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자연재해에 의한 피해를 감소시키는 대표적인 방법으로 진동제어기술이 있다. 일반적으로 진동제어기술은 구조물에 부가적인 장치를 설치하여 외부하중으로부터 구조물로 전달된 에너지를 대신 흡수함으로써 진동을 감소시키는 원리를 이용한다. 즉 구조물이 가지는 진동 에너지의 양을 인위적인 장치(댐퍼)에 의하여 흡수, 분산시킴으로써 진동의 크기를 감소시키고, 구조물 높이별 상대변위, 최상단의 가속도 및 설계하중을 줄임으로써 구조물의 내풍 및 내진성능을 향상시키는 원리다.
진동제어 핵심기술
대우건설이 지진이나 태풍과 같은 자연재해에 대하여 구조물의 시공중 또는 사용중 구조적 안전성을 확보하기 위해서 다양한 원리의 진동제어기술을 개발하여 적용하고 있다. 일반적으로 진동제어기술은 댐퍼라는 하드웨어적인 장치를 생각할 수 있지만, 실제로 댐퍼를 설계하고 해석 및 계측을 통하여 평가하는 일련의 프로세스가 보다 중요하다. 따라서 대우건설 방재분야 진동제어기술은 △진동제어장치 △댐퍼 최적화설계 △응답평가 △진동성능평가 단계로 운영된다. 대우건설 진동제어기술은 구조설계자가 진동응답을 고려하는 설계초기단계부터 시공자가 구조물을 완공하는 시점까지 최상의 진동제어성능을 확보하기 위한 시스템으로 구성되어 있다.
대우건설의 방재분야 진동제어기술의 최종 목적은 바람과 지진에 의한 진동을 제어하는 장치제작, 성능평가, 검증 프로세스를 구축하여 하나의 신뢰성 있는 진동관련 토탈솔루션을 사용자에게 제시하는 것이다. 따라서 댐퍼성능을 확인하고, 댐퍼설치에 따른 구조물의 풍응답효과를 풍동실험 및 해석적 방법으로 평가해야 한다. 이를 위해 대우건설에서는 비선형 고급구조해석 시스템 등을 구축하고 있으며, 대형구조실험동 및 풍동실험동과 같은 전문실험동을 이용해 지진·태풍 등 각종 재난유형에 대한 구조성능평가 시스템을 구축하고 있다.
교량 진동제어기술
(1) 대우 TMD공법
TMD(Tuned Mass Damperㆍ동조질량감쇠) 공법은 대우건설이 보유한 대표적인 교량분야 내풍안정화기술로서 2010년에 건설신기술로 지정되었다. 동조질량댐퍼 TMD공법은 구조물의 진동이 감지되면 구조물의 진동과 반대방향으로 질량체가 흔들려 진동을 감소시키는 기술이며, 대만에 있는 높이 508m의 타이페이 101과 같은 초고층 건물에 적용됐다.
거가대교 3주탑 사장교에 시공중 태풍이나 돌풍 등 바람에 의한 진동을 저감시킬 수 있도록 자체 개발한 TMD공법을 적용했으며 내풍안전성을 확보하고 구조물 붕괴나 변형을 사전에 방지하도록 했다.
<그림 1>에서 알 수 있듯 부산~거제간 연결도로 3주탑 사장교 현장은 해상에 위치하고 있어 항상 돌풍과 태풍 등 바람의 영향을 많이 받는다. 따라서 강한 바람이 불어올 때 교량 구조물은 좌우로 심하게 흔들리게 된다. 이때 사장교 주탑 최상부에 설치된 TMD가 교량의 진동을 상쇄시켜 구조물의 흔들림을 저감시킨다.
<그림1> 대우 TMD기술 거가대교 적용
(2) 로터형 제진장치
현재 교량에 적용되는 제진장치는 별도의 동력원이나 제어를 필요로하지 않는 수동형 제진장치다. 그러나 교량이 장경간화 함에 따라 자체 구조시스템, 혹은 수동형 제진장치에 의한 제진은 한계가 있으며 효율적이지도 않다. 따라서 능동형(준능동형) 제진장치의 도입이 필요하며, 로터형 제진장치는 이중 하나로 개발중인 제진장치다. 로터형 제진장치는 같은 속도로 회전하는 두 개의 이동질량의 구심력을 이용하여 수평방향 제어력을 상쇄하고 수직방향 제어력을 통해 구조물을 제진한다. 특정한 가감속 없이 동일한 속도로 질량이 회전하므로 에너지 효율이 높은 장점이 있으며, 제어력으로 회전하는 질량의 구심력을 이용하기 때문에 중량의 추를 연직방향으로 이동시키는 일반적인 능동형 제진장치보다 더 효율적이다.
건축물 진동제어기술
(1) 아웃리거 댐퍼
최근 초고층 건물이 증가하면서 아웃리거 시스템이 대표적인 구조시스템으로 자리잡았다. 아웃리거 시스템이란 건물 중간에 다른 층에 비하여 상대적으로 강한 층을 두어 구조안전성을 확보하는 시스템이다. 그러나 아웃리거 시스템은 시공 중 발생하는 부등축소량에 따른 추가 응력 발생 문제를 해결해야 한다. 이를 해결하기 위한 기존 공법은 고가의 별도 설계 검토가 필요하고, 구조물량 증가에 따른 공사비 상승, 시공 및 유지관리의 어려움이 발생하는 단점이 있다.
