적층고무받침은 지진격리 교량에서 면진장치로 주로 사용되고 있으며, 지진격리 설계시 적층고무받침의 성능 및 거동특성을 파악하는 것은 매우 중요하다. 적층고무받침의 주요 평가요소로는 압축 및 전단특성 그리고 인장특성으로 구분된다. 이 요소 중 압축특성 및 전단특성에 대한 특성실험 결과는 많으나, 인장특성에 대한 자료는 충분하지 않다. 이에 따라 본 연구에서는 인장하중을 받는 적층형 고무받침의 특성에 대해 연구를 수행하였다. 적층고무받침의 인장시험은 형상계수 및 전단변형 변화에 따른 기계적 특성에 대하여 검토하였다. 실험결과 인장변형이 증가 할수록 인장이력곡선은 비선형 특성을 보이며, 단순인장시험결과 300%이상 인장변형 후 파괴되었다. 반면에 전단변형된 상태에서 인장파괴는 약 40%이상의 인장변형 후 파괴되었다. 또한 형상계수가 낮을수록 극한인장 파괴성능이 저하되었다. 이와 같은 결과는 명확하지는 않지만 고무 층이 3축 인장 받을 경우 내부공극에 의해 균열이 확장되어 파괴가 발생하는 것으로 추측된다. 본 연구결과는 지진격리 구조물 설계시 인장하중에 대한 기초자료로 충분히 활용 가능할 것으로 판단된다.
적층고무받침은 지진격리 교량에서 면진장치로 주로 사용되고 있으며, 지진격리 설계시 적층고무받침의 성능 및 거동특성을 파악하는 것은 매우 중요하다. 적층고무받침의 주요 평가요소로는 압축 및 전단특성 그리고 인장특성으로 구분된다. 이 요소 중 압축특성 및 전단특성에 대한 특성실험 결과는 많으나, 인장특성에 대한 자료는 충분하지 않다. 이에 따라 본 연구에서는 인장하중을 받는 적층형 고무받침의 특성에 대해 연구를 수행하였다. 적층고무받침의 인장시험은 형상계수 및 전단변형 변화에 따른 기계적 특성에 대하여 검토하였다. 실험결과 인장변형이 증가 할수록 인장이력곡선은 비선형 특성을 보이며, 단순인장시험결과 300%이상 인장변형 후 파괴되었다. 반면에 전단변형된 상태에서 인장파괴는 약 40%이상의 인장변형 후 파괴되었다. 또한 형상계수가 낮을수록 극한인장 파괴성능이 저하되었다. 이와 같은 결과는 명확하지는 않지만 고무 층이 3축 인장 받을 경우 내부공극에 의해 균열이 확장되어 파괴가 발생하는 것으로 추측된다. 본 연구결과는 지진격리 구조물 설계시 인장하중에 대한 기초자료로 충분히 활용 가능할 것으로 판단된다.
Laminated rubber bearing is the most commonly used device for seismic base isolation of bridge structures. It is important to know performance and behavior characteristics of the laminated rubber bearings. The main evaluation factors of the rubber bearing are classified as compressive, shear and ten...
Laminated rubber bearing is the most commonly used device for seismic base isolation of bridge structures. It is important to know performance and behavior characteristics of the laminated rubber bearings. The main evaluation factors of the rubber bearing are classified as compressive, shear and tensile behavior characteristics. The reference data of compressive and shear characteristics are rich, but the reference data of tensile characteristics is scarce. In this study, tensile test results of the rubber bearing with variation of shape factor and shear deformation are investigated for mechanical property. When tensile deformation in normal condition is increasing, tensile cycle behavior curve becomes non-linear and tensile breaking point is 300%. On the other hand, tensile breaking point is shear deformation condition is about 40%. Furthermore, when shape factor is lower, tensile breaking point is decrease. This results mean that tensile breaking point is decreased in triaxial tensile deformation because of cracks caused by internal void of the rubber bearings. This experimental data can be used as the reference data of tensile characteristics for designing seismic isolation of structures.
