바닥진동 제어를 위한 현수식 동조질량댐퍼의 내진성능평가

2.1 현수식 TMD 설치 시스템의 구성 및 장착 방법

현수식 TMD 설치 시스템은 각형강관 프레임(트레이 프레임)과 힌지볼트를 이용해 모듈러 바닥 장선에 현수식으로 설치하는 방식으로 Fig. 1과 같이 모듈 바닥의 장선에 장착된다. 장착은 리프팅 장치를 이용해 트레이 프레임을 장선 하부 공간으로 들어 올려 C형강 장선 플랜지에 천공된 슬롯에 힌지볼트를 일으켜 끼워 넣고, 너트를 체결하여 고정하는 방식으로 이루어진다. 장착된 후 지진 등 진동에 의한 너트 풀림으로 힌지볼트가 슬롯에서 분리되는 것을 방지하기 위해 별도의 안전용 와셔를 장선마다 최소 1개씩을 체결하여 설치 시스템이 탈락되는 것을 예방할 수 있도록 하였다.

Fig. 1.

Mounting method of TMD installation system

트레이 프레임에 탑재되는 TMD의 크기는 하부판을 기준으로 1,280×550×150 mm이고, 부가 질량 240 kg을 포함한 무게는 약 2.8 kN으로, 모듈러 건축물의 층간대에서 공간적 간섭이 없도록 비교적 얇게 설계되었다. 트레이 프레임은 SRT 275 □-100×50×4.5 규격의 각형강관을 사용하여 Fig. 2와 같이 제작되었다. 트레이 프레임의 주요 설계 인자로는 TMD 하중에 의한 처짐 최소화와 시스템 자체의 경량화가 중요하게 고려되었다. 트레이 프레임은 세로 부재와 가로 부재로 이루어져 있으며, 부재 간 간격과 정확한 위치를 설정한 후 임시 용접을 수행하여 고정하고, 최종적으로 모든 접합부에 전면적인 모살 용접을 실시하였다. 트레이 프레임의 마구리에 용접된 힌지볼트와 힌지베이스는 트레이 프레임과 모듈 바닥 장선을 연결하는 주요 연결 부품으로 재질은 S45C이고, 부식 방지를 위한 산화철 피막 처리가 되어 있으며, M16 미터보통나사의 규격을 갖는다. 총 8개의 힌지볼트가 사용되며, 볼트 1개당 약 62.8 kN의 인장내력을 보유하고 있어 TMD와 트레이 프레임의 전체 무게인 약 3 kN 대비 충분한 안전율을 확보하였다.

Fig. 2.

Shape and dimensions of tray frame

2.2 설치 시스템의 처짐 및 고유진동수 특성

진동대 실험에 앞서 현수식 TMD 설치 시스템의 구조적 영향을 평가하기 위해 설치 시스템의 처짐과 고유진동수를 MIDAS Gen를 이용하여 해석적으로 조사하였다.

먼저 트레이 프레임 자중과 TMD 하중에 따른 처짐 해석을 실시하였다. 트레이 프레임과 힌지볼트의 기하학적 모델을 생성한 후 힌지볼트 단부를 변위만 구속하는 경계조건을 설정하였다. 하중은 트레이 프레임의 자중과 TMD의 하중을 안전 측에서 3 kN으로 가정하여 트레이 프레임에 작용시켰다. Fig. 3에 나타낸 해석 결과에서 트레이 프레임의 자중에 의한 처짐은 0.0015 mm이고, TMD 하중에 의한 처짐은 0.0118 mm로 나타났다. 이 값들은 모두 육안으로 확인할 수 없을 정도로 매우 미미한 수준으로 구조적 안정성에 유의미한 영향을 미치지 않는다고 평가할 수 있다.

Fig. 3.

Deflection analysis of installation system

한편, 트레이 프레임의 각형강관에 비해 힌지볼트의 강성이 작아 공진 현상에 취약할 수 있다. 진동이 가해졌을 때 공진 현상이 발생할 가능성을 평가하기 위해 모드 해석도 수행하였다. 트레이 프레임은 힌지볼트와 너트를 통해 장선에 장착되는 방식이므로 힌지볼트 연결부의 회전 자유도를 구속하지 않고 변위 자유도만을 구속하는 경계조건을 설정하여 보다 정확한 모드 해석을 진행하였다. Table 1에 정리한 모드 해석 결과에서 트레이 프레임의 기본 고유진동수는 96.9 Hz로 이 수치는 비구조요소의 공진 방지를 위한 ICC-ES AC156^[11] 및 ASCE 7-16^[12]에서 권장하는 최소 기준인 20 Hz를 초과하여 공진 가능성은 낮은 것으로 평가되어 상사의 법칙(similitude law)을 적용하여 고려하지 않았다.

