지진공학
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1. 개요
지진공학은 지진으로부터 사회, 자연, 인공 환경을 보호하기 위해 지진 위험을 사회경제적으로 수용 가능한 수준으로 제한하는 과학 분야이다. 지진 하중을 받는 구조물과 지반 구조물의 거동 연구를 포함하며, 토목, 기계, 원자력 공학, 사회과학 등 다양한 분야를 포괄한다. 주요 목표는 강진이 도시 지역과 사회 기반 시설에 미칠 수 있는 결과를 예측하고, 지진 성능에 따라 구조물을 설계, 건설 및 유지 관리하는 것이다. 지진 하중, 내진 성능, 지진공학 연구, 지진 진동 제어, 내진 설계, 내진 건설, 지진 피해 예측 등이 주요 내용이다.
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| 지진공학 | |
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| 개요 | |
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| 정의 | |
| 정의 | 지진의 영향을 받는 구조물의 거동을 예측하고, 지진에 대한 구조물의 저항성을 설계, 건설, 유지하는 학문 |
| 목표 | |
| 목표 | 지진으로 인한 인명 피해 최소화 지진으로 인한 재산 피해 최소화 지진 후 빠른 기능 회복 |
| 관련 분야 | |
| 관련 분야 | 구조공학 지반공학 지진학 건축학 |
| 주요 연구 분야 | |
| 주요 연구 분야 | 내진 설계 면진 설계 제진 설계 지진 위험도 평가 지진 재해 경감 기술 기존 구조물의 내진 보강 |
| 내진 설계 | |
| 내진 설계 | 지진에 대한 구조물의 안전성을 확보하기 위한 설계 방법 |
| 주요 고려 사항 | 지반 조건 예상되는 지진의 크기 및 특성 구조물의 중요도 및 사용 목적 경제성 |
| 면진 설계 | |
| 면진 설계 | 구조물과 지반 사이에 면진 장치를 설치하여 지진력을 감소시키는 설계 방법 |
| 장점 | 구조물의 손상 감소 내부 설비 및 인명 보호 |
| 단점 | 초기 설치 비용 증가 유지 관리 필요 |
| 제진 설계 | |
| 제진 설계 | 구조물에 제진 장치를 설치하여 지진 에너지를 흡수하거나 감쇠시키는 설계 방법 |
| 종류 | 수동 제진 능동 제진 반능동 제진 |
| 지진 위험도 평가 | |
| 지진 위험도 평가 | 특정 지역의 지진 발생 가능성과 그로 인한 피해 정도를 예측하는 과정 |
| 고려 요소 | 과거 지진 발생 기록 지질 구조 활성 단층 분포 지반 특성 구조물의 종류 및 분포 |
| 지진 재해 경감 기술 | |
| 지진 재해 경감 기술 | 지진 발생 시 피해를 최소화하기 위한 기술 |
| 예시 | 조기 경보 시스템 긴급 대피 시스템 내진 소방 시스템 응급 의료 시스템 |
| 기존 구조물의 내진 보강 | |
| 기존 구조물의 내진 보강 | 내진 성능이 부족한 기존 구조물의 내진 능력을 향상시키는 작업 |
| 방법 | 철근 보강 탄소 섬유 보강 강판 보강 프리스트레스트 콘크리트 보강 |
| 참고 문헌 | |
| 참고 문헌 | EERI (Earthquake Engineering Research Institute) World Housing Encyclopedia |
2. 정의 및 주요 목표
지진공학은 사회, 자연 환경, 인공 환경을 지진으로부터 보호하기 위해 지진 위험을 사회경제적으로 수용 가능한 수준으로 제한하는 과학 분야이다.[1] 전통적으로 지진공학은 지진 하중을 받는 구조물과 지반 구조물의 거동 연구로 좁게 정의되어 왔으며, 구조 공학, 지반 공학, 기계 공학, 화학 공학, 응용 물리학 등의 하위 분야로 간주된다. 그러나 최근 지진으로 인한 막대한 비용 발생은 그 범위를 토목 공학, 기계 공학, 원자력 공학의 더 넓은 분야와 사회 과학, 특히 사회학, 정치학, 경제학, 금융 분야의 학문들을 포함하도록 확장시켰다.[2]
2. 1. 주요 목표
지진공학의 주요 목표는 다음과 같다.- 강진이 도시 지역과 사회 기반 시설에 미칠 수 있는 잠재적 결과를 예측한다.
