2.1 대상 건물선정 및 해석모델 구축

방송통신설비의 지진 안전성 평가를 위해 현재 국내에서 운영되고 있는 통신국사(건물 A)와 통신설비가 설치된 상업용도의 건물(건물 B)을 해석 대상으로 선정하였다. 통신국사의 경우 정보통신 서비스 제공을 위한 다수의 설비가 집중되어 있고 상업용도의 건물에도 옥상층에 이동통신중계기 또는 옥외안테나와 같은 시설이 설치될 수 있다. 건물 A와 건물 B는 모두 철근콘크리트 모멘트 골조-전단벽 구조형식을 가지며 각각 중층(8층)과 고층(15층)건축물을 대표한다. Table 1은 대상 건물의 용도, 구조형식 등을 포함한 주요 정보를 나타낸다. 각 건물의 주요 구조 부재가 표시된 평면도는 Fig. 2에 나타난다.

대상 건물의 해석모델은 범용 구조해석 및 설계 프로그램인 midas Gen을 사용하여 구축되었으며 Fig. 3은 3차원 모델을 보여준다. 보, 기둥, 전단벽을 포함하는 주요 구조부재가 선 또는 면요소로 이상화되었다.

건축 구조물의 비탄형 거동을 포함하기 위해 각 부재 요소의 양단부에 집중(lumped)된 비선형 소성힌지(plastic hinge)를 적용하였다. 보 요소는 부재의 양단부에 배치된 집중형 힌지에서 전단(Fz)과 휨(My)에 관한 비탄성 거동이 집중되고 부재 나머지 부분은 탄성 거동을 하는 것으로 가정하였다. 기둥 요소는 축력, 전단력, 휨에 관한 비선형 거동이 고려되었으며, 2축 휨거동(My, Mz)이 축력(Fx)과 연계되어 작용(P-M-M interaction)하는 것으로 가정하였다. 전단벽 요소는 횡력에 대한 면내방향 저항력이 고려되었으며, 축력(Fx), 전단(Fz), 휨(My)에 관한 비탄성 거동이 소성힌지에 적용되었다. 각 요소의 비선형거동을 반영하여 모델링하기 위해 부재의 내력은 국토교통부의 “건축물 콘크리트구조 설계기준 (KDS 41 30 00)”에 따라 계산하였다. Fig. 4는 보 요소에 사용된 소성힌지와 다선형 하중-변위 모델을 보여준다. 기둥 요소의 전단 거동과 휨 거동을 위해 kinematic hardening 이력모델이 사용되었다. 기존 콘크리트 구조부재의 강성 저감을 반영하기 위해 국토안전관리원의 “기존 시설물(건축물) 내진성능 평가요령(Seismic Performance Evaluation of Existing Structures (Buildings))”에 제시된 감소 계수가 비선형 소성힌지에 적용되었다.

해석모델 구축 후 고유치 해석(eigenvalue analysis)을 통해 구한 건물의 고유주기 및 진동모드를 Table 2에 나타냈다. 건물 A는 수평(Y)방향으로 1차모드 고유주기 0.93초, 수평(X) 방향으로 2차모드 고유주기 0.79초, 수직(Z)방향 비틀림에 의한 3차모드 고유주기 0.33초를 가진다. 건물 B는 수평(Y)방향으로 1차모드 고유주기 1.68초, 수평(X)방향으로 2차모드 고유주기 1.15초, 수직(Z)방향으로 3차 모드 고유주기 0.75초를 가진다.

