1.서 론

지진이 자주 발생하는 일본과 필리핀 인근에 위치한 한국은 과거에 비해 점점 지진발생횟수가 증가하고 있으며, 최근 경주, 울산 등 내륙지역에서도 지진이 발생하고 있다. 지진이 발생하면 물질적인 피해 뿐 아니라 인명피해 도 발생하게 된다. 특히, 지진이 발생하면 교량 구조물은 Fig. 1과 같이 교각 의 전단파괴 등의 피해가 발생하여 교량으로서의 기능을 상실하게 된다.

이러한 교량 구조물과 건물 등의 피해를 줄이고 내진성능을 향상시키기 위해 다양한 내진성능향상 공법을 적용하고 있으며, 지진격리장치가 대표 적이다. 다양한 구조형 지진격리장치 중에서 Laminated Rubber Bearing (LRB)와 Friction Pendulum System(FPS) 타입의 구조형 지진격리장치 는 교량받침에 주로 적용된다. LRB 타입은 고무의 유연성으로 지진에너지 를 흡수하는 반면에, FPS 타입은 베어링에서 미끄러짐을 발생시켜 상부로 전달되는 지진에너지를 감소시킨다. 일반적인 교량의 교각 단면으로는 교 량의 고유주기를 단주기대역으로부터 벗어나게 할 수 없다. 그래서 교량의 고유주기를 인위적으로 길게 하기 위해 수직하중에 대해서 안정적으로 견 디고 수평하중에도 유연하게 대처할 수 있는 고무와 보강용 강판 등으로 이 루어진 교량받침을 주로 사용한다. 하지만 2004년 Kim[13]은 Laminated Rubber Bearing(LRB)의 탄성받침은 상부중량이 매우 큰 교량에 적용할 경우 전단변형에 따른 수평강성이 상부중량에 비해 작아 지진시 전단 변형 량이 과다하게 발생되어 탄성받침의 파괴가 예상된다고 하였다. 이러한 단 점을 보완한 것이 Lead Rubber Bearing이다. 기존의 탄성받침에 Core 형 태의 납을 접목시켜 강성을 높여 지진에 따른 변위를 줄이면서 구조적인 안 전성을 높인 것이다(Jung[8]). 최근에는 지진파가 지반을 지나 교량의 상부 구조물에 도달하기 전에 교량구조물 하부기초에 위치한 지반에서 1차적인 면진작용으로 상부구조물에 전달되는 지진하중을 감소시키는 방법(예 : 기 초형 지진격리시스템)에 대한 연구가 진행되고 있다.

교량에 적용되는 지진격리장치의 경우, 교량의 상부와 교각 사이에 지진 격리장치가 설치되어 있으나 최근에는 교량의 하부구조 기초지반사이에 지진격리장치를 적용하여 지진동을 저감시키는 기술에 대한 연구가 진행 되고 있다. An[1]은 Fig. 2와 같이 모래와 테프론 재료를 교량 교각기초의 지진격리재료로 적용하여 이에 대한 내진성능평가를 수행하였다. Yegian and Catan[19]은 재료의 마찰특성 실험과 진동대 실험을 수행하여 Geotextile/ UHMWPE liner를 사용한 지진격리장치의 내진성능을 평가하였 다(Fig. 3). Gu et al.[4]는 6층 구조물과 기초격리장치를 다자유도로 도식 화하여 지진파에 대한 층별 응답가속도, 응답 변위, 그리고 전단력을 분석 하여 기초격리장치의 효과를 평가하였다.

건물 기초에 rubber-soil mixtures(RSM)를 설치하면 지진에너지가 흡 수된다는 것이 연구되었고(Tsang[17]; Tsang et al.[18]), 고무를 재료로 하 는 조각난 타이어를 혼합한 지반은 전단강도를 증가시키는 것이 증명되었 다(Edil and Bosscher[3]). Kim[11, 12]은 Fig. 4와 같이 진동대를 이용하 여 다양한 토목섬유간의 동적 마찰특성에 대한 연구방법을 제안한 바 있다.

