카지마 건설, 지진 발생 시 초고층 건물의 흔들림을 대폭 줄이는...

○ 카지마 건설이 대규모 지진 발생 시 장 주기 지진동*으로 인한 건물의 흔들림을 줄이는 동시에, 생활공간의 활용도를 높인 내진 설계 구조 ‘KaCLASS’를 개발(6.6.)
 
* 장 주기 지진동: 흔들림 주기가 긴 파동을 많이 포함한 지진동. 흔들림 주기는 1초 이상, 대략 2~20초. 흔들림이 오래 지속되며 공진(共振)으로 건물 구조에 악영향을 미침
 
- 최근 신축 초고층 건물들이 환경 영향을 최소화하고자 내구연한을 최대한 늘리는 방향으로 설계됨에 따라, 재해 상황에 대비한 내진 설비의 중요도가 높아짐
 
• 기존에는 건물 각 층에 별도의 제진(에너지 상쇄를 통한 흔들림 제어) 장치를 설치해 왔으나, 고층 건물의 건축계획상 설치 가능 대수 및 공간 확보에 한계가 존재
 
- 이에, 동사는 주요 내진 설비를 건물의 한 지점에 집중 배치해, 지진 시 충격 흡수 성능을 높이면서 다른 층의 생활공간을 확보하는 내진 설계 구조를 개발
 

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○ 해당 구조는 동조 질량 감쇠기(Tuned Mass Damper)*의 원리를 응용하여, 건물 상부 1/3 지점에 에너지 흡수층 역할을 하는 ‘제어층’을 별도로 구축
 
* 동조 질량 감쇠기: 건물 상층부에 스프링으로 매달아 둔 거대 콘크리트 무게추. 지진, 강풍 등으로 건물이 흔들릴 때 무게추도 같이 흔들리도록 하여 지진의 진동 에너지를 흡수하고 건물의 균형을 잡음
 
- 제어층은 지진 발생 시 진동의 영향으로 형태가 크게 변형되어, 건물 구조체(main frame)의 상층부와 하층부에 가해지는 흔들림을 흡수
 
- 제어층이 충격을 흡수함과 동시에, 제어층 기준 상층부에는 지진파의 영향을 최소화하는 면진 효과가, 하층부에는 지진파의 충격을 분산시켜 진동을 줄이는 제진 효과가 발생
 
• 건물이 흔들릴 때 상층부와 하층부에 힘이 반대로 작용하면서, 흔들림이 적은 상층부가 하층부의 진동을 제어하는 추의 역할을 담당
 
* 사진. ‘KaCLASS’의 구조와 제진 효과가 발생하는 원리
 

 
○ 제어층을 통한 제진 구조는 대규모 지진에 의한 건물의 직접 피해를 줄일 뿐만 아니라, 지진 발생 시 거주자가 느끼는 흔들림을 최소화해 더 안정된 실내 환경을 조성
 
- 해당 구조는 기존의 내진 설계 구조 대비 실내에서 느끼는 진동 가속도를 많게는 70%까지 저감 하며, 시간이 지날수록 진동 저감 효과가 강하게 나타나면서 2-3분가량 이어지는 장 주기 지진동 제어에도 효과적
 

• 이로써, 지진 발생 시에도 해당 건물에 입주한 사업장이나 주거 공간의 피해를 신속히 복구하고, 업무 연속성 계획(BCP) 수립 및 거주 지속 성능(LCP) 유지가 가능하도록 지원
 
- 지진이 아닌 태풍 등 강풍으로는 제어층이 거의 변형되지 않아, 평상시 건물 내 생활공간의 안정성을 유지
 
* 사진. ‘KaCLASS’ 구조와 기존 내진 설계 구조의 충격파 흡수 성능 비교
 

 
○ 또한, 제어층에 내진 설비를 집약함으로써 각 층 실내 공간의 중앙부에 기둥과 보 등 추가 구조물을 설치할 필요가 없어져, 넓고 자유로운 공간 활용이 가능한 것이 특징
 
- 日 건축계에서 기존에 고층 건물에 적용해 온 내진 설계 구조는 각 층의 실내 공간에 양방향 4m 간격으로 기둥 및 보를 설치해 왔음
 
- 제진 기능을 제어층에 집약한 구조에서는 실내 중앙부 8개 지점의 기둥과 보를 생략할 수 있어, 평상시 공간 활용도를 극대화
 
* 사진. ‘KaCLASS’ 구조와 기존 내진 설계 구조의 공간 활용도 비교
 

 
- 동사는 해당 기술을 ’ 22.8월 착공한 한큐한신(阪急阪神) 부동산 주식회사의 초고층 타워 레지던스 '지오 타워(Geo Tower) 오사카 주소(十三) 지점'에 최초로 도입, 지상 39층, 지하 1층 규모 철근콘크리트 건물에 내진 성능을 부여할 계획
 

 

 

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