Application and Prospect of the Seismic Isolation System for Building Structures in Korea
글/이명규-(주)유니슨이엔씨 기술팀 대리, 박지훈-인천대학교 건축공학과 조교수
출처 : 전산구조공학, 2009년 7월호, 제22권 제4호, pp. 65-74
1. 서론
지진으로부터 건물이 영향을 받지 않을 이상적인 조건은 건물을 공중에 띄우는 것일 것이다. 현실적으로 불가능한 일이지만 면진기술을 이용하여 수직으로는 강하게 저항하고 수평으로는 수직에 비하여 대략 1/1000 정도 유연한 강성을 구현하는 효과를 거둘 수 있다. 면진이란 낮은 수평강성을 갖는 구조부재를 구조물과 기초 사이 혹은 건물 중간에 삽입함으로써 건물 혹은 구조물을 지반운동의 수평성분으로부터 분리시키는 것이다. 즉 면진장치를 이용하여 지반운동의 주된 진동수보다 구조물의 고유주기를 훨씬 더 낮게 만드는 것이다. 또한 구조물의 고차모드는 전체적인 거동에 크게 기여하지 않고, 이에 해당하는 높은 진동수 영역에서는 지반의 운동에너지가 구조물로 전달되지 않는다. 면진시스템은 지진에너지를 흡수하지는 않고, 오히려 시스템의 동적 거동을 통해 에너지를 반사(deflect) 시킨다고 할 수 있다.
그림 1에서 보라색 곡선은 건물의 주기별 가속도 응답을 상징하는 선으로 일반적인 고정기초의 내진건물은 단주기 영역으로 가속도 응답이 크고 지진격리의 면진건물 응답은 장주기 영역으로 가속도 응답이 매우 작아진다. 내진건물은 관성에 의한 지진력을 횡저항 부재에서 떠맡아 강성 크기에 비례하는 하중을 분담한다. 만약 횡강성이 크면 변위는 작게 발생하나 큰 가속도 응답으로 인하여 실내의 가구, 기기 등의 손상이 발생하게 되며 반대로 횡강성이 유연한 구조에서는 창틀, 커튼월 등의 비구조체가 떨어져 나가거나 손상을 입게 되고, 급기야 건물의 붕괴가 발생하게 된다. 이에 비하여 면진건물에서는 면진층에서 건물의 최대응답을 수용하고 가속도 전달을 차단하여 상부구조물의 관성력은 크게 저감되며, 내진건물에 비해 상부구조의 변형과 가속도가 매우 작게 발생하게 된다. 이러한 면진건물을 설계하는 구조기술자가 당면하고 있는 근본적인 문제는 건물의 층간변위(interstory drift)와 층가속도(floor acceleration)를 최소화하는 것이다. 앞서 언급한 큰 층간변위는 비구조부재(nonstructural components)와 층간(interstory)을 연결하는 각종 배관, 공조설비 등 비구조체에 손상을 준다. 층간변위는 구조물의 강성을 증가시킴으로써 최소화 할 수는 있다. 그러나 구조물 강성의 증가는 지반운동에 의한 구조물 응답의 증폭을 가져오므로 높은 층가속도를 유발시켜 구조물 내부의 민감한 장비들을 손상시킬 수 있다. 반면, 층가속도는 시스템의 강성을 줄임으로써 감소시킬 수는 있지만, 이것은 큰 층간변위를 유발한다. 따라서 층간변위와 층가속도를 동시에 줄이는 방법이 필요하며 가장 효과적인 방법은 면진기술을 적용하는 것이다.
