2.1.1 적층 고무베어링의 방진성능

도로교통, 지하철 및 철로변의 건축을 실현하기 위해서는 고체전달음을 차음 시키는 것이 가장 큰 과제라 할 수 있다. 고가도로 및 지하철 아래 건축에서는 이중구조가 많이 사용되어지고 있다^{(Mun et al., 2021; Khiavi et al., 2020)}.

하지만 그러한 상황 하에서도 거주공간과 집무공간을 확보하기 위해서는 충분한 방진방법의 사용이 어려운 경우가 많고, 시공적인 문제 또한 있으므로 실내 소음성능의 한계는 일반적인 사무실 레벨에 머무르고 있는 실정이다. Fig. 1은 연직방향의 고유진동수가 6Hz로 감쇠가 3.0%인 방진+면진 적층고무와 연직방향의 고유진동수가 15Hz로 감쇠가 3.0%인 일반 면직적층고무의 연진방향의 진동전달율을 비교한 결과이다. 열차진동에서 탁월진동수로 나타나는 60Hz에 대한 진동전달율에 있어서 면진방진 적층고무는 일반적인 면진적층고무의 약 6.0배에 해당하는 방진성능을 가지는 것을 알 수 있다.

Fig. 1 Expected effects of vibration reduction from vibration proof and seismic isolation devices

2.1.2. 기존 적층고무와 방진고무의 특징 비교

고무의 형태적인 특징으로 볼 때, 방진고무는 1차 형상계수가 약 3.0 이하로 층수 1개 또는 2층 정도가 일반적인 반면, 면진 적층고무는 1차 형상계수가 약 20.0 이하이며, 층수도 20 전후이고 중간 철판 6㎜ 전후의 것이 대부분이다. Fig. 2와 같이 사용면압과 1차 형상계수에 착안하면 방진고무는 1차 형상계수가 작고 저면압인 반면, 면진 적층고무는 1차 형상계수가 크고 고면압이다^{(Hwang et al., 2018; Kim et al., 2018; Kim et al., 2017; Hur et al., 2017)}.

지금까지의 방진고무와 면진 적층고무는 1차 형상계수, 사용 면압, 고무층수가 상반되는 방향으로의 개발을 통하여 기능의 차이를 명확히 하여 왔다. 이러한 사실은 Fig. 3과 같이 두 영역 사이의 활용되지 않은 영역이 존재함을 알 수 있다.

Fig. 2 Configurations of seismic isolation and vibration proof rubber

Fig. 3 The first shape factor and surface pressure

2.2.1 3차원 액세스플로어 면진시스템

원전 주제어실의 액세스 플로어에 3차원 층 면진시스템을 도입하여 지진응답을 감소시킨 사례이다. 3차원 면진장치는 마찰진자 베어링과 에어스프링, 그리고 댐퍼의 조합으로 구성되어 있다(Fig. 4) ^{(Ham et al., 2006)}.

수평방향 면진장치로 마찰진자 베어링이 사용하였고, 수평방향의 설계진동수는 0.5Hz이다. 설계압축하중은 20kN, 곡률반경은 0.99m이다. 에어스프링은 수직방향 면진장치로서 수직방향 설계진동수는 2Hz이고, 수직하중 용량은 공기압 52 psi를 주입하였을 때 기준으로 7.0 kN/EA이다. 3차원 면진시스템에서 크게 문제가 되는 점은 수평방향과 수직방향 지진동이 동시에 가진될 때 가진방향과 수직방향으로 흔들리는 로킹(Rocking)현상이 발생하고, 이로 인하여 과도한 변위가 발생할 수 있다는 점이다. 이러한 변위를 제어하기 위해서 점성댐퍼를 도입하여 수평/수직방향 가진에 의해 변위를 제어하도록 하였다. 진동대 실험결과에서는 최대응답가속도가 10~30% 정도의 저감 특성을 나타내었다.

