제진장치

왜 배우는가: 제진장치는 지진이나 강풍에 의한 건물 진동 에너지를 흡수해 층간변위와 부재 손상을 줄이는 수단이다. 최근 공동주택에 인방형 제진장치가 도입되면서 실무 적용 기준이 자주 묻고, 변위의존형과 속도의존형을 구분하는 문제는 시험에서 반복 출제되고 있다.

출제 이력: 제96회 1교시 8번, 제94회 1교시 12번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

제진장치(Damping Device)는 구조물의 진동 에너지를 장치 내부의 마찰, 항복, 점성 저항으로 소산시켜 응답을 줄이는 장치다. 답안 첫 줄은 다음과 같이 쓴다.

제진장치는 구조물에 설치되어 지진·풍하중에 의한 진동 에너지를 장치 내부에서 소산시켜 구조물의 응답(변위·가속도)을 저감하는 장치이다.

핵심 키워드

• 제진장치(Damping Device)
• 감쇠비(Damping Ratio)
• 에너지 소산(Energy Dissipation)
• 변위의존형(Displacement-Dependent Damper)
• 속도의존형(Velocity-Dependent Damper)
• 점성감쇠기(Viscous Damper)
• 인방형 제진장치(Coupling Beam Damper)
• 층간변위(Story Drift)

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 건물에 '흔들림을 먹는 장치'를 달아 두는 것이다. 지진이 오면 건물은 흔들리는데, 제진장치가 그 흔들림의 에너지 일부를 열이나 소성변형으로 바꾸어 버린다. 그래서 건물 본체가 받는 힘과 변형이 줄어든다.

정식 정의는 다음과 같다. 제진구조는 구조물의 진동을 제어하기 위해 감쇠장치 등을 설치한 구조이며, 외부 동력 없이 작동하는 수동제진과 외부 가력을 쓰는 능동제진으로 나뉜다. 제진장치는 수동제진에서 쓰는 감쇠기를 가리킨다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

감쇠비는 진동이 한 주기마다 얼마나 줄어드는지를 나타내는 무차원 값이다. 감쇠비가 커질수록 공진 응답의 최대치가 낮아진다. 에너지 소산은 입력된 지진 에너지를 장치가 흡수해 다른 형태로 바꾸는 과정이다. 건물의 자체 감쇠(고유 감쇠)는 작아서, 장치로 감쇠를 추가하는 것이 효과적이다.

제진장치는 힘의 크기보다 변위나 속도에 반응한다는 점이 중요하다. 장치가 힘을 얼마나 내는지는 변위 또는 속도에 따라 달라진다. 이 차이가 변위의존형과 속도의존형을 나누는 기준이다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 내진설계는 구조부재의 강도와 연성에 의존한다. 지진 때 부재가 항복하며 에너지를 흡수하지만, 그 과정에서 부재에 손상이 남는다. 지진 후 보수 비용과 사용 중단 기간이 커지는 문제가 있다.

이 문제를 해결하려고 에너지 소산을 주구조와 분리한 장치를 두는 방식이 발전했다. 제진장치는 주구조 부재가 손상되기 전에 장치가 먼저 에너지를 흡수하도록 설계한다. 장치는 교체 가능하게 만들어 지진 후 복구를 쉽게 한다.

국내에서는 고층·장스팬 건물과 지진 다발 지역의 건축물에 제진구조 사례가 늘고 있다. 공동주택에서는 벽체 사이 연결보(인방) 위치에 장치를 넣는 인방형 제진장치가 적용되는 추세다. 인방형은 벽식 구조에서 층간변위를 줄이는 데 효과적이라 설계 검토 항목이 늘어났다.

국내 설계에서 제진장치를 적용할 때는 내진설계기준과 함께 제진장치 성능 검증 절차를 따른다. 장치의 강성, 감쇠 특성, 반복 가력 시 성능 저하를 확인해야 한다.

