1. 서 론
2. 하이브리드 면진시스템 설계
2.1 마찰형 면진 시스템 설계
2.2 자기부상 면진 시스템 설계
2.3 하이브리드 면진시스템을 통한 마찰계수 조정
3. 1g 진동대 모형 실험
4. 진동대 실험 결과
4.1 Model 1 실험 결과
4.2 Model 2 실험 결과
5. 결 론
1. 서 론
일반적으로 말뚝 지지 안벽이나 교량과 같은 구조물에 지진이 발생하는 경우, 말뚝 두부에 과도한 응력이 집중될 수 있는 것으로 알려져 왔다. 1990년 필리핀 San Fernando의 말뚝 지지 안벽에서 규모 7.8 지진으로 인해 말뚝 두부에서 균열 및 절단 현상이 발생하였으며, 1995년 일본 Kobe에서도 규모 7.2 지진으로 인해 말뚝 두부 및 하부에서 좌굴 현상이 발생하였다(PIANC, 2001). 이는 말뚝 지지 구조물에 지진이 발생하는 경우, 말뚝 두부에 과도한 응력이 발생하여 말뚝 두부와 상판의 연결부가 손상될 수 있기 때문이다. 몇몇 연구자들은 연구를 통해 말뚝 두부에 발생하는 모멘트로 인한 말뚝 손상이 발생할 수 있음을 설명한 바 있다. Chiou et al.(2011)은 말뚝지지 구조물에 대한 push-over 해석을 수행하여 말뚝 두부에서 항복 모멘트가 가장 크게 발생함을 설명하였으며, Yun and Han(2023)은 수평 및 경사 지반에 관입된 그룹 말뚝의 원심모형실험을 통해 지반 상대밀도에 관계없이 모두 말뚝 두부에서 최대 모멘트가 발생함을 설명하였다.
기둥 혹은 말뚝으로 지지된 구조물에 지진이 발생하는 경우 말뚝 두부와 상판의 연결부에서 손상이 발생할 수 있으므로, 구조물 상단에 에너지를 소산시킬 수 있는 마찰형 면진 시스템을 설치하여 내진성능을 증대시키고자 하는 연구들이 꾸준히 수행되어왔다. Eröz and DesRoches(2013)의 연구에서는 3경간의 철제 거더 교량을 대상으로 말뚝 두부에 원판 형태의 마찰형 면진장치(FPS; friction pendulum system)을 설치하였으며, 3차원 수치해석을 통해 내진성능을 평가하였다. 평가 결과, 하부 구조가 유동적인 교량의 경우 실험에 사용한 면진 장치의 효과가 비교적 낮다는 것을 확인하였다. 또한 Zheng et al.(2019)은 복원력 기반 형상 기억 시스템(SMA; shape memory alloy) 기반 FPB(friction pendulum bearing)을 교량에 적용하였으며, 기존의 FPB 시스템과의 응답을 비교하였다. 결과적으로 SMA기반의 FPB 시스템을 적용하는 경우 합리적인 복원 성능 및 에너지 소산 성능을 발휘하는 것으로 나타났다. 이외에도 다수의 연구자들이 구조물 상단에 설치된 면진장치에 관한 연구들을 수행하여 왔다(Zheng et al., 2021; Li et al., 2022).
일반적으로 마찰형 면진장치의 경우 마찰판의 곡률에 따라 복원력을 발생시키도록 고안된 장치로서, 고유진동수를 가능한 한 낮게 설정할 수 있다. 다만, 이 경우 수평 복원력이 마찰력에 의해 지나치게 낮으면 복원력을 상실할 우려가 있으므로, 마찰계수의 결정이 매우 중요한 것으로 알려져 있다(Kim et al., 2000). 또한 마찰계수에 따라 면진 시스템의 작동 시점 및 에너지 소산 능력이 달라질 수 있으므로, 마찰 특성을 적절히 고려하여 설계하는 것이 중요하다. Mokha et al.(1990)은 실험을 통해 Teflon-steel 접촉면의 마찰계수가 일정하지 않으며, 미끄럼 속도가 증가함에 따라 마찰계수가 특정 값까지 지수함수적으로 증가하며, 접촉압력이 증가할수록 감소하는 비선형 특성을 보임을 규명하였다. 이후 Dolce et al.(2005)는 속도와 압력 뿐만 아니라 주위 온도 및 윤활 상태가 마찰 거동에 미치는 영향을 분석함으로써, 다양한 환경 조건하에서의 마찰형 면진 장치 설계 기준을 구체화하였다. 이외에도 마찰형 면진장치의 기하학적 형상을 복합화하거나 마찰 메커니즘 자체에 가변성을 부여하여 마찰력을 변화시키는 연구 또한 수행되고 있다. Yurdakul et al.(2014)은 장경간 교량을 대상으로 단일 곡면 마찰 펜듈럼시스템(SCFP, single concave friction pendulum) 및 삼중 곡면 마찰 펜듈럼시스템(TCFP, triple concave friction pendulum)의 성능을 비교 분석하였으며, TCFP의 경우 지진 하중의 크기에 따라 단계적으로 거동을 제어함으로써 구조물의 모멘트와 전단력을 더욱 효과적으로 감소시킬 수 있음을 확인하였다. 또한, Shang et al.(2021)은 기존의 일정한 마찰계수를 갖는 장치의 한계를 보완하기 위해 변위에 따라 마찰 특성이 변화하는 가변 마찰 펜듈럼(VFPB, variable friction pendulum bearing)을 제안하였다. 해당 연구에서는 다수의 마찰 복합재를 적용하여 슬라이딩 구간별로 마찰 계수를 다르게 설정하였으며, 에너지 소산 능력 및 변위 억제 성능을 동시에 최적화할 수 있음을 입증하였다.