Fig. 2 Floor plan of buildings

Fig. 3 3-D numerical models of building strucures

Fig. 4 Modeling of beam elements

2.2 지진하중 및 해석조건

비선형 시간이력해석에 적용될 지진하중(E) 산정을 위해 국토교통부 KDS 41 17 00 건축물 내진설계기준^{(Seismic Building Design Code and Commentary-Korean Building Code to Standard, 2019)}에 제시된 설계응답스펙트럼(design response spectrum)을 사용하였다. Fig. 5는 S5지반, 지진구역Ⅰ, 감쇠율 5% 조건을 반영한 설계응답스펙트럼(재현주기 1,000년)을 보여준다 설계응답스펙트럼에 따라 건물의 수평 양방향(X, Y)으로 입력될 인공지진파가 생성되었다(Fig. 5). 인공지진파의 최대 지반가속도는 0.173g, 상승시간 1초, 강진동지속시간은 7초, 하강시간 9초이다. Fig. 5는 해석에 사용된 인공지진파를 시간-가속도 그래프로 나타낸다. 건물의 수직방향으로 작용하는 고정하중(D)과 활하중(L)을 포함하여 1.0D + 0.25L + 1.0E의 하중조합을 가정하였다. 해석 시, 수평 양방향(X, Y)의 지진하중이 동시에 입력되었으며 수직방향(Z)의 지진력은 고려되지 않았다. 시간이력해석은 직접적분법(direct integration)으로 수행되었으며 5%의 감쇠비(damping ratio)가 건물에 적용되었다.

Fig. 5 Artificial earthquake corresponding to design response spectrum

2.3 해석결과

비선형 시간이력해석을 통해 각 건물의 층 가속도 응답을 산출하였다. 각 건물은 저층에서 상층으로 올라갈수록 증가된 가속도를 보였다. Fig. 6은 설계지진하중에서 건물의 최상층에서 발생한 시간-가속도 그래프를 보여준다. 건물 A의 경우 X방향 최고 가속도 0.53g, Y방향 최고 가속도 0.44g를 보였다. 건물 B의 경우 최상층에서 X방향 최고 가속도 0.42g, Y방향 최고 가속도 0.42g를 기록하여 양방향에서 유사한 증폭을 보였다. 각 건물의 높이에 따른 층간변위비(inter-story drift ratios)를 Fig. 7에 나타내었다. 설계지진하중에서 각 건물은 1% 이내의 층간변위비를 보이고 있어 건축물 내진설계기준에서 제시하고 있는 붕괴방지수준의 층간변위비 2.5% 이내에서 거동하는 것으로 확인됐다.

각 건물의 층 가속도 응답을 주파수 영역에서 분석하기 위해 가속도 시간이력을 층응답스펙트럼(floor response spectrum)으로 변환하였다. 또한 방송통신설비와 면진장치가 설치될 해당 층의 층응답스펙트럼과 국내외 기준의 RRS과의 비교를 통해 현재 비구조요소 및 기계설비를 위한 공인된 지진시험 방법의 적합성을 검토하였다. Fig. 8은 각 건물의 최상층과 1층에서의 층응답스펙트럼을 국내의 국립전파연구원 (NRRA)과 국외 표준 IEC 60068-2-57, Telcordia GR-63-core)에서 제시한 RRS과 함께 보여준다. 건물 A의 경우 X방향에서의 고유진동수(1.27 Hz)와 가까운 1.18 Hz에서 가장 크게 증폭하였고, Y방향일 때 3.45 Hz에서 증폭하였다. Y방향에서의 응답 증폭은 건물의 수직방향에 대한 비틀림(고유진동수 3.06Hz) 형태로 나타났으며 편심 코어에 의해 발생한 것으로 판단된다. 건물 B 또한 고유진동수(X방향: 0.87 Hz, Y방향: 0.60 Hz)에 가까운 주파수 대역에서 가장 크게 증폭하는 경향을 보였다. X방향의 경우 0.83 Hz와 1.38 Hz에서 크게 증폭하는 경향을 보였으며, Y방향의 경우 0.61 Hz에서 증폭했다.

