1. 서 론

2. 5개 와이어웨이시스템의 구성과 특성

그림 3은 진동대 실험에서 고려된 5개 와이어웨이시스템에 대해서 보여주고 있다. 구성과 경계조건을 달리하여 Type 1에서 5까지 구성되며 각각의 특징은 (1) 폴을 사용하여 천장과 와이어웨이시스템을 고정 시키는 천장고정형 (2) H형강 골조에 와이어웨이시스템을 접합시킨 H형강 골조형 (3) 벽체와 와이어웨이시스템을 고정시킨 벽체고정형(기본형) (4) Type 3에 풀리를 추가한 와이어웨이시스템인 벽체 고정형(풀리 추가형) (5) 보와 기둥에 와이어웨이시스템을 접합시킨 보-기둥골조형으로 총 5개의 와이어웨이시스템이 구성되었다.

그림 4는 풀리가 배치된 와이어웨이시스템의 양쪽 단부를 보여준다. 2번과 3번 시작유니트와 끝점유니트를 와이어웨이시스템을 통해 연결되어 있으며 두개의 와이어웨이에 덕트를 통해서 조명설비가 놓이게 된다. 시작단에는 장력조절장치, 종단에는 진동감쇠기구가 설치되어있다. 이는 케이블의 장력을 고정하고 계측할 수 있도록 구성되어 있다. 표 1은 그림 3, 4에서의 와이어웨이 구성 요소를 보여준다.

3. 진동대실험 실험결과와 구성

와이어웨이조명시스템에서 지진 발생시 허용범위 이상의 변위와 가속도의 발생은 정상적인 기능 수행에 손상을 가져올 수 있으며 이러한 기능의 상실은 2차, 3차 피해를 추가적으로 가져올 수 있다.

조명설비의 파손은 비상시 대피로 등에서 조명기능을 상실할 수 있으며 이는 피난과 구호에 막대한 지장을 줄 수 있다. 진동대 실험 조건에서는 와이어웨이시스템이 건축물 구조요소에 고정되어 있는 것으로 가정한다. 건물에서 발생 가능한 횡 변위에 대해 충분한 변형성능을 가지고 있는지를 통해 내진성능을 평가하였다. 일반적으로 구조체의 실험은 낮은 주파수의 진동으로 유압액츄에이터를 이용하여 힘을 가하고 변위를 유발하게 하며 그 성능을 검토하게 된다. 반면에 조명설비 등은 설치된 위치에서 작용하는 지진가속도에 의해 주된 영향을 받으므로 수평지진력에 저항할 수 있도록 고정된 설치 장치, 즉 앵커나 고정 마운트, 버팀대, 전단보강부재 등의 안정성을 검토하게 된다. 지진가속도에 의해 영향을 받는 설비는 고유진동수에 영향을 받기 때문에 비교적 고주파의 진동시험이 요구되고 주파수 대역폭이 넓은 지진파형의 특성을 반영하기 위해 진동대를 이용한 시험법이 활용된다⁽⁵⁾.

현재 진동대실험에 대한 절차 및 구성요소에 대한 요구사항은 미국 ICC-ES AC156-2010⁽⁶⁾과 SPS-F KOCED 0007-7419⁽⁷⁾에서 명시하고 있고 이에 기반하여 진동대 실험이 수행되었다. 와이어웨이시스템의 동적 특성을 검증하기 위해 초기에 공진탐색 실험이 먼저 수행되었으며 주파수 소인시험을 통해 3개의 축 방향에 대해 수행되었다. 가중 주파수는 1～50Hz 대역을 포함하며 진동대 바닥에서 출력된 가속도와 지그프레임, 와이어웨이 지지대와 본체에서 측정된 요구응답스펙트럼을 적용하여 내진성능을 계측하고 이를 시험응답스펙트럼과 비교하였다. 요구응답스펙트럼은 와이어웨이가 설치되는 층에 대해 ICC-ES AC 156에서 요구하는 층 응답스펙트럼을 사용하였다. 시험에 적용되는 요구응답스펙트럼은 그림 5의 형태를 가져야 하며 식 (1)~(4)에 나타낸 것과 같이 단주기 설계스펙트럼 가속도($S_{DS}$)와 높이계수비($z/h$)의 함수에 의해 요구응답스펙트럼의 크기가 결정되었다. 식(1)~(4)이 의미하는 바는 (1) 높이계수비가 0일 때 변형가능한 구성요소에 대해 계산된 수평 스펙트럼 가속도 (2) 높이계수비가 0일 때 강체 구성요소에 대해 계산된 수평 스펙트럼 가속도 (3) 높이계수비가 0일 때 변형가능한 구성요소에 대해 계산된 수직 스펙트럼 가속도 (4) 높이계수비가 0일 때 강체 구성요소에 대해 계산된 수직 스펙트럼 가속도이다.

