지진격리장치로서 납고무받침의 동적 특성은 주재료인 고무재료의 동적거동과 비선형 성질에 의존하고 있다. 역학적이나 환경적인 영향으로 인해 고무재료에 노화가 진행되고 결국에는 손상이 불가피하게 발생하게 된다. 고무재료의 노화의 주원인은 높은 온도에서 반응열로 인한 산화반응으로 알려져다. 이에 따라 납고무받침의 가속 열 노화실험을 수행하여 열 노화 전 후에 대해 받침의 특성값을 상호 비교하였다. 실험 결과 열 노화 현상은 전단강성과 에너지 감쇠 그리고 등가감소계수에 영향이 있음을 알 수 있었다. 또한 열 노화에 의한 동적특성의 저하를 실제 교량에 적용하여 납고무받침의 열 노화가 교량의 교각의 내진성능에 미치는 영향을 수치해석을 통해 비교분석하였다. 해석결과 납고무받침에 대하여 열 노화에 따른 기본 특성변화가 교량의 내진성능에 미치는 영향은 크지 않음을 알 수 있었다.
지진격리장치로서 납고무받침의 동적 특성은 주재료인 고무재료의 동적거동과 비선형 성질에 의존하고 있다. 역학적이나 환경적인 영향으로 인해 고무재료에 노화가 진행되고 결국에는 손상이 불가피하게 발생하게 된다. 고무재료의 노화의 주원인은 높은 온도에서 반응열로 인한 산화반응으로 알려져다. 이에 따라 납고무받침의 가속 열 노화실험을 수행하여 열 노화 전 후에 대해 받침의 특성값을 상호 비교하였다. 실험 결과 열 노화 현상은 전단강성과 에너지 감쇠 그리고 등가감소계수에 영향이 있음을 알 수 있었다. 또한 열 노화에 의한 동적특성의 저하를 실제 교량에 적용하여 납고무받침의 열 노화가 교량의 교각의 내진성능에 미치는 영향을 수치해석을 통해 비교분석하였다. 해석결과 납고무받침에 대하여 열 노화에 따른 기본 특성변화가 교량의 내진성능에 미치는 영향은 크지 않음을 알 수 있었다.
The dynamic properties of lead rubber bearings, which are used as isolator, are dependent on the main rubber's dynamic behaviors and nonlinear qualities. Rubber materials tend to undergo an aging process under the influence of mechanical or environmental factors, so they can end up inevitably facing...
The dynamic properties of lead rubber bearings, which are used as isolator, are dependent on the main rubber's dynamic behaviors and nonlinear qualities. Rubber materials tend to undergo an aging process under the influence of mechanical or environmental factors, so they can end up inevitably facing damage. A main cause of such aging is known to be oxidization, which occurs through the heat of reaction at high temperatures. Accordingly, in this study an accelerated thermal aging test was carried out in order to compare the characteristic values of the bearings with each other before and after thermal aging occurs. As a result of this experiment, it was found that a thermal aging phenomenon could have an effect on shear stiffness, energy absorption, and equivalent damping coefficients. Furthermore, a decline in the dynamic properties of the lead rubber bearings by means of the thermal aging process was applied to an actual bridge and the effects of such thermal aging on the seismic performance of the bridge were also compared and analyzed based on numerical analysis. As a result of this analysis, it was found that the changes in the basic properties of the lead rubber bearings have a minor effect on the seismic performance of bridges.
The dynamic properties of lead rubber bearings, which are used as isolator, are dependent on the main rubber's dynamic behaviors and nonlinear qualities. Rubber materials tend to undergo an aging process under the influence of mechanical or environmental factors, so they can end up inevitably facing damage. A main cause of such aging is known to be oxidization, which occurs through the heat of reaction at high temperatures. Accordingly, in this study an accelerated thermal aging test was carried out in order to compare the characteristic values of the bearings with each other before and after thermal aging occurs. As a result of this experiment, it was found that a thermal aging phenomenon could have an effect on shear stiffness, energy absorption, and equivalent damping coefficients. Furthermore, a decline in the dynamic properties of the lead rubber bearings by means of the thermal aging process was applied to an actual bridge and the effects of such thermal aging on the seismic performance of the bridge were also compared and analyzed based on numerical analysis. As a result of this analysis, it was found that the changes in the basic properties of the lead rubber bearings have a minor effect on the seismic performance of bridges.
