1. 서론

최근 일본에서는 교량분야의 내진구조와 면진구조에 이어 제진구조가 주목 받기 시작했다. 제진구조는 댐퍼가 에너지를 흡수하여 지진에 대한 응답을 저감하는 구조이다. 제진구조를 적용하면 부재단면의 축소와 지반~상부 구조물과의 상대변위 저감을 동시에 실현 가능하다는 장점이 있다. 일본에서 제진구조는 건축물에 일반적으로 사용되는 기술이다. 적용형태는 마찰형 댐퍼, 강재 항복형 댐퍼, 점탄성형 댐퍼 등을 층간변위에 대한 패시브 댐퍼로 사용하는 경우가 많다. 더불어 액티브 댐퍼를 이용하여 큰 효과를 얻는 경우와 구조물 전체가 제진효과 기능을 발휘하도록 한 연결제진이라는 방법으로도 이용되고 있다.

한편 토목 교량분야의 제진구조 적용사례는 극히 드물고, 적용된 경우도 대부분 내진보강 목적으로 사용되었다. 적용사례가 미흡했던 사유로는 현재까지 설계법의 정비가 이루어져 있지 않기 때문이다. 장대교량에 있어서도 Minami대교 등에 적용한 제진구조에 대한 실제 사례가 있으나 특정 장치를 대상으로 하기 때문에 범용성이 떨어진다. 적용이 미비한 또 다른 이유는 교량용 댐퍼개발이 없기 때문이다. 교량에서는 사용 환경과 사용기간이 달라 내후성을 높아야하고, 상부구조물과 하부구조물과의 사이에는 100㎜정도의 간격이 있어 10㎜단위의 건축용과는 적용 범위가 다르다.

따라서 이러한 배경을 기초로 제진형 교량을 개발하기 위해서는 교량에 적당한 형태의 댐퍼개발과 설계법의 정비가 필요하다.

 

2. 브레이크 댐퍼

브레이크 댐퍼의 기본구성 (이하, 접시 스프링 볼트 유니트라 함)을 그림1에 나타내었다. 강재 A에 고정된 마찰재와 강재B에 고정된 stainless(스테인레스) 판이 접촉하여, 마찰열을 발생되며, 진동에너지가 열에너지로 변화하는 구성이다. 필요에 따라서는 그림2와 같이 마찰면적을 늘리는 것도 가능하다.

 

 

 

그림3. 교량에서의 브레이크 댐퍼 적용사례

 

 

교량 적용사례에서는 그림3과 같이 교량 상부공과 하부공을 연결하는 부분에 이용하는 방법이 있다. 그때 필요한 길이를 확보한 강재A, B를 각각 단부에 배치하고 적절한 감쇠용량의 접시스프링 유니트(Unit)를 배치한다. 감쇠용량은 보고서에서 제시한 식에 따라 결정한다. 이와 같이 배치된 브레이크 댐퍼는 다음과 같은 특징을 가진다.

 

1) 감쇠력 발생 구조와 하중전달 구조가 분리되어 있어 간격이 길어졌을 때의 좌굴대책으로 하중전달부재를 크게 하여도 감쇠력에는 영향을 끼치지 않는다.

2) 감쇠용량, 강성, 간격을 독립하여 변화시키는 것이 가능하기 때문에 설계자유도가 높다.

3) 구조가 간단하여 관리가 쉽다.

4) 특별한 재료를 이용하지 않아 가격이 저렴하다.

5) 지진 후에도 부품교환 필요가 없기 때문에 유지관리가 쉽다.

 

그림4에 감쇠용량이 1000kN, 간격이 ±400㎜의 브레이크 댐퍼를 나타내었다. 댐퍼는 6기의 접시 스프링 유니트와 6면의 마찰면을 가지고 있다.

 

 

3. 성능평가실험

3.1 실험개요

성능평가 실험은 브레이크 댐퍼의 지진시 감쇠 저감 특성을 명확히 하고 설계에 적용할 목적으로 모델을 만들고 실시하였다. 그림4는 실험에 사용된 브레이크 댐퍼이다. 실험 방법은 댐퍼 양단의 크레피스를 진동대와 진동대 기초판에 고정하고 입력파형을 강제변위로 가하여 실시하였다.

