Current Issue

실험에 사용된 케이블-도르래-베어링 복합 제진시스템의 형상 및 외관 치수를 Fig. 3에 나타냈다. 본 제진시스템은 변위 증폭시스템을 구성하는 두 케이블 및 베어링이 연결된 도르래가 강구조에 설치되어있는 구조를 갖는다. 이때 상단과 하단의 도르래 개수는 각각 3세트, 4세트이다. 기둥과 보의 접합부는 핀으로 연결하여 회전에 대해 자유롭게 움직일 수 있게 하였다. 각 케이블의 한쪽 단부는 골조의 고정단에 연결되어 있으며, 반대쪽 단부는 속도의존형 실리콘 점성댐퍼^[11]와 연결되어 있다. 베어링 도르래 설치 시, 대각 방향으로 설치되는 케이블 간의 간섭이 발생하지 않도록 도르래 사이의 간격을 사전에 반영하였다.

Fig. 3. 
Details of the cable-pulley-bearing complex damping system

본 제진장치의 정확한 성능 평가를 위하여 위의 실험체(이하 PWB-6SC-D1)와 더불어 단일 케이블의 양 단부가 모두 고정단에 연결되어 제진장치가 설치되지 않은 대조 실험체(이하 PWB-6SC-D0)를 추가적으로 제작했다. 실험체명에 사용된 기호 PWB는 pulley with bearing, SC는 steel cable, 그리고 D는 damper의 약자이며, 6은 대각방향으로 감긴 케이블의 횟수를 그리고 1과 0은 각각 댐퍼 설치 유무를 의미한다.

본 실험에 사용된 실험체의 대각방향으로 연결된 케이블의 반복 횟수는 총 6회로, 케이블의 각도 값(cosθ)을 고려했을 때 이론적인 증폭비는 5.14에 해당된다.

Fig. 4에 나타낸 바와 같이, 실제 케이블의 인장력 하에서의 거동은 가력 초반 케이블 단부가 핀에 고정되는 과정과 내부 구성요소인 스트랜드(strand)들의 압밀화(compaction) 과정 때문에 변형이 상대적으로 증가하는 구간이 발생하게 된다. 제안된 제진시스템이 의도한 바대로 작동하기 위해서는 케이블의 이러한 탄성 변형을 최소화해야 하며, 이를 위해 체인 블록을 이용하여 케이블에 약 35 kN 크기의 초기 긴장력을 도입하였다. 초기 긴장력의 크기는 사용된 케이블의 인장성능(300 kN)의 약 10 % 수준인 30 kN에 긴장력 고정 시 발생할 수 있는 하중 저감 등을 추가로 고려하여 35 kN을 채택하였다. 고정단을 이루는 강재 바에 긴장된 케이블을 연결하고 이를 잡아당긴 후 너트를 조임으로써 케이블에 입력된 초기 긴장력을 유지시켰다.

Fig. 4. 
Load-displacement curves of steel cables

도르래와 핀 사이의 마찰력은 본 감쇠시스템의 의도치 않은 저항력으로 크게 작용을 한다. 이러한 마찰력 때문에 도르래 작동에 지연이 발생되고 이는 증폭시스템의 효율을 감소시키는 주요 원인으로 작용한다. 본 연구에서는 이러한 문제점을 극복하고자 도르래 내부에 베어링을 설치하여 핀과 도르래 사이에 발생되는 마찰력을 최소화하고자 하였다.

본 실험에 사용된 실리콘 점성댐퍼는 15 kN급 댐퍼로 변위 증폭 효과를 감안하여 최대 ±300 mm의 스트로크로 거동할 수 있도록 특수 제작하였다. 실험에 사용된 실리콘 겔 점성댐퍼는 속도의존성을 지니고 있기 때문에 댐퍼의 감쇠력을 정확히 파악하기 위해 사전에 댐퍼 요소에 대한 성능 실험을 실시하였다. 그 결과, 속도와 댐퍼 저항력 사이의 관계를 Maxwell 모델^[14]을 적용하여 식 (2)와 같이 정의하였다.