테프론은 투과성 능력이 좋아 주로 건물의 외벽 또는 마감재로 많이 사 용되고 있으며, 작은 마찰계수 특성을 고려하여 활동베어링으로서 건물이 나 교량에도 설치하고 있다. 본 논문에서는 테프론을 교량 구조물 하부에 설 치하고, 테프론과 구조물 사이에서 변위를 발생시켜 면진성능을 낼 수 있도 록 하였으며, 테프론형 지진격리장치의 내진성능효과를 분석하였다. 테프 론형 지진격리장치는 지반과 교량 구조물 사이에 위치한다. 기존의 구조형 격리장치와 비교할 때 경제성이 높으며 큰 변위를 허용할 수 있는 장점이 있 다. 이러한 테프론형 지진격리장치의 내진성능을 평가하기 위해 축소모형 을 조성하였으며, 고정 기초(Fixed foundation), 활동 기초(Sliding foundation), 그리고 전도 기초(Rocking foundation) 등의 기초조건을 가진 다 양한 형태의 구조물로 1-G 진동대 실험을 수행하였다. 실험을 통해 지반형 지진격리장치의 내진성능과 지반-지진격리장치-구조물의 상호작용 효과 를 평가하였다. 테프론형 지진격리장치는 기본적으로 전도가 아닌 활동면 진장치이다. 주로 활동거동을 유발하고 전도 기초의 경우 전도와 활동이 혼 합된 일부 전도 거동을 보였다.

2.상사법칙

상사법칙(Similitude law)은 원형구조물(prototype)과 축소모형(scaled model)의 관계를 나타내는 것으로써 물리적 현상을 설명하기 위한 변수의 이론적인 관계를 추론하기 위한 수학적 기법인 차원분석에 기초한다. 일반 적인 상사법칙은 질량(mass), 길이(length), 그리고 시간(time)을 기본차 원으로 선택하여 다른 상사비(scale factor)를 차원분석의 원리로 유도한 다. 축소모형과 원형구조물이 같은 재료를 사용하게 되면 응력에 대한 상사 율이 같아지고 선택한 차원에 따라 다른 유도값을 얻을 수 있게 된다. 길이 에 대한 상사비를 기본 차원으로 할 경우(조건 : 원형구조물과 축소모형의 상사비 = S, 사용된 재료의 변형률의 비 εr = 1), 질량, 시간, 그리고 가속도 에 대한 법칙이 유도된다. Kim et al.[10]과 Kwak[15]은 철골 축소모형의 유사동적실험을 통해 일반적인 상사법칙에 대해 연구하였고, 실험적 오차 가 강성의 변화에 반영된다고 판단하여 강성비의 변화를 고려한 수정된 상 사법칙을 제안하였다.

Kagawa[9]는 힘의 비를 이용하여 동적하중을 받는 지반구조물의 상사 법칙에 대해 연구하였으며, Kokusho and Iwatate[14]는 Buckingham’s π 이론을 이용하여 지반의 비선형 동적응답의 상사법칙을 연구하였다. Iai[6] 는 위 두가지 연구에 대해 오직 지반구조물의 전단변형에 대해서만 적용하 였기 때문에 좀 더 일반적인 형태의 상사법칙으로 확장할 필요가 있다고 하 였으며, Rocha[16]의 가정과 포화지반-구조물-유체 시스템의 응력을 지배 하는 기본방정식을 이용하여 1-G 진동대 모형실험을 위한 상사법칙을 유 도하였다. Iai and Sugano[7]는 Iai[6]가유도한 상사법칙을 cyclic mobility 와 strain softening 개념을 이용하여 3가지 형식으로 분류하였고, 안벽구 조물에 대해 Iai가 제안한 상사법칙을 적용한 1-G 진동대 축소모형실험을 수행하였다. Hwang et al.[5]도 기존에 수행된 안벽구조물 실험을 참고하 여 좀 더 축소된 1-G 진동대 축소모형실험을 수행하였으며, 그 결과를 비교 하였다.

