흔들림 없는 아름다운 건물을 짓는다
-풍진동 제진장치 국산화
"수평진동, 수직진동 한 번에 잡는 진동제어기술 개발로 안전하고 아름다운 건물 짓는다"
[연구자 레터]
내가 있는 고층건물이 지금 흔들린다면?
생각만 해도 무서운 일이 아닐 수 없다. 실제로 이런 일이 지난해 7월 발생했다. 서울 구의동에 있는 강변 테크노마트에서다.
그 뒤 테크노마트 건물이 흔들렸던 것은 건물 12층에서 했던 집단 리듬운동 때문이라고 밝혀졌지만, 사람들의 불안감은 해소되지 않았다.
이에 본 연구진은 테크노마트 건물에 연구진이 개발한 진동제어 장치를 설치했다.
현재 테크노마트 건물에 설치된 장치는 수평진동과 수직진동을 한 번에 제어하는 장치다.
따라서 앞으로는 건물에 다시 진동이 있을 경우, 이 장치로 진동을 상쇄시킬 수 있게 됐다. 또 이 진동장치로 더 이상 해외에 값비싼 기술료를 지불하지 않게 됐다.
지난해 7월 5일 오전 10경, 서울 구의동 강변 테크노마트에 이상 진동이 발생했다.
2주 뒤인 7월 19일, 대한건축학회는 진동 재현 실험을 통해 지난 이상 진동이 건물 12층 피트니스 센터의 집단 리듬운동에 의한 공진현상 때문이라고 발표했다.
리듬운동이 일으킨 수직진동수가 우연히 건물의 수직진동수와 맞아 떨어졌다는 것이다. 게다가 이 진동은 건물의 구조 안전성에는 문제를 일으키지 않을 정도이나, 거주자가 어지러움 등을 느낄 수 있는 사용성기준을 다소 초과하는 것으로 나타났다. 하지만 일부 시민과 거주 상인들의 불안감은 쉽게 해소되지 않았다.
테크노마트 진동 잡는 기술을 만들다
따라서 테크노마트는 연구진이 개발한 진동제어장치를 설치하기로 했다.
테크노마트 사건이 일어나기 3년 전인 2009년부터 개발해 만든 장치다. 진동제어기의 크기는 가로 세로 각 5m 정도다.
옥상의 기둥 상부에 기초를 만든 후, 수평방향으로 움직일 수 있는 레일이 설치된 강한 철골프레임을 설치하고, 질량체(철판)를 쌓는다.
그 후, 수직방향으로 움직임을 발생시킬 수 있는 스프링을 설치하고, 추가로 질량체를 설치한다.
이 때, 수평방향은 본 연구진이 개발한 제어기술을 적용하여 바람에 의해 발생하는 수평방향 진동을 능동적으로 제어하게 되고, 수직방향은 설치한 스프링과 질량체에 의해 제어된다.
제진장치 컨트롤러 제진장치/컨트롤러 제작형상
제진시스템 소프트웨어 1 제진시스템 소프트웨어 2
본 연구진이 개발한 제진장치 기술을 테크노마트 건물에 설치했을 때, 진동이 얼마나 감소하게 되는지를 해석을 통해 먼저 검토해 본 결과, 수직방향과 수평방향 모두 만족할 만한 성능을 발휘하는 것으로 나타났다.
이렇게 하나의 장치로 수평방향과 수직방향 진동을 동시에 제어할 수 있는 제진 장치를 개발한 것은 세계 최초다.
이 진동제어기는 국내특허출원을 마쳤다. 연구진은 초고층 구조물에 이 제진장치를 설치했을 때 구조 부재에 일어나는 변화를 적용해 구조시스템 설계를 쉽게 수행할 수 있는 전산플랫폼도 개발했다.
이 전산플랫폼을 통해 제진장치를 설치하기 전·후 구조물의 반응을 정확히 예측하고 비용절감 효과를 평가하며, 사용하고자 하는 제진장치의 용량과 설치위치, 요구공간, 형태 등을 정확하게 설계할 수 있다. 또 제진장치의 최적설계와 하중생성 등에 관련된 소프트웨어도 10건 개발해 등록하였다.
이밖에 대구의 수성 SK리더스뷰·두산 위브더제니스와 경기 동탄메타폴리스, 인천 송도 POSCO E&C, 센트럴파크1, 송도 센트로드 총 6건에 대해 풍진동 모니터링 데이터베이스를 수행하여 구축하였다. 이를 통해 초고층 건물을 순수 국내기술로 설계·진동제어·모니터링 할 수 있는 시스템을 모두 갖춘 셈이다.
수직방향 진동저감성능
수평방향 진동저감성능
풍진동제어장치가 열어갈 세상
초고층 빌딩에서 발생하는 진동을 없애는 이 국내 기술이 개발되기 전까지는 외국 기술을 수입해 사용해야 했다.
캐나다, 일본, 미국 등이 관련 기술을 갖고 있지만, 설계 기술은 쉽게 공개하지 않기 때문이다.
울산 20층 L호텔의 경우, 국내 엔지니어링사가 직접 제진장치 본체를 제작하고 시공했다.
단, 컨트롤러 장치만 일본이 제작했다. 하지만 국내 엔지니어링사는 제작 및 시공비로 5억원을 받은 반면, 일본은 그 3배인 15억원 정도를 받았다.
이제 더 이상 이런 일은 일어나지 않게 됐다. 이번에 개발한 풍진동제어기술로 이제 해외 업체의 힘을 빌리지 않고 독자적으로 제진장치를 설계할 수 있기 때문이다. 게다가 이 기술은 캐나다나 일본이 가진 기술에 결코 뒤지지 않는다.
최근 국내 엔지니어링 업체가 청라시티 등의 프로젝트를 독자적으로 진행하는등 국내 초고층 빌딩의 풍진동제어기술 자립화를 보여주는 좋은 예가 나타나고 있다.
또 수평 방향과 수직 방향의 진동을 함께 제어할 수 있는 장비가 개발된 것은 이번이 처음이다.
그동안은 수평 방향의 진동제어 장비와 수직 방향의 진동제어 장비를 따로 구입해 설치했다. 그만큼 비용도 많이 들었다.
장비 하나로 두 기능을 할 수 있으니 비용이 그만큼 절감되는 것이다. 심지어 연구단이 개발한 장비의 가격은 일반 수입 장비의 절반정도 밖에 되지 않는다.
진동제어기술을 사용하면 다양한 원인에 의해 발생할 수 있는 진동을 동시에 해결할 수 있다.
또 진동제어기술은 건물의 구조를 설계할 때부터 문제를 해결해 주기 때문에 더욱 다양한 형태의 디자인을 가진 건물이 등장할 수도 있다.
외형적으로 아름다운 디자인을 노릴 수 있을 뿐 아니라 건물 내의 편의시설과 거주공간 등을 만족스럽게 만들 수도 있게 되는것이다.
진동제어기술이 만들 아름답고 안전한 건물, 또 그 건물로 구성된 멋진 도시를 기대해 본다.
풍진동 모니터링 데이터베이스가 구축된 인천 송도 포스코 E&C 전경(왼쪽)과 E&C 제진장치 형상(오른쪽)
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