면외방향 구속재로 보강된 강재조립형 비좌굴가새의 내진성능에 대한 실험적연구

1. 서 론

최근 국내에서는 지진 발생 빈도와 그 규모가 점차 증가하는 추세^[1]에 있으며, 이로 인해 기존 구조물의 내진성능 확보 및 신축 구조물의 내진 설계 중요성이 크게 대두되고 있다. 이에 따라 강재댐퍼와 같은 제진장치의 필요성이 높아지고 있으나, 기존 시스템들은 높은 초기 비용과 시공의 복잡성 등 현실적인 문제점으로 인해 널리 적용되는 데 한계가 있다.

이러한 배경 속에서 좌굴방지가새(Buckling-Restrained Brace, BRB)는 반복적인 횡하중에 대해 안정적인 이력 거동을 통해 지진 에너지를 효과적으로 소산 시키는 제진 장치로, 신축 및 내진 보강 시장에서 널리 활용되고 있다^[2],[3].

일반적인 좌굴방지가새는 축력을 받는 강재 심재(Core Plate)와 심재의 좌굴을 방지하는 구속재(Restraining Member)로 구성된다. 지진 하중 작용 시 심재는 인장 및 압축 상태에서 항복하여 소성 변형을 통해 에너지를 흡수하며, 이때 구속재가 심재의 면외 방향 변형을 억제하여 압축 하중 하에서도 좌굴 없이 안정적인 연성 거동을 유지하도록 한다^[4].

이러한 우수한 내진성능을 바탕으로, 최근 국내외 연구는 심재에 저항복강(Low-Yield Steel)을 적용하여 연성 능력을 극대화하거나^[5], 다이아그리드(Diagrid)와 같은 비정형 구조 시스템에 적용하는^[6] 등 성능을 고도화 하는 방향과 내부 충전재를 각형강봉^[7]이나 폴리카보네이트 등 경량 재료로 대체하여^[8] 시공성을 개선하려는 방향으로 활발히 진행되고 있다^[9].

하지만 강관 내부에 콘크리트를 타설하는 전통적인 방식의 좌굴방지가새는 콘크리트 충전으로 인해 부재의 중량이 무겁고, 강관과 콘크리트로 심재가 완전히 둘러싸여 있어 지진 발생 후 심재의 손상 여부를 육안으로 확인하거나 보수하는 것이 거의 불가능하다는 한계점이 존재한다.

이러한 한계를 극복하기 위해, 콘크리트를 사용하지 않고 강재만으로 조립하는 강재조립형 좌굴방지가새에 대한 연구가 시도되고 있다. 그러나 기존 강재 조립형 좌굴방지가새 연구^[10] 또한, 이중 보강재를 볼트로 체결해 상세가 복잡하여 시공성이 저하되는 한계를 보였다. 보강재를 볼트로 체결하는 다소 복잡한 상세를 제안한 것과 달리, 본 연구는 단일 면외방향 구속재와 충진판을 활용하여 구조를 단순화함으로써 시공성과 유지보수성 및 내진성능을 더욱 향상시킨 실용적인 조립 상세를 제안하였다.

이에 따라, 본 연구는 제안된 조립형 좌굴방지가새의 내진성능을 실험을 통해 종합적으로 평가하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 심재 두께(10 mm, 12 mm)와 가력 프로토콜(BCJ-16, AISC 341-16)을 주요 변수로 정적가력실험을 수행하며, 실험 결과를 바탕으로 하중-변위 이력 특성, 에너지 소산 능력, KDS 및 AISC 내진 기준 만족 여부 등을 정량적으로 분석하여 제안된 시스템의 우수성과 실효성을 검증하고자 한다.

2. 면외방향 구속재

좌굴방지가새는 심재가 압축력을 받을 때 전체 좌굴(Global Buckling)이 발생하지 않고 안정적으로 항복할 수 있도록 구속재의 휨강성이 충분히 확보되어야 한다. 이를 위해 구속재의 탄성 좌굴 하중(P_cr)이 심재의 공칭 항복 하중(P_y)보다 커야 한다는 조건이 요구된다.

