1999.9.18 여러 가지 기초분리 장치의 내진성능에 관한 비교 연구 박 규식,...

1999.9.18

여러 가지 기초분리 장치의 여러 가지 기초분리 장치의 내진성능에 관한 비교 연구내진성능에 관한 비교 연구

박 규식박 규식 , , 한국과학기술원 석사과정한국과학기술원 석사과정오 주원오 주원 , , 한남대학교 교수한남대학교 교수이 인원이 인원 , , 한국과학기술원 교수한국과학기술원 교수

19991999 년도 한국지진공학회 추계 학술발표회년도 한국지진공학회 추계 학술발표회

Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 22

서론

여러 가지 기초분리 장치

수치해석 및 분석

결론

목차목차


연구목적 여러 가지 기초분리 장치의 특성파악 여러 가지 기초분리 장치의 국내 교량에 대한 적용성 검토

연구내용 시간이력해석 국내 교량에 대한 기초분리 장치의 성능 비교 분석

서론서론


1. LRB (Laminated Rubber Bearing) System 탄성받침 , 적층고무베어링 가장 널리 연구되고 사용 스프링과 점성감쇠의 병렬작용

여러 가지 기초분리 장치여러 가지 기초분리 장치

그림 1. LRB System 과 개념도

gx

1x

M

K

C

RubberInner steel plate

Outer steel plateProtective rubber

Flange


2. PF (Pure Friction) System 가장 간단한 장치 마찰에 의한 미끌림 거동 미끌림에 의한 영구변위 발생

그림 2. PF System 의 개념도

M

gx

1x


3. R-FBI (Resilient Friction Base Isolation) System LRB System 과 PF System 의 기능을 병렬적으로 결합 스프링 , 점성감쇠 , 마찰감쇠의 병렬작용

gx

1x

M

K

C

그림 3. R-FBI System 과 개념도

Cover plate

Central rubber core

Peripheral rubber core

Rubber cover

Connecting plate

Sliding ring


4. EDF (Electricite De France) System LRB System 과 PF System 의 기능을 직렬적으로 결합 중소 규모 지진

– 유연한 횡 강성이 구조물에 전달되는 에너지를 감소시킴 강한 지진

– 마찰면에서 미끌림이 발생하여 상부에 전달되는 최대 가속도를 일정 값 이하로 제한함

그림 4. EDF System 과 개념도gx

1x

M

K

C

2x

`

Reinforced neoprene pad

Friction plates

Stud anchor


1. 교량의 모델링 동진교

– 서해안 고속도로 당진 ~ 서천– ILM 공법으로 시공된 15 경간 연속교 , PSC 박스 거더교– 지간 길이 : 725m

– 종단구배 : 0.03%

– 감쇠비 : 2%

– 구조물 감쇠 : Rayleigh Damping

수치해석 및 분석수치해석 및 분석


11

0.3

1.8

11.511.5112.5 11.512.511.5111.5 112.5

1.8

0.5

H2

3.0

2.5

Connection Element

Superstructure Element

Various Bearings

Pier Element

Pier #13 Pier #14

Abutment #2

CL CLCL

0.3

1

0.3

1.8

11.51 111.5 112.5 11.512.511.511.51 12.5

1.8

0.5

H2

3.0

0.3Connection Element

Superstructure Element

Various Bearings

Pier Element

Pier #1 Pier #2

Abutment #1

CL CLCL

2.5

그림 5. 동진교의 유한요소 모델


표 1. 동진교의 교각길이 (H2)변화

표 2. 기초분리 장치에 추천되는 값


2. 입력지진 El Centro 지진 (N00W)

– 최대지반가속도 : 0.348g

– 에너지 분포 : 1~4Hz(Max : 1.5Hz)

– 기초분리 장치의 성능 분석

- 0.4

- 0.3

- 0.2

- 0.1

0.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0 10 20 30 40 50 60 70 80

(sec)시간

(g)

가속

도

0

50

100

150

200

250

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Frequency(Hz)

그림 6. El Centro 지진의 가속도 시각 이력 그림 7. El Centro 지진의 Fourier Spectrum


Mexico City 지진 (N90W)

– 최대지반가속도 : 0.172g

– 에너지 분포 : 0~1Hz(Max : 0.5Hz)

– 기초분리 장치의 민감도 분석

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

0 1 2 3 4 5

Frequency(Hz)

- 0.2

- 0.2

- 0.1

- 0.1

0.0

0.1

0.1

0.2

0.2

0 10 20 30 40 50 60 70 80(sec)시간

(g)

가속

도

그림 8. Mexico City 지진의 가속도 시각 이력 그림 9. Mexico City 지진의 Fourier Spectrum


3. 수치해석 결과 Pot Bearing 과 LRB System 의 고유치 교대 및 교각위치에서의 상판변위 교각 상단에서의 변위 교각 밑면에서의 전단력 교각 밑면에서의 모멘트


표 3. 고유치 해석결과


El Centro 지진에 대한 응답비교

1. 교축방향


1.00E- 05

1.00E- 04

1.00E- 03

1.00E- 02

1.00E- 01

1.00E+00

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14

교각번호

(m)

