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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.9 No.4 pp.59-64
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2018.9.4.059

Verification of Hybrid Seismic Isolation Device with Resistance to Earthquake

Han-Min Cho1, Chang-Hyun Baek2, Jong-Wan Hu3
1Ph.D. Candidate, Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, Incheon, Korea
2Ph.D. Candidate, Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, Incheon, Korea
3Associate Professor, Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, Incheon, Korea

본 논문에 대한 토의를 2019년 2월 28일까지 학회로 보내주시면 2019년 3월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Hu, Jong-Wan Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, 119 Academy-ro, Yeonsu-gu, Incheon, Korea. Tel: +82-32-835-8463, Fax: 82-32-835-0775 E-mail: jongp24@incheon.ac.kr
July 27, 2018 November 12, 2018 November 13, 2018

Abstract


In recent years, a foundation separator has been used as an isolation device to separate various structures of heavy weight from earthquakes to protect them from earthquakes. Among the design methods to reduce the earthquake damage, the seismic design uses the seismic restraint at the part where the structure and the ground meet, and it has the best performance compared with other seismic / damping design methods. In this study, we propose a new concept of automatic restoration support system that can be continuously used after earthquake. In order to verify the performance of the proposed countermeasure base, the theoretical calculation and design were carried out, and a shaking table experiment using actual seismic data was conducted. The basic properties, surface pressure dependence, velocity dependency, displacement dependence test results show that the intensity load is almost the same as the design target value, and the behavior is also similar to the design value.



강진에도 견딜 수 있는 하이브리드 지진격리장치의 성능 검증

조 한민1, 백 창현2, 허 종완3
1인천대학교 건설환경공학부 박사과정
2인천대학교 건설환경공학부 박사과정
3인천대학교 건설환경공학부 부교수

초록


최근에는 다양한 중량의 구조물을 지진으로부터 보호하기 위해 지반으로부터 분리하는 면진장치로써 지반 격리용 받 침이 활용된다. 지진의 피해를 저감시키는 설계방법 중에서 면진 설계는 구조물과 지반이 만나는 부분에 면진받침을 사용하는 방식으로 다른 내진/제진 설계 방법과 비교하면 가격대비 효율과 성능이 가장 우수하다. 본 연구에서는 지진 발생 이후 지속적 으로 사용 가능한 새로운 개념의 자동복원 면진받침 시스템을 제안하고자 한다. 이러한 면진받침에 대한 성능을 검증하기 위하 여 이론 적립 및 설계를 수행하고 실험체를 제작하여 실제 지진 데이터가 적용된 진동대 실험을 수행하였다. 기본특성실험, 면 압의존성 실험, 속도의존성 실험, 변위의존성 실험에서 강도하중이 설계 목표치와 유사하였고, 거동 또한 설계값과 유사함을 확 인하였고 이를 바탕으로 면진받침의 성능 검증을 분석하였다.