본 연구에서는 AISC 341-16에서 제시하는 기준^[11],[12]에 따라, 식 (2)와 같이 정의되는 구속비(ξ)가 1.5 이상이 되도록 Fig. 1과 같이 면외방향 구속재를 설계하였으며, 상기 식을 바탕으로 각 실험체에 적용된 면외방향 구속재의 구속비를 산정한 결과는 Table 1과 같다.

• 여기서, P_cr: 탄성 좌굴 하중
• 　　　  P_y: 공칭 항복 하중

Fig. 1.

Design of out-of-plane brace

Table 1.

Design properties of out-of-plane brace

각 실험체에 적용된 면외방향 구속재의 구속비가 최소 요구치인 1.5를 크게 상회하는 2.80 이상으로 나타나, 심재가 항복하는 동안 구속재는 좌굴 없이 안정적인 거동을 할 것으로 판단하였다.

3. 실험적 연구

3.1 SS275의 재료적 특성

좌굴방지가새에 사용된 SS275의 재료 특성을 파악하기 위해 ASTM E8/E8M-22^[13]에 따라 Fig. 2에 해당하는 각각의 금속재료 시험편(10 t, 12 t) 인장시험을 진행하였다. 인장시험에 따른 결과를 Fig. 3와 Table 2에 나타내었다.

Fig. 2.

Details of tensile coupon tests (unit: mm)

Fig. 3.

Stress-strain diagram

Table 2.

Results of tensile coupon tests

SS275-10 t의 항복강도(δ_y)는 320 MPa, 인장강도는(δ_u) 460 MPa, 연신율은 26 %로 나타냈다. SS275-12 t는 항복 및 인장강도 측면에서 SS275-10 t 보다는 약 1.01배, 또한 연신율 측면에서는 약 1.04배를 나타냈다.

3.2 좌굴방지가새의 구성요소

제안된 좌굴방지가새(BRB, Buckling-Restrained Brace)는 축력에 저항하며 지진 에너지를 소산 하는 심재(Steel Core)와, 심재가 압축력을 받을 때 좌굴이 발생하는 것을 억제하는 구속재(Restraining Member)로 기능이 분리된 가새이다. Fig. 4(a)와 같이 기존 콘크리트 충전형 시스템의 시공 및 유지보수 문제를 개선하기 위해, 각각의 부재를 고장력 볼트로 체결하는 조립형(Assembled System)으로 구성되었다.

Fig. 4.

Components of buckling-restrained brace

본 연구에서 사용된 좌굴방지가새의 구성은 Fig. 4(b)와 같으며, 강재 구속재와 충진판이 심재의 면외 좌굴을 억제한다. 또한, 심재와 구속재 사이에는 마찰을 최소화하고 독립적인 축 변형을 유도하기 위해 비접착층(Unbonding Layer)을 적용하였다.

이러한 볼트 조립 방식은 현장 시공을 용이하게 할 뿐만 아니라, 필요시 해체를 통해 심재의 손상 여부를 직접 확인하고 교체할 수 있어 유지보수성을 크게 향상시킨다.

3.3 실험체 설계

실험에 사용된 좌굴방지가새의 개념도는 Fig. 5와 같으며, Fig. 6는 각각 조립 전과 조립 후의 실험체를 나타내었다. 실험체의 주요 역학적 특성을 예측하기 위해 각 실험체의 항복하중(P_y), 초기강성(K), 항복변위(Δ_y)를 산정하였다.

Fig. 5.

Components of buckling-restrained brace (unit: mm)

Fig. 6.

Components of buckling-restrained brace

심재의 축 방향 항복 하중은 식 (3)을 통해 산정하였으며, 가새의 초기강성은 연결부, 전이부, 항복부의 강성을 직렬로 연결된 스프링으로 가정하여 식 (4)와 같이 계산하였다. 이를 바탕으로 항복 변위는 식 (5)를 통해 산정하였으며. 실험체의 설계 특성 값은 Table 3에 나타내었다. 실험체명에서 10과 12는 심재의 두께(mm)를, B와 A는 적용된 가력 프로토콜 BCJ-16과 AISC 341-16을 의미한다.

