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문제 정의
- 시험에 사용한 고무시편은 시험조건별로 10개씩 총 240개의 고무시편을 시험하였으며, 시험결과는 각 조건별 고무시편의 시험결과를 평균한 값을 정리하여 나타내었다. 본 연구에서는 고무시편을 이용하여 고무소재의 의존특성에 대하여 알아보기 위해 변위의존성, 주파수의존성 그리고 온도의존성 시험을 실시하였다. 각 시험별 시험방법은 다음과 같다.
- 본 연구에서는 전단탄성계수가 서로 다른 고감쇠 고무와 동일한 고무소재로 제작한 고감쇠 고무받침(HDRB) 시험체의 전단특성 의존성실험을 실시하였다. 시험 후 측정값을 설계기준값과 비교하여 기준값과의 제작 및 성능오차를 비교 분석한 결과를 요약하면 다음과 같다.
- 고감쇠 고무는 다른 고무와 비교하여 고무의 기본특성인 변형 후 원래의 형태로 복귀하는 탄성과 더불어 변형에너지를 자체에서 소모하는 점성특성을 함께 보유하고 있기 때문에 고무받침에 적용할 경우 별도의 감쇠장치가 없이 고무자체로서 이용될 수 있다. 본 절에서는 지진격리받침의 일종인 고감쇠 고무받침에 적용되는 고무재료에 대하여 물성시험을 실시하고 적용고무의 의존특성에 대한 시험을 실시하여 결과를 비교 검토하였다.
- 이 시험은 ISO 22762에 따라 수행하였고, 동특성실험을 통하여 전단특성의 전단변형율 의존성, 온도 의존성, 주파수 의존성, 압축응력 의존성, 반복하중 의존성 등 고감쇠 고무받침의 의존특성을 파악하였다. 저경도 고감쇠 고무받침의 다양한 특성실험 결과를 통하여 시험체의 특성을 규명하고, 조건변화에 민감한 항목을 파악하여 제품의 설계치와 부합하기 위하여 설계시에 고려해야 할인자를 제시하고자 하였다.
제안 방법
- 50회 반복 재하 후 시험체를 반복재하 전의 온도로 냉각 하기 위해 상온에서 24시간 동안 방치한 후, 같은 조건에서 압축-전단실험을 다시 수행하였다. 실험 결과 HDRB 1은 약 4.
- 고감쇠 고무받침은 실제 교량구조물에서의 설계압축력에의하여 결정되어지는 사용한계상태와 지진에 의한 극한한계 상태 그리고 풍하중에 대한 저항 등에 대하여 만족하도록 설계하였다. 그리고 본 연구에서는 ISO 22762에 따라 시험체를 제작하였고 특성실험을 수행하였다.
- 고감쇠 고무받침의 수직강성을 얻고자 상온에서 시험체에 2개의 변위계를 설치하여 실험을 수행하였다. 실험에서 수직하중은 그림 9와 같이 설계하중 P0(면압 7.
- 고감쇠 고무받침의 전단변형율에 따른 등가전단강성과 등가감쇠비의 변화를 파악하기 위하여 다양한 전단변위에 대하여 압축-전단실험을 수행하였다. 실험은 상온에서 설계면 압이 유지되도록 수직하중을 일정하게 재하한 상태에서, 해당 전단변위가 발생하도록 0.
- 고감쇠 고무의 전단탄성계수(G)와 감쇠비에 대한 변위, 온도 및 주파수에 대한 의존성을 파악하기 위하여 그림 1과 같은 고무시험편과 시험장비를 이용하여 고감쇠 고무의 동특성 시험을 실시하였다. 동특성시험은 EPLEXOR 150N장비를 이용하였고, 고무재료의 동적특성을 비교하기 위하여 ISO 22762에서 제시하고 있는 표준시험체(STD)를 적용하여 특성시험을 실시하였다.
- 고감쇠 고무의 전단탄성계수(G)와 감쇠비에 대한 변위, 온도 및 주파수에 대한 의존성을 파악하기 위하여 그림 1과 같은 고무시험편과 시험장비를 이용하여 고감쇠 고무의 동특성 시험을 실시하였다. 동특성시험은 EPLEXOR 150N장비를 이용하였고, 고무재료의 동적특성을 비교하기 위하여 ISO 22762에서 제시하고 있는 표준시험체(STD)를 적용하여 특성시험을 실시하였다. 고무소재는 전단계수가 각각 G=0.