면진을 가능케 하는 장치에는 일반적으로 적층고무계 받침과 미끄럼받침이 있는데, 적층고무계 받침에는 대표적으로 탄성받침(RB), 납면진받침(LRB), 고감쇠면진받침(HDRB)이 있으며, 미끄럼받침에는 POT받침, 마찰포트받침(FPB), 마찰진자시스템(FPS) 등이 있고, 변형된 형태로 여러 면진장치가 개발되고 있다. 미국에서 가장 일반화된 면진장치는 적층고무계 받침인 납면진받침(LRB: Lead Rubber Bearing)이다. 면진시스템에 감쇠를 첨가하기 위해 적층고무 내부에 홀을 내어 납심을 삽입한 것으로 일부의 프로젝트에서는 납면진받침만을 사용하여 구조물을 면진하기도 하지만, 일반적으로 납심이 없는 적층탄성받침과 조합하여 사용한다. 또한 고무 자체의 감쇠를 사용하여 면진시스템에 감쇠를 포함할 수 있다. 미국, 이탈리아, 일본, 중국 및 인도네시아에서의 건물은 일어한 고감쇠 천연고무받침(HDRB: High-Damping Rubber Bearing)을 사용하여 면진시스템을 구성하였다. 한편, 두 번째로 가장 널리 쓰이는 형태의 면진장치는 미끄럼받침이다. 이 장치는 "작은 마찰력을 통해 전단력의 전달을 줄인다"는 개념을 사용한다. 이 방법은 제안된 모든 시스템들 중에서 가장 초기의 그리고 가장 간단한 방법이지만, 풍하중과 작은 지진에 대한 적절한 저항을 제공하기 위해 상당히 큰 값의 마찰계수가 필요하다. 그러나 면진시스템에서 미끄럼받침만을 사용하는데 있어서 다른 문제점은 효과적인 복원력을 줄 수가 없다는 것이다. 따라서, 미끄럼받침의 경우에 변위에 대한 시방서 규정은 지나치게 크다. 또한, 이 변위는 어떠한 수평방향으로도 발생할 수 있으므로, 받침판의 직경과 지지시스템이 매우 커야 한다. 더욱이, 미끄럼받침은 이러한 큰 변위로 인해 발생된 큰 모멘트를 지지하도록 설계되어야만 한다. 미끄럼받침의 복원력을 줄 수 있는 방법으로 첫째, 탄성받침과 조합하여 사용하는 것과 둘째, 마찰면을 곡면으로 만들어 중력에 의해 다시 중심으로 돌아가도록 구성(Friction Pendulum System: FPS)하는 방법이 있다.
면진기술 초기단계에서는 주로 저층 건물에만 적용이 가능한 것으로 알려졌으나 최근에는 40층 이상 고층건물에도 면진기술을 적용하고 있다. 특히 일본에서는 95년에 고베지진이 발생한 이후에 수많은 신축건물에 면진기법을 도입하고 있으며 아파트 건설업체들은 면진공법을 적용한 사실을 분양홍보에 적극적으로 활용하고 있다. 우리나라의 면진기술은 아직까지 초기 도입단계 수준이며 일본에 비하여 십수년이 뒤쳐진 상태이다. 면진설계를 내진에 비하여 크게 고려하지 않는 이유로 우리나라 지진발생 빈도가 중국, 일본에 비하여 상대적으로 낮으며 지진규모 또한 작기 때문에 일반적인 내진설계만으로 경제성이 충분히 고려되었던 것이다. 그러나 80년대 말 이후 경제성장과 함께 내진설계기준이 점차로 정립되고, 지진에 대한 사용성 문제의 고려도 점차 증가하는 추세이다. 일부 업체와 기술자 및 학자들의 노력으로 적용 건수는 적지만 건축분야에도 면진기술을 일부 적용하고 있으며 면진기술이 갖는 근본적인 장점과 우수한 제품의 국내개발을 통해 이러한 노력이 점차적으로 확대될 전망이다. 본고에서는 기본적으로 사용되는 면진장치의 특성과 국내에 적용된 면진시스템의 사례를 소개하고 향후의 전망에 대하여 알아보고자 한다.
