강철 에너지 소산 장치는 지진 설계에서 필수적이다. 이는 큰 비탄성 변형을 통해 에너지를 흡수하고 소산함으로써 강진 시 구조물의 변형을 감소시키는 데 도움을 주기 때문이다. 본 연구는 한국에서 국내 제조된 탄소강 SS275의 반복(사이클) 거동과 구성모델링에 대한 새로운 통찰을 제공한다. SS275는 지진 에너지 소산 용도로 특히 사용되는 재료이다. 기계적 반응을 특성화하기 위해 9개의 가공 시편(coupon)에 대해 단조 및 변형률 제어 반복하중 시험을 수행한다. 반복 시험은 ±0.5%에서 ±3.0%까지의 일정 변형률 진폭 조건에서 수행된다. 이러한 진폭에서 얻은 실험 변형률-수명(strain–life) 데이터를 이용하여 Coffin–Manson 매개변수를 결정하고, 반복 응력–변형률(cyclic stress–strain) 관계는 Ramberg–Osgood 방정식으로 정의한다. 또한 실험 결과로부터 Chaboche 비선형 경화 모델의 재료 매개변수를 추출하고, ABAQUS에서 시편 시험에 대한 유한요소 시뮬레이션을 통해 검증함으로써 측정된 반복 응답과의 높은 일치를 확인한다. 시편 수준의 분석에 이어, SS275 강으로 제작한 좌굴억제형 브레이스(BRB)에 대해 부재 규모 시험을 수행한다. 이후 보정된 Chaboche 매개변수를 BRB의 수치 시뮬레이션에 적용하고, 그 결과를 실험 데이터와 비교하여 지진 성능에 대한 모델의 예측 능력을 평가한다.

강철 슬릿 댐퍼(steel slit damper, SSD)는 지진 발생 시 구조물의 손상과 붕괴 가능성을 완화하기 위해 에너지를 흡수하고 분산하도록 특별히 설계되었다. 그러나 이러한 댐퍼의 효과는 마모, 부식 및 기타 형태의 재료 열화와 파괴 메커니즘으로 인해 저하된다. 따라서 설치된 구조물의 안전성과 신뢰성을 보장하기 위해서는 해당 장치의 상태를 지속적으로 모니터링하고 유지보수 및 수리를 수행하는 것이 중요하다. 이제 진동 기반 기법이 유망한 구조 건전성 모니터링(structural health monitoring, SHM) 전략으로 부상하고 있다. 이는 기능의 변화가 발생했는지 감지하고 진동을 분석하여 잠재적 문제를 규명하기 위한 방법론을 포함한다. 본 연구는 SHM에 사용되는 진동 기반 방법론의 최신 발전과 성과(돌파구)를 종합적으로 고찰한다. Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses(PRISMA 2020)를 사용하여, 강철 또는 강철 및 금속 표면용 슬릿 댐퍼의 유지관리와 모니터링을 향상시킬 가능성이 큰 몇 가지 핵심 기술과 기법을 확인하였다. 이러한 방법들의 장단점은 SSD의 모니터링에 적용 가능하도록 제시된다. 본 논문은 센서 기술, 모니터링 기법 및 응용 분야로의 SHM 발전을 보다 깊이 이해하기 위해 주요 연구자와 그에 상응하는 논의를 제시한다. 또한 본 논문은 다양한 모니터링 기술을 활용한 실제 적용 및 응용과 함께 SSD의 실시간 SHM을 위한 응용 및 기능 프레임워크를 검토하여 혁신을 촉진하고자 한다. 마지막으로, SSD에 대한 최적 센서 선택 기준, 데이터 수집 방법론, 실험 설정, 비교 분석을 포함하는 혁신적 접근, 그리고 제안된 SSD 유지보수 기준(standard)을 본 연구에서 설명한다.