변위

1.00E- 02

1.00E- 01

1.00E+00

A1 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 A2

교대 및 교각번호

(m)

변위

1.00E+05

1.00E+06

1.00E+07

1.00E+08

1.00E+09

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14

교각번호

(N)

전단

력

그림 10. 교대 및 교각위치에서의 상판변위 그림 11. 교각상단에서의 변위

그림 12. 교각밑면에서의 전단력 그림 13. 교각밑면에서의 모멘트

1.00E+06

1.00E+07

1.00E+08

1.00E+09

1.00E+10

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14

교각번호

(Nm

)모

멘트

POTLRBPFR-FBIEDF


표 4. 최대값 비교

0

2

4

6

8

10

12

14

LRB PF R- FBI EDF

기초분리장치

(cm

)변

형량

그림 14. 기초분리 장치의 최대 변형량


- 3.00E- 02

- 2.50E- 02

- 2.00E- 02

- 1.50E- 02

- 1.00E- 02

- 5.00E- 03

0.00E+00

5.00E- 03

1.00E- 02

1.50E- 02

0 5 10 15 20

(sec)시간

(m)

변위

- 1.50E- 01

- 1.00E- 01

- 5.00E- 02

0.00E+00

5.00E- 02

1.00E- 01

1.50E- 01

0 5 10 15 20

(sec)시간

(m)

변위

- 8.00E- 02

- 6.00E- 02

- 4.00E- 02

- 2.00E- 02

0.00E+00

2.00E- 02

4.00E- 02

0 5 10 15 20

(sec)시간

(m)

변위

- 1.00E- 01

- 8.00E- 02

- 6.00E- 02

- 4.00E- 02

- 2.00E- 02

0.00E+00

2.00E- 02

4.00E- 02

6.00E- 02

8.00E- 02

0 5 10 15 20

(sec)시간

(m)

변위

그림 15. LRB System 의 변위이력곡선 그림 16. PF System 의 변위이력곡선

그림 17. R-FBI System 의 변위이력곡선 그림 18. EDF System 의 변위이력곡선


결과 분석 Pot Bearing 을 설치한 교량

– 고정단으로 모델링 된 가운데 교각에 응답이 집중됨

기초분리 장치를 설치한 교량– LRB System 의 경우 상판변위가 9% 증가– 교각 상단의 변위 , 교각 밑면의 전단력 , 모멘트는 98~99% 감소


2. 교축직각방향


1.00E- 04

1.00E- 03

1.00E- 02

1.00E- 01

1.00E+00

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14

교각번호

(m)

변위

1.00E+06

1.00E+07

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14

교각번호

(N)

전단

력

1.00E+06

1.00E+07

1.00E+08

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14

교각번호

(Nm

)모

멘트

1.00E- 05

1.00E- 04

1.00E- 03

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14

교각번호

(m)

변위

POTLRBPFR-FBIEDF

그림 19. 교각위치에서의 상판변위 그림 20. 교각상단에서의 변위



0

2

4

6

8

10

12

14

LRB PF R- FBI EDF

기초분리장치

(cm

)변

형량




- 1.50E- 01

- 1.00E- 01

- 5.00E- 02

0.00E+00

5.00E- 02

1.00E- 01

1.50E- 01

0 5 10 15 20

(sec)시간

(m)

변위

- 3.00E- 02

- 2.50E- 02

- 2.00E- 02

- 1.50E- 02

- 1.00E- 02

- 5.00E- 03

0.00E+00

5.00E- 03

1.00E- 02

1.50E- 02

0 5 10 15 20

(sec)시간

(m)

변위

- 8.00E- 02

- 6.00E- 02

- 4.00E- 02

- 2.00E- 02

0.00E+00

2.00E- 02

4.00E- 02

0 5 10 15 20

(sec)시간

(m)

변위



- 1.00E- 01

- 8.00E- 02

- 6.00E- 02

- 4.00E- 02

- 2.00E- 02

0.00E+00

2.00E- 02

4.00E- 02

6.00E- 02

8.00E- 02

0 5 10 15 20

(sec)시간

(m)

변위


결과 분석 Pot Bearing 을 설치한 교량

– 모든 교대와 교각이 고정단으로 모델링 되어 응답이 고르게 나타남

– 교축직각방향의 강성이 교축방향의 강성보다 상대적으로 크기때문에 상판의 변위가 거의 발생하지 않음

기초분리 장치를 설치한 교량– 기존교량에 비해 상판 변위 증가– 교각 상단의 변위 , 교각 밑면의 전단력 , 모멘트

EDF System : 40~50% 감소 PF System : 50% 감소 LRB System, R-FBI System : 70% 감소


Mexico City 지진에 대한 응답비교

1. 교축방향


1.00E- 02

1.00E- 01

1.00E+00

A1 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 A2

교대 및 교각번호

(m)

변위

1.00E- 05

1.00E- 04

1.00E- 03

1.00E- 02

1.00E- 01

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14

교각번호

(m)

