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문제 정의
- 본 논문에서는 테프론 또는 제강슬래그를 활용한 기초형 지진격리장치의 면진성능을 분석하였다. 기초형 지진격리장치는 기존의 구조형 격리장치와 비교할 때 경제성이 높으며 큰 변위를 허용할 수 있는 장점이 있다.
- 이에 본 연구에서는 지진격리장치와 상부구조물에 큰 하중이 직접적으로 전달되도록 강성지반을 조성하였으며, 그 위에 지진격리장치와 상부구조물을 설치하였다. 본 실험의 목적은 전도형 면진 기초의 진동저감과 주기변화 효과를 파악하는 데 있기 때문에 상부구조물 모형을 전도가 발생할 수 있는 형태로 제작하였다. 상부구조물 기초, 기둥, 그리고 상부질량(Mass)에 x축(좌우), z축(상하) 방향으로 가속도계를 설치하였으며, 상부구조물 기초와 상부질량(Mass)에 변위계를 설치하였다(Fig.
- 시간축소가 다른 입력파의 가속도 저감효과를 살펴보기 위해 동일한 크기의 모형구조물에 다양한 상사비에 따라 시간이 축소된 입력파를 적용하였다. 지속시간이 짧은 지진파를 상사비가 매우 큰 경우에 입력파로 사용하면 입력파의 지속시간이 매우 짧게 적용되기 때문에 이러한 시간영향이 실제로 응답결과에 영향을 미치는지를 분석해보았다. 적용된 상사비는 1, 30, 60이다.
가설 설정
- prototype 크기에서의 입력파의 응답스펙트럼 주기영역은 비슷하지만(Fig. 9(c), (d)), prototype 구조물의 크기가 다르기 때문에 각 상사비 크기에 대한 prototype 구조물의 고유주기도 다르다. 하지만 실험결과에 따르면, 1/30 축소크기와 1/60 축소 크기의 구조물은 가속도 변화에서 큰 차이를 보이지 않았다.
제안 방법
- 1-G 진동대 실험을 수행하여 테프론과 제강슬래그를 이용한 지진격리장치의 면진성능을 분석하였고, 요약 및 결론은 다음과 같다.
- 5∼7는 각각 고정기초 구조물, 테프론형 지진격리장치, 제강슬래그형 지진격리장치에서의 최대응답가속도비를 세가지 상사비의 입력파에 따라 나타낸 것이다. Input, Bottom, Foundation, Pier, Mass로 위치를 분류하였으며, 각각 입력파, 지진격리장치 상부, 구조물 하부기초, 기둥, Mass 부분이다. 실험에 사용된 모형구조물의 크기는 동일하지만, 1, 30, 60의 상사비를 적용하였기 때문에 결과적으로 prototype 구조물의 크기가 1, 30, 60배로 증가하게 된다.
- 3의 계측지진이다. 각각의 입력파에 대한 실험 종료 후 구조물 기둥의 변형과 구조물 상부와 하부부분과의 상대변위를 통해 상부구조물 손상을 확인하면서 실험을 수행하였으며, 구조물이 손상되지 않으면 발생한 변위만 다시 원점으로 조정하여 다음 실험을 수행하였다.
- 지반, 격리층, 구조물 하부기초, 구조물 기둥, 상부 상부질량(Mass) 등 다섯가지 구조물 위치에서의 구조물의 크기, 탄성계수, 단면2차모멘트, 그리고 각 재료의 단위 중량을 이용하여 각 위치에서의 구조물의 무게와 강성을 구하였다. 그리고 구조해석 프로그램인 MIDAS를 이용하여 축소된 모형구조물을 모델링하여 전체시스템에 대한 고유치 해석을 수행하였다. 모형구조물 자체에 대한 고유치 해석 결과, 고정기초구조물의 고유주파수는 53.
- 다양한 가속도 수준(0.03g～1.0g)의 지진파로 실험을 하였으며, 구조물 각 위치에서의 응답가속도 및 응답스펙트럼을 분석하였다. 시간축소가 다른 입력파의 가속도 저감효과를 살펴보기 위해 동일한 크기의 모형구조물에 다양한 상사비에 따라 시간이 축소된 입력파를 적용하였다.
