초록 ▼

교량은 지진에 매우 취약한 구조물로 지진시 교대, 교각 및 기초구조에 손상이 발생하거나 상부구조가 그 지지부로부터 이탈하여 전체붕괴가 초래되기도 한다. 이러한 교량의 피해는 과거 중 · 소규모의 지진 시에도 발생한 예가 많으므로 국내와 같이 중 · 소규모 지진이 예상되는 지역에서도 교량의 내진안전성 확보를 위한 설계가 수행되어야 한다.
그러나 국내의 대부분의 교량은 내진설계규정이 정해지기 이전에 설계되었기 때문에, 지진발생시 이들에 대한 구조적 안전성에 많은 우려가 있다. 현재 비내진 설계된 교량은 수평 지진력이 교좌장치에 집

교량은 지진에 매우 취약한 구조물로 지진시 교대, 교각 및 기초구조에 손상이 발생하거나 상부구조가 그 지지부로부터 이탈하여 전체붕괴가 초래되기도 한다. 이러한 교량의 피해는 과거 중 · 소규모의 지진 시에도 발생한 예가 많으므로 국내와 같이 중 · 소규모 지진이 예상되는 지역에서도 교량의 내진안전성 확보를 위한 설계가 수행되어야 한다.
그러나 국내의 대부분의 교량은 내진설계규정이 정해지기 이전에 설계되었기 때문에, 지진발생시 이들에 대한 구조적 안전성에 많은 우려가 있다. 현재 비내진 설계된 교량은 수평 지진력이 교좌장치에 집중하기 때문에 지진발생시 교좌장치의 파괴, 상판의 이탈 및 이에 따른 상판의 붕괴 등이 초래되어 막대한 인명피해 및 재산상의 피해가 발생 할 수 있다. 따라서 어떤 방법으로든 기존의 교량에 대한 내진안전성의 검토와 필요시 적절한 내진보강이 이루어져야 한다. 그러나 교량의 내진성능보강에는 막대한 비용이 소요되기 때문에 현재 내진성능향상을 위한 기존교량의 보강이 이루어지지 못하고 있는 실정이다.
본 연구에서는 기설 된 비내진설계 교량의 경우, 교좌장치를 지진격리받침으로 교체하여 내진성능을 보강하는 방법을 개발하려고 하였다. 현재 개발된 지진격리받침에는 여러 종류가 있으며, 본 연구에서는 적층고무받침과 당사에서 개발한 PTFE 고무받침을 사용하려 한다. 그리고 현재 가동받침으로 사용되고 있는 포트받침을 개량하여 감쇠기로 사용함으로써 기존의 지진격리시스템의 단점인 상부구조의 변위 증가 문제점을 해결하려 한다. 따라서 교량의 활동단에 마찰감쇠 특성을 갖는 포트받침을 설치하고 고정점에 복원장치 및 포트받침(가동받침)을 설치하여 높은 감쇠력과 적절한 복원력을 지닌 지진격리 시스템을 개발하고자 한다. 이 방법을 사용하면 힌지단이 설치된 교각에 가해질 수 평지진력을 분산시킴으로서 교각에 관한 추가적 내진보강 없이 내진 안전성을 확보할 수 있다.
신설될 다경간 연속교의 경우에도 고정단에 지진격리받침(적층고무받침 또는 PTFE 고무받침)과 포트받침(가동받침)을 설치하여 지진시 발생하는 상부 구조물 변위의 복원력과 감쇠에 의한 지진 에너지 소산을 제공한다. 또한 활동단에 포트받침을 설치하여 고정단에 집중하던 수평지진력을 마찰감쇠력에 의하여 각 활동단에 고루 분배함으로서 고정단 교각의 수평지진력을 줄일 수 있다.
본 기술의 효과로는 위에서 언급한 바와 같이 포트받칩의 마찰감쇠에 의해 교축방향 지진력을 각 하부구조로 분배하여 교각의 내진 안전성 확보 및 고정단 교각의 단면축소에 따른 건설비용의 감소 등을 들 수 있다. 또한 복원장치로 사용될 적층고무받침과 마찰고무받침의 내진분리 성능에 가동받침으로 사용될 포트받침의 마찰감쇠에 의해 지진시의 활동변위 감소 효과도 얻을 수 있다. 그리고 선진국에서 개발한 지진격리 시스템의 경우, 설계지진강도가 우리나라에 비하여 높기 때문에 안전할 수는 있으나 과다설계에 의하여 건설비용이 낭비될 수 있다. 따라서 국내실정에 맞는 지진격리 시스템의 개발로 기술수입 대체에 따른 외화 절감과 적정설계에 의한 건설비용 절감 등의 효과를 얻을 수 있다.