- 지진 성능에 따라 기대치에 부합하고 건축 법규를 준수하도록 구조물을 설계, 건설 및 유지 관리한다.[3]
3. 지진 하중
'''지진 하중'''은 지진으로 생성된 구조물(또는 지반 구조물)에 대한 여기의 적용을 의미한다. 이는 구조물의 접촉면, 즉 지면,[5] 인접 구조물,[6] 또는 쓰나미의 중력파와 함께 발생한다. 지구 표면의 특정 위치에서 예상되는 하중은 엔지니어링 지진학에 의해 추정된다. 이는 해당 위치의 지진 위험과 관련이 있다.
4. 내진 성능
'''지진 성능'''은 특정 지진 발생 시, 그리고 그 이후에 구조물이 안전 및 사용성과 같은 주요 기능을 유지하는 능력을 말한다. 구조물이 부분적 또는 완전히 붕괴되지 않아 인명과 안녕을 위협하지 않으면 ''안전''하다고 하며, 설계된 기능을 수행할 수 있으면 ''사용 가능''하다고 한다.
주요 건축 법규의 지진 공학 기본 개념은 건물이 심각한 손상을 입더라도 전체적으로 붕괴되지 않고 매우 드물고 심각한 지진에도 견딜 수 있어야 한다는 것이다.[7] 또한, 더 자주 발생하지만 덜 심각한 지진에도 작동 상태를 유지해야 한다.
4. 1. 내진 성능 평가
'''지진 성능'''은 특정 지진 발생 시, 그리고 그 이후에 구조물이 안전 및 사용성과 같은 주요 기능을 유지하는 능력을 말한다. 구조물이 부분적 또는 완전히 붕괴되지 않아 인명과 안녕을 위협하지 않으면 ''안전''하다고 하며, 설계된 기능을 수행할 수 있으면 ''사용 가능''하다고 한다.건축 법규의 지진 공학 기본 개념은 건물이 심각한 손상을 입더라도 전체적으로 붕괴되지 않고 매우 드물고 심각한 지진에도 견딜 수 있어야 한다는 것이다.[7] 또한, 더 자주 발생하지만 덜 심각한 지진에도 작동 상태를 유지해야 한다. 구조 기술자는 특정 지진에 노출된 건물의 실제 또는 예상되는 지진 성능을 정량적으로 평가해야 한다.
이러한 평가는 실험적 또는 해석적으로 수행될 수 있다.
4. 1. 1. 실험적 평가
실험적 평가는 구조물의 (축소된) 모형을 진동대에 놓고 지진 발생을 시뮬레이션하여 그 거동을 관찰하는, 비용이 많이 드는 시험이다.[8] 이러한 종류의 실험은 100년 이상 전에 처음 수행되었다.[9] 최근에야 전체 구조물에 대한 1:1 규모의 시험이 가능해졌다.이러한 시험의 비용이 많이 들기 때문에 주로 구조물의 지진 거동을 이해하고, 모델을 검증하며, 해석 방법을 확인하는 데 사용되는 경향이 있다. 따라서 일단 적절하게 검증되면, 계산 모델과 수치 절차가 구조물의 지진 성능 평가에 대한 주요 부담을 지는 경향이 있다.