디지털 이미지 상관법(Digital Image Correlation, DIC)은 스프레이 페인팅과 같은 전통적인 스펙클 패턴 적용 기법에서 발생하는 변동성과 일관성 문제로 인해 측정 정확도와 신뢰성에 영향을 받는 경우가 흔하다. 본 연구는 DIC에서 스펙클 패턴을 적용하기 위한 대안으로 필름 없는 워터 데칼(water decal) 방식을 평가하였다. SS275 구조용 강 시편에 대해 필름 없는 워터 데칼 방식과 전통적인 스프레이 페인팅을 모두 사용하여 스펙클 패턴을 제작하였다. 스펙클 패턴의 품질을 평가하였고, 인장시험을 통해 DIC에 대한 유효성을 검토한 다음 변형률 게이지(strain gauge) 측정 결과와 비교하였다. 필름 없는 워터 데칼 방식은 스펙클 패턴 적용에 대한 제어를 향상시켜 고품질이고 일관된 패턴을 제공하였다. 이 방식으로 얻은 변형률 측정값은 전통적 방법에서의 값과 밀접하게 일치하였으며, 이는 신뢰성을 확인해 준다. 필름 없는 워터 데칼 방식은 스프레이 페인팅에 대한 실용적이고 신뢰할 수 있는 대안으로서, 다양한 공학 및 과학 분야에서의 잠재적 적용 가능성과 함께 DIC 실험의 일관성과 정확도를 향상시킨다.

수동 에너지 소산 시스템 및 장치는 지진으로 인한 구조물 손상의 위험을 완화하는 데 도움이 된다. 금속 슬릿 댐퍼(Metallic slit dampers, MSDs)는 지진 에너지 유입을 감소시키는 데 있어 가장 효율적이면서도 비용 효율적인 해결책 중 하나이다. 연구가 진전되고 새로운 재료와 설계가 도입됨에 따라, 진동을 관리하고 구조물의 피로를 제한하는 데 있어 MSDs의 잠재적 중요성은 계속 증가하고 있다. 본 연구는 수치 시뮬레이션과 실험 결과의 평가를 결합하여 단일 플레이트 MSDs(Single-plate MSDs, SPMSDs)의 내진 성능을 평가하였다. ABAQUS 소프트웨어를 사용하여 엔드플레이트, 볼트 및 SPMSDs로 구성된 조립체를 구성하였다. ASCE/SEI 표준에 기반한 반복(사이클) 하중을 통해 실제 환경의 지진 시나리오를 시뮬레이션하였고, 변형률 게이지 및 LVDT와 같은 변위 측정 장치를 사용하여 SPMSDs의 거동을 기록하였다. 실험 결과는 SPMSDs의 적합성을 평가하고, 최소 및 최대 가해 힘으로 인해 최소 및 최대 변위가 발생하는 과정에서의 거동을 논의하는 데 활용하였다. 댐퍼의 에너지 소산 능력은 히스테리시스 루프의 면적, 등가 점성 감쇠, 감쇠비를 분석하고 비교함으로써 제시하였다. 실제 파손 양상을 확인하고 이를 제시하여 댐퍼의 한계와 잠재적 취약성을 설명하였다. 실험 데이터와 수치 시뮬레이션에서 기록된 최저 및 최대 힘 사이의 상대오차는 각각 SPMSD 1의 경우 4.4%에서 5.7% 범위, SPMSD 2의 경우 1.6%에서 2.1% 범위에 이른다. 이러한 편차 값은 만족스러운 수준의 정밀도를 나타내며, 반복 하중에 노출될 때 수치 시뮬레이션이 댐퍼의 실제 성능 및 거동을 정확히 예측함을 보여준다. 본 연구에서 수행한 위상 최적화는 최대 고려 지진(Maximum considered earthquake, MCER) 변위 ±33 mm에 적합한 SPMSD의 개선된 형상을 도출하였다. 또한 본 연구는 조사된 및 개선된 SPMSDs의 실용적 적용 가능성을 시사한다.

강철 에너지 소산 장치는 지진 설계에서 필수적이다. 이는 큰 비탄성 변형을 통해 에너지를 흡수하고 소산함으로써 강진 시 구조물의 변형을 감소시키는 데 도움을 주기 때문이다. 본 연구는 한국에서 국내 제조된 탄소강 SS275의 반복(사이클) 거동과 구성모델링에 대한 새로운 통찰을 제공한다. SS275는 지진 에너지 소산 용도로 특히 사용되는 재료이다. 기계적 반응을 특성화하기 위해 9개의 가공 시편(coupon)에 대해 단조 및 변형률 제어 반복하중 시험을 수행한다. 반복 시험은 ±0.5%에서 ±3.0%까지의 일정 변형률 진폭 조건에서 수행된다. 이러한 진폭에서 얻은 실험 변형률-수명(strain–life) 데이터를 이용하여 Coffin–Manson 매개변수를 결정하고, 반복 응력–변형률(cyclic stress–strain) 관계는 Ramberg–Osgood 방정식으로 정의한다. 또한 실험 결과로부터 Chaboche 비선형 경화 모델의 재료 매개변수를 추출하고, ABAQUS에서 시편 시험에 대한 유한요소 시뮬레이션을 통해 검증함으로써 측정된 반복 응답과의 높은 일치를 확인한다. 시편 수준의 분석에 이어, SS275 강으로 제작한 좌굴억제형 브레이스(BRB)에 대해 부재 규모 시험을 수행한다. 이후 보정된 Chaboche 매개변수를 BRB의 수치 시뮬레이션에 적용하고, 그 결과를 실험 데이터와 비교하여 지진 성능에 대한 모델의 예측 능력을 평가한다.