$\[ P_y=F_y{A}_{ys} \]$

(3)

• 여기서, F_y: 항복 강도
• 　　　  A_ys: 항복 단면적

$\[ K_{BRB}=\frac{1}{\frac{1}{K_c}+\frac{1}{K_t}+\frac{1}{K_y}+\frac{1}{K_s}} \]$

(4)

• 여기서, K_c: 연결 구간
• 　　　  K_y: 항복 구간
• 　　　  K_t: 전이 구간
• 　　　  K_s: 스토퍼 구간
• 　　　  K_BRB: 가새의 전체 초기 강성

$\[ {\text{Δ}}_y=\frac{P_y}{K} \]$

(5)

• 여기서, P_y: 항복 하중
• 　　　  K: 초기 강성

Table 3.

Design properties of the specimens

조립형 좌굴방지가새의 안정적인 이력 거동을 확인하고 심재 두께 및 가력 프로토콜이 내진성능에 미치는 영향을 평가하기 위해 Table 4와 같이 실험체를 설계하였다.

Table 4.

Details of BRB specimens

Table 4에서 L은 실험체의 길이, t는 실험체의 두께, A는 실험체의 단면적을 의미한다. 심재 두께를 주요 변수로 설정하여 각각 10 mm와 12 mm로 제작하였으며, 동일 제원(t=12 mm)의 실험체에 다른 가력 프로토콜(BCJ-16, AISC 341-16)을 적용하여 하중 이력에 따른 거동을 비교 분석하고자 하였다.

3.4 실험 방법

본 연구에서는 각 실험체의 이력 특성을 평가하기 위해 Fig. 7과 같이 유압식 액추에이터(Hydraulic actuator)를 사용하여 정적가력실험을 수행하였다. 실험체는 Fig. 8과 같이 반력 프레임에 수평으로 설치하였으며, 한쪽 단부는 고정하고 다른 한쪽 단부를 액추에이터에 연결하여 축 방향으로 반복 변위를 가하였다. 실험 동안 액추에이터에 내장된 로드셀과 변위계를 통해 하중 및 변위 데이터를 계측하였다.

Fig. 7.

Hydraulic actuator

Fig. 8.

Schematic drawing of the test setup

가력 프로토콜은 Fig. 9과 같이 좌굴방지가새의 성능 평가 기준으로 널리 사용되는 BCJ-16과 AISC 341-16을 적용하였다. 두 프로토콜 모두 초기 항복 변위를 기준으로 점증적으로 변위를 가하는 방식이지만, 비탄성 영역에서의 변위 스텝에 차이가 있다. BCJ-16은 심재의 변형률(Strain)을 기준으로, AISC 341-16은 설계 층간 변위(Δ_bm)를 기준으로 변위를 증폭시켜, 서로 다른 하중 이력에 따른 부재의 성능을 비교 평가할 수 있도록 하였다.

Fig. 9.

Loading protocol

4. 실험 결과

4.1 좌굴 및 파단 양상

Fig. 10은 실험종료 후 좌굴방지가새 실험체들의 상태를 나타내었다. 모든 실험체에서 심재의 국부 또는 전역 좌굴은 관찰되지 않았으며, 이는 면외방향 구속재가 좌굴을 효과적으로 억제했음을 입증한다. 모든 파단은 인장 하중 단계에서 스토퍼와 코어 항복 구간의 경계부에서 발생하였다.

Fig. 10.

Experimental results after tests

Fig. 10(a) BRB-10B은 4번째 Cycle (22.8 mm)에서 연성 거동을 동반하며 파단된 반면, Fig. 10(b) BRB-12B와 Fig. 10(c) BRB-12A는 2번째 Cycle (각각 15.2 mm, 14.0 mm)에서 연성 거동이 부족한 상태로 조기에 파단되었다.

이러한 파단 양상의 차이는, BRB-10B가 BRB-12B, BRB-12A 대비 더 많은 누적 소성 변형이 축적된 후 파괴에 이르렀음을 물리적으로 입증하는 결과이다.

4.2 정적가력실험 결과

각 실험체의 정적가력실험을 통해 얻은 주요 데이터 지표를 Table 5에 나타내었다. 실험 변수에 따른 성능을 비교해 보면, 심재 두께 12 mm를 적용한 BRB-12B, BRB-12A 실험체는 BRB-10B 대비 약 1.15배 높은 최대 압축 및 인장 하중과 약 1.25배 높은 항복 하중을 기록하여 강도 측면에서 더 우수하게 나타났다.

Table 5.

