한국지반공학회논문집 제34권 1호 2018년 1월 pp. 5 ～ 16 JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL SOCIETY
Vol.34, No.1, January 2018 pp. 5 ～ 16
ISSN 1229-2427 (Print) ISSN 2288-646X (Online) https://doi.org/10.7843/kgs.2018.34.1.5
테프론 또는 제강슬래그를 활용한 기초형 지진격리장치의 면진 메카니즘 평가
Evaluation of Isolation Mechanism of Teflon or Steel Slag-Type Seismic Foundation Isolation Systems
손 수 원1 Son, Su Won 강 인 구2 Kang, In-Gu 푸얀 벅게리3 Pouyan, Bagheri 김 진 만4 Kim, Jin Man
Abstract
In this study, seismic performance of geotechnical seismic isolation system capable of primary seismic isolation in the ground was evaluated. 1-G shaking table test was used to assess the performance of Teflon or steel slag as geotechnical seismic isolation systems installed beneath superstructure foundation. Response acceleration and response spectra were analyzed considering different input motions. The results were compared with those of fixed foundation structure without seismic isolation system. The steel slag-type seismic isolation system showed significant reduction in acceleration. The teflon-type seismic isolation system did not show significant effects on acceleration reduction in low-to-moderate seismicity condition, but it did show better effects in case of strong seismic condition. As input motion was transferred to the upper mass, the response spectrum of the fixed foundation structure was amplified in the short period range. In contrast, the response spectrum of the structure with seismic isolation using teflon or steel slag amplified in the long period range. It is found that the change of periodicity and the friction characteristics between isolation materials and foundations affected acceleration reduction.
요 지
본 연구에서는 지반에서 1차적인 면진작용을 할 수 있는 지반형 지진격리장치의 내진성능을 평가하였다. 테프론과 제강슬래그를 이용하여 지반형 지진격리장치를 조성한 후 그 위에 모형 상부구조물을 설치하고 1-G 진동대 실험을 수행하였다. 다양한 수준의 입력지진파에 대해 응답가속도와 응답스펙트럼을 분석하였으며, 지진격리장치가 없는 고 정기초 구조물과 결과를 비교하였다. 연구결과, 제강슬래그형 지진격리장치가 가장 가속도 저감효과가 좋았으며, 테프 론형 지진격리장치는, 중･약진 조건에서는 가속도 저감효과가 크게 없고 강진조건에서는 가속도 저감효과가 좋았다.
입력파가 상부질량(Mass)으로 전달되면서, 고정기초 구조물의 응답스펙트럼은 입력지진파에 비해 단주기영역에서 증폭하고, 테프론과 제강슬래그를 이용한 지진격리장치가 있는 구조물의 응답스펙트럼은 입력지진파에 비해 장주기 영역에서 증폭하였다. 이러한 주기특성 변화와 재료간의 마찰특성이 가속도 저감효과에 영향을 준 것으로 판단된다.
1정회원, 부산대학교 사회환경시스템공학과 박사과정 (Member, Ph. D Candidate, Dept. of Civil and Environmental Engrg., Pusan National Univ.) 2비회원, 부산대학교 사회환경시스템공학과 석사과정 (Graduate Student, Dept. of Civil and Environmental Engrg., Pusan National Univ.) 3비회원, 부산대학교 사회환경시스템공학과 박사과정 (Ph. D Candidate, Dept. of Civil and Environmental Engrg., Pusan National Univ.)
4정회원, 부산대학교 사회환경시스템공학과 토목공학전공 교수 (Member, Prof., Dept. of Civil and Environmental Engrg., Pusan National Univ., Tel: +82-51-510-2349, Fax: +82-51-513-9596, [email protected], Corresponding author, 교신저자)
*본 논문에 대한 토의를 원하는 회원은 2018년 7월 31일까지 그 내용을 학회로 보내주시기 바랍니다. 저자의 검토 내용과 함께 논문집에 게재하여 드립니다.
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Fig. 1. The shaking table and test setup (Kim, 2003) Keywords : Seismic isolation system, Seismic performance, Bridge foundation, 1-G shaking table, Sliding, Rocking,
Teflon, Steel slag
1. 서 론
최근에 많은 지진이 발생하면서 더 이상 한국도 지진 안전지대가 아니라는 인식이 증가하고 있다. 과거에는 중·약진 지진이 주로 발생했으나, 최근에는 경주, 울산 등에서 규모 5 이상의 비교적 큰 지진이 발생하고 있다.
