이현호
(Hyun-Ho Lee)
1*iD
-
동양대학교 스마트건축공학과 교수
(Professor, Department of Smart Architecture Engineering, Dongyang University, Yeongju
36040, Rep. of Korea)
Copyright © Korea Concrete Institute(KCI)
키워드
연결보, 강봉댐퍼, 층간 변위비, 용접
Key words
coupling beam, steel rod damper, story drift ratio, welding
1. 서 론
2021년 개정되고 최근 부분 수정된 콘크리트 내진설계기준 KDS 14 20 80(KCI 2021) 4.7절에서는 특수철근콘크리트 구조벽체와 연결보에 대한 설계 기준을 제시하고 있다. 이는 국내에서 대부분 적용되고 있는 벽식아파트에 적용되고 있는
구조형식으로 Fig. 1과 같은 횡하중에 대한 저항 거동을 나타낸다. 즉 바람이나 지진 하중으로부터 발생되는 전도모멘트의 대부분을 연결보(Coupling beam)의 연결
작용에 의하여 벽체와 연결보의 골조저항으로 저항하는 것이다.
기준에서는 세장비가 4.0 미만인 연결보는 경간 중앙에 대칭인 대각선 다발철근으로 보강되도록 설계하고 있다. 그렇지만 대각선 다발상세는 배근상세가
매우 복잡하고 콘크리트 타설이 매우 어려워, 이를 개선하기 위한 대체 공법을 기준에서는 인정하고 있다. 따라서 철근 배근이 너무 복잡하고 시공이 어려운
특수 전단벽 시스템을 보통 전단벽 시스템으로 대체하고, 연결보에 제진시스템을 적용한 공동주택 성능기반 설계가 많이 적용되고 있다.
본 연구에서는 Lee (2023)의 연구결과를 참고로 하여, 연결보에 적용하기 위한 강봉댐퍼의 이력 특성을 평가하고자 한다. 즉 인방보에 강봉댐퍼가 적용된 연결보의 이력특성을 평가하는
것이 본 연구의 목적이다. 본 연구에 적용한 강봉댐퍼는 수평하중에 대한 일방향성을 가진 강판댐퍼를 개선한 것으로 다양한 방향으로 변형이 가능한 장점이
있다.
Fig. 1 Behavior of coupling shear wall and beams
2. 기존 연구
본 연구에서는 기존 연구를 참고하여 다음의 2가지를 전제로 하였다. ① 강판댐퍼의 가력방향에 대한 일방향성을 개선한 원형단면의 강봉댐퍼를 사용하였다.
② 강봉댐퍼의 횡변형을 제어하기 위한 횡변형 방지상세를 적용하였다, 이하에서는 이상과 같은 내용에 관한 기존 연구를 정리하였다.
Kim et al. (2021)은 전단벽 구조의 횡력 저항 시스템 구조계획 시 인방보에 감쇠장치를 적용하여 제진구조를 계획하는 것이 효율적이라 판단하여, Fig. 2와 같은 기존 강재 슬릿 플레이트 댐퍼에 강선 댐퍼를 결합하여 강재슬릿 플레이트의 면외 방향과 휨변형에 대해 복합적인 감쇠효과를 가질 수 있도록 고안된
인방형 강선-슬릿 댐퍼의 내진성능 평가를 수행하였다. 제안된 인방형 강선-슬릿 댐퍼는 비교 대상인 강선댐퍼에 비해 연성능력이 증가하였으며, 강선댐퍼의
롤방향 감쇠효과에 따라 기존의 인방형 슬릿댐퍼에 비해 면외방향에서도 감쇠성능이 증가하여 다축가진에 대한 감쇠효과를 가질 수 있을 것으로 평가되었다.
