2.1 실험체 개요

면진 테이블은 Fig. 1(a)와 같으며 가로 880 mm, 세로 880 mm, 높이 160 mm이며, 중량은 650 kg, 구성은 상⋅중⋅하부판, 부반력 환봉, 부반력 블록, 펜들럼으로 제작하였다. 면진 테이블은 설계 지진의 2배인 0.6 g에서도 하중과 변위를 수용할 수 있도록 설계 제작하였다.

본 연구에서는 축소 모형이 아니라 Fig. 1(b)와 같이 실제 크기의 캐비닛을 기반으로 제작되었기 때문에 별도의 스케일링 법칙을 적용하지 않아도 계측된 응답을 실규모 구조물의 특성과

직접적으로 비교할 수 있다. 내부의 강재 플레이트는 실제 장비의 질량 분포와 동적 거동을 재현하기 위해 설계되었으며, 3층과 4층 사이에 부착된 박판은 전산⋅통신 장비 내부 부품의 고유 주파수 대역을 모사하여 고주파 응답 특성을 실험적으로 검증할 수 있도록 하였다. 배선 등 일부 복잡한 내부 구성은 단순화했으나, 전체 질⋅강성 분포와 고유진동수는 실제 설비와 유사하도록 설계하였다. 따라서, 본 연구에서는 실제 원전 전기 캐비닛의 동적 거동과 면진 효과를 직접적으로 활용할 수 있는 기초 데이터를 제공할 수 있을 것으로 판단된다.

Fig. 1 Test model

2.2 캐비닛 및 박판 구성

면진 시스템의 적용 여부에 따른 비구조물의 진동 응답 특성 차이를 분석하기 위해, 실제 설비 구조를 모사한 캐비닛 형태의 다층 철골 모형을 제작하였다^{(Yun et al., 2023)}. 실험체는 정사각형 강관을 사용하여 전산 장비, 통신 장비, 저장 장치 등이 탑재되는 캐비닛 구조로 모델링하여 제작하였다. 각 층의 높이는 1층 840 mm, 2층 860 mm, 3층 840 mm로 구성하였으며, 전체 높이는 2,700 mm이다. 기초부에는 이중 설치가 가능한 베이스 플레이트를 적용하여 면진 테이블이 탈⋅부착 가능토록 하였고, 브레이스를 추가하여 강성을 조절하였다.

실험체 내부는 실제 장비 적재 상황을 고려하여 4단 선반 구조로 설계하였다. 각 층에는 2층에 125 kg, 3층에 70 kg, 4층에 60 kg의 장비 탑재를 모사한 강재 플레이트를 설치하여 실제 장비 또는 저장물의 무게 및 동적 거동을 간접적으로 재현하였다. 특히, 3층과 4층 사이에는 얇은 박판을 부착하고 그 위에 3축 가속도계를 설치하여, 내부 부품이나 적재물이 받는 진동 응답을 계측할 수 있도록 하였다. 이러한 구성은 지진 발생 시 장비 내부 부품이나 적재물이 받는 진동 환경을 정밀하게 모사하는 것을 목표로 하였다.

2.3 계측 시스템 및 센서 배치

본 연구는 한국건설생활환경시험연구원의 6 자유도 진동대를 이용하여 실험하였으며, 장비 형상과 제원은 Fig. 2, Table 2와 같다.

가속도 응답 계측에는 총 6개의 3축(X, Y, Z) 가속도계를 사용하여 Fig. 3, Table 3과 같이 각 층의 플레이트 중앙에 1개씩(총 4개), 박판 정면 및 측면에 1개씩(총 2개) 설치하였고, 해당 연구에서는 주로 X 축 응답을 분석에 활용하였다.

Fig. 2 Shaking table

Fig. 3 Sensor locations

2.4 데이터 처리 및 분석 방법

공진탐색 시험을 통해 입력 신호와 각 계측 위치의 출력 신호를 비교함으로써 주 공진 주파수를 식별하였다. 식별된 주파수 대역을 기준으로 FFT(Fast Fourier Transform)를 적용하여 주파수 응답 스펙트럼을 계산하고^{(Kim et al., 2024)}, 면진 적용 여부에 따른 응답 특성을 주파수 영역에서 정량적으로 평가하였다. 또한, 시간 영역에서는 각 센서 위치별 최댓값(Peak) 및 평균 제곱근(Root Mean Square, RMS) 값을 산정하여 1.0 UHS(Uniform Hazard Spectrum)와 2.0 UHS 조건에서 비면진과 면진 시스템의 차이를 비교하였다. 이와 같은 분석 절차를 통해 시간 영역인 가속도 이력, Peak, RMS와 주파수 영역인 주파수 응답 함수(Frequency Response Function, FRF), FFT를 활용하여 면진 테이블의 성능을 종합적으로 검토할 수 있도록 하였다.