Laminated rubber bearing is the most commonly used device for seismic base isolation of bridge structures. It is important to know performance and behavior characteristics of the laminated rubber bearings. The main evaluation factors of the rubber bearing are classified as compressive, shear and tensile behavior characteristics. The reference data of compressive and shear characteristics are rich, but the reference data of tensile characteristics is scarce. In this study, tensile test results of the rubber bearing with variation of shape factor and shear deformation are investigated for mechanical property. When tensile deformation in normal condition is increasing, tensile cycle behavior curve becomes non-linear and tensile breaking point is 300%. On the other hand, tensile breaking point is shear deformation condition is about 40%. Furthermore, when shape factor is lower, tensile breaking point is decrease. This results mean that tensile breaking point is decreased in triaxial tensile deformation because of cracks caused by internal void of the rubber bearings. This experimental data can be used as the reference data of tensile characteristics for designing seismic isolation of structures.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
제안 방법
본 연구에서는 천연고무를 이용한 적층고무받침을 대상으로 고무두께 및 강재 보강판의 두께를 서로 다르게 설계하여 형상계수(Shape Factor)의 변화에 따른 극한인장파괴 특성을 비교하고, 적층고무받침의 전단변형에 따른 극한인장파괴 영향을 비교 분석하였다. 또한 극한인장파괴에 따른 적층고무받침의 인장거동특성 및 파괴발생 메커니즘에 대하여 검토하였다.
본 연구에서는 천연고무를 이용한 적층고무받침을 대상으로 고무두께 및 강재 보강판의 두께를 서로 다르게 설계하여 형상계수(Shape Factor)의 변화에 따른 극한인장파괴 특성을 비교하고, 적층고무받침의 전단변형에 따른 극한인장파괴 영향을 비교 분석하였다. 또한 극한인장파괴에 따른 적층고무받침의 인장거동특성 및 파괴발생 메커니즘에 대하여 검토하였다.
본 실험에서 사용된 적층고무받침 실험체의 종류는 일반적인 형태의 천연고무받침(NRB) 실험체를 사용하였다. 또한 적층고무 받침 실험체에 대하여 일차형상계수(S1)와 이차형상계수(S2)를 다르게 하여 총 6종류의 실험체를 각각의 형상변수별로 2개씩의 실험체를 제작하여 극한인장실험을 실시하였다. 표 1은 형상계수별 적층고무받침 실험체의 조건을 나타낸 것이다.
모든 실험체는 그림 1과 같이 외부직경은 260 mm이고, 고무와 강재 보강판의 적층 전체 높이는 98 mm로 동일하도록 설계하였다. 또한 고무와 강재 보강판 적층 상하부 양 끝단에는 35 mm두께의 단부철판을 설치하여 실험시 고정이 가능하도록 별도로 부착하여 실험체를 제작하였다. 이 실험에서 사용된 탄성고무재료의 전단탄성계수(G)는 1.
2 MPa의 천연고무이다. 그리고 실험방법은 그림 4와 같이 수평전단변형과 축 하중(Axial Load)의 조합 형태에 따라 총 2가지 방법으로 실험을 실시하였다. 그림 4에 보인바와 같이 실험 방법 ①과 ②는 인장파괴실험 방법으로서, ①실험방법은 수평전단력을 가력하지 않은 일반적인 단순인장파괴(Monotonic Tensile Failure) 실험이고, ②실험방법은 수평전단력을 설계 전단변형의 4배인 4.
여기서, γ 는 설계전단변형이고, σ는 압축응력을 나타낸다. 본 실험에서 전단 및 인장하중 가력은 0.01 Hz의 속도로 점진적으로 정적 가력 하였다.
인장파괴실험은 그림 4와 같이 전단변형이 0.0γ0인 상태와 4.0γ0 상태에서 각각 인장하중을 가력하는 방법으로 실험하였다.
적층고무받침에 수평전단변형이 각각 0.0γ0, 4.0γ0 부여한 상태에서 인장하중을 실험체에 가력 하여 극한인장파괴실험을 하였다.