본 연구에서 사용한 원형구조물의 크기는 Fig. 5와 같으며, 축소모형 제 작에는 Iai[6]가 제안한 상사법칙을 적용하였다(Table 1). Fig. 5의 상부 Mass를 슬래브 형식 그대로 만들어 실험하게 되면 파괴의 위험이 있어 집 중질량으로 바꾸기 위해 폭이 좁고 높이가 긴 형태로 설정하였다. 고정 기 초, 전도 기초, 그리고 활동 기초의 축소모형을 제작하였다(Fig. 6). 모형의 지진격리재료는 테프론을 사용하였다. 실험에 사용된 강성지반, 지진격리 장치, 그리고 구조물의 물성치는 Table 2와 같다. 지반과 구조물은 각각 시 멘트 몰탈과 콘크리트를 이용해서 제작하였으며, 실험 전 슈밀트해머시험 을 통해 압축강도를 측정하였다. 테프론의 단위중량은 테프론 제조사가 제 공한 특성값을 사용하였다.

3.1-G 진동대 모형실험 준비 및 동적해석 모델링

3.11-G 진동대 모형실험 준비

건설연구인프라운영원 진동대를 사용하여 1-G 진동대 실험을 수행하 였다. 암반 또는 견고한 지반 위에 지진격리층이 설치되고 그 위에 얕은기초 가 있는 형태이다. 본 실험의 목적은 견고한 지반 위에 설치된 활동과 전도 기초의 진동저감과 주기변화 효과를 파악하는 데 있기 때문에 구조물 모형 을 전도가 발생할 수 있는 형태로 제작하였다. 모형지반은 시멘트 모르타르 를 사용하여 강성지반을 조성하였다. 사용된 진동대는 폭과 너비가 각각 5 m 이며, 토조는 폭이 1.2 m, 너비가 2 m이다. 상부구조물 기초, 기둥, 그리고 상부 Mass에 x축(좌우), z축(상하) 방향으로 가속도계를 설치하였으며, 상 부구조물 기초와 상부 Mass에 변위계를 설치하고, 기둥에는 스트레인 게 이지를 설치하였다(Fig. 7). 입력파는 정현파(sinusoidal wave)와 실지진 파(Chichi, Hachinohe, Northridge)를 사용하여 실험을 수행하였다. Chichi 지진파는 대만 Chichi에서 1999년 9월 21일 발생한 규모 7.3의 지 진파이며, Hachinohe 지진파는 일본 Tokachi-oki에서 1968년 5월 16일 에 발생한 규모 6.7의 지진을 Hachinohe항에서 관측한 지진파이다. Northridge 지진파는 미국 Northridge에서 1994년 1월 17일에 발생한 규 모 6.7의 지진파이다. 각 입력파에 대한 실험 종료 후 스트레인게이지로 변 형률이 발생했는지 확인하고, 상부 Mass가 Mass 하부 부분과 상대변위가 발생했는지를 통해 구조물 손상을 확인하였다. 실험결과, 구조물은 손상된 경우가 없었기 때문에 실험종료 후 발생한 변위만 다시 원점으로 조정하여 다음 실험을 수행하였다.

3.2동적 해석

실험 모형을 수치적으로 구현하기 위해 Fig. 8과 같이 도식화해보았다. 계산의 간편화를 위해 감쇠는 고려하지 않고 단순히 강성만을 고려하였다.

3.2.1지배방정식

본 논문에서 도식화한 수치모델은 실제실험에 적용된 모형을 간단히 나 타낸 것이다. 모형실험과의 비교를 위해 가속도 센서를 설치한 곳을 모두 고 려하여 5자유도(five-degree of freedom) 시스템으로 표현하였다. m1, m2, m3, m4, m5는 각각 하부지반, 지진격리층, 구조물하부기초, 기둥, 그리고 상부 Mass이다. 시스템 하부에 지진하중이 전달될 때, 이 시스템의 지배방 정식은 다음과 같다.

{ u ¨ } , { u } 는 구조물에 전달되는 수평 방향 가속도와 변위이다. [ M ] , [ K ] , [ F ] 는 질량, 강성 그리고 하중의 매트릭스를 표현한 것이다. 미분방정 식으로 구한 { u 0 } 는 Eq. (2)와 같다.