앞서 설명한 바와 같이 마찰형 면진 시스템은 기하학적 형상의 복잡화나 마찰 재료의 최적화를 통해 성능 향상이 이루어져 왔다. 그러나, 기존의 면진장치들은 여전히 수동형 시스템으로서, 지진 강도나 구조물의 응답에 따라 마찰 특성을 조절하기 어렵다는 본질적인 한계를 갖는다. 또한 시스템의 마찰력에만 의존하는 방식은 정적 마찰(정지마찰계수)로 인해 지진 초기 단계에서 마찰 시스템의 작동이 지연되는 문제를 야기할 수 있다. 이러한 단점을 극복하기 위해 최근에는 자기부상 기술을 면진 시스템에 결합하려는 시도가 이루어지고 있다. Yun et al.(2025)은 말뚝 두부에 전자석을, 상판 하부에 영구자석을 설치한 자기부상시스템(MLS, magnetic levitation system)을 말뚝지지구조물에 적용하여 1g 진동대 실험을 수행하였다. 연구 결과, 자기부상시스템을 적용하는 경우 상부 구조물로 전달되는 가속도를 최대 69%까지 저감 시킬 수 있음을 확인하였다.
그러나 구조물을 완벽하게 부상시키기 위한 설비를 구축하는 데에는 높은 비용이 소모되며, 완전 부상 시에는 수평력에 대한 저항 강성이 부족하여 복원력을 유지하는데 한계가 있다. 즉, 자기부상력만을 단독으로 구조물에 적용하여 안정적인 내진성능을 확보하기에는 여전히 어려움이 따르는 실정이다. 그러므로 본 연구에서는 기존 마찰형 면진 시스템의 에너지 소산 능력은 유지하면서, 자기부상력을 활용해 수직하중을 분담함으로써 마찰력을 능동적으로 조정할 수 있는 자기부상-마찰식 하이브리드 면진 시스템을 고안하였다. 또한 이를 말뚝 두부에 적용하여 지진 시 말뚝지지 구조물의 동적 응답을 분석함으로써, 제안된 시스템의 지반 분야 적용성 및 내진성능 향상 효과를 평가하고자 한다.
2. 하이브리드 면진시스템 설계
2.1 마찰형 면진 시스템 설계
마찰형 면진 시스템 중 가장 널리 사용되는 시스템은 펜듈럼(pendulum) 타입의 왕복운동 장치로서, 시계추와 같은 반복운동으로 미끄러짐(sliding) 매커니즘이 적용되는 마찰형 면진 장치이다(Ponzo et al., 2017; Dao et al., 2019). 본 면진 장치는 미끄러짐 표면을 통해 충분한 마찰력을 확보함으로써 강한 바람이나 약한 지진에 대한 전단 변형에 대해 저항할 수 있으며, 지진 시 마찰 댐퍼의 역할을 수행하여 하부의 전단력을 소산시킬 수 있다. 또한 면진 장치 하부에 곡면을 두어 자중에 의한 복원력을 확보할 수 있는 장점이 있다.
