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문제 정의
- 본 연구에서는 고감쇠 고무받침(HDRB)을 적용한 교량에 대한 지진격리 성능에 대하여 연구하였다. 진동대 실험에 앞서 축소 시험체에 대한 특성실험 통하여 고감쇠 고무받침의 기초특성을 검증하였다.
- 특성실험은 시험체의 기초 특성을 파악하기 위해 실시하였다. 지진격리장치 설계시 가장 기본이 되는 압축 강성(Compression Stiffness), 전단강성(Shear Stiffness) 그리고 감쇠비(Damping Ratio) 등의 특성을 파악하고자 압축특성실험과 전단특성실험을 수행하였다.
제안 방법
- 고감쇠 고무받침의 전단변형률에 따른 전단강성과 등가감쇠비의 변화를 파악하기 위하여 다양한 전단 변위에 대하여 압축-전단실험을 수행하였다. 가력변위는 10%, 20%, 50%, 100%, 150% 등 5가지의 전단변형률에 해당 되는 전단 변위에서 실험을 수행하였다. 실험결과는 Fig.
- 교축방향으로 두 개씩의 교각을 가지는 실험 교량은 2차원적인 평면거동에서 크게 벗어나지 않을 것으로 예상되나 본 연구에서는 실제 실험용 교량을 단순화시켜 해석을 수행하였다. 각 교각과 상판은 빔 요소(Beam Element)를 사용하여 모델링 하였다. 지진격리장치의 특성을 구현하기 위하여 고감쇠 고무받침은 점성감쇠요소, 마찰감쇠요소, 스프링요소를 사용하였다.
- 고감쇠 고무받침 시험체에 반복하중을 가력하여 이에 따른 전단강성과 등가감쇠비의 변화를 파악하였다. 실험은 상온에서 설계면압이 일정하게 유지되도록 수직하중을 일정하게 재하한 상태에서 해당 설계전단변위가 발생하도록 50회 반복재하 하였다.
- 고감쇠 고무받침 시험체의 수직강성을 얻고자 상온에서 고감도 변위계를 설치하여 실험을 수행하였다. 압축 특성실험결과 압축강성은 Table 2와 같이 912kN/mm로 나타났으며, 설계값에 비해 약 5%의 오차가 발생하여 평가기준인 ±30%(ISO 22792, 2010)를 만족하였다.
- 지진격리장치 설계시 가장 기본이 되는 압축 강성(Compression Stiffness), 전단강성(Shear Stiffness) 그리고 감쇠비(Damping Ratio) 등의 특성을 파악하고자 압축특성실험과 전단특성실험을 수행하였다. 고감쇠 고무받침(HDRB)은 지진격리장치의 일종으로써 받침의 특성 및 내진성능을 평가하기 위해 설계 및 제작하였다. 실험체의 설계는 지진격리장치의 강성(Stiffness)을 산정하고, 고무의 두께와 강재 보강판의 두께를 산정한 후 유효강성 및 수직강성을 계산하였다(ISO 22762, 2010).
- 고감쇠 고무받침(HDRB)이 적용된 축소교량을 대상으로 유한요소해석 프로그램을 이용하여 교축 지진해석을 수행하고 그 결과를 비교 분석하였다. 지진해석에 사용된 입력지진으로는 진동대 실험에 사용되었던 Akita, El Centro, Hachinohe, Mexico City, Northridge 및 Taft의 6개의 계기 지진파를 사용하였다.
- 고감쇠 고무받침의 전단변형률에 따른 전단강성과 등가감쇠비의 변화를 파악하기 위하여 다양한 전단 변위에 대하여 압축-전단실험을 수행하였다. 가력변위는 10%, 20%, 50%, 100%, 150% 등 5가지의 전단변형률에 해당 되는 전단 변위에서 실험을 수행하였다.
- 11와 같다. 교축방향으로 두 개씩의 교각을 가지는 실험 교량은 2차원적인 평면거동에서 크게 벗어나지 않을 것으로 예상되나 본 연구에서는 실제 실험용 교량을 단순화시켜 해석을 수행하였다. 각 교각과 상판은 빔 요소(Beam Element)를 사용하여 모델링 하였다.
- 지진격리장치의 특성을 구현하기 위하여 고감쇠 고무받침은 점성감쇠요소, 마찰감쇠요소, 스프링요소를 사용하였다. 대상 실험용 교량을 SAP 2000을 이용하여 모델링하고 자유진동해석을 수행하였다. 해석결과 대상 교량의 고유주기는 0.
