2.1 폴리우레탄 댐퍼 설계 상세

본 연구에서 제안하는 폴리우레탄 댐퍼는 우수하고 특수한 특성을 나타내는 폴리우레탄과 초탄성 형상기억합금 소재를 적용한 요소 부품으로 구성된 장치이다. 폴리우레탄은 일반 고무에 비해 우수한 강도 특성과 내마모성, 내충격성 등의 특성을 나타내는 재료이다^{(Choi et al., 2017)}. 또한, 높은 인성 대 밀도 비율 특성에 의해 압축시 일정 수준 내에서 영구 변형에 저항할 수 있는 우수한 탄성 특성을 나타낸다. 특히, 폴리우레탄의 가장 큰 특징은 압축 시 복원력이 증가하는 것이다. 폴리우레탄에 선행 압축이 작용하면 압축 변형에 따라 내력을 발생시켜 강체 거동에 의해 일정 수준의 원형으로 돌아가려는 복원 특성을 나타낸다^{(Ju and Hu, 2021)}. 초탄성 형상기억합금은 탄성 한계를 넘어 소성 변형이 발생해도 하중 제거만으로 원래의 형태로 돌아갈 수 있는 우수한 복원 특성과 내구성, 내후성 등의 특성을 나타내는 재료이다^{(Hu, 2015)}. 이러한 특성에 따라 폴리우레탄 댐퍼는 대표적으로 폴리우레탄을 실린더 형태의 압축 부품으로, 초탄성 형상기억합금을 와이어 형태의 인장 부품으로 핵심 부품이 구성된다. 주요 부품뿐만 아니라 기타 부품들도 폴리우레탄 댐퍼가 원활히 거동하도록 각각의 역할을 수행해야 한다.

폴리우레탄 댐퍼의 요소 부품 구성도는 Fig. 1과 같다. 기본적으로 폴리우레탄 댐퍼를 구성하는 각각의 요소 부품은 파손 시에 파손된 부품만 교체 가능하도록 설계된다. 폴리우레탄 댐퍼의 중앙에 위치한 슬라이딩 블록(Sliding block)은 구조물에 발생하는 진동 및 변위를 전달한다. 슬라이딩 블록에 의해 거동하는 고정판(Fixed Plate)은 폴리우레탄 실린더(Polyurethane cylinder)와 초탄성 형상기억합금 와이어가 압축 및 인장 거동을 하도록 제어하는 역할을 한다. 따라서 기본적으로 우수한 강도 저항 특성과 더불어 탄성 특성을 갖는 폴리우레탄 실린더와 복원 특성을 갖는 초탄성 형상기억합금 와이어는 각각 압축과 인장 거동에 의해 발생하는 진동 및 변위를 제어하고 에너지를 소산한다. 이러한 역할에 따른 성능 구현을 위해 기본적으로 폴리우레탄 실린더는 X축 양방향에 4개가 설치되고 초탄성 형상기억합금 와이어는 Y축 양방향에 4개가 설치된다. 폴리우레탄 실린더는 복원 특성 구현을 위한 선행 압축은 압축판(Compression plate)의 두께를 조절하여 적용한다. 또한, 샤프트(Shaft)는 폴리우레탄 실린더가 고정판과 압축판 사이에서 압축 시 탈락을 방지하고 정착시키는 역할을 한다. 초탄성 형상기억합금 와이어는 채널 플레이트(Channel plate)를 관통하여 고정판에 클램프(Clamp)로 정착시키며 인장 시 탈락을 방지한다. 여기서 초탄성 형상기억합금 와이어는 강재 와이어 대체시 잔류변위 발생에 의한 좌굴 방지를 위하여 바깥쪽에만 정착시켰다. 폴리우레탄 댐퍼는 최종적으로 부식 등의 외부 영향을 방지하기 위해 보호판(Protection Plate)으로 4면을 감싸며 채널 플레이트에 볼트 결합하여 완성한다.

Fig. 1. Schematic Drawing of Polyurethane Damper Components: (a) Components of Polyurethane Damper, (b) Assembly of Polyurethane Damper

2.2 폴리우레탄 댐퍼 거동 메커니즘

폴리우레탄 댐퍼는 가새 골조의 가새와 거셋플레이트의 사이에 적용된다. 지진 하중이 구조물에 전달되면 진동 및 변위가 발생하고 이에 따라 폴리우레탄 댐퍼는 Fig. 2와 같이 인장 및 압축 거동을 하게 된다. 구조물에 인장 방향으로 변위가 발생하면 폴리우레탄 댐퍼는 슬라이딩 블록이 인장 방향으로 거동하며 위쪽의 폴리우레탄 실린더는 압축되고 초탄성 형상기억합금 와이어는 위쪽으로 인장되며 폴리우레탄 댐퍼에는 인장 변위(${D}_{{T}}$)가 발생한다. 반대로 압축 방향으로 변위가 발생하면 폴리우레탄 댐퍼는 슬라이딩 블록이 압축 방향으로 거동하며 아래쪽의 폴리우레탄 실린더는 압축되고 초탄성 형상기억합금 와이어는 아래쪽으로 인장되며 폴리우레탄 댐퍼에는 압축 변위(${D}_{{C}}$)가 발생한다.