지진이 발생하게 되면 교량, 터널, 건물 등 많은 구조물 들이 피해를 입고, 2차적으로 인명피해도 발생할 수 있다.
이와 같은 지진 피해를 줄이기 위해 지진격리장치 같은 면진공법이 많이 활용되고 있다. 기존의 지진격리장치 는 대부분 구조형 지진격리장치인데 Laminated Rubber Bearing(LRB)와 Friction Pendulum System(FPS) 타입이 주로 사용된다. LRB 타입은 고무의 유연성으로 변위를 발생시켜 지진력을 흡수하고, FPS 타입은 베어링의 미 끄러짐 발생으로 상부로 전달되는 지진력을 감소시킨 다. Cha(2005)은 Laminated Rubber Bearing(LRB)를 이 용한 탄성받침은 상부중량이 매우 큰 교량에 적용할 경 우 전단변형에 따른 수평강성이 상부중량에 비해 작아 지진시 전단 변형량이 과다하게 발생하여 탄성받침의 파괴가 예상된다고 했으며, 이러한 단점을 보완한 것이 Lead Rubber Bearing이다. 이 장치는 기존의 탄성받침 에 Core 형태의 납을 접목시켜 강성을 높여 지진에 따른 변위를 줄이면서 구조적인 안전성을 높인 것이다(Jung, 2008). 대체적으로 구조형 지진격리장치는 큰 변위를 허용할 수 없는 단점이 있다. 최근에는 큰 변위도 허용 하고 지반에서 1차적인 면진작용으로 상부구조물에 전 달되는 지진하중을 감소시키는 지반형 지진격리장치에 대한 연구가 진행되고 있다.
Edil과 Bosscher(1994)는 지반에 고무를 재료로 하는 조 각난 타이어를 혼합하면 지반의 전단강도가 증가한다고 발표하였다. 건물 기초에 고무-모래 혼합물(RSM)을 설 치하면 지진에너지가 흡수된다는 것을 연구하였고(Tsang, 2008; Tsang et al., 2010), Xiong 등(2013)은 고무와 모래 의 혼합 비율을 다르게 한 지진격리장치의 면진특성을 연구하였으며, 고무와 모래의 혼합 비율과 구속압이 에너 지 감쇠에 영향을 끼치는 요소라고 발표하였다. An(2006) 은 모래와 테프론 재료를 말뚝기초와 교량 교각사이의 기초지진격리재료로 적용하여 이에 대한 에너지 저감 및
가속도 변화 효과를 평가하였다. Panah과 Khoshay(2015) 는 sleeved 말뚝 주위에 고무-모래 혼합물을 넣어서 모 형실험을 수행하였으며, 콘크리트말뚝과의 동적거동특 성을 비교하였다. Son 등(2017)은 다양한 기초조건에서 테프론을 이용한 기초형 지진격리장치의 면진성능을 평 가하였으며, 마찰이 작은 테프론에서는 활동기초가 가 장 면진에 효과적이라고 하였다. Kim(2003, 2005)과 Kim 등(2005)은 진동대 실험을 수행하여 토목섬유 인터페이 스의 마찰각 등의 동적마찰특성을 평가하고 그에 대한 연구방법을 제안한 바 있다(Fig. 1).
본 논문에서는 테프론 또는 제강슬래그를 활용한 기 초형 지진격리장치의 면진성능을 분석하였다. 기초형 지진격리장치는 기존의 구조형 격리장치와 비교할 때 경제성이 높으며 큰 변위를 허용할 수 있는 장점이 있 다. 그리스의 Rion-Antiron 교량은 기초형 지진격리장 치 재료로 자갈을 이용한 사례도 있는데, 본 연구에서 사용한 제강슬래그는 제철소에서 제강과정에서 나오 는 부산물이기 때문에 자갈에 비해 저렴하다. 향후 제 강슬래그와 형태가 유사한 자연 자갈이나 쇄석 등과 제 강슬래그의 공학적 성능을 비교하는 깊이 있는 실험적 연구가 필요하다고 판단된다. 이러한 지진격리장치의 면진성능을 평가하기 위해 축소모형을 조성하였으며, 동일한 상부구조물을 지지하는 고정기초, 전도기초 등 으로 기초조건을 변경해가며 1-G 진동대 실험을 수행 하였다. 실험결과 분석을 통해 상부구조물의 기초조건 과 두가지 재료에 대한 지반형 지진격리장치의 면진성 능을 평가하였다.