또한 실제 적층고무받침의 인장파괴능력이 어느 정도인지 조차도 명확히 규명하지 못하고 있다. 따라서 본 연구에서는 적층고무받침을 형상계수에 따라서 두 가지 형태의 실험체를 제작하여 수직인장하중을 가력 하여 파괴시 인장응력과 수직변형률을 얻었다. 인장파괴실험은 그림 4와 같이 전단변형이 0.
그 결과 고무두께가 얇을수록 내부단면에 일정한 큰 힘이 발생하여 작은 균열이 발생하였으나, 두께가 두꺼울수록 단면 중심에 큰 균열이 발생하였다. 또 인장파단면에는 고무내부에 내포된 카본블랙(Carbon Black)이 임계균열의 옆으로 전파하는 과정을 관찰하였다.
본 연구에서는 적층고무받침 설계시 고려하지 않은 인장파단 기초특성을 파악하기위해 형상계수와 수평변형을 변수로 하여 인장실험을 실시하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
대상 데이터
적층고무를 이용한 지진격리받침을 합리적으로 설계하기 위해서는 적층고무받침이 파괴에 도달하기까지의 한계특성(Limited Characteristic)을 파악하는 것이 중요하다. 본 실험에서 사용된 적층고무받침 실험체의 종류는 일반적인 형태의 천연고무받침(NRB) 실험체를 사용하였다. 또한 적층고무 받침 실험체에 대하여 일차형상계수(S1)와 이차형상계수(S2)를 다르게 하여 총 6종류의 실험체를 각각의 형상변수별로 2개씩의 실험체를 제작하여 극한인장실험을 실시하였다.
표 1은 형상계수별 적층고무받침 실험체의 조건을 나타낸 것이다. 모든 실험체는 그림 1과 같이 외부직경은 260 mm이고, 고무와 강재 보강판의 적층 전체 높이는 98 mm로 동일하도록 설계하였다. 또한 고무와 강재 보강판 적층 상하부 양 끝단에는 35 mm두께의 단부철판을 설치하여 실험시 고정이 가능하도록 별도로 부착하여 실험체를 제작하였다.
또한 고무와 강재 보강판 적층 상하부 양 끝단에는 35 mm두께의 단부철판을 설치하여 실험시 고정이 가능하도록 별도로 부착하여 실험체를 제작하였다. 이 실험에서 사용된 탄성고무재료의 전단탄성계수(G)는 1.2 MPa의 천연고무이다. 그리고 실험방법은 그림 4와 같이 수평전단변형과 축 하중(Axial Load)의 조합 형태에 따라 총 2가지 방법으로 실험을 실시하였다.
본 연구의 실험과 유사한 조건에서 Stevenson(1985)은 직경이 500 mm이고, 한 층의 두께가 3.75 mm인 고무를 26층으로 적층하여 제작한 천연고무받침(NRB)을 수평방향으로 2.0γ0 전단변형 후 실험하였다.
성능/효과
전단변형이 없는 0.0γ0 조건에서 인장파괴실험 한 결과 형상계수에 의한 인장 응력 및 전단변형의 경향은 명확하게 나타나지 않았다.
반면에 4.0γ0 만큼 전단변형 후 인장파괴실험에서는 일차형상계수(S1)가 동일할 경우 이차형상계수(S2)가 클수록 인장응력을 높게 나타났고, S2가 일정한 경우 S1이 클수록 높은 인장응력을 보였다.
인장 변형시 초기항복 할 때 까지는 형상계수가 높을수록 인장항복응력 또한 크게 발생하였다. 그러나 초기인장항복 후 고무가 인장 변형되어 최종 인장파괴 할 경우에는 오히려 형상 계수가 낮을수록 인장파괴응력이 높고, 파괴변형률 또한 높게 나타났다. 반면에 4.
