1999.9.18 여러 가지 기초분리 장치의 내진성능에 관한 비교 연구 박 규식,...
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1999.9.18
여러 가지 기초분리 장치의 여러 가지 기초분리 장치의 내진성능에 관한 비교 연구내진성능에 관한 비교 연구
박 규식박 규식 , , 한국과학기술원 석사과정한국과학기술원 석사과정오 주원오 주원 , , 한남대학교 교수한남대학교 교수이 인원이 인원 , , 한국과학기술원 교수한국과학기술원 교수
19991999 년도 한국지진공학회 추계 학술발표회년도 한국지진공학회 추계 학술발표회
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 22
서론
여러 가지 기초분리 장치
수치해석 및 분석
결론
목차목차
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 33
연구목적 여러 가지 기초분리 장치의 특성파악 여러 가지 기초분리 장치의 국내 교량에 대한 적용성 검토
연구내용 시간이력해석 국내 교량에 대한 기초분리 장치의 성능 비교 분석
서론서론
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 44
1. LRB (Laminated Rubber Bearing) System 탄성받침 , 적층고무베어링 가장 널리 연구되고 사용 스프링과 점성감쇠의 병렬작용
여러 가지 기초분리 장치여러 가지 기초분리 장치
그림 1. LRB System 과 개념도
gx
1x
M
K
C
RubberInner steel plate
Outer steel plateProtective rubber
Flange
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 55
2. PF (Pure Friction) System 가장 간단한 장치 마찰에 의한 미끌림 거동 미끌림에 의한 영구변위 발생
그림 2. PF System 의 개념도
M
gx
1x
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 66
3. R-FBI (Resilient Friction Base Isolation) System LRB System 과 PF System 의 기능을 병렬적으로 결합 스프링 , 점성감쇠 , 마찰감쇠의 병렬작용
gx
1x
M
K
C
그림 3. R-FBI System 과 개념도
Cover plate
Central rubber core
Peripheral rubber core
Rubber cover
Connecting plate
Sliding ring
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 77
4. EDF (Electricite De France) System LRB System 과 PF System 의 기능을 직렬적으로 결합 중소 규모 지진
– 유연한 횡 강성이 구조물에 전달되는 에너지를 감소시킴 강한 지진
– 마찰면에서 미끌림이 발생하여 상부에 전달되는 최대 가속도를 일정 값 이하로 제한함
그림 4. EDF System 과 개념도gx
1x
M
K
C
2x
`
Reinforced neoprene pad
Friction plates
Stud anchor
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 88
1. 교량의 모델링 동진교
– 서해안 고속도로 당진 ~ 서천– ILM 공법으로 시공된 15 경간 연속교 , PSC 박스 거더교– 지간 길이 : 725m
– 종단구배 : 0.03%
– 감쇠비 : 2%
– 구조물 감쇠 : Rayleigh Damping
수치해석 및 분석수치해석 및 분석
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 99
11
0.3
1.8
11.511.5112.5 11.512.511.5111.5 112.5
1.8
0.5
H2
3.0
2.5
Connection Element
Superstructure Element
Various Bearings
Pier Element
Pier #13 Pier #14
Abutment #2
CL CLCL
0.3
1
0.3
1.8
11.51 111.5 112.5 11.512.511.511.51 12.5
1.8
0.5
H2
3.0
0.3Connection Element
Superstructure Element
Various Bearings
Pier Element
Pier #1 Pier #2
Abutment #1
CL CLCL
2.5
그림 5. 동진교의 유한요소 모델
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 1010
표 1. 동진교의 교각길이 (H2)변화
표 2. 기초분리 장치에 추천되는 값
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 1111
2. 입력지진 El Centro 지진 (N00W)
– 최대지반가속도 : 0.348g
– 에너지 분포 : 1~4Hz(Max : 1.5Hz)
– 기초분리 장치의 성능 분석
- 0.4
- 0.3
- 0.2
- 0.1
0.0
0.1
0.2
0.3
0.4
0 10 20 30 40 50 60 70 80
(sec)시간
(g)
가속
도
0
50
100
150
200
250
0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10
