초고속엘리베이터 최신 기술 동향(2-2)

기고 _ 한국승강기안전기술원 기술혁신본부 이선순 본부장, 서상윤 과장

미쓰비시엘리베이터의 경우에도 역시 [그림 9]에서 확인할 수 있는 바와 같이 0.14m/s2(14gal)에서 액티브가이드롤러 적용 시 0.06m/s2(6gal)까지 약 ½배 정도 줄어드는 것을 확인할 수 있다. 따라서, 카 내 및 가이드롤러에 active damper를 사용함으로써 만족할 만한 승차감을 얻을 수 있음을 확인할 수 있다.

 4) 카 내 소음 대책
카의 내부소음은 주로 권상기의 진동, 로프 진동, 가이드레일로부터의 구조적인 소음, 그리고 카가 운행 시에 발생하는 풍음으로 대별할 수 있다.
풍음은 5~6배로 비례적으로 증가하는 관계를 가지는 것으로 알려져 있으며, 권상기의 진동, 로프 진동으로 인한 소음과 가이드레일로부터 전달되는 진동에 의한 구조적인 소음은 차음을 통해서 저감을 시킬 수가 있다.
 한편, 카 운행 시 발생되는 소음은 다음과 같이 공기역학적인 해석을 통하여 압력발생을 저감시킬 수 있도록 카의 외장 설계 및 내부 공기 순환 구조를 개선함으로써 소음을 저감시킬 수 있는 기술을 적용시키고 있다.
[그림 10]과 같이 상승 주행 시의 압력분포를 보면, 카 하단부에 와류가 발생하고 있으며, 이 영향에 의해 소음이 발생하고 있는 것을 확인할 수가 있다. 그리고 이러한 와류에 의한 카 바닥 하단부의 소음잔향 효과와 [그림 11]과 같이 2대의 카가 스쳐지나갈 때 발생하는 소음 등을 저감시키기 위하여 [그림 12]에서 확인할 수 있는 것과 같이 카 운행 시 발생하는 와류를 감소시키기 위하여 유선형 커버와 스포일러를 적용하였고, 또한 하단부 소음 잔향효과를 감소시키기 위하여 바닥에 융단과 펀칭메탈, 공기층을 조합하여 흡음 2중 바닥 구조를 적용하였다.
추가적으로 카 벽을 통하여 전달되는 유동 소음을 저감하기 위해서는 이중 구조벽을 적용하였고, 카 내에 외기를 받아들이는 환기 덕트에 대해서도 덕트를 길게 하여 차음성을 향상시켰다.
이러한 카 내부 구조 및 외장에 대한 시뮬레이션 및 설계에 추가하여 도어를 통하여 유입되는 소음을 감소시키기 위하여 [그림 14]와 같이 카 도어에 대해서도 소음 대책이 필요한 것으로 판단되며, 미쓰비시엘리베이터의 경우에는 도어의 차음성을 향상시킨 초고속용 도어를 개발하여 도입하고 있다.
한편, 앞서 언급한 바와 같이 풍음은 운행 시 속도의 5 ~ 6배로 비례적으로 증가하는 관계를 가지는 것으로 알려져 있으며, 또한 1,010m/min 속도의 공기역학적인 캡슐을 적용한 카의 소음이 공기역학적인 캡슐을 적용하지 않은 카의 소음과 비교했을 때, [그림 15]와 같이 약 9dB(A)이 개선된 사실을 실험을 통해서 보여주고 있다.
따라서, 공기역학적인 해석을 통한 유선형 카 외장 설계, 카 내 방음(카 벽 및 바닥 이중 구조, 카 도어 방음), 내부 공기 순환 흐름 개선 등을 함으로써 외부에서 발생되는 소음을 차단하여 소음 특성을 개선하고 있는 것을 확인할 수 있다.
5) 승차감 가감속도 표준
 가감속도에 대한 대해 엘리베이터 테스트 타워에서 다양한 시험을 통해 처리한 결과, 최적의 가감속도는 0.9m/sec2이며, 최대 가가속도(jerk)는 1.3m/s3이라고 나와 있으며[1], 정지층이 많은 엘리베이터에서는 가속도가 1.0m/sec2를 넘을 경우 불쾌감, 공포감등의 증상이 나타날 가능성이 있다고 알려져 있다[2].

