1. 서 론

통신설비는 유선, 무선, 광선 및 기타의 전자적 방식에 의하여 부호, 문 언, 음향 또는 영상을 송신하거나 수신하기 위한 기계, 기구, 선로 등 설비[1] 로 상시에는 정보나 의사를 전달을 수행하며, 재해 발생 시에는 구호 등 재 해 대응을 지원하는 역할을 담당한다[2]. 그러므로 통신설비는 지진시에도 구조적, 기능적 안전성을 확보할 필요성이 있다. 특히, 통신용 서버 및 데이 터 저장장치 등을 설치하기 위해 활용되는 랙 설비는 지진시 전도되거나 원 래의 위치를 이탈하면 내부에 설치되는 다양한 통신장비들의 기능이 상실 될 수 있기 때문에 지진에 대비가 필요하다.

국내에서는 랙 설비와 내부에 설치되는 통신장비류를 지진으로부터 보 호하기 위한 목적으로 특정 설비를 부분면진하는 기술이 개발, 적용되고 있 다[3-5]. 이러한 면진기술은 전달되는 지진하중을 저감시키기 위한 것으로 랙의 기초부에 면진기구를 설치하는 방법과 랙이 설치되는 엑세스플로어 를 면진구조로 제작하는 방법이 활용되고 있다. 전자의 경우에는 국내뿐 아 니라 일본과 미국 등에서 통신장비 및 데이터센터 설비 등에 적용되고 있으 며[3], 후자 또한 공공 및 민간기관의 재난대응시설을 중심으로 설치 사례 가 증가하고 있다.

건축물 내부에 설치된 통신설비는 지진시 지반과 건물 구조체에 의해 전 달된 진동이 지진하중으로 작용하게 된다. 이 과정에서 건물의 강성이 크지 않다면 일반적으로 건물에서 전달되는 지진동은 주기가 길어지게 되는데, 부분면진장치가 설치된 경우 면진구동부에서 큰 변위를 발생시킬 수 있는 원인이 된다[5]. 이는 면진장치가 설비의 고유주기로부터 면진주기를 이격 하기 위해 장주기 특성을 갖도록 설계하기 때문이다. 즉, 지진시 장주기 특 성을 갖는 건물과 면진장치 간의 공진에 의해 면진장치에 과도한 변위가 발 생할 수 있다. 그러므로 부분면진장치를 설계할 때에는 건물의 주기 특성을 고려할 필요성이 있다.

국내에서 부분면진기술이 적용된 설비의 내진성능 및 탑재된 통신장비 의 지진 안전성을 평가하는 것은 진동대를 이용하여 지진모사 실험하는 방 법이 추천되고 있다[6, 7]. 활용되는 대표적 시험방법은 전기통신설비의 내진시험방법[8]과 AC156[9]으로 Fig. 1 및 Fig. 2에 나타낸 요구응답스 펙트럼을 만족하는 지진파형을 생성, 가진하여 진동대 시험을 수행하고 구조적, 기능적 안전성을 평가한다. 제시된 시험방법들에서 요구응답스펙 트럼의 주파수 범위는 각각 1~33.3 Hz, 0.1~33.3 Hz로 규정되어 있으나, AC156[9]에서 시험이 가능한 대상설비의 최저 고유주파수는 1.3 Hz로 제 한하고 있다. 즉, 진동대 시험 시 1 Hz 미만의 주파수 대역은 진동대에 의해 서 가진이 실시되지 않는다. 각 시험방법에 의해 생성된 지진파형은 1 Hz 이하의 장주기 운동하는 건축물의 운동을 모사하지 않는 것이다. 이는 기존 시험방법[8, 9]에서 제시한 주파수 범위는 검증하고자 하는 설비 및 기기의 내진성능이 건축물에 의해 전달된 지진의 고주파수 진동에 영향을 받는 것 을 고려하여 설정되었기 때문으로 판단된다. 그러므로 기존 시험방법[8, 9] 을 활용하여 1 Hz 이하의 장주기 특성을 갖는 건축물에 위치하는 부분면진 장치로 보호되는 설비의 지진 안전성을 평가하는 것은 실제 건축물과 면진 장치의 공진 영향을 반영하기 어려울 수 있다.

본 연구에서는 부분면진장치가 장주기 거동하는 건물 내에 설치되는 경 우 건물과의 공진 영향에 대한 검토 필요성을 확인하기 위하여 해석적, 실험 적 연구를 수행하였다. 연구는 국내 내진설계기준[7, 10]에 따라 설계된 15 층 높이 예제 건축물 최상층에 부분면진장치를 적용한 설비가 설치된 것을 가정하고, 해석적으로 설비가 설치된 위치의 층응답 가속도 시간이력을 추 정하였으며 추정된 가속도 시간이력을 입력으로 하여 설치된 설비에 대해 진동대 실험하는 방법으로 수행되었다.