4. 1. 2. 해석적/수치적 평가
'''내진 성능 평가''' 또는 내진 해석은 건물과 비건물 구조물의 내진 성능을 더 잘 이해하기 위해 구조물의 상세한 모델링과 구조 해석 방법을 활용하는 지진 공학의 강력한 도구이다. 이 기술은 비교적 최근에 공식적인 개념으로 개발되었다.
일반적으로 내진 구조 해석은 구조 동역학 방법에 기반한다.[10] 수십 년 동안, 내진 해석의 가장 두드러진 도구는 오늘날의 건물 설계 개념에 기여한 지진 응답 스펙트럼 방법이었다.[11]
그러나 이러한 방법은 선형 탄성 시스템에만 적합하며, 손상(즉, 비선형성)이 나타날 때 구조적 거동을 모델링하는 데 큰 어려움이 있다. 수치적 ''단계별 적분''은 지반 운동 여기의 과도 과정에서 상당한 비선형성을 가진 다자유도 구조 시스템에 대한 더 효과적인 해석 방법으로 입증되었다.[12] 유한 요소법은 비선형 지반 구조 상호 작용 컴퓨터 모델을 분석하는 가장 일반적인 접근 방식 중 하나이다.
기본적으로 수치 해석은 건물의 내진 성능을 평가하기 위해 수행된다. 성능 평가는 일반적으로 비선형 정적 푸시 오버 해석 또는 비선형 시간이력 해석을 사용하여 수행된다. 이러한 분석에서는 보, 기둥, 보-기둥 접합부, 전단벽 등과 같은 구조 부재의 정확한 비선형 모델링을 달성하는 것이 필수적이다. 따라서 실험 결과는 개별 부재, 특히 상당한 비선형 변형을 겪는 부재의 모델링 매개변수를 결정하는 데 중요한 역할을 한다. 개별 부재는 구조물의 전체 비선형 모델을 만들기 위해 조립된다. 이렇게 생성된 모델은 건물의 성능을 평가하기 위해 분석된다.
구조 해석 소프트웨어의 기능은 위 과정에서 주요 고려 사항이며, 가능한 부재 모델, 사용 가능한 해석 방법, 그리고 가장 중요한 것은 수치적 강건성을 제한한다. 후자는 비선형 범위로 진입하여 전역적 또는 국부적 붕괴에 접근하는 구조에 대해 주요 고려 사항이 된다. 수치적 해가 점점 불안정해지고 도달하기 어려워지기 때문이다. CSI-SAP2000 및 CSI-PERFORM-3D, MTR/SASSI, Scia Engineer-ECtools, ABAQUS, Ansys와 같은 여러 상용 유한 요소 해석 소프트웨어가 있으며, 이들 모두 건물의 내진 성능 평가에 사용될 수 있다. 또한, OpenSees, MOOSE 프레임워크를 기반으로 하는 MASTODON, RUAUMOKO 및 이전의 DRAIN-2D/3D와 같은 연구 기반 유한 요소 해석 플랫폼이 있으며, 이 중 일부는 현재 오픈 소스이다.
5. 지진공학 연구
지진공학 연구는 지진과 관련된 사실을 발견하고 과학적으로 설명하기 위한 현장 조사, 분석 및 실험을 포함한다. 또한, 새로운 발견에 따라 기존 개념을 수정하고 개발된 이론을 실제로 적용하는 것을 의미한다.
미국 국립 과학 재단(NSF)은 지진공학 분야의 기초 연구와 교육을 지원하는 미국의 주요 정부 기관이다. NSF는 특히 구조 시스템의 설계 및 성능 향상을 위한 실험적, 분석적, 계산적 연구에 중점을 두고 있다.
지진공학연구소(EERI)는 미국과 전 세계에서 지진공학 연구 관련 정보를 전파하는 데 앞장서고 있다.
