1. 서 론

면진구조는 건축물의 하부에 수직방향으로는 높은 강성과 강도를 가지고 수평방향으로 낮은 수평강성을 보이는 면진장치를 삽입하여 지진에너지를 면진장치가 흡수하도록 설계하는 구조이다. 면진장치의 도입은 건축물의 주기를 증가시켜 탁월주기가 짧은 일반적인 지진파와의 공진을 회피하여 건축물의 지진응답을 현격히 감소시키는데 효과가 있다. 국내에서는 2016년 건축구조기준에 면진구조물의 설계요구조건이 최초로 포함된 이래로, 데이터 센터 등과 같이 고기능성을 요구하는 건축물을 중심으로 면진구조물 설계가 적용되어 왔다[1]. 국내에서 가장 보편적으로 적용되는 면진장치는 적층고무 베어링의 중앙부에 납봉을 삽입한 납봉 삽입형 면진장치(Lead rubber bearing)이며, 적층고무의 낮은 수평방향 강성과 납봉의 높은 에너지 소산 능력을 활용하면서도 비교적 단순한 제작 공정과 저비용으로 효과적으로 면진건축물의 구현이 가능하다[2]. 하지만 고무 재질이 가지는 경년열화에 따른 특성 변화 및 내구성 저하, 납의 변형에 의한 용융 및 재결정화에 따른 강성 변화로 인해 나타나는 면진구조물 지진응답의 예측 불확실성을 이유로[3], 보다 안정적으로 면진성능을 발휘할 수 있는 면진장치에 대한 연구가 증가하고 있다.

면진장치 중에서 최근 들어 많은 연구가 수행되고 있는 유형은 마찰진 자형 면진장치(Friction pendulum system, 이하 FPS)이며, Zayas and Mahin[4], Mokha et al.[5] 등에 의해 제안되었다. 일정한 곡률반경을 가지는 마찰면과 맞닿는 슬라이더로 구성된 FPS는 마찰면의 곡률반경과 중력에 의해 생성되는 복원력, 마찰력으로 인한 에너지 소산능력을 가지는 장치이다. 재하하중에 관계없이 장치의 곡률반경을 이용하여 구조물의 고유진동 수를 낮게 조절할 수 있으며, 이에 따라 구조물의 지진응답 저감률을 결정할 수 있다. FPS는 접촉부에 마찰력을 줄이기 위해 PTFE(Poly Tetra Fluoro Ethylene) 수지를 도입하는 것이 일반적이다. PTFE 수지는 Teflon 계열의 합성수지로서 마찰계수가 작고 내열성 및 내식, 내구성이 우수한 성질을 가지고 있다. Ikonomou[6]의 1980년대 초 연구에서 두 평면판 사이에 PTFE 소재를 삽입하여 수직하중을 지지하고 복원 및 감쇠를 위한 추가 장치를 도입한 교량받침을 시작으로, Zayas and Mahin[4], Fenz and Constantinou[7] 등의 연구에서 실용화가 시작되었다.

FPS에서 착안하여 Marin-Artieda et al.[8]은 FPS를 활용하여 오목면을 2방향으로 배치하고 두 마찰면을 연결하는 슬라이더로 구성된 면진장치를 제안하였다. Pranesh and Sinha[9]는 FPS가 특정 고유주기를 가진다는 점과 선형적인 복원력 특성을 가진다는 점에서 적용 한계가 있음을 지적하였으며, FPS의 장점을 유지하면서도 한계점을 극복하기 위해 마찰면을 타원형의 형상으로 구성한 장치인 Various Frequency Pendulum Isolator를 제안하였다. Xiong et al.[10], Wang et el.[11] 등은 경사형의 마찰면을 이용한 면진장치를 제안하였으며, 특히 Wang et el.[11]에서는 단일 롤러가 두 개의 V자형 경사면 사이를 각 수평 방향으로 거동할 수 있도록 설계된 Sloped multi-roller isolation device를 제시하였다. Yang et al.[12]은 2방향으로 경사면을 가지는 장치를 설계하여 슬라이딩 마찰을 통한 면진성 능이 도입된 Sloped Sliding-type Bearing을 제안하였다.

