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과제기본정보

에너지흡수효율 극대화를 위한 면진 장치 및 최적 면진구조 설계기술 개발3년차

사업개요
사업개요에 대한 사업명, 분류코드(기술분류), 과제명, 주관연구기관, 총괄연구 책임자(성명, 소속, 전화번호), 총 연구기간, 당해연도 연구기간 정보제공
사업명 건설기술연구사업 과제번호 08CCTI-C043544-03
국가과학표준분류 1순위 건설·교통 | 구조물·지반공학 기술 | 내진·내풍 구조물 기술 적용분야 -
2순위 None | None | None 실용화대상여부 실용화
3순위 None | None | None 과제유형 개발
과제명 에너지흡수효율 극대화를 위한 면진 장치 및 최적 면진구조 설계기술 개발
주관연구기관 포항산업과학연구원
총괄연구 책임자 성명 김상범
소속 (재단)포항산업과학연구원 직위 선임연구원
기관 대표번호 054-279-6204 FAX 054-279-6209
총 연구기간 2006-12-20 ~ 2009-12-16
당해연도 연구기간 2008-06-17 ~ 2009-12-16

(단위:원)

년도별 정부출연금, 기업부담금, 계 정보제공
년도 정부출연금 기업부담금
현금 현물 소계
3차년도 526,000,000 30,000,000 196,761,000 226,761,000 752,761,000
과제기본정보의 연구개발개요, 최종목표, 연구내용 및 범위 정보제공
연구개발개요 - 최근 전세계적으로 지진발생 횟수가 증가하고 피해규모도 대형화되는 추세이며, 일본에서 발생한 지진(후쿠오카지진, 2004)과 같이 인접국에서 발생한 지진이 국내에 피해를 유발한 사례가 발생하였음.
- 최근 개정된 KBC2005에서는 내진설계기준이 크게 강화되었음. 방재청에서 국가재난관리시스템을 구축하여, 홍수, 태풍, 지진 등 자연재해를 국가적으로 관리/예방하고 있음.
- 국내외적으로 구조설계기준은 성능 설계법으로 전환되고 있고, 다양한 구조시스템의 도입이 활성화될 것으로 판단됨.
- 기존 내진 설계법은 주요 구조부재의 손상(소성변형)으로 지진 등에 저항하는 것을 기본으로 하나, 지진피해 이후에 막대한 보수비용 및 보수기간 중 사용중지에 따른 경제적 손실 등이 매우 큼.
- 면진구조시스템은 규모가 큰 지진에도 구조물의 손상을 최소화하여, 지진발생 이후에도 기능유지가 가능하기 때문에 성능설계 개념에서 최근 주목을 받고 있음.
- 면진구조시스템은 크게 지진하중 전달경로를 차단하여 구조물의 손상을 방지할 수 있는 isolator와 지진에너지를 흡수할 수 있는 에너지흡수장치(댐퍼)로 구분되고, 초기에는 이 두 요소를 병행하여 사용하였음.
- Isolator와 에너지흡수장치의 분리사용에 의한 시공상의 번거로움과 설치면적의 증가를 극복하고자, 납봉삽입 적층고무(LRB, Lead Rubber Bearing)를 사용하고 있음.
- 최근 일본에서는 납을 이용한 면진장치 제작에 따른 환경문제로 인하여, 납 사용을 억제하기 위한 제도적 장치마련을 위한 작업이 진행 중에 있으며, 납 대신 강재댐퍼의 사용이 재증가하고 있고, 관련 연구개발이 활발함.
- 면진장치의 요구성능기준 및 그에 따른 면진구조시스템의 내진성능에 대한 규정이 제정되어 있지 않아, 면진구조시스템의 도입에 따른 지진하중의 저감효과를 설계에 반영하는 것이 불가능하여, 비경제적인 설계가 이루어지고 있고 면진구조시스템의 적용이 어려운 상태임.
- 본 연구에서는 지진응답해석을 통하여 면진구조시스템의 내진성능을 규명하고, 그에 따른 면진장치의 요구성능 기준을 제시하고, 면진구조시스템의 내진성능을 확보하기 위하여 요구되는 성능을 만족시킬 수 있는 면진장치를 개발하고자 함.
- 그리고 면진구조시스템의 실용화를 위하여, 설계프로세스를 정립하고 그에 따른 설계지침 및 시공지침을 개발하여 면진구조의 활발한 현장적용을 위한 기반을 구축하고자 함.
최종목표 1. 고인성 강재를 이용한 에너지흡수장치 시제품 개발
- 적층고무 이상의 전단변형성능을 보유한 강재 에너지흡수장치 형상 개발
2. 적층고무와 강재에너지흡수장치를 병행한 복합 면진장치 개발
- 복합 면진장치 형상 개발
- 복합 면진장치의 에너지흡수능력 및 복원력특성 규명
3. 효율적인 면진구조시스템 설계를 위한 에너지법에 의한 설계프로세스 정립.
- 면진구조의 응답가속도 저감효과, 상부구조의 내력분담, 최대변위 제어효과 등 내진성능지표들을 미리 예측 가능한 에너지법에 의한 설계프로세스 개발
4. 실용화를 위한 설계지침, 시공지침, 품질관리지침 및 매뉴얼 작성
연구내용 및 범위 제 1차년도
① 면진구조시스템 개발방향 설정
ㅇ 면진구조시스템 적용사례 및 설계기법 분석
- 건축 용도별, 층수, 구조형식별 면진구조 적용사례 조사 및 분석
- 면진구조시스템의 목표성능 분석
- 면진구조시스템에 적용된 면진장치의 형식 조사 및 분석
- 면진장치의 상세 분류 및 성능 조사
- 면진구조시스템 설계기법 분석
ㅇ 면진구조 설계용 성능스펙트럼 제시
- 주기에 따른 구조물의 지진응답특성 평가를 위한 지진동적응답해석
- 지진응답 해석에 의한 지반종별 국내 설계용 에너지스펙트럼 제시
- 에너지흡수장치 유무에 따른 성능스펙트럼 제시
ㅇ 면진 구조시스템 개발방향 설정
- 면진구조는 주구조체인 상부구조와 면진장치가 설치된 면진층 및 하부구조로 이루어져 있음.
- 면진구조로 설계한 경우, 상부구조의 구조형식(벽식, 라멘조, 무량판 등) 및 구조재료(콘크리트, 철골, CFT 등)에 따른 경제성 및 효율성 분석.
- 면진구조 적용을 위한 최적 대상 건물 용도 도출
- 상부구조의 구조시스템 및 면진 구조시스템 개발방향 설정.

