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    학술행사 취재기 게시판 내용
    제목 2014 구조물 내진설계 경진대회 참가기
    작성자 김원
    작성일 2014-10-28 오후 2:57:51

     







    지난 7월경 지진방재센터에서 주최한 <2014 구조물 내진 설계경진대회>에 도전을 하였다. 건축공학부에 재학 중인 우리는 강의에서 배운 건축적인 지식과 현장에서 사용하는 실질적인 공학 기술에 무척 관심이 많았다. 우리는 ERS(학부 내 동아리)동아리 연구실에서 이승재 교수님의 가르침 아래 대회에 참가 할 수 있었다. 특히 관동대지진 이후로 2011년도부터 내진 설계에 초점을 맞춰 여러 가지 공모전과 대회를 준비하였다. 이번 구조물 내진 설계경진대회는 그동안축적된 데이터와 경험으로 자신 있게 도전장을 내밀 수 있었던 경기였다.

     ‘풍력발전 구조물의 내진설계’
    를 주제로 전국 47개 팀 500여명의 대학생 및 교수 관계자가 참가하여 1차 사전 설계안 심사를 통과 후 24개 팀이 각자 설계한 구조물에 대한 발표 및 모형제작 후 진동대 위의 인공지진을 잘 견뎌내는 실험을 통해 최종 팀을 선정하는 대회였다.


     모든 팀은 가장 먼저 대회 규정을 숙지하고 지진파를 분석하게 된다. 실험 모형 규격에 대한 장비나 높이를 제한하여 구조물의 대략적인 사이즈는 이미 정해져 있기에 규정을 어기지 않는 제한범위 안에서 모형을 제작하였다. 또한 대회 지진파를 구조해석 프로그램인 Midas와 Matlab을 통해서 변위와 가속도 스펙트럼 등 여러 방법을 통해 분석하여 내진설계 방향을 잡는 지표를 정했다.


    지진파 분석 중 FFT (Fast Fourier Transform-고속 퓨리에 변환)을 활용한 분석을 가장 중점적으로 활용하여 내진설계의 기초자료로 활용하였다. 대회는 지진파를 리히터 규모 5.0, 6.0, 7.0, 8.0에 맞추어 진폭을 변화시키면, PGA는 각각 0.275g, 0.6g, 1.1g, 2.2g으로 점차적으로 지진력을 증가시켜 오래 생존하는 모형일수록 높은 점수를 받는다.

    우리 팀은 본선에 사용될 지진파가 특정지점에 취약주기가 있는 것이 아니라 다소 불규칙하게 취약주기가 분포되어 있는 인공적인 랜덤 파형 지진파로 해석했고, 특정 주기를 피하는 방식으로 설계하기보단 다양한 주기에 능동적으로 저항할 수 있는 내진설계를 하는데 초점을 맞추었다.




    지진에 대처하는 방법은 크게 제진설계, 내진설계, 면진설계로 분류된다. 내진설계는 건물자체를 지진에 잘 견디도록 강성을 높게 설계하는 것이다. 즉 튼튼하게 짓는 방식으로 특정 위험주기를 피하도록 설계한다. 단 다양한 주기로 오는 지진파에 랜덤파형 지진에 대해서는 능동적으로 대처하기엔 다소 불리한 면이 많다. 만약 내진설계가 적용된 건물의 고유주기에 맞는 지진파가 작용할 경우 그 건물은 공진 현상이 발생하게 되어 오히려 지진에 더 위험해진다. 결국 내진설계보단 다양한 취약주기를 가진 지진파에 대응하는 설계를 목표로 기존에 사용하는 제진설계와 면진설계를 참고했다


    제진 설계는 TMD(Turned Mass Damper : 동조질량댐퍼)나 TLD(Turned Liquid Damper :동조 액체댐퍼)와 같이 구조물의 진동을 억제하기 위해 구조물의 고유 진동수나 외력의 진동수와 같은 기계장치를 건물에 설치하여 지진에 저항하는 설계이며, 지진에 대해 주로 기계적인 장치를 통해 진동을 제어한다. 본 대회에서 사용되는 재료가 MDF라는 목재이므로 주어진 재료로는 제진설계를 하기에 부적절하다고 판단하여 우리는 면진 설계에 초점을 맞추어 자료를 수집하였다. 현재 적용되었거나 연구 중인 여러 가지 참고할 만한 면진 시스템을 조사한 결과 고무댐퍼 시스템, 면진테이블 시스템, 볼베어링 시스템
    에 주목했다.