본 연구에서는 다양한 마찰형 면진장치에 대한 연구의 일환으로 비교적 간단한 구성을 가지고, FPS의 단점을 상쇄시키며 동시에 높은 복원력 특성을 효과적으로 발현할 수 있는 장치를 개발하고자 하였다. 이에 따라 마찰면이 경사형으로 구성되어 전단변위 발생 이후 접촉면적 감소로 효과적인 복원 메커니즘을 가지는 원뿔형 마찰면진장치에 대한 구조 특성 평가를 목적으로 한다. 이를 위하여 원뿔형 마찰면진장치의 형상 및 구성요소를 고안하고 작동 및 복원 메커니즘에 대해 이론적으로 고찰하였으며, 이를 바탕으로 원뿔 형 마찰면진장치의 시작품을 제작하였다. 원뿔형 마찰면진장치의 시작품을 대상으로 설계변수인 원뿔의 경사각과 접촉면의 마찰계수(또는 마찰재), 그리고 면진장치에 작용하는 수직하중의 크기 및 수평방향 하중가력속도를 변수로 장치 특성실험을 수행하여 구조 특성을 분석하였다.

2. 원뿔형 마찰면진장치의 구성

2.1 장치 형상 및 구성요소

본 연구에서 제시하는 원뿔형 마찰면진장치(Cone-shaped Friction Isolator, 이하 CFI)는 변위를 수용하는 마찰판과 낮은 마찰계수를 가지는 마찰재가 부착된 슬라이더로 구성된다. 전체 형상을 결정하는 변위 수용 마찰판은 Fig. 1과 같이 경사각을 가지는 평면을 회전(Revolve) 방식을 사용하여 2차원에서 3차원으로 확장하였다. 슬라이더에는 PTFE와 같이 낮은 마찰계수를 가지는 마찰재가 접착된다. 금속재 표면의 미끄럼 받침을 하부 마찰판, 저마찰계수를 가지는 마찰재가 부착된 슬라이더를 상부 슬라이더라고 한다면, 하부 마찰판은 지반 또는 기초와 연결되고, 상부 슬라이더는 면진 장치 위 상부구조물과 연결된다.

마찰면진장치 중 FPS는 기하학적 형상으로 인해 고유주파수를 가지므로 상부 구조물의 지진응답 증폭을 유발할 수 있고, 선형적인 복원력 특성으로 인해 원점으로 복귀하는 장치의 복원력이 0이 되는 지점이 반드시 발생한다는 점이 단점으로 지적된 바 있다[10]. 이에 반해 본 연구에서 제시된 CFI는 경사형 마찰면을 가지며, 경사형 마찰면은 장치의 비선형적인 복원력 특성을 의도할 수 있다는 점에서 비교적 단순하면서 효과적인 방법이 될 수 있음이 여러 해석적 연구 및 실험을 통해 증명되었다[12]. 또한, Fig. 2와 같이 전단변위 발생 이후부터 상･하부장치의 접촉면적이 현저히 감소하며 이는 FPS가 가지는 잔류변형의 문제를 해소하는 주요한 요소가 된다.

마찰면진장치는 하부 마찰면 또는 상부 슬라이더의 형상 등으로 인해 수직하중 저항능력을 결정하는 주요 요인인 상･하부장치의 접촉면적이 달라지게 된다. 만약 상부 슬라이더가 롤러와 같은 원형, 또는 구형의 형상을 가진다면 하부 마찰면의 기하학적 형상과 관계없이 장치의 수직하중 저항능력은 상부의 롤러에 의해서만 결정된다. 따라서 본 연구에서 제시하는 CFI에서 상부 슬라이더의 형상을 결정할 때, 원점에서 상부 슬라이더가 하부 마찰판에 전체 부분이 맞닿을수 있도록 구성하였다. 이로 인해 일반적인 마찰진자형 면진장치와 달리 외력이 작용하여 변형이 발생할 때 회전에 의한 기울어 짐이 발생하지 않으며 FPS와 달리 회전에 대한 자유도를 부여하기 위한 마찰면이 없다는 특징이 있다.