본 연구에서는 CNC(computer numerical control) 가공을 통해 Fig. 1 중간 부분과 같이 마찰형 면진장치(friction pendulum isolation system)를 제작하였으며, Calhoun and Harvey(2018)의 연구에서 제시한 도면을 말뚝 상부에 적용할 수 있도록 수정하여 제작하였다. 마찰형 면진장치의 경우 하부 면진 받침을 일정한 반지름(R254)을 갖는 슬라이딩 표면으로 제작하였으며, 위치에 따라 회전이 가능한 슬라이더(slider)를 제작하여 하부 및 상부 면진 받침 사이에 위치시켰다. 본 연구에서는 면진시스템에 사용된 재료로 가공이 용이하고 마찰계수가 낮은 테플론 소재를 사용하였으며, 경사법을 통해 테플론-테플론 면의 정지마찰력을 약 0.17로 도출하였다. 기존 연구에 따르면, 테플론은 윤활, 슬라이딩 속도, 표면 압력 및 온도 등에 따라 마찰계수가 달라질 수 있으나, 마찰계수가 0.25 미만으로 낮은 특징을 보이므로 면진시스템 코팅 시 적용되고 있다(Mokha et al., 1990; Mosqueda et al., 2004; Ponze et al., 2017; Son et al., 2018).
2.2 자기부상 면진 시스템 설계
자기부상 시스템은 영구자석 혹은 전자석의 배치를 통해 서로 밀어내는 방향으로 전자기력을 발생시켜 구조물을 들어올리는 장치를 의미한다. Fig. 1 상부와 하부에는 각각 영구자석(permanent magnet)과 전자석(electromagnetic)을 설치하였다. 먼저, 상부 영구자석의 경우 영구자석 홀더 안에 영구자석과 상부 면진 받침을 위치시켰으며, 상부 구조물의 크기는 가로, 세로, 높이가 각각 45×45×49mm인 직육면체 형태로 제작하였다. 다음으로, 하부 전자석의 경우 홀더 안에 하부 면진받침과 전자석을 위치시켰으며, 하부 전자석의 크기는 직경, 높이가 각각 90×60mm인 원기둥 형태로 제작하였다.
자기부상 시스템에 적용된 전자석의 경우 평소에는 자기장이 형성되지 않으나, 전자석에 충분한 크기의 전력이 가해지면 전자석 주위에 영구자석과 같은 형태의 자기장이 나타나고, 이는 다른 영구자석 혹은 전자석에서 발생하는 자기장과 상호작용하여 힘을 주고받을 수 있다. 이때 전자석에서 발생하는 자기장의 세기를 조정하여 영구자석을 연직방향으로 들어올릴 수 있다. 그러나 전자석 위에 영구자석을 배열하여 구조물을 완전히 부상시키는 경우 수평 방향으로의 안정성을 확보할 수 없으므로, Yun et al.(2025)은 수평 방향 안정성을 확보할 수 있는 스프링을 설치하여 안정성 및 복원력을 확보하였다. 본 연구에서도 Yun et al.(2025)와 동일한 전자석을 적용하였으며, 자기부상 면진시스템에 관한 자세한 이론 및 성능은 해당 연구결과를 참고할 수 있다.
2.3 하이브리드 면진시스템을 통한 마찰계수 조정
본 연구에서는 마찰형 면진 시스템과 자기부상 면진 시스템을 결합하여 기존 마찰형 면진 시스템의 에너지 소산 능력 및 곡면으로 인한 복원력은 유지하면서, 자기부상력을 활용해 수직하중을 분담함으로써 마찰력을 능동적으로 조정할 수 있는 자기부상-마찰식 하이브리드 면진 시스템을 고안하였다. 일반적으로 자기부상 시스템의 경우 수직 변위 및 연직 하중에 대한지지 안정성을 확보하는 것이 필수적이다. 반면, 본 시스템은 구조물을 완전히 부상시켜 상향 변위를 발생시키는 것이 아니라 자기 부상력을 통해 상부 구조물의 유효 연직 하중만을 경감시키는 매커니즘을 적용하였다. 따라서 수직 변위 제어를 위한 추가적인 안정성 확보 장치가 요구되지 않는다는 메커니즘적 장점을 지닌다.
본 시스템에서는 먼저, 제어전압(VDC, volt direct current)을 0~50V 범위에서 가변적으로 조정하여 상부 구조물에 작용하는 유효 연직 하중을 조절하였으며, 이를 통해 면진 시스템의 마찰 특성을 능동적으로 제어하였다. 실험의 재현성을 확보하기 위해 총 4개의 하이브리드 면진 장치를 2×2 배열로 배치하였으며(3장의 Model 1 및 2와 배열과 동일), 하부 전자석을 바닥에 고정한 상태에서 상단 슬라이더에 수평 하중을 재하하여 정지 마찰력을 계측하였다.