 6) 강풍 관제 운전
강풍으로 인한 건물의 흔들림에 따른 우려 사항으로는 승차감이 악화되거나, 엘리베이터 기기가 파손되는 경향이 있기 때문에 관제 운전을 통해서 초고속 빌딩의 흔들림에 따른 기기의 파손 및 엘리베이터의 중단을 회피한다.
[그림 16]과 같이 건물 전체의 구조적인 관점에서 보면, 강풍에 따른 건물의 흔들림에 대비하기 위하여 건물전체의 진동을 감쇠시키기 위한 제진장치가 설치되는 경우도 있으나, 바람세기에 따라서 건물의 진동이 커질 수 있기 때문에 미쓰비시엘리베이터는 이에 대한 대책으로 관제운전을 실시할 수 있도록 다음과 같은 시스템을 적용시키고 있다.
 우선 초고층 건물에서 로프 진동을 파악하기 위해서 바람에 의해 건물 흔들림에 의한 계산되는 건물의 고유진동모드와 건물의 변위에 의해 가진되는 로프의 진동을 시뮬레이션하여  관제운전 개시 기준 등을 설정하고 있으며, 관제 운전의 방법은 고객의 요구에 따라 다양하게 적용시킬 수 있으며, 간단하게 언급하자면, 건물 기계실에 설치된 가속도센서를 통하여 일정 기준 이상의 진동이 발생하면 감시반에 통지하게 되고, 그 기준에 따라 이상 진동이 지속적으로 발생하게 되면 기준층으로 피난을 시키거나, 운행을 정지시키는 방식을 사용하고 있다.

 7) 이명감 해소 대책
 승객들은 매우 빠른 속도로 운행하는 엘리베이터로 인하여 대기 압력의 변화가 급격하게 변하기 때문에 기압의 변화로 인해 불쾌함을 느낄 수 있으며, [그림 17]과 같이 속도 보다는  운행거리(건물높이)에 따라  많이 느끼게 되며, 상승 시(감압 시) 보다는 하강 시(가압 시)에 압력이 높아지기 때문에 이명감을 더 많이 느끼는 것으로 조사되고 있다.
이 문제를 해결하기 위해서 도시바는 카 내의 대기압력 변화를 제어하는 방법(카의 구조, 출입구 관련 기계장치, 대기압력 제어기)을 고려하여 대기압력 제어시스템을 개발하여 적용시켰다고 발표하고 있다.

3. 결론
현존하는 초고속용 엘리베이터는 아파트에 사용되는 엘리베이터의 일반적인 속도인 60m/min의 16배 이상 빠른 1,000m/min을 넘는 속도로 운행되기 때문에 진동·소음이 상대적으로 크게 발생할 수밖에 없으며, 추가적으로 속도가 빨라지고 고층 건물에 적용되는 이유로 인하여 제어적인 부분과 건물 측면에서 다양한 관점에서 고려를 하여야  승객이 불쾌감 및 안전상의 위협을 느끼지 않고 정숙한 운전을 할 수 있을 것으로 생각된다.
 따라서 앞에서 소개한 바와 같이 이러한 진동·소음을 발생시키는 인자인 권상기, 레일, 공기역학적인 영향, 가감속도, 바람에 의한 건물진동으로 인한 로프 진동, 이명감에 대한 고려를 충분히 하여야  이용승객의 불안감을 최소화시킬 수 있을 것으로 판단된다.
 또한, 기본적으로 초고속 엘리베이터를 테스트 타워에 설치하여 운행상태를 확인하기 위해 타워 높이를 올리는 것은 한계가 있기 때문에 시뮬레이션을 통하여 진동 모드 해석, 풍압 해석, 소음 해석 , 건물진동으로 인한 로프 진동 해석, 대기압력 해석 결과를 설계에 반영하고 현장에 적용시키는 것이 설치 후에 발생할 수 있는 문제에 대해 미리 대처를 할 수 있을 것으로 판단된다.

참고자료
[1] N. Terazono and Y. matsukura, 엘리베이터 하이테크 기술, 성안당
[2]미쓰비시엘리베이터 기술 자료
[3]H. Miuguchi, T. Nakagawa and Y. Fujita, Breaking the 1,000MPM Barrier, elevator world