2.2 작동 메커니즘

지진이 발생하게 되면 상부구조물에 작용하는 지진력이 장치를 구성하는 두 마찰재 사이의 마찰력 이상이 된다면 상부장치와 하부장치가 정지마찰력을 넘어 미끌리게 되면서 원뿔의 경사면을 따라 장치가 분리된다. Fig. 2는 CFI의 전단 변위 발생 전과 후의 상･하부 장치의 접촉 면적을 비교하고 있다. CFI는 초기 전단 변위가 0일 때는 상부 슬라이더의 원뿔의 옆면이 하부 마찰판에 전부 맞닿는다. 반면 변위가 발생하게 되면 경사각이 같은 두 원뿔은 면으로 접하는 것이 아닌 선으로 맞닿게 된다. 따라서 CFI에 변위발생 시 접촉 부위에 작용하는 하중을 PTFE와 같은 마찰재가 충분히 부담할 수 있는지가 설계 및 장치제작시의 주요 고려사항이다. 즉, 장치의 변위 발생 시 응력을 계산하여 상부구조물의 하중을 설정해야 한다. 허용하중 하에서 설계 된다면, CFI는 선접촉하므로 복원력의 반대 방향으로 작용하는 마찰력이 비교적 작아 베어링의 역할을 하게 되어 변위 발생 후 큰 복원력이 형성될 수 있다.

Fig. 3에서는 마찰면이 경사형으로 형성된 CFI의 자유물체도를 나타내고 있다. 자유물체도에서 상부구조물은 완전강체로 거동하고 1방향의 힘, F을 받는 장치로 인한 수평 변위 및 상부구조물의 변위는 X, Y 2축으로만 발생한다고 가정한다. 경사형 면진장치는 기하학적 특성상 경사가 급격히 바뀌는 지점인 꼭지점을 가지며 불연속적인 거동을 보이게 되므로 충격력에 의한 Pounding effect가 발생할 것으로 예상되나, 장치의 복원력 특성 분석을 위해 자유물체도에서는 이를 배제하였다. Fig. 3에서 W는 mg로 표현되 는 상부하중, θ는 마찰면의 경사각, F_f는 마찰계수 μ와 수직하중 N의 곱으로 이루어지는 마찰력, u는 하부장치에 대한 상부장치의 가력 방향으로의 상대변위를 의미한다. 마찰면의 마찰력보다 외력이 크다면 면진장치에는 수평 변위가 발생하며 법선-접선 좌표계에서 수직, 수평 방향에 대해 힘의 평형을 고려하면 식 (1), (2)와 같다[10],[13].

또한, 특정 점에서의 법선-접선 좌표계 상에서는 식 (3), (4)와 같이 나타낼 수 있다.

식 (1)과 식 (3)을 연립하여 시스템의 수평방향 힘에 대해서 정리하면 식 (5)와 같이 나타낼 수 있으며, 식 (3)에 식 (5)를 대입하여 N에 대해 정리 하면 식 (6)과 같이 나타낼 수 있다. 여기서 마찰력의 정의, F_f = μN를 적용 하면 식 (7)을 도출할 수 있다.

식 (5)에 식 (7)을 대입하여 정리하면 최종적으로 식 (8)과 같이 정리할 수 있으며, 여기서 수평변위, u가 곡률반경, R의 0.2배 보다 작다면, sinθ≈θ, cosθ≈1로 근사할 수 있으므로 식 (9)와 같이 간략화할 수 있다. 각 항은 복원력, F_r과 마찰력, F_f 효과로 구분하여 나타낼 수 있다.