전 세계 지진공학 연구 관련 진동대 목록은 세계 지진공학 시뮬레이션을 위한 실험 시설에서 확인할 수 있다.[13] 그중 가장 유명한 것은 현재 일본에 있는 E-Defense 진동대이다.[14]
5. 1. 주요 연구 프로그램 (미국 중심)
미국 국립 과학 재단(NSF)은 지진공학의 모든 분야에서 기초 연구와 교육을 지원하는 미국의 주요 정부 기관이다. 특히 구조 시스템의 설계 및 성능 향상에 대한 실험적, 분석적 및 계산적 연구에 중점을 둔다.
지진공학연구소(EERI)는 미국과 전 세계에서 지진공학 연구 관련 정보를 전파하는 선두 주자이다.
NSF는 조지 E. 브라운 주니어 지진 공학 시뮬레이션 네트워크(NEES)도 지원한다. NEES는 국가의 토목 기반 시설의 지진 및 쓰나미 피해 감소와 새로운 실험적 시뮬레이션 기술 및 장비에 대한 지식 발견 및 혁신을 발전시킨다.[16]
NEES 네트워크는 지반 공학 원심 분리 연구, 진동대 테스트, 대규모 구조 테스트, 쓰나미 파도 수조 실험 및 현장 연구 등 여러 유형의 실험 작업을 지원하는 14개의 지리적으로 분산된 공동 사용 실험실을 갖추고 있다.[16][17] 참여 대학은 다음과 같다.[16]
| 참여 대학 |
|---|
| 코넬 대학교 |
| 리하이 대학교 |
| 오리건 주립 대학교 |
| 렌슬러 폴리테크닉 대학교 |
| 버팔로 대학교, 뉴욕 주립 대학교 |
| 캘리포니아 대학교 버클리 |
| 캘리포니아 대학교 데이비스 |
| 캘리포니아 대학교 로스앤젤레스 |
| 캘리포니아 대학교 샌디에이고 |
| 캘리포니아 대학교 산타바바라 |
| 일리노이 대학교 어배너-샴페인 |
| 미네소타 대학교 |
| 네바다 대학교 리노 |
| 텍사스 대학교 오스틴 |
장비 사이트(실험실)와 중앙 데이터 저장소는 NEEShub 웹사이트를 통해 전 세계 지진 공학 커뮤니티에 연결된다. NEES 웹사이트는 퍼듀 대학교에서 nanoHUB를 위해 개발한 HUBzero 소프트웨어로 구동되며, 이는 과학 커뮤니티가 리소스를 공유하고 협업하는 데 도움이 되도록 특별히 설계되었다.
이러한 리소스는 공동으로 민간 및 기계 인프라 시스템의 지진 설계 및 성능을 개선하기 위한 협업 및 발견 수단을 제공한다.
6. 지진 진동 제어
지진파가 상부 구조물에 들어간 후, 파괴적인 영향을 완화하고 건물의 지진 성능을 향상시키기 위해 다음과 같은 방법들이 사용된다.
- 댐퍼를 적절히 설계하여 상부 구조물 내부의 파동 에너지를 소산시킨다.
- 파동 에너지를 더 넓은 범위의 주파수로 분산시킨다.
- 질량 댐퍼를 사용하여 전체 파동 주파수 대역의 공진 부분을 흡수한다.[22]
튜닝된 (''수동'') TMD, ''능동'' AMD, ''하이브리드 질량 댐퍼'' HMD로 약칭되는 질량 댐퍼는 지난 25년 동안 주로 일본의 고층 건물에서 연구 및 설치되었다.[23]
면진은 지진 에너지 흐름을 상부 구조물로 부분적으로 억제하는 또 다른 접근 방식이다. 이를 위해 흔들리는 지반 위에 놓인 하부 구조물로부터 상부 구조물을 실질적으로 분리해야 하는 건물 기저부의 모든 주요 하중 지지 요소 내 또는 아래에 패드를 삽입한다. 면진의 원리를 사용하여 지진을 방지한 최초의 증거는 기원전 6세기 고대 페르시아(현재 이란)의 도시인 파사르가데에서 발견되었다.
