2.1.1 실험 셋업

실규모의 2층 철골 구조물에 건축 및 비건축 비구조요소의 현행 비내진상세와 면진상세를 적용하여 두 차례의 진동대 실험을 수행하였다. 철골 구조물 내부에는 건축 비구조요소 (외장재, 내장재, 천장재, 이중바닥) 4종과 전기 및 기타 비구조요소 (무정전전원장치, 배관, 수조) 3종을 포함하여 총 7종의 비구조요소를 설치하였다. 전체적인 실험 셋업 모습은 Fig. 1에서 제시되어 있으며 본 연구대상인 UPS를 제외한 다른 비구조요소들은 그림에서 생략하였다.

Fig. 1 Test set up

UPS의 경우 일반적으로 구조물의 지하 또는 지상 1층에 설치되는 점을 고려하여 철골 구조물의 1층 왼쪽 측면에 설치하였다. UPS가 설치된 철골 구조물을 기준으로 좌우측에 기둥 프레임을 설치하고, 프레임에 와이어 LVDT를 부착하여 UPS와 구조물의 상대 변위를 계측하였다. 2층 철골 구조물은 크기 9.0 m × 4.5 m, 높이 7.2 m의 규모이며 주요 부재의 제원과 구조물의 치수는 Table 1과 Fig. 2에 제시되어 있다.

Fig. 2 Details of 2-stories steel structure

구조물의 각 층은 7개의 거더와 2개의 보로 이루어져 있으며, 그 위에 크기 9.2m × 4.7m, 두께 0.11m인 철근 콘크리트 슬래브를 설치하였다. 슬래브는 1, 2층과 옥상까지 총 3개로 각 층에 설치된 기둥 6개와 연결되며 기둥의 상단과 하단에는 각 12개의 M24 볼트를 통해 체결되었다. 슬래브의 개당 무게는 약 10t으로 3개의 슬래브가 설치된 구조물의 총 자중은 약 58tf이며 모든 비구조요소를 설치한 구조물의 총 중량은 대략 60tf로 측정되었다. 동특성해석을 통해 2층 철골 구조물의 고유주기 및 진동수를 산정하였으며 2차 모드까지 분석하였다. 1차 고유주기는 0.45 sec, 고유진동수는 2.22 Hz이며 2차 고유주기는 0.17 sec, 고유진동수는 5.88 Hz로 확인되었다.

2.1.2 진동대 실험방법 및 가진계획

7종의 비구조요소가 설치된 2층 규모 구조물의 총 중량과 크기를 고려한 두 개의 진동대는 가력 변위를 실시간으로 동기화하여 실험을 진행하였다. 두 진동대의 크기는 각각 5.0 m × 5.0 m로 가용 중량은 각각 30tf, 60tf으로 자세한 사양 및 성능은 Table 2에서 제시하고 있다. 구조물의 일체화된 거동을 위하여 각각의 진동대인 Table A, B에 각 2개씩 총 4개의 베이스 거더를 설치한 후 베이스 거더 위에 2층 철골 구조물을 연결하였다.

이때, 4개의 베이스 거더와 진동대는 총 32개의 M30 볼트로 체결되었다. 2층 철골 구조물의 기둥 6개를 통해 베이스 거더가 연결되었으며 기둥의 상단과 하단에는 각 12개의 M24 볼트를 통해 체결되었다.

진동대 실험은 [12]ICC-ES AC156 (2010)을 따라 구조물의 장변방향에 대해 1축으로 가진하였으며, AC156에서 제시하고 있는 요구응답스펙트럼을 이용하여 생성된 인공지진파가 사용되었다. 설계스펙트럼가속도 $S_{DS}$는 KDS 41 17 (2019)의 지진구역Ⅱ, 지반은 $S_{D}$로 가정하여 산정하였으며, 아래의 식 (1)과 (2)를 통해 수평 방향 요구응답스펙트럼 가속도 ($A_{FLX-H}$, $A_{RIG-H}$) 를 산정하였다.

이때, 본 실험대상인 UPS가 1층에 설치되므로 높이 계수비 $z/h$를 0으로 적용하였다 (Table 3).

진동대 실험을 위해 생성된 인공지진파의 응답스펙트럼 (Target Response Spectrum, TRS)이 AC 156에서 제시하고 있는 요구응답스페트럼 (Required Response Spectrum, RRS)를 만족하고 있음을 확인하기 위하여 Fig. 3은 TRS와 RRS를 비교하고 있다. TRS가 AC 156 기준에서 제시하는 1.3 Hz 이상 주파수 영역을 포함하고 있음을 확인하였다.

요구응답스펙트럼의 가속도를 기준으로 지진하중 크기를 증가시켜 실험을 수행하였다. 비내진상세를 사용한 1차 진동대실험에서는 인공지진파 크기의 30%, 60%, 100%, 150%까지 각각 점증가진하였다. 2차 진동대실험에서는 면진상세를 적용하므로 인공지진파 크기의 180%까지 가진하였다. 가진 계획은 Table 4와 같으며 공진 주파수 탐색실험의 경우 1분 이내 동안 1~50Hz의 주파수 범위로 가진하였다.