    고무 댐퍼 시스템인 LRB System은 각 기둥과 기초 연결부에 댐퍼를 설치하여 지진 에너지 자체를 고무 댐퍼가 흡수하여 지반에서 건물로 전해지는 진동 자체를 감쇠함으로서 지진을 피하는 면진 시스템이지만 고무를 활용한 탄성 복원력 활용하는 것이 핵심 기술이다.  면진 테이블 시스템인 Cosine Curved Rail System은 두 개의 면 사이에 레일을 두어 건물 자체가 지진에 유하게 움직일 수 있도록 하여 지진에 의한 피해 자체를 줄이는 기술이고 볼 베어링 시스템인 Sphenrical Sliding Isolation System은 레일대신에 자유롭게 움직일 수 있는 볼을 이용하여 건물의 거동을 자유롭게 하는 면진 시스템이다.

    고무댐퍼는 재료상의 한계로 다소 어려움이 많을 것이라 판단하여 참조할 데이터가 가장 많은 면진 테이블 시스템 구현을 목표로 여러 면진 장치를 제작하였다.

    레일 시스템은 대회에서 주어진 재료로도 면진장치 역할을 할 수 있는 장치를 충분히 만들 수 있다는 장점이 있다.  면진장치는 3개의 MDF 판넬을 이용해서 3개의 층을 만들고 1층과 2층 사이에는 X축으로 거동할 수 있는 레일을 제작하고 2층과 3층 사이에는 Y축으로 거동할 수 있는 레일을 만들어서 제작했다. 면진 테이블 시스템은 가장 안정적으로 지진에 대해 거동을 하고 제작 또한 간단하다는 장점이 있다.





    하지만 레일과 레일이 만나는 면적이 넓어 정지마찰력이 크다는 치명적인 단점도 있다.  면진 장치가 재대로 작용하려면 작은 진동에도 면진 장치가 움직임으로서 지반과 건물이 분리되어야 지진에너지가 저감되는데 정지마찰력으로 인해 면진 테이블의 레일이 분리되지 않고 지반과 건물이 동시에 거동하게 되어 면진장치로 활용할 수가 없다.  게다가 복원력이 없어서 면진 테이블이 만약 레일을 벗어날 정도로의 큰 충격을 받게 되면 건물자체가 레일을 이탈하게 되는 대참사가 벌어질 수가 있었다.  그래서 우리 팀은 볼 베어링 시스템을 면진장치로 계획하고자 했다.





    우리는 볼 베어링 시스템으로 레일 시스템에서 발견되었던 대부분의 단점을 해결하였다.  특히 가운데 볼을 사용하므로 정지마찰력과 운동 마찰력을 획기적으로 줄일 수가 있었고 기존의 면진 테이블의 수평적인 거동보다 훨씬 더 자유로운 거동이 가능했다. 또한 표면의 곡률을 통해 복원력을 자연스럽게 얻을 수 있어 지진이 가해진 이후에도 본래 제자리로 찾아가기에 본선 가진 실험을 통해 여러 단계로 지진을 가력해도 다시금 처음의 형태로 복원되었다.  단 볼베어링 장치를 만드는 난이도가 너무나 높아 일정한 성능과 품질을 만드는데 어려움이 있었고, 시간과 재료가 너무 많이 소모되었다.