Qu et al. (2020)은 전단벽의 연결보에 마찰댐퍼를 설치하여 변위이력에 대한 성능평가를 수행하였다. 실험체 셋팅은 Fig. 3과 같으며, 국내 연구에서는 보기 드물게 슬래브를 연결보 상부에 설치하여 슬래브의 구속효과를 평가하였다. 실험결과 댐퍼에 의한 횡하중 저감 성능과
슬래브 구속효과를 확인하였다. 또한 슬래브와 연결보의 거동 특성을 분리하여 각각의 기여도를 평가하였다.
Li et al. (2022)은 Fig. 4와 같이 연결보에 댐퍼를 설치하였는데, 좌굴을 방지하기 위한 강재와 다이어몬드 형태의 점탄성댐퍼를 설치하여 에너지 소산능력을 증진시키기 위한 복합
댐퍼를 적용하였다. 성능실험과 아울러 복합댐퍼를 적용한 구조물의 비선형 시간이력해석 수행 및 응답특성을 평가하여 적용성을 제시하였다.
이상의 기본 연구에서와 같이 설치 및 교체가 용이한 강재댐퍼의 연결보 적용이 병렬 전단벽 시스템의 횡하중 저항 능력 증진에 많은 기여를 할 것으로
판단된다.
Fig. 2 Illustration of a cable slit damper
Fig. 3 Test setup for coupling beam specimen
Fig. 4 Proposed steel and viscous damping composite coupling beam
3. 성능 실험
3.1 실험 계획
본 연구에서는 기존 연구결과를 참고로 하여 경제적이고 손쉽게 교체가 가능한 원형단면을 가지는 강봉댐퍼를 연결보에 적용하는 것으로 계획하였다. 적용
강봉댐퍼의 상세는 Fig. 5에 나타내었으며, SS 275 강종으로 제작하였다. 댐퍼 높이는 260 mm, 지름은 19 mm 이다. 또한 강봉댐퍼는 가력방향 외의 횡변형을 방지하기
위하여 “ㄷ” 형태의 가이드 채널을 설치하였다. Table 1에 실험체 일람을 나타내었다.
본 연구에 사용한 강봉의 품질을 확인하기 위한 강봉 인장시험은 KS B 0801(KATS 2017)의 강봉 2호 시험편을 3개씩 제작 및 시험하였다. 강봉의 인장시험 결과, 평균 항복강도, 인장강도, 연신율은 각각 340.6 MPa, 446.4
MPa, 31.4 %로 확인되었다. 이를 KS 규격과 비교한 결과, 항복강도(265 MPa 이상) 및 인장강도(415~550 MPa)는 규준에 적합한
것으로 판단된다.
강봉댐퍼는 Fig. 6과 같이 강봉을 사용하는 스트럿과 장치에 연결하기 위한 연결판을 용접하여 제작하였다. 제작 시 충분한 용접면적을 확보하기 위하여 강봉의 단부를 개선하여
용접살이 충분히 형성되도록 제작하였다.
Fig. 5 Specimen details (unit: mm)
Table 1 Test specimen damper numbers and sizes
|
Name
|
No. of damper
(ea)
|
Section area
(mm2)
|
|
RW19-C-1-BP
|
1
|
283.4
|
|
RW19-C-2-BP
|
2
|
566.8
|
|
RW19-C-3-BP
|
3
|
580.2
|
|
RW19-C-4-BP
|
4
|
1,133.6
|
3.2 실험 셋팅 및 진행
연결보 적용 강봉댐퍼의 실험체 셋팅은 Fig. 3을 참고로 하여 Fig. 7과 같이 고안하였다. 횡하중은 500 kN 엑츄에이터를 사용하였으며, 연결보 중앙에 강봉댐퍼를 설치하였다. 셋팅은 가력 변위에 의한 횡하중 작용 시
강봉댐퍼에 응력이 작용하는 Qu et al. (2020)의 방법을 개선한 것이다.
