내진설계이야기-12

자! 그러면 앞서 잠시 말씀드린 지진위험도에 대해서 조금 상세하게 알아보도록 하지요!

내진설계를 위한 지진위험도
구조물의 내진설계에서 반드시 결정해야 하는 것이 건물을 설계할 지역의 지진위험에 대한 노출정도(seismic hazard)이지요! 해당 지역에 영향을 미칠 수 있는 활성 단층의 활동에 관한 자료와 활성단층에서 부지까지의 거리 및 단층과 부지사이의 지질 등에 관한 자료등을 이용하여 지진위험도를 설정합니다.
주어진 지역에서 건물 설계시 구조물이 인명에 대한 손상을 주지 않기 위한 지진 위험도를 나타낼 수 있는 입력하중인 설계지진운동을 정확하게 규명하는 것은 매우 어려운 일입니다.
일반적으로 가장 유효하게 설계지진운동을 표현할 수 있는 것이 일자유도계 시스템에서의 선형탄성응답스펙트럼(SLERS : Smoothed Linear Elastic Response Spectrum)입니다. 그 이유는 응답스펙트럼이 지진운동의 강도나 주기성분을 잘 표현할 수 있기 때문이지요! 일반적으로 지진지도를 만들 때 사용하는 것이 바로 5%의 감쇠율을 가진 SLERS입니다. 물론 이 SLERS에도 지진운동의 경과시간(duration)을 반영하지 못하는 단점이 있어 경우에 따라서는 실제 지진기록(time history)을 사용할 수도 있답니다.
내진설계 기준에서는 지진구역(seismic zone)을 설정하고 각각의 구역에 대한 지진위험도를 미리 산정해둠으로써 구조물이 건설될 부지가 어느 구역에 속하느냐에 따라서 어렵지 않게 지진위험도를 결정할 수 있습니다.

다음은 각 내진설계 기준에서의 설정하고 있는 Seismic Zoning Map 의 예입니다.

상단의 그림이 ATC3-06 에서 설정하고 있는 것이고, 하단의 왼쪽은 UBC 기준, 그리고 오른쪽 그림이 잘아시는 현재우리나라의 기준의 Seismic Zoning Map 입니다.

지진위험경계를 나타내는 방법은 UBC(Uniform Building Code)에서와 같이 지진위험도의 분포상태에 따라 경계를 정하는 방법과 ATC 3-06에서 사용되는 행정구역의 경계를 사용하는 방법이 있습니다. 이 두가지 방법 중에서 UBC의 방법은 지진구역의 경계 부근에서 건축물을 설계할 때 약간의 혼란이 발생합니다. 어디를 적용해야 하는지.....  따라서 보다 진보된 ATC 3-06에서는 세분된 행정구역의 경계를 사용하여 지진구역을 정하였답니다. 이 방법이 더욱 더 실제적이라고 할 수 있겠죠. 우리나라 역시 내진설계 기준 제정시 지진위험도를 ATC 3-06에 근거하여 시·군 등의 행정단위로 지진구역을 설정하였습니다.

☞ 내진설계시 고려되는 설계지진
내진설계에서 기준으로 사용되는 지진을 설계지진이라고 합니다. 각 나라마다 기준에서 설정하는 설계 지진은 조금 차이가 있습니다.
우리나라에서 건축물의 내진설계에 사용되는 설계지진은 MM진도가 VIII 정도인 지진을 말합니다. 이것은 리히터규모가 5.5-6.0 정도가 되지요!
이 내용에는 중요한 의미가 내포되어 있는데, 우리나라의 내진설계기준에 의하여 제대로 설계된 건물은 우리나라에서 발생할 가능성이 어느 정도 있다고 판단되는 지진에 의해서는 붕괴되지 않는다는 의미입니다. 하지만 외국에서 발생한 규모가 큰 강진이 만약 우리나라에서 발생한다면 구조물이 붕괴되지 않을 것이라고 기대하기는 어렵다는 이야기이지요!

지진에 대한 안전성을 더욱 확실히 하기 위해서는 우리나라의 설계지진을 상향조정하여야 하지만 이것은 막대한 건설경비의 증가를 초래하기 때문에 현실적으로는 매우 어려운 실정입니다. 그러나 내진설계기준은 지진에 대비하기 위한 최소한의 조건이므로 특정한 건물에 관하여 내진안전성을 특별히 높이기 위해서는 설계기준에 제시된 수준보다 더 높은 지진하중을 고려하여 설계에 반영하고 연성능력이 더 큰 구조방식을 채택하는 것이 바람직한 방법이라고 할 수 있습니다.

적절한 내진설계가 구조물의 지진피해를 상당히 감소시킬 수 있다는 사실은 실제로 지진이 발생하였을 때 조사된 자료를 통하여 입증이 되고 있으며 예상된 효과가 제대로 나타나지 않는 경우에는 이를 분석하여 내진설계 방법을 수정, 보완하여 보다 나은 내진설계기준을 적용할 수 있도록 노력하여 왔습니다.

그  한 예가 바로 미국의 California州에서 1971년에 발생한 San Fernando 지진인데요.
이 지진이 발생한 후에 전문가들이 피해를 분석하여 보고 아래에서 보시는 표를 작성하였습니다. 이 표를 보시면 지진에 의한 건물의 피해를 예상하고 또한 내진설계가 적용될 경우  건물의 지진피해를 줄이는 데 매우 효과적임을 잘 설명하고 있지요!

위의 표에서 언급한 피해의 정도는 다음과 같은 내용을 포함하고 있습니다.

  - 가벼운 피해  : 보수를 위하여 건물의 사용에 제한을 가할 필요가 없슴
  - 약간의 피해  : 보수를 위하여 약간의 사용에 제한을 가할 필요가 있슴
  - 심한 피해    : 구조적인 피해가 발생하여 적어도 몇주일간의 보수가 요구됨
  - 심각한 피해  : 구조적인 피해가 심각하여 수개월간에 걸친 보수가 요구됨
  - 부분적 붕괴  : 5개월 이상의 보수가 필요하며 중요구조물인 경우에는 철거함

구조물의 내진설계가 지진의 피해를 감소시키는데 얼마나 기여하는지를 잘 설명하는 또 다른 자료가 있습니다.  이것은 1995년 1월 17일 고베에서 대지진이 발생하였을 때 일본의 大林組 건설회사가 지진피해지역에 건설한 구조물들에 대하여 이번 지진의 피해와 설계에 적용된 내진설계기준과 연관시켜서 비교한 자료인데, 내진설계에 관한 1971년 이전의 구기준에 의해서 설계된 구조물은 42% 정도만 피해가 없었으나 1980년 이후에 개정된 신기준에 의해 설계된 구조물은 84%가 피해를 받지 않은 것으로 나타나고 있습니다.  또 붕괴되거나 붕괴의 위험이 있어서 철거되어야 할 구조물의 비율도 구기준에 의한 경우에는 36%나 되었지만 신기준을 적용한 경우에는 6%로 낮아지게 되죠.  이것은 내진설계의 효과를 알아볼 수 있는 좋은 예라고 할 수 있습니다.

다섯번째 이야기는 계속됩니다.