(a) Prototype structure (b) Scaled model structure Fig. 2. Prototype and model structures
Table 2. Material properties of the model ground
Parameter Rigid ground Structure Teflon Steel slag
Compression strength (kPa) 30,000 50,000 --
Unit weight (kN/m3) 15 23 9.3 25
Table 1. Similitude for 1-G shaking table experiment
Division Scale Model
Geometry 1 30 60
Acceleration 1 1 1 1
Strain 1 1 1
Time 1 5.47 7.74
Displacement 1 30 60
Frequency 1/ 1 0.18 0.13
2. 1-G 진동대 모형실험 준비 및 동적해석 모델링
2.1 모형구조물 및 지진격리장치
본 연구에서 사용한 원형구조물의 형태는 Fig. 2와 같 으며, Iai(1989)가 제안한 상사법칙을 적용하여 축소모 형을 제작하였다(Table 1). 원형구조물은 그리스의 Rion- Antiion 교량을 참고하였으며, 슬래브 형태의 원형구조 물은 제작에 어려움이 있어 사각형 형상으로 바꾸어 제 작했다. 상부구조의 질량은 상부에 가해지는 슬래브의 자중 등을 고려하여 결정하였다. Iai(1989)는 Rocha(1957) 의 가정과 포화지반-구조물-유체 시스템의 응력을 지배 하는 기본방정식을 이용하여 1-G 진동대 모형실험을 위 한 상사법칙을 유도하였다. Iai와 Sugano(1999)는 Iai(1989) 가 유도한 상사법칙을 cyclic mobility와 strain softening 개념을 이용하여 3가지 형식으로 분류하였고, 안벽구조
물에 대한 1-G 진동대 축소모형실험을 수행하여 검증하 였다. Fig. 2의 상부를 슬래브 형식 그대로 만들어 실험 하게 되면 파괴의 위험이 있기 때문에 집중질량으로 바 꾸어 폭이 좁고 높이가 긴 형태로 제작하였다. 모형구조 물의 크기는 원형구조물보다 60배 축소된 크기이며, 입 력파의 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, 지진격리장 치, 그리고 상부구조물의 물성치는 Table 2와 같다. 지 반과 상부구조물은 각각 시멘트 몰탈과 콘크리트로 제 작하였다.
2.2 1-G 진동대 모형실험 준비
건설연구인프라운영원 진동대를 사용하여 1-G 진동 대 실험을 수행하였다. 기존에 Son 등(2014)은 제강슬 래그를 이용한 지반형 지진격리장치를 연약지반 위에 설 치하여 실험을 수행하고, 면진특성을 평가하였다. 하지 만 구조물에 도달하는 입력파가 연약지반에서 크게 감 쇠가 되어 강진조건에서의 면진특성을 평가할 수 없는 문제가 있었다. 이에 본 연구에서는 지진격리장치와 상 부구조물에 큰 하중이 직접적으로 전달되도록 강성지 반을 조성하였으며, 그 위에 지진격리장치와 상부구조
(a) Fixed foundation
(b) Teflon-type isolation layer
(b) Steel slag-type isolation layer Fig. 3. Test setup
물을 설치하였다. 본 실험의 목적은 전도형 면진 기초의 진동저감과 주기변화 효과를 파악하는 데 있기 때문에 상부구조물 모형을 전도가 발생할 수 있는 형태로 제작 하였다. 상부구조물 기초, 기둥, 그리고 상부질량(Mass) 에 x축(좌우), z축(상하) 방향으로 가속도계를 설치하였 으며, 상부구조물 기초와 상부질량(Mass)에 변위계를 설치하였다(Fig. 3). 입력파는 실지진파(Chichi)를 사용 하여 실험을 수행하였다. 본 실험에서는 상사비가 크기 때문에 시간 상사비를 적용해 입력파의 지속시간을 축 소할 경우, 모형실험에 사용되는 입력파의 지속시간이 매우 짧을 수 있다. 이에 입력파의 지속시간이 매우 길 고 단주기 성분을 가지면서 장주기 성분도 가지고 있는 Chichi 지진파를 사용하였다. Chichi 지진은 대만 Chichi
에서 1999년 9월 21일 발생한 규모 7.3의 계측지진이다.