Frequency(Hz)
그림 6. El Centro 지진의 가속도 시각 이력 그림 7. El Centro 지진의 Fourier Spectrum
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 1212
Mexico City 지진 (N90W)
– 최대지반가속도 : 0.172g
– 에너지 분포 : 0~1Hz(Max : 0.5Hz)
– 기초분리 장치의 민감도 분석
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
0 1 2 3 4 5
Frequency(Hz)
- 0.2
- 0.2
- 0.1
- 0.1
0.0
0.1
0.1
0.2
0.2
0 10 20 30 40 50 60 70 80(sec)시간
(g)
가속
도
그림 8. Mexico City 지진의 가속도 시각 이력 그림 9. Mexico City 지진의 Fourier Spectrum
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 1313
3. 수치해석 결과 Pot Bearing 과 LRB System 의 고유치 교대 및 교각위치에서의 상판변위 교각 상단에서의 변위 교각 밑면에서의 전단력 교각 밑면에서의 모멘트
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 1414
표 3. 고유치 해석결과
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 1515
El Centro 지진에 대한 응답비교
1. 교축방향
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 1616
1.00E- 05
1.00E- 04
1.00E- 03
1.00E- 02
1.00E- 01
1.00E+00
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14
교각번호
(m)
변위
1.00E- 02
1.00E- 01
1.00E+00
A1 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 A2
교대 및 교각번호
(m)
변위
1.00E+05
1.00E+06
1.00E+07
1.00E+08
1.00E+09
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14
교각번호
(N)
전단
력
그림 10. 교대 및 교각위치에서의 상판변위 그림 11. 교각상단에서의 변위
그림 12. 교각밑면에서의 전단력 그림 13. 교각밑면에서의 모멘트
1.00E+06
1.00E+07
1.00E+08
1.00E+09
1.00E+10
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14
교각번호
(Nm
)모
멘트
POTLRBPFR-FBIEDF
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 1717
표 4. 최대값 비교
0
2
4
6
8
10
12
14
LRB PF R- FBI EDF
기초분리장치
(cm
)변
형량
그림 14. 기초분리 장치의 최대 변형량
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 1818
- 3.00E- 02
- 2.50E- 02
- 2.00E- 02
- 1.50E- 02
- 1.00E- 02
- 5.00E- 03
0.00E+00
5.00E- 03
1.00E- 02
1.50E- 02
0 5 10 15 20
(sec)시간
(m)
변위
- 1.50E- 01
- 1.00E- 01
- 5.00E- 02
0.00E+00
5.00E- 02
1.00E- 01
1.50E- 01
0 5 10 15 20
(sec)시간
(m)
변위
- 8.00E- 02
- 6.00E- 02
- 4.00E- 02
- 2.00E- 02
0.00E+00
2.00E- 02
4.00E- 02
0 5 10 15 20
(sec)시간
(m)
변위
- 1.00E- 01
- 8.00E- 02
- 6.00E- 02
- 4.00E- 02
- 2.00E- 02
0.00E+00
2.00E- 02
4.00E- 02
6.00E- 02
8.00E- 02
0 5 10 15 20
(sec)시간
(m)
변위
그림 15. LRB System 의 변위이력곡선 그림 16. PF System 의 변위이력곡선
그림 17. R-FBI System 의 변위이력곡선 그림 18. EDF System 의 변위이력곡선
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 1919
결과 분석 Pot Bearing 을 설치한 교량
– 고정단으로 모델링 된 가운데 교각에 응답이 집중됨
기초분리 장치를 설치한 교량– LRB System 의 경우 상판변위가 9% 증가– 교각 상단의 변위 , 교각 밑면의 전단력 , 모멘트는 98~99% 감소
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 2020
2. 교축직각방향
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 2121
1.00E- 04
1.00E- 03
1.00E- 02
1.00E- 01
1.00E+00
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14
교각번호
(m)
변위
1.00E+06