실험 입력은 Fig. 4와 같이 원전 구조물의 설계 지진을 대표하는 UHS를 기반으로 하였다. UHS는 외국이 아닌 국내 원전 부지 특성을 반영하기 위해 국내 원전부지에서 일정한 초과확률(예: 10⁻⁴/년)에 해당하는 지진동 스펙트럼으로^{(Dereje, A. J. and Kim, J., 2023)}, 다양한 지진원 조건을 반영한 확률론적 지진위험도 해석을 통해 도출되었다. 국내 원전부지의 대표적 지진동 특성을 제시한다는 점에서 설계기준 지진 입력으로 활용될 수 있다. Fig. 4(a)는 UHS를 기반으로 한 수평 성분 H1, H2 및 수직 성분 V의 입력 지진파 시간 이력으로, 각 방향 성분의 시간에 따른 가속도 변화를 나타낸다. Fig. 4(b)는 Fig. 4(a)의 시간 이력 데이터를 기반으로 산정된 주기별 최대 가속도 응답을 나타낸다. H1, H2, V는 각각의 입력 지진파 성분에 대해 계산된 응답 스펙트럼이며, UHS_H는 수평 성분 H1, H2의 응답 스펙트럼 평균값, UHS_V는 수직 성분 V의 응답 스펙트럼 평균값이다. 스펙트럼은 감쇠비 5%, 주기 범위 0.1초에서 100.0초, 주기 간격은 약 0.00715초의 조건으로 구하였다.

이러한 입력 지진파를 바탕으로, 본 연구에서는 UHS를 기준으로 입력 강도를 0.5배, 1.0배, 1.5배, 2.0배로 조정하여 실험을 수행하였으며, 이를 통해 설계 지진뿐 아니라 설계 초과지진 조건까지 포괄적으로 검증할 수 있도록 하였다.

조건별 2회의 반복 실험을 수행하여 총 8회의 데이터를 확보하였으며, 반복 실험 간 Peak 및 RMS 응답은 유사한 수준을 보여 결과의 재현성을 확인하였다. 본문에서는 대표성 있는 조건인 1.0배와 2.0배를 중심으로 분석하였으나, 전체적인 실험 체계와 반복 검증 과정을 통해 신뢰성 있는 데이터를 확보하였다.

Fig. 4 Uniform hazard spectrum

3.1 가속도 이력 분석

Fig. 5의 (a)와 (b)는 각각 비면진 및 면진 조건에서 1.0 UHS 입력 시 X축 방향 가속도 이력을 나타낸다. 비면진 조건은 Fig. 5(a)와 같이 상부로 갈수록 가속도가 증폭되는 경향이 뚜렷하게 확인되었다. 반면, 면진 조건 Fig. 5(b)에서는 전 층에 걸쳐 응답이 감소하였고, 상⋅하부 간의 가속도 차이도 감소하였다. 이는 면진 테이블이 지진동을 효과적으로 차단하고, 층간 진동의 증폭을 완화한 결과로 볼 수 있다.

한편, 1.0 UHS보다 강한 입력 조건인 2.0 UHS의 실험 결과는 시간 이력 그래프 대신 Table 4에 Peak 및 RMS 값으로 정리하였다. Table 4에는 1.0 UHS와 2.0 UHS 조건을 모두 수치로 제시하여, 입력 강도 변화에 따른 응답 증폭 양상과 면진 효과를 정략적으로 비교할 수 있도록 하였다. RMS 가속도($a_{{R}{M}{S}}$)는 계측된 가속도 데이터의 제곱 평균의 제곱근으로 정의하였으며, 식 (1)에 따라 산정하였다.

여기서 $N$은 전체 샘플 수를 의미하고, $a[n]$은 시간 n에서의 가속도 값이다.