Abstract ▼

Bridge structure is really weak against earthquakes. Earthquake can induce the damage of pier, deck, and shoe. Especially, failure of shoe may cause the total failure of a whole bridge. These failures would occur even by small or medium scale earthquakes. Therefore, the factor of resisting earthquak

Bridge structure is really weak against earthquakes. Earthquake can induce the damage of pier, deck, and shoe. Especially, failure of shoe may cause the total failure of a whole bridge. These failures would occur even by small or medium scale earthquakes. Therefore, the factor of resisting earthquakes should be accounted for protecting bridges when designing bridges.
The concept of the earthquake resistant design has been introduced to Korean Standard recently. Thus, most of bridges in Korea are deemed as weak structures against earthquakes. It may be necessary to retrofit the constructed bridges to be free from such concerns. However, retrofitting these bridges would introduce a lot of problems such as blocking traffic, cost of money ets. Not only existing bridges but also the bridges to be constructed have problems. Especially, among them is the problem with the frequently used multi-span prestressed concrete box girder bridges. Usually in this type of bridges, the earthquake load is concentrated on one two hinged supports. Therefore, the piers under the hinged support must resist all the moments and the shear forces of earthquake. This problem could be avoided by using the base isolation technique. However, not all the base isolation techniques are available for these bridges because of their heavy deck load. The laminated rubber bearing and lead rubber bearing are usually undesirable due to their limited vertical load enduring capability. The sliding isolation technique is applicable to all types of bridges. It has much more capabilities on vertical load endurance and on energy dissipation.
In this study, there are two basic application strategies. For the constructed bridges, the reinforcement of main structure will be minimized by the application of the sliding isolation systems with the optimum design of coefficient of friction and bearing displacement. And for the bridges to be Constructed, achieving lower cost of building and more safety margin will be the goal of this study by reducing earthquake load impact by dissipating energy and distributing the earthquake load to every pier of the bridge.