여기서, F_d는 댐퍼의 저항력(kN)이며, V는 댐퍼 로드의 작동 속도(mm/s)를 의미한다. 본 관계식으로부터 댐퍼의 작동속도에 대해 댐퍼 하중이 비선형적으로 증가하는 것을 확인해 볼 수 있다. 또한, 본 관계식을 통해서 댐퍼의 작동속도를 기반으로 발생되는 댐퍼의 하중을 수치적으로 예측할 수 있다.

실험은 대우건설기술연구원 대형구조실험동에서 진행하였으며, Fig. 5와 같이 본 제진시스템을 1,000 kN 용량의 구동기에 설치하고 횡방향으로 가력을 실시하였다. 가력 시 실험체의 최종 변위 및 저항하중에 영향을 줄 수 있는 면외방향 변위를 제어하기 위해 골조 상단보 측면에 횡방향 지지물을 설치하였다.

Fig. 5. 
Test setup

Fig. 6에 본 실험에 사용된 가력 프로토콜을 나타냈다. 하중은 정현파 형상으로 가력하였으며, 가력 최대변위는 댐퍼의 작동 범위 ±300 mm와 이론적 증폭비 5.14를 고려해 층간 변위각 2 %에 해당하는 60 mm로 제한하였다. 본 실험에서 속도의존형 감쇠장치를 사용하는 만큼, 속도 변화에 따른 감쇠시스템의 성능 변화를 확인하기 위해 가력 주파수를 0.1 Hz로 고정한 후 가력 변위를 하중 스텝별로 증가시켜 가력 속도를 달리하였다. 층간변위각 0.25 % 간격으로 총 8단계의 하중 스텝을 결정하였으며, 매 스텝별로 동일하게 5회씩 반복가력을 실시하였다. 이 경우, 마지막 스텝에서 댐퍼의 작동 속도는 이론적으로 약 200 mm/s에 이르게 된다.

Fig. 6. 
Loading protocol

제안된 변위 증폭 시스템에 의해 가력 변위 대비 댐퍼에 발생되는 변위의 비는 Fig. 3에 나타낸 것처럼 선형 가변 변위 변환기(LVDT: linear variable displacement transducer)를 통해 측정했다. 또한 케이블에 발생되는 축력은 강재 바에 부착한 스트레인 게이지를 통하여 측정했다. 대조 실험체 변위 증폭비의 경우에는 본 실험체의 변위가 가장 크게 증폭되는 댐퍼 설치 위치에 해당되는 지점의 케이블에 LVDT를 연결하여 측정했다.

Table 1과 Fig. 7에 실험체 PWB-6SC-D0와 PWB-6SC-​D1의 하중 스텝별 층간변위 대비 댐퍼 위치에서의 케이블의 이동변위 또는 댐퍼의 작동 변위를 비교하여 나타냈다. 본 제안 감쇠시스템의 경우, Fig. 7(b)와 같이 그래프 형상이 한쪽으로 기운 평행사변형에 가깝게 나타났다. 1단계의 하중스텝에서 댐퍼의 작동거리는 평균 9.1 mm를 나타내 1.2배의 증폭효과를 거뒀으나 하중 스텝이 증가할수록 댐퍼의 상대적인 움직임이 커져 증폭비가 약 4.38배까지 증가하는 것으로 나타났다.

Fig. 7. 
Relations between story drift and amplified displacement of damper

실험체의 증폭비 감소 현상은 케이블 끝단에 연결된 점성댐퍼의 설치에 기인한 것으로 판단된다. 프레임이 횡방향으로 변형될 때 도르래의 베어링과 프레임의 핀 사이에는 초기 긴장력과 더불어 점성댐퍼의 작동요구하중에 의한 수직항력이 작용한다. 이는 베어링의 정지마찰력의 증가를 발생시키며, 따라서 Fig. 7(b)에서 나타낸 것처럼 정지 상태에서 운동 상태로 변화하는 구간에서 입력 변형에 대해 댐퍼 변형의 시간 지연이 발생하게 된다. 해당 구간에서 정지되었던 도르래에 의해 가력 하중이 케이블 자체의 탄성변형으로 이어져 증폭효과가 감소한다. 따라서 각 스텝의 초기 지연현상이 발생한 후의 도르래가 운동할 때의 증폭비, 즉 Fig. 7(b)의 기울기를 통해 확인된 증폭비는 이론값과 동일한 5.14를 나타낸다.

