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  1. 정회원 ․ 인천대학교 건설환경공학과 박사과정 (Incheon National University ․ agiko0@inu.ac.kr)
  2. 정회원 ․ 인천대학교 산학협력단 연구원, 인천방재연구센터 연구교수 (Incheon National University ․ channy0409@inu.ac.kr)
  3. 정회원 ․ 교신저자 ․ 인천대학교 도시환경공학부 정교수 인천방재연구센터 센터장 (Corresponding Author ․ Incheon National University ․ jongp24@inu.ac.kr)



댐퍼, 초탄성 형상기억합금, 선행 인장, 장수명
Damper, SSMA, Pretension, Long-lasting

1. 서 론

최근 규모 7.8의 튀르키예·시리아 대지진과 같이 세계적으로 큰 피해를 동반하는 강진이 빈발하고 있다. 우리나라도 2016년 경주와 2017년 포항에서 발생한 규모 5.0 이상의 지진으로 인해 지진은 사회적 이슈로 대두되고 있다. 따라서 지진 안전에 대한 경각심을 고취하기 위해 관련된 정책, 법률들이 강화되었다. 이러한 지진은 일반적으로 한 차례의 본진으로 끝나지 않고 수많은 여진을 동반한다. 구조물은 한 번의 본진을 버티더라도 내부의 부재가 항복하면 이후의 여진으로 인해 파괴될 가능성이 농후하다. 또한, 구조물의 파괴로 인한 1차 피해는 수도관 파괴, 통신 불능과 같은 2차 피해를 초래하여 더욱 큰 피해가 발생한다. 따라서, 지진에 의한 피해를 저감하기 위해 구조물에 내진 성능을 확보하기 위한 다수의 연구가 수행되고 있다(Paronesso and Lignos, 2021; Ghabussi et al., 2020; Bagheri et al., 2015).

구조물의 내진 성능을 확보하기 위해서는 부재를 단단하거나 두껍게 만드는 내진구조, 구조물의 고유 진동수를 변동시키는 면진구조, 댐퍼 같은 장치를 장착함으로써 구조물에 가해지는 지진에너지를 소산시킬 수 있는 제진구조 등의 설계방식을 적용한다(Cho and Hu, 2021; Kim et al., 2023). 하지만 내진구조는 비경제적인 과다설계가 되기 쉬우며 면진구조는 설계가 상당히 까다롭다는 단점이 있다. 따라서 본 연구에서는 간단하게 장치를 설치하여 내진 성능을 확보할 수 있고 장치에 손상이 발생해도 간단히 부품만을 교체하면 지속적으로 사용이 가능한 제진구조의 핵심장치인 댐퍼에 대한 연구를 진행한다. 제진구조에 사용되는 댐퍼는 일반적으로 재료의 항복 이후 소성 특성에 의해 에너지 소산을 활용하는 강재댐퍼, 마찰을 활용하여 에너지를 소산하는 마찰댐퍼, 유체의 마찰과 점성의 특성을 활용하는 점성댐퍼 등 다양한 종류의 댐퍼가 개발되고 있다. 최근에는 재료 기술의 발전으로 댐퍼에 고성능·다기능의 새로운 재료를 적용하고자 하는 연구가 지속되고 있으며, 대표적으로 초탄성 형상기억합금(Superelastic shape memory alloy, SSMA)과 같이 원형복원이 가능한 재료를 활용한 연구가 수행되고 있다(Ghaedi et al., 2021; Ban et al., 2020). Qian et al.(2013)은 SSMA를 와이어 형태로 가공하여 에너지 소산 시스템으로써 실험적인 평가를 진행하였다. Choi et al.(2023)은 SSMA를 링형태로 가공한 댐퍼를 제안하고 이에 대한 대조군인 강철 링과 함께 실험, 유한요소해석을 통해 감쇠능력을 평가하였다. Mirzai et al.(2021)은 SSMA와 폴리우레탄 재료를 활용한 혁신적인 스마트 전단 댐퍼를 제안하고 실험을 통한 성능 평가연구를 수행하였다.