Fig. 4에서는 CFI의 수평력과 변위의 관계를 나타내고 있으며, Wang et al.[11]에서 제시한 Twin-flag 형상을 가진다. 복원력은 수직하중 W와 경사각 θ에 의해서만 결정되고 마찰력은 수직하중 W와 마찰계수 μ에 의해서만 결정된다. 이때, μ와 θ(또는 tanθ) 값의 차이에 따라서 장치의 하중-변위 관계 및 이력 거동이 달라진다.

3. 원뿔형 마찰면진장치의 특성실험

3.1 실험체 계획

CFI의 횡하중에 대한 거동과 장치의 복원력 특성을 확인하기 위하여 장치실험을 위한 실험체를 제작하고 압축하중과 전단하중의 동시가력이 가능한 압축 및 전단 시험기를 이용하여 특성시험을 수행하였다. 실험 변수는 장치의 복원력 특성에 크게 관여하는 CFI의 경사각, θ과 마찰계수, μ로 설정 하였으며, 실험 과정에서 장치에 작용하는 수직하중의 크기와 전단 가력속도 또한 조정하여 진행하였다. CFI의 특성실험을 위한 실험체는 총 5개이며, Table 1과 Fig. 5에 상세 정보를 나타내고 있다. Table 1에서 최대 수직변위는 설계변위인 130 mm의 수평변위가 발생했을 때의 수치이다. CFI 실험체 하부 마찰판의 직경은 450 mm이고, 상부 슬라이더의 직경은 150 mm이다. 하부 마찰판은 부식 방지 및 낮은 표면 조도의 실현을 위해 스테인리스 스틸(SUS340)을 사용하였다. 상부 및 하부 장치의 원뿔면에 대한 가공은 선삭 가공으로 진행하였으며 일정한 가공면의 확보를 위해 도금 처리를 하지 않고 스테인레스 스틸의 가공면을 그대로 사용하였다. CFI 실험체의 경사각에 대한 변수는 2°, 3°, 5°, 7°이고, 각 실험체에 마찰재로 PTFE가 사용되었다. 마찰재에 대한 장치의 영향을 알아보기 위하여 3° 실험체에 대해 고밀도 PE 재료인 UHMWPE(Ultra High Molecular Weight PolyEthylene)를 마찰재로 사용한 실험체를 추가하였다. 마찰재의 최대 압축강도는 PTFE의 경우 약 5~6 MPa, UHMWPE는 약 20 MPa 정도이고, 연신율의 경우 PTFE는 75~300%, UHMWPE는 약 400%이다. 두 재료 중 PTFE보다는 UHMWPE의 인장 및 압축강도, 연신율이 높으나 PTFE의 마찰계수는 약 0.05~0.10, UHMWPE의 마찰계수는 약 0.10~0.20으로 알려져 있어 슬라이딩 운동이 요구되는 환경에서는 각 조건에 따라 사용하는 마찰재가 다르다. 마찰재와 강재와의 접착은 난접착용 순간접착제를 사용하였으며, 접착제의 전단 강도는 약 15.5 MPa이다. 큰 하중에 마찰재가 변형을 일으키더라도 연속적인 마찰 거동을 보일 수 있도록 마찰재의 두께는 AASHTO[14] 및 EN[15] 규정을 고려하여 5 mm로 설정하였다. 추가로, 전단변형 발생 시 마찰재의 이탈 방지를 위하여 2.5 mm 자리파기를 하였다. Fig. 6은 CFI 특성실험 실험체의 제작 결과를 나타낸다.