이러한 현상과 변위 증폭 메커니즘은 대조실험체의 실험결과와의 비교를 통해 추가로 확인할 수 있다. 댐퍼가 설치되지 않은 실험체 PWB-6SC-D0의 경우 댐퍼가 설치될 위치에서의 케이블의 이동 변위가 이론적 증폭비 5.14에 매우 근사한 4.85배를 나타낸다. 또한 Fig. 7(a)에 나타낸 것과 같이, 초기 긴장력만으로는 도르래의 작동 지연이 거의 발생하지 않는다. 이 때문에 입력 변형에 대하여 케이블의 이동이 즉각적으로 발생하며, Fig. 7(b)에서와 같이 평행사변형 형상의 그래프가 아닌 거의 선형에 가까운 움직임이 나타난다. 베어링을 사용하지 않은 기존의 케이블-도르래 제진시스템^[15]에서 점성댐퍼를 설치하지 않아도 도르래의 작동 지연에 의한 평행사변형 형상의 그래프가 발생하는 것과는 확연한 차이를 보인다. 따라서 시스템의 베어링 추가가 더 높은 긴장력 하에서도 핀과 도르래 사이의 마찰력을 상당히 줄여 도르래 작동 지연 현상을 크게 저감시킬 수 있으며 결과적으로 본 시스템이 더 안정적인 제진이 가능한 시스템이라는 것을 실험결과를 통해 확인할 수 있다.

Fig. 8은 두 실험체들의 마지막 가력 사이클에서 계측된 댐퍼의 변위 또는 댐퍼 위치에 놓인 케이블의 변위를 기반으로 시간에 따른 실제 작동속도를 산정하여 그래프로 나타낸 것이다.

Fig. 8. 
Velocity response

댐퍼가 설치되지 않은 실험체 PWB-6SC-D0의 경우, 액츄에이터의 가력속도 변화에 대하여 댐퍼가 놓일 위치의 케이블 작동 속도도 동일한 위상을 유지하며 사인파 형상으로 증폭되는 것을 확인해 볼 수 있다. 이론적으로 예측되는 속도 194 mm/s에 정확하게 케이블의 이동 속도가 도달한 것을 Fig. 8(a)를 통해서 확인해 볼 수 있다.

댐퍼가 설치된 실험체 PWB-6SC-D1의 경우에는 속도가 제로인 지점에서 최대속도로 증가할 때 부드러운 사인파를 나타내지 못하고 속도가 제로인 지점에서 머뭇거리다가 급격하게 속도가 증가하는 현상이 나타났다. 이것은 도르래 작동이 지연현상에 의해 순간 멈췄다가 작동되면서 급격하게 본래의 속도를 따라가는 과정에서 발생되는 현상으로 판단되었다. 그러나 이러한 작동 지연에도 불과하고 댐퍼 로드의 작동 속도는 실험체 PWB-6SC-D0의 경우와 마찬가지로 이론값에 도달한 것을 확인해 볼 수 있었다. 해당 결과에 근거하여 댐퍼의 작동 최대속도를 이론적으로 예측하는 것이 가능하다는 것을 확인하였으며, 이를 바탕으로 댐퍼에 발생되는 최대 하중 또한 이론적으로 정확히 계산해 낼 수 있음을 증명할 수 있었다.

