[논문]납-플러그 면적비가 큰 LRB의 감쇠능력에 관한 실험적 연구

최정호; 김운학

납-플러그 면적비가 큰 LRB의 감쇠능력에 관한 실험적 연구
An Experimental Study on the Damping Capacity of Lead Rubber Bearing with High Lead-plug Area Ratio 원문보기

구조물진단학회지 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, v.13 no.3 = no.55, 2009년, pp.217 - 224

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지진으로부터 구조물의 안전을 확보하기 위하여 많은 공학자들의 연구가 계속되고 있다. 본 연구에서는 납의 이력특성을 이용하여 지진하중을 감소시키는 LRB(lead rubber bearing)의 감쇠능력에 대한 실험적 연구를 수행하였다. 납 플러그의 면적비를 주요변수로 설계한 2종류 12개의 시험체를 제작하여 변위제어시험을 시행하였다. 감쇠비 결정을 위한 이력감쇠곡선을 얻기 위하여 2개의 시험체가 한 쌍을 이루도록 배치하고 3회 반복이력시험을 수행하였다. 실험결과로부터 본 연구에서의 납 플러그 면적비가 큰 LRB는 지진시 구조물의 지진하중을 감소시키는데 충분한 감쇠비를 보유하고 있음을 알 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Many engineering researches are performed to ensuring structural safety from earthquake. In this study, the damping capacity of LRB(lead rubber bearing) with high lead-plug area ratio was examined by hysteresis loop from experiments. The displacement controlled tests were performed for 12 specimens designed in 2 types by lead-plug area ratio as main parameter. Each coupled specimens were tested by 3 times sinusoidal loads with different loading velocities. From the experimental results, LRB with high lead-plug area ratio has sufficient damping ratio for reducing horizontal seismic load to structures.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 지진발생시 교량의 수평지진력을 감소시키기 위한 목적으로 사용하는 LRB에 대한 반복재하 실험을 실시하였다. 이로부터 다음과 같은 결론을 얻었다.

제안 방법

사용하여 성능시험을 수행하였다. 납 플러그 면적비와 재하속도를 주요 변수로 한 시험체들의 실험 결과로부터 이력곡선을 작성하여 감쇠비를 구하고 이들 변수의 영향을 분석하였다.
더욱이 내진설계가 되지 않은 국내 공용중인 교량에 대하여 내진보강계획을 수립 .시행하고 있는 상황을 고려한다면 설계지진력 및 지진변위를 감소시킬 수 있는 방안에 관한 폭넓은 연구가 요구되고 있다.
즉납 플러그의 단면비율이 각각 13%, 15%에 해당하는 6개씩의 시험체를 제작하였으며, 하중 재하속도에 따른 특성변화를 관찰하기 위하여 최대변위 ± 100mm, 정현파(sinusoidal curve) 형태의 서로 다른 재하속도를 갖도록 변위제어(displacement control) 방식으로 실시하였다. 또한, 감쇠비 결정을 위한 이력 감쇠곡선을 얻기 위해서 2개의 시험체를 한 쌍으로 하는 이중전단 (double shear) 반복재하실험을 수행하였다.
본 연구에서는 일반적으로 적용된 LRB보다 큰 납 플러그 면적비를 갖는 LRB의 규격과 요구 특성을 결정하여 12개의 시험체를 제작하고, 1,000kN 용량의 Actuator를 사용하여 성능시험을 수행하였다. 납 플러그 면적비와 재하속도를 주요 변수로 한 시험체들의 실험 결과로부터 이력곡선을 작성하여 감쇠비를 구하고 이들 변수의 영향을 분석하였다.
9%의 순수한 납을 사용하였다. 시험체는 Table 1에 나타낸 바와 같이 시험체의 단면적에 대한 납 플러그의 단면적의 비율에 따라 크게 2-type으로 구분하였다. 즉납 플러그의 단면비율이 각각 13%, 15%에 해당하는 6개씩의 시험체를 제작하였으며, 하중 재하속도에 따른 특성변화를 관찰하기 위하여 최대변위 ± 100mm, 정현파(sinusoidal curve) 형태의 서로 다른 재하속도를 갖도록 변위제어(displacement control) 방식으로 실시하였다.
시험체는 Table 1에 나타낸 바와 같이 시험체의 단면적에 대한 납 플러그의 단면적의 비율에 따라 크게 2-type으로 구분하였다. 즉납 플러그의 단면비율이 각각 13%, 15%에 해당하는 6개씩의 시험체를 제작하였으며, 하중 재하속도에 따른 특성변화를 관찰하기 위하여 최대변위 ± 100mm, 정현파(sinusoidal curve) 형태의 서로 다른 재하속도를 갖도록 변위제어(displacement control) 방식으로 실시하였다. 또한, 감쇠비 결정을 위한 이력 감쇠곡선을 얻기 위해서 2개의 시험체를 한 쌍으로 하는 이중전단 (double shear) 반복재하실험을 수행하였다.
사용하였다. 최대변위의 폭은 고무패드 높이의 ±100%로 하여 3 싸이클의 반복하중을 가하였다.