Fig. 3은 하중 작용에 따른 폴리우레탄 댐퍼의 하중-변위 거동 메커니즘을 나타낸다. 초탄성 형상기억합금 와이어는 하중에 의한 변위가 발생해도 상변위에 의해 복원되는 형상기억 효과와 소성 변형이 발생해도 상온에서 하중제거 만으로 원형으로 복원되는 초탄성 특성에 의해 깃발 모양의 초탄성 거동을 나타낸다. 초탄성 형상기억합금 와이어의 특성 비교군인 강재 와이어는 탄성 후 반복 하중에 의해 발생하는 변형률 경화로 소성 거동을 나타낸다. 폴리우레탄 실린더는 하중이 반복적으로 작용하면 잔류 변위가 발생하지만, 기본적으로는 탄성 거동을 나타낸다. 폴리우레탄 실린더에 선행 압축이 작용하면 기본적으로 초탄성 형상기억합금과 유사한 깃발 모양의 거동을 한다. 또한, 선행 압축력($F_{Pre}$)을 유지된 상태에서 거동을 시작하므로 잔류 변위가 복원된 탄성 거동을 한다. 따라서 폴리우레탄 댐퍼의 거동은 기본적으로 폴리우레탄의 탄성거동, 초탄성 형상기억합금의 초탄성 거동을 통합한 결과로 거동을 모사할 수 있으며 선행 압축이 적용되면 복원력이 추가된 이력 거동을 나타낸다.

Fig. 2. Tensile and Compression Behavior of Polyurethane Damper

Fig. 3. Behavior Mechanism of Polyurethane Damper

3.1 폴리우레탄 댐퍼 구조실험

폴리우레탄 댐퍼의 거동 특성을 검증하기 위해 수행되는 구조실험은 내진 성능 측면에서 하중 이력을 정당화할 수 있는 ATC-24 규격에 의거한 로딩 프로토콜을 설계하여 진행하였다^{(ATC-24, 1992)}. 로딩 프로토콜은 Fig. 4와 같이 단계적으로 증가하는 대칭적인 변위 주기로 구성된다. 하중 사이클은 총 시간 8,770초 동안 13개로 설정하였다. 또한, 로딩 프로토콜은 초탄성 형상기억합금의 탄성 변위 구간을 기준으로 설계되므로 구조실험을 위해 사용된 초탄성 형상기억합금은 길이가 300 mm이므로 탄성변위 구간인 1.20%는 3.60 mm이다. 따라서 탄성변위 구간을 기준으로 그 이하의 변위에서는 5번의 인장 압축이 반복되고 그 이후의 항복 변위($\sigma_{{y}}$)에서는 3.60 mm씩 증가하며 3회 인장 압축을 반복하는 갖는 두 사이클 그룹의 로딩 프로토콜로 설계하였다. 여기서 최종변위는 39.60 mm까지 거동하도록 설계하였으므로 초탄성 형상기억합금의 탄성거동, 소성거동, 경화거동 모두를 확인할 수 있다.

폴리우레탄 댐퍼의 구조실험은 설계 변수인 초탄성 형상기억합금과 강재 와이어 적용, 선행압축 크기에 따라 Table 1과 같이 총 6가지의 케이스로 구분하여 시험체를 제작하였다. 기본적으로 모든 시험체에는 4개의 폴리우레탄 스프링이 포함되어 있으므로 기본적으로 명칭에 Poly를 포함시켰다. 초탄성 형상기억합금 와이어를 적용한 폴리우레탄 댐퍼는 SPoly, 강재 와이어를 적용한 폴리우레탄 댐퍼는 Poly로 구분하였다. 또한, 선행압축의 크기는 0%, 10%, 20%로 10%씩 증가시켜 시편에 적용하였으며 각각 1~3으로 명칭에 포함하였다. Fig. 5는 폴리우레탄 댐퍼를 구성하는 요소 부품들의 시편이다. 각각의 요소 부품은 손상되면 부품만을 교체하도록 모듈화 제작하였으며 요소 부품을 결합하여 폴리우레탄 댐퍼 시험체를 완성하였다. 또한, 요소 부품은 Fig. 1에 나타낸 번호와 동일하게 표시하였다. 추가로 구조실험을 위하여 복합시험기기(Universal testing machine, UTM)에 부착되는 상부 및 하부 지그도 제작하였다. Fig. 6은 부품 시편들을 결합한 폴리우레탄 댐퍼의 시험체와 구조실험 전경이다. 폴리우레탄과 초탄성 형상기억합금을 제외한 나머지 강재는 SUS 304 스테인리스 스틸으로 제작하였다. 구조실험은 1,000 kN의 하중성능을 가진 복합시험기기를 활용하여 변위제어 방식으로 진행되었다. 구조실험은 ATC-24 규격에 의거하여 총 6가지의 케이스의 폴리우레탄 댐퍼에 대해 인장압축 반복 실험을 진행한다. 이를 통해 발생되는 최대 하중 저항 성능, 잔류 변위, 회복률, 에너지 소산 능력 등을 통해 각 케이스에 대한 폴리우레탄 댐퍼의 거동 특성울 분석하고 성능을 평가하고자 한다.

