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4. 풍진동 제어란?
제안 방법
- 만약 2013년도에 테크노마트에 태풍이 온다면, 가속도를 다시 계측함으로써 AMD가 설치되지 않은 경우와 직접 비교할 수 있을 것으로 예상했지만 2013년도에는 테크노마트에 영향을 줄 정도의 큰 태풍이 발생하지 않았으며, 연구진은 AMD의 성능을 평가할 수 있는 다른 방안을 고려해야 했다. AMD는 콘트롤러에 의한 입력 신호에 따라 움직이는 장치로 구조물의 응답을 줄이기 위해 사용되나, 입력 신호의 방향만 바꾼다면 구조물을 흔드는 장치로도 사용할 수 있는데, 연구진은 AMD를 이용하여 구조물을 흔든 후 AMD가 작동하지 않은 경우에 구조물이 스스로 응답을 줄여가는 경우와 AMD가 작동하여 구조물의 응답을 제어하는 경우를 비교함으로써 AMD의 성능을 평가하기로 결정했다. AMD를 이용하여 2012년 볼라벤이 왔을 때와 유사한 정도로 구조물을 흔든 후, AMD가 작동한 경우와 작동하지 않은 경우를 비교하였으며, 그림으로부터 AMD가 작동한 경우 훨씬 빠르게 구조물에 발생한 가속도를 줄여 감을 알 수 있었고 이를 통해 AMD가 정상적으로 작동하고 있음을 확인하였다.
- 두 번째 방안으로 고려된 것은 12층 바닥판에 진동을 감소시키는 패드를 설치하는 것이다. 비교적 저렴한 공법이며, 더욱이 피트니스 센터를 지속적으로 사용할 수 있기 때문에 매우 매력적인 방안이 될 수 있다.
- 기존의 신규 건설현장에서 사용되는 크레인과는 달리 현재 사용하고 있는 기존 건물의 옥상에 설치되어야 하기 때문에 사람이 운반하고 현장에서 조립하여 설치할 수 있는 특수 크레인을 사용해야 했고 이 때문에 운반 용량이 4ton으로 매우 작으면서도 임대 비용은 매우 비쌌다. 따라서, 제진장치는 4ton이하의 부품으로 모두 분해될 수 있는 형태로 설계하였으며, 시공계획을 철저히 세워 4주 안에 제진장치 시공이 완료될 수 있도록 계획하였다.
- 마지막으로 고려된 방안은 옥상에 타이페이 101과 같은 질량형 제진장치를 설치하는 것이었다. 옥상에 제진장치를 설치하면 어느 층에서 진동원이 발생하는 경우에도 전체 건물의 움직임을 쉽게 제어할 수 있다.
- 이 때문에 충분한 성능을 확보하기 위해서는 제진장치가 마음껏 움직일 수 있는 스트로크의 확보가 절대적으로 중요하다. 연구진은 주어진 스트로크 범위 내에서 원하는 제어성능을 구현하기 위한 알고리즘을 개발하였으며, 기존의 알고리즘대비 약 2/3의 스트로크 제한범위에서 동일한 성능을 구현하도록 설계할 수 있었다.
- 두 번째 문제는 제진장치를 바닥판에 직접 놓아서는 안 되고 큰 보에만 하중이 전달되도록 해야 하는 점인데, 바닥판에 직접 놓을 경우 전체적인 구조체에는 큰 문제가 없으나 바닥판 슬래브에 균열이 발생하여 방송국으로 사용하고 있는 아래층에 누수 등 간접적인 문제점이 발생할 수도 있기 때문이었다. 이를 해결하기 위해 매우 강한 보로 제작된 큰 지지프레임을 제작하여 제진장치의 하중이 바닥 슬래브를 통하지 않고 보로 직접 전달되도록 계획하였으며, 이 지지프레임은 제진장치가 수평으로 움직여도 전혀 휘어지지 않고 허용오차 1mm 이하의 수평을 유지해야 하기 때문에 매우 큰 보로 제작하였다.
- 이러한 모든 문제점을 해결한 후, 약 2개월의 공사를 통해 2013년 8월 테크노마트에 성공적으로 제진장치를 설치하였다. 이제 마지막으로 남은 과제는 제진장치가 과연 의도한 대로 잘 거동하여 구조물의 가속도 응답을 효과적으로 줄이는 것을 실험을 통해 실증하는 것이었는데, 수직방향으로는 비교적 용이하게 성능실험을 수행할 수 있었으며 수직방향으로 작동하는 TMD는 TMD와 지지프레임 사이에 간단한 고정 철물을 설치함으로써 움직이지 않도록 만들 수 있었다. 이를 이용하여 사람들로 하여금 다시 2.