Table 1.

Modal analysis results of tray frame

3.1 비구조요소의 지진 안전성 평가 기준

국내에서는 2016년 경주 지진과 2017년 포항 지진 이후 비구조요소의 내진성능에 대한 평가 기준이 강화되었다. 특히 포항 지진 당시 외벽, 천장, 내부 마감재와 같은 비구조요소의 손상이 큰 피해를 초래하면서 관련 법과 규정이 개정되었다. KDS 41 17 00(2021년 개정판)^[9]에 따르면 비구조요소는 건물 사용자의 안전과 재산 보호 측면에서 중요하게 다루어져야 하며, 지진 시 움직임과 파손을 방지하기 위한 적절한 고정 장치 및 강화된 설계기준을 제시하고 있다.

국외 기준으로는 미국의 FEMA P-58^[13]과 ASCE 7-16^[12]이 대표적이다. FEMA P-58^[13]은 건물의 구조적 요소와 비구조요소에 대한 지진 성능 평가를 통해 손실 산출 및 위험 평가를 지원하는 것을 목표로 한다. 또한 비구조요소의 지진 안전성 분석을 위해 건축적 요소, HVAC 시스템, 전기 설비 및 배관 시스템 등 다양한 요소를 평가하며, 실험적 및 해석적 방법의 병행을 권고하고 있다.

ASCE 7-16^[12]에서는 비구조요소의 내진 설계에 대한 명확한 지침을 제시하며, 건물의 높이, 구조물의 종류, 비구조요소의 무게와 크기 등을 고려하여 수평설계지진력(F_p)을 식 (1)을 이용하여 계산하도록 규정하고 있다. 이 수식에 사용된 기호가 나타내는 의미 등을 Fig. 4에 이해하기 쉽도록 나타내었다. 또한 비구조요소의 위치 높이비(z/h)는 비구조요소가 놓이는 위치와 설치 방식에 따라 Fig. 4를 참조하여 결정할 수 있다.

• a_p: 1.00–2.50 증폭계수(ASCE 7-16 Table 13.5-1, Table 13.6-1에서 선택)
• S_DS: 설계스펙트럼가속도(g), (지역 지진위험도 반영)
• W_p: 비구조요소의 무게(N)
• z: 비구조요소의 위치 높이(m)
• h: 건물 전체 높이(m)
• R_p: 비구조요소 반응수정계수(비구조요소의 고정 방식에 따라 결정)
• I_p: 중요도계수(중요성에 따라 1.0 또는 1.5)

Fig. 4.

Definition of parameters for calculating horizontal seismic design force (ASCE 7-16)

3.2 진동대 가력 프로토콜

TMD 설치 시스템의 진동대 실험 계획은 ICC-ES AC156 Acceptance Criteria for Seismic Certification by Shake-Table Testing of Nonstructural Components^[11]의 표준 절차를 따랐다. AC156^[11]에 규정된 요구응답스펙트럼(required response spectrum, RRS)은 진동대 실험에서 비구조요소가 경험하는 지진 하중을 모사하여 정의한 가속도 응답스펙트럼이다. RRS는 수평(X, Y축) 및 수직(Z축) 방향의 지진 가속도를 설치된 건물의 내진등급과 설계 스펙트럼, 비구조요소가 위치한 층의 높이에 따른 증폭 효과, 지진 위험도 및 지반 조건을 고려하여 설정된다. 수평축 방향의 RRS는 강체와 유연체 비구조요소에 따라 식 (2)와 식 (3)으로 계산되며, 이를 그래프로 나타내면 Fig. 5와 같다.

Fig. 5.

Required response spectrum of nonstructural components (ICC-ES AC156)

유연체 비구조요소는 진동에 민감하여 고유진동수가 낮기 때문에 가속도 증폭구간(1.3 Hz–8.3 Hz)에서는 가속도 증폭계수 2.5가 추가로 곱해진다. AC156^[11]은 RRS를 0.1 Hz부터 33.3 Hz까지의 주파수 범위에서 정의하고 있다.

수직축(Z축) 방향의 가속도(A_V)는 수평축 방향 가속도(A_H)의 2/3 수준으로 식 (4)와 같이 계산된다.