- 0 Hz로 증가시키는 방법으로 시험하였다. 마지막으로 온도 의존성 시험은 계절변화에 따른 극한온도 상태를 모사하여 -20℃,0℃, 20℃, 40℃온도범위에서 시험을 하였다. 상기의 시험 방법에 따라 전단계수와 감쇠비의 변화를 통해 고무소재의 의존특성을 파악하였다.
- 5 Hz의 정현파를 50회 반복 재하 하였다. 반복재하수 증가에 따른 각 사이클별 등가전단 강성과 등가감쇠비를 계산하여 전단특성치의 변화양상을 파악하였다. 반복하중에 의한 전단특성 변화를 온도상승에 의한 전단특성 변화와 구별하기 위하여, 시험체에 50회 반복하여 전단변위를 가한 후 하중을 가하기 전의 초기온도(initial preload temperature)로 냉각시켜 전단특성을 다시 측정하였다.
- 반복하중에 따른 등가전단강성과 등가감쇠비의 변화를 파악하기 위하여 반복재하 압축-전단실험을 수행하였다. 실험은 상온에서 설계면압이 유지되도록 수직하중을 일정하게 재하하고, 해당 설계전단변위로 0.
- 반복재하수 증가에 따른 각 사이클별 등가전단 강성과 등가감쇠비를 계산하여 전단특성치의 변화양상을 파악하였다. 반복하중에 의한 전단특성 변화를 온도상승에 의한 전단특성 변화와 구별하기 위하여, 시험체에 50회 반복하여 전단변위를 가한 후 하중을 가하기 전의 초기온도(initial preload temperature)로 냉각시켜 전단특성을 다시 측정하였다.
- 변위 의존성시험은 주파수와 온도를 일정하게 고정시킨 상태에서 변위를 5%~45%까지 각 5%씩 증가시키는 방법으로 시험하였다. 주파수 의존성시험은 변위와 온도를 일정하게 유지하고 주파수를 각각 0.
- 이에 따라 본 연구에서는 고감쇠 고무소재를 사용하여 시험체를 제작하고, 다양한 의존성 실험을 수행하였다. 본 실험에서는 전단특성 의존성 시험전에 모든 시험체에 대하여 압축특성시험과 전단특성시험 등의 기초특성시험을 실시한 후, 전단특성의 전단변형율 의존성, 압축응력 의존성, 주파수 의존성, 온도 의존성, 반복하중 의존성시험 등 총 5가지 항목에 대하여 실험을 수행하였다.
- 천연고무는 탁월한 탄성능력과 복원능력을 가지고 있어 지진격리받침에 폭넓게 이용되어 왔다. 본 연구에서 사용된 시험체 또한 천연고무의 고유성질에 고무자체의 탄성능력과 복원능력을 유지하고 에너지 흡수 능력을 증가시킨 고감쇠 고무(high damping rubber)를 사용하여 시험체를 제작하였다. 시험체의 크기는 동일하고 주된 구성성분은 천연고무이다.
- 본 연구에서는 고감쇠 고무(HDR)를 이용하여 동특성시험을 실시하고, 전단탄성계수가 각각 0.4 MPa, 0.8 MPa인 고무소재로 고감쇠 고무받침(HDRB) 시험체를 제작하였다. 제작된 고감쇠 고무받침의 내진성능을 파악하기 위하여 여러 특성 중 기본적인 압축특성 및 전단특성에 대하여 실험을 실시하고, 전단특성에 따른 환경적 변화 영향을 파악하기 위하여 동특성실험을 하였다.
- 본 연구에서는 전단강성과 등가감쇠비를 결정하기 위해 식 (6), (7)처럼 2회부터 11회까지의 평균값을 이용하여 고감쇠 고무받침의 전단강성과 등가감쇠비를 계산하였다.
- 상기의 규격에서는 지진으로부터 교량 혹은 건축구조물을 보호하고자 사용하는 적층고무받침형태의 지진격리장치에 대하여 시험방법과 설계 기준, 제품 검사 기준에 대하여 총 세부분으로 나누어 소개하고 있다. 상기의 설계조건과 시험평가기준에 따라 시험체를 제작하였으며, 시험체는 전단탄성계수(G)에 따라 크게 2가지 형태로 제작하여 시험하였다.