이를 통해 특정 위치에서의 지진 응답 크기를 단일 값으로 정량화하여 면진 적용 전후의 진동 감소 효과를 평가할 수 있었다. 더 나아가 1.0 UHS와 2.0 UHS 조건을 비교함으로써 응답 증폭 양상과 면진 효과를 정량적으로 규명할 수 있었으며, 이러한 시간 영역 응답 특성은 후속 FRF 및 FFT 분석에서 주파수 영역의 진폭 분포와 공진 특성으로도 확인된다. 특히 M3 위치에서 나타난 증폭 현상이 면진 적용 여부에 따라 어떻게 변화하는지를 분석하는 근거로 활용할 수 있다.

Fig. 5 Comparison of acceleration responses

3.2 FRF 기반 공진 주파수 식별

공진 주파수는 FRF를 통해 식별하였다. FRF는 입력 가속도 스펙트럼$X_{i nput}(f)$과 출력 가속도 스펙트럼 $X_{output}(f)$의 비로 계산되며, 식 (2)과 같이 정의할 수 있다.

여기서 $X_{output}(f)$는 각 계측 위치의 가속도 응답 스펙트럼, $X_{i nput}(f)$는 진동대 계측 입력 가속도 스펙트럼이다.

FRF 곡선에서 최대 진폭이 나타나는 주파수를 공진 주파수로 정의하였다. 이를 통해 1차 및 고차 모드 주파수를 식별하였으며, 면진 적용 여부에 따른 공진 주파수 변화와 진폭 감소 효과를 나타낸 그래프는 Fig. 6과 같다. 비면진 조건에서는M3 위치에서 특정 주파수 구간에서 뚜렷한 증폭 peak가 확인되었으며, 면진 조건에서는 동일 주파수 구간에서 진폭이 감소 되었거나 peak 위치가 변동되는 양상이 나타났다. 이 과정에서 식별된 주파수 범위는 후속 FFT 분석의 관찰 구간 설정에 활용하였다.

Fig. 6 Comparison of FRF between isolated and non-isolated systems

3.3 FFT를 통한 주파수 응답 특성 분석

공진 탐색 시험에서 식별된 주파수 대역을 바탕으로 시간 영역의 가속도 이력을 주파수 영역으로 변환하기 위하여 FFT를 적용하여 주파수 영역으로 변환하였다. FFT는 식 (3)과 같이 계산되며, 여기서 $N$은 샘플 개수, $\triangle t=1/f_{s}$로 샘플링 간격을 나타내고, $f_{k}=\dfrac{kf_{s}}{N}$은 주파수 해상도를 나타낸다. 진폭 스펙트럼은 아래 식 (4)으로 계산할 수 있다.

Fig. 7과 Fig. 8은 캐비닛에 설치된 M1∼M4, H1, H2의 FFT 결과를 나타내었다. 그래프에는 비면진 및 면진 조건에서의 주된 공진 주파수와 진폭이 제시되어 있으며, 이를 통해 상부로 갈수록 진폭이 증가하는 경향과 면진 적용 시 응답이 감소하는 양상을 확인할 수 있었다.

Fig. 7 FFT results of the non-isolated system

Fig. 8 FFT results of the isolated system

4.1 가속도 이력

가속도 응답 분석 결과, 비면진 조건에서는 캐비닛 본체보다 박판의 응답이 크게 나타났다. 1.0 UHS 조건에서 캐비닛 상부 M4의 최대 가속도는 약 1.42 g였으며, 박판 H1은 3.55 g으로 측정되어 본체 응답보다 약 2.5배 크게 나타났다. 이는 내부 장비가 구조체보다 먼저 손상될 가능성을 보여주었다.

반면, 면진 조건에서는 이러한 증폭이 크게 완화되었다. 같은 1.0 UHS 조건에서 M4의 최대 가속도는 1.42 g에서 0.37 g으로 약 74% 감소하였으며, H1은 3.55 g에서 1.90 g로 약 46% 감소하였다. 또한, RMS 값은 M4에서 0.62 g에서 0.25 g, H1에서 0.85 g가 0.34 g로 약 60% 감소 되었다. 면진 테이블이 최대 응답뿐만 아니라 지진 지속 시간 전반에 걸친 평균 진동 에너지까지 효과적으로 억제함을 정량적으로 입증한 결과이다.