본 연구에서는 원형복원 특성을 갖는 SSMA를 활용하여 반영구적으로 사용할 수 있는 새로운 구조의 장수명 댐퍼를 개발하고 유한요소 해석을 수행하여 거동 특성을 증명하고자 한다. 장수명 댐퍼의 SSMA는 와이어 형태로 가공하여 인장력만을 부담하도록 설계되며 하중 저항, 회복 및 에너지 소산 등의 특성을 향상하기 위해 긴장시켜 활용한다. 장수명 댐퍼의 거동 특성을 분석하기 위해 우선 SSMA 재료실험을 수행하여 물리적 특성을 확인하고 유한요소 해석에 적용하기 위해 재료적 거동을 이상화한다. 이후 작용하는 하중을 핵심 부품이 저항하도록 설계된 장수명 댐퍼의 설계를 진행한 후 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 활용하여 해석 모델을 완성한다. 또한, 재료 변동, SSMA 와이어 직경, 긴장력 유무에 의한 12가지 설계 변수를 선정하여 주기 하중에 대한 장수명 댐퍼의 응답 거동을 도출한다. 최종적으로 설계 변수에 의한 댐퍼의 응답 거동을 최대하중, 잔류변위, 에너지 소산 등의 특성을 분석하여 장수명 댐퍼에 대한 성능의 우수성을 입증하고자 한다.

2. 장수명 댐퍼의 특성

2.1 SSMA의 특성

본 연구에서 사용한 SSMA는 니켈(Ni, 50.7%)과 티타늄(Ti, 49.3%)으로 구성된 니티놀계의 합금이다. 일반적인 형상기억합금(Shape memory alloy, SMA)은 외부 하중에 의해 변형이 발생했을 때 고온 환경에서 변형 전의 형상으로 되돌아가는 형상기억 효과 특성을 나타낸다. 하지만 SSMA는 고온이 아닌 상온 환경에서도 형상기억 효과를 나타내는 초탄성 특성을 갖는 합금이다. 이러한 SSMA의 물리적 특성을 검증하고 장수명 댐퍼에 적용하기 위해 직경 3 mm의 와이어로 제작한 후 반복 인장실험을 진행하였다. 이때, SSMA는 이론적으로 길이의 약 8%까지 변형이 일어났을 때 완벽하게 원형복원이 가능하므로, 변형률 8%까지 3회 인장 반복을 진행하여 Fig. 1과 같이 응력-변형률 거동을 도출하였다. 반복 인장 하중이 작용하여도 발생된 소성변형을 복원하는 거동을 확인할 수 있으며 항복강도는 약 410 MPa로 강도 측면에서도 매우 우수한 것을 확인하였다. 이후 재료실험에 의한 SSMA의 거동을 유한요소해석 프로그램에 적용하기 위해 이상화하여 모사하였다.

Fig. 1. SSMA Wire Experiment Overview and Results
../../Resources/KSCE/Ksce.2024.44.1.0011/fig1.png

2.2 장수명 댐퍼 거동 메커니즘

본 연구에서는 원형복원 특성을 갖는 SSMA를 와이어 형태로 제작한 후 핵심 부품으로 활용하여 반영구적으로 지진에너지를 소산할 수 있는 장수명 댐퍼를 제안한다. 이때, SSMA 와이어에 긴장력을 적용하여 댐퍼 내부에서 와이어의 탈락을 방지하고 하중 저항, 회복 및 에너지 소산 등의 특성을 향상시켜 지진하중에 의해 구조물에 발생하는 변위를 제어하고 댐퍼 부품 및 구조물 부재에 발생하는 영구변형을 줄일 수 있다. Fig. 2는 장수명 댐퍼가 프레임 구조물에 설치된 모습과 변위에 의한 장수명 댐퍼의 거동을 나타낸다. 프레임 구조물의 좌측으로 압축하중이 작용하면 장수명 댐퍼에는 ΔC만큼의 변위가 발생하고 우측으로 인장하중이 작용하면 ΔT만큼의 변위가 발생한다. 하지만 변위가 발생하여도 SSMA 와이어의 형상기억 효과에 의해 댐퍼에는 회복 특성이 부여되고 구조물의 변위 및 영구변형을 제어할 수 있다. 따라서 구조물과 댐퍼를 반영구적으로 사용할 수 있고 댐퍼에 파손이 발생하여도 부품만을 교체함으로써 유지보수가 편리하여 경제적인 효과를 나타낼 수 있다.

