불가사의한 공진현상

 

서울 광진구에 있는 테크노마트란 빌딩이 얼마 전에 건물이 흔들려서 사람들이 대피하는 소동이 빚어졌습니다. 오늘(7/19) 뉴스에 나온 전문가들이 이 건물 12층에 있는 피트니스 운동센터에서 20여명의 사람들이 에어로빅의 일종인 '태보'를 하고 있었기 때문에 그것으로 발생된 공진현상이라고 설명을 합니다.

 

20여명의 사람들을 당시처럼 모아놓고 비슷한 운동을 하게 하였더니 상층부에 설치된 진동계측기에 진동이 감지됩니다.  실험을 주관한 대한 건축학회측은 건물마다 가지고 있는 미세한 진동주기와 사람들이 반복적으로 태보동작을 하는 동안 발생한 진동주기가 우연히 일치하게 되면서 상층부로 갈수록 진동폭이 증가하는 공진현상이 일어났다고 설명했습니다.

 

이런 공진현상이 카메라에 잡힌 적이 있습니다. 1940년 11월 7일 미국 워싱턴주에 있는 타코마 해협 위에 현수교로 건설되었던 "타코마 브릿지" 가 공진현상으로 붕괴된 것입니다.

 

 

 

공진현상(Resonance)이란 물체가 가지고 있는 고유주파수(Natural Frequency)와 이 물체에 가해진 하중의 주파수(Froced Frequency)가 유사하거나 같을경우 물체가 무한대로 진동하는 현상을 뜻한다고 합니다. 미국의 타코마 브릿지가 대표적인 사례입니다. 즉 타코마 브릿지의 고유주파수와 비슷한 풍하중(바람)이 불면서 교량이 흔들리기 시작했고 이것이 점차 진폭이 커지다 결국 붕괴하였습니다. 이것이 동역학을 발전시킨 계기가 되긴 했습니다만 당시로선 이러한 개념이 설계에 반영되지 못한 결과 입니다. 이당시 바람은 태풍이 아닌 약간 강한 정도의 바람이었다고 합니다. 즉 교량의 고유주파수와 비슷한 바람이 무너질것 같지 않았던 교량을 붕괴시킨 것이랍니다.

 

'고유진동수'란 물체가 가지고 있는 질량(m), 스프링 강성(k), 댐핑정도(c)에 의해서 결정되는 물체의 고유한 성질 입니다. 정역학적으로는 단면이차 모멘트나 단면적, E값등이 여기에 해당되듯이 동역학적으로 구조물이 가지는 가장 대표적인 계수가 고유진동수 입니다.

 

고유진동수가 중요한 것은 예를들어 교량이 가지는 고유주파수와 비슷한 주파수 대역의 하중이 가해지면 구조물은 공진현상을 일으키며 파괴 혹은 사용성에 문제가 발생합니다. 따라서 설계단계에서 예상되는 하중들의 가진주파수에서 구조물의 고유주파수가 근접하지 않게 설계하면 된다고 합니다. 이때 가장 편리한 것이 자중을 증가시키는 방법이지만 현대적인 설계 개념에서는 잘 안쓰는 방법입니다.

 

진동가속도란 물체가 하중에 의해 떨림이 발생할때 발생하는 물체의 떨림정도를 가속도로 표현한 것입니다. 현재 구조물의 중요 정도 혹은 거주여부에 따라서 진동가속도 제한치를 정해놓고 있습니다.

 

이러한 공진현상, 고유주파수(진동수)등이 중요하게 대두대는 이유는 현대 설계의 개념이 좀더 가볍고 날렵하게 설계, 시공하는데 있습니다. 즉 과거 육중하고 자중이 무거운 구조물에서는 이러한 진동문제가 발생하지 않거나 큰 영향을 미치치 못하지만 가볍고 날렵한(Slander)구조물의 경우는 이러한 동적 하중에 대한 영향을 크게 받습니다. 따라서 동역학적 해석및 설계의 중요성이 많이 부각되는 것입니다.(출처 : 네이버 지식 in)