Fig. 2는 가해진 전압에 따른 정지마찰계수()를 보여주고 있다. 그림을 보면, 초기에 전압이 가해지지 않은 기본 상태(0V)에서의 정지 마찰계수는 0.23으로 산정되었다. 이는 2.1절에서 경사법을 통해 도출된 정지 마찰계수(0.17) 대비 약 35% 높은 수치이다. 이러한 차이는 하이브리드 면진 장치의 오목한 곡률 형상(Fig. 1)과 슬라이더 및 받침대 간의 미세한 이격으로 인한 초기 기계적 저항이 마찰력 계측 과정에 추가적으로 반영된 결과로 판단된다.
그러나 이후 전압이 가해짐에 따라 정지 마찰계수는 선형으로 감소하는 경향을 보였다. 5V의 전압이 가해지는 경우 무전압 상태 대비 약 70% 수준으로 마찰계수가 도출되었으며, 15V, 30V, 50V에서는 각각 초기값의 54%, 40%, 20% 수준까지 도출되는 것으로 나타났다. 전체 실험 데이터(5~50V)에 대한 선형 회귀 분석 결과, 전압 증가에 따른 정지 마찰계수의 감소 기울기는 약 –0.0022로 도출되었다. 이는 전압 증가에 비례하여 발생하는 자기 부상력이 상부 연직 하중을 효과적으로 상쇄함으로써, 접촉면의 마찰력을 일정하게 저감시켰기 때문인 것으로 분석된다.
본 연구에서는 이러한 선형 추세선을 바탕으로, 초기 마찰계수가 약 절반수준으로 감소하여 면진 성능의 유의미한 변화가 나타나는 임계 전압을 15V로 산정하였다. 따라서 제안된 하이브리드 면진 시스템의 동적 성능을 정밀하게 평가하기 위해, 무전압 조건부터 정지 마찰력이 50% 수준으로 저감되는 15V 조건까지의 응답 특성을 중점적으로 분석하였다.
3. 1g 진동대 모형 실험
1g 진동대 모형실험은 상사 법칙에 따라 실험 모형을 축소하여 원형(prototype) 구조물의 거동을 재현하기 위한 실험기법이다. 진동대 모형실험의 경우 지반과 말뚝의 동적 상호작용을 살펴보기 위해 널리 사용되는 방법이다(Lim and Jeong, 2017; Yun et al., 2023). 본 실험에 사용된 토조는 길이 82cm, 너비 82cm, 높이 68cm의 아크릴판으로 제작하였다. 또한 진동 시 벽체의 반사파로 인한 간섭을 줄이기 위해 5cm 두께의 스펀지를 부착하였다(Lim and Jeong, 2017).
실험 수행을 위해 2가지 실험 모델을 준비하였다. 첫 번째 모델(Model 1)의 경우, 하이브리드 면진 시스템의 성능을 평가하기 위해 토조 및 지반조성 없이 진동대 위에 면진 시스템 일체를 설치하였다(Fig. 3(a)). 본 실험 모델에서는 구조물의 기울어짐을 방지하기 위해 하이브리드 면진시스템을 2×2로 배치하여 실험을 수행하였다. 두 번째 모델(Model 2)의 경우, 하이브리드 면진 시스템이 적용된 말뚝의 거동을 평가하기 위해 토조를 설치하였으며, 지반과 말뚝기초, 상부 구조물을 모두 모사하였다(Fig. 3(b)). 말뚝지지 구조물의 경우 대한민국 포항 신항에 위치한 말뚝지지 안벽에 설치된 일부 구간(2×2)을 선정하였다(Yun et al., 2023; Yun et al., 2025). 본 실험은 말뚝 두부에 설치된 하이브리드 면진 시스템의 적용성을 평가하기 위한 연구로서, 말뚝 길이를 원형(prototype) 기준 12m로 단순화하였다. 실험 모델의 경우 1/24.5의 축소모델로 제작되었으며, Iai(1989)의 상사법칙 제 3형태를 적용하였다(Table 1). 또한 축소 모형 제작 시 말뚝의 횡방향 거동을 적절히 모사하기 위해 말뚝에 휨강성(EI)에 의한 상사법칙을 만족시켰다. 그리고 기반암까지 말뚝이 관입된 선단지지말뚝을 모사하기 위해 말뚝을 토조 바닥면에 고정하였으며, 말뚝 길이는 총 50cm, 지반에 관입된 말뚝 깊이는 약 40cm로 조성하였다. 모형 구조물의 물성치는 Table 2에 보여주고 있다.