건물 A의 경우 가속도 최댓값(X방향 3.21g, Y방향 3.34g)이 양방향 모두 1 Hz 이상에서 발생하여 국내외 기준에서 고려하는 주파수 범위 내에서 발생함을 확인하였으나, 가속도 최댓값은 국내외 기준 RRS를 크게 초과함을 알 수 있다. 특히 X방향에서 가속도 최댓값은 NRRA 기준 244%와 IEC 60068- 2-57 기준 270%로 RRS를 크게 초과하였다. Telcordia에서 제시한 RRS 또한 X방향 161%, Y방향 167%로 초과함을 확인하였다. 건물 B에서는 양방향 모두 1 Hz 미만의 저주파수 대역에서 가속도 최댓값(X방향 2.90g, Y방향 2.61g)가 발생했고 이는 NRRA와 IEC 60068-2-57에서 고려되지 못한 주파수 대역이다. 특히, 건물 B의 가속도 최댓값은 1 Hz 미만의 저주파수 대역을 고려하고 있는 Telcordia GR-63-core의 RRS 또한 X방향 기준 145%, Y방향 기준 131% 정도 상회함을 확인하였다.

Fig. 6 Acceleration time history at the top floor

Fig. 7 Inter-story drift ratios of buildings

Fig. 8 Acceleration time history at the top floor

3.1 실험계획 및 세팅

진동대 실험은 실제 지진 상황에 가까운 동적하중을 직접 가진하여 면진장치의 동적특성 및 성능을 가장 효과적으로 파악할 수 있는 방법으로 기존의 면진시스템 관련 연구^{(김광염 등 2002; 오상훈 등 2018)}에서 널리 활용되어 왔다. 본 연구에서는 지진응답해석에서 얻은 결과를 바탕으로 건물 내 설치되는 면진장치의 지진 안전성을 평가하기 위한 진동대 실험을 수행하였다. 지진 발생 시 가장 큰 가속도가 발생할 것으로 예상되는 각 건물의 최상층에 면진장치가 적용된 방송통신장비의 설치를 가정한 후 최상층 가속도 시간이력(Fig. 6)을 수평 양방향의 입력 가속도로 사용(Test-2, Test-3)하였다. 또한, 방송통신설비의 내진성능검증에 사용되는 기존 동적시험 방법과의 비교를 위해 국립전파연구원의 RRS에 해당하는 지진파를 생성 후 실험(Test-1)을 진행하였다. Fig. 9는 Test-1에 사용된 입력지진을 보여준다. 전체 진동대 실험계획은 Table 3에 요약된다.

실험을 위해 통신장비 탑재가 가능한 실물규격(600 x 930 x 1950 mm)의 캐비넷이 사용됐고 실제 통신장비 대신 관성효과를 위한 강재 플레이트를 캐비넷 내부 바닥에 고정하였다.

캐비넷과 플레이트는 10.5 kN(1073 kgf)에 해당하는 무게를 가졌으며, 면진장치와 캐비넷 모두 특별한 고정장치 없이 진동대에 설치되었다. Fig. 10은 면진장치와 캐비넷을 포함한 실험세팅을 보여준다. 실험 중 진동대와 면진장치에서 큰 변위가 발생할 것이 예상되어 일반적인 와이어 센서 대신 이미지 프로세싱을 통한 변위 측정이 이루어졌으며 이를 위해 카메라를 설치하여 진동대와 캐비넷 상부의 움직임을 촬영하였다. 실험은 부산대학교 지진방재연구센터에 위치한 5 x 5 m 크기의 3자유도 진동대를 이용하여 수행하였다. 본 연구에 선정된 면진장치는 수직방향으로의 면진성능을 보유하고 있지 않아 수평 양방향으로만 가진되었다.

Fig. 9 Test motions for Test-1 corresponding to RRS of NRRA

Fig. 10 Shake table test setup

3.2 면진장치 선정

Fig. 11은 본 실험을 위해 선정된 두 가지 타입의 면진장치를 보여준다. 첫 번째는 리니어가이드와 스프링이 사용된 면진장치(Isolator-1)이고 두 번째는 볼베어링 방식의 면진장치(Isolator-2)이다. 두 타입 모두 장치 내부에 강재 구를 배치해 낮은 수평강성을 가지며 스프링 또는 곡면 플레이트를 통해 변형 후 원래 위치를 회복할 수 있게 설계되었다. Table 4는 각 면진장치의 제조사에 따른 허용 가능한 최대 변위와 하중을 보여준다. 진동대 실험에 앞서 실시한 자유진동실험을 통해 얻은 각 면진장치의 고유진동수와 감쇠비 또한 Table 4에 나타냈다. 첫 번째 면진장치(Isolator-1)는 0.41 Hz의 고유진동수와 3.4% 감쇠비를 가지며 두 번째 면진창지(Isolator-2)는 0.43 Hz의 고유진동수와 4.1% 감쇠비를 가지는 것으로 확인되었다.

