2.1 고감쇠고무 (HDRB) - 와이어면진장치 (WRI)

본 연구대상인 복합면진장치는 면진장치를 적용하지 않은 기존 UPS의 진동대실험 결과 대비 약 30%의 응답가속도 저감을 설계목표로 설정하였다 ^{(Lee et al., 2019)}. 복합면진장치의 개발 시 주안점은 고감쇠고무의 성능발휘를 위한 요구면압 확보와 고감쇠고무를 이용한 UPS의 장주기화를 유도하여 응답가속도를 저감시키는 것이었다. 이를 고려하여 본 연구에서는 Fig. 1과 같이 고감쇠고무 위에 와이어 면진장치를 배치한 2층 구조로 구성되는 복합면진장치를 개발하였다. 기존 고감쇠고무의 면진장치는 교량 등 대형 건축물에서 주로 사용되는데 Japan Society of Seismic Isolation (J.S.S.I, 2002)에서는 고감쇠고무의 효과적인 면진성능을 위하여 약 6 MPa의 압축응력을 최소요건으로 제시하고 있다.

본 연구의 실험대상인 UPS와 같은 4 ton 이하의 저중량 소형 전기비구조요소에 고감쇠고무를 적용할 경우 J.S.S.I에서 요구하는 최소 면압을 충족하지 못하며 면진효과를 발휘하기 어려울 수 있다. 따라서 1층에 배치된 고감쇠고무의 요구면압을 충족시키고 면압의 조절이 가능하도록 프리스트레싱 와이어를 도입하여 1층과 2층 사이에 볼트로 결합되도록 설계하였다. 6 MPa의 인장응력을 프리스트레싱 와이어를 통하여 가력함으로써 고감쇠고무에 동일한 압축응력이 가해지도록 하였다. 이를 통해 고감쇠고무가 받는 낮은 면압을 보완하여 소형기기에서도 사용이 가능하도록 하였으며 직렬연결을 통해 요구면압을 만족시켰다. 프리스트레싱 와이어는 면압 조절의역할뿐만 아니라 과변위 발생 시 전도방지 역할을 부차적으로 수행할 수 있다. 또한 지진으로 인한 충격 및 진동을 흡수할 수 있는 강성 및 감쇠가 우수한 와이어 면진장치를 복합면진장치의 2층에 사용하여 에너지 소산을 극대화할 수 있도록 설계하였다. 1층 고감쇠고무는 Y 방향에 따라 M8 볼트 4개로 지면 또는 정착면에 결합되어 있다. Table 1은 고감쇠고무와 와이어 면진장치의 제원과 별도의 실험을 통해 도출된 특성을 나타내고 있다.

Fig. 1 Details of combined isolator system

3.1 실험체 개요

3.1.1 무정전전원장치(UPS)

본 연구대상인 UPS는 주 전력 공급이 중단되었을 때 비상전력을 공급하는 장치로 케비넷 프레임 내부에 냉각시스템 및 변압기, 컨트롤 스위치, 반도체 등 다양한 부품으로 구성되어 있다. 실험에 사용된 UPS는 IEC – 60950 (International Electrotechnical Commission 2019)에 따른 100 kVA 용량의 케비넷 형태로 크기는 750 mm×800 mm, 높이는 1800 mm이며 총 중량은 0.8 ton이다. 해당 UPS의 구성 상세는 Table 2에 제시되어 있으며, 설비의 하부에 고중량의 변압부가 위치함에 따라 무게중심은 수직 방향으로 대략 높이의 1/3 위치에 그리고 평면도에서는 가운데에 위치하고 있다 (Fig. 2).