    1. 서 론

    구조물을 설계하는 과정에서 인적, 물적 차원에서 큰 피해를 입히는 지진하중은 반드시 고려되어야 한 다. 지진 발생이 적은 중저지진 발생국가라 하더라 도 국가 및 지역별로 발생하는 지진의 규모와 빈도, 중요도에 따라 영향력을 고려하여, 내진설계를 수행 해야 한다. 우리나라에서도 이를 고려하여 강진의 빈도가 적음에도 불구하고 모든 국가기반시설에 대 한 내진설계가 이루어지고 있다. 내진설계에 대한 관심이 증가하면서 다양한 분야에서 활발한 연구가 진행되었다. 특히 활발히 연구가 진행되고 있는 연 구 분야는 원자력 발전소 및 구조물에 대한 현행기 준의 내진성능 향상에 대한 연구이다. 이러한 흐름 으로 인해 교량 분야에서도 내진설계 요건은 강화되 고 있으며, 기존 교량에 대한 내진성능 평가 및 내 진보강에 대한 중요성 또한 대두되고 있다. 1992년 부터 도로교설계기준에 따라 교량의 내진설계가 반 영되었으며, 이에 따른 내진설계가 지속적으로 수행 되어 왔다. 과거 교량의 내진설계는 부재력 자체로 서 안전성을 확보하는 내진구조를 활용하였지만, 최 근에는 강진에 대한 안전성 및 경제성 등을 고려하 는 지진격리구조의 적용이 늘어나고 있는 실정이다. 일반적으로 활용되는 지진격리구조의 면진받침은 LRB(Lead Rubber Bearing)와 FPS(Friction Pendulum System)로 구분할 수 있다. LRB는 중앙부에 납심 (Lead Core)를 넣어 이를 감쇠 시스템으로 활용하고 적층 고무를 통한 수평강성을 조절한다. FPS는 진자 에서 발생하는 마찰력과 복원력을 활용하여 진동을 감쇠하는 원리로 사용된다. 하지만 이러한 기술은 Fig. 1과 같이 허용 범위 초과로 인한 전단파괴, 전 단변위로 인한 단차 발생 등 문제점이 발생하고 있 다(Yoo, S. M. et al,. 2013). 본 연구에서 제안하는 하 이브리드 지진격리장치(Hybrid Seismic Isolation)는 마 찰부재가 스토퍼(이탈방지) 기능을 담당하여 수평으 로 발생하는 변위를 제어하여 받침 장치에 전단 파 괴의 발생을 방지한다(Table. 1, Fig. 2 참고). 이러한 지진격리장치는 강한 지진에서도 활용이 가능하여 교량의 손상 및 파괴를 방지하고 지속적으로 사용 가능하게 하여 안전성 및 경제성을 확보할 수 있다.

    본 연구에서는 규모 8.5 지진에서도 견딜 수 있 는 하이브리드 지진격리장치에 대한 성능 검증을 수 행하였다. 먼저 기존 면진받침의 문제점을 보완하고 성능을 향상시킨 마찰형 하이브리드 지진격리장치의 설계를 정립하였다. 장치의 기본 개념을 정립하고 설계변수를 고려하여 단면형상 및 개념설계를 완성 하였다. 세부적으로 규모 6.5~7.3 지진에 견디도록 제작되던 기존 면진받침의 내진성능의 향상을 위해 규모 8.5 지진에도 견딜 수 있는 마찰형 하이브리드 지진격리장치의 개념을 정립하였다(Ji, Y. S., 1999). 이후 마찰형 하이브리드 지진격리장치의 실험체를 제작하여 구조실험을 수행하고 실질적 성능 검증을 수행하였다. 최적화된 지진격리장치의 실험체를 진 동대에 설치한 후 지진파를 입력하여 구조물 응답에 미치는 영향을 검토하였다. 최종적으로 실험을 통해 얻어진 결과를 분석하여 하이브리드 지진격리장치의 성능 검증을 완료하였다.

    2. 거동 특성

    본 연구의 대상인 하이브리드 지진격리장치는 마찰 력을 활용하여 감쇠(Damper) 시스템을 형성하고 복 원력을 고무(Rubber)가 담당하면서 두 개의 부속품 들이 일체화 형태로 결합된 면진받침 장치이다. 하 이브리드 지진격리용 면진 장치가 수평 전단력에 의해 거동할 때 감쇠 성능을 담당하는 마찰력은 특 수 소재인 마찰재를 적용하여 발생시키고 철판과 고무를 적층한 지지대를 바깥쪽 외곽에 설치하여 지진 발생 시 수평 전단력에 대응하여 변위의 발생 량을 조절 가능하다(Biswas et al., 1992; Choi, S. H. et al., 2012). 본 연구 대상은 일반적으로 활용되는 면진받침에 비해 우수한 에너지 소산 능력을 지니 고 있어 진동제어 및 충격흡수에서 우수한 감쇠성 능을 보인다. 또한 사용성 및 내구성이 높으며 우 수한 복원 성능을 지니고 있어 구조물에 소요되는 유지·보수비용을 대폭 절감할 수 있다. 시스템 장치 내부의 원형 지지대는 전단하중에 의하여 허용되는 범위 이상의 변위(Displacement) 발생을 억제하는 스 토퍼(이탈방지턱) 작용을 하여 받침에 발생하는 파 손을 방지할 수 있다. 추가로 하이브리드 지진격리 장치를 여러 겹으로 층층이 쌓아올려 사용이 가능 하기 때문에 받침의 높이 조절이 용이하고 수평(전 단) 변위량도 쉽게 조절이 가능하다는 장점을 가지 고 있다. 본 연구 대상은 Fig. 3과 같이 앞서 언급 한 사항들을 바탕으로 특수 소재를 적용한 마찰재 를 이용하여 마찰력(Friction)을 구현하고 고무와 철 판을 적층으로 쌓아 수평강성(Stiffness) 및 복원력을 발휘할 수 있도록 설계되며 최종적으로 두 시스템 의 거동을 중첩시킨 이력곡선(Hysteresis Curve)을 보여준다.

