Friction pendulum system (FPS) is known to be one of the most effective and frequently used seismic isolation devices for seismic design and retrofit of civil infra-structures. In this dissertation, isolated structures with a double concave friction pendulum (DCFP) bearings are studied. A DCFP bearing consists of two sliding surfaces with different friction coefficients and radii of curvature. The purpose of this dissertation is to investigate the behavior of bridges and buildings with a DCFP bearing, particularly in conjunction with the friction and restoring properties of two sliding surfaces under various levels of earthquake excitation. The radii of curvatures and coefficients of friction of two sliding surfaces can be chosen to be different, which results in tri-linear behavior of the DCFP bearing. Therefore, different restoring and energy dissipation characteristics in tri-linear DCFP bearing may be achieved for moderate, strong and extreme earthquakes. A simple nonlinear time history analysis technique is developed to investigate the complicated tri-linear behavior. Behaviors of DCFP bearing and base isolated structure are discussed for various ground accelerations regarding the intensity of the earthquake motion.
전통적으로 실용성과 내구성이 입증된 다양한 면진장치 중 마찰진자형 면진장치(Friction Pendulum System : FPS)에 대한 연구는 이미 완성되어 다양한 분야에 사용되고 있다. 본 연구에서는 이러한 FPS 두 개를 연결한 이중곡면 마찰진자형 면진장치 (Double Concave Friction Pendulum Bearing : DCFP)에 대하여 다루고 있다. 주로 미국을 중심으로 현재 매우 다양한 연구가 진행되고 있다. 이러한 연구로 인하여 DCFP가 기존의 FPS에 비하여 장치가 소형화 될 수 있는 등의 다양한 장점을 가지고 있음을 알게 되었다. 최근 DCFP를 구성하는 상하부의 FPS의 마찰계수를 다르게 하는 연구가 시작되었다.
본 연구에서는 이러한 상하부의 마찰계수가 다르게 적용된 DCFP를 2자유도 비선형 마찰모델을 통하여 거동을 규명하여 삼차선형모델을 갖는 DCFP가 이차선형 특성의 DCFP에 비하여 중약진지역의 지진에서 장점이 있음을 규명하였다. 이러한 장점은 두 면의 마찰면 중 마찰계수가 작은 활동면의 마찰력이 작은 부분에서 먼저 변위가 발생하여 상대적으로 이차선형 DCFP에 비하여 큰 변위가 발생하게 되고 이로 인하여 시스템 전체의 고유주기가 길어지는 현상에 의하여 작은 지진에서도 면진효과가 발생하는 것으로 요약할 수 있다.
본 연구에서는 이러한 장점이 구조물과 연결하였을 때 더 크게 나타나는 것으로 확인되었다. 이차선형의 DCFP가 급격히 변화하는 하중을 발생시켜 연결된 교각과 빌딩에 추가적인 진동을 발생시키는데 비하여, 삼차선형 DCFP의 경우 이러한 갑작스런 하중을 미리 작은 마찰계수로 반감시켜 최종의 마찰력이 발생하는 순간의 Transient 부분이 감소되는 것을 알 수 있었다. 이러한 이유로 중약진 강도의 지진에 국한되었던 장점이 강진의 지진에도 삼차선형DCFP가 구조물에 도움이 되는 것으로 나타났다.
본 연구에서는 이러한 장점이 교각의 고유주기 및 빌딩의 고유주기에 따라 어떻게 변화하고 어떠한 마찰계수에서 최소화되는 지에 대한 연구를 실시였다. 또한, 각각의 주요구조물의 질량비, 면진장치, 교각 및 빌딩의 고유주기에 따라 어떠한 특성이 나타나는 지에 대하여 연구하여 삼차선형 DCFP가 이차선형 DCFP에 비하여 어떠한 비율로 하중을 줄여주는 지를 규명하였고 이러한 삼차선형 DCFP의 초기 마찰계수 값의 경향을 규명하였다.