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문제 정의
이에 따라 본 연구는 천연고무를 이용한 납고무받침(LRB)의 열 노화 특성을 평가하기 위해 가속 열 노화실험(accelerated thermal aging test)을 하고 시험체의 열 노화 전후의 특성을 실제 교량에 적용하여 구조해석하고 납고무받침의 노화가 교량의 내진성능에 미치는 영향을 비교분석하였다. 본 연구에서는 납고무받침이 설계 적용된 실제 교량과 가장 근접한 교량을 선정하여 비면진 상태에서 공급역량과 소요역량으로 내진성능을 평가하였다. 이로부터 받침용량이 적정수준임을 확인하고 열 노화에 따른 내진성능 변화를 검토하였다.
본 연구에서는 열 노화 전·후 전단변형 성능을 파악하기 위하여 극한전단파괴실험을 수행하였다.
하지만 지진격리 받침의 노화에 따른 교량의 내진성능의 변화에 대한 연구는 거의 없는 실정이다. 이에 따라 본 연구는 천연고무를 이용한 납고무받침(LRB)의 열 노화 특성을 평가하기 위해 가속 열 노화실험(accelerated thermal aging test)을 하고 시험체의 열 노화 전후의 특성을 실제 교량에 적용하여 구조해석하고 납고무받침의 노화가 교량의 내진성능에 미치는 영향을 비교분석하였다. 본 연구에서는 납고무받침이 설계 적용된 실제 교량과 가장 근접한 교량을 선정하여 비면진 상태에서 공급역량과 소요역량으로 내진성능을 평가하였다.
제안 방법
본 연구에서는 열 노화 전·후 전단변형 성능을 파악하기 위하여 극한전단파괴실험을 수행하였다. 1개의 시험체를 설치하여 실험을 수행하였으며, 고속으로 실험을 수행할 경우 시험체의 전단 변형 능력이 과대하게 평가될 수 있기 때문에 속도 0.52 mm/sec인 저속의 정속파로 최대변형률 까지 수평변위를 가력하였다. 시험체를 설치한 후 최대 설계압축력을 재하하고, 적층고무받침 시험체가 파괴에 이르도록 한쪽방향으로 전단변위를 가한다.
본 연구에서 사용한 시험체는 납고무받침(LRB) 8개를 사용하였다. 각 시험체는 4개씩 열 노화 전후 시험체로 구분하였고, 압축 및 전단특성 실험 후 극한파괴실험을 실시하였으며, 반복재하특성실험은 별도의 1개의 시험체를 사용하여 실험하였다. 또한 시험체의 제작상의 오차 및 실험 중 발생 가능한 오차를 줄이기 위해 각 실험에 대한 결과는 평균값을 취하였다.
5 Hz의 정현파로 설계전단변위로 수평재하 하였다. 각 시험체의 반복 재하수 증가에 따른 전단강성과 등가감쇠비의 변화율은 3, 5, 10, 30, 50회 전단가력 후 각각 측정하였다. 각 시험체의 반복재하에 따른 각 사이클별 전단강성과 등가감쇠비의 변화는 표 5에 나타내었다.
납 고무받침의 노화 전·후의 반복재하 특성을 파악하기 위하여 축-전단실험을 50회 반복재하 하였다. 각각의 시험체를 설치하고, 설계면압으로 수직압력을 가하여 0.5 Hz의 정현파로 설계전단변위로 수평재하 하였다. 각 시험체의 반복 재하수 증가에 따른 전단강성과 등가감쇠비의 변화율은 3, 5, 10, 30, 50회 전단가력 후 각각 측정하였다.