    3. 구조상세

    하이브리드 지진격리장치는 중앙부에 설치되는 부속 품을 쉽게 교체할 수 있어 설치장소나 현장 여건의 변화에 따라 허용 지지하중 및 허용 수평변위를 쉽 게 조절할 수 있다. 하이브리드 지진격리장치는 제 1플레이트의 중앙부에 설치된 제 1지지부를 가지모 제 1지지부는 상부구조물의 하중을 제 2지지부와 분 담하여 지지하면서 상부구조물의 수평변위 시 마주 보는 면과 마찰을 일으켜 수평방향 진동을 감쇠시키 는 역할을 하는 것으로 구성된다. 전단핀은 하측의 일 단부가 제 1플레이트의 중심부에 결합한 상태에 서 상방으로 돌출되어 있으며 나사 결합을 통해 제 1플레이트에 단단히 고정한다. 탄성패드는 중심부의 통공을 통해 전단핀에 결합하여 제 1플레이트에 층 상으로 배치되며 이는 재료의 혼합 비율에 따라 탄 성과 경도 변화가 용이한 폴리우레탄으로 제작된다. 이는 주로 구조물 자중에 저항하고 수직하중에 대항 하여 쿠션 기능을 담당한다(Jung, D. Y., 2012). 마찰 부재로 활용되는 제 1미끄럼재로는 폴리테트라플루 오로에틸렌(PTFE)가 활용되며 마찰부재로는 엔지니 어링 플라스틱을 이용하여 별도의 미끄럼재를 설치 하지 않도록 제작한다. 제 2지지부는 상부구조물의 하중을 제 1지지부와 분담하여 지지하며 지지구조물 의 수평변위에 대한 복원력을 제공하는 기능을 담당 하고 제 1지지부 둘레를 따라 이격하여 제 1플레이 트 상에 설치한다. 제 2지지부는 철판과 고무가 교 대로 층층이 쌓여 이루어진 적층 고무받침으로 제작 되며 시스템에서 주로 복원력을 제공하고 철판이 적 층된 고무 받침은 요구 성능에 따라 다른 탄성체 (Elastomer)의 적용이 가능하다. 마찰부재는 제 2플레 이트의 이동범위를 제한함으로써 하이브리드 지진격 리장치가 일정 레벨 이상의 수평변위를 일으키는 것 을 방지하는 스토퍼(이탈방지턱) 역할을 한다. 요구 성능 및 작업요건에 따라 하이브리드 지진격리장치 는 여러개를 상하로 겹친 상태로 볼트 결합을 통해 다층의 하이브리드 지진격리장치로 만들 수 있으며 받침의 높이 변화에 대한 허용 전단변위 조정이 가 능하다. Fig. 4