- 이와 같이 받침 시험체의 특성실험 후, 1/5 축소모형 교량에 대한 진동대 실험을 통하여 지진응답을 분석함으로써 지진격리 교량의 실제 지진응답 특성을 검토하고, 지진응답 저감 효과를 분석하였다. 또한 동일 실험체에 대한 지진해석을 통해 진동대 실험과 비교 분석하였다. 진동대 실험에 사용되는 입력지진파는 실제 외국에서 발생 되었던 계기지진 기록을 이용하여 수행하였다.
- 교량 축소모형에 대한 진동대 실험은 과거 지진파나 인공지진파를 생성하여 설제 구조물에 미칠 수 있는 영향을 모사함으로써 구조물의 응답을 평가하고 내진성능을 평가함으로써 신뢰성을 확보하는데 중요한 판단기준이 된다. 본 연구에서는 고감쇠 고무받침을 대상으로 기초 특성시험을 실시하고, 축소교량에 고감쇠 고무받침을 적용한 지진격리와 비 지진격리의 경우로 구분하여 진동대 실험 및 지진해석을 실시하였다. 그 결과를 정리하면 다음과 같다.
- 본 연구에서는 고감쇠 고무받침이 적용된 축소교량을 이용하여 진동대 실험을 실시하여 지진격리 설계에 따른 교량의 거동특성을 분석하고 상판의 응답 가속도, 교각의 밑면 전단력 및 받침의 변형을 비교 분석하였다. 상판의 응답가속도와 교각 밑면 전단력의 경우 고감쇠 고무 받침은 비교적 안정적으로 강한 지진뿐만 아니라 약한 지진에 대해서도 비교적 높은 에너지 감소율을 나타내었다.
- 본 연구에서는 지진격리장치의 진동대 실험 결과를 이용하여 내진해석을 수행하여 진동대 실험결과와 비교하여 실험의 타당성을 검증하였다.
- 상판의 응답가속도는 고감쇠 고무받침을 이용한 지진격리(Ioslation)인 경우와 핀 받침(Pin Bearing)을 적용한 비 지진격리(Non-Isolation)인 경우를 비교하였다. 상판의 응답가속도는 Mexico City 지진의 경우를 제외하고 대부분의 경우 고감쇠 고무받침을 사용했을 때 비 지진격리의 경우에 비하여 상판의 가속도 감소량이 훨씬 크게 나타났다.
- 실험체의 압축응력에 따른 의존특성을 검토하기 위하여 압축응력을 변화시켜 압축-전단실험을 실시하였다. 실험은 상온상태에서 설계면압이 유지되도록 수직하중을 가력하고 설계전단변위가 발생하도록 0.5Hz의 정현파를 11회 반복재하 하였다. 실험은 설계면압의 0%, 50%, 100%, 150%, 200%에 해당하는 면압에서 수행하였다.
- 주파수 변화에 따른 고감쇠 고무받침의 전단강성과 등가감쇠의 변화를 파악하기 위하여 주파수를 변화시켜 압축-전단실험을 실시하였다. 실험은 상온에서 설계 면압이 일정하게 유지되도록 수직하중을 재하하고 0.001Hz, 0.005Hz, 0.01Hz, 0.1Hz, 0.2Hz, 0.3Hz, 0.4Hz, 0.5Hz, 0.7Hz 등 총 9가지 주파수에서 수행하였다. 실험결과 주파수가 증가함에 따라 전단강성 및 등가감쇠비는 각각 23%가량 증가하는 경향을 나타내었다.
- 고감쇠 고무받침 시험체에 반복하중을 가력하여 이에 따른 전단강성과 등가감쇠비의 변화를 파악하였다. 실험은 상온에서 설계면압이 일정하게 유지되도록 수직하중을 일정하게 재하한 상태에서 해당 설계전단변위가 발생하도록 50회 반복재하 하였다. 실험결과 Fig.
- 5Hz의 정현파를 11회 반복재하 하였다. 실험은 설계면압의 0%, 50%, 100%, 150%, 200%에 해당하는 면압에서 수행하였다. 실험결과 면압이 증가함에 따라 등가감쇠비는 증가하는 경향을 나타났다.
- 고감쇠 고무받침(HDRB)은 지진격리장치의 일종으로써 받침의 특성 및 내진성능을 평가하기 위해 설계 및 제작하였다. 실험체의 설계는 지진격리장치의 강성(Stiffness)을 산정하고, 고무의 두께와 강재 보강판의 두께를 산정한 후 유효강성 및 수직강성을 계산하였다(ISO 22762, 2010). Table 1은 진동대 실험을 위하여 제작된 고감쇠 고무받침의 설계조건이고, Fig.
