면외변형이 구속된 강재슬릿댐퍼시스템의 효율적인 설계범위에 관한 연구 : - = A Study on the Efficient Design Range for Out-of-Plane Restrained Steel Slit Damper System

국문 초록 (Abstract)

제진구조의 에너지 흡수 장치인 강재슬릿댐퍼는 제작 및 시공의 용이성으로 인해 널리 활용되지만, 스트럿의 형상비에 따라 면외변형이 발생하여 구조성능이 저하될 수 있는 한계가 존재한다. 또한, 국내에서는 이러한 현상을 포함한 제진시스템 전반에 대한 명확하고 정량적인 설계 지침이 부족하여, 설계자의 경험에 의존하는 실정이다. 이러한 문제를 해결하기 위해 강재슬릿댐퍼의 면외변형을 효과적으로 제어할 수 있는 면외변형구속 적용범위를 제시하고, 댐퍼요소와 서포트요소의 상호 거동 분석을 통해 시스템의 안정성과 효율성을 확보하기 위한 설계범위를 도출하고자 하였다. 이를 위해 면외변형구속 댐퍼를 대상으로 형상비 및 가력진폭에 대한 실험적 연구를 수행하여 구속 효과를 검증하고, 유한요소해석을 통하여 형상비에 따른 면외변형 발생시점을 분석하여, 실험과 해석결과를 종합하여 구속범위를 제안하였으며, 스터드형 제진시스템을 대상으로 탄성강성비 및 항복내력비에 기반한 효율적인 설계범위를 제안하였다.
강재슬릿댐퍼의 면외변형 구속 및 형상비 영향에 대한 연구 결과, 면외변형 구속은 변형 능력과 에너지 소산 능력을 높이는 데 효과적이며, 구속 효과는 가력 진폭에 비례하고 형상비에 반비례하는 뚜렷한 경향을 나타낸다. 다만, 형상비 4.0 이상인 댐퍼에서는 구속에 따른 성능 차이가 미미함이 확인되었다. 따라서 댐퍼의 목표 성능과 예상 변위 수준에 따라 면외변형 구속범위를 구분해 적용하는 이원화된 설계 방안이 적합하다. 경제성 확보를 목표로 할 때는 형상비 2.4 미만 댐퍼에 구속을 적용하는 게 효율적이며, 안전성 확보를 목표로 할 때는 형상비 4.0 미만 댐퍼에 구속을 적용하는 것이 효율적인 설계 범위로 판단된다.
댐퍼 시스템의 효율적인 설계 범위에 대한 해석적 연구 결과, 시스템의 안정성을 확보하기 위해 서포트요소가 댐퍼의 변형 경화로 인한 최대 내력 이후에도 탄성 상태를 유지하도록 항복내력비(서포트/댐퍼)를 6.0 이상으로 확보해야 함이 확인되었다. 또한, 댐퍼의 선행 항복 시점은 탄성강성비(Ks/Kd)를 통해 효과적으로 제어되는데, 구조물의 사용성 한계 이전에 안정적인 항복을 유도하고 경제성까지 고려할 때 탄성강성비를 4.0 이상으로 설계하는 것이 효율적이라 사료된다.

목차 (Table of Contents)

• 표 목 차 ⅳ
• 그 림 목 차 ⅴ
• 국 문 요 약 ⅵ
• Ⅰ. 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 내용 및 방법 2
• Ⅱ. 이론적 고찰 3
• 2.1 제진구조의 개념 3
• 2.2 강재이력댐퍼의 연구 동향 5
• 2.3 강재슬릿댐퍼에 관한 고찰 9
• 2.3.1 강재슬릿댐퍼의 이론 산정식 9
• 2.3.2 강재슬릿댐퍼의 한계점 11
• 2.4 면외변형을 구속한 댐퍼시스템 14
• 2.4.1 시스템 설계 및 구성요소 14
• 2.5 강재이력댐퍼의 성능평가 및 검증방법 16
• 2.5.1 누적에너지소산배율 16
• 2.5.2 피로곡선평가 18
• Ⅲ. 실험적 연구 20
• 3.1 실험 프로그램 21
• 3.1.1 실험 계획 21
• 3.1.2 실험 방법 24
• 3.2 실험 결과 26
• 3.2.1 재료 시험 결과 26
• 3.2.2 하중-변형각 관계 및 파괴모드 27
• 3.3 실험 결과 분석 32
• 3.3.1 하중-누적변형각 관계 32
• 3.3.2 에너지 소산 능력 평가 33
• 3.3.3 피로 성능 평가 40
• 3.4 구속 패널 효과를 고려한 임계 형상비 제안 42
• 3.4.1 구속 패널 적용범위 42
• Ⅳ. 해석적 연구 44
• 4.1 유한요소해석 모델링 45
• 4.1.1 해석 모델 구성 및 해석기법 45
• 4.1.2 재료모델 45
• 4.2 댐퍼 유닛 면외변형 구속효과 분석을 위한 해석 연구 47
• 4.2.1 해석 계획 및 방법 47
• 4.2.2 해석 결과 53
• 4.2.3 해석 결과 분석 58
• 4.2.4 구속 패널 적용범위 61
• 4.3 댐퍼와 서포트요소의 설계범위 제안을 위한 해석 연구 62
• 4.3.1 탄성강성비와 항복내력비에 따른 댐퍼시스템의 성능 62
• 4.3.2 해석 계획 및 방법 65
• 4.3.3 해석 결과 68
• 4.3.4 해석 결과 분석 71
• 4.3.5 구조물 적용을 위한 효율적인 설계 범위 제안 75
• Ⅴ. 결 론 76
• Ⅶ. 참 고 문 헌 78
• 영문요약 88