내진설계(내진구조), 제진설계(제진구조)의 원리와 교구

교구를 이용해 내진설계와 제진설계를 알아보는 과정을 소개합니다.

 

1. 내진설계와 제진설계의 원리

  가. 내진설계

건물 본체가 진동 에너지를 흡수하는 방식입니다. 건물 내부에 내진벽, 철근을 이용하여 건물 자체를 튼튼하게 짓는 것으로, 보통의 건물보다 지진 발생 시 흔들림이 감소됩니다. 대표적인 건축물로 국내에서는 롯데월드타워가 있습니다. 롯데타워는 40층 높이마다 건물 중심과 외벽을 대각선으로 잇는 대형 구조물을 설치했습니다.

 

  나. 제진설계

제진 댐퍼라 불리는 기둥이 진동 에너지를 먼저 흡수합니다. 제진 댐퍼는 지진의 힘과 반대방향으로 힘을 주어 건물이 흔들리는 것을 멈추는 역할을 합니다. 이로 인해 건물의 강성, 감쇠 등을 줄여서 피해를 줄이게 되는데, 내진 설계보다 제작 비용은 더 크지만 지진 시 손상이 적을 것으로 기대할 수 있습니다. 대표적인 건축물로 해외에서는 대만의 명물 타이베이101빌딩이 있습니다. 타이베이101빌딩의 엘리베이터를 타고 최고층에 올라가면 제진 구조를 위한 거대한 추(댐퍼)가 설치되어 있는 것을 볼 수 있습니다.

타이베이101빌딩 (출처: pixabay)

2. 내진설계 활용 교구

내진설계-키트

내진설계-구조물

기둥이 되는 막대에는 네오디늄자석이 방향마다 설치되어 있습니다. 내진설계 시 필요한 구조물에도 자석이 박혀있습니다. 건물 바닥면이 되는 구조물 가운데에는 제진 설계 실험을 위해 구멍이 뚫려있고, 네 모서리 쪽에는 압정이 앞뒤로 박혀있어서 네오디움 자석에 잘 붙을 수 있도록 되어있습니다.

바닥면 네 모서리에 기둥의 자석을 활용해서 붙이고 그 위를 다른 바닥면을 붙이면 3층 건축물을 쉽게 만들 수 있습니다. 내진설계가 가미되어 있지 않아서 내구성은 약한 상태입니다.

 

3. 내진설계 교구 활용

내진설계 구조물을 기둥의 대각선 방향으로 자석으로 붙이면 내진설계가 완성됩니다. 앞서 설명드린 원리대로 건물 자체를 튼튼하게 짓는 효과가 나타나서 내진설계 이전 보다 흔들어 봤을 때, 훨씬 튼튼해졌음을 확인할 수 있습니다.

 

4. 제진설계 교구 활용

  가. 종이를 활용한 제진설계

간단히 만든 3층 건축물에 A3 용지 한장을 주고 제진설계를 해보라는 미션을 줄 수 있습니다.

정답은 다음과 같습니다.

종이를 말아서 건물 가운데 구멍에 깊숙히 꽂으면 든든한 종이 기둥이 만들어집니다. 이 기둥은 제진 댐퍼 역할을 하여 진동 에너지를 먼저 흡수하게 됩니다. 실제로도 상당히 흔들림에 강합니다.

 

  나. 추를 활용한 제진설계

실이나 고무줄에 추를 연결하여 건축물 상단에 고정합니다.

타이베이101빌딩의 거대한 추의 역할을 하여 제진설계를 완성하였습니다.

 

이외에도 내진설계 키트를 쉽게 구할 수 있습니다. 위 교구보다는 간단하지만 쉽게 접할 수 있으니 한번 도전하시기 바랍니다.