- 2의 상부를 슬래브 형식 그대로 만들어 실험하게 되면 파괴의 위험이 있기 때문에 집중질량으로 바꾸어 폭이 좁고 높이가 긴 형태로 제작하였다. 모형구조물의 크기는 원형구조물보다 60배 축소된 크기이며, 입력파의 실험 상사비는 1, 30, 60으로 다양하게 적용하여 실험하였다. 모형실험의 지진격리장치 재료는 테프론과 제강슬래그를 사용하였으며, 제강슬래그의 입도분포는 상사비를 고려한 평행입자분포법(Parallel grading method)으로 결정하였다.
- 본 실험의 목적은 전도형 면진 기초의 진동저감과 주기변화 효과를 파악하는 데 있기 때문에 상부구조물 모형을 전도가 발생할 수 있는 형태로 제작하였다. 상부구조물 기초, 기둥, 그리고 상부질량(Mass)에 x축(좌우), z축(상하) 방향으로 가속도계를 설치하였으며, 상부구조물 기초와 상부질량(Mass)에 변위계를 설치하였다(Fig. 3). 입력파는 실지진파(Chichi)를 사용하여 실험을 수행하였다.
- 0g)의 지진파로 실험을 하였으며, 구조물 각 위치에서의 응답가속도 및 응답스펙트럼을 분석하였다. 시간축소가 다른 입력파의 가속도 저감효과를 살펴보기 위해 동일한 크기의 모형구조물에 다양한 상사비에 따라 시간이 축소된 입력파를 적용하였다. 지속시간이 짧은 지진파를 상사비가 매우 큰 경우에 입력파로 사용하면 입력파의 지속시간이 매우 짧게 적용되기 때문에 이러한 시간영향이 실제로 응답결과에 영향을 미치는지를 분석해보았다.
- 이러한 지진격리장치의 면진성능을 평가하기 위해 축소모형을 조성하였으며, 동일한 상부구조물을 지지하는 고정기초, 전도기초 등으로 기초조건을 변경해가며 1-G 진동대 실험을 수행하였다. 실험결과 분석을 통해 상부구조물의 기초조건과 두가지 재료에 대한 지반형 지진격리장치의 면진성능을 평가하였다.
- 2와 같으며, Iai(1989)가 제안한 상사법칙을 적용하여 축소모형을 제작하였다(Table 1). 원형구조물은 그리스의 Rion-Antiion 교량을 참고하였으며, 슬래브 형태의 원형구조물은 제작에 어려움이 있어 사각형 형상으로 바꾸어 제작했다. 상부구조의 질량은 상부에 가해지는 슬래브의 자중 등을 고려하여 결정하였다.
- 적용된 상사비는 1, 30, 60이다. 응답결과는 지진격리층 위치(Bottom), 상부구조물 기초, 기둥, 상부질량(Mass)로 분류하여 각 위치별로 나타내었다.
- 향후 제강슬래그와 형태가 유사한 자연 자갈이나 쇄석 등과 제강슬래그의 공학적 성능을 비교하는 깊이 있는 실험적 연구가 필요하다고 판단된다. 이러한 지진격리장치의 면진성능을 평가하기 위해 축소모형을 조성하였으며, 동일한 상부구조물을 지지하는 고정기초, 전도기초 등으로 기초조건을 변경해가며 1-G 진동대 실험을 수행하였다. 실험결과 분석을 통해 상부구조물의 기초조건과 두가지 재료에 대한 지반형 지진격리장치의 면진성능을 평가하였다.
- 하지만 구조물에 도달하는 입력파가 연약지반에서 크게 감쇠가 되어 강진조건에서의 면진특성을 평가할 수 없는 문제가 있었다. 이에 본 연구에서는 지진격리장치와 상부구조물에 큰 하중이 직접적으로 전달되도록 강성지반을 조성하였으며, 그 위에 지진격리장치와 상부구조물을 설치하였다. 본 실험의 목적은 전도형 면진 기초의 진동저감과 주기변화 효과를 파악하는 데 있기 때문에 상부구조물 모형을 전도가 발생할 수 있는 형태로 제작하였다.
- 지반, 격리층, 구조물 하부기초, 구조물 기둥, 상부 상부질량(Mass) 등 다섯가지 구조물 위치에서의 구조물의 크기, 탄성계수, 단면2차모멘트, 그리고 각 재료의 단위 중량을 이용하여 각 위치에서의 구조물의 무게와 강성을 구하였다. 그리고 구조해석 프로그램인 MIDAS를 이용하여 축소된 모형구조물을 모델링하여 전체시스템에 대한 고유치 해석을 수행하였다.