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3.3 압축응력 의존성 실험
실험체의 압축응력에 따른 의존특성을 검토하기 위하여 압축응력을 변화시켜 압축-전단실험을 실시하였다
. 실험은 상온상태에서 설계면압이 유지되도록 수직하중을 가력하고 설계전단변위가 발생하도록 0. - 진동대 실험에 앞서 축소 시험체에 대한 특성실험 통하여 고감쇠 고무받침의 기초특성을 검증하였다. 이와 같이 받침 시험체의 특성실험 후, 1/5 축소모형 교량에 대한 진동대 실험을 통하여 지진응답을 분석함으로써 지진격리 교량의 실제 지진응답 특성을 검토하고, 지진응답 저감 효과를 분석하였다. 또한 동일 실험체에 대한 지진해석을 통해 진동대 실험과 비교 분석하였다.
- 주파수 변화에 따른 고감쇠 고무받침의 전단강성과 등가감쇠의 변화를 파악하기 위하여 주파수를 변화시켜 압축-전단실험을 실시하였다. 실험은 상온에서 설계 면압이 일정하게 유지되도록 수직하중을 재하하고 0.
- 특성실험은 시험체의 기초 특성을 파악하기 위해 실시하였다. 지진격리장치 설계시 가장 기본이 되는 압축 강성(Compression Stiffness), 전단강성(Shear Stiffness) 그리고 감쇠비(Damping Ratio) 등의 특성을 파악하고자 압축특성실험과 전단특성실험을 수행하였다. 고감쇠 고무받침(HDRB)은 지진격리장치의 일종으로써 받침의 특성 및 내진성능을 평가하기 위해 설계 및 제작하였다.
- 본 연구에서는 고감쇠 고무받침(HDRB)을 적용한 교량에 대한 지진격리 성능에 대하여 연구하였다. 진동대 실험에 앞서 축소 시험체에 대한 특성실험 통하여 고감쇠 고무받침의 기초특성을 검증하였다. 이와 같이 받침 시험체의 특성실험 후, 1/5 축소모형 교량에 대한 진동대 실험을 통하여 지진응답을 분석함으로써 지진격리 교량의 실제 지진응답 특성을 검토하고, 지진응답 저감 효과를 분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서 사용된 지진파는 미국에서 발생된 실제 지진기록인 El Centro, Taf을 비롯하여 일본에서 발생한 Hachinohe와 Akita과 Mexico City지진 등 총 6개의 계기 지진파를 입력 지진파로 사용하였다. 실험에 사용된 입력 지진의 개요는 Table 6과 같다.
- 각 교각과 상판은 빔 요소(Beam Element)를 사용하여 모델링 하였다. 지진격리장치의 특성을 구현하기 위하여 고감쇠 고무받침은 점성감쇠요소, 마찰감쇠요소, 스프링요소를 사용하였다. 대상 실험용 교량을 SAP 2000을 이용하여 모델링하고 자유진동해석을 수행하였다.
- 고감쇠 고무받침(HDRB)이 적용된 축소교량을 대상으로 유한요소해석 프로그램을 이용하여 교축 지진해석을 수행하고 그 결과를 비교 분석하였다. 지진해석에 사용된 입력지진으로는 진동대 실험에 사용되었던 Akita, El Centro, Hachinohe, Mexico City, Northridge 및 Taft의 6개의 계기 지진파를 사용하였다. 지진격리 교량에 대한 지진해석을 통해 교량 상판의 수평방향 응답가속도와 교각의 밑면 전단력은 Table 10와 같다.
- 또한 동일 실험체에 대한 지진해석을 통해 진동대 실험과 비교 분석하였다. 진동대 실험에 사용되는 입력지진파는 실제 외국에서 발생 되었던 계기지진 기록을 이용하여 수행하였다.
- 진동대 실험용 축소모형은 3경간 연속 Steel Plate Girder 교량을 상사율에 따라 1/5로 축소하여 재구성한 교량으로 철골로 제작되었다. 또한, 교량 상부구조물의 총중량은 약 12.
- 진동대 실험을 통한 데이터 측정대상은 힘, 변위 및 가속도이며, 이를 위하여 Table 5, Fig. 7과 같이 교각의 지진격리장치 설치위치에 하중계를 2개소 설치하고, 기초부와 지진격리장치하부, 하중계 상부에 각각 변위계를 설치하였다. 또한, 가속도계는 기초부와 지진격리장치 하부, 상부판 중앙에 각각 1개씩 부착하였다.