Fig. 4 3D floor seismic isolation device

2.2.2 에스코 알티에스 시스템(ESCO RTS)

ESCO RTS 시스템은 EQS(Eradi Quake System)과 연직 마찰시스템을 조합한 시스템이다(Fig. 5). EQS는 마찰면과 측면스프링에 의해 수평면진 기능을 갖는 교량 받침용 면진장치이며, 연직 마찰시스템(Friction system)은 경사면과 마찰재에 의한 감쇠 및 중앙과 측면스프링에 의한 복원 및 감쇠기능을 갖는 장치이다. 이동방향에 따라 변위와 반대방향의 마찰력을 작용시켜 면진효과를 가지게 하는 원리이다.

Fig. 5 Configuration of EQS

2.3.1 중국: Beijing 지하철역 플랫폼 상부 주거건물

베이징 지하철 역사 플랫폼 상부에 9층 규모의 철근콘크리트 건물이 건립되었다. 철근콘크리트 건물 하부에 철도의 진동 및 지진보호를 위해 3차원 면진장치가 사용되었다. 사용된 면진시스템은 Fig. 6과 같이 적층고무베어링 면진장치에 수직방향의 방진을 위한 고무패드를 추가한 시스템이다^{(Wei et al., 2008)}.

3차원 면진장치가 적용된 건물은 베이징에 있는 플랫폼으로 크기는 폭 1,500 m, 길이 2,000 m이다. 건물이 플랫폼 상부에 지어졌는데 이 중 2개의 건물에 3차원 면진장치가 적용되었다. 면진장치의 수직강성은 37,193 kN/㎜이고, 수직방향 고유주기는 8.61 Hz이다.

Fig. 6 Configuration of 3D seismic isolation device

2.3.2 일본: 에어스프링 방식

에어스프링 방식의 3차원 면진장치는 LRB(Laminated Rubber Bearing)와 rolling seal 타입의 공기스프링 장치로 구성된 장치이다^{(Junji et al., 2005)}. 수평방향 면진장치인 LRB와 수직방향 면진장치인 공기스프링은 독립적으로 작용하며, 에어탱크와 레벨 측정장치에 의해 자동으로 높이를 유지한다. 공기압은 평상시는 1.6 MPa, 지진시에는 2.0 MPa이며, 장치의 수직지지능력은 9,800 kN이다. Fig. 7은 3차원 면진장치 형상을 나타낸 것이다.

Fig. 7 Air spring 3D seismic isolation

2.3.3 일본: 금속벨로 우즈 방식

금속 벨로우즈를 이용한 3차원 면진시스템으로 Fig. 8과 같이 상부에는 LRB를 설치하여 수평방향 면진을 구현하고, 하부는 벨로우즈 시스템에 의해 수직방향 진동을 감소시킨 시스템이다. 벨로우즈는 메인 벨로우즈와 보조 벨로우즈의 이중으로 구성된다(Seitaro et al., 2003).

Fig. 8 Bellows 3D seismic isolation

2.3.4 일본: 볼베어링형

지진에 의한 진동을 면진층이 흡수해 컴퓨터 등 주요기기의 진도나 파손을 방지하는 구조이다. 볼베어링과 공기스프링의 병용에 의해 수평 및 수직방향의 층가속도를 저감하는 3차원 볼베어링 방식이다. 수평방향용 면진장치인 볼베어링의 경우 1/8~1/10정도 저감효과가 있으며, 수직방향에 대해서는 1/2~1/10정도 저감효과가 있다. 수직방향에 대해서는 1/2~1/4정도 저감효과가 있으며, 층가속도를 200 gal(=cm/s2) 이하로 억제해 서버 등의 전도를 막는 효과가 있다^{(Seito et al., 2003)}.

2.3.5 미국: Benaroya 콘서트 홀의 3축 면진장치

Benaroya 콘서트 홀은 인접한 철도와 도로에 의한 진동 문제가 예상되어, Fig. 9와 같이 수평 및 수직방향으로 고무패드로 구성된 3축 면진장치를 기초에 설치하였다^{(Wilson, 1998)}.

