납코어가 삽입된 적층고무받침은 주요 재료가 온도에 대한 의존성을 보유하고 있으므로 온도 환경이 장치의 성능에 미치는 영향이 적지 않다. 따라서, 본 논문에서는 대표적인 면진장치인 납면진받침에 대하여 실규모 장치를 제작하고 온도변화에 따른 강성 및 감쇠 특성변화에 대하여 실험을 통하여 분석하고 평가하였다. 실물 크기의 납면진받침을 사용하여 $-10^{\circ}C$, $0^{\circ}C$, $10^{\circ}C$, $20^{\circ}C$, $30^{\circ}C$, $40^{\circ}C$의 온도 조건에 대하여 ISO22762:2010에서 제시하고 있는 특성시험법을 적용하여 수직강성 및 수평특성에 대하여 의존성 경향을 파악하였다. 또한, 면진받침 설계 시 주요한 평가지표로 사용되는 2차강성 및 특성강도에 대하여 해외 제조사에서 제시하고 있는 온도보정식과 시험결과를 비교하였으며 수직강성에 대한 온도의존 경향을 파악하였다.
납코어가 삽입된 적층고무받침은 주요 재료가 온도에 대한 의존성을 보유하고 있으므로 온도 환경이 장치의 성능에 미치는 영향이 적지 않다. 따라서, 본 논문에서는 대표적인 면진장치인 납면진받침에 대하여 실규모 장치를 제작하고 온도변화에 따른 강성 및 감쇠 특성변화에 대하여 실험을 통하여 분석하고 평가하였다. 실물 크기의 납면진받침을 사용하여 $-10^{\circ}C$, $0^{\circ}C$, $10^{\circ}C$, $20^{\circ}C$, $30^{\circ}C$, $40^{\circ}C$의 온도 조건에 대하여 ISO22762:2010에서 제시하고 있는 특성시험법을 적용하여 수직강성 및 수평특성에 대하여 의존성 경향을 파악하였다. 또한, 면진받침 설계 시 주요한 평가지표로 사용되는 2차강성 및 특성강도에 대하여 해외 제조사에서 제시하고 있는 온도보정식과 시험결과를 비교하였으며 수직강성에 대한 온도의존 경향을 파악하였다.
Rubber laminated bearings with lead core are highly affected by changes in temperature because key materials which are rubber and lead have temperature dependencies. In this study, two full scale LRB(D800, S=5) are manufactured and temperature dependency tests on shear properties are accomplished. T...
Rubber laminated bearings with lead core are highly affected by changes in temperature because key materials which are rubber and lead have temperature dependencies. In this study, two full scale LRB(D800, S=5) are manufactured and temperature dependency tests on shear properties are accomplished. The shear properties at the 3rd cycle are used at $-10^{\circ}C$, $0^{\circ}C$, $10^{\circ}C$, $20^{\circ}C$, $30^{\circ}C$, $40^{\circ}C$ respectively. The double shear configuration, simultaneously testing two pieces, is applied for compression shear test in order to minimize the friction effects due to the test machine, described in ISO 22762-1:2010. Characteristic strength, post-yield stiffness, effective stiffness, equivalent damping ratio are estimated and presented coefficient due to the temperature changes.
Rubber laminated bearings with lead core are highly affected by changes in temperature because key materials which are rubber and lead have temperature dependencies. In this study, two full scale LRB(D800, S=5) are manufactured and temperature dependency tests on shear properties are accomplished. The shear properties at the 3rd cycle are used at $-10^{\circ}C$, $0^{\circ}C$, $10^{\circ}C$, $20^{\circ}C$, $30^{\circ}C$, $40^{\circ}C$ respectively. The double shear configuration, simultaneously testing two pieces, is applied for compression shear test in order to minimize the friction effects due to the test machine, described in ISO 22762-1:2010. Characteristic strength, post-yield stiffness, effective stiffness, equivalent damping ratio are estimated and presented coefficient due to the temperature changes.
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문제 정의
본 논문에서는 대표적인 면진장치인 납면진받침에 대하여 저경도 고무를 적용한 실규모 장치를 제작하고 온도변화에 따른 강성 및 감쇠 특성변화에 대하여 실험을 통하여 분석하고 평가하고자 한다.