Fig. 2 Details of tested UPS

Table 2 Detailed specifications of UPS specimen

Power rating (kVA)	Dimension (mm)			Weight (kg)
	W	D	H
100	750	800	1800	800

3.1.2 복합면진장치

본 연구에서는 복합면진장치의 프리스트레싱 와이어 요소의 접합 방식을 달리하여 3가지 유형을 개발하였다. 개발된 상세의 내진성능을 검증하기 위해서 1축 진동대실험을 수행하였다. 실험에 사용된 복합면진장치의 유형에 대하여 Fig. 3과 Table 3에 자세한 형태와 특성이 제시되어 있다. A-type은 프리스트레싱 와이어가 볼트로 체결된 기본 상세로 볼트의 조임을 통해 6 MPa의 인장응력을 가력하게 된다. A-type을 적용한 UPS 진동대실험 결과, 프리스트레싱 와이어의 볼트 풀림 및 고감쇠고무의 찢어짐이 일부 발생하였다. 이에 A-type의 취약부를 개선하고자 프리스트레싱 와이어의 체결방식 및 유무에 변수를 두어 B-type과 C-type을 고안하였다. 추가적으로 고감쇠고무의 파단을 방지하기 위해서 B-type과 C-type 모두 고감쇠고무의 수직 및 수평 강성을 A-type보다 약 1.5배, 5배 증가시켜 제작하였다. B-type은 프리스트레싱 와이어에 볼트 조임으로 인장응력을 가력한 후, 볼트로 결합되어 있는 부분을 용접으로 고정시킨 형태이며 C-type은 프리스트레싱 와이어가 제거되어 있는 형태이다. 진동대실험 시, 시공성을 위하여 Fig. 4와 같이 레일 내부에 2개의 복합면진장치가 설치되도록 레일형으로 제작하여 실험을 수행하였다.

Table 3 Design parameters

Specimens	HDRB mechanical properties		Pre-stressed wire rope
	Horizontal stiffness (N/mm)	Vertical stiffness (N/mm)	Connections
A-type	530.1	10426.2	Bolting
B-type	795.15	52131	Welding
C-type			None

Fig. 3 Details of specimens

Fig. 4 Details of combined isolator in the rail

3.2 실험 셋업

3.2.1 진동대 성능 및 사양

Fig. 5는 실험에 사용된 진동대를 제시하고 있으며 진동대의 크기는 1000 mm×1000 mm, 최대 가용 중량은 20 kN으로 단축 방향으로 움직이는 1자유도를 가진다. 진동대의 자세한 상세와 제원은 Table 4에 제시하고 있다. 실험체 하단부에는 M8볼트 6개를 이용하여 2개 레일의 복합면진장치가 설치되며 이 레일은 M10볼트 6개로 진동대에 설치된다.

Table 4 Parameters for required response spectrum

Building Code	Test Criteria	SDS (g)	z/h	Horizontal
				AFLX-H(g)	ARIG-H(g)
KDS 41 17 00	ICC-ES AC 156	0.45	0	0.498	0.199

Fig. 5 Shaking table

3.2.2 계측 계획

Fig. 6은 복합면진장치를 적용한 UPS의 실험 셋업 및 계측 위치를 나타내고 있다. 입력 지진파에 따른 UPS의 동적응답을 분석하기 위하여 3축 가속도계 3개와 와이어 변위계 4개 (Wire LVDT 1, 2, 3, 4)를 설치하였다. 이때 계측장치의 설치 위치는 UPS의 상하부이며 변위계의 경우 X, Y 방향에 대해 각각 부착하였다.

Fig. 6 Test setup and measurement

3.3 실험 방법

3.3.1 실험 기준

본 연구에서는 단축 진동대에 수평 방향의 지진파를 가진하여 면진장치의 유형별 성능을 검증하였다. 가진 지진파는 비구조요소의 진동대실험 기준을 나타내고 있는 ^{ICC-ES AC156 (2010)}을 따라 생성하였다. 아래의 식 (1)과 (2)를 통해 수평 방향 요구응답스펙트럼 가속도 ($A_{FLX-H}$, $A_{RIG-H}$) 를 산정하였으며, 산정 결과를 Table 4에 제시하였다.