설치 시스템의 내진성능 평가를 위한 진동대 실험에 사용될 RRS는 용인 영덕에 위치한 13층 모듈러 공동주택을 대상으로 산정하였다. 국내 건축설계기준(KDS)^[9]에 따라 단주기 영역의 설계 스펙트럼 가속도(S_DS)는 구조계산서에 제시된 0.411 g을 적용하였으며, TMD가 설치될 위치 높이(z)는 건물 전체 높이(=49.65 m)에서 1개 층 높이(3 m)를 뺀 46.65 m로 결정하였다. 이 값들을 식 (2)와 식 (3)에 대입하여 수평축 방향의 RRS를 계산하였고, 이 건물의 고유진동수는 1.3 Hz보다 작아 최대스펙트럼가속도(A_max)는 0.1 Hz와 1.3 Hz 사이에서 선형 보간하여 0.555 g로 결정되었다.

대다수의 비구조요소는 수평축에서 주된 지진하중을 받기 때문에 실험은 진동대 가진 조건을 고려하여 수직(Z축) 방향을 제외하고 수평(X, Y축) 방향에서만 계획되었다. 가진을 위한 인공지진파는 최대스펙트럼가속도 0.555 g를 기준으로 80 %, 100 %, 120 %, 150 %로 진폭을 조정하여 Fig. 6와 같이 생성하였다. 생성된 인공지진파의 주요 조건은 감쇠비 5 %, 지속시간 최소 30초 이상, 난수 15,360개이며, 강진 구간은 최소 20초 이상 포함하도록 하였다.

Fig. 6.

Artificial earthquake motions scaled for incremental shake-table test

생성한 인공지진파의 실험응답스펙트럼(test response spectrum, TRS)을 AC156^[11]에서 규정한 RRS와 비교하여 Fig. 7에 나타내었다. 저주파 영역(1.3 Hz 이하)에서는 기준 가속도를 120 % 이상으로 조정한 경우 RRS를 만족하거나 초과하였고, 가속도 증폭 구간(1.3 Hz–8.3 Hz)에서는 기준 가속도(100 %)부터 RRS를 초과하였다. 1.3 Hz 이하의 저주파 영역에서 인공지진파의 응답 스펙트럼이 RRS를 넘지 못하는 일부 구간은 TMD의 고유파수는 매우 낮아 공진 현상의 발생 가능성이 적을 것이라 판단된다. AC156^[11]의 기준에 따르면 TRS는 전반적으로 RRS를 초과하는 것이 바람직하므로 본 연구의 진동대 가력 프로토콜은 적절하게 설계되었다고 평가할 수 있다.

Fig. 7.

Comparison of Test Response Spectrum (TRS) and Required Response Spectrum (RRS)

3.3 진동대 실험 방법

TMD 설치 시스템의 진동대 실험은 실제 모듈러 바닥에 설치된 상태를 최대한 정확하게 재현되도록 계획되었다. 진동대 실험체는 TMD를 탑재한 트레이 프레임이 실제 모듈 바닥의 C형강 장선에 현수식으로 장착되는 것이 모사될 수 있도록 Fig. 8에 나타낸 1,800×1,800×1,500 mm의 마운팅 프레임에 장착되도록 제작되었다.

Fig. 8.

Shake-table test specimen configuration and measurement

마운팅 프레임은 진동대의 면적 및 진동 제어 성능을 고려하여 부재의 단면과 배치를 설계하였으며, 주요 치수와 상세는 Fig. 9에 나타내었다. 마운팅 프레임의 기둥과 보는 □-75×75×4.5 mm, 가새는 □-50×50×3.2 mm, 장선은 C-75×75×4.5 mm, 베이스 플레이트는 두께 15 mm 강판으로 구성되었고, 모든 부재의 항복강도는 275 MPa이었다.

Fig. 9.

Detailed dimensions of mounting frame

진동대 실험의 정확성을 확보하기 위해 마운팅 프레임의 고유진동수를 MIDAS Gen을 이용한 모드 해석을 실시하였다. 마운팅 프레임의 모드 해석 결과를 고유진동수와 함께 Fig. 10에 나타내었다. 기본 고유진동수는 114.9 Hz로 평가되어 AC156^[11] 및 ASCE 7-16^[12]에서 권장하는 최소 기준인 20 Hz를 충분히 초과하여 공진의 가능성은 극히 낮다는 것을 알 수 있다.

Fig. 10.