각각의 입력파에 대한 실험 종료 후 구조물 기둥의 변형 과 구조물 상부와 하부부분과의 상대변위를 통해 상부 구조물 손상을 확인하면서 실험을 수행하였으며, 구조 물이 손상되지 않으면 발생한 변위만 다시 원점으로 조 정하여 다음 실험을 수행하였다.
2.3 구조물 고유치 해석 및 재료간 마찰시험
2.3.1 고유치 해석
지반, 격리층, 구조물 하부기초, 구조물 기둥, 상부 상 부질량(Mass) 등 다섯가지 구조물 위치에서의 구조물의 크기, 탄성계수, 단면2차모멘트, 그리고 각 재료의 단위 중량을 이용하여 각 위치에서의 구조물의 무게와 강성 을 구하였다. 그리고 구조해석 프로그램인 MIDAS를 이 용하여 축소된 모형구조물을 모델링하여 전체시스템에 대한 고유치 해석을 수행하였다. 모형구조물 자체에 대 한 고유치 해석 결과, 고정기초구조물의 고유주파수는 53.9Hz, 전도 및 활동 모드 구조물의 고유주파수는 각 각 33.8Hz, 21.2Hz였다.
2.3.2 재료간 마찰시험
테프론과 상부구조물, 제강슬래그와 상부구조물 간 의 마찰력을 구하기 위해 실내시험을 수행하였다. 직접 전단시험기를 이용하여 하부에는 테프론 또는 제강슬 래그를 조성하고, 상부에는 제작한 콘크리트 공시체를 설치하였다. 시험 결과, 테프론과 콘크리트 공시체의 마 찰각은 13.9°(마찰계수 0.25), 제강슬래그와 콘크리트 공시체의 마찰각은 37.8°(마찰계수 0.78)였다(Fig. 4).
3. 실험결과 및 분석
다양한 가속도 수준(0.03g～1.0g)의 지진파로 실험을 하였으며, 구조물 각 위치에서의 응답가속도 및 응답스 펙트럼을 분석하였다. 시간축소가 다른 입력파의 가속 도 저감효과를 살펴보기 위해 동일한 크기의 모형구조 물에 다양한 상사비에 따라 시간이 축소된 입력파를 적 용하였다. 지속시간이 짧은 지진파를 상사비가 매우 큰 경우에 입력파로 사용하면 입력파의 지속시간이 매우 짧게 적용되기 때문에 이러한 시간영향이 실제로 응답 결과에 영향을 미치는지를 분석해보았다. 적용된 상사 비는 1, 30, 60이다. 응답결과는 지진격리층 위치(Bottom),
(a) Teflon - concrete (b) Steel slag - concrete Fig. 4. Interface friction angle
(a) 0.03 g (b) 0.1 g (c) 0.5 g (d) 1.0 g
Fig. 5. Peak response acceleration ratio for different model scales (Fixed mode structure)
상부구조물 기초, 기둥, 상부질량(Mass)로 분류하여 각 위치별로 나타내었다.