Fig. 8에 나타낸 것과 같이 가력은 연결보 순경간 1,460 mm를 기준으로 0.1 %, 0.3 %, 0.5 %, 1.0 %, 2.0 %, 2.5 %, 3.5
%, 5.0 % 및 7.0 %까지 층간 변위비를 증가시키면서 각 스텝 당 2 사이클씩 반복 가력하였다(Table 2 참조). 또한 강봉댐퍼 높이의 상단, 중단, 하단에 스트레인 게이지를 설치하여 변형도를 측정하였다.
Fig. 7 Setting configuration
Table 2 Applied loading history
|
Cycle
|
1
|
2
|
3
|
4
|
5
|
6
|
7
|
8
|
9
|
|
Drift
(%)
|
0.1
|
0.3
|
0.5
|
1.0
|
2.0
|
2.5
|
3.5
|
5.0
|
7.0
|
|
Displ. (mm)
|
1.46
|
4.38
|
7.30
|
14.60
|
29.20
|
36.50
|
51.10
|
73.00
|
102.20
|
3.3 성능 실험 결과
3.3.1 RW19-C-1-BP
Fig. 9에 19 mm 강봉 스트럿 1개와 횡변위 방지상세를 적용한 RW19-C-1-BP 실험체의 하중-변위곡선을 나타내었는데, 정가력(+) 시 최대하중은
20.9 kN, 변위 73.0 mm로 층간 변위비는 5.0 %로 평가되었다. 부가력(-) 시 최대하중은 –22.3 kN, 변위는 –73.0 mm로
층간 변위비는 정가력과 동일하게 5.0 %로 나타났다. Fig. 10의 파괴 양상에 의하면 5 스텝(29.2 mm)에서 발생한 단부 균열이 점차 증가하면서 하중의 증가 없이 변형이 증가하여 최종적으로 가력 변위 73.0
mm에서 실험이 종료되었다.
Fig. 9 Load-displacement curve of RW19-C-1-BP
Fig. 10 Failure shape of RW19-C-1-BP
3.3.2 RW19-C-2-BP
Fig. 11에 19 mm 강봉 스트럿 2개와 횡변위 방지상세를 적용한 RW19-C-2-BP 실험체의 하중-변위곡선을 나타내었는데, 정가력(+) 시 최대하중은
29.8 kN, 변위 73.0 mm로 층간 변위비는 5.0 %로 평가되었다. 부가력(-) 시 최대하중은 –33.7 kN, 변위는 –73.0 mm로
층간 변위비는 정가력과 동일하게 5.0 %로 나타났다. Fig. 12의 파괴 양상에 의하면 5 스텝(29.2 mm)에서 발생한 단부 균열이 점차 증가하면서 하중의 증가 없이 변형이 증가하여 최종적으로 가력 변위 73.0
mm에서 실험이 종료되었다.
Fig. 11 Load-displacement curve of RW19-C-2-BP
Fig. 12 Failure shape of RW19-C-2-BP
3.3.3 RW19-C-3-BP
Fig. 13에 19 mm 강봉 스트럿 3개와 횡변위 방지상세를 적용한 RW19-C-3-BP 실험체의 하중-변위곡선을 나타내었는데, 정가력(+) 시 최대하중은
30.7 kN, 변위 73.0 mm로 층간 변위비는 5.0 %로 평가되었다. 부가력(-) 시 최대하중은 –35.3 kN, 변위는 –73.0 mm로
층간 변위비는 정가력과 동일하게 5.0 %로 나타났다. Fig. 14의 파괴 양상에 의하면 5 스텝(29.2 mm)에서 발생한 단부 균열이 점차 증가하면서 하중의 증가 없이 변형이 증가하여 최종적으로 가력 변위 73.0
mm에서 실험이 종료되었다.