2. 건축물 층응답가속도 생성

본 연구에서는 1 Hz 미만에서 고유주파수 특성을 갖도록 Fig. 3과 같은 높이 65 m, 지하 1층, 지상 15층의 내력벽식 철근콘크리트 건축물을 층응 답가속도 생성을 위한 해석예제로 선정하였다. 선정된 건축물은 근린생활 시설이며 내진I등급으로 설계되었고 최상층에 면진장치로 보호되는 통신 설비가 설치되는 것으로 가정하였다. 층고는 1층이 6.2 m이고 2층 이상은 4.2 m이었으며 콘크리트의 압축강도는 24 MPa, 철근은 25 mm(SD500) 및 22 mm(SD400)가 각각 사용되었다[11].

일반적인 건물 내부의 부품 또는 설비의 내진성능 검증을 위한 입력운동 은 탄성지진응답해석에 의하나, 본 연구는 건물의 장주기 특성이 면진장치 에 미치는 영향을 고려할 수 있도록 비선형지진응답해석을 수행하고 층응 답 가속도를 추정하였다. 이는 내진설계기준[7]에서 요구하는 비구조요소 의 내진성능수준인 인명안전수준을 지진시 면진장치를 통해 확보할 수 있 는지 확인하기 위함이다.

해석모델의 작성은 범용 구조해석 프로그램인 Midas GEN을 이용하 였으며 보, 기둥 및 전단벽 등 구성요소를 고려하여 Beam 및 Plate 요소를 이용한 3차원 모델을 구축하였다. 기둥부재의 양단부에 집중된 비선형 힌 지를 적용하여 비탄성거동이 집중되도록 하였으며, 이외의 부분은 탄성거 동 하는 것으로 가정하였다. 각 소성힌지의 부재강도는 건축물 콘크리트 구조 설계기준[12]에 따라 산정하였으며, 이력모델은 기존 시설물(건축 물) 내진성능 평가요령[13]에서 제시하고 있는 변수를 적용한 Kinematic Hardening 모델을 사용하였다. 전단벽은 횡력에 대한 면내방향 저항력을 고려하고 축력, 전단 및 휨에 관한 비탄성거동이 소성힌지에 적용되었다. 질량은 슬래브에 집중하는 것으로 치환하였다. 해석방법은 직접적분법에 의한 시간이력해석법을 사용하였으며, 감쇠는 콘크리트구조물에 일반적 으로 적용되는 5%를 고려하였다.

구축된 예제 건축물의 해석모델과 고유치 해석결과를 Table 1에 나타내 었다. 해석모델의 1, 2차 모드는 각각 0.597 Hz 및 0.866 Hz이고 유효질량 은 대부분 1차~3차 모드에 집중되어 있는 것으로 나타나, 선정된 건축물은 본 연구에서 요구되는 1 Hz 미만의 주파수 특성을 고려할 수 있을 것으로 판단되었다.

입력지진은 국내 내진설계기준[7, 10]에서 규정하고 있는 방법으로 요 구응답스펙트럼을 결정하고 이에 부합하는 인공지진을 가속도 시간이력으 로 작성하였다. 요구응답스펙트럼 산정 시 재현주기 2,400년, 지진구역 I을 조건으로 하였으며, 보수적인 평가를 수행할 수 있도록 지반의 종류는 S₅를 적용하였다. 인공지진 파형 생성 시 규모 6.0~6.5 지진을 기준으로 상승시 간 1초, 강진동 지속시간 7초 및 하강시간을 9초로 각각 산정하였다. 본 연 구에서 입력 지진으로 작성한 양방의 지진파형은 Fig. 4와 같다.

건물 수평 양방향으로 동시에 지진가속도를 입력하였으며, 본 연구의 목 적이 랙 설비의 지진시 보호를 위해 활용되는 일반적인 면진장치의 거동을 평가하는 것이므로 수직방향의 지진은 고려하지 않았다.