3.2 실험 방법

CFI 실험체의 특성실험은 최대 수직하중 용량 약 2000 kN, 최대 수평하 중 약 500 kN의 압축･전단 시험기를 사용하여 수행하였다. 실험체의 설치 및 가력 방향은 Fig. 7에서 보는 바와 같다. 서로 다른 경사각과 마찰계수를 가지는 실험체별로 정해진 압축하중 가력 후 하중 유지 상태에서 정현파 형상으로 ±130 mm의 전단변위를 3회 왕복하여 진행하였다. 압축하중은 최소 10 kN부터 최대 400 kN으로 점진적으로 증가시키며 실험체의 거동을 확인하였다. 또한 가력속도에 따른 마찰계수의 변화를 확인하기 위하여 동일한 압축하중 및 전단변형 프로토콜의 입력주파수를 변수로 고려하였다.

4. 실험결과

Fig. 4에서 정리한 경사각과 마찰계수의 관계에 따른 경사형 면진장치의 이력특성에 따르면 tanθ>μ 조건으로 갈수록 경사형 면진장치의 이력특성은 셀프센터링 시스템에서 볼 수 있는 Twin-flag 형상과 유사해진다. 즉, 정지마찰력을 넘는 수평력이 작용하면 장치의 수평력은 더 이상 증가하지 않고 일정하게 유지된다. 본 연구에서는 이와 같은 이력특성 상에서 더 이상의 하중 증가가 없는 지점을 임계수평력(Critical shear force)이라 정의하며, 이는 장치의 수평력에 관여하는 복원력과 마찰력의 관계식에 의해 |W(μ+ tanθ)|로 나타낼 수 있다. 또한, 하중 제하시의 수평력을 복원수평력(Restoring shear force)으로 정의하였으며 |W(μ- tanθ)|으로 그 크기를 나타낼 수 있다.

4.1 경사각에 의한 영향

Fig. 2에서 언급한 바와 같이 전단변위 발생 이후의 압축하중 저항 능력이 원뿔의 모선으로 이루어지므로 이에 큰 집중응력이 작용하였을 것임을 예상할 수 있다. 이에 따라 Fig. 8과 같이 경사각이 상대적으로 작은 유형인 C-A2T, C-A3T 실험체는 각각 300 kN, 200 kN의 압축하중 재하 시점에서 전단 가력방향으로 마찰재의 찢어짐이 관찰되었다. 반면, 각도가 큰 유형인 C-A5T, C-A7T 실험체는 각각 130 kN, 70 kN에서 마찰재의 일부분에서 과도한 변형이 발생한 후 상부 슬라이더에서 탈락하였다. 이는 큰 경사각이 장치에 적용될수록 마찰재와 상부 슬라이더의 접촉을 위해 사용되는 접착제 계면에 작용하는 전단력이 커진 것으로 판단된다.

동일한 압축하중 조건 하에서 경사각이 실험체 이력특성에 미치는 영향을 Fig. 9에서와 같이 분석하였다. 전술한 바와 같이 이력특성을 정의하는 두 가지 지표인 임계수평력과 복원수평력은 장치에 작용하는 압축하중과 마찰계수 및 경사각에 의존한다. 따라서 Fig. 9에서 보는 바와 같이 수직축을 작용하는 압축하중으로 정규화하게 되면 Fig. 9(a)와 (b)에서의 정규화된 임계수평력 및 복원수평력은 이론적으로 동일해야 한다. 대부분의 실험체에 대해서 압축하중의 변화와 관계없이 실험체의 이력특성은 유사하게 유지되며, 전형적인 Twin-flag 형상의 거동을 나타내었다. 또한 경사각이 증가함에 따라 임계수평력이 증가하며 복원수평력이 감소하는 현상은 이론식으로 예측할 수 있는 범위에서 유사하게 관찰되었다. 경사도가 가장 큰 C-A7T 실험체의 경우에는 압축하중이 30 kN 작용 시 실험 세팅상의 오차로 인해 실험체의 낮은 전단변형 수준에서 상･하부 장치의 접촉면적이 다른 경우와 비교하여 달라졌기 때문에 압축하중이 70 kN 작용 시와 비교하여 낮은 전단변형 수준에서 이력특성의 차이가 심하게 관찰되었다.