Fig. 9 Tri-axial seismic isolation device

2.3.6 이탈리아: Elcolano 고대 선박지지 면진장치

로마시대 선박 전시를 위한 지지대에 사용된 3차원 면진장치로 그 형상은 Fig. 10과 같다. 수평방향에 대해서는 볼베어링에 의해 가속도를 저감하게 되며, 수직방향에 대해서는 철재 스프링에 의해 면진효과를 얻는다^{(Riccardo et al., 2004)}.

Fig. 10 Ship support 3D seismic isolation device

3.2.1 대상구조물-공동주택

교통하중(고속열차)을 받는 공동주택에 대한 THIS의 수직진동 저감 성능을 해석적으로 검증하기 위해 일반적인 공동주택(Fig. 12)을 대상 구조물로 선정하였다. 대상 구조물은 총 16층의 철근콘크리트 벽식구조로, 가구당 전용면적 58 m2의 6호 조합이고, 콘크리트 압축강도와 철근 항복강도는 지하 1층부터 지상 1층까지 24MPa, 지상 2층부터 옥상층까지는 21MPa, 400MPa로 시공되었다. 풍하중은 설계기본풍속(Vo)으로 38.0 m/sec, 노풍도는 D로 고려하였다. 지진하중은 지역계수, 0.11과 S3지반, 1.2의 중요도 계수(IW)를 고려하였다.

대상구조물의 동특성을 파악하기 위하여 상용 구조해석 프로그램인 MIDAS GEN(2023)을 사용하여 고유치해석을 수행하였다. 바닥판은 Diaphragm을 고려하지 않고, Plate 요소로 모델링 하였다. 콘크리트의 탄성계수는 진동을 위한 바닥판 설계 가이드인 ^{SCI-P354(2009)}에서 제안하는 38 GPa을 적용하였고 보수적인 평가를 위하여 활하중을 제외하고 고정하중을 질량으로 고려하였다. 고유치 해석 결과, Fig. 13과 같이 단변방향(Y방향)은 3.37 Hz의 병진 모드로, 수직방향(Z방향)은 18.7 Hz의 글로벌한 수직진동모드가 식별되었다.

일반적으로 강구조물은 슬래브 단부의 구속이 상대적으로 자유롭고 장경간으로 구축되기 때문에, 관심 진동수 대역이 약 10 Hz 내외로 낮아 보행에 의한 하모닉 효과가 주된 평가 요소이다^{(SCI, 2009;} AISC, 2016). 반면에, RC조의 공동주택은 단위 면적당 슬래브의 무게가 상대적으로 크고 단부가 보와 상하부의 벽체로 강하게 구속되어 있으며 경간이 3~5 m 수준으로 짧아 바닥판의 진동수가 매우 높은 특징을 가진다. 1차 고유진동수가 약 9~10 Hz 이상의 바닥판의 경우 AISC와 SCI에서는 보행에 의한 공진 효과를 고려하지 않고, 질량과 감쇠비를 주요 평가 요소로 고려한다. 하지만, 기계장치나 열차와 같이 반복 주기가 짧고 강한 충격하중은 고주파수의 바닥판에 하모닉을 유발해 공진시키거나 큰 펄스 응답이 발생해 재실자의 불쾌감을 유발할 가능성이 있다. 따라서 고속열차 통과에 의한 인접 구조물의 수직 방향 사용성 평가에 반드시 바닥판 응답에 대한 사용성 평가가 수반되어야 한다.

재실자가 침실에 누워있어 수직진동을 민감하게 느끼는 상태를 가정하여 침실 바닥판 중앙에 1 kN의 펄스 응답을 구하고 주파수 분석하였다. 그 결과, 침실 바닥판의 고유진동수는 44.4 Hz로 식별되었고, 펄스 응답의 시간이력과 고속 푸리에 변환(Fast Fourier Transform, FFT)을 Fig. 14에 나타내었다.