본 연구에서는 적층고무의 전단탄성계수(Gγ=100%)가 0.392MPa인 저경도 실규모 납면진받침의 온도조건에 따른 수직 및 수평특성 변화를 실험을 통하여 분석하였으며, 장치 제조사에서 제공하고 있지 않은 수직강성의 온도의존성에 대한 경향을 제시하였다.
제안 방법
LRB의 전단 특성은 설계전단변형률 γ0=100%을 가력하여 세 번째 사이클의 이력곡선을 분석한다.
각 시험조건별 온도계측 결과 확인 후 각 온도조건 별로 면진장치 내부와 표면 및 챔버의 온도를 실시간으로 계측하여 목표온도에 도달한 후 특성시험을 수행하였다.
온도의존성시험은 고무소재 전단시험편을 이용하여 실시할 수도 있고 실물 시험체를 실시할 수도 있다. 본 연구에선는 실물 크기의 납면진받침을 사용하여 -10℃, 0℃, 20℃, 30℃, 40℃에 대한 강성변화를 실험을 통하여 분석하였다.
시험온도는 -10℃, 0℃, 10℃, 20℃, 30℃, 40℃에 대하여 실시하였으며, 항온챔버에 시험체를 목표온도에 도달할 때까지 존치하여 목표설정온도에 도달한 것을 확인한 후 특성시험을 수행하였다.
시험체의 목표설정온도 도달 여부는 시험체 제작시에 내부 고무층 중앙부와 외부표면에 설치한 온도센서를 삽입하여 시험체를 제작하였다.
특성시험은 수평변위 ±100%의 변위에 대하여 수평강성특성을 평가하였으며, 기준온도인 20℃에서의 시험결과와 비교하여 특성변화량을 분석하였다. 온도가 -10℃, 0℃, 10℃, 20℃, 30℃, 40℃의 설정온도에 도달한 것을 확인한 후 특성평가 시험을 실시하였다.
특성시험은 수평변위 ±100%의 변위에 대하여 수평강성특성을 평가하였으며, 기준온도인 20℃에서의 시험결과와 비교하여 특성변화량을 분석하였다.
대상 데이터
온도의존성을 위한 시험체는 항온챔버의 크기와 시험기기 설치 시간 등을 고려하여 외경 800mm, 내경 180mm의 시험체를 제작하여 평가하였다.
전단변형률 100%, 면압 13MPa인 상태에서 전단탄성계수 G값이 0.4MPa인 고무를 사용하였으며, 납코어의 지름은 180mm가 적용된 납면진 고무받침을 Table 3의 제원표와 같이 제작하였다. 형상계수는 일반적인 건축용 적층고무계받침에서 사용되고 있는 수치와 유사하게 설계가 이루어졌다.
데이터처리
④ 수직강성의 온도의존성을 파악하고자 -10℃~40℃의 시험결과를 토대로 회귀방정식을 구성하였다. 회귀 모형의 일반화를 위해서 다양한 설계조건에 대하여 추가적인 데이터 축적이 필요하다.
본 논문에서는 실험결과에 대하여 추세를 파악하기 위하여 표준온도 20℃를 기준으로 수직강성의 온도의존성에 대하여 R2=98.8% 수준으로 회귀 방정식을 구성하였다. 회귀 모형의 일반화를 위해서 다양한 설계조건에 대하여 추가적인 데이터 축적이 필요하지만 실규모 납면진받침에 대한 수직강성의 온도의존 경향을 제시할 수 있다고 판단된다.
이론/모형
ISO 22762-1에서 제시하고 있는 압축-전단 시험방법에서 이중전단 시험방법을 채택하였으며, 단일 전단 시험에서 발생하는 시험기의 마찰력의 영향을 제거할 수 있는 장점이 있다.
4.2 압축특성 시험
시험체의 압축 및 압축-전단 특성을 계측하기 위하여 ISO22762에서 제시하고 있는 시험방법을 적용하였다.
압축특성을 파악하기 위하여 ISO22762-1의 method 2를 적용하였으며 가력패턴은 Fig. 2와 같다. 설계 압축응력에 상응하는 압축력 P0의 ±30% 하중을 P1, P2으로 설정하고 압축하중 재하를 3주기 반복한다.
성능/효과
1%가 증가하였다. 30℃ 조건에서는 2차 강성이 1.5%, 특성강도는 12.2%가 감소하였으며 등가감쇠정수는 4.9% 감소하였다.
