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ISSN : 2093-5145(Print)
ISSN : 2288-0232(Online)
Journal of the Korean Society for Advanced Composite Structures Vol.12 No.5 pp.37-43
DOI : https://doi.org/10.11004/kosacs.2021.12.5.037

Study on the Behavior Characteristics of Rubber Friction Bearing Devices

Jae-Joung Kim1, Chang-Hyun Paek2, Jong-Wan Hu3, Young-Chan Kim4
1M.S. Graduate, Department of Civil and Environmental Engineering, Incheon National University, Incheon, Korea
2PhD. Candidate, Department of Civil and Environmental Engineering, Incheon National University, Incheon, Korea
3Professor, Department of Civil and Environment Engineering, Incheon National University, Incheon, Korea
4PhD. Academic Research Professor, Incheon Disaster Prevention Research, Incheon, Korea

ㆍ 본 논문에 대한 토의를 2021년 11월 30일까지 학회로 보내주시면 2021년 12월호에 토론결과를 게재하겠습니다.


Corresponding author: Kim, Young-Chan Incheon Disaster Prevention Reasearch Center, Incheon University, 119 Academy-ro, Yeonsu-gu, Incheon, Korea. Tel: +82-32-835-4754, Fax: +82-32-835-0775 E-mail: channy0409@inu.ac.kr
August 18, 2021 October 4, 2021 October 6, 2021

Abstract


Among seismic systems used to protect structures from earthquake damages, the seismic isolation system is a structural system that can efficiently improve seismic performance. Although the seismic isolation system is safe because it separates the ground and structure, depending on the type of device employed, the support capacity for vertical and horizontal loads and the restoring force for the required deformation may be insufficient, resulting in damages. In this study, to improve the seismic isolator system performance, a performance verification study was conducted through experiments and the rubber friction bearing system was analyzed, which improved the bearing capacity and restoring force of the seismic isolator proposed in a previous study. To this end, the design details of the rubber friction bearing device were re-established and structural tests were performed based on the required performance to verify the device characteristics. In addition, finite element analysis was performed to improve the reliability of the experimental results and confirm the device characteristics at a performance level similar to the experimental results.



고무 마찰 베어링 장치의 거동 특성 연구

김 재중1, 백 창현2, 허 종완3, 김 영찬4
1인천대학교 건설환경공학과 석사
2인천대학교 건설환경공학과 박사수료
3인천대학교 건설환경공학부 교수
4인천방재연구센터 학술연구교수

초록


구조물의 지진 피해 감소를 위한 내진 시스템 중에서 면진 시스템은 효율적으로 내진 성능을 향상시킬 수 있는 구조 시스템이다. 면진 시스템은 지반과 구조물을 분리시키는 만큼 안전성이 뛰어나지만, 사용되는 장치의 계열에 따라 연직 및 수평 하중에 대한 지지력과 요구변형량에 대한 복원력이 부족하여 파손이 발생할 수 있다. 본 연구에서는 면진 시스템의 성능 개선 을 위해 기존 연구에서 제안한 면진 장치의 지지력과 복원력을 향상시킨 고무 마찰 베어링 장치에 대하여 실험 및 해석을 통한 성능 검증 연구를 수행하였다. 이를 위해 고무 마찰 베어링 장치의 설계 상세를 재정립하고 요구 성능에 따른 구조 실험을 수 행하여 장치 특성을 검증하였다. 또한, 실험 결과의 신뢰성 향상을 위한 유한요소해석을 수행하여 실험 결과와 유사한 성능 수 준의 장치 특성을 확인하였다.