- 마지막으로 온도 의존성 시험은 계절변화에 따른 극한온도 상태를 모사하여 -20℃,0℃, 20℃, 40℃온도범위에서 시험을 하였다. 상기의 시험 방법에 따라 전단계수와 감쇠비의 변화를 통해 고무소재의 의존특성을 파악하였다.
- 5 MPa이 유지되도록 일정하게 수직하중을 재하하고, 설계전단변위가 발생하도록 해당 주파수의 정현파를 11회 반복재하 하였다. 실험 주파수는 0.005 Hz, 0.01 Hz, 0.1 Hz, 0.25 Hz, 0.5 Hz, 0.7 Hz 등으로 저주파수에서 고주파수 순서로 시험을 수행하였다. 본 실험에서는 시험장비의 속도 제약으로 인하여 0.
- 온도변화에 따른 등가전단강성과 등가감쇠비의 변화를 파악하기 위하여 다양한 온도에 대하여 압축-전단실험을 그림 16과 같이 수행하였다. 실험방법은 전단특성실험 방법과 동일한 조건으로 실시하였으며, 실험온도는 -20℃, 0℃, 23℃,40℃의 온도상태에서 수행하였다. 해당 온도에서 항온항습기 내에 3일간 보관한 시험체를 시험기에 장착하고, 시험기 주변에 항온챔버를 설치하였다.
- )를 얻기 위하여 전단특성 실험은 그림 10과 같이 수행하였다. 실험은 상온상태에서 설계면압 7.5 MPa이 유지되도록 수직하중을 일정하게 재하한 상태에서 0.5 Hz의 정현파로 전체 고무두께 50 mm를 설계전단변위로 산정하여 횡변위가 발생하도록 하는 방법으로 시험체에 총 11회 연속적으로 반복하여 2번째부터 11번째 이력곡선 각각을 평균하여 계산 하였다.
- 주파수에 따른 등가전단강성과 등가감쇠비의 변화를 파악 하기 위하여 다양한 주파수에 대하여 압축-전단실험을 수행 하였다. 실험은 상온상태에서 해당 설계면압 7.5 MPa이 유지되도록 일정하게 수직하중을 재하하고, 설계전단변위가 발생하도록 해당 주파수의 정현파를 11회 반복재하 하였다. 실험 주파수는 0.
- 실험은 상온상태에서 해당 설계면압이 유지되도록 일정하게 수직하중을 재하하고, 설계전단변위(γ=100%)가 발생하도록 0.5 Hz의 정현파를 11회 반복재하 하였다.
- 고감쇠 고무받침의 전단변형율에 따른 등가전단강성과 등가감쇠비의 변화를 파악하기 위하여 다양한 전단변위에 대하여 압축-전단실험을 수행하였다. 실험은 상온에서 설계면 압이 유지되도록 수직하중을 일정하게 재하한 상태에서, 해당 전단변위가 발생하도록 0.5 Hz의 정현파를 11회 반복재하 하였다. 전단변형률은 50%, 75%, 100%, 125%, 150%, 175%, 200%로 전단변형이 작은 시험부터 큰 시험 순서로 시험을 실시하였고, 반복횟수는 전단시험과 동일하다.
- 반복하중에 따른 등가전단강성과 등가감쇠비의 변화를 파악하기 위하여 반복재하 압축-전단실험을 수행하였다. 실험은 상온에서 설계면압이 유지되도록 수직하중을 일정하게 재하하고, 해당 설계전단변위로 0.5 Hz의 정현파를 50회 반복 재하 하였다. 반복재하수 증가에 따른 각 사이클별 등가전단 강성과 등가감쇠비를 계산하여 전단특성치의 변화양상을 파악하였다.
- 5 Hz의 정현파를 11회 반복재하 하였다. 실험은 설계면압 7.5 MPa의 0%, 50%, 100%, 150%, 200% 등에 해당하는 총 5가지의 면압에서 수행하였다.
- 압축응력에 따른 등가전단강성과 등가감쇠비의 의존성을 파악하기 위해 다양한 압축응력에 대하여 압축-전단실험을 수행하였다. 실험은 상온상태에서 해당 설계면압이 유지되도록 일정하게 수직하중을 재하하고, 설계전단변위(γ=100%)가 발생하도록 0.