2. 면진장치의 특성
2.1 탄성받침(Elastomeric Bearing)
탄성받침의 유효강성은 전단탄성계수와 하중지지면적의 곱을 총고무두께로 나눈 값이 된다. 탄성받침은 하중 전달이 효율적이며, 다른 받침에 비하여 교량에서 차량의 충격하중 및 소음에 대한 흡수력이 우수하여 상시 사용성이 우수할 뿐만 아니라 고무의 전단변형에 의한 이동과 회전이 자유로운 받침이다. 또한, 부식이 거의 없어 유지관리에 큰 어려움이 없으며 시공이 간편한 경제적인 받침으로 지진시에 하중배분을 도모한다. 이러한 탄성받침은 고무만을 사용재료로 하는 순수 탄성고무받침과 내부에 1개 이상의 강판을 보강하여 압축변형시 고무측면의 팽출현상(Bulging)을 억제하여 내하력을 증가시킨 적층고무받침으로 구분할 수 있다.
일반적인 탄성받침은 고주파수를 절연하는 기능과 수직 지지력 및 복원기능이 있으나 교량이나 건물에 적용시 받침의 미소변형만으로 바람에 대한 저항력을 크게 제공할 수는 없다. 따라서 수평력에 대한 저항능력을 부가하기 위해 전단키 또는 가이드 등의 고정장치를 추가로 첨가하거나 수평저항능력이 있는 다른 내진베어링과 조합해서 사용하기도 한다.
2.2 납면진받침(Lead Rubber Bearing: LRB)
적층고무 탄성받침에 중앙 또는 2군데 이상 적당한 크기의 홀을 내어 납심(Lead)을 삽입하여 상시 풍하중과 제동하중 등의 단기하중에는 납의 초기강성으로 변위를 제어하고 온도변화와 같은 장기적인 거동에는 납이 쉽게 항복하여 온도응력을 상부구조에 전달하지 않으며, 지진시에는 납의 비선형 거동으로 진동에너지를 흡수하여 지진변위를 억제하고 에너지 소산을 부가한 특별한 장치가 납면진장치인 LRB이다. 지진 종료 후 고무의 복원력으로 상부구조물을 원위치시키고 유지보수의 필요 없이 영구적인 사용이 가능하다.
납면진받침(LRB) 면진시스템 설계 기본원리는 납면진장치를 이용하여 구조물을 장주기화 시켜 적절히 감소된 지진력을 제공하고 증가된 면진층의 변위를 흡수하는 것이다. 납면진장치의 장점은 구조가 단순하면서도 면진시스템의 설계원리상 필요한 수직하중 지지력, 감쇠력, 복원력의 모든 효과를 다 제공할 수 있다는 점이다. 면진의 효과는 다음 그림 5와 같이 고유주기 및 감쇠 증가에 따른 면진장치의 전단변형 증가는 에너지 소산 등을 통해 적절히 제어되도록 설계된다.
2.3 마찰진자 시스템(Friction Pendulum System: FPS)
마찰진자시스템인 FPS는 받침에 적당한 곡률을 주어 중력하중에 의한 복원강성과 미끄럼마찰 감쇠력을 제공한다. 그림 7은 FPS 거동의 원리를 나타내는 것으로서 FPS에 작용하는 횡하중 F는 중력하중 W, 마찰면에 수직으로 작용하는 수직항력 N, 마찰면의 접선방향으로 작용하는 마찰력 f와 평형을 이루게 된다. 미소 각도를 가정하면 는 1로 표현되므로 힘의 평형조건방정식을 만족하는 힘과 변위의 관계는 다음 식 (1)과 같이 표현되고 유효강성을 중력하중과 곡률반경의 물리량으로 표현할 수 있다.
(1)
FPS는 유연성과 에너지 흡수능력으로 구조물로 전달되는 지진력을 저감시키는 효과를 제공하며 다음과 같은 특징들을 보유하고 있다.
(1) FPS의 낮은 높이, 고강도, 높은 수직방향 강성이 설치비를 절감시킨다.
(2) FPS의 주기는 구조물의 질량에 무관하다.
(3) 횡력은 FPS가 지지하는 구조물의 무게에 직접적으로 비례관계에 있기 때문에 면진시스템의 힘은 항상 지지하는 구조물의 질량중심에 작용한다.
(4) 풍하중이나 경미한 지진하중에 대한 강도를 부여한다. 즉, 정지마찰 한계가 초과될 때까지 마찰저항에 의해서 변위가 발생치 않는다.