목차 Contents

• 표지 ...1
• 제출문 ...2
• 요약문 ...3
• SUMMARY ...9
• 목차 ...14
• CONTENTS ...19
• 표목차(LIST OF TABLES) ...24
• 그림목차(LIST OF FIGURES) ...27
• 1. 서론 ...39
• 1.1 연구 배경 ...39
• 1.2 연구 목적 ...42
• 1.3 연구 내용 ...43
• 2. 지진격리시스템의 기술개발 현황 ...44
• 2.1 지진격리시스템의 기본 개념 ...44
• 2.2 지진격리장치의 종류 ...47
• 2.2.1 적층고무받침(Laminated Rubber Bearing) ...47
• 2.2.2 복원력을 지닌 활동 받침(Sliding Bearing with Restoring Forces) ...48
• 2.3 본 과제 수행 이전에 개발한 지진격리장치 ...49
• 2.4 본 연구에서 개발한 지진격리시스템의 개요 ...53
• 2.5 지진격리시스템의 성능 확인 및 활용을 위한 연구 수행절차 ...54
• 3. 연구개발 수행 내용 및 결과 ...55
• 3.1 축소교량의 설계 ...55
• 3.1.1 실제교량 ...55
• 3.1.1.1 구조적 개요 ...55
• 3.1.1.2 고유치 해석 ...59
• 3.1.2 축소교량 ...61
• 3.2 지진격리장치의 설계 및 제작 ...63
• 3.2.1 지진격리장치의 예비설계 ...64
• 3.2.1.1 실제교량에 사용될 지진격리장치 ...64
• (1) 정적상태의 각 지진격리장치의 이동량 산정 ...64
• (2) PTFE 의 마찰면적 설계 ...65
• (3) 복원강성 설계 ...66
• (4) 지진격리장치의 허용변위산정 ...67
• 3.2.1.2 축소교량의 지진격리장치 설계 ...68
• (1) PTFE 마찰면적 설계 ...68
• (2) 복원강성설계 ...68
• (3) 지진격리장치 허용변위설계 ...69
• 3.2.2 지진격리장치의 제작 ...70
• 3.3 지진격리장치의 동적특성실험 ...72
• 3.3.1 개요 ...72
• 3.3.1.1 용어정의 ...72
• 3.3.1.2 실험개요 ...72
• 3.3.1.3 지진격리장치의 제원 ...74
• (1) 포트받침 ...74
• (2) 적층고무받침(LRB : Laminated Rubber Bearing) ...77
• (3) PTFE 고무받침 ...78
• (4) 입력하중 ...80
• 3.3.2 포트받침의 마찰실험 ...82
• 3.3.2.1 전방향 포트받침의 마찰실험 ...82
• (1) 속도에 따른 마찰계수의 변화 ...82
• (2) 압력에 따른 마찰계수의 변화 ...87
• (3) 시간에 따른 마찰계수의 변화 ...89
• 3.3.2.2 일방향 포트받침의 마찰실험 ...91
• (1) 속도에 따른 마찰계수의 변화 ...91
• (2) 압력에 따른 마찰계수의 변화 ...97
• 3.3.2.3 전방향과 일방향 포트받침의 비교 ...98
• 3.3.3 적층고무받침의 동적특성 실험 ...101
• 3.3.3.1 적층고무받침의 특성 ...101
• 3.3.3.2 속도에 따른 적층고무받침의 강성 변화 ...103
• 3.3.4 조합형 받침의 동적특성 실험 ...106
• 3.3.4.1 조합형 받침의 특성 ...106
• 3.3.4.2 지름 150 mm 의 적층고무받침을 이용한 조합형 받침 ...108
• 3.3.5 PTFE 고무받침의 동특성 실험 ...113
• 3.3.5.1 전방향 PTFE 고무받침 ...113
• 3.3.5.2 일방향 PTFE 고무받침 ...119
• 3.3.6 소결 ...125
• 3.4 촉소교량의 진동대 실험 ...126
• 3.4.1 개요 ...126
• 3.4.1.1 축소교량 ...126
• 3.4.1.2 지진격리장치 ...127
• (1) 적층고무받침 ...127
• (2) PTFE 고무받침 ...131
• 3.4.1.3 지진격리장치의 배치방법 ...136
• 3.4.1.4 입력지진 ...139
• 3.4.1.5 데이터 측정 ...148
• 3.4.2 비지진격리 축소교량의 진동대 실험 ...152
• 3.4.2.1 비지진격리 축소교량의 동특성 실험 ...152
• 3.4.2.2 비지진격리 축소모형의 진동대 실험결과 분석 : Case I, II ...156
• (1) Case I과 Case II와의 비교 및 분석 ...156
• (2) Case I의 특성 ...159
• 3.4.3 지진격리된 축소모형의 진동대 실험결과 분석 : Case A ...161
• 3.4.3.1 Case A와 Case II와의 비교 및 분석 ...161
• (1) 상판의 거동 ...161
• (2) 교각의 거동 ...163
• 3.4.3.2 Case A의 특징 ...168
• 3.4.4 지진격리된 축소모형의 진동대 실험결과 분석 : Case B ...171
• 3.4.4.1 Case B와 Case II와의 비교 및 분석 ...171
• (1) 상판의 거동 ...171
• (2) 교각의 거동 ...173
• 3.4.4.2 Case B의 특징 ...178
• 3.4.5 지진격리된 축소모형의 진동대 실험결과 분석 : Case C ...181