대우건설에서는 아웃리거를 활용한 진동제어가 가능하고, 더불어 기존 공법을 단점을 효과적으로 개선할 수 있는 부등축소 자동보정 수동형 아웃리거 댐퍼를 개발했다. 아웃리거 댐퍼는 건축물의 횡력 저항 시스템 중 하나인 아웃리거 구조 시스템에서 시공 중 발생하는 코어와 외주기둥간의 부등축소량 발생 문제점 해결 및 동적 수평하중에 대한 구조물의 감쇠를 증대시키기 위해 개발된 장치로, 송도 NEATT(동북아트레이드타워) 34층과 65층의 아웃리거 접합부에 총 14개가 설치돼 기존 부등축소량 보정 공법인 심플레이트 공법 대비 40%의 절감액 효과가 있음을 확인하였다.
또 기술연구원에서는 송도 NEATT에 적용된 수동형 아웃리거 댐퍼의 감쇠효과를 보다 증가시키기 위한 준능동형 아웃리거 댐퍼시스템을 개발하였다. 준능동형 아웃리거 댐퍼는 외주기둥과 아웃리거에 사이에 설치된 제어시스템에서 발생하는 온ㆍ오프 제어신호로 아웃리거 댐퍼의 감쇠를 변화시켜 외부하중에 따른 구조물의 횡변위를 효과적으로 제어하는 제진기술이다.
(2) 복합형 제진댐퍼 시스템
최근 세장비(건물높이ㆍ건물폭)가 큰 초고층 건축물이 많이 건설되고 있고, 이와 같은 건축물은 진동에 의하여 사용성이나 구조성능에 큰 영향을 받기 때문에 바람이나 지진 등 다양한 진동에 대한 해결안이 필요하다.
기존의 제진장치를 이용하는 경우 바람과 지진과 같은 진동원에 따라 이에 적합한 제진장치를 각각 설치하는 것이 일반적이어서 이에 따른 비용의 증가와 건축 계획상의 설치위치 제약 등이 문제로 지적되고 있다. 이러한 문제를 개선하기 위하여 <그림 2>과 같이 건축계획상 공간제한을 받지 않는 인방보 내부에 하나의 제진장치로 바람이나 지진으로 인한 진동 에너지를 소산할 수 있는 HY-CALM(Hybrid vibration Controlling, Absorbing and Lessening Measure) 시스템은 풍진동과 지진하중에 의한 진동을 제어하는 시스템이다.
<그림 2> 복합형 제진댐퍼 시스템 개발목표
기술연구원이 2009년에 연구를 시작한 최신 공법인 HY-CALM시스템은 ‘하이브리드(hybrid)’라는 단어에서 알 수 있듯이 지진에 의한 진동 뿐만 아니라 풍진동까지 동시에 제어할 수 있다. 고감쇠고무와 강재핀을 이용해 만들어진 복합제진댐퍼가 그것인데 바람에 의해 흔들리는 변위에서는 고감쇠고무만 에너지를 흡수해 흔들림을 저감시키며 지진과 같은 큰 변위에서는 강재핀이 구조체 대신 흡수해 건물을 안정화시킨다.
HY-CALM은 올 12월 완공 예정으로 경기도 수원시에 건설 중인 34층의 높이 109.5m인 인계푸르지오에 처음으로 적용되었다. 타워형으로 설계된 인계푸르지오의 3층부터 적용해 한 층에 3개씩 총 93개, 2개동에 걸쳐 186개가 설치돼 있다. 어느 한 층에서 제진을 담당하는 것이 아니라 각 층에 설치되어 구조적인 안전성을 배가했으며 특히 고층 입주자에게는 풍진동에 의해 발생할 수 있는 어지럼증을 확실히 예방할 수 있게 했다. 또한 지진시 HY-CALM시스템의 에너지 흡수를 통하여 설치전 대비 건물에 대한 구조안전성을 향상시켰다. 추후 계측을 통한 제진성능을 평가할 계획이다.
HY-CALM의 가장 큰 장점은 진동원의 종류에 따라 제진장치를 따로 설치하지 않아도 된다는 데 있다. 자연히 비용절감과 설치공간축소 효과가 따라온다. 그 다음이 공간제한을 받지 않는다는 점이다. HY-CALM은 인방보에 설치가능하기 때문에 별도 공간이 필요 없다. 또한 댐퍼가 인방보 철근과 함께 공장에서 선조립되어 반입되어 시공성도 우수하다. 대우건설에서는 거주자의 사용성 향상과 구조적 안정성 증진을 위하여 HY-CALM시스템을 송도 건설 중인 초고층 주상복합건물에도 적용할 예정이다. 또한 현재 지진에 효과적인 마찰재를 이용한 복합형 제진댐퍼 연구를 진행하고 있다.
맺음말
최근 건축물과 교량 등의 구조물 대형화에 따른 태풍이나 지진과 같은 자연재해에 대한 사용성 및 구조 안전성에 대한 중요성이 대두되면서 이를 해결하기 위한 진동제어기술에 대한 관심이 증대되고 있다. 특히 초고층 건물의 경우 상시 거주 및 유동 인구가 수만 명이 될 수 있기 때문에 사용성 및 구조적 결함에 의한 막대한 인명 및 재산 피해가 발생할 수 있다. 따라서 진동제어기술을 통한 구조물 사용기간 중 발생가능한 지진 및 태풍과 같은 대형재해에 구조체가 효율적으로 저항하는 것이 요구된다.
이러한 목적으로 개발된 대우건설 방재분야의 다양한 진동제어기술은 높은 거주성능이 요구되는 초고층 건물부터 높은 구조안전성이 필요한 사회기반시설인 교량분야에 이르기까지 다양하게 적용할 수 있다. 향후 기술연구원은 앞으로 닥칠지 모르는 대형재난에 대해 적극적으로 대처할 수 있는 진동제어기술을 지속적으로 개발하고 적용할 계획이다.
김도현 대우건설 기술연구원 방재연구팀 선임연구원