- 제작된 고감쇠 고무받침의 내진성능을 파악하기 위하여 여러 특성 중 기본적인 압축특성 및 전단특성에 대하여 실험을 실시하고, 전단특성에 따른 환경적 변화 영향을 파악하기 위하여 동특성실험을 하였다. 이 시험은 ISO 22762에 따라 수행하였고, 동특성실험을 통하여 전단특성의 전단변형율 의존성, 온도 의존성, 주파수 의존성, 압축응력 의존성, 반복하중 의존성 등 고감쇠 고무받침의 의존특성을 파악하였다. 저경도 고감쇠 고무받침의 다양한 특성실험 결과를 통하여 시험체의 특성을 규명하고, 조건변화에 민감한 항목을 파악하여 제품의 설계치와 부합하기 위하여 설계시에 고려해야 할인자를 제시하고자 하였다.
- 전단특성시험은 제품의 특성치를 파악하기 위해 진행되는 시험으로서, 지진격리받침 설계시 가장 기본이 되는 압축강성, 전단강성 그리고 감쇠비 등의 특성을 파악하고자 압축특성실험과 전단특성실험을 수행하였다. 이렇게 압축특성 실험과 전단특성 실험을 통해 얻은 제품의 기본 특성치를 ISO 22762의 설계식에 따라 계산한 설계값과 비교하여 오차범위를 만족하는지 확인하였다. 여기서 압축강성의 오차범위는 ±30%이고, 전단특성의 오차범위는 S-A등급 기준인 ±10%이다.
- 상기의 절에서 고무소재에 대한 기초특성시험결과 고감쇠 고무의 경우 전단변형율 의존성, 주파수 의존성, 온도 의존성 등이 있는 것으로 나타났다. 이에 따라 본 연구에서는 고감쇠 고무소재를 사용하여 시험체를 제작하고, 다양한 의존성 실험을 수행하였다. 본 실험에서는 전단특성 의존성 시험전에 모든 시험체에 대하여 압축특성시험과 전단특성시험 등의 기초특성시험을 실시한 후, 전단특성의 전단변형율 의존성, 압축응력 의존성, 주파수 의존성, 온도 의존성, 반복하중 의존성시험 등 총 5가지 항목에 대하여 실험을 수행하였다.
- 해당 온도에서 항온항습기 내에 3일간 보관한 시험체를 시험기에 장착하고, 시험기 주변에 항온챔버를 설치하였다. 이후 저온 실험인 경우 저온을 유지하기 위해 액체질소를 이용하여 저온을 유지하고, 고온 실험인 경우 고온을 유지하기 위해 열풍기를 이용하였다.
- 5 Hz의 정현파를 11회 반복재하 하였다. 전단변형률은 50%, 75%, 100%, 125%, 150%, 175%, 200%로 전단변형이 작은 시험부터 큰 시험 순서로 시험을 실시하였고, 반복횟수는 전단시험과 동일하다. 실험에 따른 전단 변형률 의존성 이력곡선은 그림 13과 같다.
- 전단특성시험은 제품의 특성치를 파악하기 위해 진행되는 시험으로서, 지진격리받침 설계시 가장 기본이 되는 압축강성, 전단강성 그리고 감쇠비 등의 특성을 파악하고자 압축특성실험과 전단특성실험을 수행하였다. 이렇게 압축특성 실험과 전단특성 실험을 통해 얻은 제품의 기본 특성치를 ISO 22762의 설계식에 따라 계산한 설계값과 비교하여 오차범위를 만족하는지 확인하였다.
- 8 MPa인 고무소재로 고감쇠 고무받침(HDRB) 시험체를 제작하였다. 제작된 고감쇠 고무받침의 내진성능을 파악하기 위하여 여러 특성 중 기본적인 압축특성 및 전단특성에 대하여 실험을 실시하고, 전단특성에 따른 환경적 변화 영향을 파악하기 위하여 동특성실험을 하였다. 이 시험은 ISO 22762에 따라 수행하였고, 동특성실험을 통하여 전단특성의 전단변형율 의존성, 온도 의존성, 주파수 의존성, 압축응력 의존성, 반복하중 의존성 등 고감쇠 고무받침의 의존특성을 파악하였다.