    1. 서 론

    전 세계적으로 다양하게 발생하고 있는 재해 중에서 지진은 가장 큰 피해 규모와 범위를 나타내는 재해 로 지진 피해 감소를 위한 다양한 연구가 진행되고 있다. 지진에 대해 안전국이라고 생각되었던 우리나 라는 최근 경주 및 포항 지진 발생으로 지진에 대한 인식이 변화와 함께 지진 피해 감소를 위한 연구가 증가하고 있으나 아직까지 기술 선진국에 비해 미흡 한 수준에 머물러 있다(Ban and Hu, 2020). 지진 피 해 감소를 위한 내진 시스템 중에서 면진 시스템은 지진에 대하여 직접적으로 저항하기보다는 지진가속 도를 간접적으로 저감시키거나 방향을 반대로 피하 는 방식의 수동적인 개념으로 구조물의 내진 성능을 효율적으로 향상시킬 수 있는 기술이다(Hu, 2016). 이를 위해 면진 시스템은 지반과 구조물 사이에 고 무와 같은 유연한 절연체를 활용한 면진 장치 (Isolation bearing)를 설치하여 지진가속도에 의해 구 조물에 발생하는 변위를 완화시킨다(Hu, 2015). 면진 장치는 이상적으로 지진가속도에 의한 변위를 면진 장치에 집중시켜 발생되는 전단 하중을 견디게 설계 하고 상부 구조와 강체처럼 작동하여 탄성 범위를 유지해야 한다. 면진 장치는 일반적으로 탄성 또는 슬라이딩 면진 장치로 구분할 수 있으며 각각의 장 치는 고유 감쇠 메커니즘을 갖고 강성 지지대 역할 을 한다(Domenico and Ricciardi, 2018). 고무 베어링 요소를 활용하는 탄성 면진 장치는 중앙부 납심의 감쇠 작용과 적층 고무의 수평강성 조절 작용 원리 를 사용하고, 마찰 진자 요소를 활용하는 슬라이딩 면진 장치는 진자에서 발생하는 마찰력으로 진동을 감쇠하는 원리를 사용한다. 이러한 장치들은 각각의 베어링 요소의 탄성력 또는 마찰력에 의해 지진에 의한 하중을 감쇠시키지만 장치의 허용 용량을 초과 하면 요소 부품의 전단 파괴, 탈락 등의 문제점이 발생된다. 따라서 선행연구에서는 기존 면진 장치의 장점을 결합한 고무 마찰 베어링 장치를 제안하고 장치의 성능을 확인하기 위하여 면압, 변위 및 속도 변수에 대한 의존성 시험을 수행하였다(Yu et al., 2013;Cho et al., 2018). 본 연구에서는 선행연구에서 수행한 결과를 바탕으로 설계 상세를 재정립하고 전 단탄성계수에 따른 실대형 구조 시험을 수행하여 고 무 마찰 베어링 장치의 거동 특성을 검증하였다. 또 한, 유한요소 해석을 수행하여 고무 마찰 베어링 장 치 거동 특성의 신뢰성을 확보하고 설계 및 실험 결 과와의 적합성을 검증하였다.

    2. 본 론

    2.1 설계

    본 연구에서 제안하는 고무 마찰 베어링 장치는 Fig 1과 같이 실린더와 코어 부분으로 구분하여 이를 구 성하는 요소에 의해 구조물에 발생하는 변위를 제어 한다. 실린더 부분은 기존 탄성 면진 장치와 같이 기본적으로 고무와 강재 요소를 사용하여 진동 및 변위 제어 성능을 유지한다. 적층한 고무와 강재 요 소는 일부 연직 하중을 지지하고 적층 수에 따라 수 평 하중에 의한 허용 변위를 조절할 수 있다. 또한, 고무의 탄성력을 이용하여 변위 발생 후 잔류 변위 를 최소화하고 장치 내부 부식의 가능성을 낮출 수 있다. 코어 부분은 폴리우레탄 디스크 요소를 사용 하여 추가적인 탄성 및 복원 성능을 향상시키고 베 어링 블록 요소와 연결하여 회전력을 수용하며 연직 및 수평 하중을 지지한다. 추가적으로 역학적 특성 및 마찰 특성은 다양한(Choi et al., 2019) 엔지니어링 플라스틱 마찰 요소를 사용하여 수평 하중에 의한 변위 제어 성능과 에너지 소산 능력을 향상시킬 수 있다. 이로 인해 전단 파괴와 부품 탈락을 방지할 수 있고 요소 마모로 인한 교체 비용도 감소시킬 수 있다. 따라서 고무 마찰 베어링 장치는 강진의 영향 에서도 구조물의 전단 특성을 상승시켜 강진이 발생 하여도 파괴가 일어나지 않고, 우수한 성능에 의해 지속해서 사용할 수 있으므로 안전성 및 경제성을 확보할 수 있다. 또한, 기존 납을 사용하는 면진 장 치에 비해 환경에 대한 부담 저하 및 유해 물질의 사용을 감소시킬 수 있다.