(5) 수직방향으로 무거운 하중지지능력 및 안전성을 보유하고 있다.
(6) FPS의 주기, 수직하중 지지능력, 최대허용변위, 감쇠력 등은 모두 독립적으로 선택되어질 수 있다.
(7) FPS의 구형 Slider는 상시 하중 동안 상판의 회전을 수용한다.
2.4 포트받침(POT Bearing)
포트 내진받침은 마찰수평저항력과 수직지지능력 및 상부구조의 미소 회전변형을 감당하며 고정기초 내진, 일방향 변위제어, 양방향 변위제어용으로 구분하여 사용한다(그림 8).
포트받침은 포트(하부 판내 오목한 공간)와 피스톤 - 상하부판 사이에서 미끄럼작용 및 수직, 수평하중을 전달하는 플레이트 -에 의해 밀폐된 두꺼운 고무판을 통해 하중을 전달한다. 따라서, 수직하중은 균일하게 전달되며, 피스톤은 수평축에 대하여 0.01-0.015 라디안의 회전이 가능하다. 일방향 가동 또는 전방향 가동받침은 포트받침과 미끄럼받침을 조합한 형태이다. 표면처리된 스테인레스 미끄럼판과 PTFE(Polytetrafluorethylene)판 사이의 특수 실리콘제에 의한 상부판으로부터의 수평력은 피스톤의 가이드에 의해 피스톤 및 하부판으로 전달된다.
3. 국내 면진기술 적용현황
3.1 유니슨기술연구소
1998년 유니슨(주)에서 국내 최초로 건축물에 적용한 면진건물이다(그림 10, 11). 총 12개의 LRB가 적용되어 있으며 지진파 시간이력해석을 통하여 면진효과를 예상하였고 LRB 하나가 지지하는 지진시 최대 압축력은 약 160tonf에 달한다. 본 현장은 가속도 계측기를 시스템을 구축하여 지진발생시 실시간 모니터링도 가능하도록 설계되었다.
3.2 인천 LNG 탱크
인천 LNG 탱크에 적용된 면진시스템은 국내에서 두번째 LNG 면진시스템이다. 인천LNG 탱크는 100,000m3 용량의 액화천연가스를 저장할 수 있는 규모로 탱크 높이 47m, 직경 73m를 천연고무받침(RB)으로 떠받치고 있다. RB의 규격은 
600 x h22 mm로서 총 392개소에 장착이 되었다.
3.3 트라움하우스
2000년도에 대신주택에서 고급브랜드 전략을 내세워 기존 내진설계보다 한 단계 높은 기술인 '면진설계' 공법을 국내 최초로 도입하였다. 트라움하우스의 특징은 세계 최대 규모의 면진장치(LRB 직경 1500mm, 수직하중 2400tonf 수용)를 고급 아파트에 적용하여 면진이라는 새로운 내진방식을 국내의 민간 주거용 건축물에 최초로 도입하여 국내외 전문가들의 큰 관심을 낳았다(그림 13). 면진시스템은 LRB와 SBB(Sliding Ball Bearing)를 조합하여 자유도를 증가시킨 필로티 구조는 면진설계 특징을 최대한 살렸다는 좋은 평가를 받았다.
3.4 김포 현대힐스테이트아파트
유니슨(주)와 현대건설(주) 및 한국지진공학회에서 공동으로 연구단을 구성하여 2005년부터 2008년까지 국내 기술력으로 중고층 아파트 면진시스템을 실현한 현장이다(그림 14). 국내 건축물에 면진기술이 도입되기 시작한 초기의 트라움하우스와 비교하면, 면진장치 및 기타 설비의 설계, 제작 및 시공과 건물 구조설계가 순수 국내 기술력으로 이루어진 현장이라서 더욱 그 의미가 크다고 할 수 있다. 특히 일반적으로 중저층 건물에 적용되는 면진을 순수 국내 기술로 고층아파트에까지 실현할 수 있었다는 점에서도 큰 의의가 있다고 할 수 있다.