강철 슬릿 댐퍼(steel slit damper, SSD)는 지진 발생 시 구조물의 손상과 붕괴 가능성을 완화하기 위해 에너지를 흡수하고 분산하도록 특별히 설계되었다. 그러나 이러한 댐퍼의 효과는 마모, 부식 및 기타 형태의 재료 열화와 파괴 메커니즘으로 인해 저하된다. 따라서 설치된 구조물의 안전성과 신뢰성을 보장하기 위해서는 해당 장치의 상태를 지속적으로 모니터링하고 유지보수 및 수리를 수행하는 것이 중요하다. 이제 진동 기반 기법이 유망한 구조 건전성 모니터링(structural health monitoring, SHM) 전략으로 부상하고 있다. 이는 기능의 변화가 발생했는지 감지하고 진동을 분석하여 잠재적 문제를 규명하기 위한 방법론을 포함한다. 본 연구는 SHM에 사용되는 진동 기반 방법론의 최신 발전과 성과(돌파구)를 종합적으로 고찰한다. Preferred Reporting Items for Systematic Reviews and Meta-Analyses(PRISMA 2020)를 사용하여, 강철 또는 강철 및 금속 표면용 슬릿 댐퍼의 유지관리와 모니터링을 향상시킬 가능성이 큰 몇 가지 핵심 기술과 기법을 확인하였다. 이러한 방법들의 장단점은 SSD의 모니터링에 적용 가능하도록 제시된다. 본 논문은 센서 기술, 모니터링 기법 및 응용 분야로의 SHM 발전을 보다 깊이 이해하기 위해 주요 연구자와 그에 상응하는 논의를 제시한다. 또한 본 논문은 다양한 모니터링 기술을 활용한 실제 적용 및 응용과 함께 SSD의 실시간 SHM을 위한 응용 및 기능 프레임워크를 검토하여 혁신을 촉진하고자 한다. 마지막으로, SSD에 대한 최적 센서 선택 기준, 데이터 수집 방법론, 실험 설정, 비교 분석을 포함하는 혁신적 접근, 그리고 제안된 SSD 유지보수 기준(standard)을 본 연구에서 설명한다.

디지털 이미지 상관법(Digital Image Correlation, DIC)은 스프레이 페인팅과 같은 전통적인 스펙클 패턴 적용 기법에서 발생하는 변동성과 일관성 문제로 인해 측정 정확도와 신뢰성에 영향을 받는 경우가 흔하다. 본 연구는 DIC에서 스펙클 패턴을 적용하기 위한 대안으로 필름 없는 워터 데칼(water decal) 방식을 평가하였다. SS275 구조용 강 시편에 대해 필름 없는 워터 데칼 방식과 전통적인 스프레이 페인팅을 모두 사용하여 스펙클 패턴을 제작하였다. 스펙클 패턴의 품질을 평가하였고, 인장시험을 통해 DIC에 대한 유효성을 검토한 다음 변형률 게이지(strain gauge) 측정 결과와 비교하였다. 필름 없는 워터 데칼 방식은 스펙클 패턴 적용에 대한 제어를 향상시켜 고품질이고 일관된 패턴을 제공하였다. 이 방식으로 얻은 변형률 측정값은 전통적 방법에서의 값과 밀접하게 일치하였으며, 이는 신뢰성을 확인해 준다. 필름 없는 워터 데칼 방식은 스프레이 페인팅에 대한 실용적이고 신뢰할 수 있는 대안으로서, 다양한 공학 및 과학 분야에서의 잠재적 적용 가능성과 함께 DIC 실험의 일관성과 정확도를 향상시킨다.