    고무 마찰 베어링 장치를 구성하는 요소 부품은 설계 지진 하중과 변위에 대한 전단 하중과 연직 하 중을 지지하는 고무, 폴리우레탄 및 엔지니어링 플 라스틱의 재료 성능을 고려하여 Fig. 2와 같이 주요 요소 부품에 대한 상세 설계를 수행하였다. 고무 부 품의 단면적(A)은 식 (1)로 산정한다. 단면적을 산정 하기 위한 수직 강성(kυ)은 전체 강성에서 고무가 받 는 비율로 산정하고 수평 강성(kh)은 아래의 식 (2) 로 산정한다. 또한, 고무의 내경(Di)은 장치의 지름 에 변위와 여유치를 합하여 산정하고 외경(Do)은 식 (3)과 같이 내경과 단면적의 관계로 산정한다.

    A = k υ × n r u b × t R E × ( 1 + 2 + × a × S F 2 )
    (1)

    k h = G A ( t R × n r u b ) / n
    (2)

    D o = 4 × A π + D i 2
    (3)

    여기서, nrub는 고무층 개수, tR은 단일 고무층의 높이, E는 탄성계수, a는 회전각, SF는 형상계수, G 는 전단탄성계수, n은 층개수를 의미한다.

    폴리우레탄 디스크의 내경(Dip)은 중심축(Center shaft)의 지름에 여유치를 더하여 산정한다. 외경(Dop) 은 지압 응력(Peq)을 적용하여 식 (4)와 같이 산정하 고 높이(h)는 식 (5)으로 산정한다.

    D o p = 4 × P e q π × R + D i p
    (4)

    h = D o p 2 D i p 2 4 × D o p × S F
    (5)

    또한, 다른 각각의 요소 부품은 지압 응력, 휨 응 력, 전단 응력, 처짐, 지압 높이, 안전율 등을 고려하 여 세부 치수를 결정하였다.

    Fig. 3과 같이 고무 마찰 베어링 장치는 장치를 구성하는 요소의 마찰 거동과 강성 거동을 합친 형 태의 거동 특성을 나타낸다. 고무 마찰 베어링 장치 는 마찰력을 통하여 지진하중에 의해 발생하는 대부 분의 에너지를 소산시킨 후 마찰력이 소산시키지 못 한 초과 하중에 대하여 고무의 강성으로 저항한다. 일반적으로 고무의 최대 복원력이 항복 하중(Qd) 보 다 작으면 마찰 거동 내에 발생하는 에너지를 소산 (EDC)시켜도 잔류 변위가 발생하며 장치의 성능 유 지를 위해 부품을 교체해야 한다. 따라서, 고무 마찰 베어링 장치는 고무와 폴리우레탄 스프링을 같이 사 용하여 발생하는 2차 강성(K2)인 복원력으로 스스로 잔류 변위를 복원하는 특성을 부가하여 여진 발생 시에 대비할 수 있고 장치의 교체 횟수도 줄일 수 있다. Fig. 3 (c)와 같이 고무 마찰 베어링의 거동 특 성에 대한 각각의 설계값은 아래의 Table 1에 나타 내었다.