(1)

$A_{FLX-H}=S_{DS}\left(1+2\dfrac{z}{h}\right)$

(2)

$A_{RIG-H}=0.4S_{DS}\left(1+2\dfrac{z}{h}\right)\le S_{DS}$

여기서, $z$ : 구조물의 밑면으로부터 비구조요소가 부착된 높이

$h$ : 구조물의 밑면에서 지붕층까지의 높이

단주기 설계스펙트럼가속도($S_{DS}$)는 KDS 41 17을 따라 지진구역Ⅰ, 지반은 $S_{D}$로 가정하였으며, 무정전전원장치의 경우 일반적으로 지하 또는 지상 1층의 기계실에 설치되는 것을 고려하여 설치 높이 ($z=0$)를 가정하였다. ICC-ES AC156에서 제시하는 요구응답스펙트럼 (RRS)는 Fig. 7과 같다.

Fig. 7 ICC-ES AC156 Required Response Spectrum (RRS)

3.3.2 가진 계획

ICC-ES AC156에 부합하는 가속도 시간이력을 생성하여 진동대에 입력 후, X와 Y 방향에 대하여 독립적으로 가진하여 실험을 수행하였다. 1축 진동대실험 시 실험체의 무게중심이 단면의 중심에 위치하지 않는다면 가진 방향의 변위 이외에 회전 등 큰 변위 및 응답가속도가 발생할 수 있다. 그러나 선행연구 ^{(Lee et al., 2019)}에 의하면 실험대상인 UPS의 무게중심은 평면상 가운데에 위치하여 회전 등 변형이 크지 않았으며, 따라서 본 연구에서는 1축 진동대실험을 수행했다. 본 실험에서는 X축과 Y축의 가진을 각각 수행하였고, 각 실험마다 3방향 모두에서 가속도와 변위를 계측하였다. 시험응답스펙트럼 (TRS)는 AC156기준에 따라 1.3 Hz 요구응답스펙트럼의 90%이상 130%이하를 만족하도록 하였으며 Fig. 8에서 제시하였다.

진동대실험은 ICC-ES AC156 요구응답스텍트럼의 가속도를 기준으로 스케일을 증가시켜 50%, 100%, 200%에 대하여 가진하였다. 가진 계획은 Table 5와 같으며 가진 전, 50% 가진 후, 100% 가진 후에 X, Y 축에 대한 공진 주파수 탐색시험을 진행했으며 이를 통해 면진장치를 적용한 UPS의 고유진동수 및 감쇠비 등 동적특성을 파악하고자 하였다. 이때. 공진 주파수 탐색시험은 X와 Y에 대하여 각 방향을 독립적으로 수행하였으며 1분 이내로 1~50 Hz의 주파수 범위로 가진하였다.

Fig. 8 Comparison between spectra of input acceleration and RRS target

Table 5 Input and test protocol

Test no.	Events	PGA(g)
		X-dir.	Y-dir.
1~2	Random test X, Y	-	-
3	AC156 50%	0.12	0.15
4~5	Random test X, Y	-	-
6	AC156 100%	0.21	0.32
7~8	Random test X, Y	-	-
9	AC156 200%	0.44	0.69

4.1 실험체 손상양상

Table 6은 A-type을 적용한 UPS의 진동대실험 후 관찰된 실험체의 손상양상을 나타내고 있다. ICC-ES AC156 요구응답스텍트럼의 50%, 100%, 200%에 대한 인공지진파를 가진하는 동안 UPS의 외관에서 보이는 큰 손상은 없었으며 내부부품 및 면진장치에 체결되는 볼트 및 앵커의 풀림 또한 없었다. 하지만, A-type의 경우 AC156 100% 가진 후에 프리스트레싱 와이어의 볼트가 부분적으로 풀려있음을 확인하였다. AC156 200% 가진 후에는 Fig. 9와 같이 프리스트레싱 와이어의 끊어짐과 고감쇠 고무받침의 찢어짐이 발생하였다. 반면, B-type과 C-type을 적용한 진동대실험 결과 UPS와 복합면진장치 모두 큰 손상이 관찰되지 않았다.