    우리는 단점을 고려하며 장점이 충분히 많은 볼 베어링 시스템을 제한된 재료로 구현하기 위해 여러 가지 아이디어를 모았다. 볼 베어링 제작의 핵심은 완전한 구형의 튼튼한 볼과 볼을 넣는 베어링 역할을 하는 그릇의 곡선을 만드는 것이기에 우리는 볼 자체는 MDT 판넬을 가공하여 충분히 만들었다. 하지만 볼베어링 그릇을 만드는데는 애로사항이 많았다.  

    대회 당일은 재료를 가공하는 도구에는 제한이 없었기에 MDF를 톱밥으로 잘게 갈아내어 주어진 401본드를 혼합하여 시멘트 반죽으로 사전에 준비한 거푸집에 부어 성형하는 방법을 택하였다. 사실 배대패를 활용하여 제작하고 싶었지만 일정한 곡률을 만드는데 너무나 정밀한 기술이 필요하여 우리는 배대패를 사용하지 않고 위와 같은 방법을 선택했다.

    우리가 만든 방법은 거푸집을 미리 준비하여 제작 자체를 모듈화 함으로서 일정한 품질의 그릇을 만들 수 있고 제작 시간도 간단하다는 장점이 있다.  

    하지만 우리는 주체 측에서 거푸집을 별도로 제작하는 방법은 규정에 다소 어긋나며 접착제의 경화속도가 빠르고 MDF톱밥과의 화학작용으로 인해 열이 발생 화상의 위험이 있다고 통보를 받아 위의 방법은 제외되었다.

    결국 우리는 볼 베어링 제작 방법으로 MDF스트립 부재를 부채모양으로 배열하여 일정한 경사를 만들어 그릇을 제작하였다. 마지막으로 선택한 이 방법은 앞에 나온 2가지 가공방법에 비해 제작이 간단하며 제한된 재료와 규정에 부합, 볼베어링 그릇의 성능을 발휘할 곡선도 일정하게 구현 할 수 있어 다른 것보다 탁월했다. 그러나 부채꼴 스트립 자체가 곡선이 아니며 무엇보다 하중이 가해지면 휘어버리는 문제점이 발견되어 정지 마찰력과 운동 마찰력이 작은 볼 베어링의 장점이 다소 퇴색되어 버렸다.  





    레일 시스템과 볼베어링 시스템은 각각의 단점과 장점이 확실하다. 우리는 본 대회에서 구현하기엔 제한사항이 많았기에 기존의 시스템의 장단점을 모두 가질 수 있는 새로운 방법을 찾고자 노력하였다. 정지 마찰력과 운동 마찰력이 크지만 시공이 간단하고 안정적인 레일 시스템과 마찰력이 작지만 제작이 어렵고 제한사항이 많은 볼 베어링 시스템을 합친 새로운 시스템이 필요했다. 결국 우린 두 방법의 가지의 단점을 없애고 장점만을 가진 롤러 - 레일 시스템을 고안해 보았다.

     


    롤러 - 레일 시스템은 기존의 레일 시스템처럼 각 층의 면진 테이블에 레일을 설치하고 레일과 레일사이에 볼 베어링 역할을 하는 원형 물체를 둠으로서 두 시스템의 장점을 가져가고자 하였다.  레일이 있기에 X축 Y축으로 자유롭게 거동할 수 있는 장점이 있었으며 원기둥형 볼을 레일사이에 두어서 정지마찰력과 운동 마찰력을 획기적으로 줄이는 개선을 할 수가 있었다.  무엇보다 볼 베어링의 가장 큰 단점이었던 시공성을 단순화 하여 좀 더 쉽게 면진장치를 주어진 재료로 제작 가능 하였고, 매번 제작 할 때마다 일정 수준 이상의 품질을 유지 할 수가 있다.