변위

1.00E+05

1.00E+06

1.00E+07

1.00E+08

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14

교각번호

(N)

전단

력

1.00E+06

1.00E+07

1.00E+08

1.00E+09

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14

교각번호

(Nm

)모

멘트

그림 28. 교대 및 교각위치에서의 상판변위 그림 29. 교각상단에서의 변위


POTLRBPFR-FBIEDF


0

5

10

15

20

25

30

35

40

45

50

LRB PF R- FBI EDF

기초분리장치

(cm

)변

형량




- 6.00E- 01

- 4.00E- 01

- 2.00E- 01

0.00E+00

2.00E- 01

4.00E- 01

6.00E- 01

0 10 20 30 40 50 60 70

(sec)시간

(m)

변위

- 6.00E- 02

- 5.00E- 02

- 4.00E- 02

- 3.00E- 02

- 2.00E- 02

- 1.00E- 02

0.00E+00

1.00E- 02

2.00E- 02

0 10 20 30 40 50 60 70

(sec)시간

(m)

변위

- 4.00E- 01

- 3.00E- 01

- 2.00E- 01

- 1.00E- 01

0.00E+00

1.00E- 01

2.00E- 01

3.00E- 01

0 10 20 30 40 50 60 70

(sec)시간

(m)

변위

- 8.00E- 02

- 6.00E- 02

- 4.00E- 02

- 2.00E- 02

0.00E+00

2.00E- 02

4.00E- 02

6.00E- 02

0 10 20 30 40 50 60 70

(sec)시간

(m)

변위




결과 분석 Pot Bearing 을 설치한 기존교량

– El Centro 지진의 경우와 유사한 경향을 보임– 최대값은 1/3 정도 감소

기초분리 장치를 설치한 교량– LRB System 의 경우 공진현상으로 응답 증폭– LRB System 의 경우 최대 50cm 의 상판 변위 발생– 교각 상단의 변위 , 교각 밑면의 전단력 , 모멘트

LRB System : 80~90% 감소 PF System : 96% 감소 R-FBI System : 97% 감소 EDF System : 94% 감소


2. 교축직각방향


1.00E- 05

1.00E- 04

1.00E- 03

1.00E- 02

1.00E- 01

1.00E+00

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14

교각번호

(m)

변위

1.00E- 05

1.00E- 04

1.00E- 03

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14

교각번호

(m)

변위

1.00E+06

1.00E+07

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14

교각번호

(N)

전단

력

1.00E+06

1.00E+07

1.00E+08

P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14

교각번호

(Nm

)모

멘트

그림 37. 교각위치에서의 상판변위 그림 38. 교각상단에서의 변위


POTLRBPFR-FBIEDF

3232Structural Dynamics & Vibration Control Lab.



0

10

20

30

40

50

60

LRB PF R-FBI EDF

기초분리장치

(cm

)변

형량




- 6.00E- 01

- 4.00E- 01

- 2.00E- 01

0.00E+00

2.00E- 01

4.00E- 01

6.00E- 01

0 10 20 30 40 50 60 70

(sec)시간

(m)

변위

- 5.00E- 02

- 4.00E- 02

- 3.00E- 02

- 2.00E- 02

- 1.00E- 02

0.00E+00

1.00E- 02

2.00E- 02

0 10 20 30 40 50 60 70

(sec)시간

(m)

변위

- 3.00E- 01

- 2.00E- 01

- 1.00E- 01

0.00E+00

1.00E- 01

2.00E- 01

3.00E- 01

0 10 20 30 40 50 60 70

(sec)시간

(m)

변위

- 8.00E- 02

- 6.00E- 02

- 4.00E- 02

- 2.00E- 02

0.00E+00

2.00E- 02

4.00E- 02

6.00E- 02

0 10 20 30 40 50 60 70

(sec)시간

(m)

변위


결과 분석 Pot Bearing 을 설치한 기존교량

– El Centro 지진의 경우 유사한 경향을 보임 .

– 최대값은 2/5 정도 감소 기초분리 장치를 설치한 교량

– LRB System 의 경우 상판 변위가 최대 60cm 까지 발생하고 3

배정도 응답이 증폭됨– 교각 상단의 변위 교각 밑면의 전단력 , 모멘트

EDF System : 20~30% 증가 PF System : 10~20% 감소 R-FBI System : 20~40% 감소


우리나라와 같이 고주파 지진이 예상되는 지역에서 기초분리 장치를 이용한 교량설계는 내진설계 방법으로 효과적이다 .

– El Centro 지진의 경우 기초분리 장치의 성능 우수

지반조건이나 예상되는 지진에 따라 기초분리 장치의 특성을 결정해야 한다 .

– LRB System 은 Mexico City 지진에 대해 응답 증폭

여러 가지 기초분리 장치 중 R-FBI System 이 가장 효과적으로 그 기능을 수행하였다 .

결론결론


추후연구과제 기초분리 장치의 민감도 분석 우리나라 설계시방서에 맞는 지진에 대한 기초분리 장치의

성능연구

1999.9.18 여러 가지 기초분리 장치의 내진성능에 관한 비교 연구 박 규식,...

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