Table 1.
Scaling factors applied to the 1g shaking table tests (Iai, 1989)
Table 2.
Material properties of the pile-supported structure model
본 실험에서는 지반 조건을 수평 지반으로 단순화하였으며, 진동 시 침하를 방지하기 위해 지반의 상대밀도를 90%로 매우 조밀하게 조성하였다. 상대밀도 90% 조성을 위해 10Hz, 0.8g의 정현파를 이용하여 10cm씩 1분간, 사면 높이 40cm까지 총 4회 진동 다짐을 실시하였다. 본 연구에서 사용된 시료는 건조 상태의 주문진 표준사를 사용하였으며, 통일분류법상 입도분포가 나쁜 모래(SP)로 분류되었다. 해당 흙의 곡률계수, 균등계수, 비중, 최대건조단위중량 및 최소건조단위중량은 각각 0.93, 1.48, 2.65, 16.2kN/m3, 13.7kN/m3으로 도출되었다. 또한 본 실험에서는 지반 가속도, 상판의 가속도 및 변위를 측정하기 위해 가속도계 및 변위계를 설치하였으며, Fig. 3에 계측기 설치 위치를, Fig. 4에 실험 사진을 보여주고 있다. 여기서, Fig. 4(a) 및 (b)는 Model 1의 하부(전자석과 마찰형 면진시스템 하부)와 상부(마찰형 면진시스템 상부와 영구자석, 상판)를 각각 보여주며, Fig. 4(c) 및 (d)는 Model 2의 하부(전자석과 마찰형 면진시스템 하부)와 시스템 전체를 보여준다.
실험에 사용된 입력하중은 진동수 및 진폭 크기를 쉽게 변화시킬 수 있는 정현파를 사용하였다. 첫 번째 실험모델의 경우 면진시스템의 충분한 변위를 확보하기 위해 주파수를 1Hz로 고정한 뒤 전압을 0~15V까지 조정하면서 실험을 수행하였다. 두 번째 실험모델에서는 지진 가속도 크기를 증가시키는 실험(incremental test)을 수행하였다. 해당 실험의 경우, 1, 3, 6, 9, 12Hz 주파수 영역에서 실험을 수행하였으며, 자기부상시스템 작동 유무에 따라 전압 0V 및 15V 조건에서 실험을 수행하였다. 실험에 적용된 입력가속도에 대한 세부 정보는 Table 3에 보여주고 있다.
Table 3.
Input seismic motion
4. 진동대 실험 결과
4.1 Model 1 실험 결과
Fig. 5는 AASHTO(2010) 가이드라인에서 제시하는 전형적인 면진 시스템의 쌍선형(bilinear) 수평하중-변위(lateral force-displacement) 이력 거동 모델을 나타낸다. 마찰형 면진시스템의 관점에서 설명해보면, 시스템의 응답이 원점에서 시작하여 초기 재료 강성()을 따라 급격히 상승하다가, 마찰력의 항복하중()에 도달하게 된다. 이후 슬라이딩이 시작되며 면진 시스템의 강성()을 따라 최대 변위()까지 거동하며, 하중 방향이 반전되면 다시 초기 재료 강성()과 동일한 기울기로 하강한다. 이러한 거동이 반복되면서 특성 강도()를 포함하는 평행사변형 형태의 이력 루프를 형성하게 된다. 여기서 유효강성()은 최대 변위() 발생 시의 최대 하중()에 대한 할선 강성으로 정의되며, 한 주기 동안의 에너지 소산량()은 루프 내부의 면적을 통해 산정할 수 있다.
본 절에서는 제안된 자기부상-마찰형 하이브리드 면진 시스템의 동적 이력 거동을 규명하기 위해 Model 1에 대한 진동대 실험을 수행하였다. 수평하중(lateral force)은 상부 구조물의 총 질량(; 영구자석 및 상부 플레이트 포함)과 상단(A1 위치)에서 계측된 가속도 응답()의 곱(lateral force)으로 산정하였으며, 변위(displacement)는 상부구조물(L1)과 하부구조물(L2) 간의 상대 변위를 통해 산출하였다(Fig. 3(a)). 실험은 면진 시스템의 충분한 슬라이딩 거동(변위 확보)을 유도하기 위해 입력 주파수를 1Hz로 고정하고, 제어 전압을 0V에서 15V까지 단계적으로 조정하여 수행하였다. 이때 15V의 전압은 시스템의 정지마찰력을 약 50% 수준까지 감소시킬 수 있는 자기 부상력을 발생시키도록 설정되었다(2.3절).
