[논문]장스팬 다목적 홀의 동적특성과 사용성

이성민; 최취경; 안영기; 이수곤

장스팬 다목적 홀의 동적특성과 사용성
The Dynamic Characteristics and Serviceability of Long Span Multi-purpose Hall 원문보기

구조물진단학회지 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance Inspection, v.7 no.2 = no.24, 2003년, pp.105 - 113

이성민 (한국건설품질연구원) , 최취경 (경원전문대학 건축과) , 안영기 (쌍용엔지니어링) , 이수곤 (전남대학교 건축학과)

초록
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최근 구조해석기법이 발달하고 구조재료가 고강도화 함에 따라 건물의 스팬이 점점 길어지고 따라서 바닥의 고유진동수와 감쇠능력이 낮아지고 있다. 이로 인해 과거에는 고려하지 않았던 진동문제가 빈번하게 대두되고 있으며, 구조체의 고유진동수가 사람이 민감하게 느끼는 범위에 들기 쉬우며, 더욱이 군중들이 모여서 뛰고 하는 장소는 바닥판의 고유진동수와 가진진동수가 근접함으로 인한 증폭현상이 발생할 수 있다. 본 연구에서는 스팬이 33m로서 장스팬인 다목적 홀을 대상으로 진동측정을 하여 고유진동수와 감쇠를 측정하였고, 본 장소에서 국내 유명가수의 공연시 진동을 측정하여 진동실태를 조사하였다. 조사결과 2차 하모닉과 바닥판의 고유진동수가 근접할 때 공진현상이 발생함을 알 수 있었으며, 이렇게 조사한 자료를 바탕으로 설계 유지관리시 고려해야 할 사항들을 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Because structural systems are becoming lighter and more flexible and have lower natural frequencies and dampings than before, coordinated rhythmic activities such as dancing, audience participation in arenas or concert halls, and aerobics result in undesirable levels of vibration. For rhythmic activities, it is resonant or near resonant behavior that result in significant dynamic amplification and hence human discomfort. The most rational design strategy is to provide enough of a gap between the natural frequency of a floor system and the dominant frequencies excited by planned human activities to assure reasonably that resonance will not occur. For the case study the vibration measurements were performed at the floor of a long-span multi-purpose hall during the rock concert of popular singer.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

요즘 건축되는 컨벤션센터와 같은 장스팬 다목적 홀은 감쇠능력이 점점 낮아짐으로 인해 진동문제가 빈번 하게 대두되고 있으며, 더욱이 군중들이 모여서 율동 행위를 할 경우 바닥판의 고유진동수와 가진진동수가 근접함으로 인한 공진현상이 발생할 수 있다. 본 연구에서는 국내의 한 장스팬 다목적 홀을 대상으로 고유 진동수와 감쇠를 측정하였고, 본 장소에서 국내 유명가수의 공연시 진동을 측정하여 진동실태를 조사하였다. 연구 결과 결론은 다음과 같다.
따라서 앞으로 장 스팬 다목적 홀을 설계할 때 율동행위에 의한 공진가능성 여부를 판단하여야 하며 따라서 고유진동수를 염두에 둘 필요가 있다. 본 연구에서는 최근 건축된 스팬이 33m인 장스팬 다목적 홀을 대상으로 고유진동수와 감쇠를 측정하였고, 본 장소에서 빠른 음악을 구사하는 국내 유명가수의 공연시 진동을 측정하여 진동실태를 조사하였다. 이렇게 조사한 자료를 기존의 연구결과와 비교, 향후 다목적 홀 설계 및 유지관리시 고려해야 할 사항을 제시하는 과정으로 연구를 수행하였다.
본 연구에서는 최근 건축된 스팬이 33m인 장스팬 다목적 홀을 대상으로 고유진동수와 감쇠를 측정하였고, 본 장소에서 빠른 음악을 구사하는 국내 유명가수의 공연시 진동을 측정하여 진동실태를 조사하였다. 이렇게 조사한 자료를 기존의 연구결과와 비교, 향후 다목적 홀 설계 및 유지관리시 고려해야 할 사항을 제시하는 과정으로 연구를 수행하였다.

가설 설정

2) 따라서 설계시 1차 하모닉뿐 아니라 2차 및 3차 하모닉에 의한 공진여부도 염두에 두어야 할 것이다.

