최근 40~60층 범위의 아파트 및 주상복합 등의 공동주택의 건설이 증가함에 따라, 강풍 등의 수평하중에 의해 발생하는 진동으로 인한 거주자의 사용성 문제가 발생하고 있다. 특히 철골조 고층건물의 경우 중량이 경량화되어 감쇠율이 감소함에 따라 강풍 시에 건물이 진동에 예민하게 반응하여, 태풍이 발생하고, 겨울에 계절풍이 발생하는 우리나라는 고층건물의 진동으로 인하여 거주자의 사용성이 심각하게 위협받고 있다.
따라서 구조물에 대한 사용성 설계가 필요한데, 이러한 설계에서 하중과 응답의 산정을 위해 중요한 것은 구조물의 고유진동수이다. 이러한 신뢰성 있는 응답가속도를 산정하기 위해서는 정확한 고유진동수의 예측이 매우 중요하다. 고유진동수는 설계단계에서 일반적으로 고유치해석을 통해서 산정할 수 있지만, 비구조재의 모델링 등의 어려움으로 실제 건물의 정확한 고유진동수를 예측하는 데에 어려움이 있다.
이러한 응답가속도를 산정하기 위해서는 고가의 진동계측장비가 필요한 실정이다. 반면에 기존의 진동계측 시 사용되는 센서 장비는 고가이지만, MEMS를 통하여 경제적, 저전력, 저가에 센서를 더욱 소형화, 대량생산하여 유용한 센서 모듈의 개발이 가능하다. 이러한 MEMS 센서를 이용하여 초고층건물의 상시진동계측, 고층건물의 풍응답 계측, 보도교의 가진실험, 저층건물의 인력가진실험 등 다양한 건축물의 동적특성을 분석한 연구사례를 통해, 진동계측기로서의 적용성이 입증되었다.
하지만 MEMS 가속도 센서의 가공단계에서 발생하는 스프링 구조의 결함에 의한 기계적 노이즈와 readout 회로에서 발생하는 전기적 노이즈의 영향을 받아 저대역의 계측데이터는 정확한 분석값을 산출하는 데 제한이 있다. 따라서 진동의 크기가 작은 경우의 MEMS 가속도계를 통한 계측은 건물에 가진하거나, 태풍 시에만 저대역의 고유치를 산정할 수 있기 때문에, 기존의 진동계측장비의 기능을 완벽하게 대체하는 것은 제한이 따른다. MEMS가속도계에 대한 성능평가에 대한 연구는 진행되고 있지만, 이러한 건물의 상시진동계측에 대해 노이즈를 제거하기 위한 효과적인 개선책에 대한 연구와 일반 MEMS 가속도계에 대한 광범위한 연구가 미약한 실정이다.
따라서 MEMS 가속도계의 저 노이즈형 진동계측 APP인 I-jishin의 효율성을 진동대와 실 건물에서 입증하고자 한다. 또한 일반 MEMS 가속도계를 건축물의 진동계측용 가속도계와 실 건축물과 동시 계측하여 성능평가 및 효율성을 검증하였다. 이 논문을 요약하면 다음과 같다.


1. 일반 MEMS 가속도계와 MEMS 가속도계가 내장된 IOS 단말기의 계측 정밀도를 검토하기 위하여 진동대 실험을 실시하였다. 가진진동수 범위를 0.5~10Hz, 가속도의 범위를 0.01~0.5g로 설정하여 10차례 실험하였다. 일반 MEMS 가속도계와 ICP형 가속도계를 동시에 계측을 실시하였고 휴대용 진동계측 APP별 오차율과 일반 MEMS 가속도계와 ICP형 가속도계의 오차율을 비교하였다. 10회의 진동실험을 통해 얻은 오차율의 평균값은 I-jishin APP은 0.79%, vibration APP은 2.38%, ICP형 가속도계는 0.72%, 일반 MEMS 가속도계는 0.65%로 진동계측 APP의 비교를 통해 노이즈개선 효과를 확인하였고, 일반 가속도계와의 비교에서는 MEMS 가속도계의 계측성능을 검증하였다.
2. 저노이즈형 진동계측 APP의 효율성을 검증하기 위해 수직진동을 비교하기 위한 철도인접지역의 건물과 수평진동에 대한 상시진동계측을 위한 고층건물 3동을 선정하여 동시에 진동계측을 실시하였다. 또한 고층 아파트 건물 1동, 저층건물 1동을 선정하여 일반 MEMS 가속도계, 서보형 가속도계, ICP형 가속도계를 동시에 계측하여 진동계측을 실시하였다.
3. 철도진동에 의한 1동의 건물과 상시진동에 의한 3동의 건물에 대해 파워스펙트럼에 의한 고유진동수 분석을 중심으로 계측성능을 분석하였다. 철도진동의 경우, 철도인접지역의 철도에서 열차가 동과할 때 최대가속도 5gal이하의 시계열데이터를 통해 I-jishin은 건물의 4Hz대역의 고유진동수 뿐만 아니라 25Hz대역의 지반의 고유진동수 성분도 확인 할 수 있었다. 또한 고층 건물 3동의 상시진동계측에서는 앙상블의 수가 적은 1동을 제외하고 나머지 2동에서 장변과 단변방향의 건물의 고유진동수 성분을 확인 할 수 있는 반면, vibration APP은 장변과 단변의 고유진동수 중 일부에서만 확인이 가능함으로써, I-jishin 진동계측 APP의 노이즈 저감 성능을 검증하였다.
4. 고층 아파트 1동과 저층 건물 1동의 상시진동계측을 통한 시계열 파형 및 파워스펙트럼을 바탕으로 일반 MEMS 가속도계와 진동계측용 상용 가속도계, 그리고 저노이즈형 진동계측 APP I-jishin과 일반 진동계측 APP vibration의 진동 성능을 분석하였다. 시계열 가속도데이터의 1분간 가속도의 RMS값을 비교한 결과, 서보형 가속도계, ICP형 가속도계, 일반 MEMS 가속도계, I-jishin APP, vibration APP의 순서로 작은 값이 나왔다. 파워스펙트럼을 통해 가속도계별 그래프를 비교하였고, 25층의 고층 아파트의 경우에는 vibration APP을 제외한 모든 가속도계에서 1차 모드를 파악할 수 있었지만, 4층의 저층건물에서는 MEMS 가속도계가 내장된 휴대용 진동계측기의 파워스펙트럼에서는 1차 모드의 고유진동수 파악이 불가능하였다.
5. 일반 MEMS 가속도계의 경우, 동일한 가격대인 ICP형 가속도계에 비해 상시진동계측에 대한 최대 가속도 RMS값이 7.8배~ 8.9배의 차이를 보이며 파워스펙트럼의 노이즈 플로어가 1.7배의 차이를 보였다. 또한 4층 건물의 상시진동계측을 통해, 1차 모드의 응답에 대한 고유진동수를 파악할 수 있지만 고차 모드의 응답에 대한 고유진동수를 얻는 것이 불가능하여 건축물 진동계측용도에 대한 가격대비 성능은 떨어지는 것으로 판단된다.