- 변위 의존성시험은 주파수와 온도를 일정하게 고정시킨 상태에서 변위를 5%~45%까지 각 5%씩 증가시키는 방법으로 시험하였다. 주파수 의존성시험은 변위와 온도를 일정하게 유지하고 주파수를 각각 0.05 Hz, 0.2 Hz, 1.0 Hz로 증가시키는 방법으로 시험하였다. 마지막으로 온도 의존성 시험은 계절변화에 따른 극한온도 상태를 모사하여 -20℃,0℃, 20℃, 40℃온도범위에서 시험을 하였다.
- 주파수에 따른 등가전단강성과 등가감쇠비의 변화를 파악 하기 위하여 다양한 주파수에 대하여 압축-전단실험을 수행 하였다. 실험은 상온상태에서 해당 설계면압 7.
- 5%로 각각 계산되었다. 한편 등가전단강성의 설계 값은 표 1과 식 (8)를 이용하여 각각 0.783, 0.392 kN/mm으로 계산하였지만, 등가감쇠비의 설계식은 기준에 주어져 있지 않았기 때문에 여기서는 등가전단강성에 대해서만 설계값과 비교하였다.
대상 데이터
- 동특성시험은 EPLEXOR 150N장비를 이용하였고, 고무재료의 동적특성을 비교하기 위하여 ISO 22762에서 제시하고 있는 표준시험체(STD)를 적용하여 특성시험을 실시하였다. 고무소재는 전단계수가 각각 G=0.4 MPa, G=0.8 MPa인 다른 고무소재를 대상으로 실험하였다. 시험에 사용한 고무시편은 시험조건별로 10개씩 총 240개의 고무시편을 시험하였으며, 시험결과는 각 조건별 고무시편의 시험결과를 평균한 값을 정리하여 나타내었다.
- 8 MPa인 다른 고무소재를 대상으로 실험하였다. 시험에 사용한 고무시편은 시험조건별로 10개씩 총 240개의 고무시편을 시험하였으며, 시험결과는 각 조건별 고무시편의 시험결과를 평균한 값을 정리하여 나타내었다. 본 연구에서는 고무시편을 이용하여 고무소재의 의존특성에 대하여 알아보기 위해 변위의존성, 주파수의존성 그리고 온도의존성 시험을 실시하였다.
- 시험체의 크기는 동일하고 주된 구성성분은 천연고무이다. 시험체의 직경은 외부고무 두께 10 mm를 포함한 것으로 내부 적층고무 한 층의 두께는 각각 2 mm이고, 고무의 적층 수는 25층으로 적층하였다. 그리고 보강철판의 두께는 3 mm이다.
- 이렇게 얻은 실험값이 기준의 요구사항을 만족하는지 확인하기 위하여 식 (2)에 따라 고감쇠고무의 압축탄성계수 Ec를 계산하고, 식 (3)에 따라 압축강성의 설계값을 계산하였다. 여기서, 비등방성(anisotropic) 재료인 고감쇠 고무의 탄성계수 E0값은 전단계수 G값의 3배인 2.4 MPa과 1.2 MPa를 사용하였다. 한편 고무의 경도에 따른 보정계수 k값은 高山峯夫(1997)에 따라 0.
- 이처럼 고무재료의 구성성분에 따라서 그 성질 등이 변하게 된다. 전단특성 시험에 사용된 고감쇠 고무받침 시험체는 전단변형율 100%에서 전단탄성계수 G값이 각각 0.4 MPa, 0.8 MPa인 고감쇠고무를 사용하여 고무받침을 제작하였으며, ISO 22762에서 제시하고 있는 표준시험체(standard test piece) 규격에 따라 원형타입으로 제작하였다.
이론/모형
- 고감쇠 고무받침은 실제 교량구조물에서의 설계압축력에의하여 결정되어지는 사용한계상태와 지진에 의한 극한한계 상태 그리고 풍하중에 대한 저항 등에 대하여 만족하도록 설계하였다. 그리고 본 연구에서는 ISO 22762에 따라 시험체를 제작하였고 특성실험을 수행하였다. 상기의 규격에서는 지진으로부터 교량 혹은 건축구조물을 보호하고자 사용하는 적층고무받침형태의 지진격리장치에 대하여 시험방법과 설계 기준, 제품 검사 기준에 대하여 총 세부분으로 나누어 소개하고 있다.
