셀프-센터링 마찰 댐퍼의 이력특성 및 복원 특성에 관한 실험적 연구

2.1 장치 개요

Fig. 1에는 셀프-센터링 마찰 댐퍼의 이미지를 나타내었으며, Table 1에는 각 부품의 개요를 나타냈다. 셀프-센터링 마찰 댐퍼는 기존의 마찰 댐퍼와 달리 경사각(θ)을 지닌다. 이를 통해 복원력을 생성한다. 하지만 마찰계수와의 관계에 따라 복원능력이 상실할 수 있다. 최대 정지마찰계수는 경사각의 tanθ와 마찰계수(μ)가 동일 할 때이며, 이의 경우 장치가 스스로 복원할 수 없으며, 장치가 거동하기 직전의 마찰계수라고 할 수 있다. tanθ > μ 관계에 따르게 될 경우 정지되어 있던 장치가 복원할 때 스스로 원점으로 회귀하게 된다. 이에 따라 변위 발생 이후의 장치에 발생할 수 있는 잔류변형의 문제점을 해결할 수 있다. Mid Slider와 양옆의 Side Slider의 상대 변위로 인해 생기는 마찰을 통해 에너지를 소산 시키며, Slider들의 경사각과 마찰계수의 관계에 따라 이력특성 및 복원력 특성이 상이하게 나타나게 된다. 스프링은 압축하중의 요소이며, 스프링의 용량에 따라 압축하중이 결정된다. 본 장치에 사용된 스프링의 강성은 536 N/mm이며, Screw Bolt를 통해 스프링을 고정하며, 선 압축량을 조절하였다. 장치의 변위 발생 시 수평력로 인해 장치에 발생하는 횡력을 저항하기 위해 Guide Pin을 설치하였으며, Guide Pin이 Ball Retainer 속에서 축 방향으로 거동하며, 횡력을 부담하게 된다. 이를 통해 스프링의 경우 횡력을 받지 않게 되며, 축 방향으로 원활히 거동할 수 있게끔 하였다. Displacement Control Plate는 스프링 하중으로 인해 발생 되는 처짐 방지 목적으로 설계되었으며, 본래의 장치는 옆면 전체로 구성되지만 본 실험에서는 장치의 거동을 확인하기 위해 적절한 폭으로 구성하였다. Slider를 제외한 모든 부품은 재사용하였다.

Fig. 1.

Self-centering friction damper image

Table 1.

Device components

2.2 장치의 이력특성 및 복원 특성

Fig. 2에는 장치의 수평 변위 발생 시 장치의 자유물체도를 나타내었으며, 수평 변위 발생 시의 수평력을 식 (1)^[7]에 나타냈다. Fig. 3에는 셀프-센터링 마찰 댐퍼의 이력특성 및 복원 특성을 나타내었다. 비선형적인 복원력과 마찰력으로 구성되며, 깃발형의 이력특성을 가지게 된다^[8]. 또한 수평 변위 발생 시 스프링의 추가적인 수축에 따라 추가적인 하중이 발생하며 이력에서 2차 강성이 발생하게 된다. 복원 특성은 경사각과 마찰계수의 관계에 따라 상이하게 나타나는데, tanθ < μ의 경우 음수의 복원력이 발생하며, tanθ = μ 의 경우에는 복원력이 0으로 수렴하게 된다. 이 두 경우에는 스스로 원점으로 회귀할 수 있는 능력이 상실하게 되며, 그에 따라 잔류변형의 문제점이 발생할 수 있다. 반면, tanθ > μ의 관계를 따를 때는 셀프-센터링 능력을 보유하게 되며, 잔류변형의 문제점을 보완할 수 있다. 즉, 경사각과 마찰계수 관계의 조정을 통해 원하는 이력을 결정할 수 있다.

• 여기서,
• 　 F_r= 복원력
• 　 F_f= 마찰력
• 　 W= 압축하중
• 　 x = 수평 변위
• 　 θ = 경사각
• 　 μ = 마찰계수

Fig. 2.

Device free body diagram

Fig. 3.