3.2.2수치해석 모델링

지반, 격리층, 구조물 하부기초, 구조물 기둥, 상부 Mass 등 다섯가지 구 조물 위치에서의 구조물의 크기, 탄성계수, 단면 2차모멘트, 그리고 각 재료 의 단위중량을 이용하여 무게와 강성을 구하였다. 구조물이 강체(rigid)인 경우로 고려하여 휨강성을 무한대로 가정하고 각 위치 사이의 횡강성은 k = ∑ 12 E I h 3 식을 사용하여 구하였다(Chopra[2]). 계산결과, 각 위치에서 의 무게와 강성을 이용하여 구한 고유주파수는 Table 3과 같다. 그리고 구 조해석 프로그램인 MIDAS를 이용하여 실험모형 구조물을 모델링하여 전 체시스템에 대한 고유치 해석을 수행하였다. 고정 기초는 경계를 고정하였 으며, 전도 기초와 활동 기초는 경계를 스프링으로 모델링하여 Table 3에 서 구한 강성값을 적용하였다. Table 4는 고유치해석 후 1 · 2차모드 중 주 가 되는 모드에서의 고유진동수를 나타낸 값이다.

4.실험결과 및 분석

다양한 주파수(1.2 Hz~35.25 Hz)와 수준(0.03 g~1.0 g)의 정현파와 다 양한 수준(0.03 g~1.0 g)의 지진파에 대해 실험을 하였으며, 그에 대한 구 조물 각 위치에서의 응답가속도 및 응답스펙트럼을 분석하였다.

4.1정현파

0.03 g, 0.1 g, 0.5 g, 1.0 g의 응답가속도 크기에 따라 각 주파수별로 어 떤 응답가속도값을 보이는지 분석하였다.

4.1.1주파수 및 입력가속도별 응답가속도 변화

Fig. 9는 0.03 g 입력파에 대하여 각 주파수에 따른 위치별 최대응답가 속도를 나타낸 것이다. 입력파가 격리장치를 지나 상부 Mass로 도달할 때 의 응답가속도 값을 비교한 결과, 활동과 전도 기초는 고정 기초에 비해 테 프론형 지진격리장치에 의한 큰 저감효과는 없었으며, 반면에 Fig. 9 (b)~(g)와 같이 전도 기초는 고정 기초보다 가속도가 증폭하였다. 활동 기 초는 14 Hz를 제외한 모든 주파수에서 가속도가 감소하였다. 전체적으로 0.03 g 정현파에서는 활동 기초에서의 가속도가 감소하나 전도 기초에서 가속도가 증폭하는 양상을 보였다.

Fig. 10은 0.1 g 입력파에 대하여 각 주파수에 따른 위치별 최대응답가 속도를 나타낸 것이다. 0.1 g 입력파에 대한 주파수별 응답가속도 분석 결 과, 주파수가 작아질수록 활동 기초에서의 가속도가 크게 감소하나 전도 기 초에서는 가속도가 증폭하는 양상을 보였다. 0.1 g 정현파에서는 활동 기초 는 Fig. 10 (c)와 같이 14.14 Hz에서만 가속도가 증폭하고 전도 기초에서는 대체적으로 가속도가 증폭하였다. 이는 0.1 g 입력파에서는 같은 테프론형 지진격리장치지만 전도 기초에서는 가속도 저감효과가 보이지 않고 활동 기초에서는 가속도 저감효과가 있다는 것을 보여준다. 같은 지진격리장치 라도 구조물 기초 형식이 매우 큰 영향을 준다는 것을 알 수 있다.

Fig. 11은 0.5 g 입력파에 대하여 각 주파수에 따른 위치별 최대응답가 속도를 나타낸 것이다. 0.5 g 정현파에서는 고정 기초가 가장 많이 증폭되 었다. 그리고 세가지 형식 구조물 중에서 활동 기초와 전도 기초는 가속도 저감효과가 비슷하였으며, 입력파의 주파수가 작아질수록 활동 기초의 가 속도 저감효과가 전도 기초의 가속도 저감효과보다 더 컸다.

Fig. 12는 1.0 g 입력파에 대하여 각 주파수에 따른 위치별 최대응답가 속도를 나타낸 것이다. 1.0 g 입력파에서는 고정 기초가 가장 많이 증폭되 었다. 0.5 g 입력파의 응답가속도 형태와 유사하게 활동 기초와 전도 기초 는 가속도 저감효과가 비슷한 양상을 보이고 주파수가 작아질수록 활동 기 초의 가속도 저감효과가 전도 기초의 가속도 저감효과보다 더 컸다.