요구응답스펙트럼에 대해 계측된 내진성능결과는 시험응답스펙트럼을 만족하는지 판단되었고 이는 ICC-ES AC 156에서 제안하는 기준에 따라 평가되었다. 시험응답스펙트럼은 요구응답스펙트럼의 감쇠비 5%와 동일한 감쇠값을 사용하여 계산되었으며 1.3Hz～33.3Hz의 주파수 범위내에서 최대 1/6 옥타브 대역폭분해성을 기반으로 요구응답스팩트럼과 비교하였다. 이를 통해 요구응답스펙트럼의 130% 이상을 초과하지 않는 것을 확인하였다. 표 2는 전체 실험 절차에 대해 표로 정리하여 보여주고 있다. 총 3단계의 실험 과정을 통해 구성과 경계조건을 달리한 5개 와이어웨이시스템에 대해 진동대 실험을 통해 공진시험과 지진하중 가력 실험을 실시하였다. 진동대 실험은 부산대 양산캠퍼스 지진방재연구센터에서 수행되었다. 그림 6은 와이어웨이 실험을 위한 진동대 실험 셋업 모습을 보여주고 있다.

그림 7은 각각 와이어웨이시스템에 대한 소인파 가속에 대한 공진주파수 실험의 결과를 보여주고 있다. 19.75Hz의 횡하중 가력 주파수에서 진동전달율은 38$m/s^{2}$에서 2.8$m/s^{2}$으로 측정치를 보여주었다. H형강 골조형(Type 2)이 천장고정형(Type 1) 보다 더 낮은 진동전달율을 가지고 있는 것으로 평가되었다. 그림 8은 시간에 따라 지진하중 적용을 통한 가속도 값을 계측한 것을 보여주고 있으며 강체 구조물의 가속도 값을 비교 대상으로 보여주고 있다. 또한 오른쪽의 그래프는 시험에서 계측한 요구응답스펙트럼과 시험응답스펙트럼의 90%와 130%의 값을 보여주고 있다. 진동대 실험에서 와이어웨이시스템에 가한 요구응답스펙트럼의 값이 90%와 130%를 초과하는 것을 보여주어 이를 통해 진동대 하중 가력의 유효성을 검증하였다.

4. 풀리 설치에 의한 PSD 기반 진동 저감 효과

본 절은 3절에서 조사된 진동대실험 결과를 바탕으로 조명 와이어웨이시스템의 풀리 적용에 의한 진동 저감 효과를 조사하였다. 이를 위하여 진동대 실험 결과에서 풀리의 적용 여부에 따른 성능 변화를 관찰할 수 있는 표 2의 Test 2에 나열된 벽체형(Wall type) 와이이웨이 시스템의 동적 응답을 비교하였다.

풀리 설치에 의한 진동 저감 효과를 검증하기 위하여 진동대 실험을 통하여 시간과 가속도 관계(시간 영역, time domain)로 측정된 동적 응답을 파워스펙트럼 밀도(power spectrum density, PSD) 함수를 이용하여 주파수 영역(frequency domain)으로 전환하였다. 각 주파수에 따른 가속도 응답의 분포를 나타내는 PSD는 진동대 실험을 통해 측정된 응답을 식 (5)에 제시된 푸리에 변환(Fourier transform)을 통해 산정하였다⁽⁸⁾. 여기서 N은 자료의 샘플수 이며, Δt는 샘플링 비율이고, 2Δt/N은 정규화 요소(normalization factor), T는 총 획득 시간, x(t)는 시간에 따른 측정 응답을 의미한다.

그림 9는 PSD 함수를 통하여 계산된 벽체형 와이어웨이시스템의 X-, Y- 그리고 Z-방향에 대한 주파수 응답을 보여준다. 풀리 적용에 따른 응답 차이를 조사하기 위한 목적으로 풀리가 적용되지 않은 와이어웨이시스템의 주파수 응답을 함께 제시하였다. 그림에 제시된 것과 같이 모든 방향에 대하여 낮은 주파수 영역대에서 벽체고정형(Wall type w/o pulley)과 풀리가 추가된 벽체고정형(Wall type)의 응답은 큰 차이가 없는 것으로 나타났으나, 주파수의 크기가 증가할수록 풀리 적용에 의한 응답 차이를 보였다.

Test 2의 벽체형 와이어웨이시스템의 고유 진동수는 각 방향에 대하여 12.5Hz(교축방향), 19.0Hz(길이방향) 그리고 8.25Hz(수직방향)으로 조사되었으며, 해당 실험체의 방향별 고유 진동수에 상응하는 지진 하중에 대한 와이어웨이시스템의 응답 가속도는 표 3에 나타냈다. 여기서 진동 저감 효과는 풀리가 적용된 와이어웨이시스템의 응답과 풀리가 적용되지 않은 와이어웨이시스템의 응답 차이를 나타낸 것이다. 표 3에 제시된 것과 같이 진동 방향에 관계없이 전반적으로 풀리가 설치된 와이어웨이시스템의 스펙트럼 응답이 감소하는 것을 볼 수 있다. 특히, X-방향(수평 방향)과 Z-방향(수직 방향)에 대하여 풀리 적용 여부에 따른 가속도 응답은 최대 50%까지 감소하는 것으로 나타났다. 이는 풀리가 설치된 와이어웨이시스템은 지진에 의해 와이어와 풀리 사이의 움직임이 발생하고, 이때 풀리와 와이어 사이에 발생한 마찰력에 의해 지진에너지를 효과적으로 소산시켰기 때문으로 사료된다.