6. 1. 주요 제어 기술
지진 진동 제어는 건물과 비건축물 구조물에서 지진의 영향을 줄이기 위한 여러 기술적 수단을 말한다. 모든 지진 진동 제어 장치는 ''수동'', ''능동'', ''하이브리드''로 나눌 수 있으며, 다음과 같다.- ''수동 제어 장치''는 장치, 구조 요소, 지면 사이에 피드백 기능이 없다.
- ''능동 제어 장치''는 지진 입력 처리 장비와 구조물 내 액추에이터와 통합된 지면의 실시간 기록 계측기를 포함한다.
- ''하이브리드 제어 장치''는 능동 및 수동 제어 시스템의 기능을 결합했다.[21]
지면의 지진파가 위로 올라와 건물의 기초를 관통하기 시작하면 반사로 인해 에너지 흐름 밀도가 급격히 감소하며, 대개 최대 90%까지 감소한다. 그러나 주요 지진 동안 입사파의 나머지 부분은 여전히 엄청난 파괴력을 지닌다.
지진파가 상부 구조물에 들어간 후, 파괴적인 영향을 완화하고 건물의 지진 성능을 향상시키기 위해 여러 가지 방법으로 제어할 수 있다. 예를 들어:
- 적절하게 설계된 댐퍼를 사용하여 상부 구조물 내부의 파동 에너지를 소산시킨다.
- 파동 에너지를 더 넓은 범위의 주파수로 분산시킨다.
- ''질량 댐퍼''를 사용하여 전체 파동 주파수 대역의 공진 부분을 흡수한다.[22]
튜닝된 (''수동'') TMD, ''능동'' AMD, ''하이브리드 질량 댐퍼'' HMD로 약칭되는 이 마지막 종류의 장치는 지난 25년 동안 주로 일본의 고층 건물에서 연구 및 설치되었다.[23]
그러나 지진 에너지 흐름을 상부 구조물로 부분적으로 억제하는, 지진 또는 면진이라고 알려진 또 다른 접근 방식이 있다. 이를 위해 흔들리는 지반 위에 놓인 하부 구조물로부터 상부 구조물을 실질적으로 분리해야 하는 건물 기저부의 모든 주요 하중 지지 요소 내 또는 아래에 패드를 삽입한다. 면진의 원리를 사용하여 지진을 방지한 최초의 증거는 고대 페르시아(현재 이란)의 도시인 파사르가데에서 발견되었으며, 기원전 6세기로 거슬러 올라간다.
'''히스테리시스 감쇠기'''는 지진 입력 에너지 소산을 증가시켜 기존 구조물보다 더 우수하고 신뢰할 수 있는 내진 성능을 제공하기 위한 것이다.[26] 이러한 목적에 사용되는 히스테리시스 감쇠기는 크게 다섯 가지 종류로 나눌 수 있다.
- '''유체 점성 감쇠기 (FVDs)'''
점성 감쇠기는 보조 감쇠 시스템으로서의 이점을 가지고 있다. 타원형 히스테리시스 루프를 가지며, 감쇠는 속도에 의존한다. 약간의 유지 보수가 필요할 수 있지만, 일반적으로 지진 후 점성 감쇠기를 교체할 필요는 없다. 다른 감쇠 기술보다 비싸지만 지진 및 풍하중 모두에 사용할 수 있으며 가장 일반적으로 사용되는 히스테리시스 감쇠기이다.[27]
- '''마찰 감쇠기 (FDs)'''
마찰 감쇠기는 선형 및 회전형의 두 가지 주요 유형으로 제공되며 열을 통해 에너지를 소산한다. 이 감쇠기는 쿨롱 감쇠의 원리로 작동한다. 설계에 따라 마찰 감쇠기는 스틱-슬립 현상과 콜드 웰딩을 경험할 수 있다. 주요 단점은 마찰 표면이 시간이 지남에 따라 마모될 수 있다는 점이며, 이 때문에 풍하중을 소산하는 데 권장되지 않는다. 내진 적용 분야에서 사용될 때는 마모가 문제가 되지 않으며 유지 보수가 필요하지 않다. 사각형 히스테리시스 루프를 가지며, 건물이 충분히 탄성이 있는 한 지진 후 원래 위치로 다시 돌아가는 경향이 있다.