교각의 단면강도, 수평변위 및 유효강성을 산정하기 위하여 상기에 축력의 효과를 고려하여 모멘트-곡률(M-∅)해석을 수행하였다.
교각의 단면해석에서 산정된 유효강성을 구조해석 모델에 적용하고 대상교량의 내진해석 조건에 의한 그림 9의 설계 응답스펙트럼을 하중으로 지진해석을 수행하였다. 고유치 해석을 통해 진동모드의 누적 질량 참여율이 90%이상이 되도록 모드수를 선정하였고 주요 모드형상은 그림 11과 같다.
또한 Choi(2000)은 열 노화에 따른 고무의 분자 구조 변화의 영향을 연구 하였고, 열 노화시간이 증가함에 따라 연속적인 고무가황의 증가로 가교밀도(cross-link density)가 증가함을 알아냈다. 그리고 천연고무를 공기와 염수에 노출시킨 상태에서 온도를 60~120℃까지 변화시켜 고무시편의 인장파괴 실험을 하였다. 그 결과 염수보다 대기중 뜨거운 공기가 더 큰 영향을 미치는 것으로 나타났다(Mott et al.
또한 시험체의 제작상의 오차 및 실험 중 발생 가능한 오차를 줄이기 위해 각 실험에 대한 결과는 평균값을 취하였다. 기초 특성실험인 압축-전단특성 실험은 동일한 시험체로 노화 전과 노화 후에 실시하였다. 또한 극한 전단특성실험은 시험체를 노화 전과 노화 후로 각각 구분하여 실험을 실시하였다.
납 고무받침의 노화 전·후의 반복재하 특성을 파악하기 위하여 축-전단실험을 50회 반복재하 하였다.
납고무받침의 열 노화 전·후의 전단특성을 비교하여 열노화에 따른 압축 및 전단특성을 파악하였다.
납고무받침의 열 노화 전·후의 전단특성을 비교하여 열노화에 따른 압축 및 전단특성을 파악하였다. 노화실험은 노화 전에 전단 특성 및 극한전단특성 실험을 실시하고, 노화 오븐에서 70℃의 온도로 168시간(노화연수 60년 상당) 노화시킨 후 전단특성 실험과 극한 전단파괴실험을 수행하였다. 극한전단 파괴실험 수행시에는 각각 3개의 시험체를 사용하고 실험 후에는 재사용하지 않았다.
기초 특성실험인 압축-전단특성 실험은 동일한 시험체로 노화 전과 노화 후에 실시하였다. 또한 극한 전단특성실험은 시험체를 노화 전과 노화 후로 각각 구분하여 실험을 실시하였다.
본 연구에서는 납고무받침 시험체를 제작하여 가속 열 노화실험을 실시하고 열 노화 전 후의 특성을 분석하였다. 또한 실제 교량의 비면진 상태에서 내진성능을 평가하고 납고무받침을 사용하여 받침의 노화가 교량의 내진성능에 미치는 영향을 비교하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 납고무받침 시험체를 제작하여 가속 열 노화실험을 실시하고 열 노화 전 후의 특성을 분석하였다. 또한 실제 교량의 비면진 상태에서 내진성능을 평가하고 납고무받침을 사용하여 받침의 노화가 교량의 내진성능에 미치는 영향을 비교하였으며 다음과 같은 결론을 얻었다.
비선형 시간이력해석을 수행하기 위해 도로교설계기준의 표준설계응답스펙트럼에 의한 내진설계 조건으로 인공지진파 생성 프로그램 SIMQKE를 사용하여 4개의 인공지진을 작성하였다. 사용된 지진파시간이력 및 지진스펙트럼은 그림 10과 같다.
지반의 영향은 입력지진하중에 반영하고 교각하부는 고정단으로 모델링하였다. 실제거동과 일치되도록 NL Link를 사용하여 받침을 모델링 하였다. 구조물 자중은 프로그램내에서 자동계산되도록 하였으며 포장 등 기타 자중을 모두 고려하였다.