    4. 구조실험

    하이브리드 지진격리장치에 대한 물성치, 규격, 부속 품들의 성능을 결정하기 위하여 고무의 인장 실험을 포함하여 압축력, 상하 반복하중, 전단하중을 재료 시 편에 가하여 재료의 특성을 확인하는 재료 실험을 수 행하였다. 먼저 본 연구에서 사용되는 고무들의 기본 적인 응력-변형률 물성치를 확인하기 위하여 ASTM 규정을 참고하여 보편적인 시편으로 제작하고 UTM 기기를 사용하여 인장 실험을 실시하였다. 제1지지부 에 설치된 탄성패드의 압축 성능과 상하로 작용하는 반복하중에 대한 진동 감소효과를 확인하기 위하여 정적 압축하중 재하 실험과 상하 반복 하중재하 실험 을 실시하고 제2지지부에도 필요시 동일한 방법으로 재료실험을 수행하였다. 강판과 고무가 적층된 형태 로 제작된 제2지지부에 전단력에 대한 변위와 복원효 과를 측정하기 위하여 국부적인 형태로 제작된 모형 을 제작하여 반복적인 전단 하중을 가하여 재료적 성 능 실험을 수행하였다. 아울러 반복적인 하중으로 강 판과 고무의 접착 면에서 피로로 인한 이탈·파손 여 부를 확인하며 고무에 발생되는 손상도 동시에 관측 하여 문제점 발생 시 제작공정, 접착방법, 고무의 재 질 등을 바꾸어가며 실험을 수행하였다. 마찰부재에 설치한 제 1미끄럼재의 마찰계수를 측정하기 위하여 재료 시편에 수직 하중을 재하하고 측면에 전단력을 재하하는 마찰력 실험을 수행하였다. Fig. 5

    실험을 통한 성능 검증을 위하여 상세설계에서 완성된 하이브리드 면진 받침 모델들을 직접 시험체 로 제작하고 실험을 위한 준비 작업을 수행하였다. 마찰면의 면적과 마찰계수, 탄성패드의 물성치와 규 격, 철판이 적층된 고무 지지대의 물성치와 규격 등 을 설계 변수로 두어 다양한 시험체 모델을 제작하 고 1개의 받침 모델뿐만 아니라 전단하중에 대한 변 위를 조절하기 위하여 2단 혹은 3단으로 쌓아올린 하이브리드 면진 받침 모델도 동시에 제작하였다. Fig. 6

    5. 실험결과 및 평가

    지진격리장치의 이론적 거동을 바탕으로 실제 시제 품을 제작하여 거동시험을 진행하였으며 1500ton 수 평 2축 시험기를 통해 면압(Surface Pressure), 재하속 도(Loading Speed), 변위(Displacement) 의존성 시험에 대한 실험을 진행하였다. 면압 의존성 시험의 경우 하이브리드 지진격리장치의 상부에 다양한 하중의 구조물을 설치하여 시험을 수행하였다. 하이브리드 지진격리장치의 구조물 하중은 200, 500ton을 적용하 였다. 200ton 구조물 하중 적용시 최대 변위가 100mm까지 적용됐을 때 하중은 약 300kN이 발생하 였다. 500ton 구조물 하중 적용시 최대 변위가 100mm까지 적용됐을 때 하중은 약 300kN이 발생하 였으며 하이브리드 지진격리장치의 설계값과 유사한 값을 나타냈다.(Fig. 7 참고). 그래프의 특성을 보았을 때 제작 시험체 규모에서는 200ton 이상의 구조물 하 중 작용시 발생하중이 유사하게 나타내는 것으로 나 타나 실제 면진 받침 제작 시 구조물의 하중을 고려 하여 설계지침으로 활용 가능할 것으로 판단된다.

    속도 의존성 시험의 경우 하중 재하 속도를 1, 20, 50mm/sec로 변경하며 시험을 수행하였다. 시험 결과 최대 변위 100mm까지 적용하였을 때 속도별 최대 발생 하중은 조금씩 다르게 나타났지만 250kN 부근 에서 거의 유사한 값을 나타내었다(Fig. 8 참고). 하 이브리드 지진격리장치의 속도 의존성 시험 결과 저 속 및 고속에서의 하중이 구조물에 작용하더라도 유 사한 결과값을 나타내어 구조물 형태 및 규모에 상 관없이 다양한 형태로 활용 가능할 것으로 판단된다.