- 실험에 사용된 강성지반, 지진격리장치, 그리고 상부구조물의 물성치는 Table 2와 같다. 지반과 상부구조물은 각각 시멘트 몰탈과 콘크리트로 제작하였다.
- 테프론과 상부구조물, 제강슬래그와 상부구조물 간의 마찰력을 구하기 위해 실내시험을 수행하였다. 직접 전단시험기를 이용하여 하부에는 테프론 또는 제강슬래그를 조성하고, 상부에는 제작한 콘크리트 공시체를 설치하였다.
대상 데이터
- 건설연구인프라운영원 진동대를 사용하여 1-G 진동대 실험을 수행하였다. 기존에 Son 등(2014)은 제강슬래그를 이용한 지반형 지진격리장치를 연약지반 위에 설치하여 실험을 수행하고, 면진특성을 평가하였다.
- 본 실험에서는 상사비가 크기 때문에 시간 상사비를 적용해 입력파의 지속시간을 축소할 경우, 모형실험에 사용되는 입력파의 지속시간이 매우 짧을 수 있다. 이에 입력파의 지속시간이 매우 길고 단주기 성분을 가지면서 장주기 성분도 가지고 있는 Chichi 지진파를 사용하였다. Chichi 지진은 대만 Chichi에서 1999년 9월 21일 발생한 규모 7.
- 3). 입력파는 실지진파(Chichi)를 사용하여 실험을 수행하였다. 본 실험에서는 상사비가 크기 때문에 시간 상사비를 적용해 입력파의 지속시간을 축소할 경우, 모형실험에 사용되는 입력파의 지속시간이 매우 짧을 수 있다.
이론/모형
- 모형구조물의 크기는 원형구조물보다 60배 축소된 크기이며, 입력파의 실험 상사비는 1, 30, 60으로 다양하게 적용하여 실험하였다. 모형실험의 지진격리장치 재료는 테프론과 제강슬래그를 사용하였으며, 제강슬래그의 입도분포는 상사비를 고려한 평행입자분포법(Parallel grading method)으로 결정하였다. 실험에 사용된 강성지반, 지진격리장치, 그리고 상부구조물의 물성치는 Table 2와 같다.
- 본 연구에서 사용한 원형구조물의 형태는 Fig. 2와 같으며, Iai(1989)가 제안한 상사법칙을 적용하여 축소모형을 제작하였다(Table 1). 원형구조물은 그리스의 Rion-Antiion 교량을 참고하였으며, 슬래브 형태의 원형구조물은 제작에 어려움이 있어 사각형 형상으로 바꾸어 제작했다.
성능/효과
- (1) 시간축소 상사비가 다른 입력파에 대한 실험결과에 따르면, 실험수행시 상사비 크기 차이는 나지만, 구조물의 고유주기와 입력파의 응답스펙트럼 주기영역을 잘 고려한다면 실험결과는 유사한 변화양상을 보일 수 있다는 것을 시사한다.
- (2) 입력가속도 수준이 커지면서 지진격리장치와 구조물간의 마찰저항력에 해당하는 항복가속도 이상의 조건이 형성되었으며, 이러한 조건에서 전도 및 활동 작용이 발생하여 가속도가 감소한 것으로 판단된다.
- (3) 가속도 감소효과가 있는 테프론형 지진격리장치와는 달리 제강슬래그형 지진격리장치는 모든 가속도에서 가속도 감소를 보이고 있다. 이는 전도형 제강슬래그형 지진격리장치가 활동형 테프론형 지진격리장치보다 더 효과적이라는 사실을 제시한다.
- (4) 테프론형 지진격리장치는 강진조건에서 활동모드의 면진효과를 보이는 것으로 판단되고, 제강슬래그형 지진격리장치는 활동모드가 일부 포함된 전도모드의 면진효과를 보이는 것으로 판단된다.
- (5) 응답스펙트럼 분석결과에 따르면, 고정기초 구조물은 입력지진파가 상부질량(Mass)로 전달되면서 단주기인 0.1∼0.2초의 주기에서 증폭하는 경향을 보이는 반면, 지진격리장치가 있는 구조물에서는 고정기초 구조물의 경우와 반대로 장주기영역에서 증폭하는 모습을 보이고 있다.