② 복합면진장치 성능목표 설정
ㅇ 설계용 성능스펙트럼을 만족하기 위한 복합면진장치의 목표성능 제시
- 복합면진장치의 목표성능을 제시하기 위해서는 면진구조의 성능이 먼저 규명되어야 함.
- 면진층의 전단력계수와 최대변위관계 규명
- 한계 건물 높이/폭비와 건물주기의 관계 규명
- 복합면진장치의 목표성능을 제시하기 위해서는 다음의 사항이 규명되어야 함.
- 복합면진장치의 목표성능 제시
ㅇ 적층고무의 구조성능 평가
- 면진고무의 성능검증
- 인장강도
- 전단탄성계수
- 노화 저항성능
- 연직축력 저항성능 평가
- 한계 수평변형능력 평가
ㅇ 에너지 흡수장치의 요구성능 설정
- 에너지흡수장치의 변형능력과 적층고무의 한계수평변형능력과의 관계 규명
- 에너지흡수장치와 적층고무의 내력비에 따른 성능변화 규명
- 적층고무의 전단강성과 에너지흡수장치의 전단강성의 비에 따른 복합면진장치의 성능 곡선식 제시
- 에너지 흡수장치의 요구성능 제시
③ 에너지흡수장치 형상개발
ㅇ 고인성강재의 소재특성 분석
ㅇ 고인성강재 이용한 에너지흡수장치의 형상 및 접합부 상세 개발
- 강재의 특성 및 가공조건을 고려한 에너지 흡수장치 형상 개발
- 에너지 흡수장치와 적층고무의 접합부 상세 개발
ㅇ 에너지흡수장치 제작방법 검토 및 샘플 제작

제 2차년도
① 면진구조의 에너지법에 의한 성능설계 프로세스 제시
ㅇ 동적지진응답해석에 의한 에너지흡수효율 분석
ㅇ 면진구조의 지진응답 예측식 제시
ㅇ 면진구조의 성능설계 프로세스 제시

② 에너지흡수장치 형상 최적화 및 복합면진장치 형상개발
ㅇ 에너지흡수장치 샘플에 대한 성능평가 실험 및 FEM 해석
ㅇ 에너지흡수장치의 최적형상 수정제시
ㅇ 복합면진장치 시제품 제작