    롤러 레일 시스템을 제작하고 성능을 향상시키기 위해 우리는 여러 횟수의 마찰력 실험을 진행하였다. 안정적인 면진 테이블 거동을 위해 이중 롤러 - 레일 시스템으로 제작되었다. 사실 원기둥의 볼베어링 역할을 하는 볼의 제작이 매우 어렵고 강한 외력을 받으면 볼이 레일해서 탈락하는 치명적인 단점이 있다. 우리는 해당 단점을 개선하기 위해 레일의 넓이를 넓히고 볼을 좀 더 긴 원기둥형으로 개선하여 볼의 탈락현상을 방지하고자 노력하였다. 진동을 저감하고 복원력으로작용하게 되는 적당한 운동 마찰력을 위해 레일의 곡률을 높여 면진장치 성능을 향상시켰다.




    면진장치에 대한 고민이 해결되어 우리는 본격적으로 구조물 설계를 위한 회의를 진행하였다. 가장 먼저 지진파 자체가 랜덤파형 이기에 다양한 지진파의 진동수에 효과적으로 저항할 수 있는 2중 구조를 선택했다. 지진에 유연하게 저항하는 면진장치를 앞서 제작했지만 우리는 대회에서 규정하는 구조물이 무게를 상부에 집중시키는 폴(Pole)형 구조물이므로 전도에 대한 위험이 매우 크다는 것을 알고 이에 전도를 방지하고 구조물의 안정성을 보완할 강요소를 가진 구조장치가 필요했다. 고민 끝에 우리는 내부에 제작한 면진장치를 설치하고 외부에 강요소의 구조물을 설치하여 면진장치의 부족한 점을 보완했다.



    우리는 10kg의 무게를 담당하는 데 큰 문제는 없었다. 다만 면진장치로 인해 진동이 가해지면 테이블 자체가 X축 Y축으로 움직이게 되고 큰 충격이 가해진다면 상단부에 변위가 발생 하게 되어 걱정스러웠다. 발생하는 변위가 레일의 한계이동 범위를 넘어서게 되면 면진 장치와 기초부의 하단 베이스가 분리되어 결국 구조물자체가 탈락하고 전도되는 문제가 발생할 수도 있었다.



    결국 내부 구조물을 보완하기 위해 외부 구조물을 철저하게 강요소를 가질 수 있도록 초점을 맞추어 제작하였다.  외부구조물은 내부구조물에서 발생할 수 있는 지나친 변위를 제어함으로서 면진장치가 설치된 구조물의 전도나 탈락을 막아주는 최후의 보호막 역할을 한다. 특히 내부 구조물의 면진장치 때문에 작용하는 지진에너지가 감쇠되지만 지진 에너지 자체는 외부구조물로 어느 정도 수평력으로 전달되어 외부구조물은 내부구조물 보다 높은 강성을 가질 필요가 있다.



    단 내부구조물은 기초부에서 전해지는 지진에너지로 인해 붕괴될 확률이 높지만 외부구조물은 오히려 상단부에 놓여지는 10kg의 무게와 감쇠된 지진 에너지의 상호 작용으로 인해 발생 하는 관성력에 의해 파괴될 가능성이 높았다. 그러므로 외부 구조물은 상단부에 가해지는 수평력에 가장 잘 저항할 수 있는 구조로 설계를 해야 했으며, 설계 및 구조해석은 Midas 프로그램을 이용하여 여러 가지 구조물을 해석하여 가장 수평력에 잘 저항하는 구조로 외부구조물을 설계했다.




    우리는 해당 구조물을 구조 해석할 때 철골 구조물로 상사비를 고려하여 Midas 툴을 이용하여 모델링을 하였고, 상단부에 수평력을 작용하였을 때 가장 변형이 적은 구조를 선택하여 제작하고자 노력하였다.  여러 구조물을 해석해본 결과 플렛 가세를 설치한 구조물이 수평력에 가장 잘 저항하는 것으로 확인되었다.
     



    구조물 설계가 완료되자 우리는 실제로 대회 때 사용하는 재료를 활용하여 모형을 제작 직접 가진 실험을 통해 내부구조물의 면진장치의 성능과 외부구조물의 강성을 검토하기위한 실험을 하였다. 내부구조물과 외부구조물은 서로 면줄을 이용해서 상단의 힌지로 연결되도록 하여 면진장치가 효과적으로 작용함과 동시에 내부구조물에서 발생하는 수평력이 외부구조물로 효과적으로 전달되도록 설계되었다.



