3.1 실험 계획 및 재료 특성

서론 및 2장에서 언급한 것과 같이 댐퍼 설치 위치의 영향을 분석하기 위하여 본 연구에서는 새로운 실험체(RS2)를 설계하고 실험을 수행하였다. 또한 기존 연구에서 보고된 실험체(BF 및 SFD)의 결과를 비교 분석을 위한 기준 자료로 활용하였다. 즉 총 3개의 실험체에 대한 성능 평가를 진행한 것이다. 여기서 BF 실험체는 비보강 RC 골조를 나타낸다. 이 실험체의 실험 결과는 ^Lee(2018)에 의해 이미 발표된 바 있으며, 본 연구에서는 비교를 위한 기준 자료로서 해당 결과를 간략히 정리하여 제시하고자 한다. 또한 SFD 실험체는 골조 상부에 강재댐퍼가 설치된 RC 골조를 나타낸다. 이 실험체의 실험 결과 또한 ^Lee(2018)에서 보고된 바 있으며, 본 연구에서는 새롭게 실험된 RS2 실험체의 성능을 평가하기 위한 비교 자료로 활용하고자 한다. 본 연구에서 새롭게 평가한 RS2 실험체에서는 골조 하부에 두 개의 강재댐퍼를 설치하여 댐퍼 설치 위치에 따른 구조 거동의 변화를 평가하고자 하였다.

실험체는 국내 저층 학교 건물에 일반적으로 적용되는 RC 골조 구조를 대상으로, 실험 장치 규모, 예산 등을 고려하여 1/2 축소모델로 설계하였다. RC 골조의 전체 형상은 축소비율을 고려하여 계획하였으며, 강재댐퍼의 치수는 기하학적 상사 조건보다는 제작 가능성과 요구되는 에너지 소산 성능을 고려한 실제 크기를 사용하였다. 골조 실험체의 순 기둥 높이는 1.8 m, 순 경간은 2.0 m이며, 단면은 300 mm×300 mm이다. 8개의 D16 철근을 주근으로 배근하였으며, D10을 200 mm 간격으로 띠철근 배근하였다. 철근의 항복강도는 400 MPa이며, 콘크리트의 설계압축강도는 24 MPa로 계획하였다. RC 골조 내부는 200 mm×200 mm×8 mm×12 mm인 형강으로 보강하였으며, 그 내부에 강재댐퍼를 설치하였다. BF 및 SFD 실험체의 상세는 Fig. 5에 나타내었다. SFD 실험체에 사용한 강재댐퍼는 브레이스를 설치하여 적용하였으며, 스트럿 폭은 30 mm, 두께는 12 mm, 수직 높이는 260 mm이며, SS 275 강종을 사용하였다. RS2 실험체 상세는 Fig. 6과 같으며, SFD 실험체가 스트럿 4개인 강재댐퍼 1개를 상단에 부착한 것과 달리, 골조 하단에 스트럿 2개인 강재댐퍼 2개를 사용하였다. 또한 원활한 거동을 위한 힌지를 강판벽 하단에 설치하였다. 여기서 강재댐퍼는 ^Lee(2021)의 연구결과에 의거, 횡변형 방지 상세를 적용하였다. 또한 하부에 설치된 힌지는 횡하중 작용 시 골조의 회전 변형(rocking behavior)을 유도하여 강재댐퍼에 변형이 더욱 효과적으로 전달되도록 하기 위하여 설치한 것이다. Table 1에 실험체 명칭에 따른 댐퍼 개수 및 설치 위치를 정리하였다. 즉 동일한 S형 스트럿을 가지는 강재댐퍼의 적용 유무에 따른 보강효과(BF vs. SFD, RS2) 및 댐퍼 설치 위치(SFD vs. RS2)에 따른 이력 거동을 평가하기 위한 실험 변수를 적용하였다.

실험체별 재료 시험결과를 Table 2에 정리하였다. 소량으로 제작되는 콘크리트 특성상 설계기준강도인 24 MPa보다 적은 평균 22 MPa 강도로 평가되었는데, 실험체별 큰 편차는 없었다. 철근의 항복강도 및 인장강도는 적절한 것으로 평가되었으며, 일반적으로 철근의 탄성계수 약 200 GPa를 기준으로 항복강도 400 MPa 수준을 고려할 경우 항복 변형률은 약 0.002(2,000 με) 수준이다. 따라서 본 연구에서는 실험 결과의 일관된 비교를 위하여 2,000 με을 항복 변형률 기준으로 적용하였다. 반면 강재댐퍼의 항복 및 인장강도는 실험체별로 다소 차이가 나타났다. 이는 강재 공급 과정에서의 재료 특성 차이에 의한 것으로 판단되며, 본 연구의 성능 실험 및 분석에는 문제가 없을 것으로 판단된다. 그리고 기존 연구에서 수행된 BF 및 SFD 실험체는 본 연구와 동일한 실험 조건 및 가력 방법을 적용하여 수행되었으므로 본 연구의 실험 비교 분석이 가능한 것으로 판단된다.

