In this dissertation, the design procedure and guidelines of lead rubber bearing (LRB) are proposed and the effectiveness of designed LRB is investigated for seismically excited cable-stayed bridges. Furthermore, additional control device, i.e. viscous damper (VD), is considered to improve the control performances.
The LRB is widely used for the seismic isolation system to control responses of buildings and short-span bridges under earthquakes because these provide structural support, base isolation, damping and restoring forces in a single unit. The most important feature of the seismic isolation system for short-span bridges and buildings is lengthening the natural period of structures. However, the seismic characteristics of long-span bridges such as cable-stayed bridges are different from those of short-span bridges and buildings, and these bridges have very complex behavior in which the vertical, translational and torsional motions are often strongly coupled. For these reasons, it is conceptually unacceptable for long-span bridges to use directly the recommended design procedure and guidelines of LRB for short-span bridges and buildings. Therefore, new design approach and guidelines are required to design LRB for cable-stayed bridges.
Considering important responses of cable-stayed bridges, the design index (DI) is proposed to design LRB. The proper LRB is selected when proposed DI is minimized or converged for variation of properties of LRB. The design results show that the damping and energy dissipation effect of LRB are more important than the shift of the natural period of structures for cable-stayed bridges. And the control performance of designed LRB is also verified.
The sensitivity analyses of properties of LRB are conducted for different characteristics of input earthquakes. The performance of designed LRB is not changed significantly for different characteristic of input earthquakes and thus the robustness of designed LRB is verified for different characteristics of earthquakes.
Finally, the VD is employed to obtain the additional reduction of seismic responses because there are some responses that are not controlled sufficiently by only LRB. Additional VD can reduce the some responses, such as shear at deck level of towers and deck displacement, without loss of control effects of LRB. These results show that the seismic responses of cable-stayed bridges can be controlled sufficiently by appropriate designed passive control devices.
본 논문에서는 지진 하중을 받는 사장교를 위한 납고무 받침의 설계 방법 및 기준을 제안하였고, 제안된 방법에 의해 설계된 납고무 받침의 면진 성능을 확인하였다. 또한 사장교의 면진 성능 향상을 위해서, 추가적인 수동 제어 장치로서 점성댐퍼를 적용하였다.
납고무 받침은 구조물의 수직하중 지지기능, 지진 격리 효과, 감쇠 효과 및 복원력을 하나의 장치로 얻을 수 있어서, 단경간 교량이나 건축 구조물의 면진 장치로 널리 이용되어 왔다. 이런 구조물의 면진 설계 시 가장 중요한 목적은 구조물의 고유주기를 이동시키는 것이다. 하지만, 사장교와 같은 장대 교량의 동적 특징은 일반 단경간 교량이나 건축 구조물과는 다르며, 또한 이런 장대 교량은 비교적 복잡한 거동을 보인다. 따라서, 단경간 교량이나 건축 구조물에서 사용되는 납고무 받침의 설계 방법이나 기준을 사장교와 같은 장대 교량에 바로 적용하는 것은 힘들다.
본 연구에서는, 사장교의 동적 거동에서 중요하게 생각하는 응답을 고려하여 납고무 받침의 설계 지수를 제안하였다. 납고무 받침은 물성치의 변화에 따라 제안된 설계 지수가 최소가 되거나 수렴할 때의 물성치 값을 선택 하여 설계하였다. 제안된 방법에 의한 설계 결과, 지진 하중을 받는 사장교에 적합한 납고무 받침은 구조물의 고유주기 이동보다는 지진 에너지 소산 기능이 더 중요함을 확인하였다. 또한 설계된 납고무 받침의 면진 성능 또한 검증하였고, 제안된 방법에 의해 설계된 납고무 받침의 면진 성능이 우수함을 확인하였다.
제안된 설계 방법에 의해, 지진 하중의 특성에 따라 납고무 받침을 설계하여 그 특성을 분석하였다. 또한 이때 설계된 납고무 받침에 대하여, 지진 하중의 특징에 따른 면진 성능의 강인성을 조사 하였다. 설계된 납고무 받침은 면진 성능은 다른 특성을 가지는 지진하중에서도 크게 변하지 않음을 확인하였다.
마지막으로, 추가적인 지진응답의 감소를 위해 점성댐퍼를 납고무 받침이 설치된 사장교에 적용하였다. 이는 사장교의 경우, 면진 장치에 의한 구조물의 고유 주기 이동보다는 지진 에너지 소산 기능이 더 중요하게 요구 되기 때문이다. 점성댐퍼를 추가적으로 설치할 경우, 납고무 받침만으로 충분히 제어하지 못했던 응답이 더욱 감소하였다. 이는 지진 하중을 받는 사자요에서 적절히 설계된 수동제어 장치만으로도 충분히 제어 성능을 확보 할 수 있음을 보여 주는 것이다.