이때 납고무받침의 설계 압축력은 565 kN이고, 각 실험은 설계 압축력을 기준으로 하여 ±30%씩 3회 재하 하였다.
본 연구에서는 납고무받침이 설계 적용된 실제 교량과 가장 근접한 교량을 선정하여 비면진 상태에서 공급역량과 소요역량으로 내진성능을 평가하였다. 이로부터 받침용량이 적정수준임을 확인하고 열 노화에 따른 내진성능 변화를 검토하였다.
478이므로 탄성영역상에서 거동함을 알 수 있다. 이에 따라 교축방향 내진성능 향상에 주목하여 비교분석 하였다.
해석대상 교량의 상부구조는 판요소로 교각은 프레임요소로 모델링하였다. 지반의 영향은 입력지진하중에 반영하고 교각하부는 고정단으로 모델링하였다. 실제거동과 일치되도록 NL Link를 사용하여 받침을 모델링 하였다.
고유치 해석을 통해 진동모드의 누적 질량 참여율이 90%이상이 되도록 모드수를 선정하였고 주요 모드형상은 그림 11과 같다. 지진하중 방향별 30%규정을 적용하여 탄성지진력을 산정하였으며 고정단 교각의 조합지진력 및 진동주기를 정리한 것은 표 10과 같다.
천연고무는 탁월한 탄성능력과 복원능력을 가지고 있어 지진격리 장치에 폭넓게 이용되어왔다. 본 연구에서 사용된 시험체 또한 천연고무의 고유성질에 고무자체의 탄성능력과 복원능력을 유지하고 에너지 흡수 능력을 증가시킨 납고무받침을 사용하였다. 시험체의 크기는 동일하고 주된 구성성분은 천연 고무이다.
극한전단 파괴실험 수행시에는 각각 3개의 시험체를 사용하고 실험 후에는 재사용하지 않았다. 본 연구에서 사용한 시험체는 납고무받침(LRB) 8개를 사용하였다. 각 시험체는 4개씩 열 노화 전후 시험체로 구분하였고, 압축 및 전단특성 실험 후 극한파괴실험을 실시하였으며, 반복재하특성실험은 별도의 1개의 시험체를 사용하여 실험하였다.
시험체의 크기는 동일하고 주된 구성성분은 천연 고무이다. 시험체의 직경은 외부고무두께 10 mm를 포함한 것으로 내부 적층고무 한 층의 두께는 각각 3 mm이고, 고무의 적층 수는 29층으로 적층하였으며, 보강 강판의 두께는 3 mm이다. S1은 한 개의 고무층 구멍을 포함한 자유 표면적에 대한 하중면적의 비로서 1차 형상계수(primary shape factor)이고, S2는 내부고무의 총 두께에 대한 유효폭의 비율을 나타내는 2차 형상계수(secondary shape factor)이다.
자세한 시험체의 제원은 표 1과 같고, 그림 1은 시험체의 형상 및 단면제원을 나타낸 것이다. 열 노화 특성실험에 사용된 납고무받침 시험체는 약 15년 지난 실제교량을 대상으로 설계된 것으로 전단변형률 100%에서 전단탄성계수 값이 0.4 MPa인 천연고무를 사용하였다. 과거 지진격리장치에 대한 설계개념이 정립되지 않아 형상계수가 과소하게 제작되어 현재 설계기준에는 부적합하다.
해석모델링은 그림 7과 동일하나 모든 받침 총 24개를 납고무받침으로 교체하였다. NL Link는 납고무받침의 특성을 해석할 수 있는 Isolator1 요소를 사용하여 모형화 하였다.
데이터처리
각 시험체는 4개씩 열 노화 전후 시험체로 구분하였고, 압축 및 전단특성 실험 후 극한파괴실험을 실시하였으며, 반복재하특성실험은 별도의 1개의 시험체를 사용하여 실험하였다. 또한 시험체의 제작상의 오차 및 실험 중 발생 가능한 오차를 줄이기 위해 각 실험에 대한 결과는 평균값을 취하였다. 기초 특성실험인 압축-전단특성 실험은 동일한 시험체로 노화 전과 노화 후에 실시하였다.
