쓰촨성 지진과 고베 지진 등을 비롯하여 일본 동북부지역에서 발생한 진도 9.0의 초대형 지진이 한반도 주변에서 발생하고 있다. 최근 한반도 내부지역도 지진발생이 증가함으로서 토목구조물에 대한 내진안전성 확보가 시급한 실정이다. 특히 인명피해나 재산손실을 유발하는 생활시설물은 더욱 중요성이 강조되고 있다. 생활시설물 중에 가스와 유류 등의 저장시설물이 있으며 물을 담수하는 액체저장탱크가 대표적인 저장구조물이다.
액체저장탱크는 대량의 물을 비축 및 공급하는 저장시설물이다. 만일 지진에 따른 액체저장탱크의 파괴가 발생하면 구조물 자체의 경제적인 손실뿐만 아니라 누수, 단수 그리고 화재 진압에 어려움 등으로 주변시설물의 연속적인 파손과 인명피해 등과 같은 2차 피해가 발생할 수 있다. 그럼에도 불구하고 액체저장탱크의 동적거동에 대한 연구가 미흡하여 기존 유사구조물에 대한 내진해석과 내진설계를 적용하고 있다. 특히 감쇠능력이 불명확한 면진댐퍼를 설치한 액체저장탱크는 보다 명확한 동적거동에 대한 분석이 요구된다.
본 연구는 면진댐퍼의 일종인 적층고무받침을 적용한 액체저장탱크의 동적응답을 연구 목적으로 한다. 면진댐퍼는 제조사마다 공학상수가 다르며 감쇠능력의 차이를 나타낸다. 일반적으로 댐퍼만을 해석모델로 설정하여 해석과 진동감쇠능력을 제시하고 있으나 구조물에 댐퍼를 설치하면 전체구조물의 감쇠능력은 또 다른 변화를 나타낸다. 따라서 면진댐퍼를 설치한 구조물은 해석적 접근뿐만 아니라 실험적 방법으로 진동감쇠능력 확인이 필요하다. 액체저장탱크는 수위에 따라 질량변화와 고유진동수를 변화시켜 전체구조물의 진동이력을 변화시킨다. 이에 대한 실험결과는 유한요소해석 결과와 비교하여 타당성을 확인하였다. 일반적으로 실험은 제한적인 모델에 대한 결과이므로 그 이상의 해석모델에 대하여 유한요소해석으로 적용범위를 확인하고 면진시스템을 가진 액체저장시설의 동적응답을 분석할 수 있다.
본 연구의 실험적 접근은 댐퍼의 재료실험과 면진시스템을 가진 구조물의 진동실험으로 구분하여 실시하였다. 댐퍼는 저경도 고무를 적용한 천연고무받침과 납고무받침을 선택하였다. 실험내용은 각 댐퍼의 압축강성과 전단강성실험을 실시하여 이를 구조해석에 적용하였다. 구조진동실험은 적층고무받침 적용여부에 따라 액체저장탱크에 대한 진동대 실험을 실시하였다. 특히 수위별에 따른 액체저장탱크의 진동이력을 확인하고 구조물의 변위, 가속도 및 수압을 분석하여 동적응답을 분석하였다.
구조진동 실험결과를 요약하면, 수위가 낮으면 면진효과는 크지 않고 비교적 응답이 더 크게 발생하는 경향을 나타낸다. 반면에 수위가 높으면 면진효과가 크고 비면진구조물보다 진동응답이 저감되는 효과를 나타낸다. 이로부터 저장탱크 속의 수위도 지진응답을 효과적으로 저감시키는 변수임을 알 수 있다. 또한, 납 고무받침에 비해 천연고무받침은 구조진동 저감에 비교적 큰 효과를 나타냄을 확인할 수 있었다. 액체저장탱크의 질량이 매우 적기 때문에 납고무받침은 항복응력에 도달되지 않으므로 감쇠능력을 제대로 발휘하지 못한 것으로 판단된다.