Fig. 9은 두 실험체의 하중-변위 그래프를 비교하여 나타낸 것이다. Table 2에는 각 실험체들에 대해 하중 스텝별 정·부 방향으로 각각 5회 반복 계측된 하중들에 대한 평균을 정리하여 나타냈다. 실험체 PWB-6SC-D0의 경우, 본 그림에서 확인해 볼 수 있듯이, 댐퍼 미설치로 인해 가력변위 증가와는 무관하게 일정한 하중(평균 23.2 kN)을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 기존 베어링을 사용하지 않은 케이블-도르래 감쇠시스템에서는 대각방향으로 감은 케이블의 수가 7회인 실험체에서 댐퍼를 설치 않았음에도 불구하고 마찰에 의한 골조의 저항하중이 125 kN이나 발생하였다^[15]. 해당 실험체들의 초기 긴장력이 평균 35 kN으로 본 실험과 유사한 점을 감안하였을 때, 본 제안 시스템과 같이 도르래 내부에 베어링을 설치함으로써 핀과의 마찰력에 의한 하중저항력이 대폭 감소했다는 것을 본 실험을 통해 확인할 수 있었다. 더욱이 해당 골조의 저항력은 핀과 보 및 기둥 부재 사이에 발생되는 마찰력으로 인해 발생한 것으로 판단된다. 따라서 실제 철골조 구조물에 본 기술을 적용할 경우, 브라켓에 바로 핀을 연결하여 도르래를 설치하기 때문에 해당 하중은 발생하지 않아 본 감쇠시스템 설계 시 베어링 도르래를 통해 마찰에 의한 불확실성을 극복할 수 있을 것으로 판단되었다.

Fig. 9. 
Relations between story drift and load of two test specimens

실험체 PWB-6SC-D1의 경우, 가력 스텝이 증가할수록 댐퍼의 작동 속도도 빨라지고, 이에 따라 댐퍼의 저항도 커지는 특징을 나타냈다. 그 결과, 골조에 발생하는 하중이 점차 증가하는 것을 해당 그래프에서 확인해 볼 수 있다. 또한, 기둥과 보 사이에 연결된 핀과 지지철물 사이의 공극으로 인해 약간의 슬립이 발생하였으며, 이러한 특징이 그대로 그래프에 반영되어 가력 방향이 바뀔 때마다 수평으로 하중 증가 없이 2 mm 정도의 변위가 발생하는 구간이 나타났다. 이 때문에 실험에 근거하여 산출된 본 감쇠시스템의 증폭비가 다소 과소평가될 여지가 있다. 해당 슬립거리 만큼을 반영하여 증폭비를 재계산할 경우, 마지막 하중 스텝에서의 증폭비는 약 3 % 정도 증가하는 것으로 나타났다.

Table 2에서 본 실험체에 대한 하중 증가 사항들에 대한 상세를 확인해 볼 수 있다. 우선 앞서 살펴본 바와 같이, 댐퍼의 작동 속도가 이론값과 동일하다는 전제하에 댐퍼에 발생되는 하중을 식 (2)을 이용하여 계산하였다. 이를 기반으로 케이블에 추가로 발생되는 인장력 및 본 감쇠시스템의 증폭효과에 의한 골조의 저항력 증분을 계산할 수 있다. 댐퍼를 설치할 경우, 댐퍼하중에 의해 추가로 발생되는 케이블 인장력으로 골조의 기본 저항 하중이 커지게 된다. 초기 긴장력 35 kN에 대한 골조의 저항력은 실험체 PWB-6SC-D0에서 확인할 수 있으며, 해당 실험결과에 근거하여 댐퍼 하중에 의해 추가되는 케이블 인장력에 의한 골조의 추가저항력을 비례적으로 계산하였다. 그 결과, 하중 스텝 1단계에서는 약 6.7 kN정도로 확인되었으며, 마지막 하중 스텝에서는 댐퍼에 발생되는 속도 증가와 함께 10.6 kN까지 증가하는 결과를 얻게 되었다.

실험체 PWB-6SC-D0의 각 하중 스텝별 하중값과 앞서 계산한 추가 하중값을 더하면 증폭시스템 이외에 발생되는 하중저항력을 계산할 수 있다. 따라서, 그 결과를 실험체 PWB-​6SC-D1의 하중값에서 빼면 순수하게 본 감쇠시스템의 작동에 의해 증폭된 하중을 계산할 수 있게 된다. 그 결과, 첫 번째 하중스텝을 제외한 거의 모든 스텝에서 거의 1.0에 근사한 결과를 나타내 이론적으로 본 시스템에 대한 설계가 가능함을 확인할 수 있었다. 또한, 하중 증폭 측면에서는 이론값인 5.14배의 증폭이 현실적으로 발생하는 것을 확인할 수 있었다.