2.0 UHS 조건에서도 상기와 같은 경향이 확인되었다. 비면진 조건에서 M4와 H1의 최대 가속도는 각각 3.52 g, 7.26 g까지 증가하였으나, 면진 조건에서는 1.05 g와 2.69 g로 감소하여 70.2%와 62.9%의 감소 효과가 나타났다. RMS 값 또한, M4의 경우 1.74 g에서 0.58 g로 66.7%가 줄었고, H1의 경우 1.75 g에서 0.62 g로 64.6%가 줄어 고진폭 조건에서도 일관된 응답 감소 효과가 유지됨을 확인할 수 있었다.

Peak와 RMS 모두에서 1.0 UHS와 2.0 UHS 조건에서 평균 60∼70% 수준의 감소율이 일관되게 관찰되었다. 이는 지진 강도가 두 배로 증가하더라도 면진 테이블이 안정적인 응답 저감 성능을 발휘함을 의미하며, 단순히 저강도 지진에 국한하지 않고 설계 초과지진 조건에서도 충분히 유효함을 실험적으로 입증한 결과라 할 수 있다.

Table 5는 M4 및 H1에서의 Peak 및 RMS 값을 비교하여 비면진 조건과 면진 조건 간의 응답 차이를 정량적으로 제시한 것이다.

4.2 FRF 분석

가속도 계측 데이터를 바탕으로 FRF를 산정하였으며, 이를 통해 면진 적용 여부에 따른 공진 주파수 및 진폭 특성을 정량적으로 비교하였다.

캐비닛 상부 M3에서 비면진 조건의 주된 공진 주파수는 약 14 Hz에서 나타났으며, 이때 최대 FRF 값은 21.56 g/g로 측정되었다. 면진 적용 시 공진 주파수는 11Hz로 낮아졌고, 최대 FRF 값은 2.68 g/g로 약 87.6% 감소하였다. 이는 면진 테이블이 캐비닛 구조의 유효 강성을 줄여 공진 주파수를 낮추고, 동시에 진폭과 증폭을 효과적으로 억제했음을 보여주었다.

박판 H1에서는 비면진 조건에서 약 20 Hz에서 최대 FRF 값이 98.73 g/g가 나타났으며, 면진 적용 시 공진 주파수는 19 Hz로 낮아졌고, FRF 값은 32.97 g/g로 약 66.6% 감소하였다. 이는 박판이 국부적으로 높은 강성을 가져 고주파 영역에서 공진이 발생하는 특성을 보이지만, 면진 적용을 통해 고주파 응답 또한 줄어들 수 있음을 의미한다. 내부 부착 제품을 모사한 박판의 FRF 값이 줄어든 것은 면진 테이블이 내부 장비의 고주파 진동 응답 억제 효과가 있음을 시사하였다.

또한, 비면진 조건에서는 층별 응답이 불균일하게 증폭되는 경향이 관찰되었으며, 이는 캐비닛 내부 강성 분포와 고유진동 모드의 영향으로 해석된다. 반면 면진 조건에서는 이러한 불균일성이 완화되고, 응답 분포가 상부로 갈수록 점진적으로 증가하는 안정적인 패턴을 보였다.

면진 적용 결과, 캐비닛 구조 M3, M4와 박판 H1 모두에서 진폭이 동시에 감소하였다. M3의 FRF 값이 약 87.6% 감소하고, H1의 FRF 값이 약 66.6% 감소한 점은 면진 테이블이 구조물과 내부 장비를 동시에 보호하는 데 효과적임을 정량적으로 입증하는 결과라 할 수 있다.

도출된 가속도 응답 및 FRF 감소 효과는 단순한 수치적 차이를 넘어, 실제 설비 운영 안전성과 직결되는 의미가 있다. 원전 전기 캐비닛과 같은 중요 비구조물은 지진 시 구조물이 안전하더라도 내부 장비의 과도한 진동으로 기능 상실이 발생할 수 있으며, 이는 전체 시스템의 운용 중단으로 이어질 수 있다. 비면진 조건에서 내부 박판 H1, H2의 응답이 외피 M3, M4보다 2∼4배 이상 크게 나타난 것은, 실제 장비 내부 부품이 구조물보다 먼저 한계 상태에 도달할 수 있음을 시사한다.