3.1 시간축소 상사비가 다른 입력파에 대한 응답가속도 변화
Fig. 5∼7는 각각 고정기초 구조물, 테프론형 지진격 리장치, 제강슬래그형 지진격리장치에서의 최대응답가 속도비를 세가지 상사비의 입력파에 따라 나타낸 것이 다. Input, Bottom, Foundation, Pier, Mass로 위치를 분 류하였으며, 각각 입력파, 지진격리장치 상부, 구조물 하 부기초, 기둥, Mass 부분이다. 실험에 사용된 모형구조 물의 크기는 동일하지만, 1, 30, 60의 상사비를 적용하 였기 때문에 결과적으로 prototype 구조물의 크기가 1, 30, 60배로 증가하게 된다. 실험에 사용된 모형구조물을 prototype과의 크기와 비교하면 각각 prototype와 동일 한 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, 5.47배, 7.74배 축소된 것이다. Fig. 5
(a)의 최대가속도 0.03g의 입력지진파에서는 세가지 상 사 크기 모두 일관된 결과를 보이지 않고, 각각 다른 가 속도 변화 양상을 보이고 있다. Fig. 5(b)의 0.1g 이상의 최대입력지진파에서는 1/30 축소 크기와 1/60 축소 크 기 입력파에서의 응답가속도는 매우 유사하게 처음에는 감소하다가 상부로 올라가면서 점점 증가하는 변화 양 상을 보이고 있다. 하지만 Fig. 5(c)와 (d)의 0.5 g에서의 최대입력지진파에서는 prototype 크기의 응답가속도가 두가지의 시간축소 크기보다 매우 크게 증폭하는 양상 을 보이고 있다.
Fig. 6과 Fig. 7은 각각 테프론과 제강슬래그형 지진 격리장치에서의 최대응답가속도비이다. Fig. 6(a)와 (b) 에 따르면, prototype 크기 입력파에서의 응답가속도변 화양상은 Fig. 5의 고정기초 구조물과 같이 1/30 축소 크기와 1/60 축소 크기와는 다른 응답양상을 보인다. 하 지만 Fig. 6과 Fig. 7에서 보이는 것과 같이 1/30 축소 크기와 1/60 축소 크기의 응답가속도 변화양상은 매우 유사한 결과를 보인다.
Fig. 8은 세가지 상사비에 따른 최대가속도 1.0g의 Chichi 지진파를 입력하고 실험수행 중 진동대에서 계
(a) 0.03 g (b) 0.1 g (c) 0.5 g (d) 1.0 g Fig. 6. Peak response acceleration ratio for different model scales (Teflon-type isolation system)
(a) 0.03 g (b) 0.1 g (c) 0.5 g (d) 1.0 g
Fig. 7. Peak response acceleration ratio for different model scales (Steel slag-type isolation system)
(a) Prototype scale (b) 1/30 small scale (c) 1/60 small scale
Fig. 8. Time histories of table motion (1.0 g Chichi)
(a) 0.5 g Chichi(scaled model size) (b) 1.0 g Chichi(scaled model size)
(c) 0.5 g Chichi (prototype size) (d) 1.0 g Chichi (prototype size) Fig. 9. Response spectrum of table motion
(a) 0.1 g (b) 0.5 g (c) 1.0 g Fig. 10. Peak response acceleration ratio of Chichi motion (scaled 1/30)
측한 테이블가속도 시간이력이다. Fig. 9에서는 테이블 가속도 응답스펙트럼이다. Fig. 9(a)와 Fig. 9(b)에 따르 면, 1/30 축소 크기와 1/60 축소 크기의 응답스펙트럼은 각각 0.03∼0.08초, 0.06∼0.1초의 주기영역에 위치하지 만, prototype 크기의 응답스펙트럼은 0.2∼0.5초의 주기 영역에 위치한다. prototype 크기에서의 입력파의 응답 스펙트럼 주기영역은 비슷하지만(Fig. 9(c), (d)), prototype 구조물의 크기가 다르기 때문에 각 상사비 크기에 대한 prototype 구조물의 고유주기도 다르다. 하지만 실험결 과에 따르면, 1/30 축소크기와 1/60 축소 크기의 구조물 은 가속도 변화에서 큰 차이를 보이지 않았다. 이 결과 는 실험수행시 상사비 크기 차이는 나지만, 구조물의 고 유주기와 입력파의 응답스펙트럼 주기영역을 잘 고려 한다면 실험결과는 유사한 변화양상을 보일 수 있다는 것을 시사한다.
3.2 입력가속도별 응답가속도 변화
Fig. 10은 1/30 축소 크기 구조물에 대한 실험결과이 며, 다양한 수준의 Chichi 입력지진파에 대하여 위치별 최대응답가속도를 최대입력가속도로 나눈 값을 보여주 고 있다.