    여기서 항복 하중은 하중과 고무 및 폴리우레탄 스프링의 하중 부담률 및 마찰계수의 관계로 산정한 다. 2차 강성은 수평강성, 유효 강성은 항복 하중과 2차 강성 및 변위의 관계로 산정되며 에너지 소산 능력은 하중-변위 그래프의 면적을 의미한다. 장치 감쇠 특성은 지진 시 변위와 유효 강성(Keff)에 대한 에너지 소산 능력을 고려하여 전단탄성계수에 따라 0.45MPa의 경우 18.6%, 0.90MPa의 경우 13.7%로 산 정하였다.

    2.2 장치 특성 실험

    고무 마찰 베어링 장치의 거동 특성을 파악하기 위 하여 장치 특성 실험을 수행하고 설계의 적합성을 검증하기 위하여 실험과 설계에 대한 비교 분석을 수행하였다. 고무 마찰 베어링 장치의 전단 하중에 대한 장치 특성 파악을 위하여 시험체는 Fig. 4(a)와 같이 BS EN 1337-3 (2005)에 제시된 기본적인 고무 의 전단탄성계수를 기준으로 0.45MPa와 0.90MPa로 구분하여 총 10개의 시험체를 제작하였다. 또한, 허 용 성능 향상과 전단 하중에 대한 변위를 조절하기 위해 2개의 장치를 적층하고 볼트로 결합하여 제작 하였다. 실험방법은 연직 100kN, 수평 50kN의 허용 용량과 ±100mm 최대 스트로크의 성능을 갖는 2축 동적 실험기를 활용하였으며 하중 재하 단계를 2단 계로 설정한 후 실험을 수행하였다. 우선 Fig. 4(b)와 같이 설계 연직 하중 60kN을 재하한 상태에서 Fig. 4(c)와 같이 ±50mm를 속도 100mm/s로 6회 반복 가 력하였다. 특성치 계산은 6회 반복 가력 중에서 2번 째부터 6번째 이력 곡선을 평균하여 계산하였으며 실험 시작 전, 중, 후 육안을 통하여 고무 마찰 베어 링 장치의 형상 및 손상에 대한 외관검사를 수행하 였다.

    고무 마찰 베어링 장치의 각각 시편에 대한 거동 특성 실험 결과는 Table 1과 같으며 실험 결과와 설 계 결과의 하중-변위 이력 곡선은 Fig. 5와 같다. 설 계 및 실험 결과에서와 같이 전단탄성계수가 증가하 면 최대 하중, 유효 강성, 항복 하중, 에너지 소산 능력 등의 특성이 전체적으로 증가하는 결과를 나타 내며, 특히 거동 형상이 급격해 짐으로써 2차 강성 이 크게 증가함을 알 수 있다. 설계와 실험 결과를 비교해 보면 0.45MPa 시험체는 최대하중의 경우 설 계값과 유사한 결과를 나타냈고 항복 하중의 경우 평균적으로 약 2%의 오차가 발생하였다. 2차 강성의 경우 설계값보다 약 2%의 낮은 실험값을 나타냈으 며, 유효 강성은 약 4%의 오차가 발생하였다. 0.90MPa 시험체는 최대하중의 경우 0.45MPa 시험체 와 유사하게 유사한 결과값을 나타냈고 항복 하중의 경우 평균적으로 설계값에 비해 1%의 오차율이 발 생하였다. 2차 강성과 유효 강성의 경우 0.45MPa 실 험체와는 달리 설계값에 비해 2∼4%의 오차가 발생 하였다. 에너지 소산 능력을 나타내는 이력 곡선 면 적의 경우에는 설계값에 비해 7% 정도의 다소 낮은 결과를 나타냈다. 따라서 이러한 실험 결과로 고무 마찰 베어링 장치는 설계용량에 대해 충분한 성능을 발휘한다고 판단된다. 또한, 실험 간 육안을 통한 외 관 평가를 실시하여 실험 전, 중, 후 베어링 장치의 변형, 손상을 확인한 결과 외부 적층 구조의 강재 판이 미세하게 뒤틀려 있는 것을 확인하였으나 허용 오차율 내의 실험 결과를 보이므로 베어링 장치의 특성에는 영향이 없는 것으로 판단된다. 하지만 추 후 연구에서 수행할 예정인 진동대 실험을 위해서는 외부 적층 구조 제작과정의 개선이 필요할 것으로 판단된다.