- '''금속 항복 감쇠기 (MYDs)'''
금속 항복 감쇠기는 이름에서 알 수 있듯이 지진 에너지를 흡수하기 위해 항복한다. 이 유형의 감쇠기는 많은 양의 에너지를 흡수하지만 지진 후 교체해야 하며, 건물이 원래 위치로 돌아가는 것을 방지할 수 있다.
- '''점탄성 감쇠기 (VEDs)'''
점탄성 감쇠기는 풍하중과 지진 하중 모두에 사용할 수 있다는 점에서 유용하지만, 일반적으로 작은 변위에 제한된다. 일부 브랜드가 미국 건물에서 사용이 금지되면서 이 기술의 신뢰성에 대한 우려가 있다.
- '''보행 진자 감쇠기 (스윙)'''
6. 2. 주요 면진 기술
지진 진동 제어는 건축물과 비건축물 구조물에서 지진의 영향을 완화하기 위한 여러 기술적 수단을 포함한다. 지진 진동 제어 장치는 크게 ''수동'', ''능동'', ''하이브리드''로 나눌 수 있다.- '''수동 제어 장치'''는 장치, 구조 요소, 지면 사이에 피드백 기능이 없다.
- '''능동 제어 장치'''는 지진 입력 처리 장비, 구조 내 액추에이터와 통합된 지면의 실시간 기록 계측기를 포함한다.
- '''하이브리드 제어 장치'''는 능동 및 수동 제어 시스템의 기능을 결합한다.[21]
지면의 지진파가 건물의 기초를 통과할 때 반사로 인해 에너지 흐름 밀도가 최대 90%까지 감소한다. 그러나 주요 지진 시 입사파의 나머지는 여전히 큰 파괴력을 가진다.
상부 구조물에 들어온 지진파의 파괴적 영향을 완화하고 건물의 지진 성능을 향상시키기 위해 여러 방법이 사용된다.
- 적절히 설계된 댐퍼를 사용하여 상부 구조물 내부의 파동 에너지를 소산시킨다.
- 파동 에너지를 더 넓은 주파수 범위로 분산시킨다.
- 질량 댐퍼를 사용하여 전체 파동 주파수 대역의 공진 부분을 흡수한다.[22]
튜닝된 (''수동'') TMD, ''능동'' AMD, ''하이브리드 질량 댐퍼'' HMD는 지난 25년간 주로 일본 고층 건물에서 연구 및 설치되었다.[23]
지진 에너지 흐름을 상부 구조물로 부분적으로 억제하는 면진 기술도 사용된다. 이는 흔들리는 지반 위에 놓인 하부 구조물로부터 상부 구조물을 분리하기 위해 건물 기저부의 주요 하중 지지 요소 내 또는 아래에 패드를 삽입하는 방식이다.
면진의 원리를 사용한 최초의 지진 방지 증거는 기원전 6세기 고대 페르시아(현재 이란)의 도시 파사르가데에서 발견되었다.
베이스 격리(Base isolation)는 지진의 운동 에너지가 건물 내의 탄성 에너지로 전달되는 것을 방지한다. 구조물을 지면으로부터 격리시켜 독립적으로 움직이게 하는 기술이다.
