[논문]탄성체 적층 납삽입 제진장치의 설계 및 특성시험

이완하; 박진영; 박정우; 김기만; 박건록

탄성체 적층 납삽입 제진장치의 설계 및 특성시험
An Experimental Study and the Design of the Rubber Laminated Lead Damper 원문보기

이완하 (유니슨이앤씨(주) 기술연구소) , 박진영 (유니슨이앤씨(주) 기술연구소) , 박정우 (유니슨이앤씨(주) 기술연구소) , 김기만 (유니슨이앤씨(주) 기술연구소) , 박건록 (유니슨이앤씨(주) 기술연구소)

A large number of seismic isolation systems have been developed since the early 1970s. They are basically a combination of elastomeric bearing and energy dissipators. The investigation described in this paper analyzes shear property and the frequency dependence of Lead Rubber Damper(LRD). Lead Rubber Damper is similar in shape and performance property to Lead Rubber Bearing. Experimental condition ranges from 20 to 200% in share strain and from 0.1 to 1.0Hz in frequency. When the shear strain is increased, effective stiffness and damping ratio are decreased. When the frequency is increased, change of the behavior characteristic is subtle.

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문제 정의

본 연구에서는 LRD 토글제진시스템을 적용을 위하여 LDR의 설계와 특성시험을 수행하였다.
본 연구에서는 납의 전단거동에 대한 저항력과 소성변형시 에너지를 흡수하는 제진장치 토글시스템에 장착될 LRD의 설계 및 특성시험을 실시하였으며, 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 지진에 대비한 기술로 면진기술을 이용한 새로운 제진장치인 납-고무감쇠기(Lead Rubber Damper : LRD)를 개발하였다.

제안 방법

2,000kN 피로시험기를 이용하여 Table 3과 같이실험은 제진장치의 전단변형률을 50%로 동일한 조건에서 제진장치의 성능유지를 위하여 가력주파수는 0.1Hz, 0.25Hz, 0.5Hz, 0.75Hz, 1.0Hz를 적용하여, 12사이클(cycle)씩 가진 실험을 수행하였다.
LRB를 응용하여 새롭게 구성한 LRD는 적층고무와 납의 거동을 최적화하기 위하여 납심을 여러 개로 분리하여 설치하였으며 댐퍼가 축변형 시 적절한 전단거동을 발휘하도록 Fig. 2의 개념도와 같이 이중전단연결구조(Double Shear)로 제작하였다. 또한토글가새시스템과 결합하여 건물의 층간변위보다 댐퍼의 상대변형을 크게 증폭시켜 제어효과를 증대시켰다.
앞서 서론에서 언급한 바와 같이 본 연구에서 개발한 LRD에 대한 성능실험을 2000kN 피로시험기를 사용하여 수행하였다.

대상 데이터

적용고무는 ISO 22762를 기준으로 전단탄성계수1.15MPa로 뱁합설계 및 제작되었으며 천연고무, 카본블랙, 가황활성제, 산화방지제 및 가황촉진제 등으로 배합되었다. 고무는 경도 70에 맞추어 배합 설계되었다.

성능/효과

1) 변위의존시험 결과 작용하중은 증가하고 변위에 따른 유효강성은 반비례곡선의 형태로 변위 의존성을 확인할 수 있었다.
2) 감쇠비는 전단변형률 100% 이상에서 감소함을 알 수 있었으며, EDC의 증가 추세가 소폭 감소함을 관찰할 수 있었다.
3) 주파수 의존 시험결과 동일 변형량에 대한 주파수의 의존성이 거의 나타나지 않았으며 유효강성 및 에너지 소산능력 또한 거의 변화가 없었다.
에너지소산능력은 변형률에 따라 일정한 비율로 증가한다. 또한 감쇠비는 변형률 100%에서 감쇠비 36.6%에서 변형률 150%일때 감쇠비 20.4%로 변형률 200%에서는 감쇠비 15.9%로 감소함을 알 수 있었다. 반복 사이클 가력실험에 의해 전단변형이 커질수록 제진장치의 유효강성이 일정해지는 것을 알 수 있었다.
2의 개념도와 같이 이중전단연결구조(Double Shear)로 제작하였다. 또한토글가새시스템과 결합하여 건물의 층간변위보다 댐퍼의 상대변형을 크게 증폭시켜 제어효과를 증대시켰다. 이는 댐퍼의 작은 용량으로도 큰 제어이득을얻게 되어 개발된 감쇠기의 효율을 높이는 결과를 기대한 것이다.
9%로 감소함을 알 수 있었다. 반복 사이클 가력실험에 의해 전단변형이 커질수록 제진장치의 유효강성이 일정해지는 것을 알 수 있었다.
실험결과, 주파수의 증가에 따라 제진장치의 감쇠능력과 에너지흡수능력은 크게 변화하지 않음을 알 수 있었다.
여기서 전단변형률을 일정하게 하고 가력주파수를 증가시키면 감쇠기의 강성은 증가하는 경향을 보이고 있음을 알 수 있었다.
9는 변형률에 따른 하중곡선으로 작용하중이점점 증가하고 있음을 알 수 있다. 유효강성값은 Fig. 10과 같이 전단변형량이 증가함에 따라 약 38.147kN/mm에서 12.097 kN/mm로 감소하는 반비례곡선을 보이고 있으며, 변위에 따른 의존도를 확인할 수 있었다.
14는 주파수 변화에 따른 유효강성 및 에너지소산능력의 경향을 정리하여 나타내었다. 이들의 특성은 주파수의 변화에 따라 유효강성이 0.75Hz까지 점차 증가하는 양상을 보이다가 1.0Hz에서는 소폭 감소하였다.

후속연구

향후 토글시스템을 적용하여 지진하중에 대한 구조물의 응답특성 및 제진성능 평가를 실시하고자 한다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

LRD의 장점은?

LRD는 적층고무와 납심을 일체화한 에너지 흡수기구이다. 납의 전단거동에 대한 저항력과 소성변형시 에너지를 흡수할 수 있으며 납의 재결정화 능력으로 반복적인 하중에도 성능의 저하가 거의 발생하지 않는다. 따라서, 지진을 경험한 후에도 교체 또는 보수가 필요 없으며 유지관리가 간편하며 내구성이 탁월하다. Fig.

LRD란?

LRD는 적층고무와 납심을 일체화한 에너지 흡수기구이다. 납의 전단거동에 대한 저항력과 소성변형시 에너지를 흡수할 수 있으며 납의 재결정화 능력으로 반복적인 하중에도 성능의 저하가 거의 발생하지 않는다.

본 연구에서 납의 전단거동에 대한 저항력과 소성변형시 에너지를 흡수하는 제진장치 토글시스템에 장착될 LRD의 설계 및 특성시험을 실시하여 얻은 결론은?

1) 변위의존시험 결과 작용하중은 증가하고 변위에 따른 유효강성은 반비례곡선의 형태로 변위 의존성을 확인할 수 있었다. 2) 감쇠비는 전단변형률 100% 이상에서 감소함을 알 수 있었으며, EDC의 증가 추세가 소폭 감소함을 관찰할 수 있었다. 3) 주파수 의존 시험결과 동일 변형량에 대한 주파수의 의존성이 거의 나타나지 않았으며 유효강성 및 에너지 소산능력 또한 거의 변화가 없었다.

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