Fig. 6은 전압 변화에 따른 Model 1의 수평하중-변위 이력 곡선을 나타낸다. 그림을 보면, Fig. 5의 이력 곡선에 비해 다소 노이즈가 포함되었는데, 이는 상부 변위제어를 통해 일정한 변위를 발생시킨 것이 아닌 진동대(shaking table)에 지진 하중을 가하여 상부에 유도되는 관성력에 따른 변위를 발생시켰기 때문이다. 지진 하중이 진동대로부터 면진 시스템, 구조물 상부로 전달되면서 시스템의 이격 등에 따른 노이즈가 포함된 것으로 판단된다. 그러나, 각 그림을 보면 전압 변화에 따른 수평하중-변위 이력에 뚜렷한 차이를 보이는 것으로 나타났다. 먼저, 자기 부상력이 적용되지 않은 Fig. 6(a)의 0V 조건을 살펴보면, 높은 마찰 저항으로 인해 마찰형 면진 시스템이 작동하지 못하고 최대 하중()에 도달할 때까지 초기 재료 강성() 영역 내에서 주로 거동하는 현상이 관찰되었다. 이로 인해 유효 강성()은 매우 크게 형성되었으며, 이력 곡선의 면적이 협소하여 에너지 소산 효과가 미미한 것으로 나타났다.
반면, 제어 전압이 증가함에 따라(Fig. 6(a)-(d)), 자기 부상력이 수직 하중의 일부를 분담하면서 접촉면의 마찰 저항이 감소하는 것으로 나타났다. 그 결과, 시스템은 점차 낮은 하중 단계에서 슬라이딩 영역()에 도입되었으며, 이력 곡선의 형상이 AASHTO 곡선과 유사한 평행사변형 형태로 변화하였다. 특히, 전압이 15V까지 증가함에 따라 슬라이딩 변위가 증대되고 이력 루프의 면적이 확장되어 에너지 소산 능력이 크게 향상되는 결과가 도출되었다. 전압 변화에 따라 도출된 유효 강성()은 각각 3.6(0V), 2.9(5V), 2.3(10V), 1.9(15V)로 변화하였는데, 이는 외부 전압 제어를 통해 면진 시스템의 강성과 감쇠 특성을 능동적으로 조절할 수 있음을 시사한다.
4.2 Model 2 실험 결과
본 절에서는 앞서 적용하였던 하이브리드 면진 시스템이 적용된 말뚝지지 구조물의 동적 거동을 평가하기 위해 입력 진동수를 변수로 진동대 실험을 수행하였다(Fig. 3(b)). Fig. 7은 약 0.15g의 일정 가속도 진폭 하에서 입력 진동수 변화에 따른 모델별 가속도 응답을 비교하여 나타내고 있다. 먼저, 1Hz의 저진동수 하중이 재하된 경우(Fig. 7(a), (b)), 상부 구조물(A4)의 가속도는 말뚝 두부(A3) 대비 0V에서 최대 11%, 15V에서 최대 14% 감소하는 것으로 나타났다. 이는 면진 시스템에 의해 응답 저감이 발생하고 있으나, 저진동수 영역에서는 제어 전압에 따른 자기 부상력의 영향이 상대적으로 미미함을 시사한다. 이는 시스템의 고유 주기와 입력 주파수가 인접하여 면진 효과가 충분히 발현되지 못하는 영역에 해당하기 때문으로 판단된다.
반면, 입력 진동수가 증가함에 따라 면진 시스템에 의한 응답 저감효과가 더욱 뚜렷하게 나타났다. 6Hz 진동수 조건(Fig. 7(c), (d))에서 상부 구조물(A4)의 가속도 응답은 말뚝 두부(A3) 대비 각각 최대 27%(0V) 및 36%(15V) 감소하였으며, 12Hz의 고진동수 조건(Fig. 7(e), (f))에서는 각각 최대 34%(0V) 및 48%(15V)의 높은 저감효과를 보여주었다. 이러한 경향은 입력 주파수가 시스템의 고유주파수보다 높아질수록 전달률이 급격히 감소하는 면진 시스템의 전형적인 특성을 잘 보여준다. 특히 전압이 0V에서 15V로 증가함에 따라 가속도 저감율이 최대 14% 향상되었는데(12Hz 기준), 이를 통해 자기부상력을 통해 접촉면의 마찰을 능동적으로 제어함으로써 고진동수 성분에 대한 격리 성능을 유의미하게 개선할 수 있음을 보여준다.