Fig. 12 Structural plan of typical floor

Fig. 13 Eigenvalue analysis of the model

Fig. 14 Time-history and Fourier Transform of pulse response at the center of slab of a bedroom

3.2.2 수치모델

3.2.1의 대상 구조물에 대한 THIS의 성능을 검증하기 위하여 수치모델을 Fig. 15(b-c)와 같이 2차원(Y-Z plane)으로 제작하였다. 이 모델을 Fig. 15(a)와 같이 Axial-flexural element로 구성하고 각 층에 수평 부재로 연결된 노드를 둠으로써, 지반의 수직진동이 기둥의 인장과 압축, 휨 거동으로 상층부에 전달되고, 각 층에 보의 휨 거동으로 바닥판이 진동하는 원리를 구현하였다.

제어 대상 구조물에서 부재별 강성행렬과 감쇠행렬은 Eqs. (1)과 (2)와 같이 구성하였고, 부재의 경사각(θ )에 대해 Eq. (3)과 같은 회전 변환행렬을 고려하여 Eqs. (4a)와 (4b)와 같이 글로벌 강성행렬과 감쇠행렬을 구성하였다.

(1)

(2)

(3)

여기서, KL과 Ko, A, L, I, E, CL, Co, cu, cv, R은 부재와 글로벌 강성행렬, 부재의 면적, 길이, 단면 2차 모멘트, 탄성계수, 부재와 글로벌 감쇠행렬, 축과 전단방향 감쇠계수를 나타낸다. 탄성계수는 SCI—P354에서 제안하는 38 GPa을 적용하였고, 기둥의 면적과 높이는 대상구조물의 벽체 면적과 층고로 가정하였고, 기둥의 휨강성과 보의 단면 특성은 상용구조해석프로그램의 고유치해석(Fig. 15)과 유사한 동특성을 가지도록 정하여, 수치모델이 횡방향 3.37 Hz, 수직방향 18.1 Hz의 진동수와 3%의 감쇠비를 가지도록 하였다.

THIS가 적용된 구조해석모델은 Fig. 15(c)와 같이 1개 층을 추가하여 면진장치 상부에 시공되는 RC 매트를 구현하였고, RC 매트의 질량은 층 질량과 같다고 가정하였다. 또한, 일반적으로 면진장치는 적층고무에 납봉(Lead plug)을 삽입하거나 고감쇠 고무의 재료적 특성을 이용하여 이력형 거동(Hysteretic behavior)을 보인다. 하지만 수직 방향의 진동은 변위와 속도가 매우 작아 탄성 거동을 보이고, 감쇠의 영향이 매우 적다. 따라서, 본 연구에서 THIS의 강성은 선형으로 가정하였고, 면진받침의 축과 전단 강성(Ki)은 대상 구조물에서 기둥 강성과의 비율, α로 고려하였다(Eq. (5a)). 감쇠 특성은 선형 감쇠를 가정하여 대상 구조물에서 기둥의 강성과 노드별 질량에 대한 비율로 표현하였다(Eq. (5b)).

여기서, Ki, α, ci, ξi, mo, ko는 면진받침의 강성행렬, 기둥과면진받침의 강성비, 면진받침의 감쇠계수, 감쇠비, 절점 질량, 층강성이다.

면진장치의 강성은 상부구조물(Super-structure)의 강체거동을 기대하며 원구조물 고유주기의 배수의 주기를 가지도록 설계된다. 이를 차용하여 THIS의 수직진동 평가에도 원 구조물의 1차 고유주기 대비 THIS 구조물의 1차 고유주기의 비율에 대하여 원 구조물의 기둥열과 슬래브의 수직진동응답이 얼마나 감소하거나 증폭하는지 알아보고자 한다. 이를 위하여 Eq. (5a)에서 α를 아래 Eqs. (6a)와 (6b)와 같이 구성하여 다양한 주기비에 대하여 해석하였다.

또한, THIS의 감쇠수준에 따른 구조물의 응답 저감효과를 알아보기 위하여 Eq. (5b)에서 감쇠비(ξi)를 0.001부터 0.1까지 변화시켜가며 해석을 수행하였다.