Fig. 2. Behavior Mechanism of Inventional Long-lasting Damper
../../Resources/KSCE/Ksce.2024.44.1.0011/fig2.png

3. 장수명 댐퍼의 유한요소해석

3.1 장수명 댐퍼의 설계

Fig. 3는 장수명 댐퍼의 조립도이다. 댐퍼의 몸체를 이루는 Inside Body와 Outside Body에는 SSMA Wire가 관통할 수 있는 4개의 구멍이 형성된다. 또한, Inside Body의 가운데에는 하나의 판이 형성되고, Outside Body에 형성된 두 개의 ㄷ자형 판 사이에 삽입되어 댐퍼가 인장 및 압축 거동하는 동안 댐퍼의 비틀림을 방지한다. 핵심 부품인 SSMA Wire는 총 4개로 구성되어 Inside 및 Outside Body에 의해 인장 거동만을 나타내며 장수명 댐퍼에 전달되는 하중을 모두 부담한다. 따라서 지진에 의해 발생한 에너지를 충분하게 소산하고 변위를 제어하며 재료 특성에 의해 댐퍼에 복원 특성을 제공한다. Fix Bar는 Inside Body와 Outside Body 사이에 위치하고 Cover에 고정된다. 또한, SSMA Wire에 긴장력을 적용하거나 지진하중이 발생하였을 때 Inside Body가 필요 이상으로 Outside Body 안으로 삽입되어 부재가 휘는 것을 방지한다. Moving Plate 중 상단의 Moving Plate는 프레임 구조물의 보 중앙부에 연결이 되며 하부의 Moving Plate는 가새 부재에 연결되는 Gusset Plate와 접합된다. 따라서 지진하중이 발생하였을 때 구조물의 좌측으로 변위가 발생하면 Moving Plate가 Inside Body를 움직이도록 함으로써 장수명 댐퍼에 변위를 발생시키고 구조물의 오른쪽으로 변위가 발생하면 Outside Body를 움직이도록 함으로써 장수명 댐퍼에 변위를 발생시킨다. Cover와 Bottom Cover는 장수명 댐퍼에 외부 환경으로부터 이물질이 혼입되는 것을 방지하여 SSMA Wire를 포함한 내부 부품을 보호한다.

Fig. 3. Assembly Diagram of Inventional Long-lasting Damper
../../Resources/KSCE/Ksce.2024.44.1.0011/fig3.png

Table 1은 장수명 댐퍼의 설계 변수에 따라 구분한 Case ID이다. 본 연구에서는 장수명 댐퍼의 우수성을 입증하기 위해 2가지 재료, 긴장력 유무, 3가지 와이어 직경의 총 12가지 설계 변수를 적용하여 댐퍼에 대한 유한요소해석을 진행한다. 재료는 SSMA와 일반 구조용 강재인 Gr.50 강재를 사용한다. 긴장력의 경우 SSMA가 회복 경향을 나타내는 시점에서의 변위를 산정하여 동일한 변위 크기만큼 적용한다. 본 연구에서 설계된 와이어의 길이는 485 mm이므로 1.89 mm만큼 긴장시킨다. 와이어 직경의 경우 10 mm, 15 mm, 20 mm로 설정하였다. 이러한 설계 변수에 맞춰 SSMA가 적용된 댐퍼들은 반영구적인 수명을 갖는 의미로 Inventional long-lasting damper(ILD)의 Case ID를 갖는다. 여기에 긴장력이 적용되면 Inventional long-lasting pretension damper(ILPD)의 Case ID를 갖고 Gr.50강재 와이어가 적용된 댐퍼는 SSMA의 대교군이라는 의미의 Conventional damper(CD)의 Case ID를 갖는다. 각 Case ID 뒤에 붙은 숫자 1, 2, 3은 각각 직경 10 mm, 20 mm, 30 mm의 와이어가 적용됐음을 의미한다. 예를 들어 20 mm의 SSMA wire에 긴장력이 적용된 댐퍼의 Case ID는 ILPD3이다.

