실리콘 점성댐퍼가 적용된 케이블-도르래-베어링 복합 제진시스템의 실험적 성능 평가

1. 서 론

최근 경주와 포항 등에서 각각 규모 5.8, 5.4에 이르는 대규모 지진이 발생하면서 국내에서도 건축물의 내진성능 개선에 대한 관심이 크게 늘고 있다. 건축물의 내진성능을 확보하기 위해서 대표적으로 사용되는 방법은 크게 내진구조, 제진구조 그리고 면진구조이다^[1]. 이중 제진구조는 점성댐퍼, 마찰댐퍼, 강재이력댐퍼 등의 제진장치를 통하여 지진하중을 소산함으로써 건축물을 보호하는 방법이다^[2],[3]. 일반적으로 자동차, 선박 산업 분야에서 사용되는 점성댐퍼는 입력되는 변형에 의하여 발생하는 유체의 유동을 열에너지로 변화시켜 에너지를 소산한다. 이때 발생하는 감쇠력은 일반적으로 변형속도에 의해 선형/비선형적으로 변화하게 된다. 따라서 정적하중 상태에서는 탄성강성이 존재하지 않으며, 작동 후에도 제품에 손상이 발생하지 않아 반영구적으로 사용이 가능한 특성이 있다^[4]. 이를 활용하고자 건축·토목 분야에서도 점성댐퍼가 널리 사용되고 있으며^[5]-[7], 점성댐퍼 자체의 특성 및 적용된 감쇠시스템의 거동을 확인하기 위한 다양한 연구들도 함께 진행되고 있다^[8]-[11].

국내의 1988년 이전 준공된 건축물들은 대부분 내진설계가 반영되어 있지 않으며 내부 구조가 일괄적이지 않은 특징을 갖고 있다. 따라서 일반적인 내진보강공사가 힘들거나 기초공사를 필수적으로 수반하는 경우가 많아 공사비용이 매우 증가하는 단점이 있다. 더욱이, 더 높은 제진성능을 얻고자 토글구조(Fig. 1), 개방형구조 등^{[8],[10],[12],[13]}을 활용하여 변형을 증폭시킨 기존의 제진시스템 역시도 시스템 내부의 공차와 오차 때문에 설계보다 낮은 성능을 갖는 한계를 갖는다. 따라서 기존 건축물에 적용이 용이하고 기존보다 높은 제진 성능을 갖는 제진보강장치의 필요성이 대두되고 있다.

Fig. 1.

Toggle brace damper

본 연구에서는 제한적인 공간에서 높은 효율을 가질 수 있는 제진구조로서 높은 변형 증폭 성능을 보유한 케이블-도르래-베어링 복합 제진시스템을 개발했다. 본 논문에서는 제안된 제진시스템의 제진성능을 실험적으로 평가하고 베어링 설치에 따른 성능 변화를 확인했다.

2. 케이블-도르래-베어링 복합 제진시스템

제안된 제진시스템의 기본 작동 원리를 Fig. 2에 나타냈다. 해당 그림에서 확인해 볼 수 있는 바와 같이, 프레임 네 모서리에 설치된 도르래 그룹들은 각각 움직도르래(프레임 상단) 및 고정도르래(프레임 하단)로서 역할을 한다. 골조가 외부 하중에 의해 좌측으로 전단변형이 발생할 경우, Fig. 2의 a 방향 대각거리는 증가하게 되며, 반대로 b 방향 대각거리는 감소하게 된다. 이때, a 방향으로 증가된 대각거리만큼을 보상하기 위해 도르래가 작동하게 되며, 케이블이 이동한 변위만큼 케이블 단부에 연결된 댐퍼를 잡아당겨 제진시스템을 작동시키게 된다. 골조가 반대편으로 변형이 진행될 때에는 b 방향으로 설치된 케이블이 동일한 원리로 댐퍼를 잡아당겨 에너지를 소산시킨다. 이때, 댐퍼를 잡아당기는 케이블의 이동변위는 대각선 방향으로 감긴 케이블의 개수 n에 비례하여 증가한다. 즉 대각선 방향으로 감긴 케이블과 골조의 보가 이루는 각도가 θ이고, 골조의 전단변형에 의해 생기는 층간변위가 Δ일 경우, 본 감쇠시스템의 댐퍼로 입력되는 변위 δ는 식 (1)과 같이 나타낼 수 있다.

Fig. 2.

Working principle

식 (1)에서 살펴볼 수 있듯이, 층간변위 Δ 대비 n·cosθ배 만큼 댐퍼의 작동변위가 증폭되며, 해당 값은 본 제진시스템의 기대되는 이론적 증폭비를 의미한다. 또한 본 감쇠시스템에 사용된 감쇠장치는 속도의존성을 갖는 점성댐퍼이기 때문에 변위 증폭에 따라 입력되는 변형 속도도 증가하여 댐퍼의 저항하중이 추가로 증가하는 효과를 거둘 수 있다.

3. 실험계획

3.1 실험체 형상

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.

3.3 실험 셋업

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.

4. 실험결과

4.1 변위 증폭 메커니즘 분석 및 효과

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.

Table 1.

Amplification ratio

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.

4.2 댐퍼의 작동 속도 확인

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.

4.3 하중-변위 관계

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

Table 2.

Test results

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.

5. 결 론

본 논문에서는 기존에 제안된 케이블-도르래 감쇠시스템의 도르래와 핀 사이에 발생되는 마찰력을 최소화하고자 도르래 내부에 베어링을 설치한 케이블-도르래-베어링 복합 제진시스템을 제안하고 그에 대한 성능을 실험적으로 평가하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 도출하였다.

• (1) 베어링 도르래가 설치된 실험체(PWB-6SC-D0)의 경우, 케이블에 도입된 35 kN의 높은 초기 긴장력에도 불구하고 평균 23.2 kN의 낮은 골조 저항력을 나타냈다. 이를 통해 베어링 설치에 따른 마찰력의 영향이 급격히 줄어든 것을 확인해 볼 수 있었다.
• (2) 제안된 감쇠시스템의 댐퍼 변위 증폭량은 설치된 케이블의 탄성변형으로 인해 층간변위 2 %에서 이론값(5.14)보다 다소 감소된 4.38배의 성능을 나타냈다. 그러나 도르래가 작동하는 구간에서 확인된 댐퍼의 변위 증폭 비율은 이론값과 동일하여 본 제진시스템의 작동 메카니즘의 우수성을 확인할 수 있었다.
• (3) 제안된 감쇠시스템 내 속도의존형 감쇠장치의 작동속도를 확인한 결과, 설치된 케이블의 탄성변형에 의해 댐퍼의 작동 지연이 발생했음에도 불구하고 실제 댐퍼의 작동 최고속도가 이론값과 거의 동일하였다. 이 때문에 구조물의 저항력은 설치된 감쇠장치의 저항성능에 이론증폭비 5.14를 곱한 값만큼 정확하게 증가하는 경향을 나타냈다.

Acknowledgments

본 연구는 국토교통과학기술진흥원 국토교통기술촉진연구사업(19CTAP-C142466-02)과 행정안전부 재난안전 산업육성지원 사업(2019-MOIS32-017)의 도움을 받아 진행되었습니다.

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