[논문]면진장치 들림 효과를 고려한 면진된 골조의 구조 거동 평가

김대곤

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과거로부터 건물이나 교량의 면진설계에 많이 사용되어져온 적층고무 면진징■치 (Laminated Elastomeric Seismic Isolator)로 면진된 구조물의 해석시 면진 장치의 수평 전단 강성은 비교적 자세히 모델링 하였으나 수직 방향강성은 수평방향 강성에 비하여 무한히 크다고 가정하였다.*阚8> 본 논문에서는 적층고무 면진장치의 수평 전단거동 뿐만 아니라 수직 인장 .
CASE 3은 면진 장치의 인장강성을 그림 5로부터 구한 3선형 (Tri-linear) 모델이다. 끝으로 CASE 4는 면진장치의 들림 현상을 무시하고 면진장치의 압축강성 뿐만 아니라 인장강성도 전단 강성에 비하여 무한히 크다고 가정한 모델로서 최대성능을 나타낸다.
모드 해석을 통하여 면진 전 골조의 주기는 0.63초 이었으며 면진 후 주기는 1.61 초로 길어졌다 본 논문의 목적은 면진장치의 들림 효과를 모델링하는 방법을 찾는 것이기 때문에 수평흐]중을 받는 면진된 골조의 면진 장치에 전도에 의한 인장응력이 발생되게 하기 위하여 초기변위를 의도적으로 크게 부여한 자유진동 실험을 비탄성컴퓨터 프로그램인 DRAIN-2DX을 사용하여 해석적으로 수행하였으며, 해석시 모든 비선형 거동은 면진 장치에서만 생기는 것으로 가정하였다.

제안 방법

구하여 해석에 반영해야 한다. 면진장치의 전단 거동을 위하여 Truss 요소를 사용하여 2선형으로 모델링하였다. 그림 7은 해석적 모델로부터 얻은 면진 장치의 전단 거동을 보여준다.
본 연구에서 면진장치의 수직방향 거동을 그림 8에서 보여주는 것처럼 Link 요소를 사용하였다. 압축 거동은 건물의 중력에 의한 압축응력 (initial compression)을 포함한 압축에만 작용하는 Link 요소를 사용하였고 인장거동은 건물의 중력에 의한 압축변형도 (cable slack)가 고려된 인장에만 작용하는 Link 요소를 사용하였으며 이들 압죽과 인장 Link 요소들을 병렬로 연결하여 면진장치의 수직방향 거동을 모델링 하였다. 본 논문에서 채택한 해석 모델은 표 1과 같으며, 그림 9는 전산해석을 위한 각 해석모델의 모델링 결과를 보여준다.
*阚8> 본 논문에서는 적층고무 면진장치의 수평 전단거동 뿐만 아니라 수직 인장 . 압축거동을 실험적으로 알아보고 지진과 같은 큰 수평하중동안 면진 장치에 인장 응력이 발생하는 경우 즉, 면진장치의 들림, 뽑힘, 양압력, 또는 부반력 발생 등으로 다양하게 표현되는 현상이 발생하는 경우, 면진된 건물의 해석적 연구를 위하여 면진장치의 전단거동뿐만 아니라 인장거동과 압축 거동도 상세히 모델링하였다. 큰 수평하중을 받는 면진 된 골조의 면진장치에 전도에 의한 인장응력이 발생되게 하기 위하여 초기 변위를 의도적으로 크게 부여한 자유진동 실험을 해석적으로 수행하였으며, 면진장치에서의 들림 현상을 해석적으로 구하기 위하여 면진장치의 수직 방향 강성들의 해석 모델을 몇 가지로 달리하는 경계해석 (boundary analysis)을 수행하였다.
적층고무 면진장치로 면진된 골조에 대한 면진장치 인장 거동 (들림 현상)의 구조적 영향을 해석적으로 구하기 위하여 면진장치의 수직방향 강성들의 해석모델을 4가지로 달리하는 경계해석 (boundary analysis)을 수행하였으며 해석 결과로부터 다음 사실을 알았다.
압축거동을 실험적으로 알아보고 지진과 같은 큰 수평하중동안 면진 장치에 인장 응력이 발생하는 경우 즉, 면진장치의 들림, 뽑힘, 양압력, 또는 부반력 발생 등으로 다양하게 표현되는 현상이 발생하는 경우, 면진된 건물의 해석적 연구를 위하여 면진장치의 전단거동뿐만 아니라 인장거동과 압축 거동도 상세히 모델링하였다. 큰 수평하중을 받는 면진 된 골조의 면진장치에 전도에 의한 인장응력이 발생되게 하기 위하여 초기 변위를 의도적으로 크게 부여한 자유진동 실험을 해석적으로 수행하였으며, 면진장치에서의 들림 현상을 해석적으로 구하기 위하여 면진장치의 수직 방향 강성들의 해석 모델을 몇 가지로 달리하는 경계해석 (boundary analysis)을 수행하였다.
해석 결과들의 비교는 가장 현실에 가까운 모델로 간주할 수 있는 실험에 근거한 3선형 CASE 3 모델의 해석 결과와 나머지 모델들의 해석결과 간에 행하였다.

