교량과 진동1

교량과 진동1

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진동에 관한 기초수업을 들었더라면 그 피해에 관련된 사고의 예로 ‘Tacoma bridge’의 붕괴동영상을 본 적이 있을 것이다. 어쩌면 가장 큰 사고의 예로 꼽을 수 있고 피로파괴가 진동이 차지하는 비중이 크므로 숨기고 싶지만 성수대교 붕괴도 비슷한 예라고 할 수 있겠다. 교량은 거대한 구조물로서 분명히 고유주파수를 가지고 있으며 따라서 분명히 붕괴될 수 있다. 공진을 일으키는 가진원만 제대로 주어진다면 …

교량과 진동에 관련한 시작

일반적인 교량의 고유진동주파수는 1~3Hz내외로서 이 특성은 교량의 전체길이, 형태(사장교, 현수교, 일반교량), 교각의 길이, 상판의 단면이나 재질 등에 따라 다르지만 타코마 다리처럼 그 특성을 건드리면 큰 반응(공진)을 나타낸다. 피해는 girder(주지지보)의 탈락, pier(교각)의 파괴, 기초의 침하를 말한다.

우선, 대량교량은 과거의 설계처럼 지상에서 가장 무거운 이동물체인 탱크를 상판에 두어 지탱하는 구조를 설계하는 등 더 이상 정하중(최고하중에 안전율을 고려한)만을 지지한 형태로 설계하지 않는다. 즉, 동하중을 감안하여 설계하는데 이 동하중은 풍(0.5~2Hz), 지진(0.5~2hz), 차량(~5Hz)을 대표적으로 들 수 있다. 아시다시피 타코마 다리나 2015년대의 이순신대교의 횡 및 비틀림 요동은 모두 풍하중(wind)과 관련이 있으며 성수대교는 차량과 관련이 있다고 하겠으며 일본 동경의 교량침하현상은 지진과 관련이 있다.

먼저 풍하중에 의한 진동을 조금 더 살펴보면 비틀림(torsional), vortex shedding, buffeting, galloping, flutter의 형태를 띤다. 문제는 반복이고 또한 공진인데 교량의 고유주파수와 아주 근처에 인접할 수 있고 광대역의 가진원의 역할을 할 수 있겠다. 따라서 교량설계를 보완해야 하는데 예를 들어 강하게 설계하거나 피해서 설계하는 두 가지 방법이 있을 수 있다. 대체로 풍하중을 유선형 단면설계나 기계적 면진(TMD, Tuned Mass Damping), 또는 납이나 고무를 통한 감쇠(Damping)로 인한 대책을 세울 수 있다.

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키워드	교량, 타코마 다리, 진동, TMD, 면진, 내진

내진설계의 원칙

내진설계의 원칙

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건물이 흔들린다는 것은 건축구조물이 흔들린다는 것을 의미한다. 지진과 바람 또는 건물내부의 가진원에 의해서 생기는 하중은 대체로 ‘풍하중’과 ‘지진하중’이 원인인데 이 중에서 바람에 의한 풍하중은 건물의 외형이 특히 중요한 영향인자이며 또 하나의 가장 중요한 내진설계의 기본인 지진하중은 건물의 동특성(고유진동주파수)과 큰 영향을 받는다. 이 지진하중은 질량과 가속도의 곱인 관성력이므로 만약 강제로 멈추려 할 때 구조물에 파괴를 가할 수도 있다는 생각을 할 수 있다.

내진설계

지진의 진동주기는 대체로 0.2~0.4초(2.5~5Hz내외)에 해당된다 그리고 건물의 고유진동수는 대략 ‘10/층수’ 로 계산된다. 만약 5층의 경우 건물의 고유주파수는 약 2Hz로 계산되므로 2층~5층이하 낮은 건물이 공진으로 인해 더 큰 피해를 입는다.

내진설계는 건축구조물의 강도를 증가시키는 것이며 따라서 고유주파수를 증가하는 것이므로 다음과 같은 내진설계의 원칙을 가진다.

1.     사용한계상태(Service Limit State)

2.     손상한계상태(Damage limit state)

3.     붕괴한계상태(Collapse limit state)

이는 자주 발생하는 지진에는 아무런 피해가 발생하지 않도록, 가끔 발생하는 지진에는 구조적인 피해가 발생하지 않도록, 아주 드물게 발생하는 지진에는 붕괴되지 않도록 설계하는 것을 의미한다.

사실 광의의 내진설계에는 건물의 지지방식을 변경하여 고유진동수를 지진보다 더 작게 하는 방식인 면진과 적극적으로 지진을 동흡진기로 제어하는 제진을 포함한다.

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키워드	내진, 제진, TMD, AMD, 면진, 지진, 진동, 방진, 제진, 내진설계

내진, 면진, 제진 (내진설계의 용어 정의)

내진, 면진, 제진 (내진설계의 용어 정의)

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지진도 진동이다. 지진에 대한 대비책으로 내진, 면진, 제진이라는 용어를 자주 사용한다. SF영화에서 가끔 인공으로 발생 가능한 대형 지반진동이 큰 사고를 내는 경우도 있지만 그러나 아직까지 지진은 인간이 제어할 수 없고 예측하기도 힘든 어마어마한 자연현상으로 한 번 발생하면 아주 큰 재앙이 된다. 그래서 지진이 많이 발생하는 일본의 경우에는 별도의 지진 진도기준(진도)을 가지고 있을 정도로 기술이 발전하였으며 거의 모든 건축물 및 기반시설에 대해 내진설계를 기본으로 적용하고 있다. 그럼에도 불구하고 지진이 발생하면 큰 사고가 발생한다. 반면에 대한민국은 대표적으로 한강을 건너는 교량 30개 중 절반 정도만 그 것도 최근 내진 설계가 적용된 것, 최근에 들어서야 법규에 건축물 내진설계가 추가된 것으로 그 수준을 이해할 수 있다. 이것은 사실 대한민국도 지진으로부터 항상 가능성이 있다는 쓰촨성지진, 네팔, 동일본 대지진으로 일한 타산지석이라고 할 수 있다.

내진, 면진, 제진의 이해

내진설계(耐震設計)란 진동에 지진에 대해 대항, 견디는 구조로서 별도의 내진재료 또는 보조구조물 등을 추가로 설계에 반영한 구조를 말한다. 광의의 의미로 표현하면 면진과 제진을 포함한 설계라고 할 수 있다. 협의의 내진은 강구조와 겹구조의 내벽설계를 의미한다.

면진(Escape)은 지진파가 갖고 있는 강한 에너지 대역으로부터 도피하는 구조로서 진동절연체 이용, 구조물의 진동수 변경 등을 설계에 반영하는 것을 의미한다. 적층(Laminated)고무받침이나 납면진받침(LRB), 베어링(교량의 받침)을 그 예로 들 수 있다.

제진은 지진을 피하거나 받아들이는 것이 아닌 원리를 이용하거나 능동적으로 대처하는 구조를 의미한다. 땅속에 거대한 콘크리트 내벽설치나 TMD(Tuned Mass Damper, 수동형질량댐퍼), AMD(Active, 능동형 질량댐퍼)가 포함된다. 이는 지진이 발생하는 파장의 반대위상으로 질량을 움직여서 본 구조의 안정성을 유지하는 원리라고 할 수 있다.

내진설계
면진구조		제진구조
유연구조	기계절연	수동	능동
적층고무, 납받침,	Ball Bearing	TMD, Damper, 내벽설계	AMD

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