이론/모형
교각 단면특성은 표 8과 같고 콘크리트는 Kent&Park모델을 사용하고 철근은 Menegotto-Pinto 모델을 사용하였다.
시험체의 특성 및 내구성 실험, 평가는 ISO22762(2010)에 따라 특성실험을 수행하였다. 상기의 규격에서는 지진으로부터 교량 혹은 건축구조물을 보호하고자 사용하는 적층고무 받침 형태의 지진격리장치에 대하여 실험방법과 설계기준, 제품검사 기준에 대하여 총 세부분으로 구성되어있다.
성능/효과
1. 납고무받침의 열 노화 전 후 압축특성실험결과 노화 후 압축강성이 약 3.34%가량 감소하였다. 압축-전단특성실험을 통해 열 노화에 따른 전단강성과 등가감쇠비의 변화를 검토한 결과 감소하였다.
2. 납고무받침의 열 노화 전 후의 실험에 의한 특성치를 적용하여 해석을 수행한 결과 지진격리장치를 설치한 교량의 특성이 잘 나타났다. 그러나 교각의 경우 받침의 노화가 최대 0.
3. 납고무받침의 용량 및 배치 등에 따라 교량의 내진성능이 다소 변화될 것이나 본 대상 시험체나 교량조건에서는 납고무받침의 열 노화 특성변화에 따른 교량의 내진성능의 변화는 크지 않음을 알 수 있었다. 받침설계시의 안전율을 고려하면 고무 노화의 영향은 무시할 수준으로 판단된다.
이때 납고무받침의 설계 압축력은 565 kN이고, 각 실험은 설계 압축력을 기준으로 하여 ±30%씩 3회 재하 하였다. 그 결과 시험체의 노화 전 압축강성은 478 kN/mm였으나 열 노화 후 압축강성은 462 kN/mm로 약 3.3%가량 저하되었다. 열 노화 후 하중변위 이력곡선은 그림 2와 같으며, 각 시험체 종류별 변형곡선을 보면 노화 후 압축력은 노화 전에 비해 약간 증가함을 볼 수 있다.
열노화 전후에 대한 해석 결과는 표 15와 같으며 전체적인 경향은 비면진 교량에서는 P1에 집중되는 반면 납고무받침을 설치한 경우 신축이음부이고 받침이 개수가 2배인 P2의 응답이 크게 나타났다. 납고무받침의 열 노화후는 전에 비해 전단력의 경우는 최대 0.68%감소, 모멘트의 경우는 최대 0.70%감소, 교각상단 변위는 최대 0.72%감소하는 정도로 나타났다. 변화의 정도는 크지 않지만 열 노화 전후 받침의 응답에서 알 수 있듯이 변위응답의 증가는 받침이 부담하는 에너지의 증가를 의미하고 결과적으로 교각의 전단력 감소로 나타났다.
압축-전단특성실험을 통해 열 노화에 따른 전단강성과 등가감쇠비의 변화를 검토한 결과 감소하였다. 또한 상기와 동일한 조건에서 50회 반복재하 실험한 결과 전단강성은 평균 2.7%가량 감소하였고, 등가감쇠비는 1.9%감소하였다. 열 노화 전 후 극한 전단파괴실험결과에서도 전단변형률이 노화 후 감소하였으며 열에 따른 영향이 있음을 확인할 수 있었다.
또한 열 노화 전·후의 극한전단파괴실험결과 노화 전보다 노화 후 전단파괴 변위가 감소하였고 평균적으로 약 11%가량 전단변형률이 감소하였다.
열 노화 후 하중변위 이력곡선은 그림 2와 같으며, 각 시험체 종류별 변형곡선을 보면 노화 후 압축력은 노화 전에 비해 약간 증가함을 볼 수 있다. 또한 열 노화 후 수직변위가 노화 전에 비해 감소하고, 기울기는 증가하는 경향을 보였다. 이는 열 노화에 따른 고무의 경도가 증가함에 따라 신장률이 감소되는 것으로 판단된다.