성능/효과
- (1) 고감쇠 고무받침의 등가 감쇠비는 주파수 및 면압에 대하여 비교적 큰 의존성을 나타내었으나, 전단변형률에 대해서는 의존성이 낮은 것으로 나타났다. 이와 같이 등가 감쇠비의 주파수 및 면압의존성이 큰 것은 고감쇠 고무 분자 사이의 점성 및 마찰 감쇠 요소의 영향 때문이라 판단된다.
- (2) 진동대 실험을 통한 상판의 최대응답 가속도의 경우 비 지진격리장치에 대비하여 최대 61.4% 감소율을 보였다. 또한 교각 밑면의 최대 전단력은 비 지진격리의 경우에 비해 최대 75.
- (3) 진동대 실험결과 각 실험에 따른 교각과 지진격리 장치에 대한 상대변위 변화는 평균적으로 4배 가량 변위가 증가하였다. 이는 지진격리장치의 사용에 의해 고유주기가 증가하여 상부구조물의 변위를 증가시킨 것이다.
- (4) 고감쇠고무받침은 강진이나 중약진에 상관없이 안정적인 거동을 보였으며, 응답가속도나 교각의 밑면 전단력을 저감시키는 데에도 우수한 것으로 평가되었다. 이러한 실험결과를 바탕으로 지진격리장치를 사용함으로써 내진성능을 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
- 고감쇠 고무받침을 이용한 지진격리 방법이 비 지진격리 방법에 비해 2.9∼7.1배 상대변위가 증가하였다.
- 이 경우 유효 진동수가 증폭된 지진격리구조는 그 역할을 하지 못하고 구조물의 응답이 오히려 증가할 우려가 있으므로 지진격리장치를 적용하는데 있어 주의해야 할 것으로 판단된다. 그리고 Mexico City 지진파의 고유진동수와 시험체 구조물의 고유진동수가 거의 일치하여 발생하는 공진(Resonance) 현상에 의해 지진응답이 크게 증폭될 가능성이 있는 것으로 판단된다. 도로교설계기준(2012)의 내진설계편에 의하면 연약지반이나 교각의 높이가 높아 고유주기가 길어지는 경우 오히려 응답이 증폭될 수 있으므로 지진격리설계를 하지 않도록 하고 있다.
- 4% 감소율을 보였다. 또한 교각 밑면의 최대 전단력은 비 지진격리의 경우에 비해 최대 75.9% 응답이 감소하여 지진시 에너지 저감효과가 우수함을 알 수 있었다. 이처럼 여러 종류의 계기지진파를 이용한 진동대 실험결과를 비교 분석한 결과 고감쇠 고무 받침과 같은 지진격리장치를 설치한 교량의 교각 상부에서 상판으로 전달되는 최대응답가속도의 우수한 지진에너지 소산 능력과 교각의 전단력 감소효과를 확인할 수 있었다.
- 초기 1회와 50회에서의 전단특성을 비교하면 전단강성과 등가감쇠비는 각각 12%, 5% 감소하였다. 또한, 동일 시험체를 반복시험 후 초기온도 상태로 식힌 후 전단특성실험을 실시한 결과 전단강성과 등가감쇠비는 반복실험 초기값에 비하여 각각 4%, 2% 감소하여 온도의 변화에 따른 영향이 있음을 알 수 있었다.
- 2와 같으며, 전단변형률이 증가함에 따라 전단강성 (Shear Stiffness)은 56% 가량 감소하였다. 또한, 등가 감쇠비(Equivalent Damping Ratio)는 가력 변위가 증가함에 따라 감소하여 약 16%정도 감소하였다.
- 상판의 응답가속도는 고감쇠 고무받침을 이용한 지진격리(Ioslation)인 경우와 핀 받침(Pin Bearing)을 적용한 비 지진격리(Non-Isolation)인 경우를 비교하였다. 상판의 응답가속도는 Mexico City 지진의 경우를 제외하고 대부분의 경우 고감쇠 고무받침을 사용했을 때 비 지진격리의 경우에 비하여 상판의 가속도 감소량이 훨씬 크게 나타났다. 특히 El Centro 지진은 61.
- 실험은 상온에서 설계면압이 일정하게 유지되도록 수직하중을 일정하게 재하한 상태에서 해당 설계전단변위가 발생하도록 50회 반복재하 하였다. 실험결과 Fig. 5와 같이 초기 3회까지는 전단강성이 비교적 변화가 크게 나타났지만, 그 이후 반복회수에는 변화폭이 조금씩 감소하는 경향을 나타냈다. 초기 1회와 50회에서의 전단특성을 비교하면 전단강성과 등가감쇠비는 각각 12%, 5% 감소하였다.