Fig. 4. Loading Protocol of Structural Test

Fig. 5. Component Specimens for Polyurethane Damper

Fig. 6. Test Specimen and Structural Test of Polyurethane Damper

3.2 폴리우레탄 댐퍼 구조실험 결과 분석

Fig. 7은 총 6가지의 케이스 폴리우레탄 댐퍼의 구조실험 결과를 나타낸 힘-변위 거동 응답 그래프이다. 구조실험은 1축 방향으로 인장압축 반복 실험을 수행하였으므로 거동응답의 1사분면에 인장거동이, 3사분면에 압축거동이 나타난다. 또한, 압축부분의 소재와 인장부분의 소재가 댐퍼에 상하 대칭적으로 배치되어 인장과 압축시 거동응답도 대칭적으로 형성되는 것을 확인할 수 있다. 대칭적으로 발생한 거동응답의 경향은 발생하는 하중이 강재 와이어를 적용한 Poly 댐퍼보다 초탄성 형상기억합금 와이어를 적용한 SPoly 댐퍼에서 더 크게 발생하는 것을 확인할 수 있다. 이는 초탄성 형상기억합금이 강재보다 하중 저항 성능이 더욱 우수하다는 것을 의미하며 폴리우레탄에 적용된 선행 압축량이 증가함에 따라서도 최대하중이 증가하는 것으로 나타내었으므로 선행압축 적용됨에 따라 하중 저항 성능이 우수한 것으로 판단할 수 있다. 또한, 거동응답의 경향은 하중뿐만 아니라 회복특성도 확인할 수 있다. Poly1 댐퍼와 SPoly1 댐퍼의 경우 폴리우레탄에 선행압축이 적용되어있지 않기 때문에 변위가 증가함에 따라 변위는 0 mm가 아니지만 힘이 0 kN으로 나타나는 현상이 발생한다. 이는 댐퍼에 발생한 잔류변위로 지진이 발생할 시 제대로 된 감쇠 역할을 원활하게 수행하지 못할 수 있다. 하지만 이를 제외한 다른 댐퍼에서는 폴리우레탄에 선행압축이 적용되어 잔류변위가 발생하지 않고 감쇠역할을 원활히 수행할 수 있을 것으로 기대된다.

Fig. 7. Response Behavior of Polyurethane Dampers: Poly1~Poly3, SPoly1~SPoly3

Table 2는 Poly1 댐퍼부터 SPoly3 댐퍼까지의 응답 거동에 대한 인장 최대 하중 성능(Maximum tensile force, $F_{Tens}$)과 압축 최대하중 성능(maximum compressive force, $F_{Comp}$)을 나타낸 표이다. 응답 거동에서 알 수 있듯이 초탄성 형상기억합금이 적용된 SPoly 댐퍼는 강재가 적용된 Poly 댐퍼보다 큰 하중 저항 성능을 나타내는 것을 확인할 수 있다. 선행압축이 0%인 두 개의 댐퍼를 비교해보면 인장 측과 압축 측에서 각각 29.34 kN, 33.96 kN의 차이가 발생하였고, 선행압축이 10%인 경우 각각 35.39 kN, 48.91 kN, 20%인 경우 각각 26.74 kN, 22.70 kN의 차이가 발생하여 초탄성 형상기억합금이 적용된 폴리우레탄 댐퍼의 우수성을 확인하였다. 이때, 폴리우레탄에 선행압축이 적용됨에 따라서도 하중 저항 성능이 상승하는 것을 확인할 수 있다. 강재가 적용된 댐퍼중에서 Poly1 댐퍼와 Poly3 댐퍼를 비교하면 최대 하중 저항 성능이 인장과 압축으로 각각 43.14 kN, 41.90 kN의 차이가 나타났고 초탄성 형상기억합금이 적용된 SPoly1 댐퍼와 SPoly3 댐퍼의 인장 및 압축 하중 저항 성능을 비교할 경우 각각 40.54 kN, 30.64 kN의 최대하중 차이가 발생하였다. 이는 폴리우레탄의 선행압축이 20% 차이가 있는 경우 최대하중 성능이 약 40.00 kN 정도 상승함을 의미하며 강재가 초탄성 형상기억합금으로 대체될 때 보다 큰 성능 차이를 나타낸다. 최대 하중 값이 가장 낮은 Poly1 댐퍼와 가장 높은 SPoly3 댐퍼를 비교해보면 83.82%나 상승된 결과로 초탄성 형상기억합금과 폴리우레탄 선행압축이 적용한 댐퍼의 우수성을 입증하였다.