제 3차년도
① 면진 구조설계 및 시공성 평가
ㅇ 층고절감형 면진구조 시스템 제안
ㅇ 면진구조의 구조시스템 선정및 개념설계
ㅇ 면진구조의 구조설계 상세 설계
ㅇ 면진구조의 경제성 평가
ㅇ 면진구조의 시공성 평가
② 면진구조 지침 및 매뉴얼 작성
ㅇ 면진구조 및 장치의 설계지침 및 매뉴얼 작성
ㅇ 복합면진장치의 설계프로세스 및 면진구조의 시공지침 작성
ㅇ 복합 면진장치 품질관리 지침 작성
③ 진동대 실험에 의한 동적성능 평가
ㅇ 에너지 흡수장치의 진동성능 평가 실험
ㅇ 복합 면진장치의 진동성능 평가
ㅇ 복합면진장치의 에너지 흡수효율 및 복원력 특성 제시
④ Mock-Up Test에 의한 연결부 성능 검증
ㅇ 복합 면진장치와 구조체와의 연결부 상세 개발
ㅇ 면진층의 연결부 Mock-up 시공 및 시공성 평가
ㅇ 연결부의 구조성능 평가 실험
⑤ 복합면진장치 생산프로세스 안정화
건설기술연구개발사업 주요내용
건설기술연구개발사업 주요내용의 구분, 연구개발목표, 연구개발 내용 및 방법 정보제공
구분 연구개발목표 연구개발 내용 및 방법
3차년도 - 면진구조의 에너지법에 의한 성능설계 프로세스 제시
- 지침 및 매뉴얼 작성
- 진동대 실험에 의한 동적성능 평가
- Mock-up test
-복합면진장치 생산프로세스 안정화
- 층고절감형 면진구조 시스템 제안
- 면진구조의 구조상세 설계
- 면진구조의 경제성 평가
- 면진구조의 시공성 평가
- 면진구조 및 장치의 설계지침 및 매뉴얼 작성
- 복합면진장치의 설치프로세스 및 면진구조의 시공지침 작성
- 복합면진장치 품질관리지침 작성
- 에너지흡수장치의 진동성능평가 실험
- 복합면진장치의 진동성능 평가
- 복합면진장치의 에너지흡수효율 및 복원력특성 제시
- 복합면진장치와 구조체와의 연결부 상세 개발
- 면진층의 연결부 Mock-up시공 및 시공성 평가
- 연결부의 구조성능평가 실험
연구성과 기술적 기대성과 - 일본을 중심으로 한 면진장치 제작기술 및 면진구조 설계기술을 국내 기술로 완성할 수 있는 기틀을 마련하고, 면진구조 시스템의 자체 설계 및 시공 기술을 확보하여 일본의 기술 노하우를 능가할 수 있을 것으로 기대됨.
- 면진구조 설계 지침 및 매뉴얼을 중심으로 기술교육 및 보급 활동을 강화함으로써 내진성능 향상을 위한 설계 기술 보급이 가능함.
- 에너지법을 이용한 면진설계 기술은 내진구조, 제진구조 등에도 같은 방법으로 적용할 수 있으므로 일반적인 내진구조 및 새로운 구조시스템에 일괄된 방법으로 설계가 가능하여 설계법이 간단하게 됨.
사회 경제적 파급효과 - 복합 면진장치는 기존의 면진장치에 비해 약 20%이상 성능이 향상됨을 목표로 하였으며, 가격이 저렴하고 친환경적인 강재를 에너지 흡수장치로 사용하였기 때문에 면진구조 시스템의 경제성을 향상시킬 수 있음.
- 본 연구에서 사용하는 고인성 강재는 일본에서 강재 에너지 흡수장치로 사용하는 강재에 비해 변형능력이 뛰어나 면진구조의 효율을 극대화 시킬 수 있어, 일본 제품을 대체할 수 있을 뿐만 아니라 일본 등에 수출이 가능할 것으로 판단됨.
활용방안 - 동일고무벨트(주)는 기존의 적층고무 성능을 더욱 향상시키고, 에너지 흡수장치를 병행한 복합 면진장치를 자사 브랜드로 등록 및 생산하고자 함.
- (주)우진은 면진구조용 에너지 흡수장치에 필요한 고인성 강재 및 형상 제작 기술을 확보하여, 제품으로 생산 하고자 함.
- (주)한국시설안전연구원은 복합 면진장치를 이용한 내진보강 구법 및 설계기술을 이전받아, 리모델링 사업에 활용하고자 함.
- (주)전명기계는 복합 면진장치 제작에 대한 노하우를 이전받아, 제작을 담당하고자 함.
핵심어
핵심어의 구분, 핵심어, 핵심어1~핵심어5 정보제공
핵심어 핵심어1 핵심어2 핵심어3 핵심어4 핵심어5
국문 면진구조 적층고무 에너지흡수장치 성능스펙트럼 에너지법
영문 BaseIsolationSystem RubberBearing EnergyAbsorptionDevice Capacity Spectrum SeismicDesignusingEnergyMethod
최종보고서
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최종보고서 0447_에너지 흡수효율 극대화를 위한 면진장치 및 최적면진구조 설계기술개발 연구보고서.pdf   다운로드
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