1.00E+07
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14
교각번호
(N)
전단
력
1.00E+06
1.00E+07
1.00E+08
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14
교각번호
(Nm
)모
멘트
1.00E- 05
1.00E- 04
1.00E- 03
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14
교각번호
(m)
변위
POTLRBPFR-FBIEDF
그림 19. 교각위치에서의 상판변위 그림 20. 교각상단에서의 변위
그림 21. 교각밑면에서의 전단력 그림 22. 교각밑면에서의 모멘트
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 2222
0
2
4
6
8
10
12
14
LRB PF R- FBI EDF
기초분리장치
(cm
)변
형량
표 5. 최대값 비교
그림 23. 기초분리 장치의 최대 변형량
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 2323
- 1.50E- 01
- 1.00E- 01
- 5.00E- 02
0.00E+00
5.00E- 02
1.00E- 01
1.50E- 01
0 5 10 15 20
(sec)시간
(m)
변위
- 3.00E- 02
- 2.50E- 02
- 2.00E- 02
- 1.50E- 02
- 1.00E- 02
- 5.00E- 03
0.00E+00
5.00E- 03
1.00E- 02
1.50E- 02
0 5 10 15 20
(sec)시간
(m)
변위
- 8.00E- 02
- 6.00E- 02
- 4.00E- 02
- 2.00E- 02
0.00E+00
2.00E- 02
4.00E- 02
0 5 10 15 20
(sec)시간
(m)
변위
그림 24. LRB System 의 변위이력곡선 그림 25. PF System 의 변위이력곡선
그림 26. R-FBI System 의 변위이력곡선 그림 27. EDF System 의 변위이력곡선
- 1.00E- 01
- 8.00E- 02
- 6.00E- 02
- 4.00E- 02
- 2.00E- 02
0.00E+00
2.00E- 02
4.00E- 02
6.00E- 02
8.00E- 02
0 5 10 15 20
(sec)시간
(m)
변위
![Page 24: 1999.9.18 여러 가지 기초분리 장치의 내진성능에 관한 비교 연구 박 규식, 한국과학기술원 석사과정 오 주원, 한남대학교 교수 이 인원, 한국과학기술원](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081421/56649d3b5503460f94a16496/html5/thumbnails/24.jpg)
Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 2424
결과 분석 Pot Bearing 을 설치한 교량
– 모든 교대와 교각이 고정단으로 모델링 되어 응답이 고르게 나타남
– 교축직각방향의 강성이 교축방향의 강성보다 상대적으로 크기때문에 상판의 변위가 거의 발생하지 않음
기초분리 장치를 설치한 교량– 기존교량에 비해 상판 변위 증가– 교각 상단의 변위 , 교각 밑면의 전단력 , 모멘트
EDF System : 40~50% 감소 PF System : 50% 감소 LRB System, R-FBI System : 70% 감소
![Page 25: 1999.9.18 여러 가지 기초분리 장치의 내진성능에 관한 비교 연구 박 규식, 한국과학기술원 석사과정 오 주원, 한남대학교 교수 이 인원, 한국과학기술원](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081421/56649d3b5503460f94a16496/html5/thumbnails/25.jpg)
Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 2525
Mexico City 지진에 대한 응답비교
1. 교축방향
![Page 26: 1999.9.18 여러 가지 기초분리 장치의 내진성능에 관한 비교 연구 박 규식, 한국과학기술원 석사과정 오 주원, 한남대학교 교수 이 인원, 한국과학기술원](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081421/56649d3b5503460f94a16496/html5/thumbnails/26.jpg)
Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 2626
1.00E- 02
1.00E- 01
1.00E+00
A1 P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14 A2
교대 및 교각번호
(m)
변위
1.00E- 05
1.00E- 04
1.00E- 03
1.00E- 02
1.00E- 01
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14
교각번호
(m)
변위
1.00E+05
1.00E+06
1.00E+07
1.00E+08
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14
교각번호
(N)
전단
력
1.00E+06
1.00E+07
1.00E+08
1.00E+09
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14