Fig. 5는 연구대상 건축물의 최고층 가속도 응답스펙트럼분석 결과 (R=5)를 방송통신설비의 내진시험방법[8]과 AC156[9]에서 제시하고 있 는 요구응답스펙트럼과 비교한 것이다. 양방향에 대해서 모두 건물의 공진 에 의해 1 Hz 미만 저주파수 대역 응답이 증폭되는 것으로 나타났으며 또한, 건물의 공진주파수 대역에서 기존 시험방법[8, 9]에서 제시하고 있는 요구 응답스펙트럼의 가속도(Sa) 수준을 초과하는 응답을 확인할 수 있었다. 그 러므로 기존 시험방법[8, 9]은 고층 건축물의 장주기 특성을 고려하지 못하 는 것으로 판단되며, 해당 시험방법에 의해 면진장치가 설치된 설비의 내진 성능을 시험하는 것은 적절하지 않을 것으로 판단된다.

Figs. 6과 7은 각각 대상 건축물 최고층에서의 계산된 변위 및 가속도 응답과 층간변형비 해석결과를 나타낸 것이다. 건물의 강축 방향에서 약 0.5 g, 약축 방향에서 약 0.7 g의 최대 가속도가 발생하는 것이 확인되었으 며, 이는 지반가속도의 약 2.5~3배 수준이다. 층간변형비는 Fig. 3에서 나 타낸 것과 같이 건축물이 판상형이기 때문에 각각 0.69%에서 0.87% 수준 으로 나타났으나, 건축물 내진설계기준[7]에서 제시하고 있는 붕괴방지수 준의 층간변위비인 2.5% 미만인 것으로 확인되었다.

본 연구에서는 보수적인 평가를 위해 건축물에 2,400년 재현주기 지진 이 발생한 것을 가정하였으며, 예제 건축물 각 방향 가속도 시간이력 해석결 과의 100%를 진동대 실험의 입력지진으로 결정하였다.

3. 면진장치

본 연구에서 대상으로 하는 면진장치는 국내에서 데이터센터 및 공공 기관의 재난대응상황실에 설치되어 통신설비, 데이터스토리지 등을 보호 하기 위한 용도로 사용되는 부분면진장치이다. 이러한 면진장치는 리니 어가이드 또는 진자구조와 같이 수평방향으로 낮은 강성을 갖는 요소를 이용하여 장주기 특성을 갖도록 설계, 제작되고 있다. 각 면진방식은 모두 국내뿐만 아니라 일본 및 미국 등에서 설비의 지진보호 용도로 활용되고 있다.

본 연구에서는 리니어가이드와 스프링 장치를 조합한 면진장치 및 접시 모양의 구면을 갖는 두 개의 플래이트 사이에 강재 구를 배치하여 진자구조 를 형성한 면진장치를 실험 대상으로 선정하였다. 각 장치는 기존 시험방법 [8, 9]에서 제시하는 요구응답스펙트럼에 해당하는 지진에 대응하도록 설 계된 것이며, 규격 및 사양은 Table 2와 같다.

선정된 연구대상 면진장치의 동특성을 분석하기 위해서 자유진동 실험 을 실시하였다. 실험방법은 Fig. 8에 나타낸 것과 같이 면진장치 상부에 약 7 kN의 강재 질량체를 면진장치 중앙부에 설치한 상태에서 인력에 의해 1 방향으로 약 150 ~180 mm의 변위를 임의로 발생시킨 후, 작용력을 제거 하여 자유진동 상태를 유도하고 진동이 종료될 때까지 변위를 측정하는 방 법으로 수행되었다. 변위측정은 동영상 촬영에 의한 영상처리방법을 이용 하였으며 1080 수평해상도의 최대 초당 60 프레임 속도로 촬영이 가능한 카메라를 면진장치에서 높이 2m 위치에 고정, 설치하고 촬영한 영상을 분 석하였다.

자유진동 실험에서 계측된 각 면진장치의 상부 변위 측정결과는 Fig. 9 와 같다. 공진주파수는 자유진동이 시작된 이후 첫 3 cycle의 각 방향 최대 값이 발생한 시간을 평균하여 주기를 산출하는 방법을 사용하였으며, 감쇠 는 로그감쇠법(Logarithmic decrement method)에 의해 결정하였다. 공 진주파수와 감쇠비 결과는 Table 3에 나타내었으며, 리니어가이드와 스프 링 구조에 의한 면진장치(Model A)의 공진주파수는 0.41 Hz, 감쇠는 3.4% 수준이었으며, 진자구조 방식(Model B)의 고유주파수는 0.43 Hz, 감쇠는 4.1%로 두 면진장치가 유사한 동특성을 갖는 것으로 나타났다.

4. 진동대 실험

4.1 실험개요

본 연구에서 선정한 두 가지 면진장치(Model A와 B)가 적용된 랙 설비 가 설치되는 것으로 가정하고 지진시의 동적거동을 평가하기 위하여 진동 대 실험을 실시하였다.