- 한편 고무의 경도에 따른 보정계수 k값은 高山峯夫(1997)에 따라 0.865를 사용하였고, 체적탄성계수 E∞값은 AASHTO(1999)에 따라 2,000 MPa으로 설정하였다.
성능/효과
- 5 Hz에서의 값을 기준으로 등가전단 강성 및 등가감쇠비의 변화율을 계산하여 그림 15에 나타내었다. 0.001~0.5 Hz의 주파수 범위에서 등가전단강성과 등가 감쇠비는 모두 주파수가 증가함에 따라 증가하는 경향을 나타냈지만, 0.25 Hz를 기준으로 변화 경향이 크게 달라지는 것을 확인할 수 있었다. 0.
- 25 Hz를 기준으로 변화 경향이 크게 달라지는 것을 확인할 수 있었다. 0.25 Hz이상의 주파수에서는 등가전단강성 및 등가감쇠비 모두 11%이하의 안정된 변화율을 나타냈다. 하지만 0.
- 1. 고감쇠 고무소재에 대한 변위와 온도, 주파수에 대한 의존성 시험결과 변위와 온도가 높고 주파수가 증가 할수록 전단탄성계수 및 감쇠비는 감소하였다.
- 2. 등가감쇠비는 주파수 및 면압에 대하여 큰 의존성을 나타내었으나, 온도 및 전단변형율에 대해서는 작은 의존성을 나타내었다. 면압에 따른 등가감쇠비의 의존성이 크다는 것은 받침의 초기 강성과 항복 후 강성의 설계값에 영향을 미치는 특성강도의 의존성이 크다는 것을 의미한다.
- 3. 등가전단강성은 온도 및 전단변형율에 대하여 큰 의존성을 나타낸 반면에 면압에 대해서는 작은 의존성을 나타내었다. 따라서 고감쇠 고무받침의 등가전단강성 추정시 온도, 전단변형율에 대한 고려가 필요하다고 판단된다.
- 4. 50회의 반복재하하중에 등가전단강성의 변화가 거의 없음을 확인할 수 있었다. 이는 시험체에 사용된 내부고무의 이력감쇠가 거의 없기 때문에 내부 온도상승 등의 물성치 변화요인이 적기 때문인 것으로 판단된다.
- 상기의 방법에 따른 실험결과는 표 5와 같다. HDRB 1의 등가전단강성은 0.814 kN/mm, 등가감쇠비는 15.9%이고, HDRB 2의 경우는 등가전단강성은 0.414 kN/mm, 등가감쇠비는 19.5%로 각각 계산되었다. 한편 등가전단강성의 설계 값은 표 1과 식 (8)를 이용하여 각각 0.
- 25 Hz이하에서는 등가전단강성 및 등가감쇠비 모두 급격히 감소하는 것으로 나타났다. HDRB 1의경우 등가전단강성 변화율은 -2 ~ -16%, 등가감쇠비 변화율은 -32 ~ -4%로 변했고, HDRB 2는 등가전단강성 변화율은-17~3%, 등가감쇠비 변화율은 -40~3% 변하였다. 주파수에 따른 등가감쇠비의 변화가 상대적으로 큰 것은 고감쇠 고무에 적용된 배합약품이 고무 분자 사이의 점성 및 마찰 감응 요소에 크게 기여했기 때문이라고 판단된다.
- 고감쇠 고무에 대한 의존특성시험 결과 온도가 낮고 주파수가 높을수록 전단계수(shear modulus)는 증가하고 동적변형이 증가할수록 전단계수는 감소하였다. 그리고 온도 변화에 따른 감쇠비 저감 정도는 적으나 온도가 높을수록 감쇠비(damping ratio)는 감소하였다.
- 그림 2~그림 5는 온도와 주파수, 변위별 전단계수 및 감쇠비의 상관관계를 전단탄성계수 별로 나타낸 것이다. 구체적으로 고감쇠 고무에 대한 변위의존성 시험결과 동적변위가 작을수록 감쇠비가 높고 변위가 증가할수록 감쇠비는 감소하여 일정한 값에 수렴함을 알 수 있었다. 그리고 전단탄성계수가 높을수록 전단계수가 높게 나타났으나, 전단 탄성계수가 높을수록 감쇠비는 오히려 낮게 나타났다.