4.2 마찰재에 의한 영향

CFI 실험체는 적용된 마찰재의 유형에 따라 상이한 파괴모드를 나타내었다. 마찰재로 PTFE가 적용된 실험체는 50 kN의 압축하중 재하 시점 이후부터 마찰재의 마모가 관찰되었으며, 장치의 주요 변수인 경사각에 따라 마찰재가 파괴되는 시점에서 차이가 나타났다. 한편, PTFE보다 높은 경도를 나타내는 UHMWPE가 사용된 C-A3PE 실험체는 높은 압축하중 수준인 400 kN 시점에서 마찰재의 변형 및 찢어짐이 Fig. 10에서와 같이 관찰되었다.

Fig. 11에서는 마찰재의 유형에 따른 이력거동의 변화를 분석하였다. 가장 안정적인 이력거동을 나타낸 경사각 3° 실험체 중 PTFE 마찰재를 사용한 C-A3T와 UHMWPE를 적용한 C-A3PE를 대상으로 비교하였다. 약 5~10%의 마찰계수를 가지는 PTFE를 적용한 C-A3T와 비교하여 8~15% 의 마찰계수를 가지는 UHMWPE를 적용한 C-A3PE가 큰 마찰계수로 인해 임계수평력과 복원수평력이 크게 나타나므로 에너지 소산면적이 크게 관찰되었다. C-A3T 실험체는 PTFE 마찰재의 마모로 인해 200 kN에서 파괴 되었으며, C-A3PE 실험체는 UJMWPE 마찰재가 전단 가력방향으로 밀려 길게 늘어나 400 kN에서 파괴되었다. 즉, UHMWPE 마찰재가 PTFE 마찰재보다 연성이 크고 수축성이 좋기 때문에 보다 높은 하중에 대한 저항성이 크게 나타난 것이다.

4.3 가력속도에 의한 영향

가력속도에 따른 실험체의 이력특성을 Fig. 12에서와 같이 분석하였다. 입력주파수 0.01 Hz, 0.02 Hz, 0.03 Hz에 대응되는 가력속도는 각각 8.2 mm/s, 16.3 mm/s, 24.5 mm/s이다. 실험체의 가력속도가 커질수록 임계수 평력 및 복원수평력이 일부 증가하였으며, 장치의 이력특성은 경사각 및 마찰계수에 의해서만 영향을 받기 때문에 동일한 경사각을 가지는 실험체에서 수평력이 증가하는 것은 마찰력에 관여하는 마찰계수가 변화했음을 의미한다. 실험체는 가력속도가 클수록 마찰계수가 커지는 경향을 나타내었으며, 특히 마모가 많이 발생하였던 PTFE 재료의 실험체가 그렇지 않은 실험체보다 더 커지는 경향을 나타내었다. 마모가 거의 발생하지 않았던 UHMWPE 재료에 대해서는 가력속도에 의한 영향이 PTFE에 비해 상대적으로 작은 것을 확인하였다.

4.4 반복가력횟수에 의한 영향

Fig. 13에서는 반복가력횟수에 따른 실험체별 이력특성 변화를 나타내고 있다. UHMWPE가 적용된 C-A3PE 실험체는 반복가력 횟수가 증가함에도 안정적인 이력거동을 유지하였다. 이와 달리 PTFE가 사용된 실험체들은 반복가력 수행 초기에 마모가 발생한 이후에 가력이 진행되며 지속적으로 마모도가 심화되는 현상이 관찰되었으며, 이로 인해 임계수평력 또한 낮아지는 것으로 나타났다. 이는 3.1절에 언급한 바와 같이 재료 물성치에 따른 결과인 것으로 보이며, 압축 및 인장강도 모두에 PTFE보다 좋은 성능을 나타내는 UHMWPE가 비교적 안정된 거동을 보인것으로 판단된다. 또한, UHMWPE는 PTFE에 비해 마모되는 경향을 거의 보이지 않았으며 실험결과에 영향을 준 것으로 판단된다. Fig. 13(a)와 (b)에 나타낸 C-A2T 실험체에서 압축하중 60 kN의 실험에서는 이전실험에서 발생한 PTFE 마찰재의 마모를 제거한 후 진행된 실험이고, 압축하중 100 kN의 실험은 마모 흔적을 그대로 두고 진행된 실험이다. 마모된 PTFE를 제거하지 않고 진행한 반복 가력 실험에서는 비교적 안정된 값을 가지는 것으로 보아 마찰재의 마모 이후 일정한 마찰계수를 가짐을 추정할 수 있다.