Fig. 9 Damage observation to A-type 2-stories combined isolator (AC156 200%)

4.2 응답가속도 분석

UPS의 상하부에 부착한 3축 가속도계를 이용하여 유형 별 복합면진장치의 응답가속도를 비교 및 분석하였고, 1축 진동대실험 시 3축에 대한 응답가속도를 모두 계측함으로써 실험 진행 방향 외의 다른 방향에 미치는 영향을 파악하였다. Fig. 10은 UPS의 상부에서 측정된 최대 응답가속도를 최대지반가속도와 대비하여 나타낸 것이다. 분석 결과, 수직 및 수평 강성을 증가시킨 B, C-type의 응답가속도가 A-type보다 낮게 나타나는 양상을 보였으며 각 유형에 대한 계측 값을 Table 7에 나타내었다. 고무의 강성을 증가시키고 프리스트레싱 와이어를 통해 최소면압을 확보한 B-type의 경우 A-type보다 약 22%의 응답가속도가 저감되었으며 3가지 유형 중 가장 작은 응답가속도가 계측되었다. 프리스트레싱 와이어의 유무에 따른 응답가속도를 비교하였을 때 B-type의 응답가속도가 C-type 대비 약 12% 감소하였으며 프리스트레싱 와이어의 영향이 크지 않은 것으로 확인하였다. 반면, 면진장치를 적용하지 않은 기존 UPS ^{(Lee et al., 2019)}의 경우 AC 156 100% 가진 시 0.694g의 응답가속도가 계측되었으며 A, B, C-type의 복합면진장치를 적용함에 따라 약 40% 이상 저감되었음을 확인하였다.

X 방향으로 1축 진동대실험 시 계측한 3축의 응답가속도를 3가지 유형별로 Fig. 11에 제시하였다. A-type의 경우 AC156 100% (PGA 0.21) 가진 시, X 방향에서 0.41 g, Y 방향에서 0.025 g, Z 방향에서 0.031 g로 계측되었다. X축으로 실험 시 Y축과 Z축의 계측 값은 X축의 10% 미만으로 큰 영향을 미치지 않았음을 확인하였으며 반대 방향 또한 동일한 양상을 보였다.

Fig. 10 Comparison between spectra of input acceleration and RRS target

Fig. 11 Peak response acceleration versus PGA (X,Y,Z) for the test specimens in X-direction shaking table test

4.3 동증폭계수 분석

본 연구에서는 실험체의 상하부의 응답가속도와 진동대에서 계측된 응답가속도의 비를 사용하여 UPS의 가속도 증폭을 평가하였다. 실험을 통한 가속도 증폭 평가는 최대응답가속도 (PRA)와 최대지반가속도 (PFA)의 비율 $a_{p}$로 식 (3)으로 정의된다 ^{(Di Sarno, L et al, 2019)}.

$a_{p}$는 해당 요소의 강성과 부착성능을 고려한 계수로 현행 비구조요소의 내진설계에서 지진하중 산정에 사용된다. Fig. 12는 복합면진장치의 유형에 따른 UPS의 상·하부에서 실험을 통해 계측된 동증폭계수를 나타낸다. 국외기준인 FEMA E-74와 ASCE 7-16, 국내 기준 KDS 41 17 모두 증폭계수의 값을 1.0에서 2.5 사이로 제시하고 있다. 3가지 유형을 적용한 UPS의 동증폭계수의 분석 결과, X와 Y 방향 모두 국내·외 기준에서 규정하고 있는 증폭계수의 범위를 만족하였다. A-type의 경우 UPS 상부에서 X, Y방향으로 B, C-type보다 큰 값을 나타냈으며 특히 X 방향에서 $a_{p}=2.12$로 가장 큰 동증폭계수 값을 보였다. 반면 선행연구에서 현행 상세시공을 사용하는 UPS의 경우 X 방향에서 $a_{p}$ 값이 3을 초과하는 것으로 나타났다.