Fig. 13 Load-displacement curve of RW19-C-3-BP
Fig. 14 Failure shape of RW19-C-3-BP
3.3.4 RW19-C-4-BP
Fig. 15에 19 mm 강봉 스트럿 4개와 횡변위 방지상세를 적용한 RW19-C-4-BP 실험체의 하중-변위곡선을 나타내었는데, 정가력(+) 시 최대하중은
49.0 kN, 변위 73.0 mm로 층간 변위비는 5.0 %로 평가되었다. 부가력(-) 시 최대하중은 –59.6 kN, 변위는 –73.0 mm로
층간 변위비는 정가력과 동일하게 5.0 %로 나타났다. Fig. 16의 파괴 양상에 의하면 5 스텝(29.2 mm)에서 발생한 단부 균열이 점차 증가하면서 하중의 증가 없이 변형이 증가하여 최종적으로 가력 변위 73.0
mm에서 실험이 종료되었다.
Fig. 15 Load-displacement curve of RW19-C-4-BP
Fig. 16 Failure shape of RW19-C-4-BP
4. 연결보 적용 강봉댐퍼의 성능 평가
4.1 포락선
3.3절의 하중-변위 곡선을 포락선으로 정리한 그래프를 Fig. 17에 4개 실험 결과를 같이 나타내었다. 모든 실험체 똑같이 가력 변위 73.0 mm(층간 변위비 5.0 %)에서 최대하중이 나타났다. 포락선 추세는
4개 실험체 거의 유사한 것으로 나타났으며, 강봉댐퍼의 개수가 증가할수록 비례적은 아니지만, 강도가 증가하는 것으로 평가되었다.
Fig. 17 Envelope curve comparison
4.2 강성저하
Fig. 18에 정가력 시 실험체별 강성저하를 나타내었는데, 강봉댐퍼 개수가 4개로 가장 많은 RW 19-C-4-BP의 초기 강성이 2.69 kN/mm로 가장
크게 평가되었으며, 강봉댐퍼 개수가 줄어들수록 RW 19-C-3-BP, RW 19-C-2-BP, RW 19-C-1-BP의 초기강성은 각각 2.22
kN/mm, 1.95 kN/mm, 1.14 kN/mm로 평가되었다. 가력 변위가 증가할수록 강성이 완만하게 저하되었는데, 초기강성이 가장 큰 RW
19-C-4의 강성저하가 가장 크게 나타났다. 이후 변위 36.5 mm(층간 변위비 2.5 %)까지 강성이 저하되다가, 이후 거의 일정한 강성을 보유하는
것으로 평가되었다.
Fig. 18 Stiffness degradation comparison
4.3 에너지소산
Fig. 19에 정가력 시 실험체별 에너지소산면적을 나타내었다. 실험 종료 시인 최대 변위 73 mm(층간 변위비 5.0 %)에 대하여 RW 19-C-1-BP,
RW 19-C-2-BP, RW 19-C-3-BP, RW 19-C-4-BP의 에너지소산면적은 각각 1,008, 1,810, 2,016, 3,031 kN･mm로
평가되었다. 최대강도 발현과 유사하게 강봉댐퍼 개수 증가에 따른 에너지소산능력도 증진되는 것으로 평가되었다.
Fig. 19 Energy dissipation area comparison
4.4 최대강도 고찰
이상의 실험결과 분석으로부터, 강봉댐퍼의 개수가 증가할수록 최대강도는 증가는 하나, 비례적으로 증가하지는 않은 것으로 평가되었다. 즉 댐퍼 단부의
변위량 증가에 의한 균열 발생으로 산술적인 단면적 증가에 비례한 최대강도에 도달하지 못하는 것으로 판단된다. 이러한 현상은 실제 구조물에 적용할 경우에도
유사한 결과가 예상되는데. 즉 한 개의 스트럿에 응력이 집중되면, 이로 인한 전체 댐퍼 파괴가 유발될 수 있다는 것이다. 따라서 본 연구에서는 이를
정량적으로 예측하고자 최대강도와 댐퍼개수 상관에 의한 회귀분석을 수행하였다. 이를 Fig. 20에 정리하였는데, 신뢰도 지수(R2)가 0.93인 신뢰있는 회귀식이 도출되었다. 비록 제한된 조건이지만 연결보에 강봉댐퍼를 적용할 경우 예상되는 최대강도는
식 (1)과 같이 예측할 수 있는 것으로 평가되었다. 식 (1)에서 $P_{\max}$는 최대 강도 (kN), $X$는 강봉댐퍼 개수이다.
