스마트 재료를 활용한 자동복원 마찰댐퍼의 내진성능평가 = Seismic performance evaluation of self-centering friction dampers using smart materials

국문 초록 (Abstract)

지진이 발생했을 때 구조물이 항복하게 되면 이후 이어지는 여진에 의해 구조물이 완전히 붕괴될 수 있다. 따라서 댐퍼와 같은 장치를 적용하는 제진구조, 구조물 골조, 기둥의 단면적을 넓히거나 강도가 강한 재료를 사용하는 내진구조, 지반과 구조물을 분리하는 면진구조 등의 내진설계를 적용하게 된다. 하지만 과거부터 우리나라는 해외에 대비하여 지진의 발생빈도와 규모가 낮아 지진에 대한 경각심이 현저히 낮은 상태였다. 때문에, 내진설계와 관련된 정부의 규제, 과학적 기술의 발전 정도가 심각한 수준으로 미흡하다. 때문에 2016년 경주와 2017년 포항에 잇따른 규모 5 이상의 지진이 발생했을 때 큰 물리적 피해가 발생하였다. 이러한 피해를 저감하기 위함과 부족한 대한민국의 제진구조의 과학적 발전을 위해 본 연구에서는 스마트 재료를 활용하여 자동복원 마찰댐퍼의 내진성능평가 연구를 수행하였다. 본 연구에서는 재료에 변형이 발생하여도 우수한 회복 메커니즘으로 변형을 복원시킬수 있는 폴리우레탄을 실린더 형태로, 초탄성 형상기억합금을 와이어 형태로 가공하여 댐퍼에 적용함으로써 자동복원 마찰댐퍼를 개발하였다. 이중 폴리우레탄에는 선행압축을 가함으로써 회복력을 증진하고자 하였으며 0%, 10%, 20%의 선행압축을 변수로 선택하였다. 초탄성 형상기억합금은 재료의 복원력을 확인하기 위해 스테인리스 와이어를 변수로 선택하였다. 이후 각 변수에 따른 재료실험을 진행하였으며 재료의 수치해석을 수행하고 구조실험을 위한 자동복원 마찰댐퍼의 상세설계를 진행하였다. 총 6가지의 자동복원 마찰댐퍼에 대해 구조실험을 진행하여 힘-변위 그래프를 도출하였다. 각 댐퍼의 특성을 분석한 후 이 결과를 OpenSEES 프로그램으로 수치해석을 진행하였다. 이후 이 댐퍼를 6층 골조 구조물의 가새에 적용하여 41개의 지진에 대한 수치해석을 진행하였다. 수치해석에 대한 결과로 층별 가속도, 지붕 변위, 밑면 전단력, 가새의 응력, 골조 구조물 내부 댐퍼의 힘-변위 그래프를 도출하여 분석하였다. 이를 통해 자동복원 마찰댐퍼의 우수성을 입증하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

If a structure surrenders during an earthquake, subsequent aftershocks may cause the structure to completely collapse. Therefore, seismic design is applied, such as a vibration isolation structure that uses devices such as dampers, a structure frame, an earthquake resistance structure that expands the cross-sectional area of the column or uses strong materials, and a seismic isolation structure that separates the ground from the structure. However, in the past, compared to other countries, the frequency and magnitude of earthquakes in Korea were low, so awareness of earthquakes was significantly low. For this reason, government regulations and the level of scientific and technological development related to earthquake-resistant design are seriously insufficient. Therefore, when earthquakes of magnitude 5 or greater occurred in Gyeongju in 2016 and Pohang in 2017, great physical damage occurred. In order to reduce this damage and to scientifically develop Korea's insufficient vibration control structure, this study conducted a study to evaluate the seismic performance of a self-restoring friction damper using smart materials.
In this study, a self-restoring friction damper was developed by processing polyurethane, which can restore deformation through an excellent recovery mechanism even when deformation occurs in the material, into a cylinder shape and superelastic shape memory alloy into a wire shape and applying it to the damper. Among these, we attempted to improve recovery by applying pre-compression to polyurethane, and pre-compression of 0%, 10%, and 20% was selected as variables. For the superelastic shape memory alloy, stainless steel wire was selected as a variable to check the resilience of the material. Afterwards, material tests were conducted for each variable, finite element analysis of the materials was performed, and detailed design of a self-restoring friction damper for structural tests was conducted. Structural experiments were conducted on a total of six self-restoring friction dampers to derive force-displacement graphs. After analyzing the characteristics of each damper, the results were subjected to finite element analysis using the OpenSEES program. Afterwards, this damper was applied to the braces of a 6-story frame structure and finite element analysis of 41 earthquakes was conducted. As a result of the finite element analysis, the acceleration by floor, roof displacement, bottom shear force, stress of braces, and force-displacement graph of the internal damper of the frame structure were derived and analyzed. Through this, the excellence of the self-restoring friction damper was proven.

목차 (Table of Contents)

• 국문 초록 ⅰ
• 목차 ⅲ
• 표 목차 ⅴ
• 그림 목차 ⅵ
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 목적 1
• 1.2 연구 범위 및 방법 2
• 제 2 장 지진대응 기술의 현황 5
• 2.1 지진대응 기술의 필요성 5
• 2.1.1 국내 지진의 피해 사례 5
• 2.1.2 국외 지진의 피해 사례 9
• 2.2 내진기술의 개념 및 방법 11
• 2.3 제진구조의 분류 및 특징 14
• 2.4 국내외 연구 동향 17
• 제 3 장 자동복원 마찰댐퍼 신소재의 실험 및 유한요소 해석 22
• 3.1 자동복원 마찰댐퍼의 요소기술의 거동특성 22
• 3.1.1 초탄성 형상기억합금의 이론적 특성 22
• 3.1.2 폴리우레탄 스프링의 이론적 특성 24
• 3.2 자동복원 마찰댐퍼의 재료실험 27
• 3.2.1 초탄성 형상기억합금의 재료실험 및 결과분석 29
• 3.2.2 폴리우레탄 스프링의 재료실험 및 결과분석 31
• 3.3 자동복원 마찰댐퍼의 재료 수치해석 34
• 3.3.1 스마트 재료의 수치해석 과정 35
• 3.3.2 자동복원 마찰댐퍼의 재료 수치해석 결과 43
• 제 4 장 자동복원 마찰댐퍼의 거동 47
• 4.1 자동복원 마찰댐퍼의 거동 특성 47
• 4.1.1 자동복원 마찰댐퍼의 설계 47
• 4.1.2 자동복원 마찰댐퍼의 매커니즘 51
• 4.2 자동복원 마찰댐퍼의 구조실험 54
• 4.2.1 구조실험 결과 분석 58
• 4.2.2 구조실험의 결과 비교 분석 64
• 제 5 장 자동복원 마찰댐퍼의 내진성능평가 66
• 5.1 자동복원 마찰댐퍼의 수치해석 모델 및 방법 66
• 5.1.1 댐퍼 및 골조 구조물의 수치해석 모델 66
• 5.1.2 댐퍼적용 골조 구조물의 비선형 시간이력 해석 77
• 5.1.3 댐퍼적용 골조 구조물의 수치해석 방법 80
• 5.2 자동복원 마찰댐퍼의 수치해석 결과 분석 86
• 5.2.1 층별 가속도의 결과 분석 87
• 5.2.2 댐퍼 힘-변위의 결과 분석 95
• 5.2.3 밑면 전단력-지붕변위의 결과 분석 103
• 5.2.4 가새 응력의 결과 분석 112
• 제 6 장 결론 120
• 참고문헌 123
• Abstract 130