Hysteresis and restoration characteristics

3.1 실험체

실험체 정보를 Table 2에 나타내었다. 셀프-센터링 마찰 댐퍼의 경사각, 마찰계수, 강종에 따른 이력특성 및 복원 특성을 보고자 하였다. 또한 Mid, Side Slider의 강종별 마찰력에 대한 내구성 및 내마모성을 보고자 하였다. 저탄소강의 SS275 강재의 경우 탄소 함유량이 작아 열처리 공정이 불가하며 소착 및 마모의 발생 가능성이 큰 강재이다. 중탄소강 SM45C 강재와 고탄소강 STD11 강재의 경우 각각 질화 열처리 진공 열처리를 진행하여 경도 및 내마모성을 향상시켰다. 질화 열처리는 금속 표면에 질소를 확산시켜 표면에 질화물을 형성하며 표면 경도를 증가시키며 표면 열처리 방법이며, 진공 열처리는 밀폐된 용기 내에서 어느 압력수준까지 공기 배기 후 수행한다. 금속의 전체적인 기계적 성질과 경도를 증가시키는 열처리 방법이다. 장치의 마찰 면의 가공 방법은 상다듬질로 내마모성이 필요로 하는 미끄럼마찰 면으로 구성하였다. 15ﾟ 이상의 실험체에서는 장치의 부품들을 재사용하기 위해 마찰면의 최대변위를 ±25 mm로 설정하고 마찰면의 개수를 2배로 늘렸다.

Table 2.

Test subject

3.2 실험 세팅 및 계획

Fig. 4에는 장치의 조립 순서를 나타냈으며, 각 실험체는 실험 종료 후 해체를 하여 마찰 면의 상태를 확인하였고, Mid, Side Slider만을 교체 후 재조립하여 실험을 진행하였다. 장치의 세팅 후 토크렌치를 이용하여 Screw bolt를 5 mm 삽입하였으며, 스프링에 선 압축하중 91.12 kN을 주었다. 실험 세팅도를 Fig. 5에 나타내었다. 1축 방향의 반복 가력을 위해 UTM 시험기를 통해 성능 실험을 수행하였으며, 시험기의 최대용량은 1000 kN이다. KDS 41 17 00의 장치원형 시험 기준^[9]을 참고하여 장치의 최대변위에 따라 가력 프로토콜을 설정하였으며, Fig. 6에 나타내었다. 가력 속도는 6 mm/sec로 진행했다. 또한 반복 가력 이후 장치의 셀프-센터링 능력을 확인하기 위하여 최대변위에서 UTM 시험기의 하중을 0으로 설정하여 원점으로 스스로 복원하는지 확인하였다.

Fig. 4.

Device assembly procedure

Fig. 5.

Test setup

Fig. 6.

Loading protocol

4.1 이력특성

Fig. 7에는 SS275를 사용한 실험체의 이력을 나타내었다. 3ﾟ, 5ﾟ, 7ﾟ의 실험체 수평 변위 ±30 mm에서 소착 현상이 발생하였으며, 그에 따른 하중 증가와 불안정한 이력이 나타났다. 이는 소착으로 인해 마찰면이 거칠어졌으며, 마찰계수의 증가로 인한 것으로 판단된다. 10ﾟ의 실험체에서는 마찰면의 일부에만 소착이 발생하였으며, 소착 발생 직후 급격한 하중 증가가 이루어진 3ﾟ, 5ﾟ, 7ﾟ로 미루어 봤을 때 반복 가력을 더 진행 했다면 10ﾟ의 실험체에서도 하중 증가가 이루어졌을 것으로 판단된다. Fig. 8에는 SM45C, STD11를 사용한 실험체의 이력을 나타내었다. 마찰계수의 차이에 따른 이력의 변화를 보기 위해 한 번의 실험 진행 후 마찰면에 윤활제를 도포 하여 실험을 진행하여 각 실험체당 두 번의 실험을 진행하였다. SM45C를 사용한 실험체에서는 Cycle이 진행함에 따라 일정하게 하중이 증가하였다. 이는 질화 열처리로 인한 높은 초기 마찰계수 인해 마찰 면에 마모를 일으킨 것으로 판단 된다. 하지만 SS275 강재와 달리 소착 현상이 발생하지 않았으며, 가력 방향으로의 마모만 발생하였다. 이는 강종의 특성과 열처리에 따라 내마모성 및 내구성의 향상을 알 수 있었다. 윤활제를 도포한 실험체에서 모든 Cycle에서 동일한 이력을 보였으며, 이는 마찰계수가 감소함에 따라 마찰면의 손상이 발생하지 않았고, 안정적인 거동을 했음을 나타낸다. STD 11 강재의 실험체에서는 윤활제 도포의 여부와 관계없이 동일한 이력특성을 볼 수 있으며, 이는 가공면의 마찰계수과 윤활제를 도포한 마찰계수와 동일하다는 것을 알 수 있다.