성능/효과
- AMD는 콘트롤러에 의한 입력 신호에 따라 움직이는 장치로 구조물의 응답을 줄이기 위해 사용되나, 입력 신호의 방향만 바꾼다면 구조물을 흔드는 장치로도 사용할 수 있는데, 연구진은 AMD를 이용하여 구조물을 흔든 후 AMD가 작동하지 않은 경우에 구조물이 스스로 응답을 줄여가는 경우와 AMD가 작동하여 구조물의 응답을 제어하는 경우를 비교함으로써 AMD의 성능을 평가하기로 결정했다. AMD를 이용하여 2012년 볼라벤이 왔을 때와 유사한 정도로 구조물을 흔든 후, AMD가 작동한 경우와 작동하지 않은 경우를 비교하였으며, 그림으로부터 AMD가 작동한 경우 훨씬 빠르게 구조물에 발생한 가속도를 줄여 감을 알 수 있었고 이를 통해 AMD가 정상적으로 작동하고 있음을 확인하였다.
- 참가자들에 대한 인터뷰결과, 사건 당일에는 신임 피트니스 강사가 태보 프로그램을 지도했으며, 이 강사는 좀 더 많은 운동량을 요구하기 위해 평소보다 빠른 발 구르는 동작을 요구했다는 진술을 확보하였다. 그날의 경험을 되살리면서 좀 더 빠른 탬포인 2.7Hz의 메트로놈(metronome) 소리에 맞추어 발구르기를 시작하자 진동은 크게 증폭되었으며, 증폭된 진동이 상층부에도 전달되어 상층부에 있는 대부분의 사람들이 진동을 감지할 수 있었다. 방송시연 당일 테크노마트에는 평소와 같이 많은 사람들이 근무하고 있었으며, 근무자들에 대한 설문조사 결과 대부분의 사람들이 진동사고 당시와 동일하게 건물이 흔들렸다고 진술하였다.
- 두 번째 문제는 제진장치를 바닥판에 직접 놓아서는 안 되고 큰 보에만 하중이 전달되도록 해야 하는 점인데, 바닥판에 직접 놓을 경우 전체적인 구조체에는 큰 문제가 없으나 바닥판 슬래브에 균열이 발생하여 방송국으로 사용하고 있는 아래층에 누수 등 간접적인 문제점이 발생할 수도 있기 때문이었다. 이를 해결하기 위해 매우 강한 보로 제작된 큰 지지프레임을 제작하여 제진장치의 하중이 바닥 슬래브를 통하지 않고 보로 직접 전달되도록 계획하였으며, 이 지지프레임은 제진장치가 수평으로 움직여도 전혀 휘어지지 않고 허용오차 1mm 이하의 수평을 유지해야 하기 때문에 매우 큰 보로 제작하였다.
- 방송시연 당일 테크노마트에는 평소와 같이 많은 사람들이 근무하고 있었으며, 근무자들에 대한 설문조사 결과 대부분의 사람들이 진동사고 당시와 동일하게 건물이 흔들렸다고 진술하였다. 또한, 사람의 발 구르는 동작을 모델링하고 테크노마트를 컴퓨터로 해석한 결과, 동일한 현상이 발생함을 확인하였다. 이상의 결과로부터 테크노마트 진동사고는 태보에 의한 율동이 일으킨 공진현상이었음을 명쾌하게 증명할 수 있었다.
- 마지막 문제점은 제진장치 설치공간이 매우 협소하다는 것이었다. 테크노마트 옥상층에는 외관청소와 간단한 물품의 운송을 위한 곤돌라가 설치되어 있었는데, 곤돌라의 회전반경을 고려하면 제진장치 실은 7m × 7m에 불과하였으며, 모터에 56ton의 제진장치를 연결하니 질량체가 움직일 수 있는 좌우 폭이 ±60cm에 불과하였다.
- 본 국가 R&D 사업 과제를 통해 풍진동제어 관련 기술을 개발할 수 있었으며, 세계 최초의 수직/수평 동시제어용 제진장치를 개발하여 이를 테크노마트에 성공적으로 적용하였다.