Experimental results of specimens

반면, 실험 시작 사이클부터 각 실험체가 최종 파단에 이르기 직전까지의 모든 이력 루프 면적을 합산하여 산정한 누적 에너지 소산량의 경우 BRB-10B가 109341 kN⦁mm로, BRB-12B, BRB-12A (각각 29984 kN⦁mm, 30422 kN⦁mm) 대비 약 3.6배 이상 높은 값을 보였다. 이러한 큰 에너지 소산량의 차이는 BRB-10B가 BRB-12B, BRB-12A 보다 더 큰 누적 소성 변형을 수용할 수 있는, 즉 더 우수한 연성 능력을 보유하고 있음을 나타낸다.

이는 심재 두께가 12 mm인 실험체들이 더 이른 시점에 파단된 파괴 양상 분석과도 일치하는 결과이며, 심재 두께가 증가함에 따라 부재의 강도는 향상되지만, 연성 및 에너지 소산 능력은 오히려 감소하는 상충관계가 발생함을 명확하게 보여준다.

4.3 압축강도 조정계수

국내 내진설계기준(KDS 41 17 00)^[14]은 AISC Seismic Provisions^[15]를 준용하여, 좌굴방지가새의 압축강도 조정계수(β)를 최대 인장 하중에 대한 최대 압축 하중의 비로 식 (6)과 같이 계산할 수 있다. 또한, 안정적인 이력 거동을 판단하기 위해, Cycle 별 β값이 1.3을 초과하지 않도록 규정하고 있다.

좌굴방지가새에서의 β값은 시스템의 안정성을 판단하는 핵심 지표로서, 만약 값이 1.3을 초과하게 되면, 이는 심재가 압축력을 받을 때 좌굴이 완벽히 억제되지 못했거나, 심재와 구속재 사이의 마찰력이 과도하게 발생하여 압축강도가 비정상적으로 증가했음을 의미한다.

이러한 불균형한 압축-인장 거동은 V형 가새 골조 등에서 보에 과도한 불균형 수직력을 유발하여, 보의 예기치 않은 소성 힌지 발생이나 접합부의 파괴를 초래할 수 있다. 실제로 C형강을 이용한 일부 선행 강재 조립형 좌굴방지가새 연구^[16]에서는 마찰의 영향으로 β 값이 KDS 기준인 1.3을 초과하여 불안정한 거동이 나타나기도 하였다.

이에 반해, Table 5와 Fig. 11에 나타난 바와 같이, 본 연구에서 제안된 실험체의 β값은 각각 1.084, 1.066, 1.078로 산정되었다. 이는 세 실험체 모두 KDS에서 요구하는 기준을 만족하는 것으로, 제안된 면외방향 구속 시스템이 심재의 좌굴을 효과적으로 방지하고 마찰의 영향을 최소화하여 인장과 압축에서 매우 안정적이고 균형 잡힌 이력 거동을 발휘했음을 의미한다.

$\[ \beta =\frac{\beta \omega F_{ysc}{A}_{sc}}{\omega F_{ysc}{A}_{sc}}=\frac{P_{\max }}{T_{\max }} \]$

(6)

• 여기서, F_ysc: 항복 구간 심재의 항복 강도
• 　　　  A_sc: 항복 구간 심재의 단면적
• 　　　  P_max: 최대 압축 하중
• 　　　  T_max: 최대 인장 하중

Fig. 11.

Compressive strength adjustment factor

4.4 하중-변위 이력곡선

Fig. 12의 하중-변위 이력곡선과 이로부터 추출한 Fig. 13의 골격곡선을 통해 각 실험체의 거동을 종합적으로 분석하였다.

Fig. 12.

Hysteresis curve through experiments

Fig. 13.

Skeleton curve of the specimens

BRB-10B는 Fig. 12에서 하중 재하 시 강성 저하가 두드러지는 핀칭 현상(Pinching effect)이 거의 관찰되지 않았으며, 넓고 안정적인 방추형 루프를 형성하였다. 이러한 핀칭 현상의 부재는, 일반적인 철골 가새가 압축 시 좌굴로 인해 내력이 급격히 저하되는 것^[17]과는 명확히 대비되는 결과이다. 이는 제안된 면외방향 구속재가 심재의 좌굴을 성공적으로 억제했음을 의미한다.