대상 데이터

실험실의 평균 온도는 10'C이었으며, 탄성 고무의 전단탄성계수는 936kPa이고, 납 플러그는 99.9%의 순수한 납을 사용하였다. 시험체는 Table 1에 나타낸 바와 같이 시험체의 단면적에 대한 납 플러그의 단면적의 비율에 따라 크게 2-type으로 구분하였다.

성능/효과

1) 납 플러그 면적비 13%, 15%를 갖는 LRB 시험체들은 반복재하시험에 대하여 합리적인 형상의 이력 감쇠곡선을 나타내었으며, 이로부터 시험체들의 평균 등가감쇠비 28.4%를 얻음으로써 지진에너지 소산을 위한 댐퍼로서의 유효한 감쇠 성능을 검증할 수 있었다.
2) LRB를 기존 교량 및 신설 교량에 적용할 경우 하부구조로 전달되는 지진하중을 저감시키는데 효과적으로 사용할 수 있음을 알 수 있었다.
8 에 나타내었다. 반복루프가 진행 될수록 kd, Qd 및 keff 값의 감소가 발생하였으며, 3회차 반복에서는 2회차 반복에서의 변화율보다는 더욱 완만한 변화가 발생하는 경향을 보였다. Table 2는 각 시험체에 대한 특성값들의 3회 반복루프에 대한 평균값을 의미한다.
실험결과를 보면 시험체 LD-132와 LD-152의 경우에 가장 큰 감쇠비 29.8%과 31.2%를 나타내었으며, LD-151의 경우를 제외하고는 납 플러그의 면적 비율이 13%에서 15%로 증가함에 따라 감쇠비도 3%~4%정도 증가하는 경향을 보임을 알 수 있다. 이로 부터 본 연구에서의 납 댐퍼는 지진에너지 소산을 위한 충분한 감쇠능력을 가지고 있음을 알 수 있었다.
2%를 나타내었으며, LD-151의 경우를 제외하고는 납 플러그의 면적 비율이 13%에서 15%로 증가함에 따라 감쇠비도 3%~4%정도 증가하는 경향을 보임을 알 수 있다. 이로 부터 본 연구에서의 납 댐퍼는 지진에너지 소산을 위한 충분한 감쇠능력을 가지고 있음을 알 수 있었다. 즉, 감쇠효과로부터 가속도응답 및 변위응답의 감소, 밑면 전단력의 감소를 기대할 수 있으므로 우리나라와 같은 중약진 지역에서의 신설 교량의 내진설계, 또는 기존 교량의 내진보강에 효과적으로 적용될 수 있음을 알 수 있었다.
이로 부터 본 연구에서의 납 댐퍼는 지진에너지 소산을 위한 충분한 감쇠능력을 가지고 있음을 알 수 있었다. 즉, 감쇠효과로부터 가속도응답 및 변위응답의 감소, 밑면 전단력의 감소를 기대할 수 있으므로 우리나라와 같은 중약진 지역에서의 신설 교량의 내진설계, 또는 기존 교량의 내진보강에 효과적으로 적용될 수 있음을 알 수 있었다.

후속연구

특히 감쇠가 거의 없는 탄성받침이 적용되어 내진보강이 필요한 기존 교량의 경우 구조물의 손상을 최소화하며 짧은 시간 내에 시공할 수 있으므로 내진 성능개선을 위한 효과적인 대안이 될 수 있을 것으로 판단된다.

참고문헌 (8)

한국도로교통협회, 도로교설계기준, 2005
한국지진공학회, "도로교의 내진설계", 제6회 기술강습회, 2000
Clough, R. W. and Penzien J., "Dynamics of Structure", McGraw Hill. 1993
Chopra A. K., "Dynamics of Structures: Theory and Applications to Earthquake Engineering",Prentice Hall, 2001
Kelly, "Earthquake Resistant Design with Rubber",Springer, 1997
Skinner, Robinson, and McVerry, "An Introduction to Seismic Isolation", John Wiley & Sons, 1993
Priestley, M.J.N., Seible, F., and Calvi, G.M., "Seismic Design And Retrofit of Bridges", John Wiley & Sons, 1996
AASHTO, "Guide Specifications for SeismicIsolation Design". 1999

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