0γ0 전단변형 후 실험하였다. 실험 결과 총 고무두께의 200%가량 변형 후 인장파괴 되었다. 또 Shigenobu 등 (1990)은 직경이 250 mm이고, 한 층의 두께가 2 mm인 고무를 6층으로 적층하여 제작한 고감쇠 고무받침(HDRB)을 대상으로 0.
75 mm인 고무를 26층으로 적층하여 제작한 천연고무받침과 납 고무받침(LRB)를 실험하였다. 그 결과 천연고무받침은 100~160% 변형 후 인장파괴 되었고, 납 고무받침은 180~200%인장변형 후 파괴되었다.
Gent는 그의 연구에서 실린더형 고무의 양면을 접착하여 인장하중을 가하는 방법으로 고무두께의 변화에 따른 고무내부의 균열과정을 조사하였다. 그 결과 고무두께가 얇을수록 내부단면에 일정한 큰 힘이 발생하여 작은 균열이 발생하였으나, 두께가 두꺼울수록 단면 중심에 큰 균열이 발생하였다. 또 인장파단면에는 고무내부에 내포된 카본블랙(Carbon Black)이 임계균열의 옆으로 전파하는 과정을 관찰하였다.
수평전단변형이 발생하지 않은 0.0γ0인 적층고무받침에서의 인장시험결과 순수고무두께의 10%이내의 변형률에서 항복하였으며, 이때 인장응력은 약 2.0 MPa인 것으로 나타났다.
그리고 수평전단변형이 4.0γ0인 상태에서는 0.0γ0와 같은 단순인장 파괴 실험조건에 비해 다소 높은 약 2.5 MPa의 응력범위에서 항복하였고, 항복 후 순수고무두께의 40%가량의 변형 후 인장파괴가 발생하였다.
1. 인장파괴시 수평전단변형이 증가할수록 인장파괴변형 및 인장응력은 저하되었다. 수평전단변형이 발생하지 않은 0.
2. 적층고무받침의 인장파괴 성능에 있어서 형상계수의 영향은 비교적 적은 것으로 나타났다. 형상계수 변화에 따른 극한인장파괴의 인장응력은 다소 차이가 있으나 변형은 거의 유사하고, 축 인장응력에 따른 파괴형상도 형상계수에 의한 현저한 차이는 없었다.
적층고무받침의 인장파괴 성능에 있어서 형상계수의 영향은 비교적 적은 것으로 나타났다. 형상계수 변화에 따른 극한인장파괴의 인장응력은 다소 차이가 있으나 변형은 거의 유사하고, 축 인장응력에 따른 파괴형상도 형상계수에 의한 현저한 차이는 없었다. 그러나 형상계수가 높을수록 인장파괴에 따른 초기항복응력이 비교적 큼을 알 수 있었다.
3. 극한인장파괴 실험 후 파단면을 관찰한 결과 파단면에는 수많은 미세한 공극이 존재함을 확인 할 수 있었다. 특히 단순인장 파괴단면에는 공극의 흔적이 확연히 관찰되었다.
특히 단순인장 파괴단면에는 공극의 흔적이 확연히 관찰되었다. 이 공극은 고무 한 층의 두께가 두꺼울수록 즉, 이차형상 계수가 낮을수록 공극의 흔적이 뚜렷하게 나타났다.
4. 인장파괴실험결과 적층고무받침에 있어서 고무두께에 따른 형상계수는 인장파괴에 있어서 다른 변수에 비해 큰 영향이 없음을 알 수 있다. 그러나 이차형상계수가 낮을 경우 대변위 수평변형시 좌굴이 발생하고, 낮은 인장변형률에서 파괴가 될 우려가 있으므로 설계시 유의해야 할 것을 판단된다.
후속연구
최근에는 교량뿐만 아니라 건축물에도 적층고무받침이 적용되고 있으며, 면진건축물이 계획되고 시공되어 그 적용 범위가 점차 확대 되고 있다. 또한 원자력발전소나 LNG 저장소 등과 같은 특수 시설물의 지진에 대한 안전대책으로 이에 대한 활발한 연구가 진행 중이다. 그러나 국내의 경우 적층고무받침 실물 시험체의 제작 및 실험장비의 문제로 대다수의 연구가 이론적 연구에 편중되어 있다.