대상 데이터

면진된 골조의 면진장치 들림 효과를 고려한 해석적 연구를 위하여 그림 6과 같은 1경간 2층 철골조를 채택하였으며 면진을 위하여 그림 1의 적층고무 면진 장치가 사용되었다. 채택된 골조는 실험에 사용된 적층고무 면진 장치로 면진되기에 적당한 규모이다.

이론/모형

보여준다. 본 논문에서는 이론식들 중 식 (3)에 의하여 구한 압죽강성을 해석적 연구를 위하여 사용하였다. 그림 4는 면진장치에 인장력을 가했다가 제거하는 사이 클릭 가력실험으로부터 구한 면진장치의 인장 거동을 보여주며 그림 5는 그림 3과 그림 4로부터 얻은 압축과 인장거동의 가력방향 포락선을 보여준다.

성능/효과

(1) 적층고무 면진장치의 인장 강성은 압축 강성에 비하여 현저히 작지만 이를 완전히 무시하고 해석을 수행하면 면진계면 상부구조의 거동이나 면진장치 자체의 거동에 비교적 큰 오차가 발생한다.
(2) 면진된 건물의 정확한 구조거동을 얻기 위하여 적층 고무 면진장치의 수직강성은 실험에 근거한 면진 장치의 변형특성을 반영하여야하며 면진장치의 인장강성은 3선형 (Tii-linear)으로 모델링할 수 있다.
(3) 면진장치의 실험결과가 없는 경우 면진된 건물의 예비설계 단계에서 면진된 건물의 구조적 거동을 알아보기 위한 목적으로 면진장치의 인장강성을 압축강성의 10%로 채택한 선형모델을 사용할 수 있다.
(4) 예비설계 단계에서 면진장치의 들림 현상을 무시하고 면진장치의 압축강성 뿐만 아니라 인장강성도 전단 강성에 비하여 무한히 크다고 가정한 모델을 사용할 수 있을 것으로 사료되지만 이 경우 면진장치의 수직 방향 인장 및 압축 변형도는 구할 수 없다.
55 (경도가 약 60인 경우) 를 사용하였다. 고무가 등방성 재료일 때 프와송 비 ?;=0.5 이며 E=3G이지만 실험결과 본 실험에 사용된 고무가 감쇠성능이 높은 고감쇠 고무의 경향을 보이므로 E=4G을 채택하였다 ® 전단계수 G는 그림 2에서 보여주는 적층고무 면진장치의 전단 거동 실험결과로부터 전단변형도 尸27%와 尸58% 사이를 연결한 값으로 구하여 18 G=1.0 MPa를 얻었다.
면진장치의 최대 인장 응력 및 인장 변형도의 경우, CASE 1 모델은 면진장치의 인장 강성을 무시하였기 때문에 인장 응력은 0을 얻었으며 또한 큰 값의 인장변형도를 얻었다. CASE 2 모델의 해석 결과는 CASE 3 모델의 해석결과와 최대 10%의 인장응력 차이를 보이며 인장변형도는 243%의 큰 차이를 보인다. CASE 4 해석모델의 해석결과는 CASE 3 모델의 해석 결과와 최대 0.
CASE 2 모델의 해석 결과는 CASE 3 모델의 해석결과와 최대 10%의 인장응력 차이를 보이며 인장변형도는 243%의 큰 차이를 보인다. CASE 4 해석모델의 해석결과는 CASE 3 모델의 해석 결과와 최대 0.9% 인장응력 차이를 보여 그 차이가 작지만 면진장치의 인장 강성이 무한히 크다고 가정하였으므로 인장 변형도는 0을 얻었다.
다음으로 면진장치 자체의 거동을 살펴보면 면진 장치의 최대 전단 변형도의 경우, CASE 3 모델의 해석 결과는 CASE 1 모델의 해석결과와 13.6%의 비교적 큰 차이를 보이지만 CASE 2와 CASE 4 모델의 해석 결과와는 각각 1.3%로 그 차이가 작다. 면진장치의 최대 압축 응력 및 압축 변형도의 경우, CASE 3 모델의 해석결과는 CASE 1 모델의 해석결과와는 35%의 비교적 큰 차이를 보이지만 CASE 2와는 2.
먼저 면진계면 상부구조물의 거동을 살펴보면 지붕 층 최대변위의 경우, CASE 3 모델의 해석결과는 면진 장치의 인장강성을 무시한 CASE 1 모델의 해석결과와는 14.1%의 비교적 큰 차이를 보이지만 면진장치의 인장 강성을 압축강성의 10%로 채택한 CASE 2 모델의 해석 결과와는 3.6%로 그 차이가 비교적 작으며, 면진장치의 압축뿐만 아니라 인장강성을 무한히 크다고 가정한 CASE 4 모델의 해석결과와는 7.3% 차이를 보였다. 지붕층 최대 층가속도의 경우, CASE 3 모델의 해석결과는 CASE 1, CASE 2, 그리고 CASE 4 모델의 해석결과와 각각 5.
3% 차이를 보였다. 지붕층 최대 층가속도의 경우, CASE 3 모델의 해석결과는 CASE 1, CASE 2, 그리고 CASE 4 모델의 해석결과와 각각 5.6%, 3.4%, 그리고 1.7%의 차이를 보였다.

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