4. 구성요소·원리·절차

제진구조는 주구조, 제진장치, 장치를 주구조에 연결하는 부재로 이루어진다. 주구조는 연직하중과 기본 횡강성을 담당하고, 제진장치는 층간 상대변위가 큰 위치에서 진동 에너지를 소산한다. 장치 종류와 무관하게 에너지 소산이 핵심 원리다.

제진장치는 지진 입력 에너지를 장치 내부에서 열로 바꿔 주구조의 응답을 줄인다.

장치의 힘은 변위 또는 속도에 따라 달라진다. 변위의존형 장치는 강재 항복이나 마찰로 힘을 내며, 힘과 변위의 관계가 이력곡선을 그린다. 이력곡선 내부 면적이 한 사이클에 소산되는 에너지 W_d이다. 속도의존형 장치는 유체 점성이나 점탄성으로 힘을 내며, 감쇠력은 다음과 같이 쓴다.

$F_d = C \cdot |\dot{u}|^{\alpha}\,\mathrm{sgn}(\dot{u})$

여기서 F_d는 감쇠력(N), C는 감쇠계수(N·(s/m)^α), \dot{u}는 상대속도(m/s), \alpha는 속도 지수다. \alpha=1이면 선형 점성 감쇠다. 장치가 추가하는 등가감쇠비는 다음 식으로 구한다.

$\xi_{eq} = \frac{W_d}{4\pi W_s}$

여기서 \xi_{eq}는 등가감쇠비, W_d는 한 사이클 소산 에너지(N·m), W_s는 최대 변형에너지(N·m)다. 같은 장치라도 설치 위치의 상대변위와 상대속도가 달라 효과가 달라지므로, 장치 수와 위치는 해석으로 확인한다.

제진장치 설계는 다음 절차로 진행한다.

• 구조물의 고유주기와 모드 형상을 해석으로 구한다.
• 목표 감쇠비와 허용 층간변위를 정한다.
• 변위의존형 또는 속도의존형 장치 중 형식을 고른다.
• 상대변위가 큰 층과 축을 골라 장치를 배치한다.
• 장치 용량과 감쇠계수를 산정하고 연결부재를 설계한다.
• 비선형 시간이력해석으로 응답을 검증하고, 미달이면 5단계로 되돌아간다.

5. 관련 법령·기준·표준

제진장치는 별도의 독립 기준보다 건축물 내진설계 체계 안에서 적용된다. 법률은 「지진·화산재해대책법」이 내진설계기준의 공통 적용사항을 정하고, 구조기준은 건축구조기준(KDS 41 17 00 내진설계 일반)이 세부 설계 방법을 정한다. 구 건축구조기준(KBC) 체계는 KDS 체계로 이행됐다.

내진성능수준은 기능수행, 즉시복구, 장기복구/인명보호, 붕괴방지 4가지로 나뉜다. 제진설계에서는 기능수행·붕괴방지 두 수준 확인을 기본 검토로 삼는 경우가 많다.

변위의존형·속도의존형 구분은 장치 성능 시험과 해석 모델의 입력 조건을 정하는 기준이다.

6. 유형과 비교

제진장치는 작동 원리에 따라 변위의존형과 속도의존형으로 나뉜다. 변위의존형은 장치의 변형량(변위)에 따라 힘이 정해지고, 속도의존형은 변형 속도에 비례하는 감쇠력을 낸다. 두 형식은 같은 감쇠 효과를 내더라도 힘과 변위가 놓이는 위상이 달라서, 설계 때 구조물의 응답에 미치는 영향이 다르다.

• 변위의존형: 힘이 변위와 같은 위상이다. 강성을 키우는 효과가 있어 고유주기가 짧아진다.
• 속도의존형: 힘이 속도와 같은 위상이다. 변위 위상과 90도 차이가 나므로 강성 변화가 작고 에너지를 주로 소산한다.