Fig. 15 Degree of freedom of an element and numerical models for analysis

3.2.3 교통하중(고속열차)

계측 지역을 통과하는 경부선 고속열차(KTX)의 SR분기-둔포중간기계실 구간 기준 평균속도는 186.0 km/h로, KTX 차륜의 직경이 920 mm임을 고려할 때, 아래 Eq. 7에 의해 약 17.9 Hz(=1,072 rpm) 내외의 주파수 응답과 이로 인한 하모닉 효과가 발생할 것으로 판단된다.

여기서, vt, D, rm은 각각 차륜형 차량의 속도, 차륜의 직경, 차륜의 1분당 회전수를 의미한다.

고속열차에 의한 하중 특성과 고속열차 통과 시 철로에 인접한 구조물에 전달되는 수직방향 진동을 계측하였다. 계측은 충청남도 아산시 둔포면 소재 고속철도 인근 구조물에서 60분 동안 수직방향 가속도를 계측하였고, 계측된 가속도의 시간이력과 파워 스펙트럼 밀도(Power Spectrum Density, PSD)는 Fig. 16과 같다. 그림에서 고속열차가 통과함에 따라 약 3.32 Hz의 주파수 응답과 이로 인한 정수배의 하모닉이 연달아 발생하는 것을 확인 할 수 있다. 특히 이러한 하모닉은 점점 크기가 증폭되면서 바닥판의 고유진동수로 식별되었던 약 40 Hz 부근까지 지속되는 것을 확인 할 수 있다.

바닥판의 진동 해석을 하기 위하여 Fig. 16(a)에서 마지막 4회(11~14 번째)의 고속열차 통과 시 가속도 데이터를 3.2.2에서 선술한 수치모델에 교통하중으로 적용하였다.

수치해석에 적용한 열차 통과 시 가속도 응답 특성을 확인하기 위하여 Fig. 17에 11~14번째 열차가 통과할 때 36초간의 가속도 데이터에 대한 시간이력과 PSD를 나타내었다. 또한, PSD의 경우, 열차가 통과하지 않을 때 가속도에 대한 PSD를 함께 표시하여 열차하중의 주파수 특성과 계측지점의 주파수 응답 특성을 구분하였다. 그림에서 열차들은 약 16.8~17.3 Hz 대역에서 충격응답이 나타나고, 이를 Eq. (7)에 의해 속도로 변환하면, 약 174.8~180.1 km/h로 추정할 수 있다.

수직방향 진동해석의 초기조건은 중력가속도에 의해 기둥과 바닥판, 면진고무등이 모두 정적변형이 일어났을 때의 변위와 0의 속도이기 때문에, 이를 구현하기 위하여 쌍곡선 탄젠트함수(Hyperbolic tangent function)으로 정적변형을 모사하였고 이후에 열차 진동이 발생하도록 하였다. 수치해석방법은 상태-공간방정식(State-Space Equation)을 적용하였다.

Fig. 16 Time-history and PSD of the vertical acceleration measured at the adjacent ground to high-speed railway

Fig. 17 Time-history and PSD of acceleration induced by the passage of the 11th to 14th high-speed trains

3.2.4 수직진동 사용성 평가 기준

건물의 수직 또는 수평의 과도한 진동은 일시적으로 재실자가 불쾌감이나 어지러움을 느끼게 하고, 장기적으로 건강에 영향을 미칠 수 있다^{(ISO, 2003)}. 이를 방지하기 위하여 ISO 2631-2, DIN 4150-2, AIJ-2631-1, ANSI S3.29-1983 등과 같은 다양한 기준에서 진동의 평가 방법과 방향별 진동 제한 수준을 제시하고 있다. 사람의 감각은 소리나 진동을 1 Hz 단위로 세밀하게 분별하지 못하여, 1 kHz를 기준으로 2-1/3 배 한 주파수를 중심으로 하는 진동수 대역별로 필터링하는 1/3 옥타브 대역 분석을 통해 평가한다. ISO 2631-2는 사람이 가장 민감하게 느끼는 4-8 Hz 대역은 가장 낮은 수준의 가속도, 그보다 낮거나 높은 대역은 더 높은 수준의 가속도를 허용한다. 40 Hz를 초과하는 진동은 고체의 진동음과의 복합적인 영향이 있어 진동만으로 평가하지 않는다.