상부구조는 전단벽식 철근콘크리트조로 고유주기는 약 1.2초의 값을 가지나, 면진을 적용하여 3.8초대의 장주기화가 가능해진다. 301-304, 4개동에 총 86개 LRB와 RB를 조합하여 면진시스템을 구성하였으며, 일반 내진에 비하여 저감된 지진력은 장스팬 필로티 구조를 실현 가능하게 하였다. 면진을 위해 엘리베이터 샤프트는 면진층에서 외부 벽과 면진장치가 원만히 거동할 수 있도록 이격을 두고 상부구조에 철골조로 연결되어 매달려 있다. 와이어 가새로 엘리베이터 샤프트의 비틀림을 방지하였으며 외부에서 면진 엘리베이터 샤프트를 확인할 수 있도록 하였고, 특별히 유지관리를 하기 위한 면진층 점검로를 각 동마다 4개씩 설치하여 면진장치의 이상유무를 체크할 수 있도록 하였다. 본 현장에 면진구조를 채택함으로써 지진에 대한 안정성과 사용성의 증대의 목적을 획득하였을 뿐만 아니라 더불어 면진구조의 장점인 장스팬화, 자유도의 증가에 따른 필로티 공간활용 및 일반 내진건물 주차계획과 비교하여 여유있는 주차공간을 확보할 수 있었다.
3.5 서산주공아파트 주민복지관
대한주택공사와 DRB 동일에서 공동연구를 진행한 현장이다. 약 2년 동안 연구를 진행하였으며, 면진구조의 현장 적용에 따른 문제점 파악 및 설계/시공기술 확득과 복합면진시스템을 적용한 중저층경량건물의 고성능 면진설계 구현을 목표로 하였다. 목표 면진주기는 4.24초, 설계허용변위 20cm로 설계되었다. 본 현장에서는 탄성받침과 슬라이딩 베어링이 면진시스템으로 적용되었다(그림 15). 그림 15의 (a)는 일반적인 내진설계로 기둥개수가 많고 간격이 좁다. 면진으로 재구성함으로써 횡력저항 부재의 소요 개수가 감소하여 지하층 공간을 넓게 활용할 수 있고 사용성과 안정성을 크게 증가시켰다.
3.6 양재동 유니슨 서울사무소
김포 현대힐스테이트와 마찬가지로 LRB와 RB를 조합하여 면진시스템을 이루었고, ASCE07 규격에 준하여 면진설계를 실시하였다. 특별히 이 건물은 면진장치가 설치된 사항을 눈으로 확인할 수 있도록 전시공간을 고려하여 설계되었고, 면진 계획상 엘리베이터는 면진층 상부로만 운행이 가능하다. 시공과정을 살펴보면(그림 16), 기초공사, 면진층 공사, 상부골조 공사 순으로 철골조 건물 형식에 면진층 공사가 더 추가되었다. 터파기 공사와 지하기초공사가 끝난 뒤 면진층 공사시 면진장치를 고정하기 위한 하부판은 1/500로 정밀하게 설치한다. 무수축몰탈 타설시 mock-up 테스트를 통하여 타설에 이상유무를 미리 체크하고 실제 공사에 들어간다. 상부골조를 완성후 본 현장에서는 면진층의 방화, 내화구조를 이루기 위하여 면진 pit층에 내화벽돌로 화염을 차단하고 장치에는 방화랩을 싸서 2중방화구조로 화재에 대한 안전성을 제고하였다.
3.7 목동트라팰리스
삼성건설에서 말레이시아 쿠알라룸프 페트로나스 타워 시공경험을 바탕으로 건축면진장치 전문업체인 유니슨(주)의 LRB를 이용하여 목동트라팰리스 34층 150m 상공에 스카이브릿지를 국내 최초로 시공하였다(그림 17, 18). LRB와 POT 받침의 조합 방식으로 POT는 교축으로 일방향 병진운동과 회전힌지 조건이고, LRB는 스카이브릿지의 하중을 지지하면서 지진하중시 발생하는 변위를 안정적으로 흡수하는 역할을 담당한다. 지진하중시 최대 상대변위는 지점당 300mm까지 고려하였다. 본 현장에서 스카이브릿지 설계를 채택함으로써 각 동의 연결커뮤니티를 형성하고 좋은 전망을 제공하여 브랜드가치를 상승시키는 효과를 거두었다고 평가된다.