Fig. 10(a)의 최대입력가속도 0.1g의 Chichi 지진파에서 는, 고정기초 구조물의 경우 가속도가 약간 감소하다가 상부로 갈수록 가속도가 증가하는 경향을 보였다. 테프론 형 지진격리장치에서는 테프론에서 약간 증가한 가속도가 구조물기초에서 감소하다가 상부로 가면서 고정기초 구 조물과 유사하게 증가하는 경향을 보였다. 제강슬래그 지 진격리장치에서는 상부로 갈수록 가속도가 감소하는 경
향을 보였다. 구조물 상부질량(Mass)에서의 최대응답가 속도비는 제강슬래그형 지진격리장치는 0.39, 고정형 기 초 구조물은 1.68, 테프론형 지진격리장치은 2.13이다.
Fig. 10(b)와 (c)는 각각 최대가속도 0.5g, 1.0g의 Chichi 입력지진파에 대한 결과이다. 고정기초 구조물에서는 0.1g의 경우와 유사한 경향으로 가속도가 증가하였다.
테프론형 지진격리장치에서는 0.1g의 경우와 달리 테프 론에서 약간 증가한 후에 구조물 기둥부분까지는 감소 하다가 상부질량(Mass)에서 다시 증가하는 경향을 보였 다. 제강슬래그형 지진격리장치에서도 0.1g의 경우와 유사한 가속도 증가 및 감소 변화를 보였다. 0.1g의 경 우에서는 상부질량(Mass)에서의 가속도 감소는 제강슬 래그형 지진격리장치, 고정형 기초 구조물, 그리고 테프 론형 지진격리장치 순이지만, 0.5g 이상의 경우에서는 제강슬래그형 지진격리장치, 테프론형 지진격리장치, 고 정형 기초 구조물 순이다.
Fig. 11은 1/60 축소 크기 구조물에 대한 실험결과이 며, 다양한 수준의 Chichi 입력지진파에 대하여 위치별 최대응답가속도를 최대입력가속도로 나눈 값을 보여주 고 있다. Fig. 11(a)의 최대입력가속도 0.1g의 Chichi 지 진파에서는, 고정기초 구조물의 경우 가속도가 약간 감 소하다가 상부로 갈수록 가속도가 증가하는 경향을 보 였다. 테프론형 지진격리장치에서는 구조물 기둥까지는 가속도가 감소하다가 상부에서 증가하였다. 제강슬래그 형 지진격리장치에서는 제강슬래그(Bottom)에서 약간 증가한 가속도가 상부로 가면서 가속도가 감소하는 경 향을 보였다. Fig. 11(b)와 (c)는 각각 최대입력가속도 0.5g, 1.0g의 Chichi 입력지진파에 대한 결과이다. 고정 기초 구조물은 상부로 갈수록 가속도가 증가하였다. 지
(a) 0.1 g (b) 0.5 g (c) 1.0 g Fig. 11. Peak response acceleration ratio of Chichi seismic wave (scaled 1/60)
(a) Fixed (b) Teflon (c) Steel slag
Fig. 12. Peak response acceleration ratio of Chichi motion (scaled 1/30)
(a) Fixed (b) Teflon (c) Steel slag
Fig. 13. Peak response acceleration ratio of Chichi motion (scaled 1/60)
진격리장치가 있는 두 구조물의 가속도 변화양상은 지 진격리장치 위치에서는 약간 증가하다가 상부로 갈수 록 감소하였다. 0.1g, 0.5g, 1.0g의 모든 입력지진파에서 상부질량(Mass)에서의 가속도 감소는 제강슬래그형 지 진격리장치, 테프론형 지진격리장치, 고정형 기초 구조 물 순이다.
1/30 축소 크기와 1/60 축소 크기 구조물 모두, 입력 가속도 수준이 높아질수록 지진격리장치가 있는 구조 물에서 고정기초 구조물에 비해 가속도가 감소하는 경 향을 보였다. 이는 입력가속도 수준이 커지면서 지진격 리장치와 구조물간의 마찰저항력에 해당하는 항복가속
도 이상의 조건이 형성되었으며, 이러한 조건에서 전도 및 활동 작용이 발생하여 가속도가 감소한 것으로 판단 된다. 0.5g 이상에서만 가속도 감소효과가 있는 테프론 형 지진격리장치와는 달리 제강슬래그형 지진격리장치 는 모든 가속도에서 가속도 감소를 보이고 있다. 이는 전도형 제강슬래그형 지진격리장치가 활동형 테프론형 지진격리장치보다 더 효과적이라는 사실을 제시한다.