Fig. 7.

SS275 Hysteric curve

Fig. 8.

SM45C, STD 11 Hysteric curve

4.2 마찰계수 및 복원특성

반복 가력에 따른 마찰계수의 변화를 보기 위해 양의 변위의 이력에서 수평 변위 11 mm의 첫 번째 Cycle에서의 마찰계수와 최대 수평 변위 마지막 Cycle에서의 마찰계수를 앞선 식 (1)에 스프링의 압축하중(W)과 각 실험체의 경사각(θ)을 대입하여 마찰계수를 도출해 Fig. 9에 나타내었다. 또한 초기 마찰계수 대비 증가한 비율을 Fig. 10에 나타내었다. SFDS-3, 5 ,7의 실험체에서 가장 마찰계수의 변화가 컸으며, 초기 마찰계수 대비 200 % 이상 증가한 것을 알 수 있다. 이는 소착으로 인해 마찰면이 거칠어져 변화가 크게 나타난 것으로 사료 된다. 질화 열처리를 하여 초기 마찰계수가 증가한 실험체에서는 10 %–27 %의 증가를 보였다. SS275를 사용한 실험체보다 표면 경도 및 내마모성이 강함을 알 수 있다. 윤활제를 도포한 실험체들과 STD11 강재를 사용한 실험체에서는 마찰계수의 변화가 거의 없음을 확인하였다.

Fig. 9.

Coefficient of friction

Fig. 10.

Coefficient of friction increase rate

각 실험체의 반복 가력 이후 장치의 셀프-센터링 능력을 Fig. 11에 나타내었다. 앞서 구한 마찰계수를 통해 Y축은 μ/tanθ로 구성하였고, 1 이하일 때 셀프-센터링 능력을 갖춘다. SS275 실험체 3ﾟ, 5ﾟ, 7ﾟ에서의 복원 특성은 tanθ < μ의 관계에 따라 음수의 복원력을 가진다. 10ﾟ는 tanθ = μ로 0에 수렴하는 복원력을 가지며. μ/tanθ는 1에서 수렴한다. 네 실험체 모두 스스로 원점으로 회귀할 수 없음을 경사각과 마찰계수의 관계를 통해 확인하였다. 이로 인해 장치는 지진 발생 시 잔류변형의 발생 가능성이 생길 것으로 사료 된다. 윤활제를 도포한 실험체에서 μ/tanθ는 1 이하의 값을 가지며, 전부 셀프-센터링 복원능력을 갖춘다. SFDT-20의 실험체 역시 이를 확인 할 수 있었다. 이는 이력에서 양의 복원력을 가짐을 통해서도 알 수 있으며, 실험을 통해서도 확인하였고, 잔류변형의 문제점을 해결할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 11.

Self-centering restoring properties

4.3 마찰면의 손상상태 및 볼 탈락

마찰면의 손상상태 및 볼 리테이너의 볼 탈락을 Fig. 12에 나타내었으며, Table 3에 정리하였다. SS275를 사용한 실험체에서만 볼의 탈락이 발생하였으며, 이는 소착으로 인한 이력이 불규칙적인 하중 증가와 불안정한 거동으로 인한 진동으로 인해 볼에 반복적인 횡력이 부담되어 탈락한 것으로 판단된다. SM45C 강재에서는 가력 방향으로의 마모가 발생하였으며, 윤활제를 도포한 실험체에서는 추가적인 마모가 발생하지 않았으며, 손상이 없었다. STD 11에서는 마찰 면의 손상이 발생하지 않았다. 손상이 없음에 따라 SFDT-20의 실험체에서는 일정한 이력이 나타났음을 알 수 있었다.

Fig. 12.

Friction surface damage

Table 3.

Friction surface damage and ball failure