- 실험은 설계면압의 0%, 50%, 100%, 150%, 200%에 해당하는 면압에서 수행하였다. 실험결과 면압이 증가함에 따라 등가감쇠비는 증가하는 경향을 나타났다. 이와 같이 면압의존성이 크게 나타난 것은 면압이 증가하면서 고무 분자간 점성 및 마찰감응 요소가 증가했기 때문이라고 판단된다.
- 7Hz 등 총 9가지 주파수에서 수행하였다. 실험결과 주파수가 증가함에 따라 전단강성 및 등가감쇠비는 각각 23%가량 증가하는 경향을 나타내었다. Fig.
- 가력변위는 10%, 20%, 50%, 100%, 150% 등 5가지의 전단변형률에 해당 되는 전단 변위에서 실험을 수행하였다. 실험결과는 Fig. 2와 같으며, 전단변형률이 증가함에 따라 전단강성 (Shear Stiffness)은 56% 가량 감소하였다. 또한, 등가 감쇠비(Equivalent Damping Ratio)는 가력 변위가 증가함에 따라 감소하여 약 16%정도 감소하였다.
- 압축 특성실험결과 압축강성은 Table 2와 같이 912kN/mm로 나타났으며, 설계값에 비해 약 5%의 오차가 발생하여 평가기준인 ±30%(ISO 22792, 2010)를 만족하였다.
- (2002)은 각각 지진 격리된 3층, 5층 구조물의 내진성능을 평가하기 위해 다양한 지진파를 입력하여 유사동적 실험 및 진동대 실험하였다. 이를 통해 고무받침을 이용한 지진격리 구조가 지진동에 효과적인 방법임을 확인하였다.
- 9% 응답이 감소하여 지진시 에너지 저감효과가 우수함을 알 수 있었다. 이처럼 여러 종류의 계기지진파를 이용한 진동대 실험결과를 비교 분석한 결과 고감쇠 고무 받침과 같은 지진격리장치를 설치한 교량의 교각 상부에서 상판으로 전달되는 최대응답가속도의 우수한 지진에너지 소산 능력과 교각의 전단력 감소효과를 확인할 수 있었다.
- 5와 같이 초기 3회까지는 전단강성이 비교적 변화가 크게 나타났지만, 그 이후 반복회수에는 변화폭이 조금씩 감소하는 경향을 나타냈다. 초기 1회와 50회에서의 전단특성을 비교하면 전단강성과 등가감쇠비는 각각 12%, 5% 감소하였다. 또한, 동일 시험체를 반복시험 후 초기온도 상태로 식힌 후 전단특성실험을 실시한 결과 전단강성과 등가감쇠비는 반복실험 초기값에 비하여 각각 4%, 2% 감소하여 온도의 변화에 따른 영향이 있음을 알 수 있었다.
- 상판의 응답가속도는 Mexico City 지진의 경우를 제외하고 대부분의 경우 고감쇠 고무받침을 사용했을 때 비 지진격리의 경우에 비하여 상판의 가속도 감소량이 훨씬 크게 나타났다. 특히 El Centro 지진은 61.4% 감소하였고, Hachinihe 지진은 53.5%, Taft 지진은 56.3% 감소하여, PGA가 높을수록 지진격리에 따른 감소율이 증가하였다. 그러나 Mexico City 지진에서는 고감쇠 고무받침을 적용할 경우 상판의 응답이 오히려 4% 증가함을 알 수 있었다.
후속연구
- (5) Mexico City와 같이 지반이 교란된 연약지반에 지진격리설계를 할 경우 연약지반에 의하여 저진동수 영역의 지진운동이 증폭되어 지진격리구조는 그 역할을 하지 못하고 구조물의 응답이 오히려 증가할 우려가 있으므로 지진격리장치를 적용하는데 있어 주의해야 할 것으로 판단된다.
- 이와 같이 시간에 따른 교량의 거동 양상은 해석과 실험에 있어서 거의 유사하며 최대값에 있어서도 큰 차이는 나타나지 않고 있다. 따라서 본 해석방법은 지진하중 작용시 교량의 거동을 효율적으로 예측할 수 있고, 주요 재료인 고무의 비선형 거동특성에 대한 실험적 데이터를 구축하고 해석시 고려한다면 보다 정확한 해석결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.
- (4) 고감쇠고무받침은 강진이나 중약진에 상관없이 안정적인 거동을 보였으며, 응답가속도나 교각의 밑면 전단력을 저감시키는 데에도 우수한 것으로 평가되었다. 이러한 실험결과를 바탕으로 지진격리장치를 사용함으로써 내진성능을 향상 시킬 수 있을 것으로 판단된다.
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