- 테크노마트에 수평방향의 제어를 위해 TMD대신에 AMD를 사용할 경우, 질량체가 120ton에서 56ton으로 약 절반정도 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 여기에 수직방향으로 움직이는 42ton의 질량체를 수평방향으로도 활용할 수 있다면, 제진장치를 지지하는 프레임까지 고려해도 총무게 80ton이하라는 제한조건을 만족시킬 수 있을 것으로 판단되었다. 이에 연구진은 수직방향으로는 42ton의 TMD로 거동하고, 수평방향으로는 56ton의 AMD로 거동하는 세계최초의 수직/수평 동시제어용 제진장치를 설계하였으며, 공장에서의 실험을 통해 제진장치가 수직과 수평방향 모두 설계한 대로 거동하고 있음을 확인하였다.
- 이제 마지막으로 남은 과제는 제진장치가 과연 의도한 대로 잘 거동하여 구조물의 가속도 응답을 효과적으로 줄이는 것을 실험을 통해 실증하는 것이었는데, 수직방향으로는 비교적 용이하게 성능실험을 수행할 수 있었으며 수직방향으로 작동하는 TMD는 TMD와 지지프레임 사이에 간단한 고정 철물을 설치함으로써 움직이지 않도록 만들 수 있었다. 이를 이용하여 사람들로 하여금 다시 2.7Hz의 움직임으로 테크노마트를 공진하여 흔들리게 한 후, TMD가 움직이는 경우와 움직이지 않는 경우를 직접 비교할 수 있었는데, 실험결과 8gal정도 발생했던 수직방향 가속도 응답을 1.5gal 이하로 크게 감소시킬 수 있었다. 토요일 오전에 실험한 관계로 사무실에는 출근한 사람들도 다수 있었으며, TMD가 작동하지 않는 경우에는 사고 당시와 동일한 진동을 감지한 반면, TMD가 작동하는 경우에는 어떠한 진동도 감지하지 못하였다는 진술로부터 TMD가 효과적으로 작용하고 있음을 확인하였다.
- 이상을 정리하면 “초고층건물은 피라미드보다 높이는 높되, 무게는 가볍고, 또 그 내부공간을 살아있는 인간이 상시적으로 이용하고 있는” 건축물이라 할 수 있다.
- 또한, 사람의 발 구르는 동작을 모델링하고 테크노마트를 컴퓨터로 해석한 결과, 동일한 현상이 발생함을 확인하였다. 이상의 결과로부터 테크노마트 진동사고는 태보에 의한 율동이 일으킨 공진현상이었음을 명쾌하게 증명할 수 있었다.
- 여기에 수직방향으로 움직이는 42ton의 질량체를 수평방향으로도 활용할 수 있다면, 제진장치를 지지하는 프레임까지 고려해도 총무게 80ton이하라는 제한조건을 만족시킬 수 있을 것으로 판단되었다. 이에 연구진은 수직방향으로는 42ton의 TMD로 거동하고, 수평방향으로는 56ton의 AMD로 거동하는 세계최초의 수직/수평 동시제어용 제진장치를 설계하였으며, 공장에서의 실험을 통해 제진장치가 수직과 수평방향 모두 설계한 대로 거동하고 있음을 확인하였다.
- 8m의 세계 1위의 초고층건축물 부르즈 할리파(Burj Khalifa)의 총 무게는 54만톤으로 피라미드 총 무게의 1/10 이하이다. 이처럼 근현대 공학과 기술의 발전으로 가벼운 건물을 만들 수 있었기 때문에 기둥이나 벽체 등 자체의 무게를 지탱하기 위한 요소의 크기를 작게 만들 수 있었고, 부르즈 할리파는 피라미드보다 훨씬 높이 버즈두바이의 상징물로 기능하면서도 하층부는 쇼핑몰, 오피스텔 등으로 상층부는 호텔과 전망대로 이용되어, 내부공간의 대부분을 피라미드가 죽은 자의 무덤으로 사용되었던 것과는 대조적으로 모두 살아 있는 인간이 사용할 수 있도록 지어질 수 있었다. 이상을 정리하면 “초고층건물은 피라미드보다 높이는 높되, 무게는 가볍고, 또 그 내부공간을 살아있는 인간이 상시적으로 이용하고 있는” 건축물이라 할 수 있다.
- 뉴턴의 제 2 운동법칙은 물체가 하중에 대하여 저항하는 크기가 바로 질량임을 의미한다. 즉, 질량이 클수록 하중에 대한 저항능력이 증가하여 동일한 크기의 하중에 대하여 물체에 발생하는 가속도가 감소함을 알 수 있다. 가볍고 높은 초고층건축물은 풍하중은 크게 증가한 반면, 질량은 반대로 줄어들기 때문에 필연적으로 큰 가속도가 발생할 수밖에 없다.