Table 1. Classification of Inventional Long-lasting Damper Cases

Case ID

Description

CD1

10mm diameter Gr.50 wire 4EA

CD2

15mm diameter Gr.50 wire 4EA

CD3

20mm diameter Gr.50 wire 4EA

CPD1

10mm diameter Gr.50 wire 4EA + Pretension

CPD2

15mm diameter Gr.50 wire 4EA + Pretension

CPD3

20mm diameter Gr.50 wire 4EA + Pretension

ILD1

10mm diameter SSMA wire 4EA

ILD2

15mm diameter SSMA wire 4EA

ILD3

20mm diameter SSMA wire 4EA

ILPD1

10mm diameter SSMA wire 4EA + Pretension

ILPD2

15mm diameter SSMA wire 4EA + Pretension

ILPD3

20mm diameter SSMA wire 4EA + Pretension

3.2 장수명 댐퍼의 유한요소해석

Fig. 4는 ABAQUS 프로그램을 사용하여 장수명 댐퍼의 유한요소해석에 사용된 로딩 프로토콜과 유한요소해석 모델에 적용한 경계조건을 나타낸다. 유한요소해석 모델의 경계조건은 Fix Bar의 경우 모든 방향 움직임과 회전을 고정하였으며, Inside Body와 Outside Body는 1방향으로 움직일 수 있도록 X, Y방향에 대해 고정하였다. 로딩 프로토콜은 ATC-24 기준에 의거하여 설계되었으며 각 변위마다 3번씩 인장압축을 반복하며 Moving Plate에 적용된다(Krawinkler, 1992). 변위가 항복강도에 도달하기 전에는 6번의 인장압축을 반복하고 이후에는 항복 변위인 약 5 mm씩 증가하며 인장압축을 반복한다. 총 35 mm까지 인장압축을 진행하며 장수명 댐퍼의 다양한 거동을 파악한다. 이때, 변위가 증가함에 따른 거동 특성 분석을 원활히 하기 위해 5 mm(T1), 15 mm(T2), 25 mm(T3), 35 mm(T4)로 4개의 변위를 선택하였다.

Fig. 4. Loading Protocol and Boundary Condition Used of Finite Element Analysis: (a) Loading Protocol Used in Finite Element Analysis, (b) Bounday Conditions and Mesh of Infinite Life Damper
../../Resources/KSCE/Ksce.2024.44.1.0011/fig4.png

3.3 장수명 댐퍼 유한요소해석 결과

Fig. 5는 장수명 댐퍼의 유한요소해석으로 도출된 힘-변위 응답 결과를 나타낸 그래프이며 Table 2는 장수명 댐퍼의 최대하중을 인장, 압축별로 나타낸 표이다. 전체적인 거동에서 ILD와 ILPD들은 발생한 모든 변위를 회복하였음을 확인할 수 있고 CD와 CPD는 인장 측에서 한번 항복이 일어나고 이후 상당량의 잔류변위가 발생한 것을 확인할 수 있다. 발생하는 최대하중도 Gr.50 강재를 사용한 것보다 SSMA를 사용한 댐퍼가 더욱 커 하중 저항 특성 측면에서의 우수성을 확인할 수 있다. 긴장력이 적용된 경우 ILPD는 강도가 다소 상승하는 것을 확인할 수 있지만 CPD는 강재를 긴장하는 과정에서 재료가 항복하여 긴장력이 적용되지 않은 CD보다 강도 측면에서 불안정성을 나타냈다. 모든 댐퍼에서 직경 20 mm의 SSMA 와이어에 긴장력을 도입한 ILPD3이 -1067.1 kN으로 가장 큰 하중 저항 특성을 나타내었으며 직경 10 mm의 Gr.50 강재 와이어에 Pretension이 적용된 CPD1이 90.04 kN으로 가장 작은 하중 저항 특성을 나타내었다. 따라서, 기본적으로 SSMA가 Gr.50 강재보다 하중 저항 특성이 우수하다는 것을 확인하였으며, 직경이 증가하고 긴장력이 적용됨에 따라 하중 저항 특성이 증가하는 것을 확인하였다.