Fig. 11 Base isolation devices used in this study

3.3 실험결과

진동대 실험 후 이미지 프로세싱을 통해 진동대와 캐비넷 상부의 수평 양방향 절대변위(absolute displacement)를 측정하였다. Fig. 12는 진동대와 캐비넷 상부의 시간에 따른 X방향 변위를 보여준다. 면진장치가 의도된 메커니즘대로 작용하였을 시 진동대의 움직임은 차단 또는 저감되어 면진장치 위의 캐비넷에 전달된다.

Fig. 12(a)는 선정된 두 가지 면진장치에 대해서 이러한 메커니즘이 효과적으로 작용하였음을 보여준다. Test-1에서 국립전파연구원의 RRS에 해당하는 가속도가 가해졌을 때 진동대는 46~50 mm의 최대 변위를 보였다. 이 때 캐비넷 상부의 최대 변위는 Isolator-1과 Isolator-2의 경우 각각 16 mm, 34.3 mm로 진동대의 변위가 저감된 것을 알 수 있다. 최대 변위를 기준으로 한 변위 비율(캐비넷/진동대)은 Isolator-1이 34%, Isolator-2가 74%를 보여 Isolator-1이 더 큰 변위 저감율을 보였다. 두 가지 면진장치의 응답저감 효과는 Test-1 종료 시까지 이어졌다. 반면 건물 A와 건물 B의 최상층 가속도가 적용된 Test-2와 Test-3은 앞선 Test-1과는 다른 경향을 보였다. Fig. 12(b)에서 기록된 Test-2의 진동대 최대 변위는 약 125~129 mm로 Test-1에 비해 증가하였고, Isolator-1과 Isolator-2가 적용된 캐비넷 상부 최대 변위는 각각 151.7 mm, 234 mm로 진동대 최대 변위를 크게 상회하였다. Test-2의 진동대 변위는 Test-1에 비해 확연히 저주파수(장주기) 특성을 띠고 있어 변위응답이 면진장치에 의해 저감되지 못하고 오히려 증폭된 것으로 판단된다. Test-2에서 Isolator-1과 Isolator-2의 변위 비율(캐비넷/진동대)은 각각 122%, 182%에 해당한다. 또한, Test-2에서 진동대의 큰 변위로 인해 Isolator-1과 Isolator-2 모두 면진장치의 상대변위(relative displacement)가 최대 허용범위(Table 4 참조)를 초과하였고 면진장치의 상·하판 충돌이 발생하면서 시험 종료 후에도 원래의 위치에서 이동한 형태(Fig. 12(b) 참조)를 보였다. Fig. 12(c)에 나타낸 Test-3 결과 또한 Test-2와 유사하다. 건물 B의 높은 층수와 고유주기로 인해 진동대의 최대 변위는 225~230 mm으로 더욱 증가하였고 캐비넷 상부 변위 또한 더욱 커졌다. Isolator-1의 경우 캐비넷 상부 최대 변위는 250.8 mm로 변위 비율(캐비넷/진동대) 111%를 기록하였고 면진장치의 수평이동(translation) 및 회전(rotation)이 발생하였다. Isolator-2 적용 시 시험 도중 과도한 변위로 인해 면진장치 내 볼베어링 일부가 이탈하였고 장치의 상·하판이 분리(separation)되어 시험이 조기 종료되었다. Fig. 13은 Test-3 종료 후 Isolator-1과 Isolator-2의 상태를 보여준다. Table 5에 수평 양방향(X, Y)에 대한 진동대와 캐비넷의 변위, 실험 종료 후 면진장치 상태 등을 포함한 주요 실험결과를 정리하였다.