Fig. 12 Peak relative displacement response versus PGA for the test specimens

4.4 응답변위 분석

복합면진장치의 유형에 따른 UPS의 응답변위를 확인하기 위하여 본 연구에서는 Wire LVDT를 이용하여 상대변위를 관측하였다. UPS의 상하부에 X, Y 방향으로 계측기를 부착하였으며 이를 통해 도출된 A, B, C-type 별 UPS 상부의 최대상대변위를 Fig. 13에 제시하였다. 분석 결과, 프리스트레싱 와이어를 제거한 C-type을 적용하였을 때 A, B-type 보다 더 큰 상대변위를 보이는 경향성을 확인하였다. AC156 200% (PGA 0.69g) 가진 시, C-type을 적용한 UPS의 상하부 Y방향에서 53.24 mm로 가장 큰 상대변위가 발생하였다. 복합면진장치의 적용으로 지진파의 주기가 증가함으로써 UPS가 유연해지게 되면서 상대변위가 크게 발생할 수 있다. 하지만 3가지 유형 모두 UPS에 적용 시 발생한 상대변위는 국내 국립전파연구소 기준에서 규정하는 내진 시험방법 ([3]방송통신설비의 내진 시험방법, 2015)의 판정조건인 단반향 변위폭 75 mm를 만족함을 확인하였다.

Fig. 13 Peak relative displacement response versus PGA for the test specimens

4.5 고유진동수 및 감쇠비 평가

1축 진동대를 이용한 동적실험으로 계측된 응답가속도를 통해 유형 별 X, Y 방향에 대한 고유진동수와 감쇠비를 평가하였다. 고유진동수 평가를 위하여 전달함수 (Transfer function)를 사용하였으며, 이는 진동대의 입력가속도에 대한 FFT (Fast Fourier Transform) 스펙트럼을 실험체의 응답가속도에 대한 FFT 스펙트럼으로 정의된다 ^{(Morgan, T. A, 2007)}.

이때, UPS의 응답가속도에 대한 FFT값은 $FFT\{\ddot{u}(t)\}$이며 입력가속도의 FFT값은 $FFT\left\{\ddot{u_{g}}(t)\right\}$이다. Fig. 14는 최초 공진 주파수 탐색시험의 결과로 복합면진장치의 유형에 따른 UPS 상부의 응답가속도에 대한 전달함수를 고유진동수별로 나타내고 있다. 전달함수 평가결과, 공진시험 주파수 범위인 1~50 Hz 내에서 X, Y축 모두 1차 모드가 지배적이었다. Fig. 15는 각 복합면진장치에 대하여 공진시험에 따른 UPS 상부의 고유진동수 변화를 나타내었다. 가력 지진가속도가 증가함에 따라 고유진동수가 조금씩 감소하는 것으로 나타났으며 최종 공진 주파수 탐색시험에서 A-type의 경우 X 방향으로 3.18 Hz, Y 방향으로 3.42 Hz의 값을 보였고 B, C-type의 경우 X 방향에서 4.98 Hz, 5.15 Hz이며 Y 방향에서는 5.03 Hz, 5.28 Hz의 값을 나타내었다. 이는 최대입력가속도가 증가함에 따라 프레임 및 복합면진장치의 강성저하가 있음을 의미한다.

UPS 상부의 감쇠비 평가를 위해 공진 주파수 탐색시험의 특성을 고려한 주파수 대역폭 방법을 이용하였다. 주파수 대역폭에서는 고유진동수를 이용하여 감쇠비를 식 (5)로 정의된다.

이때, $w_{n}$은 고유진동수이며, 감쇠비 ($\zeta$)는 최대응답의 $1 /\sqrt{2}$의 값을 갖는 두 점의 진동수 $w_{1}$, $w_{2}$의 차이와 고유진동수의 비로 정의된다. Fig. 16은 실험 진행에 따른 복합면진 장치의 유형 별로 감쇠비 변화를 나타내었다. 최대입력가속도가 증가할수록 3가지 유형 모두 감쇠비가 증가하는 양상을 보였으며 16%~19% 사이의 비슷한 감쇠비를 나타내고 있다. 특히 B-type의 경우, X 방향에서 초기 감쇠비 (16.8%)와 최종 랜덤 주파수 가진 종료 후 감쇠비 (20.1%)의 차이가 가장 크게 보였다.

Fig. 14 Transfer function – frequency curves

Fig. 15 Fundamental frequency in each test

Fig. 16 Damping ratio in each test