실험모델에 대한 유한요소해석결과는 실험결과와 유사한 분포를 나타내며 유한요소해석은 실험모델이외의 면진시스템을 가진 액체저장시설물의 진동응답을 예측할 수 있다. 일본의 물탱크 설계기준에서 제시하는 설계값과 실험값을 비교하면, 비면진구조물은 비교적 비슷한 양상을 나타낸다. 면진시스템을 적용한 액체저장탱크의 최대값을 비교하면, 천연고무받침은 효과적인 감쇠능력을 나타내며 최대수압에 대하여 안전성을 나타낸다. 이러한 일련의 연구결과를 분석한 결과, 면진시스템은 액체저장탱크의 내진성능을 향상시킨다는 것을 알 수 있다.

Recently, huge earthquakes in the northeastern part of Japan such as Kobe earthquake and Sichuan in China have frequently taken place near the Korean peninsula. It is urgent to secure seismic safety for structures in Korea since earthquakes occurred in Korea recently. An importance of lifeline facilities which cause loss of life and property damage has been highlighted especially. A storage facility is one of the lifeline facilities and a fluid storage tank is the representative storage facility.
The fluid storage tank is the storage facility that reserves and supplies large quantities of fluid. If destruction of the fluid storage tank caused by the earthquake occurs, it can bring about not only economic loss but also secondary damage such as continuous damage of surrounding facilities and loss of life because of leaks, water outages, and difficulty of fire suppression. Despite seismic analysis and design for existing similar structures are applied because of insufficient research on the dynamic behavior of the fluid storage tank. In particular, a fluid storage tank with an isolation damper which has unclear damping capacity requires more specific dynamic behavior analysis.
In this study, it aims to secure seismic performance of fluid storage tank applied laminated rubber bearing which is a type of seismic isolated system. An isolation damper varies the engineering constant between different manufactures and shows different damping capacities. Generally, it suggests analysis and vibration damping capacity only setting damper as an analytical model, but damping capacity of entire structure with damper indicates another change. Therefore, vibration damping capacity of a structure with the isolation damper requires analytical approach and empirical method. Fluid storage tank changes vibration time history of entire structure by changing mass and natural frequency depending on water levels. Results of the experiment were validated by comparing to the results of the finite element analysis. As an experiment is a result of a limited model, it can determine a scope of coverage with finite element analysis and analysis dynamic responses of fluid storage tank with an isolation system.
A material experiment of damper and a vibration testing of the structure with isolation system were separately conducted for experimental approach of this study. The damper selected a natural rubber bearing with low hardness rubber and a lead rubber bearing. The experimental content was applied to the structural analysis by conducting compressive stiffness and shearing rigidity experiments of each damper. Structural vibration tests conducted shaking table test for fluid storage tank depending on the application of the laminated rubber bearing. Especially, it confirmed the vibration time history of the fluid storage tank by water levels and analyzed the dynamic response with displacement, acceleration and water pressure of the structure.
A summary of the results of the structural vibration test, it shows a tendency which has small isolation effect and large responses at low water level. On the other hand, at the high water level, it indicates high isolation effect and an effect that vibration responses are smaller than the responses of non-isolated structures. From this, the water level in the storage tank is also a variable which reduces seismic response effectively. In addition, compared to the lead rubber bearing, the natural rubber bearing shows relatively large effective to reduce structure vibration. Because the mass of the fluid storage tank is very low, it is assumed that the lead rubber bearing did not perform damping capacity since it failed to reach yield stress.

In the finite element analysis for the test structure, the response value is similar to the experimental value, therefore, this analysis method is expected to predict behavior of the fluid storage tank which is suggested in this study properly. After comparing the design value which is suggested in Japan’s water tank design standards with the experimental value, in the non-isolated structures, the values show similar aspect. It is considered that the safety is secured at the highest water pressure due to the effective damping with the result of comparing the maximum values according to the application of seismic isolation. As a result of analyzing these sequences of results, it found that the isolation system can improve the seismic performance of the fluid storage tank.