- 865를 사용하였고, 체적탄성계수 E∞값은 AASHTO(1999)에 따라 2,000 MPa으로 설정하였다. 그 결과 압축강성의 실험값은 설계값과 오차는 각각 -10%, -3% 발생하였다. 따라서 본 연구에서 사용한 고감쇠 고무의 보정계수 k값은 0.
- 전단변형율 50~200%의 범위에서 등가전단강성(Kh)과 등가감쇠비(heq)는 모두 전단 변형율이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 그러나, 등가전단강성은 약 45%정도의 변화가 발생하여 전단변형율 의존성이 큰 것으로 나타난 반면에 등가감쇠비는 최대 5%감소하여 전단변형율 의존성이 작은 것으로 나타났다. 따라서 받침 설계시 전단변형율 의존성이 고려되지 않은 식 (8) 대신 전단변형율 의존성이 고려된 식 (9)를 사용하여 등가전단강성의 전단변형율 의존성을 고려할 필요가 있다.
- 고감쇠 고무에 대한 의존특성시험 결과 온도가 낮고 주파수가 높을수록 전단계수(shear modulus)는 증가하고 동적변형이 증가할수록 전단계수는 감소하였다. 그리고 온도 변화에 따른 감쇠비 저감 정도는 적으나 온도가 높을수록 감쇠비(damping ratio)는 감소하였다. 또한 주파수가 높을수록 전단계수는 증가하며, 동적변형이 증가할수록 저감하는 경향이 있었다.
- 구체적으로 고감쇠 고무에 대한 변위의존성 시험결과 동적변위가 작을수록 감쇠비가 높고 변위가 증가할수록 감쇠비는 감소하여 일정한 값에 수렴함을 알 수 있었다. 그리고 전단탄성계수가 높을수록 전단계수가 높게 나타났으나, 전단 탄성계수가 높을수록 감쇠비는 오히려 낮게 나타났다. 온도 의존성 시험결과 고감쇠 고무는 고무의 물성 특성상 온도에 대한 감쇠 특성이 강하여 온도변화(-20℃~40℃)에 따라 감쇠비는 최대 21.
- 이는 시험체에 사용된 내부고무의 이력감쇠가 거의 없기 때문에 내부 온도상승 등의 물성치 변화요인이 적기 때문인 것으로 판단된다. 그리고 주파수 의존성 실험을 통하여, 주파수가 증가하면 유효강성이 소폭 증가함을 알 수 있었다.
- 등가전단강성은 면압이 증가함에 따라 감소하는 경향이 있는데, HDRB 1은 4%, HDRB 2는 17%가량 변화하여 면압 의존성은 비교적 작은 것으로 나타났다. 등가감쇠비는 면압이 증가함에 따라 등가전단강성과 달리 증가하는 경향이 있었고, HDRB 2의 경우 감쇠비 변화률이 -19%에서 28%까지 변화하여 면압 의존성이 크게 나타났다.
- 실험에 따른 등가전단강성과 등가감쇠비의 변화율은 그림 14와 같다. 등가전단강성은 면압이 증가함에 따라 감소하는 경향이 있는데, HDRB 1은 4%, HDRB 2는 17%가량 변화하여 면압 의존성은 비교적 작은 것으로 나타났다. 등가감쇠비는 면압이 증가함에 따라 등가전단강성과 달리 증가하는 경향이 있었고, HDRB 2의 경우 감쇠비 변화률이 -19%에서 28%까지 변화하여 면압 의존성이 크게 나타났다.
- 등가전단강성의 실험값과 설계값을 계산한 결과는 표 5와 같으며, 각 시험체의 등가전단강성은 설계값에 비하여 3.9%와 5.7%의 오차를 보였다. 따라서 평가기준인 오차범위 ±15%이내를 모두 만족하였다.
- 따라서 본 연구에서 사용한 고감쇠 고무의 보정계수 k값은 0.865, 체적탄성계수 E∞값으로 2,000 MPa을 설정한 것은 타당하다고 판단된다.