수동 에너지 소산 시스템 및 장치는 지진으로 인한 구조물 손상의 위험을 완화하는 데 도움이 된다. 금속 슬릿 댐퍼(Metallic slit dampers, MSDs)는 지진 에너지 유입을 감소시키는 데 있어 가장 효율적이면서도 비용 효율적인 해결책 중 하나이다. 연구가 진전되고 새로운 재료와 설계가 도입됨에 따라, 진동을 관리하고 구조물의 피로를 제한하는 데 있어 MSDs의 잠재적 중요성은 계속 증가하고 있다. 본 연구는 수치 시뮬레이션과 실험 결과의 평가를 결합하여 단일 플레이트 MSDs(Single-plate MSDs, SPMSDs)의 내진 성능을 평가하였다. ABAQUS 소프트웨어를 사용하여 엔드플레이트, 볼트 및 SPMSDs로 구성된 조립체를 구성하였다. ASCE/SEI 표준에 기반한 반복(사이클) 하중을 통해 실제 환경의 지진 시나리오를 시뮬레이션하였고, 변형률 게이지 및 LVDT와 같은 변위 측정 장치를 사용하여 SPMSDs의 거동을 기록하였다. 실험 결과는 SPMSDs의 적합성을 평가하고, 최소 및 최대 가해 힘으로 인해 최소 및 최대 변위가 발생하는 과정에서의 거동을 논의하는 데 활용하였다. 댐퍼의 에너지 소산 능력은 히스테리시스 루프의 면적, 등가 점성 감쇠, 감쇠비를 분석하고 비교함으로써 제시하였다. 실제 파손 양상을 확인하고 이를 제시하여 댐퍼의 한계와 잠재적 취약성을 설명하였다. 실험 데이터와 수치 시뮬레이션에서 기록된 최저 및 최대 힘 사이의 상대오차는 각각 SPMSD 1의 경우 4.4%에서 5.7% 범위, SPMSD 2의 경우 1.6%에서 2.1% 범위에 이른다. 이러한 편차 값은 만족스러운 수준의 정밀도를 나타내며, 반복 하중에 노출될 때 수치 시뮬레이션이 댐퍼의 실제 성능 및 거동을 정확히 예측함을 보여준다. 본 연구에서 수행한 위상 최적화는 최대 고려 지진(Maximum considered earthquake, MCER) 변위 ±33 mm에 적합한 SPMSD의 개선된 형상을 도출하였다. 또한 본 연구는 조사된 및 개선된 SPMSDs의 실용적 적용 가능성을 시사한다.

구조물의 내진 설계는 구조물의 붕괴를 예방하고 인간의 생명을 보호하는 데 핵심적이다. 버클링 억제형 브레이스(Buckling-restrained braces, BRBs)는 높은 강성, 강도, 그리고 탁월한 에너지 흡수 능력으로 인해 효과적인 내진 보호 장치로 부상해 왔다. 일반적으로 기존의 BRB는 콘크리트로 채워진 강관으로 둘러싸인 강심(steel core)으로 구성되며, 분리 메커니즘이 강심의 축방향 변형(axial-only deformation)만을 보장한다. 그러나 최근 연구자들은 서로 다른 재료와 구성(configurations)을 통합하여 성능이 향상된 혁신적인 BRB 설계를 개발하는 데 점점 더 주목하고 있다. 본 논문은 지난 15년 동안 제안된 새로운 BRB의 개발에 대한 포괄적 분석을 제시한다. 체계적 문헌고찰 접근법을 채택하였으며, 선정된 논문들은 BRB 구성요소의 형상, 재료, 그리고 조성에 따라 분류하였다. 다수의 연구에서 탄소강이 광범위하게 사용되어 왔음에도 불구하고, 그 부식에 대한 취약성과 BRB의 히스테리시스 거동(hysteretic behavior)에 미칠 수 있는 영향은 아직 탐구되지 않았다. 이에 따라 향후 연구의 전망이 도출되었으며, 가혹한 환경 조건에서도 안정적인 내진 성능을 확보하기 위해 BRB 제작 시 부식 방지 재료를 적용하는 것의 중요성이 강조된다. 새로운 재료와 구성의 탐구는 더 견고하고 부식에 강한 BRB의 개발로 이어질 수 있으며, 그 결과 지진이 잦은 지역의 구조물 안전성과 내구성을 향상시킬 수 있다.