가할 수 있으나 3.3절 및 3.4절에서 기술한 것과 같이 S형 스트럿 각도가 최종 파괴단 계에서 펴지는 현상에 대한 고려가 필요한 것으로 판단된다.

(a) I type damper (a) Before

(b) S type damper (b) After

Fig. 12 Failure shape of strut height 140mm Fig. 13 Failure shape of S type damper(strut height 260mm)

(a) I type damper

(b) S type damper Fig. 14 Envelope curve comparison

4.2 강성 저하

각 실험체별 정(+) 싸이클의 강성 저하를 Fig. 15에 나타내 었다. 여기서 강성은 원점과 각 사이클별 최대하중을 연결한 직선의 기울기로 정의한다. 스트럿 형상에 상관없이 수평 변 위 40mm까지는 높이 140mm 스트럿 강성 저하가 큰 것으로 나타났으며, 그 이후는 거의 유사한 것으로 나타났다. 이는 스 트럿 높이가 짧을수록 강도능력이 크게 평가되어, 이에 비례 한 강성저하도 크게 나타나는 것으로 판단된다. I형 댐퍼의 경 우 스트럿 높이 140mm, 200mm 경우 초기 강성저하가 거의 유사한 것으로 평가되었으며, S형 댐퍼의 경우는 스트럿 높이 에 따라 각각의 강성저하가 나타난 것으로 판단된다.

4.3 에너지 소산능력

하중-변위 곡선을 면적으로 정리한 에너지 소산능력을 Fig.

16에 나타내었다. I형 스트럿 경우, 스트럿 높이가 커질수록 에너지 소산능력이 증진되는 것으로 확인되었다. 스크럿 높 이 140mm대비, 200mm는 약 1.22배, 260mm는 약 1.36배 증 진되는 것으로 평가되었다. S형 스트럿 경우도 I형과 유사하 게 스크럿 높이 140mm대비, 200mm는 약 1.28배, 260mm는

약 1.61배 증진되는 것으로 평가되었다 .

5. 스트럿 형상별 비교

포락선을 대상으로 I형 및 S형의 스트럿 형상별 특성을 Fig.

17에 나타내었다. 대상은 스트럿 높이 140mm, 260mm이다.

높이 140mm 경우, I형 및 S형의 스트럿 형상별 차이가 거의 없는 것으로 평가되었다. 높이 260mm 경우 S형의 강도 특성 이 다소 우수한 것으로 평가되었다. 특히 부(-) 사이클의 경우 S형의 강도 특성이 우수하게 나타났는데, 이는 S형 스트럿 각 도가 펴지면서 강도가 증가됨에 기인한 것으로 판단된다.

강성 저하는 4.2절에 언급한 바와 같이 스트럿 형상별 차이 가 거의 없는 것으로 나타났으며, 에너지 소산능력은 S형 댐 퍼가 다소 우수한 평가되었다.

6. 결 론

2016년 경주지진, 2017년 포항지진을 계기로 국내에서도

(a) I type damper

(b) S type damper

Fig. 15 Comparison of stiffness degradation (+ cycle)

기존 건축물에 대한 내진보강이 매우 중요한 정책이 되고 있 다. 본 연구에서는 기존 골조구조물의 내진 보강을 위한 방법 으로 록킹 거동을 고려한 강재댐퍼에 대한 성능 평가를 실시 하였다. 실험은 국내에서 최초로 구현한 방법으로 진행되었 으며 중요한 연구 결과는 다음과 같다.

1) I형 스트럿 댐퍼 전반적으로 스트럿 높이가 커질수록 변 형 능력이 증가하며, 내력은 감소하는 것을 확인하였다.

S형 스트럿 댐퍼도 I형 댐퍼와 유사한 거동을 보였으며, 스트럿 높이가 커질수록 정부 사이클의 편차가 크게 발 생하는 것으로 평가되었다. 전체적으로 S형 댐퍼의 강도 및 변형 능력이 I형 보다 다소 우수한 것으로 평가할 수 있으며, S형 스트럿 각도가 최종 파괴단계에서 펴지는 현상에 대한 고려가 필요한 것으로 판단된다.

2) 스트럿 형상에 상관없이 수평 변위 40mm까지는 높이 140mm 스트럿 댐퍼 강성 저하가 큰 것으로 나타났으며, 그 이후는 거의 유사한 것으로 나타났다. 이는 스트럿 높 이가 짧을수록 강도능력이 크게 평가되어, 이에 비례한 강성저하도 크게 나타나는 것으로 판단된다.

3) 스트럿 형상에 상관 없이, 스트럿 높이가 커질수록 에너

지 소산능력이 증진되는 것으로 확인되었다.

4) 향후 다양한 록킹 거동을 구현할 수 있는 시스템 개발에 대한 연구 및 에너지 흡수 기구 적용에 대한 검토가 필요 한 것으로 판단된다.

감사의 글

본 연구는 2018년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재 단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업(No. 2017 R1D1A1B 04029593)에 의해 수행되었습니다.

References

1. Belleeri, A., Schoettler, M., Restrepo, J. I., and Fleischman, R. B.

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2. Marriott, D., Pampanin, S., and Bull, D., et al. (2008), Dynamic testing of precast, post-tensioned rocking wall systems with alternative dissipating solutions, Bulletin of the New Zealand (a) I type damper

(b) S type damper

Fig. 16 Comparison of energy dissipation area

(a) Strut height 140mm

(b) Strut height 260mm

Fig. 17 Comparison of envelope curve

Society of Earthquake Engineering, 41(2), 90-103.

3. Nazari, M. (2016), Seismic Performance of unbonded post-tensioned precast wall systems subjected to shake table testing, A Ph. D.

dissertation paper of Iowa State University.

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7. Wada, A., Qu, Z., Motoyui, S., and Sakata, H. (2011), Seismic retrofit of existing SRC frames using rocking walls and steel dampers, Frontiers of Architecture and Civil Engineering in China, 5(3), 259-266.

Received : 12/13/2018 Revised : 12/25/2018 Accepted : 12/31/2018

요 지 : 본 연구에서는 벽체의 록킹 거동을 고려한 내진보강 기법을 개발하였다. 록킹 거동은 벽체 수직 축을 중심으로 좌우로 회전하는 것

으로, 개발 시스템은 변위 큰 부분에 댐퍼 등을 설치하여 에너지를 소산 시키는 방법이다. 댐퍼는 강재댐퍼를 사용하였으며, 스트럿 형상 및 높 이를 변수로 선정하였다. 실험결과 스트럿 높이가 짧을수록 강도 능력이, 길수록 변형능력이 우수한 것으로 평가되었다. I형과 S형 스트럿 능 력을 평가한 결과, S형이 우수한 내진 성능을 보유한 것으로 평가되었다.

핵심용어 : 록킹 거동, 강재 댐퍼, 스트럿, 포락선