    변위 의존성 시험의 경우 최대 변위를 20, 30, 50, 70, 100mm로 변경하며 시험을 수행하였다. 최대 변위 20mm일 때 최대 발생 하중은 약 110kN으로 나타났다. 최대 변위 50mm일 때는 약 180kN으로 나 타났고 100mm일 때는 약 300kN으로 나타났다. Fig. 9 그래프에서 보는바와 같이 최대값은 일정한 비율 로 증가하였으며 선형의 형태를 나타내고 있다. 적 용 변위에 대한 그래프의 형태를 고려하여 소형 및 대형 구조물, 교량 등에 대한 지진하중의 다양성을 고려하여 여러 가지 형태로 적용 가능할 것으로 판 단된다.

    6. 결 론

    본 연구에서는 강진에도 견딜 수 있는 하이브리드 지진격리장치에 대한 연구를 진행하였다. 하이브리 드 지진격리장치는 기존에 활용되던 일반 면진 받침 보다 우수한 성능을 나타낸다. 하이브리드 지진격리 장치는 구조물이 지진 하중으로부터 영향을 받을 때 에너지 소산 능력이 뛰어나 강진에 대한 저항력이 높다. 또한 적층고무 형식의 특성을 반영하여 변위 가 발생하더라도 제자리로 돌아오려는 복원성능이 우수하다. 이러한 성능은 자연재해 중 하나인 지진 과 같은 외력이 구조물에 발생하더라도 변형을 제어 하고 붕괴 및 파손을 막을 수 있다. 일반적인 면진 시스템은 강진 발생 시 구조물 및 면진 받침에 부분 적인 파손이 발생할 수 있어 부품의 교체가 이루어 져야 하거나 심할 경우 구조물 재건축이 되어야 한 다. 반면, 하이브리드 지진격리장치는 우수한 에너지 소산 능력 및 복원 성능으로 지진 발생 이후에도 지 속적으로 사용 가능하다. 이러한 복원 성능을 바탕 으로 기존 면진 시스템과는 다르게 특별한 유지관리 및 보수·보강이 필요하지 않아 경제적 효과를 창출 할 수 있다. 하이브리드 지진격리장치는 한 개의 면 진 받침으로 구성되지 않고 현장 여건 및 상황에 따 라 적층할 수 있어 적용성이 매우 우수하다. 교량의 규모 및 하중에 대한 조사를 수행 후 하이브리드 지 진격리장치를 단품 및 적층하여 현장 상황 맞춤형 시스템을 제공할 수 있다. 최종적으로 연구에서 제 안한 하이브리드 지진격리장치는 우수한 성능 및 복 원 능력으로 지속 사용 가능한 혁신적인 면진 시스 템이다. 하지만 본 연구에서는 면진 받침의 설계 및 실험을 통한 검증만을 수행하였기 때문에 정밀한 프 로그램을 활용하여 하이브리드 지진격리장치에 대한 성능 검토를 수행할 필요가 있다.

    ACKNOWLEDGMENT

    본 연구는 국토교통부 국토교통기술사업화지원사업 (18TBIP-C144315-01) 지원으로 수행되었습니다. 지원 에 깊은 감사를 드립니다.

    Figure

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    Problems of LRB and FPS Seismic Isolation
    KOSACS-9-59_F2.gif
    Hybrid Seismic Isolation Devices
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    Theoretical Behavior of Hybrid Seismic Isolation Device
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    Hybrid Seismic Isolation Design and Assembly
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    Material Performance Test
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    Structural Experiment of Hybrid Seismic Isolation System
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    Surface Pressure Dependency Test Result
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    Speed Dependence Test Result
    KOSACS-9-59_F9.gif
    Displacement Dependent Test Results

    Table

    Material property

    Reference

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