3.2 입력파동

입력파동에는 지진 응답파를 이용하였다. 지진응답해석의 입력조건은 지반종류별, 파형별, 교각의 고유 진동수별, 교각항복진도별로 각 파라미터(Parameter)를 조합하였다. 실제 시험에서는 조건별 입력변수 162가지 경우의 수에서 응답속도와 응답변위가 큰 것을 중심으로 32가지 파형으로 하였다. 32가지 파형의 최대 응답변위는 37~396㎜, 최대 응답속도는 31~186㎝/s 범위이다.

3.3 실험결과

브레이크 댐퍼의 성능확인 실험을 실시하고 지진시의 마찰계수에 대하여 평가식 및 설계식 2종류 제안하였다. 이 식은 적용범위와 간이성을 고려하여 설계 시에 선택이 가능하다. 또한 이장에서 제안한 지진시의 마찰계수는 댐퍼를 바이리니어 모델로 하였을 때 사용하는 것을 예상하고 있다., 댐퍼가 미끄러질 때 감쇠력을 식(1) 또는 식(2)로 정하고 해석을 실시할 경우 최대변위와 최대속도에 도달하기 전의 변위와 속도가 작은 시간대에 대하여도, 최대변위와 최대속도에 대하여도 댐퍼가 미끄러질 때 감쇠력을 평가할 수 있기 때문에 안전측의 평가가 가능하다.

μd(1) = -0.0160νmax + 0.34 ≥ 0.20 .........................식 (1)

식(1)에서의 μd(1) : 최대속도로부터 구한 마찰계수의 설계 값

 

μd(2) = 0.084ƒ + βd ≥ 0.2 .........................식 (2)

식(2)에서의 μd(2) : 입력 파라미터로 부터 구한 마찰계수의 설계 값

βd : 입력 지진동에 의해 정해진 파라미터의 설계 값으로 표1의 값

 

표1. 입력지진동의 영향을 나타내는 계수 βd (설계값)

 

	1종지반	2종지반	3종지반
Type 1 지진동	0.20	0.16	0.14
Type 2 지진동	0.15	0.11	0.11

 

4. 제진형 교량계의 진동대 실험

4.1 실험방법

 

 

브레이커 댐퍼의 효과를 명확히 하기위해 제진형 교량계의 진동대 실험을 실시하였다. 실험전경을 사진1에 나타내었다. 진동대 위에는 교각모형(RC구조), 교대모형(S구조), 거더모형을 2세트 설치하고 앞쪽 세트에만 브레이크 댐퍼를 설치하였다. 교각모형과 거더모형의 접합은 크레비스로 하였고 수직력 및 수평력이 전달되는 핀지지로 하였다. 교대모형과 거더모형의 집합은 크레비스 및 선형가이드로 하여 수직력 만이 전달되는 롤러지지로 하였다. 교대모형은 강체로 가정하고, 교각의 50배 정도의 강성을 가지는 것으로 하였다. 가진은 1방향(교축방향)만 가하였다. 이 실험에서 플로트(flot)타입은 앞의 그림3과 같은 형태로 가정하였다. 해석은 1질점계 모델로 하였다. 1질점계 모델을 특정하기 위해서는 댐퍼가 없는 교량의 고유진동수, 교각의 항복진도, 댐퍼 스프링의 항복강도와 상부공 중량의 비와 같은 3가지 파라미터(Parameter)가 필요하다. 3가지 파라미터(Parameter)가 정해지면 질점 거동은 특정할 수 있다.

⦁ 상사칙 : 상사칙은 속도가 플로트타입과 같도록 정한다. 이는 브레이크 댐퍼가 속도 의존성이 크기 때문이다.

⦁ 교각모형 : 교각모형은 초기항복시의 할선강성으로부터 나온 고유진동수 및 항복진도를 제시한 값과 같아지도록 설계하였다. 전단 보강비는 0.21%이다.