반면, 면진 테이블을 적용한 경우 동일 위치에서 응답이 60% 이상 감소하여, 고주파 성분을 포함한 지진하중에 대해서도 내부 장비의 기능 유지 가능성이 향상되었음을 확인할 수 있었다. FRF가 80% 이상 감소 된 결과는 설비 공진의 감소를 의미하며, 이는 기능적 고장의 발생 확률을 낮추는 효과로 해석할 수 있다. 따라서 면진 테이블이 구조물과 내부 장비를 동시에 보호하는 효과를 정량적으로 보여주는 결과이다.

4.3 FFT 분석

면진 테이블의 적용은 캐비닛 상부와 내부 부착 제품의 주파수 응답 특성에 뚜렷한 변화를 유도하였다. 캐비닛 상부 M3, M4의 경우, 비면진 조건에서 약 13.4 Hz에서 주요 공진이 발생하였으며, M3 위치에서 최대 0.74 g, M4 위치에서 0.31 g의 진폭이 측정되었다. 그러나 면진 조건에서는 공진 주파수가 10.2 Hz로 낮아지면서 M3의 진폭이 0.026 g, M4의 진폭이 0.033 g으로 감소하였다. 이는 각각 약 96.5% 및 89.4%의 저감률을 보이는 수치로, 면진 테이블이 상부 구조물로 전달되는 진동을 효과적으로 억제하였다.

한편, 박판 H1, H2의 경우 비면진 조건에서 H1은 0.64 g, H2는 1.11 g으로, 캐비닛 상부보다 더 큰 응답을 보였다. 이는 내부 부착 제품이 상부 구조보다 더 큰 진동에 노출될 수 있음을 보여주는 결과이다. 그러나 면진 적용 후, H1은 19 Hz에서 0.01 g, H2는 19.3 Hz에서 0.007 g으로 응답이 급격히 감소하였다. 진폭 저감률은 각각 98.4%, 99.4%로, 면진 테이블이 내부 부착 제품의 고주파 응답까지 억제하는 데 매우 효과적임을 확인할 수 있었다.

따라서 면진 테이블 적용은 캐비닛 구조물과 내부 설치 제품 모두에서 공진 주파수의 저하 및 진폭 감쇠를 동시에 달성하였으며, 특히 박판에서의 고주파 응답이 감소한 점은 민감한 전자 장비 보호 측면에서 큰 의미가 있다. 면진 테이블은 고주파 영역까지 효과적으로 억제하여 민감한 내부 장비의 기능적 안정성 확보에 긍정적인 영향이 있음을 실험적으로 확인하였다.

4.4 종합적 고찰

면진 테이블의 응답 감소 효과는 단순한 수치 감소를 넘어서는 의미가 있다. 비면진 조건에서 상층부와 박판에서 나타난 높은 가속도 응답은 내부 장착 장비의 오작동, 전원 차단, 영구 손상으로 직결될 수 있으며, 원전 시설과 같은 중요 기반시설의 운영 연속성에 중대한 위협이 된다. 반면, 면진 조건에서 관찰된 응답 감소는 구조체의 손상 위험을 줄이는 동시에 내부 전산⋅통신 장비의 기능적 안정성을 보장한다는 점에서 실무적으로 매우 중요하다.

FRF 및 FFT 분석결과 고주파 응답이 효과적으로 억제된 것은 한반도 지진파가 고주파 성분에 지배적인 특성을 가진다는 점을 고려할 때 중요한 공학적 의미가 있다^{(Korea Meteorological Administration, 2017; Grigoli et al., 2018)}. 따라서 면진 시스템은 구조물의 안전성 확보에 국한되지 않고, 내부 장비의 기능 유지와 시설 운영의 연속성을 확보하는 핵심적인 내진 대책으로 평가할 수 있다.

더 나아가, 본 연구 결과는 면진 테이블이 캐비닛 내부의 가속도 취약 장비에서도 60∼80% 수준의 응답 감소 효과를 발휘함을 정량적으로 입증하였다. 이는 기존에는 지진 취약성으로 인해 적용이 제한되었던 정밀 전자⋅통신 모듈과 같은 장비들도 면진 테이블을 활용할 경우 안전하게 설치⋅운용할 수 있음을 시사하며, 원전 전기 캐비닛의 설계 및 운영 측면에서 중요한 활용 가능성을 제시하였다.