Fig. 3 Comparison between spectra of input acceleration and RRS target

2.1.3 계측 계획

2층 철골 구조물의 거동 분석을 위하여 가속도 및 변위를 계측하였으며 계측 계획은 Fig. 4와 같다. 가속도 계측을 위하여 각 층의 슬래브 중앙에 3축 가속도계를 총 3개 설치하였다. 철골 구조물 우측의 정면과 후면 방향에 대한 변위 계측을 위하여 구조물의 우측에 프레임을 추가적으로 설치하여 총 6개의 와이어 LVDT를 부착하였다.

Fig. 4 Measurement location at 2-stories steel structure

2.2.1 무정전전원장치 및 비내진정착상세

본 연구대상인 무정전전원장치는 전기가 중단되거나 전압변동과 같은 장애 발생 시 안정적인 전기공급에 도움을 주는 전력설비이다. 1, 2차 진동대실험에 사용한 UPS는 IEC – 60950 (International Electrotechnical Commission 2019) 규격에 따른 100 kVA 용량이며, 크기는 750 mm × 800 mm, 높이는 1800 mm로 총 중량은 800 kg이다. UPS의 외관은 케비넷 형태로 구성되어 있으며 내부에는 변압기, 냉각기, 컨트롤 스위치와 같은 다양한 부품이 설치되어 있다. 특히 변압기의 경우 제조사의 규격에 따르면 총 질량 중 약 50%를 차지하고 있다. 이에 따른 UPS의 무게중심은 변압기가 설치된 수직 방향의 높이 1/3, 평면상 중심에 위치하고 있다 (Fig. 5). 1차 실험에 사용된 내진보강 전 UPS는 Fig. 5(a)와 같으며 하단부에 X 방향으로 2개의 ㄷ형강이 설치되고 ㄷ형강은 슬래브에 M16 웨지앵커 4개로 정착하는 상세를 가진다.

Fig. 5 Details of tested UPS

2.2.2 정착부 면진장치 상세

비내진정착상세를 가지는 UPS의 경우 지진 발생 시 가속도에 취약하며 특히 내부부품에서 큰 응답가속도를 보인다 ([1]Lee et al.,2019). 이는 내부부품의 손상을 유발하여 설비의 기능수행에 큰 장애를 초래할 수 있다. 따라서 본 연구에서는 가속도에 민감성을 보이는 UPS의 내진보강을 위하여 고감쇠고무와 와이어 면진장치로 구성된 복합면진장치를 개발하였다 (Fig. 6). 일본 면진 협회에서는 효과적인 감쇠 성능을 위하여 고감쇠고무에 약 6 MPa의 압축응력이 재하되어야 한다고 규정하고 있다 ^{(Japan Society of Seismic Isolation, 2002)}.

Fig. 6 Details of combined isolator system installed with rails

본 연구에서는 Fig. 7과 같이 고감쇠고무 위에 와이어 면진장치를 배치하여 2층 구조로 구성하였다. 또한, 고감쇠고무의 양 끝단에 프리스트레싱 와이어를 도입하여 고감쇠고무에 압축응력을 받을 수 있도록 개발하였다. 프리스트레싱 와이어에 볼트 조임을 통하여 6 MPa의 인장응력을 가력하였으며 이를 통해 고감쇠고무에 동일한 면압이 적용될 수 있도록 설계하였다. 볼트를 통해 인장응력을 가력한 후, 프리스트레싱 와이어를 연결하고 있는 볼트 풀림을 방지하기 위하여 용접으로 고정하였다. 프리스트레싱 와이어를 설치함에 따라 고감쇠고무가 받는 낮은 면압을 보완하고 소형기기에서도 사용이 가능하였다. 고감쇠고무의 최소 면압을 위하여 프리스트레싱 와이어의 도입뿐만 아니라 와이어면진장치를 직렬배치함에 따라 요구 면압을 확보하였다. 와이어 면진장치의 경우 강성 및 감쇠가 우수하여 국외에서 기계 및 전기 설비에 많이 적용되고 있는 면진장치로써 2층에 배치함에 따라 에너지 소산을 증대할 수 있도록 설계하였다. 복합면진장치의 각 구성요소에 대한 제원을 Table 5에서 나타내고 있다.

Fig. 7 Photo of combined isolator system

개발된 복합면진장치는 2차 진동대 실험에서 UPS에 적용하였다. 비내진정착상세인 ㄷ형강 다리부를 대신하여 UPS의 하단부에 복합면진장치를 설치하였다. 이때, 설치의 편이를 위하여 레일 내부에 2개의 복합면진장치를 설치되도록 레일형으로 제작하여 설치하였다.

2.2.3 계측 계획

복합면진장치의 적용 여부에 따른 UPS의 동적 특성을 분석하기 위하여 가속도와 변위를 계측하였다. 이를 위해 3축 가속도계 5개 (Acc 1,2.3,4,5)와 와이어 변위계 (Wire LVDT ①, ②, ③ , ④) 4개를 설치하였다. 1, 2차 진동대실험의 동적 응답을 비교하기 위하여 두 실험의 계측 계획 및 계측기의 위치는 동일하게 적용하였다 (Fig. 8). 3축 가속도계는 UPS의 상하부 (Acc 1, 2)와 내부부품 중 컨트롤 스위치 (Acc 3), 냉각기 프레임 (Acc 4), 변압기 (Acc 5)에 부착하였다. UPS의 상대변위를 계측하기 위하여 2층 구조물의 좌측에 Wire LVDT 부착할 수 있는 프레임을 설치하였으며, 이를 통해 UPS 상하부의 X, Y 방향에 대한 변위를 도출하였다.

Fig. 8 Measurement location of UPS