Table 3은 구조실험 이후 초탄성 형상기억합금 및 일반 강재 시편에 발생한 잔류변위(Residual displacement, $\triangle D$)와 회복률(Recovery rate, $R$)을 나타내고 Fig. 8은 구조실험 이후의 잔류변위가 발생한 강재 및 초탄성 기억합금 와이어 시편이다. 회복률은 Eq. (1)로 표현할 수 있으며 $D_{\max}$는 최대변위인 39.60 mm, $\triangle D$ 는 시편에 발생한 잔류변위, $R$은 회복률을 의미한다. 이때, 회복률 $R$은 최대변위에서 잔류변위를 뺀 후 이를 최대변위로 나누어 100을 곱하여 나타낸다. Poly 댐퍼는 강재가 사용되어 잔류변위가 약 30.96 mm 이상 발생되었으며 이에 따라 회복률은 약 21.80% 정도의 상당히 많은 변형이 발생하였다. 하지만 SPoly 댐퍼는 초탄성 형상기억합금을 사용하여 잔류변위는 약 6.03 mm 가량 발생하고 회복률은 약 84.76% 이상으로 나타났으므로 잔류변위와 복원률 측면에서 우수한 성능을 나타냈다.

에너지 소산 능력(Energy dissipation capacity, $EDC$)은 지진과 같은 외부 하중이 구조물에 가해질 때 하중에 대한 응답을 줄이는 능력을 의미한다. 따라서 높은 용량의 에너지 소산 능력을 보유하는 댐퍼일수록 더욱 안전하고 성능이 우수한 댐퍼임을 의미한다. 폴리우레탄 댐퍼의 구조실험을 수행하여 도출된 에너지 소산 능력은 Table 4와 같다. Poly1~3 댐퍼와 SPoly1~3 댐퍼의 에너지 소산 능력을 비교해보면 폴리우레탄에 선행압축이 가해질수록 에너지 소산 양이 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이때, 선행압축이 0%에서 10%로 증가하면 에너지 소산 능력은 평균 약 3696.71 kN·mm가 증가하고 10%에서 20%로 증가할 경우 약 7545.09 kN·mm가 증가하는 것으로 나타났다. 이를 통해 폴리우레탄에 선행압축이 가해질수록 에너지 소산 능력은 비선형적 및 비약적으로 상승함을 확인하였고 선행압축의 유의미성을 검증하였다. 또한, Poly2 댐퍼의 경우 선행압축이 10% 적용되어 있음에도 선행압축이 적용되지 않은 SPoly1보다 에너지 소산 양이 적은 것을 확인할 수 있는데 이를 통해 에너지 소산 능력 측면에서 초탄성 형상기억합금의 우수성을 검증하였다.

Eq. (2)의 $ER$은 SPoly 댐퍼의 에너지소산 양에 대한 Poly 댐퍼의 에너지소산 양의 비율인 에너지 소산 비율이다. 여기서, $E_{Poly}$는 Poly 댐퍼의 에너지소산 양이며 $E_{SPoly}$는 SPoly 댐퍼의 에너지소산 양을 의미한다. 에너지 소산 비율은 같은 선행압축 양이 적용된 댐퍼에 대해서만 적용될수 있으며 선행압축이 0%인 경우 72.23%, 10%인 경우 82.37%, 20%인 경우 82.95%로 나타났다. 선행압축 양이 증가할수록 에너지 소산 비율도 증가하는 것을 확인할 수 있다. 이는 선행압축 양이 증가함에 따라 절대적인 에너지 소산 양은 증가하지만 초탄성 형상기억합금과 일반 강재의 에너지 소산 양 차이는 일정하기 때문으로 판단된다.

Fig. 8. Residual Displacement of SSMA and Steel Wire: (a) Residual Displacement of Steel Wire, (b) Residual Displacement of SSMA Wire