- '''납 고무 지지대(Lead rubber bearing, LRB)'''
납 고무 지지대(LRB)는 무거운 감쇠를 사용하는 베이스 격리의 한 유형이다. 뉴질랜드인 빌 로빈슨이 발명했다.[28]
무거운 감쇠 메커니즘은 진동을 억제하여 건물의 내진 성능을 향상시킨다. 그러나 낮은 지지대 강성과 높은 감쇠를 갖는 베이스 격리 구조물에서는 강한 지진에서 "감쇠력"이 주요 추진력이 될 수 있다. 뉴질랜드 국립 박물관 테 파파 통가레와(Te Papa Tongarewa)와 국회의사당에는 납 댐퍼, 납 및 고무 지지대가 설치되어 있다. 이들은 활성 단층 위에 위치한 웰링턴에 있다.[28]
- '''스프링-댐퍼 베이스 격리 장치'''
1994년 노스리지 지진 전에 촬영된 사진에는 캘리포니아주 산타 모니카 3층 타운하우스 아래 설치된 스프링-댐퍼 베이스 격리 장치가 보인다. ''납 고무 지지대''와 유사한 베이스 격리 장치이다.
노스리지 지진 동안 심한 흔들림을 견딘 3층 타운하우스 두 채 중 한 채는 바닥과 지면에서 수직 및 수평 가속도를 기록했으며, 추가 연구를 위한 정보를 남겼다.
- '''단순 롤러 베어링'''
단순 롤러 베어링은 강력한 지진의 잠재적 피해를 줄이기 위한 베이스 격리 장치이다.
이 금속 지지대는 고층 건물과 연약 지반 건물에 지진 격리 장치로 적용될 수 있다. 최근 일본 도쿄의 주택 단지(17층)에 ''금속 롤러 베어링''으로 사용되었다.[30]
- '''마찰 진자 지지대(Friction pendulum bearing, FPB)'''
마찰 진자 지지대(FPB)는 '''마찰 진자 시스템'''(friction pendulum system, FPS)의 또 다른 이름이다. 다음 세 가지를 기반으로 한다.[31]
- 관절식 마찰 슬라이더
- 구형 오목 슬라이딩 표면
- 측면 변위 억제를 위한 둘러싸는 실린더
7. 내진 설계
지진 설계는 지진 발생 시 구조물을 설계하거나 내진 보강하기 위한 승인된 엔지니어링 절차, 원칙 및 기준을 기반으로 한다.[18] 이러한 기준은 지진 공학 구조물에 대한 현재의 지식을 반영한다.[32] 그러나 지진 관련 규정을 정확히 준수하더라도 건물이 붕괴되거나 심각한 손상을 입지 않도록 보장하지는 않는다.[33]
잘못된 지진 설계의 결과는 막대할 수 있다. 지진 설계는 물리 법칙이나 다양한 형태와 재료의 지진 성능에 대한 경험적 지식을 바탕으로 시행착오를 거쳐 발전해 왔다.
엔지니어는 토목 공학 프로젝트에 대한 지진 설계, 지진 분석 또는 지진 평가를 수행하기 위해 일반적으로 "지진 원리" 시험에 합격해야 한다.[34] 캘리포니아주의 시험 내용은 다음과 같다.
- 지진 데이터 및 지진 설계 기준
- 엔지니어링 시스템의 지진 특성
- 지진력
- 지진 분석 절차
- 지진 디테일링 및 시공 품질 관리
복잡한 구조 시스템을 구축할 때,[35] 지진 설계는 비지진 설계 프로젝트와 마찬가지로 비교적 적은 수의 기본적인 구조 요소를 사용한다.
일반적으로 건축 법규에 따르면 구조물은 해당 위치에서 발생할 가능성이 있는 특정 확률의 가장 큰 지진을 견딜 수 있도록 설계된다. 이는 건물의 붕괴를 방지하여 인명 피해를 최소화해야 함을 의미한다. 지진 설계는 구조물의 가능한 파괴 모드를 이해하고, 해당 모드가 발생하지 않도록 적절한 강도, 강성, 연성, 및 형상[36]을 제공하여 수행된다.