40℃에서는 2차 강성이 30℃와 동일한 강성이 계측되었으나 특성강도가 19% 감소하였으며 등가감쇠정수는 8.5% 감소하였다.
① 수직강성의 온도의존성 시험에서 세번째 사이클에서 온도 변화에 대한 영향이 명확하게 나타났다. -10℃에서 24.
② 온도별 수평특성에 대한 이력그래프를 작성하였으며 온도 상승에 따라 특성강도가 감소하였으며 에너지소산면적이 감소하였다. 특성강도에 대한 보정식은 브리지스톤사의 다항식이 적절하게 온도의존성을 반영하는 것으로 나타났다.
③ 수평특성에 대한 2차 강성의 온도의존성은 제조사에서 제시하고 있는 보정식이 안전측으로 예측하는 것을 알 수 있다. 브리지스톤보다 OILES의 보정식이 보수적인 수치를 제시하고 있음을 알 수 있다.
건축구조물의 경우 면진층의 거동은 수평방향 특성이 중요하게 작용한다. 면진장치의 수직강성은 개별 오차를 협소하게 제한하는 것보다 전체 면진층의 평균값으로부터 각 개체의 오차범위를 규정하는 것이 적합하다고 판단된다.
③ 수평특성에 대한 2차 강성의 온도의존성은 제조사에서 제시하고 있는 보정식이 안전측으로 예측하는 것을 알 수 있다. 브리지스톤보다 OILES의 보정식이 보수적인 수치를 제시하고 있음을 알 수 있다. 실험결과는 온도 변화에 대하여 강성변화가 적은 것으로 나타났으나 제조사에서 제시하고 있는 보정식에서는 상당한 의존성을 고려하고 있다.
② 온도별 수평특성에 대한 이력그래프를 작성하였으며 온도 상승에 따라 특성강도가 감소하였으며 에너지소산면적이 감소하였다. 특성강도에 대한 보정식은 브리지스톤사의 다항식이 적절하게 온도의존성을 반영하는 것으로 나타났다.
후속연구
8% 수준으로 회귀 방정식을 구성하였다. 회귀 모형의 일반화를 위해서 다양한 설계조건에 대하여 추가적인 데이터 축적이 필요하지만 실규모 납면진받침에 대한 수직강성의 온도의존 경향을 제시할 수 있다고 판단된다. 온도의존성 추세에 대한 방정식은 다음의 식 (15)와 같다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
건축분야에서 지진격리장치가 적용된 사례는?
교량분야에서는 2005년부터 도로교설계기준 내진설계 편에서 지진격리교량 설계규정이 신설되어 상당수의 교량에 지진격리장치가 널리 사용되고 있다. 그리고 건축분야에서는 유니슨기술연구소, 유니슨 신사옥, 부산 LG CNS 데이터 센터, 김포아파트 등 업무용뿐만 아니라 주거용 건축물 등에서 지진격리장치가 적용된 바 있다. 대부분의 면진장치는 안정성이 확인된 적층고무계열 받침이 적용되고 있으며 관련 연구도 지속적으로 이루어지고 있다.
납면진받침의 장점은 무엇인가?
다양한 면진장치가 개발되고 적용되고 있지만 전술한 세가지 면진장치의 기본조건을 모두 만족하는 장치이며 가장 많은 적용실적을 보이고 있는 장치는 납면진받침(LRB;Lead Rubber Bearing)이다. 적층고무에 의한 복원력, 납코어의 높은 감쇠율 및 재결정화 능력, 높은 항복 전・후 강성의 차이에 따른 높은 면진효과 뿐만 아니라 여진에 대한 안정성도 보유하고 있다. 그러나 면진장치의 거동이 소재변형에 기반을 두고 있기 때문에 주요 구성소재인 탄성체와 납코어의 온도변화와 경년에 따른 특성 변화에 따른 연구가 계속되고 있으며 관련 규제도 개선되고 있다.
면진시스템의 시초는?
면진시스템은 기원전 600년 미끄럼 구조 등을 사용하여 지진격리를 위하여 적용된 기록이 있으나 20세기 중반 탄성 받침이 개발되면서 활성화되기 시작하였다. 면진장치에 대한 다양한 기술개발과 개선이 이루어지면서 강진지역에서는 건축물, 교량 구조물뿐만 아니라 높은 안정성이 요구되는 원전 구조물에도 다수 적용되고 있다.
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