제안 방법

가속도계는 5층 바닥 무대측 트러스와 객석측 트러스 중앙에 각각 1개소씩 설치하였고, 변위계는 5층 하부(3층 상부) 무대측 트러스에 1개소와 객석측 트러스에 2개소 설치하여 공연 시작 30분 전부터 공연 끝날 때까지 진동을 측정하였다. Blastmate Ⅲ로는 상황에 따라 수시로 장소를 이동하며 진동 속도를 측정하였다. 이때 청중의 수는 두 번 공연 모두 2500∼3000명이었던 것으로 추정되었다.
계측장비로는 strain gauge type 3축 가속도계와 bar type 변위계 및 이동식 진동측정기 Blastmate Ⅲ가 사용되었다. 가속도계는 5층 바닥 무대측 트러스와 객석측 트러스 중앙에 각각 1개소씩 설치하였고, 변위계는 5층 하부(3층 상부) 무대측 트러스에 1개소와 객석측 트러스에 2개소 설치하여 공연 시작 30분 전부터 공연 끝날 때까지 진동을 측정하였다. Blastmate Ⅲ로는 상황에 따라 수시로 장소를 이동하며 진동 속도를 측정하였다.
바닥판의 동적특성을 파악하기 위하여 공연시작 전바닥판의 자유진동을 측정하였으며 이때 사람이 뛰는 충격으로 가진을 하였다. Fig.
8m이고 슬래브 콘크리트의 두께는 25㎝이다. 설계 적재하중은 800㎏으로서 차량통행이 가능하도록 설계되었다. 바닥판 프레임의 개요도는 Fig.

대상 데이터

연구를 위해 2001년 8월과 11월, 두 차례에 걸쳐 율동을 많이 사용하는 국내의 유명가수 공연시 진동을 측정하였다. 대상 건물의 5층 다목적 홀은 경간이 33m인 트러스 두 개가 이어져 총 길이가 66m이다. 바닥구조는 H형강으로 조립된 트러스 구조로서 트러스의 높이는 1.
대상 건물의 5층 다목적 홀은 경간이 33m인 트러스 두 개가 이어져 총 길이가 66m이다. 바닥구조는 H형강으로 조립된 트러스 구조로서 트러스의 높이는 1.8m이고 슬래브 콘크리트의 두께는 25㎝이다. 설계 적재하중은 800㎏으로서 차량통행이 가능하도록 설계되었다.
연구를 위해 2001년 8월과 11월, 두 차례에 걸쳐 율동을 많이 사용하는 국내의 유명가수 공연시 진동을 측정하였다. 대상 건물의 5층 다목적 홀은 경간이 33m인 트러스 두 개가 이어져 총 길이가 66m이다.

데이터처리

가속도계와 변위계로 측정한 데이터는 변형율 측정기인 MT16A에서 수집하여 컴퓨터에 저장하였으며 데이터처리용 전산 프로그램 SAS를 이용하여 데이터 분석을 하였다. BlastmateⅢ를 이용하여 수집한 진동계측 결과는 Blastware 및 Excel 프로그램을 이용하여 자료형식을 변환한 후 Origin 4.1을 통해 F.F.T.(Fast Fourier Transform)분석을 실시하여 진동수 성분을 분석하였다. 자료처리과정은 Fig.
가속도계와 변위계로 측정한 데이터는 변형율 측정기인 MT16A에서 수집하여 컴퓨터에 저장하였으며 데이터처리용 전산 프로그램 SAS를 이용하여 데이터 분석을 하였다. BlastmateⅢ를 이용하여 수집한 진동계측 결과는 Blastware 및 Excel 프로그램을 이용하여 자료형식을 변환한 후 Origin 4.

성능/효과

1) 연구 대상 구조물은 스팬 33m의 철골트러스조로서 관객이 없을 때의 고유진동수는 4.0Hz, 감쇠율은 4.8%인데, 빠른 음악을 구사하며 율동을 유도하는 콘서트에서 1차, 2차 하모닉 진동수가 각각 2Hz와 4Hz 부근일 때 2차 하모닉에 의한 공진현상이 발생하였다. 측정된 최대 가속도는 0.
2. 특별한 이벤트에 대해서는 관객의 점유밀도가 증가할수 있다.
관객들의 호응도는 2차 측정시가 1차 측정시보다 훨씬 높았으며 전반적으로 2차 측정시의 진폭이 훨씬 더 큰 것으로 측정되었다.
댄스가수의 공연시 측정된 최대가속도는 0.1g로서 ISO 및 NBC의 사용성한계상태 기준을 약간 초과하는 것으로 나타났다(Fig. 3과 Table 1 참조). 비록 구조물에 손상을 줄 우려는 없다고 해도 콘서트를 할 때의 1차 또는 2차 하모닉 진동수가 건물 바닥의 고유진동수와 근접함으로 인해 공진에 의한 증폭현상이 발생한다는 문제점이 나타났다.
본 측정에서 2차 하모닉 진동수와 바닥판의 고유진동수가 근접한 경우 대부분 맥노리 현상이 발생한 것을 알 수 있었다. Fig.
ISO(International Standards Organization)에서는 인체에 대한 노출기준을 ISO 2631-2 (1980)에서 규정하고 있다. 이 규정은 1∼80Hz의 진동수 범위에서 건물의 용도별 허용 경계치를 진동수에 대한 최대가속도 진폭에 대해서 보여주고 있는데(Fig. 3), 4Hz∼8Hz의 진동수 범위에서 가장 엄격한 제한을 하고 있음을 알 수 있다.
댄스가수의 공연시 측정된 최대가속도는 0.1g로서 ISO 및 NBC의 사용성한계상태 기준을 약간 초과하는 것으로 나타났다(Fig. 3과 Table 1 참조).