일본의 AIJES-V001-2004의 수직 진동 기준은 계측 지점에 서 있는 사람이 진동을 감지할 확률을 10, 30, 50, 70, 90%로 나누어 진동 수준을 구분한다. 3 Hz 이하는 평가하지 않고, 30 Hz 이상의 고진동수는 고체 진동음과의 복합적인 평가를 위하여 가속도 평가 기준을 제시하지 않는다. 일본의 환경청은 공장이나 교통에 의한 진동 영향 평가를 위하여 진동규제법을 제정하고, 주거지역에서 낮과 밤의 지반 가속도를 각각 1.8과 1.0 cm/s2으로 제한하여 지방정부에서 감시와 규제하도록 하였다.

영국의 SCI-P354는 1/3 옥타브 대역별 RMS 가속도를 평가하는데, ISO 10137에서 정한 주파수 대역별 기본 진동 수준(Base line)에 용도별 R계수를 곱하여 진동 제한 수준을 정하고 있다. 주거지의 경우, 주간과 심야에 각각 R=2, 1.4를 고려한다.

미국의 AISC DG 11은 주파수 대역별 최대 가속도를 중력가속도에 대한 백분율을 평가지표로 삼고, SCI-P354와 마찬가지로 용도에 따라 ISO 10137의 base line을 정수배하여 진동을 제한하고 있다.

3.3.1 해석 결과

강성비(α)의 종속변수인 주기비와 THIS의 감쇠비에 따른 가속도와 변위 응답 증폭비를 최저층(1F)과 최상층(16F)으로 구분하여 Fig. 18와 Fig. 19에 각각 정리하였다. 그림에서 Sx와 xo 는 THIS가 적용된 구조물과 원구조물의 특정 위치에서 응답의 최댓값(Eqs. (7a)와 (7b))을 나타낸다.

Fig. 18에서 흑색 실선과 쇄선은 1층 바닥판과 THIS 윗면의 수직 응답이고, 회색 실선과 쇄선은 16층 바닥판과 기둥의 수직응답을 나타낸다.

주기비에 따른 변위 증폭 양상을 나타낸 Fig. 18(a)에서 바닥판의 고유진동수(=44.4 Hz)가 매우 높음에도 불구하고 기둥에 비해 바닥판의 진동 수준이 큰 것을 알 수 있다. 또한, 저층의 응답이 상층부보다 작게 나타나는데, 이는 외부 진동원(고속열차)에 의한 수직진동이 THIS를 통과해 1층에 바로 전달되는 반면, 상층부는 THIS와의 거리에 따라 거리감쇠가 작용하여

응답이 줄어들기 때문으로 판단된다. 변위 응답은 주기비가 1보다 커지면, 즉, THIS의 강성이 원구조물의 강성보다 작아지기 시작하면, 응답이 급격히 작아지고, 2 이상의 주기비에 대하여 제어 효율이 높낮이를 반복하여 큰 변화가 없는 것을 알 수 있다.