Modal analysis results of mounting frame

진동대는 바닥면이 2.0×2.0 m, 최대 적재하중 50 kN, 스트로크 ±75 mm, 최대 가속도 1.0 g의 제원을 가진다. 실험은 조정된 가속도(최대가속도 0.555 g의 80 %, 100 %, 120 %, 150 %)를 갖는 인공지진파를 Fig. 8에 나타낸 것과 같이 진동대의 X방향과 Y방향으로 가진하여 진행하였다. 가속도 측정을 위해 3축 가속도계를 Fig. 8과 같이 진동대, 마운팅 프레임, 트레이 프레임 및 TMD에 설치하였다.

4.1 손상 정의 및 관찰 결과

AC156^[11] 기준에서는 비구조요소의 진동대 실험 후 손상 여부를 직접 눈으로 평가하도록 하고 있지만, 명확한 정량적 손상 기준은 제공되지 않고 있다. 이로 인해 손상의 정도를 판단하기 위한 객관적 기준이 없어 실험 결과를 일관되게 평가하기 어렵다. 따라서 이 연구에서는 TMD의 현수식 설치 시스템에 대해 실험 과정에서 나타날 수 있는 손상 수준을 ｢경미(허용 가능한 수준)｣와 ｢심각(허용 불가능한 수준)｣의 구분에서접합부의 미세한 균열(육안으로 측정 불가한 경우), 구성 요소들의 약간의 움직임 등을 ｢경미(허용 가능한 수준)｣으로 정의하였으며, 육안으로 식별이 가능한 접합부의 균열과 구성 요소들의 과도한 움직임이 발생하였을 경우에는 ｢심각(허용 불가능한 수준)｣으로 정의하였다.

손상의 평가는 주요 구성 요소별로 트레이 프레임, 마운팅 프레임 및 접합 요소, TMD 본체로 구분하였으며, 각 구성 요소별 예상되는 손상 유형을 Table 2에 정리하였다.

Table 2.

Definition of allowable damage for suspended TMD installation system

X방향과 Y방향으로 각각 80 %, 100 %, 120 %, 150 %로 조정된 인공지진파가 가진되는 전체 과정 동안 손상을 관찰하였다. Fig. 11과 같이 최대 가진(150 %) 시점과 실험 종료 후의 상태를 육안 및 사진 촬영으로 상세히 조사하였다. 모든 실험 조건에서 구성 요소의 변형, 접합부 균열, 볼트 풀림 등의 경미한 손상마저도 관찰되지 않았다. 이는 트레이 프레임을 이용한 설치 시스템의 내진성능이 실험 조건 내에서 안정적으로 확보됨을 나타내며 이 시스템이 실질적인 지진 환경에서도 우수한 성능을 발휘될 것으로 평가할 수 있다.

Fig. 11.

Key stages of shake-table test for suspended TMD installation system (150 % intensity)

향후 연구에서는 제한적 항복이나 경미한 손상에 대한 구체적이고 정량적인 기준의 설정을 통해 실험 결과의 일관성과 명확성을 더욱 향상시킬 필요가 있을 것이다.

4.2 가속도 증폭 계수 분석

현수식 TMD 설치 시스템이 지진 하중을 받을 때 발생하는 가속도 증폭을 평가하기 위하여 진동대 실험에서 측정된 데이터를 활용하여 가속도 증폭 계수를 분석하였다. Fig. 8과 같이 X방향과 Y방향에 대해 트레이 프레임과 마운팅 프레임의 전면부에 부착된 3축 가속도계를 이용하여 각 지점에서 가속도를 측정하였다. 동일한 높이에서 측정된 데이터는 마운팅 프레임의 가속도를 기준으로 하여 트레이 프레임의 가속도를 정규화함으로써 가속도 증폭 계수를 산정하였다. 분석 결과는 Fig. 12에 비교하였으며, X방향의 가속도 증폭 계수는 1.33에서 최대 1.49로 나타났으며, Y방향의 경우는 1.09에서 최대 1.29로 나타났다. Y방향에서 TMD를 설치할 때에 힌지볼트가 베이스에 체결이 원활하게 하기 위하여 힌지볼트의 직경만큼 일부 구간을 오픈하였으며, 설치 후에는 와셔와 너트로 고정하였다. X방향과 Y방향의 증폭 계수에 대한 차이는 상기의 힌지볼트와 베이스 간의 설치 시 발생되는 미세한 유격 때문으로 판단되며, 이는 동조질량댐퍼 시스템이 설치될 방향에 따라 지진력에 대한 상대적 취약성이 있음을 의미한다.

Fig. 12.

Acceleration amplification factor of suspended TMD installation system