    2.3 장치 특성 해석

    고무 마찰 베어링 장치의 특성 실험 결과의 신뢰성 확보를 위해 장치 특성 해석을 수행하였다. 장치 특 성 해석은 Fig. 6과 같이 ABAQUS 프로그램을 사용 하여 설계 시 적용된 재료 물성 및 부재 규격을 고 려한 솔리드 요소로 고무 마찰 베어링 장치 해석 모 델을 완성하였다. 재료 모델의 경우 선행연구에서 수행한 재료 실험을 근거로 가황 고무, 엔지니어링 플라스틱, 폴리우레탄, SM490 강재의 물성을 적용하 였다. 요소 유형은 해석을 원활히 수행하기 위해 8 절점 육면체 요소 C3D8요소를 선정하였고 해석 수 렴성을 위해 육면체 메쉬 분할로 각 부재에 할당된 요소 크기를 동일하게 생성하였다. 고무 마찰 베어 링 장치를 구성하는 각 요소 부품의 접촉면은 마찰 작용을 고려하기 위하여 표면 상호 작용(Surface interactions) 기능을 사용하여 재료에 따라 접촉면의 마찰 물성을 다르게 적용하였고 그 외의 일체 거동 을 하는 부품의 접촉면은 구속 조건(Constraints)을 적 용하였다. 고무 마찰 베어링 장치의 경계조건은 상 부 구조물과 하부 지면에 정착된 장치를 구현하기 위해 하부 바닥을 따라 변위를 고정시켰다. 해석은 실험과 동일한 조건에서 정확도를 높이기 위해 초기 단계, 하중 재하 단계, 반복하중 단계로 나누어 해석 을 진행하였다. 초기 단계에서는 장치 바닥판에 X, Y, Z 방향을 고정단으로 경계조건을 설정하였다. 하 중재하 단계에서는 장치 상부에 구조물이 적용되어 있다는 가정을 위하여 설계 연직 하중 60kN을 재하 하였다. 반복하중 단계에서는 장치 특성 실험과 동 일한 고무 마찰 베어링 장치의 거동을 재현하기 위 해 실험과 같은 조건으로 변위 이력 하중을 가하여 해석을 진행하였다.

    고무 마찰 베어링 장치의 해석 결과는 Table 2와 같으며 실험 결과와 해석 결과의 하중-변위 이력 곡 선은 Fig. 7과 같다. 고무 마찰 베어링 장치의 해석 결과 이론적 거동 메커니즘과 동일한 거동 특성을 나타냈으며 설계 및 실험과 유사한 값을 나타냈다. 해석과 실험 결과를 비교해 보면 0.45MPa 모델은 최 대 하중의 경우 약 7%, 항복 하중의 경우 약 2%의 오차가 발생하였다. 2차 강성과 에너지 소산 능력의 경우 약 1%의 실험값과 유사한 결과를 나타냈으며, 유효 강성은 다소 큰 약 8%의 오차가 발생하였다. 0.90MPa 모델은 최대하중의 경우 약 4%의, 항복 하 중의 경우 거의 유사한 결과를 나타냈다. 2차 강성 및 유효 강성의 경우 0.45MPa 모델과 유사한 오차를 나타냈다. 또한, 에너지 소산 능력의 경우는 크지 않 은 범주 내에서 두 모델 다 유사한 결과를 나타냈 다. 실험 결과와 해석 결과의 오차가 0에 가까운 결 과를 나타낸 경우 해석 시 입력된 재료 물성이 실험 결과에 근거한 입력값에 의한 결과로 판단된다. Fig. 8과 같이 해석 결과를 살펴보면 응력은 주로 상판에 서 발생하였으며 최대 응력은 약 66MPa이 상판 하 부에서 발생하였다. 최대 응력은 50mm 최대 변위일 때 발생하였고 발생 위치는 상판과 마찰재 이탈방지 블록에서 발생하였으며 하중 반복 횟수에 따른 응력 증가는 보이지 않았다. 또한, 수평 방향 변위 하중 부여 시 부재의 파단 또는 파괴 없이 안정적인 거동 을 나타냈다.