⦁ 입력지진동 : 입력지진파로는 도로교시방서에 나타낸 L1지진동 및 L2지진동 TypeⅡ를 조정하여 가진 실험을 실시하였다. 입력지진파의 상세를 표2에 나타내었다.

표2. 입력지진동

No.	지진동	지반종류별	위상특성	승률	최대가속도
					플로트Type	실험
1	L1지진동	Ⅱ종	1968ITAJIMA BRG.LG	100%	106.5	319.5
2	L2지진동 (TypeⅡ)	Ⅱ종	1995 JR TAKARORI STA.N-S	100%	686.8	2060.4

4.2 실험결과

L1지진동 및 L2지진동에 대하여 교각 끝단변위의 시각력 파형그래프, 하중-교각끝단 변위 그래프, 댐퍼의 감쇠력-변위관계를 보고서에 나타내었다. 하중은 교각 끝단 위치에서 계측된 가속도에 질량을 곱하여 구하였다. 최대응답변위는 댐퍼가 없을 때 6.66㎜(L1), 145㎜(L2)이었으나, 댐퍼를 설치한 경우 1.74㎜(L1), 58.5(L2)로 대폭 감소하였다. 교각 모형의 손상은 L1지진동에서는 미세균열이 발생하는 정도였지만, L2지진동에 대하여는 댐퍼가 없는 경우 5.1초 부근에서 최대변위(145㎜) 도달시 피복콘크리트가 탈락하였다. 한편 댐퍼를 설치한 경우에는 댐퍼가 없는 경우와 동등하게 5.1초 부근에서 기판부 철근이 항복하였으나 최종적으로는 기판부 철근의 잔류 변형은 8000μ정도로 균열이 잔류하는 형태로 끝났다. 사진 2에 교각부 기판부의 손상상태를 나타내었다.

 

 

댐퍼의 거동은 L1지진동에 대하여는 최대 감쇠력에 도달하지 않았고, 이력감쇠도 나타나지 않아, 감쇠효과는 없음이 확인되었다. 한편 L2에 대하여는 매우 큰 에너지를 흡수하고 있음을 실험으로 알았다. 즉, 댐퍼에 의한 응답변위감소의 주요한 원인은 L1에서는 강성의 증가에 의한 것이고, L2에서는 댐퍼의 감쇠효과에 의한 것으로 사료된다.

 

4.3 제진형 교량계 진동대 실험의 정리

 

 

 

 

실험에 의한 결과를 정리하면 다음과 같다.

 

1) L1지진동에 대하여 댐퍼를 적용함으로써 응답 변위를 작게 하는 것이 가능하였다. 그 때의 댐퍼 효과는 댐퍼 강성에 의한 강성의 상승이다.

2) L2지진동에 대하여 댐퍼를 적용함으로써 응답변위를 작게 하는 것이 가능하였다. 그 때의 댐퍼 효과는 이력감쇠가 주요하였다.

3) 댐퍼의 항복진도가 교각항복진도의 1/4정도라도 L2 지진동에서의 에너지 흡수는 대부분을 댐퍼가 부담한다.

4) 실험에서 병렬로 적용한 2대의 브레이크 댐퍼는 거의 동등한 거동을 나타내었고 댐퍼의 편차는 작다.

 

5. 시범설계에 의한 적용성 검토

5.1 검토방법

 

⦁ 검토개요 : 브레이크 댐퍼를 적용한 교량을 설계함으로써, 브레이크 댐퍼에 의한 비용절감 효과와 교량 전체의 성능향상을 정량적으로 산출·평가하였다.

⦁ 검토대상 : 검토대상은 그림6에 나타낸 교량 166.8m, 폭10.4m, 교각높이 28m의 3경간연속 라멘박스 거더교(도로교)의 교각으로 하였다. 지반은 1종 지반이다. 브레이크댐퍼는 그림 7의 개요도를 나타내었다. 교대면과 주 거더 아랫면을 연결하는 것으로 하고, 교축 방향만 유효하도록 하였다.