3.8 성남시청사 신축이음용 LRB
성남시청사는 2009년 12월에 완공될 예정이며, 인접한 두 동간의 상대변위를 충족할만한 신축이음부 받침과 트러스 골조와 열결브릿지 신축이음부에 LRB가 적용되었고 낙교방지 장치를 이용하여 브릿지 및 트러스 골조의 지진시 안정성을 배로 높였다. LRB 1개의 수직용량은 약 90tonf이고 수직하중 재하시 150mm의 전단변형도에도 안정성이 확보되도록 설계되었다.
4. 전망
앞으로도 당분간 면진기술은 제품 및 설계상의 기술적 발전과 실제 건설현장에의 적용이 지속적으로 발전을 거듭할 것으로 예상된다. 건축물 구조체 뿐만 아니라 박물관의 문화유산 및 예술작품의 보호와 통신장비 및 전산장비의 보호를 위해 면진시스템을 활용할 수 있다. 또한 소음 진동 제어분야에서 적용되는 방진패드의 개념을 확대하여 대규모 콘서트홀 공연장의 면진시스템을 계획하여 교통 진동 등 외부의 진동원과 내부의 설비로 인한 진동원으로부터 진동절연 및 고성능 내진효과를 동시에 거둘 수도 있다. 최근의 연구동향으로는 낮은 강성을 가지면서 큰 수직하중을 지지할 수 있는 면진장치의 장점을 활용하여 TMD와 같은 제진장치의 받침으로 활용하는 방안도 연구 및 실용화되고 있다. TMD와 유사한 개념으로 건축물 리모델링에서 상부 증축부분을 면진으로 계획해서 내진성능을 향상시키는 방안도 학계에서 활발히 연구되고 있다.
면진에 대한 국내 설계기준으로서 도로교 설계기준에는 2005년에 면진기준이 채택되어 추가되었으나, 아직까지 건축분야에서는 건축구조 설계기준에 반영되고 있지 않다. 아직까지도 국내의 면진설계 규준이 없다는 것과 면진프로젝트를 책임지고 이끌어갈 만한 전문가 PM의 부재는 기회고가 설계 및 시공 진행과 허가 과정에 상당한 마이너스 요소로 작용하게 되어 많은 아쉬움을 남기고 있으나, 학계의 많은 연구자들과 관련업계의 노력을 통해 향후 건축구조 설계기준에 면진과 제진조항을 추가하기 위한 노력이 계속되고 있고, 국내 면진장치 제조업체의 기술력이 전 세계적으로 상당히 높은 수준에 도달하고 있기 때문에 조만간에 국내 건설시장에 면진장치의 도입이 활성화 될 것으로 예상되며, 면진기술의 미래는 매우 밝다고 하겠다.
참고문헌
1. 김종인, 이종헌, 김두기, 면진구조물의 설계 - 이론과 실무 - Farzad Naeim, James M. Kelly.
2. 한국지진공학회, 면진기술을 이용한 고층 공동주택 구조시스템 개발, 2007, 10.
3. 이동근, 김태호, "우리나라의 면진 및 진동 제어", 한국지진공학회 논문집, 제10권 6호, pp. 67-77, 2006.
4. TRAUM HAUS III 구조설계설명서, 2002. 2.
5. 이석, 민경원, "구조물의 내진보강을 위한 마찰감쇠기", 리모델링, 2005.
6. 김두훈, 권형오, 박해동, 정민, 이동근, "납 면진받침을 적용한 건축물의 내진설계", 한국지진공학회 추계학술대회 논문집, pp. 258-265, 1998.
7. 면진기법 시험적용 및 성과분석, 주택도시기술연구원 연구성과 발표회, 2005.