3.3 위치 및 경계조건별 응답가속도 분석
Fig. 12와 Fig. 13은 각각의 구조물에 대하여 최대입
(a) 1/30 small scale (b) 1/60 small scale Fig. 14. Peak response acceleration ratio at the structure mass
력가속도와 위치별로 최대응답가속도비를 보여주고 있 다. Fig. 12는 1/30 축소 상사비를 적용한 Chichi 입력 지진파에 대한 결과이며, Fig. 13은 1/60 축소 상사비를 적용한 Chichi 입력 지진파에 대한 결과이다.
Fig. 12와 Fig. 13을 비교하면, 입력지진파의 가속도 수준에 따른 각 위치별 최대응답가속도비의 크기는 다 르지만 각 위치에서의 최대응답가속도비가 감소하거나 증가하는 형태는 유사하다. Fig. 12(a)와 Fig. 13(a)의 고 정기초 구조물에서는 지진격리층 위치(Bottom)에서 상 부질량(Mass)로 올라가며 가속도가 증가하는 경향을 보 인다. Fig. 12(b)와 Fig. 13(b)의 테프론형 지진격리장치 에서는 최대입력가속도가 0.2g보다 작은 구간에서 구조 물 기둥과 상부질량(Mass)에서의 가속도가 구조물 기초 부분보다 큰 값을 보이나 입력가속도가 점점 증가할수 록 구조물 기둥과 상부질량(Mass)에서의 가속도 값이 작아지고 있다. Fig. 12(c)와 Fig. 13(c)의 제강슬래그형 지진격리장치에서는 입력가속도 수준에 관계없이 지진 격리층 위치(Bottom)에서 가장 큰 가속도 값을 보인 후 점차 감소하며, 전반적으로 구조물 기둥과 상부질량(Mass) 부분에서 가장 작은 가속도 값을 보이고 있다.
테프론형 지진격리장치는 강진조건에서 활동모드의 면진효과를 보이는 것으로 판단되고, 제강슬래그형 지 진격리장치는 활동모드가 일부 포함된 전도모드의 면 진효과를 보이는 것으로 판단된다.
Fig. 14에서는 상부구조물 Mass 위치에서의 최대응 답가속도를 최대입력가속도로 나눈 값을 비교하고 있 다. 전반적으로 제강슬래그 격리장치가 테프론 격리장 치에 비해 가속도 저감효과가 큰 것을 알 수 있다. 재료 간의 마찰각 시험결과에 따르면, 제강슬래그와 콘크리 트 사이의 마찰각은 테프론과 콘크리트 사이의 마찰각 보다 약 2.5배 컸다. 일반적으로 마찰저항이 클수록 활
동모드의 면진효과는 감소하고 전도모드의 면진효과가 발생할 수 있다. 재료간의 마찰저항이 작은 테프론을 이 용한 지진격리장치의 면진메커니즘은 전도보다는 활동 이 중요한 요인이었다고 판단된다. 모든 입력가속도 수 준에서, 제강슬래그형 지진격리장치의 면진효과가 테프 론형 지진격리장치보다 좋았던 결과를 보면, 전도 모드 가 활동 모드보다는 면진 효과가 더 크다고 판단된다.
3.4 입력가속도별 응답스펙트럼 분석
Fig. 15∼Fig. 17는 각각 0.03g∼1.0g Chichi 입력지진 파에 대한 고정기초 구조물, 테프론형 지진격리장치 구 조물, 제강슬래그형 지진격리장치 구조물에서의 응답스 펙트럼 분석결과이다. Fig. 15에 따르면, 입력지진파가 상부질량(Mass)로 전달되면서 단주기인 0.1∼0.2초의 주 기에서 증폭하는 경향을 보인다. Fig. 16과 Fig. 17에 따 르면, 지진격리장치가 있는 구조물에서는 고정기초 구 조물의 경우와 반대로 장주기영역에서 증폭하는 모습 을 보이고 있다. 지진격리장치가 있는 구조물에서는 입 력가속도의 수준이 커질수록 응답스펙트럼 최대값의 주 기가 증가하는 것을 알 수 있다.
