자력을 이용한 마찰진자 베어링의 면진성능

Abstract

마찰진자 베어링의 마찰재로서는 Teflon 계열의 합성수지로서 마찰계수가 작고 내열성 및 내식성, 내화학성이 우수한 PTFE가 응용되고 있다. Mokha 등에 의하면 마찰진자 베어링은 마찰판의 마찰계수에 크게 영향을 받으며 마찰력은 마찰면의 조도와 베어링의 압력, 마찰면의 표면 상태에 좌우되는 것으로 보고되고 있다. 그러나, 적절한 마찰력을 얻기 위해 마찰재로서 PTFE를 사용하는 경우 PTFE 재료의 마모가 커서 장시간의 활용이 어렵다는 단점이 있다. 이를 자력의 반발력을 이용해 재료의 성질을 대체하여 성능을 향상 시킬 수 있는 새로운 시스템 MF-FPS(Magnetic Force-Friction Pendulum System)를 제안하고자 한다. 제안된 시스템은 자력에 의한 반발력이 상부구조물을 들어 올리는 힘으로 작용하여 마찰력에 영향을 주는 수직력을 줄여 줌으로써 재료에 의한 마찰계수의 영향을 줄일 수 있음을 가정하였다. 또한 자력의 영향을 가정하기 위해서 간단한 실험을 구성해 보았으며 실험을 통해 자력이 작용을 할 때 마찰계수(μ)를 약 20%정도 줄여 줄 수 있음을 알았다. 실험 결과를 적용한 MF-FPS가 수치해석을 통해 다양한 입력 지진에 대해서 기존의 FPS 보다 향상된 성능을 보여주었고, 특히 지진으로 인해 구조물의 파괴에 해롭게 작용하는 주된 요소인 최상층의 가속도와 구조물의 상대 변위를 비교함으로서 MF-FPS가 면진장치로서의 기능을 가지고 있음을 확인하였다. 자력을 이용하여 기존의 PTFE 마찰재를 대체할 수 있는 MF-FPS의 구조적 설계를 할 수 있다면 FPS의 문제점을 보완한 기초격리장치로서 적용될 수 있을 것이며, 마찰계수에 대한 자력의 영향을 더 명확히 규명하기 위해서 더 많은 연구와 실험이 수행 되어야 할 것으로 사료된다.; One of the most recent base-isolation systems to improve the earthquake resistance of structures is Friction Pendulum System(FPS). Simple in design but with versatile properties, the FPS has been used in some of the world's largest seismically isolated building, bridges and chemical tanks. FPS using the PTFE(Polytetrafl-uoroethylenc) based material has been developed to provide a simple and effective way to achieve earthquake resistance for structures. PTFE materials are soft and apt to be deformed easily after a few working cycles. In this study, magnetic force is used instead of the usual PTFE materials to improve the material problem. A MF-FPS(Magnetic force-Friction Pendulum System) is proposed and shown to effectively protect structures against earthquakes. To demonstrate the advantages of this new system, the MF-FPS is compared with that of FPS as an attempt to mprove of performance. A six degree of freedom model is considered as a numerical example. he ground acceleration data of El Centro, Mexico and Gebze earthquakes are used as seismic excitation. The results show that MF-FPS improved performance compared with FPS.