- Fig. 5(a)의 최대가속도 0.03g의 입력지진파에서는 세가지 상사 크기 모두 일관된 결과를 보이지 않고, 각각 다른 가속도 변화 양상을 보이고 있다. Fig.
- Fig. 10(a)의 최대입력가속도 0.1g의 Chichi 지진파에서는, 고정기초 구조물의 경우 가속도가 약간 감소하다가 상부로 갈수록 가속도가 증가하는 경향을 보였다. 테프론형 지진격리장치에서는 테프론에서 약간 증가한 가속도가 구조물기초에서 감소하다가 상부로 가면서 고정기초 구조물과 유사하게 증가하는 경향을 보였다.
- Fig. 5(b)의 0.1g 이상의 최대입력지진파에서는 1/30 축소 크기와 1/60 축소 크기 입력파에서의 응답가속도는 매우 유사하게 처음에는 감소하다가 상부로 올라가면서 점점 증가하는 변화 양상을 보이고 있다. 하지만 Fig.
- 1/30 축소 크기와 1/60 축소 크기 구조물 모두, 입력 가속도 수준이 높아질수록 지진격리장치가 있는 구조물에서 고정기초 구조물에 비해 가속도가 감소하는 경향을 보였다. 이는 입력가속도 수준이 커지면서 지진격리장치와 구조물간의 마찰저항력에 해당하는 항복가속도 이상의 조건이 형성되었으며, 이러한 조건에서 전도 및 활동 작용이 발생하여 가속도가 감소한 것으로 판단된다.
- 재료간의 마찰저항이 작은 테프론을 이용한 지진격리장치의 면진메커니즘은 전도보다는 활동이 중요한 요인이었다고 판단된다. 모든 입력가속도 수준에서, 제강슬래그형 지진격리장치의 면진효과가 테프론형 지진격리장치보다 좋았던 결과를 보면, 전도 모드가 활동 모드보다는 면진 효과가 더 크다고 판단된다.
- 그리고 구조해석 프로그램인 MIDAS를 이용하여 축소된 모형구조물을 모델링하여 전체시스템에 대한 고유치 해석을 수행하였다. 모형구조물 자체에 대한 고유치 해석 결과, 고정기초구조물의 고유주파수는 53.9Hz, 전도 및 활동 모드 구조물의 고유주파수는 각각 33.8Hz, 21.2Hz였다.
- 시험 결과, 테프론과 콘크리트 공시체의 마찰각은 13.9°(마찰계수 0.25), 제강슬래그와 콘크리트 공시체의 마찰각은 37.8°(마찰계수 0.78)였다(Fig. 4).
- 실험에 사용된 모형구조물의 크기는 동일하지만, 1, 30, 60의 상사비를 적용하였기 때문에 결과적으로 prototype 구조물의 크기가 1, 30, 60배로 증가하게 된다. 실험에 사용된 모형구조물을 prototype과의 크기와 비교하면 각각 prototype와 동일한 크기, prototype보다 1/30 축소된 크기(시간상사비 5.47), 그리고 prototype보다 1/60 축소된 크기(시간상사비 7.74)이다. 그리고 적용된 입력파는 시간축소비를 고려하여 시간이 각각 1배, 5.
- 5g 이상에서만 가속도 감소효과가 있는 테프론형 지진격리장치와는 달리 제강슬래그형 지진격리장치는 모든 가속도에서 가속도 감소를 보이고 있다. 이는 전도형 제강슬래그형 지진격리장치가 활동형 테프론형 지진격리장치보다 더 효과적이라는 사실을 제시한다.
- 전반적으로 제강슬래그 격리장치가 테프론 격리장치에 비해 가속도 저감효과가 큰 것을 알 수 있다. 재료 간의 마찰각 시험결과에 따르면, 제강슬래그와 콘크리트 사이의 마찰각은 테프론과 콘크리트 사이의 마찰각보다 약 2.5배 컸다. 일반적으로 마찰저항이 클수록 활동모드의 면진효과는 감소하고 전도모드의 면진효과가 발생할 수 있다.