4.2지진파

0.03 g, 0.1 g, 0.5 g, 1.0 g의 입력가속도 크기에 따라 각 지진파별로 어 떤 응답을 보이는지 분석하였다.

4.2.1입력가속도별 응답가속도 변화

Fig. 13은 0.03 g 입력 지진파에 대하여 위치별 최대응답가속도를 나타 낸 것이다. 입력파가 격리장치를 지나 상부 Mass로 도달할 때의 응답가속 도 값을 비교한 결과, Fig. 13 (a)의 Chichi 지진파에서는 활동 기초가 고정 기초와 전도 기초보다 증폭이 적었으며, Fig. 13 (b)의 Hachinohe 지진파 에서는 전도 기초가 가장 큰 증폭이 발생했고, Fig. 13 (c)의 Northridge 지 진파에서는 테프론형 지진격리장치가 있는 두 구조물 형식이 고정 기초에 비해 가속도증폭이 더 컸다. 0.03 g의 지진파에 대해서는 테프론형 지진격 리장치가 있는 구조물이 고정 기초와 비교할 때 가속도 저감효과가 있지 않 았으며, 오히려 지진파 종류에 따라 증폭하는 양상을 보였다.

Fig. 14은 0.1 g 입력 지진파에 대하여 위치별 최대응답가속도를 나타낸 것이다. 입력파가 격리장치를 지나 상부 Mass로 도달할 때의 응답가속도 값을 비교한 결과, Fig. 14 (a)의 Chichi 지진파에서는 세 구조물 형식 모두 증폭하였으나 서로 큰 차이는 없었으며, Fig. 14 (b)와 (c)의 Hachinohe와 Northridge 지진파에서는 고정 기초는 별다른 변화가 없었으나 테프론형 지진격리장치가 있는 두 구조물은 가속도가 증폭했다. 0.1 g의 지진파에 대 해서도 Fig. 13의 0.03 g 지진파에 대한 응답과 유사하게 테프론형 지진격 리장치가 있는 구조물이 고정 기초와 비교할 때 가속도 저감효과가 있지 않 았으며, 오히려 지진파 종류에 따라 증폭하는 양상을 보였다.

Fig. 15는 0.5 g이상의 입력 지진파에 대하여 위치별 최대응답가속도를 나타낸 것이다. 입력파가 격리장치를 지나 상부 Mass로 도달할 때의 응답 가속도 값을 비교한 결과, Fig. 15와 같이 0.5 g이상의 Chichi 지진파에서 고정 기초에서 가속도가 크게 증폭하였고, 테프론형 지진격리장치가 있는 두 구조물은 가속도가 증폭되지 않고 감소하였다. 이는 0.5 g 이상의 강진 에서는, 테프론형 지진격리장치가 증폭을 방지하고 가속도를 저감시키는 효과가 있음을 보여주는 것이다.

4.2.2입력가속도별 응답스펙트럼 분석

Fig. 16 ~ Fig. 19는 0.03 g ~ 1.0 g chichi 입력지진파에 대한 응답스펙 트럼 결과이다. 모든 모형실험 결과는 상사비를 적용하여 prototype에 상 응하는 값으로 변환하여 분석하였다. Fig. 16은 0.03 g chichi 입력지진파 에 대한 각 위치에서의 응답스펙트럼을 분석한 것이다. Fig. 16 (a)를 보면, 고정 기초에서는 입력파가 구조물을 고정시킨 지반이 있는 저면을 지나 구 조물 상부 Mass로 전달해 가면서 고정 기초의 경우 응답스펙트럼이 단주기 쪽으로 이동했지만, Fig. 16 (b), (c)의 테프론형 지진격리장치를 사용한 경 우에는 Table에서 상부 Mass 부분으로 전달해가면서 응답스펙트럼이 장 주기 쪽으로 이동하였다.