면진장치가 설치된 통신설비 랙이 1 Hz 미만의 공진 특성을 갖는 건축 물 내부에 설치된 경우의 지진 거동을 평가하는 것이므로 실제와 유사하게 건축물과 설비를 진동대에 설치하고 실험하는 것이 바람직하나, 국내 실험 시설장비 구축 여건상 실규모의 건축물을 설치하고 동적실험을 수행하는 것이 어렵다. 따라서 본 연구에서는직접적인 실험이 어려운 건축물에 대해 서는 해석적으로 층응답을 산정하고 이를 진동대의 입력지진으로 하여 동 적실험을 수행하는 방법을 활용하였다. 일반적으로 연구대상인 랙 설비는 건물에 비하여 중량이 가볍기 때문에 지진시 건물과의 상호작용 효과를 고 려하지 않을 수 있다고 판단하였다.

각 면진장치 실험체 상부에 통신설비용 랙이 설치되었다. 본 실험의 목 적상 랙 설비는 내부에 별도의 통신장비를 설치하지 않았다. 지진시 관성효 과를 발생시키기 위하여 강재 질량체를 랙 하단부에 설치하였으며, 랙의 프 레임 및 질량체를 포함하는 총 중량은 약 10 kN(1,030 kgf)이었다. 면진장 치는 각 제조사의 시방에 따라 면진장치 상부와 랙 설비의 하단부를 별도로 고정하지 않고 설치하였다. 각 면진장치의 진동대 시험 전 설치 형상은 Fig. 10과 같다.

면진장치 상대변위 및 랙의 거동을 분석하기 위하여 Fig. 11과 같이 진 동대(A1), 면진장치 상부(A2), 랙 중앙(A3), 랙 상단(A4)에 총 4개의 3축 가속도계를 설치하였으며, 3장의 면진장치 동특성 분석과 유사하게 진동대 상부에 카메라를 설치하여 면진장치의 수평방향 변위를 측정하였다.

진동대 가진방법은 기존에 활용되고 있는 방법과의 비교를 위하여 방송 통신설비 내진시험방법[8]에 의한 가진 실험(Test 1)과 본 연구에서 해석 적으로 산정한 예제 건축물 층응답 가속도를 가진하는 실험(Test 2)을 각각 실시하였다(Table 4 참조). Test 2에서 입력된 각 방향 지진파의 변위 및 가 속도 시간이력은 Fig. 7과 같다. 진동대는 부산대학교 지진방재연구센터의 3자유도 진동대를 활용하였으며, 진동대의 가진 주파수 범위는 0.1 Hz에서 50 Hz이다. 본 연구에서 선정한 면진장치들은 수직방향으로는 면진기능을 보유하고 있지 않기 때문에 수평 2방향에 대해서만 가진을 수행하였다.

4.2 실험결과

방송통신설비 내진시험방법[8]에서 제시하는 요구응답스펙트럼을 만 족하는 지진파를 가진한 Test 1의 경우에 대해서, 요구응답스펙트럼과 진 동대에서 계측(A1)된 입력 지진가속도, 랙 및 면진장치 각 위치에서 계측된 가속도의 시험응답스펙트럼(주파수 범위 0.5~64 Hz, 1/12 octave 간격 분 석)을 Fig. 12와 Fig. 13에 나타내었다. 각 면진장치의 공진주파수가 약 0.4 Hz이고, 1 Hz 대역부터 가진을 실시하였기 때문에 대부분의 주파수 대역 에서 요구응답스펙트럼 이하의 응답을 나타내는 등 면진장치의 설치에 따 른 진동 저감효과를 확인할 수 있었다. 다만, Model B의 경우에는 특정 수 파수 대역에서 랙 설비의 시험응답스펙트럼이 요구응답스펙트럼을 초과하 는 것이 확인되었는데, 이것은 Model B에서 가진 시 면진장치 자체의 회전 발생에 기인한 것으로 진동대의 가진에 의한 실험체의 진동은 아닌 것으로 판단된다.

예제 건축물 해석결과의 층응답을 이용하여 가진한 Test 2의 경우, Model A에 대해서 각 가속도계 계측위치에서의 시험응답스펙트럼(주파 수 범위 0.5~64 Hz, 1/12 octave 간격 분석)과 동일한 감쇠비(5%)를 갖고 있는 AC156[9]에 따른 요구응답스펙트럼(Fig. 2 참조)을 비교하여 Fig. 14에 나타내었다. 진동대 위치에서의 각 방향 가속도는 길이(Longitudinal) 방향, 예제 건물의 약축방향으로 보다 큰 가진력이 입력되었으며, AC156[9] 의 요구응답스펙트럼과 유사한 수준으로 가진이 수행된 것으로 나타났다. 특히, 저주파수는 건물의 1차 및 2차모드 주파수 인 약 0.60 Hz 및 0.87 Hz 로 Fig. 15에 나타낸 것과 같이 200 mm 이상의 변위가 발생되었다. 이러한 가진은 Model B 실험에서도 동일하게 수행되었다.