- 테프론형 지진격리장치에서는 테프론에서 약간 증가한 가속도가 구조물기초에서 감소하다가 상부로 가면서 고정기초 구조물과 유사하게 증가하는 경향을 보였다. 제강슬래그 지진격리장치에서는 상부로 갈수록 가속도가 감소하는 경향을 보였다. 구조물 상부질량(Mass)에서의 최대응답가속도비는 제강슬래그형 지진격리장치는 0.
- 테프론형 지진격리장치에서는 구조물 기둥까지는 가속도가 감소하다가 상부에서 증가하였다. 제강슬래그형 지진격리장치에서는 제강슬래그(Bottom)에서 약간 증가한 가속도가 상부로 가면서 가속도가 감소하는 경향을 보였다. Fig.
- 17에 따르면, 지진격리장치가 있는 구조물에서는 고정기초 구조물의 경우와 반대로 장주기영역에서 증폭하는 모습을 보이고 있다. 지진격리장치가 있는 구조물에서는 입력가속도의 수준이 커질수록 응답스펙트럼 최대값의 주기가 증가하는 것을 알 수 있다.
- 고정기초 구조물은 상부로 갈수록 가속도가 증가하였다. 지진격리장치가 있는 두 구조물의 가속도 변화양상은 지진격리장치 위치에서는 약간 증가하다가 상부로 갈수록 감소하였다. 0.
- 테프론형 지진격리장치는 강진조건에서 활동모드의 면진효과를 보이는 것으로 판단되고, 제강슬래그형 지진격리장치는 활동모드가 일부 포함된 전도모드의 면진효과를 보이는 것으로 판단된다.
- 1g의 경우와 유사한 경향으로 가속도가 증가하였다. 테프론형 지진격리장치에서는 0.1g의 경우와 달리 테프론에서 약간 증가한 후에 구조물 기둥부분까지는 감소하다가 상부질량(Mass)에서 다시 증가하는 경향을 보였다. 제강슬래그형 지진격리장치에서도 0.
- 1g의 Chichi 지진파에서는, 고정기초 구조물의 경우 가속도가 약간 감소하다가 상부로 갈수록 가속도가 증가하는 경향을 보였다. 테프론형 지진격리장치에서는 테프론에서 약간 증가한 가속도가 구조물기초에서 감소하다가 상부로 가면서 고정기초 구조물과 유사하게 증가하는 경향을 보였다. 제강슬래그 지진격리장치에서는 상부로 갈수록 가속도가 감소하는 경향을 보였다.
후속연구
- (6) 제강슬래그형 지진격리장치는 활동모드가 일부 포함된 전도모드의 면진효과일 것으로 판단되지만, 변위 분석 등을 통해 전도 및 활동에 대한 정량적 분석과 다양한 변수들에 대한 비교 분석이 필요할 것으로 판단되며, 이에 대한 분석이 수행중이다. 또한, 본 연구에서는 최대가속도 값을 중심으로 구조물의 동적 거동 패턴과 모드 추측을 한 한계점이 있기 때문에 향후 연구에서는 다양한 변수들에 대한 비교분석이 필요할 것으로 판단된다.
- (6) 제강슬래그형 지진격리장치는 활동모드가 일부 포함된 전도모드의 면진효과일 것으로 판단되지만, 변위 분석 등을 통해 전도 및 활동에 대한 정량적 분석과 다양한 변수들에 대한 비교 분석이 필요할 것으로 판단되며, 이에 대한 분석이 수행중이다. 또한, 본 연구에서는 최대가속도 값을 중심으로 구조물의 동적 거동 패턴과 모드 추측을 한 한계점이 있기 때문에 향후 연구에서는 다양한 변수들에 대한 비교분석이 필요할 것으로 판단된다.
- 그리스의 Rion-Antiron 교량은 기초형 지진격리장치 재료로 자갈을 이용한 사례도 있는데, 본 연구에서 사용한 제강슬래그는 제철소에서 제강과정에서 나오는 부산물이기 때문에 자갈에 비해 저렴하다. 향후 제강슬래그와 형태가 유사한 자연 자갈이나 쇄석 등과 제강슬래그의 공학적 성능을 비교하는 깊이 있는 실험적 연구가 필요하다고 판단된다. 이러한 지진격리장치의 면진성능을 평가하기 위해 축소모형을 조성하였으며, 동일한 상부구조물을 지지하는 고정기초, 전도기초 등으로 기초조건을 변경해가며 1-G 진동대 실험을 수행하였다.
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