Fig. 5 Specimen details of BF and SFD (unit: mm)

Fig. 6 Specimen details of RS2 (unit: mm)

3.2 실험 세팅, 가력 및 측정

1층 골조 실험체는 횡하중 가력과 동시에 축력을 작용하였으며, 축력은 기둥 능력의 10 %에 해당하는 600 kN을 오일잭이 300 kN씩 부담하도록 하였다(Fig. 7 참조). Fig. 8과 같이 횡하중은 가력 변위를 5 mm씩 점증적으로 증가시키며 가력하였다. 변형률을 측정하기 위하여 실험체 골조의 주근, 띠철근, 강재댐퍼 스트럿에 스트레인 게이지를 부착하였으며, 콘크리트 표면에도 스트레인 게이지를 부착하였다.

Fig. 7 Performance test setting of SFD

Fig. 8 Loading history

3.3 성능 실험 결과

3.3.1 기 발표된 실험 결과(BF 및 SFD)

Fig. 9에 나타낸 비보강 실험체 BF의 모멘트-변위비 곡선은 ^Lee(2018)에 의해 이미 발표된 것이다. 본 연구에서는 새롭게 수행된 RS2 실험체의 결과와 비교하기 위하여 해당 결과를 간략히 정리하여 제시하였다. 정가력 시 최대모멘트는 658.5 kN･m, 이때의 변위비는 1.34 %로 나타났으며, 부가력 시 최대모멘트는 625.1 kN･m, 이때의 변위비는 1.15 %로 나타났다. 최대하중을 지나자마자 급격하게 실험체의 강도가 저하되어 파괴에 도달하였다. Fig. 10의 파괴 양상에서도 알 수 있는데, 기둥 상하단에 응력이 집중되어, 종국 파괴에 도달한 것으로 판단된다.

Fig. 11에 나타낸 SFD 실험체의 모멘트-변위비 곡선 역시 ^Lee(2018)에서 실험이 수행된 것이며, 본 연구에서는 새롭게 개발된 RS2 실험체의 성능을 평가하기 위한 비교 기준 자료로서 그 결과를 제시하였다. 정가력 시 최대모멘트는 1,840.8 kN･m, 이때의 변위비는 1.36 %로 나타났으며, 부가력 시 최대모멘트는 2,145.0 kN･m, 이때의 변위비는 1.16 %로 나타났다. Fig. 12(a)에 나타낸 최종파괴에 의하면, 수평가력에 의한 RC 골조의 전단변형을 강재 프레임이 적절히 구속하였으며, 강재댐퍼에 전단변형이 집중됨을 확인할 수 있었다. Fig. 12(b)에 나타낸 댐퍼의 파괴 양상을 보면 4개의 스트럿 상하단에 균열이 발생하여 파단 됨을 확인할 수 있었는데, 이로부터 강재댐퍼가 적절하게 에너지를 소산함을 확인할 수 있었다.

Fig. 9 Moment-drift ratio of BF

Fig. 10 Failure shape of BF

Fig. 11 Moment-drift ratio of SFD

Fig. 12 Failure shape of SFD

3.3.2 신규 실험 결과(RS2)

Fig. 13에 S형 댐퍼를 골조 하단에 부착한 RS2 실험체의 모멘트-변위비 곡선을 나타내었다. 골조 실험체의 중앙 하단에 설치한 힌지를 중심으로 좌우 댐퍼가 같이 거동하면서 가력방향 댐퍼와 가력반대방향 댐퍼는 인장, 압축 하중을 교대로 받으면서 실험이 진행되었다. 정가력 시 최대모멘트는 1,610.8 kN･m, 이때의 변위비는 1.32 %로 나타났으며, 부가력 시 최대모멘트는 1,432.0 kN･m, 이때의 변위비는 1.28 %로 나타났다. Fig. 14(a)에 나타낸 최종파괴에 의하면, 수평가력에 의한 RC 골조의 전단변형을 강재 프레임이 적절히 구속하였으며, 골조 상하단에 응력이 집중되는 것을 확인할 수 있었다. Fig. 14(b)에 나타낸 댐퍼의 파괴 양상을 보면 스트럿 상하단에 일부 균열이 발생함을 확인할 수 있었다.