Fig. 5. Force-displacement Results of Inventional Long-lasting Damper: (a) CD1 and ILD1, (b) CD2 and ILD2, (c) CD3 and ILD3, (d) CPD1 and ILPD1, (e) CPD2 and ILPD2, (f) CPD3 and ILPD3
../../Resources/KSCE/Ksce.2024.44.1.0011/fig5.png
Table 2. Maximum Force of Inventional Long-lasting Damper

Case ID

Maximum tensile force(kN)

Maximum compressive force(kN)

Case ID

Maximum tensile force(kN)

Maximum compressive force(kN)

ILD1

243.2

-243.8

CD1

136.5

-125.0

ILD2

548.6

-547.8

CD2

238.2

-238.6

ILD3

946.6

-964.5

CD3

424.6

423.5

ILPD1

271.0

-269.5

CPD1

90.0

-98.4

ILPD2

595.2

-606.1

CPD2

224.5

-214.9

ILPD3

1035.7

-1067.1

CPD3

398.5

-399.9

Fig. 6는 장수명 댐퍼의 유한요소해석을 진행한 이후 도출한 힘-변위 응답 거동을 분석한 결과이다. Fig. 6(a)는 힘-변위 그래프에서 힘과 변위의 곱을 의미하는 폐합면적으로 표현되는 에너지 소산 특성을 나타낸다. 일반적으로 댐퍼라는 장치는 재료의 소성변형을 통해 지진에너지를 소산하지만 Gr.50 강재가 적용된 댐퍼는 SSMA가 적용된 댐퍼에 비해 에너지 소산 측면에서 상당히 낮은 특성을 나타냈다. Gr.50 강재가 적용된 댐퍼는 하중 저항 특성의 경향과 마찬가지로 긴장력이 적용된 댐퍼가 에너지 소산 특성이 더 낮아지는 것을 확인할 수 있다. 하지만 SSMA는 긴장력이 적용됨으로써 에너지 소산 특성이 향상되는 것을 확인할 수 있다. 가장 큰 에너지를 소산한 댐퍼는 172807.3 kN·mm의 에너지를 소산한 ILPD3이었으며 가장 작은 에너지를 소산한 댐퍼는 2988.4 kN·mm의 에너지를 소산한 CPD1이었다. 이는 약 58배의 차이로 SSMA의 우수성을 확연하게 나타내었다. Fig. 6(b)는 장수명 댐퍼에 발생한 잔류변위 경향을 Fig. 4(a) 로딩 프로토콜에 표시한 T1~4의 변위에 따라 나타낸 그림이다. 여기서 잔류변위는 인장 혹은 압축이 댐퍼에 발생한 다음 힘이 최초로 0 kN이 되었을 때의 변위 값을 의미한다. SSMA가 적용된 댐퍼들은 모든 변위에서 발생한 잔류변위를 0 mm로 전부 회복한 것을 확인할 수 있다. 하지만 Gr.50 강재가 적용된 댐퍼는 T4에서 평균 33.2 mm의 인장 잔류변위, 33.0 mm의 압축 잔류변위가 나타난 것을 확인하였다. 이는 T4인 35 mm에 대비하여 각각 94.9%, 94.3%만큼의 양이며 댐퍼에 상당한 잔류변위가 발생하여 파손된 것을 의미한다.

Fig. 7은 장수명 댐퍼에 대해 변위 T4인 35 mm일 때의 변형율 상태를 나타낸 그림이다. 응력을 0 MPa에서 1350 MPa까지 파란색, 초록, 노랑, 빨강 순으로 응력과 변형률이 증가함에 따라 나타내었다. 가장 높은 응력은 1350 MPa로 SSMA의 체결부위에서 나타났으며 SSMA 적용 댐퍼는 Gr.50 적용 댐퍼보다 같은 변위에서 많은 응력을 부담하는 것으로 확인되었다. Gr.50 와이어가 적용된 댐퍼들은 약 450 MPa 이하의 응력이 고르게 분포하고 있으며 이는 와이어의 항복강도인 345 MPa를 넘는 값이다. SSMA가 적용된 댐퍼는 응력이 골고루 분포하지 않는 것을 확인할 수 있고 Pretension이 적용되면서 부담하는 응력이 늘어가는 것을 확인할 수 있다. 하지만 이러한 응력이 발생하여도 잔류변위를 회복하고 에너지 소산 성능을 잃지 않은 응력 분포 결과에 따라 장수명 댐퍼의 우수성을 입증할 수 있었다.