Test 1에서와 달리 Test 2의 경우에서는 면진장치 상부 및 랙에 설치된 가속도계 모두에서 가속도의 저감이 확인되지 않아 Model A 장치의 면진 효과가 확인되지 않았다. 이것은 Fig. 15의 진동대와 면진장치 간 상대변위 측정결과에서 나타난 것과 같이 Test 2 가진에 의해서 면진장치가 운동할 수 있는 최대 변위(Table 2 참조)를 초과함으로써 이론적인 면진기능을 상 실하였기 때문인 것으로 판단된다. 즉, 건물의 진동특성에 의해 면진장치의 공진이 발생하고 이에 따라 면진장치에서 과도한 변위가 발생함으로써 면 진장치가 가질 수 있는 장주기 특성의 장점을 활용할 수 없게 됨에 따라 면 진효과가 확인되지 않는 것이다. 이러한 현상은 Fig. 17에 나타낸 것과 같이 면진장치와 랙 상부에 설치된 가속도 응답에서도 확인할 수 있다. Fig. 17 가속도 시간이력에서 주기적으로 최대 10 g 이상의 가속도가 순간적으로 발생하는 것을 확인할 수 있는데 이것은 면진장치 내부에 리니어가이드가 운동 가능한 최대 변위에 도달하면서 리니어가이드 부품 간에 충돌이 발생 하였기 때문인 것으로 판단된다. 면진장치 최대 변위 한계에 따른 충돌의 발 생은 Model B에서도 동일하게 나타났다. Model B의 경우에는 면진구조가 접시 형상의 플레이트에 볼베어링이 자유롭게 움직일 수 있는 형태로 실험 결과에 따라 탑재된 랙의 전도 및 전복의 우려가 있었기 때문에 면진장치 상 부 및 랙 설비에는 가속도계를 설치하지 않고 진행하였다. 이에 따라 관련 실 험 데이터를 확보하지는 못 하였으나, 실험중 발생한 충격음을 통해 면진장 치 최대 변위발생 상태에서 내부에 충돌이 발생하였을 것으로 판단하였다.

실험 종료 후 육안조사를 실시하였으며 Test 1에서 구조적 손상은 확인 되지 않았다. Fig. 18은 Test 2 실험 종료 후의 Model A 의 형상을 나타낸 것이다. Model A의 경우에는 면진장치가 최대 운동 가능 범위를 초과함에 따라 진동대 설치위치에서 미끄러지며 이동이 발생하였다. 이러한 이동은 Fig. 16(c)에 나타낸 변위 측정결과에서도 확인할 수 있었다. 이동 발생에 도 불구하고 상부에 탑재된 랙 설비의 이동, 구조적 손상은 확인되지 않았는 데 이러한 결과는 상대적으로 마찰이 적은 진동대 상부에서 별도 고정없이 실험이 수행되었으며 이동에 의해 2차 충돌이 발생할 수 있는 타 구조요소 및 비구조요소가 설치되지 않았기 때문이다. Model B의 경우에는 가진 중 면진장치 구성 요소 중 볼의 이탈이 발생하였으며 이에 따라 가진을 완료하 지 못하고 실험이 종료되었다(Fig. 16(d) 참조). 볼의 이탈은 면진장치 상, 하부의 높이 차이를 발생시켰으며, 이에 Fig. 19에 나타낸 것과 같이 상부에 탑재된 랙의 초기 설치 위치 이탈을 유발하였다. 그러나 Model A에서와 같 은 면진장치 자체의 이동은 확인되지 않았다.

면진장치는 설계된 최대 운동 가능 범위 내에서는 발생한 지진력을 저감 시키는데 효과적인 것으로 나타났으나 설계 범위를 초과하여 운동하는 경 우에는 지진에 의한 피해발생 가능성이 있는 것으로 판단된다.

5. 결 론

본 연구에서는 통신설비 등을 보호하기 위한 목적으로 설치되고 있는 부 분면진장치가 장주기 거동하는 건축물 고층에 위치하는 경우에 있어서 건 물 진동에 의한 공진 영향을 확인하였으며, 다음과 같은 결론에 도달할 수 있었다.