Fig. 20 Maximum load estimation
4.5 강봉댐퍼 파괴 양상
강봉댐퍼는 Fig. 6과 같이 댐퍼와 연결판을 용접하여 제작한다. 따라서 강봉댐퍼의 성능은 용접부가 될수도, 모재가 될수도 있다. 3장의 파괴 양상을 보면 층간변위비 5
%까지 댐퍼가 성능을 발휘하다가 최종파괴에 도달하였다. Fig. 21에 모든 댐퍼 실험체의 파괴 양상을 정리하였는데, 뚜렷한 용접부의 파괴 없이 강봉댐퍼가 거의 일체적으로 거동하는 것을 확인할 수 있었다. 향후 댐퍼
개수가 증가할수록 일부 댐퍼에 응력이 집중되어 최대내력이 저하되는 거동에 대한 보완 연구가 필요한 것으로 판단된다.
Fig. 21 Final failure shape
4.6 강봉댐퍼 변형도
Fig. 22에 강봉댐퍼 상단에 부착한 게이지에서 계측된 변형도를 작용 하중과 같이 나타내었다. 작용 하중에 대하여 대부분 댐퍼 상단부는 20 kN 전후에서 항복한
이후, 잔류 변형이 증가하면서 실험이 진행된 것을 확인할 수 있었다. 그후 최대하중을 지나 변형도가 증가하면서 판단 또는 게이지가 탈락되는 것을 확인할
수 있었다.
Fig. 22 Upper part strain of damper
5. 결 론
본 연구에서는 기존 연구결과를 참고로 하여, 연결보에 적용하기 위한 강봉댐퍼의 이력 특성을 평가하였다. 주요한 연구결과는 아래와 같다.
1) 성능실험 결과, 강봉댐퍼의 개수가 증가할수록 최대강도는 증가는 하나, 비례적으로 증가하지는 않은 것으로 평가되었다. 즉 댐퍼 단부의 변위량 증가에
의한 균열 발생으로 산술적인 단면적 증가에 비례한 최대강도에 도달하지 못하는 것으로 판단된다. 이러한 현상은 실제 구조물에 적용할 경우에도 유사한
결과가 예상되는데. 즉 한 개의 스트럿에 응력이 집중되면, 이로 인한 전체 댐퍼 파괴가 유발될 수 있다는 것이다.
2) 강봉댐퍼는 댐퍼와 연결판을 용접하여 제작한다. 따라서 강봉댐퍼의 성능은 용접부가 될 수도, 모재가 될 수도 있다. 파괴 양상을 보면 가력 변위
73 mm(층간변위비 5 %)까지 댐퍼가 성능을 발휘하다가 최종파괴에 도달하였다. 그렇지만 뚜렷한 용접부의 파괴 없이 강봉댐퍼가 거의 일체적으로 거동하는
것을 확인할 수 있었다.
3) 강봉댐퍼 상단에 부착한 게이지에서 추출한 변형도를 평가한 결과, 작용 하중에 대하여 대부분 댐퍼 상단부는 20 kN 전후에서 항복한 이후, 잔류
변형이 증가하면서 실험이 진행된 것을 확인할 수 있었다. 그후 최대하중을 지나 변형도가 증가하면서 판단 또는 게이지가 탈락되는 것을 확인할 수 있었다.
감사의 글
이 논문은 2024년도 동양대학교 학술연구비의 지원으로 수행되었음.
References
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