4.5 소결

본 연구에서는 CFI가 FPS와 달리 비선형적 복원력 특성을 가지며, 경사각, 마찰계수에 따라 임계수평력과 복원수평력이 달라짐을 제시하였다. 두 가지 수평력은 다양한 지진하중, 압축하중, 사용조건 하에서 면진장치에 요구되는 복원력 특성을 제시하는 데에 그 의의가 있으며, 본 장에서는 Twin-flag의 거동을 검증하기 위해 특성실험을 실시하여 CFI 실험체의 실 험결과를 정리하였다.

실험 중, 마찰재의 마모가 발생하여 마찰계수가 변화하는 것을 반영하기 위하여 실험에서 측정된 마찰계수와 장치의 경사각, 압축하중의 크기를 이용하여 이론적으로 도출되는 복원력 특성을 계산하고 실제 실험결과와 비교한 결과, 각 실험체 별로 최대 약 3%의 오차만을 가지는 것을 확인하였으며 제시한 CFI 복원력 특성의 합리성을 검증하였다. 한편, CFI의 에너지소산 능력, 즉 하중-변위 관계로 결정되는 면적의 크기는 같은 마찰재일 때 동일해야 하나, 실제 경사각 등의 요인으로 인하여 마찰계수가 다소 증가하였고 이에 따라 같은 마찰재를 사용한 경우라도 서로 다른 에너지소산면적을 가짐을 확인하였다.

각 실험체는 마찰재로 사용된 PTFE, UHMWPE에 따라 서로 다른 파괴 양상을 보였다. PTFE가 UHMWPE보다 낮은 압축 및 인장강도, 연신율을 가지므로 같은 하중에 대하여 마모도가 더 큰 것을 확인하였다. 이와 같은 결과에 따라 CFI 실험체는 경사각 및 마찰계수로 인해 결정되는 복원력 특성 뿐만 아니라 마찰재의 내구성, 물성치에 따라 장치의 거동 특성이 크게 좌우되는 것을 확인하였다. 실제 설계시에는 CFI가 적용될 압축하중 조건을 반드시 고려함을 확인하였으며, 이에 따라 추가로 마찰재에 대한 마모 특성, 다양한 하중 조건과 장시간 사용에 따른 성능 저하에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 원뿔형 마찰면진장치의 형상 및 구성요소를 제시하고 작동 메커니즘에 대해서 분석하였으며, 해당 장치의 설계변수인 원뿔의 경사각과 접촉면의 마찰계수, 그리고 면진장치에 작용하는 수직하중의 크기 및 수평방향 하중 가력속도를 변수로 특성실험을 수행하였다. 본 연구에서 얻어진 주요 결과는 다음과 같다.

본 연구결과에서 실험적으로 확인한 경사형 면진장치의 작동 매커니즘과 복원력 특성은 해당 장치를 적용하는 시스템의 설계변수 결정에 활용될 수 있으며, 경사형 면진장치는 기존 일반적으로 적용되는 고무계 면진장치 보다 유지관리가 용이하며 지진발생 후 교체없이 사용 가능하다는 측면에서 우수성을 가진다고 볼 수 있다. 향후 경사형 면진장치의 다양한 하중 조건 및 장기간 사용에 따른 성능 저하에 대해서 연구한다면 해당 장치의 설계과정에서 보다 합리적인 결론을 도출할 수 있을 것으로 예상된다.