교각번호
(Nm
)모
멘트
그림 28. 교대 및 교각위치에서의 상판변위 그림 29. 교각상단에서의 변위
그림 30. 교각밑면에서의 전단력 그림 31. 교각밑면에서의 모멘트
POTLRBPFR-FBIEDF
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 2727
0
5
10
15
20
25
30
35
40
45
50
LRB PF R- FBI EDF
기초분리장치
(cm
)변
형량
표 6. 최대값 비교
그림 32. 기초분리 장치의 최대 변형량
![Page 28: 1999.9.18 여러 가지 기초분리 장치의 내진성능에 관한 비교 연구 박 규식, 한국과학기술원 석사과정 오 주원, 한남대학교 교수 이 인원, 한국과학기술원](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081421/56649d3b5503460f94a16496/html5/thumbnails/28.jpg)
Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 2828
- 6.00E- 01
- 4.00E- 01
- 2.00E- 01
0.00E+00
2.00E- 01
4.00E- 01
6.00E- 01
0 10 20 30 40 50 60 70
(sec)시간
(m)
변위
- 6.00E- 02
- 5.00E- 02
- 4.00E- 02
- 3.00E- 02
- 2.00E- 02
- 1.00E- 02
0.00E+00
1.00E- 02
2.00E- 02
0 10 20 30 40 50 60 70
(sec)시간
(m)
변위
- 4.00E- 01
- 3.00E- 01
- 2.00E- 01
- 1.00E- 01
0.00E+00
1.00E- 01
2.00E- 01
3.00E- 01
0 10 20 30 40 50 60 70
(sec)시간
(m)
변위
- 8.00E- 02
- 6.00E- 02
- 4.00E- 02
- 2.00E- 02
0.00E+00
2.00E- 02
4.00E- 02
6.00E- 02
0 10 20 30 40 50 60 70
(sec)시간
(m)
변위
그림 33. LRB System 의 변위이력곡선 그림 34. PF System 의 변위이력곡선
그림 35. R-FBI System 의 변위이력곡선 그림 36. EDF System 의 변위이력곡선
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 2929
결과 분석 Pot Bearing 을 설치한 기존교량
– El Centro 지진의 경우와 유사한 경향을 보임– 최대값은 1/3 정도 감소
기초분리 장치를 설치한 교량– LRB System 의 경우 공진현상으로 응답 증폭– LRB System 의 경우 최대 50cm 의 상판 변위 발생– 교각 상단의 변위 , 교각 밑면의 전단력 , 모멘트
LRB System : 80~90% 감소 PF System : 96% 감소 R-FBI System : 97% 감소 EDF System : 94% 감소
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Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 3030
2. 교축직각방향
![Page 31: 1999.9.18 여러 가지 기초분리 장치의 내진성능에 관한 비교 연구 박 규식, 한국과학기술원 석사과정 오 주원, 한남대학교 교수 이 인원, 한국과학기술원](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081421/56649d3b5503460f94a16496/html5/thumbnails/31.jpg)
Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 3131
1.00E- 05
1.00E- 04
1.00E- 03
1.00E- 02
1.00E- 01
1.00E+00
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14
교각번호
(m)
변위
1.00E- 05
1.00E- 04
1.00E- 03
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14
교각번호
(m)
변위
1.00E+06
1.00E+07
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14
교각번호
(N)
전단
력
1.00E+06
1.00E+07
1.00E+08
P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 P8 P9 P10 P11 P12 P13 P14
교각번호
(Nm
)모
멘트
그림 37. 교각위치에서의 상판변위 그림 38. 교각상단에서의 변위
그림 39. 교각밑면에서의 전단력 그림 40. 교각밑면에서의 모멘트
POTLRBPFR-FBIEDF
![Page 32: 1999.9.18 여러 가지 기초분리 장치의 내진성능에 관한 비교 연구 박 규식, 한국과학기술원 석사과정 오 주원, 한남대학교 교수 이 인원, 한국과학기술원](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081421/56649d3b5503460f94a16496/html5/thumbnails/32.jpg)
3232Structural Dynamics & Vibration Control Lab.