    3. 결 론

    본 연구에서는 기존 면진 장치의 구조 성능, 유지, 보수 및 관리 등의 문제 해결을 위하여 기존 연구에 서 제안된 고무 마찰 베어링 장치의 효율적인 성능 향상을 위하여 상세 설계를 수행하고 실험 및 해석 을 통한 장치의 특성 검증 연구를 수행하였다.

    고무 마찰 베어링 장치는 마찰 요소를 사용하여 수평 변위 제어를 통한 받침 이탈 및 전단 파괴 발 생을 방지하고 고무와 강재 요소를 적층으로 쌓아 올려 허용 변위를 조절하며 폴리우레탄 요소를 사용 하여 탄성 복원력 및 전단 하중에 대한 지지력 확보 가 가능한 장치이다. 이러한 고무 마찰 베어링 장치 의 성능 검증 연구를 위해 우선 요소에 의한 고무 마찰 베어링 장치의 요구 성능 도출을 위한 상세 설 계를 수행하고 설계 결과에 부합하는 장치의 특성을 검증하기 위해 장치 특성 실험을 수행하였다. 장치 특성 실험에 의한 결과 최대 하중, 항복 하중, 2차 강성, 유효 강성 및 에너지 소산 능력 등의 성능이 설계 결과와 유사함을 나타냈다. 추가적으로 실험과 동일한 조건에서 장치 특성 해석을 수행하였으며 실 험 결과와 유사한 결과를 도출하여 장치 성능 검증 결과의 신뢰성을 확보하였다. 또한, 해석 결과 각 부 재에 발생하는 응력의 크기가 주요 부재의 허용응력 을 초과하지 않고 안정적인 거동이 발생하는 것을 장치의 변위에 따른 응력 분포 검토를 통하여 검증 하였다.

    본 연구에서는 반복하중 하에서 장치의 성능 검 증 연구를 수행하였으므로 추후 고무 마찰 베어링 창치의 구조물 적용을 위해서는 실대형 진동대 실험 및 비선형 수치해석을 통한 성능평가 연구를 수행해 야 할 것이다.

    감사의 글

    본 연구는 국토교통부/국토교통과학기술진흥원 국토 교통기술사업화지원사업의 지원으로 수행되었습니다 (과제번호 21TBIP-C161399-01). 본 연구 지원에 깊은 감사를 드립니다.

    Figure

    KOSACS-12-5-37_F1.gif
    Components of Rubber Friction Bearing Device
    KOSACS-12-5-37_F2.gif
    Design Details of Rubber Friction Bearing Device
    KOSACS-12-5-37_F3.gif
    Behavior Mechanism of Rubber Friction Bearing Device
    KOSACS-12-5-37_F4.gif
    Experiment of Rubber Friction Bearing Device
    KOSACS-12-5-37_F5.gif
    Load-displacement Hysteresis Curves for Experiment and Design
    KOSACS-12-5-37_F6.gif
    3D Finite Element Analysis Model of Rubber Friction Bearing Device
    KOSACS-12-5-37_F7.gif
    Load-displacement Hysteresis Curves for Analysis and Experiment
    KOSACS-12-5-37_F8.gif
    Stress Distribution o f Rubber Friction Bearing Device

    Table

    Experiment and Design Results
    Analysis and Experiment Results

    Reference

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