일반적으로, 마찰 진자형 면진 시스템이 진자 운동을 할 때, 시스템의 고유주기는 구조물의 질량과는 독립적이며, 이론적 주기는 아래 식 (1)과 같이 산정할 수 있다(Calhoun and Harvey, 2018).
여기서, 은 마찰진자 시스템의 곡률반경을, 는 중력 가속도를 각각 나타낸다. 위 식을 통해, 본 연구에서 적용된 마찰형 면진 시스템의 고유주기는 약 1.01s이다(model scale). Fig. 8은 면진 시스템의 고유주기 및 입력 지진(A1)의 주파수 대역에 따른 말뚝 두부(A3)와 상부 구조물(A4)의 위상 차이를 분석하여 면진 시스템의 슬립 효과를 분석하였으며, 분석을 위해 6s 부근의 약 2cycle 영역을 확대하였다(15V응답). 먼저, Fig. 8(a)를 보면, 마찰형 면진 시스템의 고유주기와 인접한 1Hz 대역의 입력 지진(A1)의 경우에는 말뚝 두부(A3)와 상부 구조물(A4)의 응답 위상이 거의 일치하는 동위상(in-phase) 거동을 보이는 것으로 나타났다. 이러한 경우 면진 장치 내 슬립 현상이 충분히 발현되지 않아 응답 저감 효과가 상대적으로 제한적인 것으로 판단된다.
반면, Fig. 8(b) 및 (c)와 같이 입력 지진파의 주기가 시스템의 고유주기와 이격되는 경우, 가속도 별 위상차가 뚜렷하게 관찰되었다. 이러한 말뚝 두부(A3)와 상부 구조물(A4) 간의 상대적인 위상차는 면진 장치의 슬립을 유도하고, 결과적으로 마찰 시스템의 작동을 통한 에너지 소산 성능을 극대화하여 전체적인 시스템 응답을 효과적으로 저감시키는 것으로 분석된다.
Fig. 9는 제어전압에 따른 상부 구조물(A4)의 응답 변화를 정량적으로 평가하기 위해 도출한 가속도 응답 비(acceleration response ratio)를 나타낸다. 가속도 응답 비는 무전압 상태(0V) 대비 제어전압(15V) 시의 가속도 응답 크기를 정규화 한 것으로, 이 값이 1보다 작을수록 자기부상 시스템에 의한 추가적인 응답 저감 효과가 우수함을 의미한다. 본 그림에서는 입력 주파수 및 입력 가속도 변화에 따른 가속도 응답 비교를 분석하였다. 그림을 보면, 0.06g 이하의 저진동 영역에서는 가속도 응답 비가 0.7~1.3으로 다소 넓은 편차를 보였다. 이는 입력 가속도가 낮아 상부 구조물의 관성력이 면진 장치의 정지 마찰력을 상회하지 못해 면진 성능이 불완전하게 발현되었으며, 미세한 응답 변화가 비율 산정 시 증폭되어 나타난 결과로 판단된다. 그러나 0.06g를 초과하는 유의미한 가속도 영역에서는 진동수에 따라 다른 양상을 보이는 것으로 나타났다. 1Hz 대역에서는 응답비가 1에 가깝게 도출되어 전압 제어의 성능 개선이 미미했던 반면, 3Hz의 진동수 영역에서는 평균 0.95, 6Hz에서 0.86, 9Hz에서 0.83, 12Hz에서 0.91로 나타나, 전압 제어 시 최대 17% 응답 저감 경향을 확인할 수 있었다.
이러한 결과는 앞서 설명한 면진 시스템의 고유주기 특성과 밀접한 관련이 있다. 고유주기 영역인 1Hz 대역에서는 상하부 구조 간의 위상차가 작아 자기부상력을 통한 가속도 저감 효과가 미미하지만, 입력 주파수가 고유 주파수를 상회하여 위상차가 발생하는 구간에서는 자기부상력을 통한 가속도 저감이 최대 17%까지 발생하여 추가적인 가속도 저감 효과(9Hz)를 보이는 것으로 나타났다.