Fig. 17은 0.1 g chichi 입력지진파에 대한 각 위치에서의 응답스펙트럼 을 분석한 것이다. Fig. 17 (a)를 보면, 고정 기초에서는 Table에서 저면을 지나 상부 Mass 부분으로 가면서 고정 기초의 경우 응답스펙트럼이 단주기 쪽으로 이동했지만, Fig. 17 (b), (c)의 테프론형 지진격리장치를 사용한 경 우에는 Table에서 상부 Mass 부분으로 전달해가면서 응답스펙트럼이 장 주기 쪽으로 이동하였다. 그리고 테프론 위치에서는 응답스펙트럼 크기가 큰 변화가 없다가 테프론을 지나 구조물 기둥에서부터 장주기의 응답스펙 트럼 크기가 증가하기 시작하였다. 이는 테프론형 지진격리장치의 장주기 특성에 따른 결과이다.

Fig. 18과 Fig. 19는 각각 0.5 g chichi 와 1.0 g chichi 입력지진파에 대 한 각 위치에서의 응답스펙트럼을 분석한 것이다. 세가지 기초형식의 구조 물 모두 0.03 g와 0.1 g의 응답스펙트럼 주기 변화와 같이 고정 기초는 응답 스펙트럼이 단주기 쪽으로 이동하고, 테프론형 지진격리장치를 사용한 경 우에는 응답스펙트럼이 장주기 쪽으로 이동하였다. 0.5 g 이상에서는 고정 기초는 응답스펙트럼이 대체적으로 감소되지 않고 증폭하거나 그 수준을 유지하지만, 테프론형 지진격리장치가 있는 두 구조물은 테프론을 지나면 서 응답스펙트럼이 대체적으로 감소하다가 장주기측의 응답스펙트럼 크기 만 증가하는 형상을 보인다. Fig. 16~19에 따르면, 전도 기초가 활동 기초 에 비해 대체적으로 주기의 변화가 크고 입력파 가속도 수준이 증가할수록 테프론형 지진격리장치가 있는 두 구조물의 주기변화폭도 커졌다. 이러한 장주기로의 주기변화와 변화폭이 가속도 저감효과를 낸 것이라고 판단된 다. prototype으로 변환한 Table 4의 활동 기초와 전도 기초의 고유주기는 각각 0.35 sec, 0.22 sec이다. 0.5 g 이상의 지진파에서 활동 기초의 응답스 펙트럼은 장주기측으로 약 0.3~0.5 sec 이동하였으며, 전도 기초의 응답스 펙트럼은 장주기측으로 약 1.5~3.0 sec 이동하였다. 활동 기초의 고유주기 가 전도 기초의 고유주기보다 1.6배 크지만 응답스펙트럼 변화폭은 이와 반 대로 고유주기 차이의 3배인 약 5배정도 전도 기초가 활동 기초보다 더 컸 다. 이는 활동 기초와 전도 기초의 고유주기가 응답스펙트럼 변화폭에 영향 을 주었을 것이라 판단된다.

4.3실험 및 수치해석 결과 비교

각 가속도 및 주파수별 하중을 적용하고, 3.2절에서 제시한 수치모델 해 석결과를 1-G 진동대 실험 결과와 비교하였다. 수치모델에 사용한 입력값 은 실험수행에 사용된 구조물과 동일한 물성치를 입력하였다.

Fig. 20는 1 g 10 Hz의 정현파에 대해 전도 기초에 대한 실제 실험결과 와 수치모델 결과를 비교한 것이다. Fig. 21은 활동 기초에 대한 실제 실험 결과와 수치모델 결과를 비교한 것이다. Fig. 20와 같이 전도 기초의 수치 모델 결과가 실험결과와 비슷한 양상을 보이다가 점차 증폭하면서 다른 양 상을 보였다. Fig. 21에서는 활동 기초의 수치모델결과가 실험결과와 전체 적으로 비슷한 양상을 보였다. 그러나 제안한 수치모델이 모형실험의 응답 과 유사하지만 절대값은 큰 차이를 보이고 있는데, 현재의 수치모델이 활동 거동과 전도 거동의 분리현상을 직접적으로 묘사하기 힘든 스프링으로 표 현한 것과 감쇠비를 고려하지 않은 것과 관련이 있는 것으로 판단된다. 향후 이 부분에 대한 개선이 필요하다.

5.요약 및 결론

1-G 진동대 실험을 수행하여 테프론형 지진격리장치의 내진성능을 분 석하였고, 요약 및 결론은 다음과 같다.