- 따라서 평가기준인 오차범위 ±15%이내를 모두 만족하였다.
- 이와 같은 고무소재의 특성은 고온에서 고무분자들 간의 결합력이 떨어져서 전단탄성계수(G)와 손실탄성계수(G')이 위상차에 의한 것으로 판단된다. 또한 변위와 온도를 일정하게 유지한 상태에서 주파수를 0.05 Hz, 0.2 Hz, 1.0 Hz로 증가시켜 시험한 결과 주파수 의존성이 있음을 확인할 수 있었다.
- 따라서 고감쇠 고무받침의 등가전단강성 추정시 온도, 전단변형율에 대한 고려가 필요하다고 판단된다. 또한 온도가 증가하면 등가전단강성이 저감되었으며, 특히 저온에서 큰 변화가 발생하였다.
- 그리고 온도 변화에 따른 감쇠비 저감 정도는 적으나 온도가 높을수록 감쇠비(damping ratio)는 감소하였다. 또한 주파수가 높을수록 전단계수는 증가하며, 동적변형이 증가할수록 저감하는 경향이 있었다. 그림 2~그림 5는 온도와 주파수, 변위별 전단계수 및 감쇠비의 상관관계를 전단탄성계수 별로 나타낸 것이다.
- 여기서 압축강성의 오차범위는 ±30%이고, 전단특성의 오차범위는 S-A등급 기준인 ±10%이다. 상기의 절에서 고무소재에 대한 기초특성시험결과 고감쇠 고무의 경우 전단변형율 의존성, 주파수 의존성, 온도 의존성 등이 있는 것으로 나타났다. 이에 따라 본 연구에서는 고감쇠 고무소재를 사용하여 시험체를 제작하고, 다양한 의존성 실험을 수행하였다.
- 50회 반복 재하 후 시험체를 반복재하 전의 온도로 냉각 하기 위해 상온에서 24시간 동안 방치한 후, 같은 조건에서 압축-전단실험을 다시 수행하였다. 실험 결과 HDRB 1은 약 4.57%, HDRB 2는 약 0.75%정도 등가전단강성이 증가하였다. 등가감쇠비는 HDRB 1의 경우 약 1.
- 압축시험결과 세번째 사이클에서 최대 및 최소 하중은 HDRB 1(G 0.8 MPa)의 경우는 최대 481 kN, 최소 259 kN이고, 변위는 각각 0.80 mm, 0.56 mm이다. 또한 HDRB 2 (G 0.
- 그리고 전단탄성계수가 높을수록 전단계수가 높게 나타났으나, 전단 탄성계수가 높을수록 감쇠비는 오히려 낮게 나타났다. 온도 의존성 시험결과 고감쇠 고무는 고무의 물성 특성상 온도에 대한 감쇠 특성이 강하여 온도변화(-20℃~40℃)에 따라 감쇠비는 최대 21.8%에서 최소 14.5%까지 감소하였다. 이처럼 고무소재는 온도의 변화에 민감한 반응을 하며, 고무의 특성상 감쇠비는 고온보다는 저온에서 높은 감쇠비를 얻었다.
- 전단변형율 100%에서의 시험값을 기준으로 등가전단강성 및 등가감쇠비의 변화율을 산정하여 그림 12에 나타내었다. 전단변형율 50~200%의 범위에서 등가전단강성(Kh)과 등가감쇠비(heq)는 모두 전단 변형율이 증가함에 따라 감소하는 경향을 나타내었다. 그러나, 등가전단강성은 약 45%정도의 변화가 발생하여 전단변형율 의존성이 큰 것으로 나타난 반면에 등가감쇠비는 최대 5%감소하여 전단변형율 의존성이 작은 것으로 나타났다.
후속연구
- 5. 본 실험결과에 의하면 고감쇠 고무받침 설계의 주요한 변수인 등가전단강성과 등가감쇠비를 산정함에 있어서 설계 변위와 면압, 온도, 가력속도의 의존특성을 고려하여 면밀한 검토가 필요하다고 판단된다.
- 6. 본 실험은 ISO 22762-1에서 제시하고 있는 표준시험체에 대해서만 실험을 수행하였으므로, 시험체의 크기에 대한 영향을 파악하기 위해 형상계수를 변화시켜 추가 실험을 할 필요가 있다고 판단된다.
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