주기비에 따른 가속도 응답 증폭비를 나타내는 Fig. 18(b)에서 층별로 주기비가 커짐에 따라 응답이 증폭되었다가 특정 주기비 이상에서 응답이 감소하기 시작해 최적화되는 양상을 나타낸다. 특히, 주기비 1.1 이하에서 최상층 응답이 3배 가까이 증폭되는 현상이 관찰되는데, 이는 THIS가 방진 작용을 전혀하지 못하고, 축강성이 떨어지는 일반 층과같이 거동하기 때문이다. 이러한 임계 주기비는 층이 낮아지면서 점점 커져 최하층(1F)에서는 3까지 나타나는 것을 알 수 있다. 이러한 임계 주기비를 지나면 가속도 응답은 급격히 작아지기 시작해, 5의 주기비(α=0.006)를 지나면 일정한 수준으로 유지되는 것을 확인 할 수 있다. 따라서 최하층이 주거지일 경우 주기비를 5 이상으로 설계하고, 저층부에 상업시설이 입점해 진동에 덜 민감하다면 방진고무 두께를 줄여 더 낮은 주기비로 설계할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 18(c)와 18(d)는 Fig. 18(b)에서 식별된 0.006의 강성비를 적용하여 THIS의 감쇠비를 0.001부터 0.1까지 변화할 때 변위와 가속도의 응답 증폭비를 나타낸 그림이다. 1층 바닥판의 변위 응답이 감쇠가 증가함에 따라 점점 낮아지는 양상을 보이지만, 0.001의 매우 작은 감쇠비에 대해서도 이미 약 0.43배의 응답이 저감되었고, 10% 이하의 감쇠비에 대하여 기둥과 바닥판의 응답 저감효과가 유의미하게 개선되지 않았다. 이는 수직방향 진동은 수평방향에 비해 그 변형 수준이 너무 작아 감쇠가 작용하기 어려운 조건이기 때문으로 판단된다.

Fig. 19는 THIS의 강성비가 0.006이고, 감쇠비가 0.03일 때 각각 1층과 16층 바닥판의 가속도 시간이력을 나타낸 그림으로, 회색선은 원구조물이고, 흑색선은 THIS 구조물의 가속도 응답을 나타낸다. THIS가 적용되지 않은 구조물에서 1층과 16층의 응답(회색선)을 비교하면, THIS가 적용되지 않은 구조물의 바닥판의 가속도는 층이 높아질수록 최대 3배까지 증폭되는 것을 알 수 있다. 하지만 THIS가 적용된 구조물의 응답(흑색선)에서 층별 응답의 차이가 거의 없고, 이는 방진고무에 의해 상부 구조물이 강체 거동하였기 때문이다.

Fig. 18 Response magnification for period and damping ratio

Fig. 19 Comparison of acceleration responses induced by the passage of each high-speed train of a primary structure and THIS-structures with 0.006 and 0.03 of stiffness and damping ratio respectively

3.3.2 수직 진동 사용성 평가

계측된 입력 가속도와, 해석을 통해 얻은 원구조물과 THIS가 적용된 구조물에서 각각 1층과 16층의 바닥판 수직 가속도 를 1/3 옥타브 대역 분석과 AIJES-V001-2004와 SCI-P354, AISC DG11에 따라 평가하여 Fig. 20에 도시하였다.

AIJ 기준에 따르면, 비면진 구조물의 바닥판 응답은 증폭되어 16~40 Hz 대역에서 최대 약 8.5 cm/s2이 나타났고, THIS의 적용에 의해 1/3 옥타브 대역 중심주파수로서 31.5 Hz 미만의 모든 주파수에서 1.8 cm/s2이하로 떨어져 주거용 수직 진동사용성 기준을 만족하였다.

SCI-P354에 따르면, 역시 비면진 구조물의 바닥판 응답 증폭으로 최상층에서 일반 사무실 수준을 만족하지 못하고, 1층에서는 주거 수준을 만족하지 못하였다. 하지만, THIS가 적용됨에 따라 모든 주파수 영역에서 주간 주거지 사용성 기준을 만족하였다. 야간 주거지 사용성 기준은 야간에는 고속열차가 운행하지 않기 때문에 고속철도 하중을 받는 주거시설에 대하여 유의미한 판정 기준은 아닐 것으로 판단된다.

마지막으로, AISC DG11에 따라 1/3옥타브 대역별 최대 가속도로 사용성을 평가한 결과, 비면진 구조물에서 최상층의 응답이 일반사무실 및 주거지 사용성 기준을 만족하지 못하였으나, 역시 THIS를 적용함에 따라 모두 주거지 사용성 기준을 만족한 것을 알 수 있다.

Fig. 20 Serviceability evaluation of slabs subjected to vertical vibration induced by high-speed trains in accordance with design guidelines (AIJES-V001-2004, SCI-P354, AISC DG11)