반면, BRB-12B와 BRB-12A는 Fig. 13의 골격곡선에서 명확히 나타나듯이, BRB-10B 대비 더 높은 초기 강성 및 최대 하중저항 특성을 보였다. 하지만 Fig. 12의 하중-변위 이력곡선에서는 루프 면적이 좁고 가력이 진행됨에 따라 조기 강성 저하가 일부 관찰되어, 소성 루프가 BRB-10B만큼 충분히 발달하지 못해 에너지 소산 능력은 제한적인 것으로 나타났다.

또한, BRB-12A는 BRB-12B와 유사한 하중저항 특성을 보였으나, AISC 가력 프로토콜의 영향으로 소폭 향상된 루프 유지력을 나타내어 반복성은 양호한 것으로 판단된다.

따라서 Fig. 12의 하중-변위 이력곡선은 10 mm 심재의 에너지 소산 우수성을, Fig. 13의 골격곡선은 12 mm 심재의 강도 우수성을, 명확히 보여주며, Table 5의 정량적 결과와 일치하는 것을 보여준다.

5. 결 론

본 연구에서는 기존 좌굴방지가새의 시공성 및 유지보수성을 개선하고자, SS275 강재와 면외방향 구속재를 사용한 조립형 좌굴방지가새를 제안하였다. 제안된 시스템의 내진성능을 검증하기 위해, 주요 변수인 심재 두께와 가력 프로토콜에 따른 정적가력실험을 수행하였다. 수행된 실험 결과를 바탕으로 하중-변위 이력 곡선, 파단 양상, KDS 및 AISC 내진 기준에 따른 압축강도 조정계수의 안정성 등을 면밀히 분석하였다. 또한, 심재 두께가 강도, 연성 및 에너지 소산 능력에 미치는 영향을 정량적으로 비교하여 상충관계를 규명하였으며, 이를 통해 다음과 같은 결론을 도출하였다.

• (1) 부재 실험 결과, 제안된 조립형 좌굴방지가새는 전역 좌굴이나 국부 좌굴 없이, 응력 집중부인 항복 구간과 전이 구간 사이에서 연성 파단이 발생하여, 제안된 구속 시스템이 심재의 좌굴을 효과적으로 억제하고 안정적인 이력 거동을 발휘함을 입증하였다.
• (2) BRB-10B는 BRB-12B, BRB-12A대비 최대 강도는 약 15% 낮았으나, 에너지 소산 능력은 약 3.6배 높아 연성 및 에너지 소산에 유리한 것으로 나타났다. 또한, 모든 실험체에서 압축강도 조정계수가 KDS 기준인 1.3 이하를 만족하였다. 심재 두께와 내진성능 간의 상충관계를 바탕으로, 향후 다양한 강종 및 단면 형상에 대한 최적 설계 변수 연구를 추가적으로 수행할 필요가 있다고 판단된다.
• (3) 동일한 12 mm 심재 두께를 가진 실험체(BRB-12B, BRB-12A)의 비교 결과, AISC 341-16 가력 프로토콜을 적용한 경우가 BCJ-16을 적용한 경우보다 소폭 향상된 이력 루프 유지력을 나타내었다. 이는 가력 프로토콜 또한 부재의 상세 성능 평가에 영향을 미치는 주요 변수임을 보여준다.
• (4) 실험을 통해 검증된 제안된 조립형 좌굴방지가새의 우수한 내진성능과 시공/유지보수 편의성은, 향후 신축 건물뿐만 아니라 기존 노후 건물의 내진 보강에도 효과적으로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. 특히 해체 및 재조립이 용이하다는 장점은 보강 부재의 점검 및 교체가 필요한 경우 큰 이점을 제공할 것으로 기대된다.

본 연구는 제안된 조립형 좌굴방지가새의 부재 수준 성능을 실험적으로 검증하는 데 중점을 두었다. 향후, 본 실험 결과를 바탕으로 보정된 해석 모델을 활용하여 비선형 시간이력해석을 수행하고, RC 골조 등에 적용 시 전체 구조 시스템의 내진성능 향상 효과를 추가로 검증할 필요가 있다고 판단된다.

Acknowledgments

이 논문은 2022년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임 (2022R1F1A1076048).

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