⦁ 설계방법 : 설계는 도로교시방서에 따라 실시하였다. 지진동에 대하여는 L1,L2에 대하여 동적 해석을 실시하였다. 브레이크댐퍼는 이선형 모델로 하였다. 각 브레이크 댐퍼의 감쇠용량은 상시설계마찰계수μd(st) 0.34에 대하여 2500kN이나, 지진시의 최대감쇠용량은 Pd(eq)는 지진시 마찰계수μd(2)를 이용하여 제시된 식으로 저감하였다. 감쇠는 레일리형 감쇠로 하였으나, 브레이크 댐퍼의 초기강성으로부터 감쇠매트릭스를 작성하면 브레이크 댐퍼가 항복하였을 때 감쇠가 과대하게 된다. 따라서 브레이크 댐퍼의 강성을 0으로 한 강성매트릭스를 이용한 감쇠매트릭스를 작성하였다.

 

5.2 검토결과

⦁ 교각단면의 비교 : 설계에서 단면결정 요인은 브레이크 댐퍼 없는 경우에는 L1지진시, 브레이크 댐퍼 있는 경우에는 L2지진시이다. 댐퍼 설치로 인하여 콘크리트 단면적이 17.5%, 철근량에 대하여는 주근이 약 60%, 횡 구속근이 23% 절감된다. 브레이크 댐퍼 적용에 의한 대폭적인 원가절감이 기대되었다.

⦁ 지진응답의 비교 : 댐퍼가 있는 경우에는 단면치수와 철근량을 축소하여도 L1지진시에 76%, L2지진(TypeⅡ)시에 36%의 최대응답변위 저감이 나타났다. 변위를 저감하면 교량 부재의 손상을 적게 할 수 있고 결론적으로 교량전체의 성능이 향상된다고 말할 수 있다. 더불어 응답변위에 사용되는 교량받침과 신축장치에 대한 치수 절감도 가능하다.

5.3 적용검토 정리

브레이크 댐퍼를 교량에 적용할 경우, 실제 설계를 실시하여 그 효과를 확인하였다. 검토결과 대상 교량에 대하여 다음과 같은 내용을 알 수 있었다.

 

1) 브레이크 댐퍼를 사용하면 콘크리트 단면적17.5%, 주철근량이 약60%, 횡구속 철근량이 23%축소 가능하고, 시공비용 절감이 가능하다. 또한, 기타 상부공의 PC강재, 교량받침, 신축장치 등에서의 비용절감도 기대된다.

2) 브레이크 댐퍼를 사용하여 단면을 축소하면, 교각의 응답변위는 L1지진시에 76%, L2 지진(TypeⅡ)시에 36%의 변위저감이 가능하다.

이 보고서에서는 특정 조건의 교량에 대하여 시범설계를 실시하였으나, 조건이 변화하여도 브레이크 댐퍼의 효과는 동등한 것으로 판단한다.

 

6. 결론

이 논문에서는 디바이스 성능평가, 브레이크 댐퍼를 사용한 제진형 교량의 진동대 실험에 의한 효과검증 및 시범설계에 의한 적용성 검토에 대하여 제시하였다. 디바이스성능평가에 대하여는 브레이크 댐퍼의 성능확인 실험의 결과, 지진시의 마찰계수에 대한 평가식 및 설계식을 2종류 제안하였다. 이들은 적용범위와 설계 절차가 다르기 때문에 사용에 있어서는 적절한 쪽을 선택하여야 한다. 브레이크 댐퍼를 이용한 제진형 교량의 실험에 의한 효과검증에서는, 제진형 교량계의 진동대 실험을 실시하고, 브레이크 댐퍼의 유효성을 확인함과 동시에 RC교각과 댐퍼의 연성에 대하여 고찰하였다. 설계식에 의한 적용성 검토에서는 브레이크 댐퍼를 사용한 라멘교량을 설계하고, 댐퍼가 없을 때와 비교하여 비용절감과 응답변위저감이 양립하는 것을 확인하였다.