Fig. 13 Moment-drift ratio of RS2

Fig. 14 Failure shape of RS2

4.1 항복강도

철근콘크리트 구조물의 응력-변형률 곡선은 혼합재료 사용 및 구조 형식의 다양성 등으로 인하여 시스템의 항복강도를 명확하게 산정하는 것이 애매한 경우가 많다. 이러한 이유로 일반적으로 ^Park(1989)가 제안한 방법이 많이 사용된다. 즉 최대하중의 75 %를 항복강도로 산정하고, 이 점과 X축과 평행하게 그은 선이 응력-변형률 곡선과 만날 때, X축 값을 항복 변위로 산정하는 것이다. 본 연구에서도 항복강도(항복모멘트)의 직접 산정이 어려워 상기의 방법을 적용하였다.

정가력 기준으로 비보강 실험체인 BF의 항복강도 및 항복변위비는 각각 497 kN･m, 0.44 %, 보강 실험체인 SFD는 1,381 kN･m, 0.57%, RS2는 1,208 kN･m, 0.57 %로 산정되었다. 이로부터 보강 실험체의 항복강도는 비보강 대비 약 2.5배 전후의 강도증진을 보여주었으며, 항복 변위비는 약 1.3배 증진됨을 확인하였다. 또한 보강 위치에 따라 SFD의 항복강도가 RS2의 항복강도 대비 1.14배 우수한 것으로 평가하였다.

4.2 포락선

Fig. 9, 11, 13에 나타낸 실험체의 모멘트-변위비 곡선의 사이클별 최대점을 연결한 포락선 그래프를 Fig. 15에 나타내었다. Fig. 15에 의하면 최대강도는 SFD가 가장 우수한 것으로 평가되었으며, RS2는 변위비 3.0 %까지 횡하중에 대한 저항능력을 보유한 것으로 나타났다. 즉 최대강도는 항복강도와 마찬가지로 비보강 대비 SFD는 2.80배, RS2는 2.45배 증진되는 것으로 평가되었다. 이때의 변위비는 유사한 것으로 나타났다. RS2의 실험 종료시 변위비 3.0 % 대비 BF는 변위비 1.92 %까지, SFD는 2.1 %까지 실험이 진행되었으며, 이는 실험장치의 용량 및 실험체의 안전성을 고려하여 해당 변위 수준에서 실험을 종료한 것이다. RS2 실험체는 SFD 실험체와 비교하여 최대하중 이후 보다 안정적인 거동을 나타내었다. 이러한 거동 특성은 RS2 실험체의 구조적 구성에 기인한 것으로 판단된다. 즉 골조 하부에 설치되어 있는 두 개의 강재댐퍼에 의하여 변형 요구가 분산될 수 있는 구조적 조건이 형성된 것이다. 또한 하부 강판에 설치된 힌지는 골조의 회전 변형을 허용하여 RC 골조 내부에 발생하는 응력 집중을 완화시키는 역할(록킹 거동)을 한 것이다. 그 결과 수평 변형의 일부가 강재댐퍼에 의해 흡수됨으로써 최대하중 이후의 강도 저하가 지연되고, 구조 시스템의 연성 거동이 향상된 것으로 판단된다.

Fig. 15 Envelope curve comparison

4.3 강성 저하

정가력 시 실험체별 강성저하를 초기 강성 대비 각 가력 단계별 강성비를 Fig. 16에 나타내었다. Fig. 16에 의하면 변위비 1.92 %까지 SFD, RS2, BF의 순으로 강성저하비가 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었으며, 이후 보강 실험체는 거의 유사한 강성저하를 나타내었다.

Fig. 16 Stiffness degradation ratio comparison

4.4 에너지 소산

Fig. 17에 실험체별 에너지 소산면적을 나타내었다. BF의 실험 종료 시 변위비 1.92 %에 대한 에너지 소산면적은 89,796 kN･mm로 평가되었다. 이때 RS2는 174,550 kN･mm로, 비보강 대비 1.94배, SFD는 383,352 kN･mm로 산정되어, 비보강 대비 4.27배 우수한 에너지 소산능력을 보유한 것으로 평가되었다. SFD 실험체는 변위비 2.1 %에서 실험이 종료되었으며, 이때의 에너지 소산면적은 471,840 kN･mm로 227,467 kN･mm의 RS2 대비 2.07배 우수한 능력을 발휘하였다.