Fig. 14에서는 수평 양방향으로 변형하는 면진장치의 거동을 동시에 분석하기 위해 면진장치의 상대변위를 나타내고 각 면진장치 변위의 최대 허용범위(Table 4 참조)와 함께 비교하였다. 이를 위해 면진장치의 하판은 진동대와 함께, 상판은 캐비넷과 함께 각각 일체 거동을 보인다는 가정하에 진동대-캐비넷 변위 차이를 계산하였다. Fig. 14(a)에서 Isolator-1과 Isolator-2는 최대 상대변위 59.1 mm, 70.2mm를 각각 기록하고 Test-1이 종료될 때까지 변위 허용범위 내에서 안정적인 거동을 보였다. 한편 Fig. 14(b)는 Test-2에서 Isolator-1(최대 상대변위 213.7 mm)과 Isolator-2(최대 상대변위 338.3 mm)는 모두 변위 허용범위를 초과하는 것을 보여주는데 특히 Isolator-2에서의 초과량이 훨씬 큰 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 Test-2에서 관찰되었던 두 면진장치의 상·하판의 충돌과 수평이동 및 회전을 뒷받침한다. Test-3에서는 진동대 변위가 증가함에 따라 면진장치의 상대변위 변동폭 또한 급격히 증가했다. 이러한 경향은 특히 X방향으로 두드러졌으며 Isolator-1의 경우 최대 상대변위 346 mm를 기록했고 이는 변위 허용범위(±150 mm)의 2배를 초과한 수치에 해당한다. Isolator-1의 수평이동 및 회전 또한 Test-2에 비해 증가했다. Isolator-2는 Isolator-1에 비해 더 큰 상대변위를 보였는데, X방향으로 약 400 mm의 상대변위를 보인 후 반대방향으로 크게 변형하여 베어링 이탈과 함께 상·하판의 완전한 분리가 발생(Fig. 13(b))하였다.

Figs. 12~14에 제시된 결과에 따르면 선정된 두 면진장치는 국립전파연구원의 RRS에 상응하는 입력지진이 적용된 Test-1에서 우수한 응답저감 효과와 함께 안정된 동적거동을 가졌지만 건물A와 B의 최상층 가속도 응답이 적용된 Test-2와 Test-3에서는 응답증폭 및 불안정한 거동을 보였다. 이는 1~35 Hz의 주파수 대역 내의 설계된 가속도에서는 면진장치의 메커니즘이 효과적으로 작용하지만, 고유주기 0.9초 이상의 중·고층건물에서 발생 가능한 1 Hz 이하의 저주파수 가속도에는 취약할 수 있음을 나타낸다. Test-2와 Test-3에서 면진장치의 수평이동, 회전 및 이탈이 관찰되었지만 캐비넷의 직접적인 손상 또는 완전 전도(overturning)는 발생하지 않았다. 하지만, 실험에 사용된 캐비넷의 경우 내부의 강재 플레이트가 하단부에 집중되어 있어 낮은 무게 중심과 함께 큰 안정성을 가졌을 것으로 판단된다. 만약 실제 통신장비를 상·하단부에 균등하게 탑재한 캐비넷이 면진장치에서 이탈되었을 경우 무게 중심이 상승된 캐비넷의 전도가 발생할 수 있을 것으로도 추측된다. 또한, 본 실험과는 달리 다양한 장비 및 시설이 밀집된 공간에서 면진장치의 과도한 이동 또는 이탈이 발생한다면 장비 간의 충돌로 인한 통신기능의 손실이 발생할 가능성도 존재한다.

따라서, 건물 내 방송통신설비를 위한 면진장치의 적용 시 면진장치의 특성 및 발생 가능한 동적하중에 대한 면밀한 검토가 필요할 것으로 사료된다.

Fig. 12 Displacement time history of shake table and cabinet in X-direction

Fig. 13 Status of base isolation devices after Test-3

Fig. 14 Relative displacement of base isolation devices