표 7. 최대값 비교
그림 41. 기초분리 장치의 최대 변형량
0
10
20
30
40
50
60
LRB PF R-FBI EDF
기초분리장치
(cm
)변
형량
![Page 33: 1999.9.18 여러 가지 기초분리 장치의 내진성능에 관한 비교 연구 박 규식, 한국과학기술원 석사과정 오 주원, 한남대학교 교수 이 인원, 한국과학기술원](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081421/56649d3b5503460f94a16496/html5/thumbnails/33.jpg)
Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 3333
그림 42. LRB System 의 변위이력곡선 그림 43. PF System 의 변위이력곡선
그림 44. R-FBI System 의 변위이력곡선 그림 45. EDF System 의 변위이력곡선
- 6.00E- 01
- 4.00E- 01
- 2.00E- 01
0.00E+00
2.00E- 01
4.00E- 01
6.00E- 01
0 10 20 30 40 50 60 70
(sec)시간
(m)
변위
- 5.00E- 02
- 4.00E- 02
- 3.00E- 02
- 2.00E- 02
- 1.00E- 02
0.00E+00
1.00E- 02
2.00E- 02
0 10 20 30 40 50 60 70
(sec)시간
(m)
변위
- 3.00E- 01
- 2.00E- 01
- 1.00E- 01
0.00E+00
1.00E- 01
2.00E- 01
3.00E- 01
0 10 20 30 40 50 60 70
(sec)시간
(m)
변위
- 8.00E- 02
- 6.00E- 02
- 4.00E- 02
- 2.00E- 02
0.00E+00
2.00E- 02
4.00E- 02
6.00E- 02
0 10 20 30 40 50 60 70
(sec)시간
(m)
변위
![Page 34: 1999.9.18 여러 가지 기초분리 장치의 내진성능에 관한 비교 연구 박 규식, 한국과학기술원 석사과정 오 주원, 한남대학교 교수 이 인원, 한국과학기술원](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081421/56649d3b5503460f94a16496/html5/thumbnails/34.jpg)
Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 3434
결과 분석 Pot Bearing 을 설치한 기존교량
– El Centro 지진의 경우 유사한 경향을 보임 .
– 최대값은 2/5 정도 감소 기초분리 장치를 설치한 교량
– LRB System 의 경우 상판 변위가 최대 60cm 까지 발생하고 3
배정도 응답이 증폭됨– 교각 상단의 변위 교각 밑면의 전단력 , 모멘트
EDF System : 20~30% 증가 PF System : 10~20% 감소 R-FBI System : 20~40% 감소
![Page 35: 1999.9.18 여러 가지 기초분리 장치의 내진성능에 관한 비교 연구 박 규식, 한국과학기술원 석사과정 오 주원, 한남대학교 교수 이 인원, 한국과학기술원](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081421/56649d3b5503460f94a16496/html5/thumbnails/35.jpg)
Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 3535
우리나라와 같이 고주파 지진이 예상되는 지역에서 기초분리 장치를 이용한 교량설계는 내진설계 방법으로 효과적이다 .
– El Centro 지진의 경우 기초분리 장치의 성능 우수
지반조건이나 예상되는 지진에 따라 기초분리 장치의 특성을 결정해야 한다 .
– LRB System 은 Mexico City 지진에 대해 응답 증폭
여러 가지 기초분리 장치 중 R-FBI System 이 가장 효과적으로 그 기능을 수행하였다 .
결론결론
![Page 36: 1999.9.18 여러 가지 기초분리 장치의 내진성능에 관한 비교 연구 박 규식, 한국과학기술원 석사과정 오 주원, 한남대학교 교수 이 인원, 한국과학기술원](https://reader035.vdocuments.mx/reader035/viewer/2022081421/56649d3b5503460f94a16496/html5/thumbnails/36.jpg)
Structural Dynamics & Vibration Control Lab. 3636
추후연구과제 기초분리 장치의 민감도 분석 우리나라 설계시방서에 맞는 지진에 대한 기초분리 장치의
성능연구