- 첫 번째 문제는 전술한 대로 추가적으로 지지할 수 있는 하중이 제한되어 있다는 점인데, 그 문제는 연구단이 개발한 AMD를 적용함으로써 해결할 수 있었다.
- 옥상에 제진장치를 설치하면 어느 층에서 진동원이 발생하는 경우에도 전체 건물의 움직임을 쉽게 제어할 수 있다. 컴퓨터 해석결과 건물 사무동의 질량인 4만톤의 약 0.1%인 42ton의 질량체만 설치하여도 진동수준을 약 1/5수준으로 감소시킬 수 있음을 확인하였는데, 이는 수직방향으로는 건물자체가 가지는 에너지 소산능력이 너무 작기 때문에 작은 크기의 질량체로도 큰 효과를 보이는 것이다. 이는 힘이 없는 사람에게는 조금의 약도 큰 효과를 보이지만 건강한 사람에게는 아무런 효과가 없는 것과 동일한 원리이다.
- 컴퓨터해석과 실험을 통한 조사결과는 테크노마트21이 수직방향으로 약 2.7Hz로 흔들리는 주기특성을 가지고 있음을 보여 주었다. 2.
- 진동사고를 계기로 테크노마트를 모든 진동원에 대하여 아무런 문제가 없는 건물로 재탄생시키기를 원했던 테크노마트 관리측은 제진장치를 활용하여 태풍과 같은 수평방향의 움직임도 제어하기를 원했다. 태풍에 대한 컴퓨터 해석결과, 수평방향의 응답을 50% 수준인 0.005g로 감소시키기 위해서는 약 120ton의 질량체가 필요한 것을 확인하였다. 수직방향과 다르게 큰 질량체가 필요한 이유는 테크노마트가 수평방향으로는 어느 정도의 저항능력을 보유하고 있어, 추가적인 제어성능을 확보하기 위해서는 큰 질량체가 필요했던 것인데, 너무나도 취약했던 수직방향에는 약간의 조치로도 큰 효과를 보나 비교적 강한 구조물을 두 배로 강한 구조물로 만드는 것은 큰 노력이 필요한 것이다.
- 테크노마트에 수평방향의 제어를 위해 TMD대신에 AMD를 사용할 경우, 질량체가 120ton에서 56ton으로 약 절반정도 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 여기에 수직방향으로 움직이는 42ton의 질량체를 수평방향으로도 활용할 수 있다면, 제진장치를 지지하는 프레임까지 고려해도 총무게 80ton이하라는 제한조건을 만족시킬 수 있을 것으로 판단되었다.
- 5gal 이하로 크게 감소시킬 수 있었다. 토요일 오전에 실험한 관계로 사무실에는 출근한 사람들도 다수 있었으며, TMD가 작동하지 않는 경우에는 사고 당시와 동일한 진동을 감지한 반면, TMD가 작동하는 경우에는 어떠한 진동도 감지하지 못하였다는 진술로부터 TMD가 효과적으로 작용하고 있음을 확인하였다.
- 풍동실험결과, 테크노마트는 1년에 한번 오는 빈도수의 태풍에 대하여 약 90%의 사람이 인지할 수 있는 가속도인 0.01g이 발생할 것으로 예측되었다. 이는 오피스 건물로 사용되기에 큰 무리는 없는 수치이나 최고수준의 안락한 거주환경을 의미하지는 않는다.
후속연구
- 앞으로 국내에는 신공항 3기 관제탑, 청라시티타워 등 최신 풍진동제어기술이 요구되는 건축물이 많이 건설될 예정이며, 전 세계적으로는 수많은 관련 건설 프로젝트들이 산재해 있다. 본 과제를 통해 개발된 풍진동제어 기술을 활용한다면 국내의 건설 프로젝트는 물론이고 해외의 프로젝트에도 능동적으로 참여하여 국내 기술을 수출할 수 있을 것이다.
- 사실 배, 버스, 기차 중 가장 큰 속도로 운행되는 기차가 가장 멀미를 덜 느끼는 운송수단이라는 사실은, 인간이 인지하는 것은 속도 자체의 크기가 아닌 속도의 변화 즉 가속도의 크기라는 것을 의미한다. 이는 가장 작은 속도로 운행되지만 풍랑에 따라 끊임없이 요동치는 배에서 가장 많이 멀미를 느끼는 사실로부터 다시 확인할 수 있을 것이다.
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