Fig. 6. Finite Element Analysis Results of Inventional Long-lasting Damper: (a) Energy Dissipation, (b) Residual Displacement
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Fig. 7. Final Stress Contour of Inventional Long-lasting Damper
../../Resources/KSCE/Ksce.2024.44.1.0011/fig7.png

4. 결 론

본 연구에서는 소성변형의 특성을 이용하여 지진에너지를 소산하는 댐퍼가 피할 수 없는 수명적 한계를 개선하여 반영구적으로 사용하기 위해 SSMA를 활용한 장수명 댐퍼를 고안하고 유한요소해석을 수행하여 거동 특성을 분석하여 성능의 우수성을 입증하였다. 장수명 댐퍼는 SSMA를 사용함으로써 지진에 의해 발생하는 에너지를 우수하게 소산하고 댐퍼를 원형으로 복원시킬 수 있다. 이러한 성능을 추가적인 긴장력을 적용함으로써 증진시키고, SSMA Wire가 댐퍼에서 탈락되는 것을 방지하였다. 장수명 댐퍼의 거동 특성 분석을 위해 SSMA의 실험을 통한 재료의 거동 특성 확인, 장수명 댐퍼의 이론적 거동 메커니즘 정립, 상세설계, 유한요소해석, 응답 거동 결과 분석 연구를 수행하였다. 재료, 와이어의 직경, 긴장력 유무에 의한 총 12개의 설계 변수에 따라 댐퍼에 대한 유한요소해석을 진행하였고 힘-변위 응답 거동을 도출하였다. 응답 거동에 대하여 하중 저항, 에너지 소산, 복원 등의 특성을 분석하였고 도출된 결론은 다음과 같다.

본 연구의 해석결과 Gr.50 강재 적용 댐퍼보다 SSMA 적용 댐퍼가 하중 저항 특성이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 또한, 인장 방향에서 강재가 항복하여 압축 방향에서 에너지 소산 특성이 감소되는 것을 확인할 수 있다. SSMA 적용 댐퍼는 긴장력이 적용됨으로써 하중 저항 특성이 상당량 개선되는 것을 확인할 수 있고 Gr.50 강재 적용 댐퍼는 긴장력이 적용되는 과정에서 재료가 항복하여 오히려 하중 저항 특성이 감소되는 것을 확인할 수 있다. 이는 에너지 소산 특성에서도 마찬가지로 긴장력이 적용되면 SSMA 적용 댐퍼는 특성이 향상되고 Gr.50 강재 적용 댐퍼는 특성이 저하되는 것을 확인할 수 있다. 또한, 직경이 증가함에 따라 하중 저항과 에너지 소산 특성이 비약적으로 상승하는 것을 확인하였고 SSMA 적용 댐퍼에서는 발생한 변위를 전부 회복하여 잔류변위가 0 mm로 나타나므로 SSMA의 재료적 우수성을 입증하였다. 특히 다양한 설계 변수가 적용된 모델 중에서 직경 20 mm SSMA wire에 긴장력이 도입된 ILPD3의 모델이 하중 저항 1067.1 kN, 에너지 소산 172807.3 kN·mm의 값을 나타내므로 가장 우수한 특성을 갖는다.

본 연구에서는 제진구조로 활용되는 댐퍼장치의 수명을 연장하고자 하였으며 유한요소해석을 통해 이를 입증하였다. 추후 연구에서는 장수명 댐퍼에 대한 구조 실험을 진행하고 도출된 결과를 유한요소해석 결과와 비교 분석하여 구조적 성능을 검증할 예정이다. 또한, 새로운 복원재료에 대해 연구하여 장기적으로 사용할 수 있는 새로운 댐퍼에 대한 연구를 진행하고 실제 구조물에 대한 적용성을 검토하기 위해 장수명 댐퍼가 적용된 프레임 구조물에 실제 지진하중을 입력하여 비선형 수치해석을 통한 내진 성능 평가를 수행하고자 한다.

Acknowledgements

This research was supported by Basic Science Research Program through the National Research Foundation of Korea(NRF) funded by the Ministry of Education(grant number : RS-2023-00248140).

References

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