본 연구는 자기부상과 마찰식 하이브리드 면진시스템을 고안하고, 이를 말뚝지지 구조물에 적용하여 그 효용성을 검증한 실험적 연구이다. 본 연구에서는 시스템의 적용성을 평가하기 위해 입력 하중 및 실험 모델을 단순화하였으나, 실제 지진동은 불규칙한 광대역 주파수 특성을 가지며, 실제 현장에서는 지반 조건에 따라 지반-말뚝-구조물 상호작용이 면진 시스템의 동적 거동에 지대한 영향을 미칠 수 있다. 따라서 향후 실제 지진파 기록을 활용한 검증과 함께, 지반 특성을 고려한 추가 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
5. 결 론
본 연구에서는 마찰형 면진 시스템의 에너지 소산 능력은 유지하면서, 자기부상력을 활용하여 유효 수직하중을 능동적으로 제어할 수 있는 자기부상-마찰식 하이브리드 면진 시스템을 제안하였다. 제안된 시스템을 말뚝 두부에 적용하여 지진 시 말뚝지지 구조물의 동적 응답 특성을 분석하고 내진성능 향상 효과를 평가하였다. 도출된 주요 결과는 다음과 같다.
(1) 본 연구에서는 제어전압(VDC)을 0~50V 범위에서 조절함에 따라 상부 구조물에 작용하는 유효 연직 하중을 가변적으로 분담할 수 있음을 확인하였다. 정지마찰계수 분석 결과, 5V의 저전압 인가 시에도 무전압 상태 대비 약 70% 수준으로 마찰 저항이 감소하였으며, 50V 이상의 전압에서는 마찰저항을 20% 이하로 낮출 수 있어 입력 하중 특성에 따른 유연한 마찰 제어가 가능함을 입증하였다.
(2) 다음으로, 하이브리드 면진 시스템의 성능을 평가하기 위해 진동대 실험을 수행하였다(Model 1). 실험 결과, 제어전압이 증가함에 따라 자기 부상력이 수직 하중을 효과적으로 분담하여 접착면의 마찰 저항을 감소시켰다. 이로 인해 이력 곡선이 평형사변형 형태로 변하며 에너지 소산 면적이 유의미하게 확장되었다. 특히, 유효강성()이 3.6(0V)에서 1.9(15V)까지 가변적으로 도출되어, 외부 전압 제어를 통해 시스템의 동적 강성을 능동적으로 조정할 수 있음을 확인하였다.
(3) 또한 하이브리드 면진 시스템이 적용된 말뚝지지 구조물의 진동대 실험을 수행하였다(Model 2). 실험 결과, 0.06g를 초과하는 유의미한 가속도 영역에서는 입력 주파수가 증가할수록 면진 시스템에 의한 가속도 저감 효과가 향상되었다. 1Hz의 저진동수 대역에서는 가속도 저감률이 11~14% 수준이었으나, 12Hz 고진동수 대역에서는 최대 48%(15V 인가 시)의 높은 저감 효과를 나타냈다. 이는 제안된 시스템이 면진 시스템의 전형적인 전달률 특성을 반영하면서도, 고진동수 지진 하중 하에서 구조물의 동적 안정성을 획기적으로 개선할 수 있음을 보여준다.
(4) 마지막으로, 제어전압 유무에 따른 상부 구조물의 응답 변화를 정량적으로 평가하기 위해 가속도 응답 비를 도출하였다. 응답 비 분석 결과, 면진 시스템 고유주파수(1Hz) 영역과 유사한 입력주파수(1Hz) 대역에서는 면진 시스템의 상·하부 구조물 간의 위상 차이가 작아 자기부상력을 통한 가속도 저감 효과가 미미하였다. 반면, 입력 주파수가 시스템의 고유주파수(1Hz)를 상회하여 위상 차이가 발생하는 구간(3~12Hz)에서는 자기부상력을 통한 가속도 저감 효과가 명확히 확인되었다. 특히 자기부상력을 통해 마찰 저항을 능동적으로 조정한 결과, 기존 마찰형 면진시스템 대비 가속도 응답을 최대 17% 추가로 저감할 수 있는 것으로 나타났다.
(5) 본 연구는 제안된 하이브리드 면진시스템의 주파수별 동적 특성 및 마찰 제어 매커니즘을 규명하기 위한 기초 연구로서 고정된 진동수의 정현파를 입력하중으로 적용하였다. 그러나 실제 지진동은 불규칙한 광대역 주파수 특성을 가지므로, 정현파 실험 결과만으로는 실제 지진 시 구조물의 복잡한 마찰 거동을 완벽히 설명하는데 한계가 존재한다. 특히, 실제 현장 지반에서는 층별 지반 조건의 변화와 이에 따른 지반-말뚝-구조물 상호작용이 면진 시스템의 동적 거동에 지대한 영향을 미칠 수 있다. 그러므로 향후 실제 지진파 기록을 활용한 검증과 함께, 지반 특성을 고려한 추가 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