그러나 이차형상계수가 낮을 경우 대변위 수평변형시 좌굴이 발생하고, 낮은 인장변형률에서 파괴가 될 우려가 있으므로 설계시 유의해야 할 것을 판단된다. 그리고 적층고무받침 설계시에는 이차형상계수는 최소 4.0이상으로 설계 할 것을 제안한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
적층고무받침의 주요 평가요소는 어떻게 구분되는가?
적층고무받침은 지진격리 교량에서 면진장치로 주로 사용되고 있으며, 지진격리 설계시 적층고무받침의 성능 및 거동특성을 파악하는 것은 매우 중요하다. 적층고무받침의 주요 평가요소로는 압축 및 전단특성 그리고 인장특성으로 구분된다. 이 요소 중 압축특성 및 전단특성에 대한 특성실험 결과는 많으나, 인장특성에 대한 자료는 충분하지 않다.
적층고무받침은 무엇인가?
적층고무받침은 1970년대부터 현재까지 우리나라 도로교량에 가장 많이 적용된 교량받침 중 하나이다. 최근에는 교량뿐만 아니라 건축물에도 적층고무받침이 적용되고 있으며, 면진건축물이 계획되고 시공되어 그 적용 범위가 점차 확대 되고 있다.
적층고무받침 설계시 부반력(Uplift Force)에 대해서는 일반적으로 고려하지 않고 있는데 그때 생기는 우려는 무엇인가?
적층고무받침 설계시 부반력(Uplift Force)에 대해서는 일반적으로 고려하지 않고 있다. 그러나 교량이나 건축물에 풍하중이나 지진하중이 발생할 경우 부반력이 발생할 우려가 있고, 적층고무받침에 부반력이 발생할 경우에는 이에 대한 대응책이 없는 실정이다. 또한 실제 적층고무받침의 인장파괴능력이 어느 정도인지 조차도 명확히 규명하지 못하고 있다. 따라서 적층고무받침의 부반력에 의한 거동특성을 확인할 필요가 있다.
참고문헌 (12)
국토해양부(2010) 도로교설계기준, 한국도로교통협회.
Mineo, Takayama (1995) Ultimate Capacity of Natural Rubber Bearings Used in Seismic Isolation System, Architectural Institute of Japan(in Japan), No. 1, pp. 160-165.
Koji, Nishio, Testuya, Ishihara, Nobufusa, Yanagisawa, Yuichi, Matsubayashi and Takeyoshi, Fujinami (1997) Study on Tensile Performance of Base Isolation Devices; Part 2-Tensile Loading Test of Full Sized High Damping Laminated Rubber Bearing, Summeries of Technical Papers of Annual Meeting Architectural Institute of Japan, pp. 529-530.
Naoyuki, Iwabe, Mineo, Takayama, Nagahide, Kani and Akira, Wada (2000) Experimental Study on the Effect of Tension for Rubber Bearings, Proceedings of 12th World Conference on Earthquake Engineering.
Ryuichi, Kato, Kenjiro, Oka and Mineo, Takayama (2003) The Tensile of Natural Rubber Bearings Focused on the Effects of the Steel Flange Plates, ASME Pressure Vessels and Piping Conference.
Stevenson, A. (1985) Longetivity of Natural Rubber in Structural Bearing, Plastics Rubber Proceeding and Application, Vol. 5, No. 3.
Kobayashi A.S., Cherepy R.R., and Kinsel W.C. (1964) A Numerical Procedure for Estimating the Stress Intensity Factor for a Crack in a Finite Plate, Journal of Basic Engineering, Vol. 86, pp. 681-684.
Shigenobu S., Takafumi F., and Mamoru S. (1990) High Damping Rubber Bearings for Seismic Isolation of Building : 2nd Report-Breaking Tests, Journal of JSME, Vol. 56, No. 523, pp. 141-146.
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.