• 3.4.5.1 Case C와 Case II와의 비교 및 분석 ...181
• (1) 상판의 거동 ...181
• (2) 교각의 거동 ...183
• 3.4.5.2 Case C의 특징 ...188
• (1) 상대변위 ...188
• (2) 응답가속도 ...191
• 3.4.6 지진격리된 축소모형의 진동대 실험결과 분석 : Case D ...194
• 3.4.6.1 Case D와 Case II와의 비교 및 분석 ...194
• (1) 상판의 거동 ...194
• (2) 교각의 거동 ...197
• 3.4.6.2 Case D의 특징 ...202
• 3.4.7 지진격리방법에 따른 특성 분석 ...206
• 3.4.7.1 상판의 응답가속도 ...206
• 3.4.7.2 교각의 밑면 전단력 ...208
• 3.4.7.3 받침의 변형 ...210
• 3.4.8 소결 ...213
• 3.5 실험용 교량의 지진해석 ...214
• 3.5.1 유한요소 모형화 ...214
• 3.5.1.1 기하학적 형상 ...214
• 3.5.1.2 지진격리장치의 모형화 ...215
• 3.5.2 ABAUUS를 이용한 Case A의 지진해석 ...217
• 3.5.2.1 상판의 거동 ...217
• 3.5.2.2 교각의 거동 ...218
• 3.5.2.3 받침의 거동 ...220
• 3.5.3 ABAUUS를 이용한 Case B의 지진해석 ...222
• 3.5.3.1 상판의 거동 ...222
• 3.5.3.2 교각의 거동 ...223
• 3.5.3.3 받침의 거동 ...224
• 3.5.4 ABAUUS를 이용한 Case C의 지진해석 ...228
• 3.5.4.1 상판의 거동 ...228
• 3.5.4.2 교각의 거동 ...229
• 3.5.4.3 받침의 거동 ...230
• 3.5.5 ABAUUS를 이용한 Case D의 지진해석 ...234
• 3.5.5.1 상판의 거동 ...234
• 3.5.5.2 교각의 거동 ...235
• 3.5.5.3 받침의 거동 ...236
• 3.5.6 마찰계수의 변화에 따른 거동분석 : Case D ...239
• 3.5.6.1 KS1의 지진하중 ...239
• 3.5.6.2 El Centro의 지진하중 ...241
• 3.5.6.3 마찰계수의 변화에 따른 응답최대치 ...242
• 3.5.7 소결 ...247
• 3.6 비선형 스펙트럼 ...248
• 3.6.1 2자유도 비선형모델 ...248
• 3.6.1.1 비선형모델 ...248
• 3.6.1.2 비선형모델을 이용한 교량의 해석 및 결과비교 ...249
• 3.6.2 계기지진에 대한 2자유도 비선형 응답 스펙트럼 ...253
• 3.6.2.1 El Centro 지진에 대한 응답특성 ...253
• (1) 최대 활동마찰계수의 변화에 따른 응답특성 ...253
• (2) 교각의 고유주기 변화에 따른 응답특성 ...254
• (3) 상판/교각의 질량비의 변화에 따른 응답특성 ...255
• 3.6.2.2 Akita 지진에 대한 응답특성 ...256
• (1) 최대 활동마찰계수의 변화에 따른 응답특성 ...256
• (2) 교각의 고유주기 변화에 따른 응답특성 ...258
• 3.6.2.3 Taft 지진에 대한 응답특성 ...259
• (1) 최대 활동마찰계수의 변화에 따른 응답특성 ...259
• (2) 교각의 고유주기 변화에 따른 응답특성 ...260
• 3.6.3 인공지진에 대한 2자유도 비선형 응답 스펙트럼 ...261
• 3.6.3.1 KS1 지진에 대한 응답특성 ...261
• (1) 최대 활동마찰계수의 변화에 따른 응답특성 ...261
• (2) 교각의 고유주기 변화에 따른 응답특성 ...262
• 3.6.3.2 KS2 지진에 대한 응답특성 ...263
• (1) 최대 활동마찰계수의 변화에 따른 응답특성 ...263
• (2) 교각의 고유주기 변화에 따른 응답특성 ...264
• 3.6.3.3 KS1 B지진에 대한 응답특성 ...265
• (1) 최대 활동마찰계수의 변화에 따른 응답특성 ...265
• (2) 교각의 고유주기 변화에 따른 응답특성 ...267
• 3.6.3.4 KS1 B 150%지진에 대한 응답특성 ...268
• (1) 최대 활동마찰계수의 변화에 따른 응답특성 ...268
• (2) 교각의 고유주기 변화에 따른 응답특성 ...269
• 3.6.3.5 KS1 C지진에 대한 응답특성 ...270
• (1) 최대 활동마찰계수의 변화에 따른 응답특성 ...270
• (2) 교각의 고유주기 변화에 따른 응답특성 ...271
• 3.6.3.6 KS1 C 150%지진에 대한 응답특성 ...272
• (1) 최대 활동마찰계수의 변화에 따른 응답특성 ...272
• (2) 교각의 고유주기 변화에 따른 응답특성 ...273
• 3.6.4 소결 ...274
• 3.7 결론 ...275
• 4. 연구개발목표 달성도 및 대외기여도 ...278
• 4.1 연구개발목표 달성도 ...278
• 4.2 대외기여도 ...279
• 5. 연구개발결과의 활용계획 ...280
• 6. 참고문헌 ...281
• 부록1 축소교량의 진동대실험 결과 ...283
• 부록2 활동형 지진격리장치를 이용한 교량의 내진설계 ...605
• 서지자료 ...620