Fig. 14의 상부질량(Mass)에서의 최대응답가속도비 결 과에 따르면, 테프론형 지진격리장치에서는 0.5g 이상 의 입력지진파에서 면진효과가 발생하였는데, 0.5g 이 상 가속도 수준의 입력파에서의 응답스펙트럼을 비교 해보면, 응답스펙트럼 최대값이 1초 이상의 주기로 이 동한 것을 알 수 있다. 제강슬래그형 지진격리장치 구조 물에서는 모든 입력가속도 수준에서 응답스펙트럼 최 대값이 1초 이상의 주기로 이동했으며, 가속도 저감효 과도 모든 입력가속도에서 나타난 것을 알 수 있다.
(a) 0.03 g (b) 0.1 g
(c) 0.5 g (d) 1.0 g
Fig. 15. Acceleration response spectra of Fixed mode structure
(a) 0.03 g (b) 0.1 g
(c) 0.5 g (d) 1.0 g
Fig. 16. Acceleration response spectra of Teflon-type isolation system
4. 요약 및 결론
1-G 진동대 실험을 수행하여 테프론과 제강슬래그를 이용한 지진격리장치의 면진성능을 분석하였고, 요약 및 결론은 다음과 같다.
(1) 시간축소 상사비가 다른 입력파에 대한 실험결과에 따르면, 실험수행시 상사비 크기 차이는 나지만, 구 조물의 고유주기와 입력파의 응답스펙트럼 주기영 역을 잘 고려한다면 실험결과는 유사한 변화양상을 보일 수 있다는 것을 시사한다.
(2) 입력가속도 수준이 커지면서 지진격리장치와 구조
(a) 0.03 g (b) 0.1 g
(c) 0.5 g (d) 1.0 g
Fig. 17. Acceleration response spectra of Steel slag-type isolation system
물간의 마찰저항력에 해당하는 항복가속도 이상의 조건이 형성되었으며, 이러한 조건에서 전도 및 활 동 작용이 발생하여 가속도가 감소한 것으로 판단 된다.
(3) 가속도 감소효과가 있는 테프론형 지진격리장치와 는 달리 제강슬래그형 지진격리장치는 모든 가속도 에서 가속도 감소를 보이고 있다. 이는 전도형 제강 슬래그형 지진격리장치가 활동형 테프론형 지진격 리장치보다 더 효과적이라는 사실을 제시한다.
(4) 테프론형 지진격리장치는 강진조건에서 활동모드 의 면진효과를 보이는 것으로 판단되고, 제강슬래 그형 지진격리장치는 활동모드가 일부 포함된 전도 모드의 면진효과를 보이는 것으로 판단된다.
(5) 응답스펙트럼 분석결과에 따르면, 고정기초 구조물 은 입력지진파가 상부질량(Mass)로 전달되면서 단 주기인 0.1∼0.2초의 주기에서 증폭하는 경향을 보 이는 반면, 지진격리장치가 있는 구조물에서는 고정 기초 구조물의 경우와 반대로 장주기영역에서 증폭 하는 모습을 보이고 있다. 지진격리장치가 있는 구 조물에서는 입력가속도의 수준이 커질수록 응답스 펙트럼 최대값의 주기가 증가하는 것을 알 수 있다.
(6) 제강슬래그형 지진격리장치는 활동모드가 일부 포 함된 전도모드의 면진효과일 것으로 판단되지만, 변 위 분석 등을 통해 전도 및 활동에 대한 정량적 분
석과 다양한 변수들에 대한 비교 분석이 필요할 것 으로 판단되며, 이에 대한 분석이 수행중이다. 또한, 본 연구에서는 최대가속도 값을 중심으로 구조물의 동적 거동 패턴과 모드 추측을 한 한계점이 있기 때 문에 향후 연구에서는 다양한 변수들에 대한 비교 분석이 필요할 것으로 판단된다.
감사의 글
이 논문은 BK21 PLUS 사업 및 부산대학교 기본연구 지원사업(2년)에 의하여 연구되었음
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Received : October 13th, 2017 Revised : November 28th, 2017 Accepted : December 6th, 2017