    여러 외부구조물 타입을 제작하고 동일한 지진파로 가진 실험을 한 결과 예상대로 스트립 가새 보강을 한 C 타입의 구조물이 가장 안정적으로 거동하는 것을 확인하였다. 이는 상단 부의 최대 응답가속도가 가장 적게 작용한다는 것으로 면진장치의 효율이 가장 좋아진다는 것을 의미한다. 흥미롭게도 외부구조물의 강성이 클수록 외력에 의한 상부 변위가 작게 발생하는데 상부변위가 작게 나타날수록 하단부 면진장치의 발동시간이 빨라지는 현상을 발견하였다.  




    면진장치 자체가 어느 정도 정지마찰력을 가지므로 지진력이 너무 작으면 면진장치가 작동하지 않지만 상부변위가 적게 발생 한만큼 해당 반발력이 다시 면진 장치에 작용하게 되어 결과적으로 면진장치의 발동시기를 빠르게 하는 효과가 확인되었다.  면진장치가 빨리 작용하면 작용할수록 구조물 자체에 가해지는 지진에너지를 감쇠하는 효과도 커졌다.

    우리 팀은 대회 출발일 하루전날까지 최종 모형을 만들어서 최종 실험을 마치고, 쉴틈 없이 최종 모형을 제작하는 연습을 실시하였다. 반복된 연습으로 모형을 제작하는 시간을 단축시키고 면진장치의 품질을 향상시키는 제작스킬과 도구를 익히는데 최대한 남은 시간을 활용하였다.

    대회 규정에는 계획서 점수 및 경제성이나 시공성, 그리고 구조성을 평가하는 다양한 항목이 있었다. 하지만 우리 팀은 제한된 재료로 구현할 수 있는 최고의 면진장치를 준비하는 것이 목표였기에 다른 항목 점수에 대한 고려는 우선순위가 아니였다. 그러므로 최종 점수를 받았을 때 경제성 점수가 다른 팀에 비해 매우 낮았다. 하지만 경제성 점수를 포기한 만큼 확실한 구조성 점수를 얻었다.  

    이번 대회는 무엇보다 ERS Lab(Earthquake Resistant Structure Lab) 연구 동아리에 이름에 맞는 면진설계를 준비하였고 좋은 성적을 냈기에 더욱더 보람찬 대회였던 것 같다.  하지만 주어진 재료를 사용하는 방법에 서툴렀기에 더 다양한 면진설계를 시도해 보지 못한 아쉬움도 많이 남은 대회였다.  

     대회를 진행하면서 다른 팀에서 준비해온 내진설계 기술을 보며 아직 부족함을 많이 느낌과 동시에 제한된 재료로도 많은 기술을 표현할 수 있는 아이디어와 가능성을 생각할 수 있었다.  규정과 주어진 재료와 상황에 제한되기보단 다양한 아이디어와 시행착오로 이것을 극복하고 최선의 방법을 찾는 과정을 통해 많은 것을 배우고 느낄 수 있었다.  아이디어는 남들이 생각하지 못한 것에서 나오는 것뿐만 아니라 기존의 기술과 지식을 참조하고 그것을 융합하고 실험하는 과정을 통해서도 얻을 수 있음을 배웠다.
     

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    전체댓글6

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    |2015.12.14
    구조물 설계된 모양 사진까지! 감사합니다!
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    |2015.12.08
    구조물의 제작과정과 장,단점 너무나 잘 봤습니다.
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    |2015.12.07
    재밌는 내용 감사합니다.
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    |2015.12.07
    내진설계 자료 감사합니다. 좀더 깊이 있는 공부가 되겠네요.
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    |2014.11.10
    참고자료로는 가능하지만 활용을 한다면 탈락되지 않을까 생각됩니다. 이 점 잘 생각하여 다음대회때 준비하셔야 할듯합니다.
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    |2014.11.06
    다음대회때 활용해도 될련지....
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