Fig. 17 Energy dissipation area comparison

4.5 골조 주근 및 강재댐퍼 스트럿 변형률

Fig. 18에는 RC 골조 기둥 주근에서 측정된 변형률을 비보강 및 보강 실험체로 구분하여 정리하였다. Fig. 18에서 X축은 변위비, Y축은 변형률을 의미한다. Fig. 18(a)에 나타낸 게이지 위치를 나타내었는데, LF1과 LF6은 기둥의 상단과 하단을 의미한다. 전체적으로 정하중, 부하중 작용에 따른 주근의 인장과 압축 변형을 확인할 수 있었다.

BF의 경우 변위비 약 0.5 %에서 기둥 상단(LF1)과 하단(LF6)에 설치된 게이지의 변형률이 항복 변형률(약 2,000 με)에 도달하였다. 그 외 게이지는 변위 1.5 %까지 항복하지 않고 외력에 저항함을 확인할 수 있었다. SFD 및 RS2는 변위비 약 1.05 %에서 주근 상단과 하단에 설치한 게이지의 변형률이 항복하였으며, 그 외 위치에 설치한 게이지는 변위비 2.0 % 전후까지 탄성 상태를 유지하는 것으로 평가되었다. 즉 강재댐퍼가 초기 강성과 에너지를 분담함으로써 수평력에 저항하는 RC 골조의 부담을 줄여 주근의 항복 시점을 약 2배 이상 늦춘 것으로 판단된다.

Fig. 18(b), (c), (d)에 실험체별로 나타낸 철근의 변형률 분포는 가력 방향과 실험체의 구성에 따라 서로 다른 경향을 보였다. BF 및 SFD 실험체의 경우, 횡하중 작용 시 골조의 휨거동이 지배적이므로, 기둥 상단(LF1)과 하단(LF6)에서 인장･압축이 교대로 발생하며 변형률의 부호(기울기)가 서로 반대 경향을 나타내었다. 반면 RS2 실험체는 하부 강판에 설치된 힌지로 인해 기둥 하단에서 회전 변형(rocking behavior)이 허용되므로, 이에 따라 기둥 내 곡률 분포와 모멘트 전달 경로가 BF 및 SFD와 달라진다. 그 결과 LF1 및 LF6에서 관측되는 변형률의 부호 및 기울기 경향이 BF, SFD와 상이하게 나타난 것이다. 또한 RS2 및 SFD 실험체에서 LF1 변형률은 부가력(음의 변위비) 구간에서도 일부 증가 경향을 보였는데, 이는 반복가력에 따른 잔류 변형의 누적, 균열의 비대칭적 진전 및 부착･슬립 거동에 의해 변형률 응답이 완전한 대칭성을 나타내지 못한 결과로 판단된다.

Fig. 19에 1층 골조 실험체에 설치한 강재댐퍼의 변형률을 나타내었다. Fig. 19(a)에서 LD1은 스트럿 상단, LD2는 중앙, LD3은 하단에 부착된 변형률 게이지를 의미한다. 반복 가력 이력에 따른 변형률 거동을 분석한 결과, 강재댐퍼 스트럿의 상단과 하단에서 상대적으로 큰 변형률이 발생하는 경향을 확인할 수 있었다. 이는 반복 횡하중 작용 시 스트럿 부재 양단에서 휨 및 축 변형이 동시에 발생하면서 소성 변형이 집중되기 때문으로 판단된다.

강재댐퍼가 골조 상부에 설치된 SFD 실험체의 경우 상대적으로 큰 층간 변형이 발생하는 위치에서 변형이 직접 전달되기 때문에 스트럿 상단에 설치된 LD1 게이지가 LD3에 비해 먼저 항복하는 경향을 나타내었다. 반면 강재댐퍼가 골조 하부에 설치된 RS2 실험체의 경우 힌지에 의한 회전 변형과 결합된 변형 전달 경로가 형성되면서 하부 스트럿 구간에서 변형이 상대적으로 크게 발생하는 것으로 나타났으며, 이에 따라 LD3 게이지가 LD1보다 먼저 항복하는 경향을 나타내었다. 전체적으로 강재댐퍼에 부착된 변형률 게이지의 계측 결과 소성 변형은 스트럿 부재의 상단 및 하단 부근에서 집중적으로 발생하는 경향을 나타내었으며, 이러한 결과는 실험 과정에서 관찰된 강재댐퍼의 균열 및 파단 위치와도 잘 일치하는 것으로 확인되었다.

Fig. 18 Strain histories of main bars in the RC frame

Fig. 19 Strain histories of steel damper struts