72%감소하는 정도로 나타났다. 변화의 정도는 크지 않지만 열 노화 전후 받침의 응답에서 알 수 있듯이 변위응답의 증가는 받침이 부담하는 에너지의 증가를 의미하고 결과적으로 교각의 전단력 감소로 나타났다.
9%감소하였다. 열 노화 전 후 극한 전단파괴실험결과에서도 전단변형률이 노화 후 감소하였으며 열에 따른 영향이 있음을 확인할 수 있었다.
열 노화 전·후의 압축-전단특성실험 결과 표 4와 같이 전단강성은 노화 전 0.73 kN/mm였으나 노화 후 0.70 kN/ mm로 저하되어 약 4%감소되었다.
또한 교각하단의 모멘트란 받침을 통해 전달되는 상부구조 자중에 의한 관성력과 기둥 자체의 관성력에 대한 기둥길이의 곱이 조합되어 나타난다. 열노화 전후에 대한 해석 결과는 표 15와 같으며 전체적인 경향은 비면진 교량에서는 P1에 집중되는 반면 납고무받침을 설치한 경우 신축이음부이고 받침이 개수가 2배인 P2의 응답이 크게 나타났다. 납고무받침의 열 노화후는 전에 비해 전단력의 경우는 최대 0.
대상교량에 대한 납고무받침의 열 노화전후의 교축방향 주요 모드형상은 그림 11과 같다. 해석결과 교각의 유효강성을 적용한 비면진 교량의 고유주기 T=1.2769보다 납고무받침을 적용한 고유주기가 모두 길게 나타나 지진격리장치가 장착된 교량의 특성을 보이고 있었다. 납고무받침의 열 노화전 T=1.
후속연구
4. 납고무받침의 열에 의한 특성영향과 노화가 교량의 내진성능에 미치는 영향을 명확하게 도출하기 위해서는 온도 조건 및 시간 등을 다양하게 변형한 추가 실험과 받침조건이 다른 다양한 교량에 대한 해석을 실시하여야 할 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
고무의 노화현상은?
납고무받침은 몇 가지 역학적, 환경적인 영향으로 인해 고무재료에 노화가 진행되고 결국에는 손상이 불가피하게 발생하게 된다. 일반적으로 고무는 오랫동안 외기에 노출되어 사용할 경우 경화하여 표면에 균열이 발생하거나 고무표면에 끈적임 등이 발생하며, 이 같은 현상을 노화(aging)라고 한다. 노화의 주원인은 공기 중의 산소에 의한 산화작용이고, 열, 오존, 금속염 등이 고무의 노화를 현저히 촉진한다.
고무 노화의 주원인은?
일반적으로 고무는 오랫동안 외기에 노출되어 사용할 경우 경화하여 표면에 균열이 발생하거나 고무표면에 끈적임 등이 발생하며, 이 같은 현상을 노화(aging)라고 한다. 노화의 주원인은 공기 중의 산소에 의한 산화작용이고, 열, 오존, 금속염 등이 고무의 노화를 현저히 촉진한다. 특히 열에 의해 온도가 높아지면 반응열로 인하여 산화반응의 진행속도가 촉진된다.
열 노화 상태에서 납고무받침의 동적특성이 지진격리 구조물 설계시 중요한 요소인 까닭은?
, 2001). 이와 같이 납고무받침에서의 열 노화(thermal aging)는 높은 온도와 같은 환경에 관계가 있고, 이에 의해 다른 파괴 메커니즘이 발생할 가능성이 있다. 교량과 건물에 설치된 납고무받침이 장기간 열화 환경에 노출되어 노화가 발생하고, 지진과 같은 불확실한 진동이 발생할 경우 구조물에 심각한 피해를 초래할 우려가 있다. 그러므로 열 노화 상태에서 납고무받침의 동적특성은 지진격리 구조물 설계시 내구성 측면에서 중요한 요소 중의 하나이다.
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