5. 풀리 설치에 의한 RMS가속도 기반 지진 에너지 저감 효과

그림 10은 진동수와 RMS(root mean square) 가속도의 관계를 나타낸 것이다. RMS가속도는 지진에 의하여 구조물에 누적된 에너지와 관련된 지표로서, 풀리 설치에 의한 시스템에 작용하는 지진 에너지의 저감 효과를 검증하기 위하여 활용하였다. RMS가속도는 일정 시간(샘플링 시간) 동안의 가속도 응답 제곱의 평균 제곱근을 의미하며, 이는 식 (6)을 활용하여 계산할 수 있다⁽⁹⁾. 여기서 a(t)는 시간에 따른 가속도 응답을 나타낸 것이며, $t_{0}$는 최초 시간, $T_{d}$는 진동 측정 시간을 의미한다.

그림 10에 제시된 진동수와 RMS 가속도의 관계를 살펴보면, 그림 10(a)에 제시된 $S_{ds}$가 0.3g가 작용했을 때 풀리 적용에 따른 와이어웨이시스템의 지진에너지의 변화는 미미한 것으로 나타났지만, $S_{ds}$가 1.0g에 도달할 때 풀리 적용에 의한 X- 와 Z-방향에 대한 지진에너지의 변화는 진동수 크기에 따라 큰 폭으로 감소하는 것을 볼 수 있다(그림 10(b) 참고). X-와 Z-방향의 RMS 가속도는 와이어웨이시스템의 고유 진동수 값(X-방향: 12.5 Hz, Z-방향: 8.25 Hz) 이후에 큰 폭으로 변하는 것으로 나타났다. 이를 통해 장력을 가진 케이블과 이에 연결된 풀리의 적용은 지진 가속도의 발생 시 와이어웨이시스템에 작용하는 지진 에너지를 풀리와 케이블의 마찰력을 통해 효율적으로 감소시킬 수 있음을 보여준다.

6. 결 론

본 연구는 천장용 조명 설비의 내진성능 향상을 목적으로 개발된 와이어웨이시스템의 유형별 진동대 실험에 대한 결과를 제시하였으며, 동적 실험을 통해 측정된 가속도 응답을 바탕으로 와이어웨이시스템의 풀리 적용에 의한 지진 응답 저감 효과를 검증하였다. 본 실험 연구에서 도출된 결과는 아래와 같다.

1) 진동대 실험을 통하여 조명 와이어웨이시스템은 설치 유형(경계 조건)에 따라 진동 전달율에 차이를 나타내는 것으로 조사되었다. 특히, 와이어웨이시스템의 양단부를 효과적으로 고정할 수 있는 H형강 골조형의 진동 전달율은 천장 고정형에 비해 낮은 것으로 나타났으며, 이는 진동 제어에 대해서 다른 시스템에 비해 효율적임을 의미한다.

2) 벽체 고정형 시스템에 대하여 진동대 실험에서 계측된 가속도 응답을 바탕으로 풀리 적용에 의한 PSD 가속도 변화를 살펴봤을 때 진동수 증가에 따라 풀리에 의한 진동 저감 효과가 두드러지게 나타나는 것으로 조사되었다.

3) RMS 기반의 풀리 적용에 따른 와이어웨이시스템에 작용하는 지진에너지의 응답은 PSD 가속도의 변화와 유사하게 진동수 증가에 따라 큰 폭으로 감소하는 것으로 나타났다.

4) 진동대 실험을 통하여 계측된 응답을 바탕으로, 새롭게 개발된 조명 와이어웨이시스템은 풀리 적용에 의하여 기존의 조명 설비 시스템에 비하여 효과적으로 지진 에너지를 소산할 수 있는 것으로 나타났다. 이는 풀리와 와이어 사이에 발생한 마찰력에 의해 유입된 지진에너지가 소산되고 이를 통해 와이어의 최대 변형과 진폭이 감소되는 진동감쇠효과를 발휘하게 된다.

5) 현 내진설계기준에서 전기조명시스템이 지진 발생 시 요구되는 기본적 내진성능뿐만 아니라 비상시 대피를 위해 기능수행의 성능목표를 반드시 확보해야 함을 고려할 때 본 와이어웨이시스템이 진동과 변위를 효율적으로 제어하고 손상을 억제할 수 있음을 보여주었다.