후속연구

진동에 대한 문제는 구조체의 고유진동수와 감쇠율, 가진진동수와 가진력, 그리고 건물의 용도에 따라 결정이 된다. 건물 용도와 거주자의 특성에 따라 거주자의 진동에 대한 반응이 다르므로 설계시 이점이 고려되어 차등적으로 검토되어야 할 것이다. 특히 규준상의 처짐 한계나 스팬/춤비의 제한을 너머 인체공학적 차원에서 한계상태를 규정해야 한다.
따라서 설계 계획단계에서 대중적인 율동행위가 발생하는 홀의 위치를 1층이나 지하층에 두어 기둥의 강성을 증가시킴으로써 진동문제를 해결하는 방법을 고려할 필요가 있으며(Allen, 1998), 실의 용도를 정확히 규명할 필요가 있다. 또한 유지관리시 건물의 동적특성을 파악하여 예민한 관객들의 위치를 따로 지정하거나 바닥의 고유진동수와 비슷한 하모닉 진동수를 발생시키는 콘서트 유치를 피한다거나 하는 방식으로 진동문제를 해결하려는 노력을 해야 할 것이다. 또한 바닥판 하부에 칸막이벽, 천정, 기계설비 등을 배치함으로써 감쇠율을 증가시키는 것도 진동문제를 해결하는 방법 중 하나가 될 것이다(Murray, 1975).
앞으로 다목적 컨벤션 센터 건물의 건설은 필수적이며 콘서트 유치도 피할 수 없는 문제이기 때문에 설계 단계에서부터 적극적으로 연구되지 않으면 안될 것이며 설계기준을 설정할 때 구체적인 지침이 제시되어야할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	건축분야에서 한계상태란 무엇인가?	구조물이나 구조부재가 구조적인 면에서 그 의도된 목적에 적합하지 않게 되는 상태를 한계상태(limit state)라고 하는데 한계상태의 개념은 다음의 두 가지로 나눌 수 있다. 첫째는 극한한계상태(ultimate limit state)로서 구조물의 전부 또는 일부가 최대 내력에 도달함으로써 파괴 또는 붕괴되어 인명이나 재산상 중대한 피해를 가져오는 상태이며 둘째는 사용성한계상태(serviceability limit state)로서 건물 일부분이 국부적으로 손상을 입거나 진동, 과다한 변위, 오염 등이 허용 범위를 벗어나 건물 기능상의 장애를 입는 상태이다(Ad Hoc Committee on Serviceability Research, 1986).
	진동관련 사용성한계상태란 무엇인가?	건물이 안전하다고 해도 사람들은 건물이 흔들릴 때 불안해 할 수 있다. 이렇게 일반인이 참기 어려울 정도의 건물의 진동을 ‘사용성한계상태’로 정의한다. 자동차나 비행기에서 승객들은 5∼8Hz의 움직임에 가장 불쾌한 반응을 보이는데, 이는 그것은 우리 늑골 내와 배속 장기의 고유진동수가 이 범위에 있어 공진을 일으키기 때문이다.
	한계상태의 개념을 두 가지로 나누어 설명하시오.	구조물이나 구조부재가 구조적인 면에서 그 의도된 목적에 적합하지 않게 되는 상태를 한계상태(limit state)라고 하는데 한계상태의 개념은 다음의 두 가지로 나눌 수 있다. 첫째는 극한한계상태(ultimate limit state)로서 구조물의 전부 또는 일부가 최대 내력에 도달함으로써 파괴 또는 붕괴되어 인명이나 재산상 중대한 피해를 가져오는 상태이며 둘째는 사용성한계상태(serviceability limit state)로서 건물 일부분이 국부적으로 손상을 입거나 진동, 과다한 변위, 오염 등이 허용 범위를 벗어나 건물 기능상의 장애를 입는 상태이다(Ad Hoc Committee on Serviceability Research, 1986). 현대 건축에서는 구조해석기법이 발달하고 구조재료가 고강도화 함에 따라 건물 스팬이 점점 더 길어지고 경량화 되고 있으며, 바닥판의 강성이 낮아지고 고유진동수와 감쇠능력도 낮아지고 있다.

저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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