7. 1. 내진 설계 요구 사항
'''지진 성능'''은 특정 지진 발생 시, 그리고 그 이후에 구조물이 안전 및 사용성과 같은 주요 기능을 유지하는 능력을 의미한다. 구조물이 부분적으로 또는 완전히 붕괴되어 그 안이나 주변에 있는 사람들의 생명과 안녕을 위협하지 않을 경우 일반적으로 ''안전''하다고 간주된다. 구조물은 설계된 운영 기능을 수행할 수 있는 경우 ''사용 가능''하다고 간주될 수 있다.건축 법규에서 구현된 지진 공학의 기본 개념은 건물이 심각한 손상을 입더라도 전체적으로 붕괴되지 않고 드물게 발생하는 매우 심각한 지진에서도 견딜 수 있어야 한다는 것이다.[7] 반면에, 더 자주 발생하지만 덜 심각한 지진에도 작동 상태를 유지해야 한다.
'''지진 설계'''는 지진 발생에 따른 구조물을 설계하거나 내진 보강하기 위한 승인된 엔지니어링 절차, 원칙 및 기준을 기반으로 한다.[18] 이러한 기준은 지진 공학 구조물에 대한 현대 지식 상태와 일치한다.[32] 따라서, 지진 관련 규정을 정확히 준수하는 건물 설계가 붕괴 또는 심각한 손상에 대한 안전을 보장하지는 않는다.[33]
일반적으로, 건축 법규에 따르면 구조물은 해당 위치에서 발생할 가능성이 있는 특정 확률의 가장 큰 지진을 "견딜" 수 있도록 설계된다. 이는 건물의 붕괴를 방지하여 인명 피해를 최소화해야 함을 의미한다.
지진 설계는 구조물의 가능한 파괴 모드를 이해하고, 해당 모드가 발생하지 않도록 적절한 강도, 강성, 연성, 및 형상[36]을 제공하여 수행된다.
'''지진 설계 요구 사항'''은 구조물의 종류, 프로젝트 위치 및 관련 지진 설계 코드와 기준을 규정하는 당국에 따라 달라진다.[7] 예를 들어, 캘리포니아 교통부의 ''지진 설계 기준''(SDC)은 캘리포니아의 새로운 교량 설계를 목표로 하며[37] 혁신적인 지진 성능 기반 접근 방식을 통합한다.
설계된 구조물 자체 외에도 지진 설계 요구 사항에는 구조물 아래의 ''지반 안정화''가 포함될 수 있다. 때때로 심하게 흔들린 지반이 붕괴되어 그 위에 있는 구조물이 붕괴될 수 있다.[39]
원자력 시설은 지진이나 기타 적대적인 외부 사건 발생 시 안전을 위협해서는 안 된다. 따라서 원자력 시설의 지진 설계는 비원자력 시설에 적용되는 것보다 훨씬 더 엄격한 기준을 기반으로 한다.[41]
7. 2. 파괴 모드
보강재 부족, 부실한 몰탈, 부적절한 지붕과 벽의 연결은 '''비보강 조적 건물'''에 상당한 피해를 초래할 수 있다. 심하게 금이 가거나 기울어진 벽은 가장 흔한 지진 피해 중 하나이다. 벽과 지붕 또는 바닥 다이어프램 사이의 손상, 프레임과 벽 사이의 분리는 지붕 및 바닥 시스템의 수직 지지력을 위협할 수 있다.[42]
'''연약층 효과''': 지면 수준에서 적절한 강성이 부족하여 이 구조물에 피해가 발생했다. 한때 벽돌 베니어로 덮여 있던 거친 판자 사이딩이 스터드 벽에서 완전히 해체되었으며, 큰 문이 관통되지 않은 연속된 벽에 의해 숨겨진 두 면에서 지지되는 위층 바닥의 강성만이 구조물의 완전한 붕괴를 막고 있다.
'''토양 액상화''': 토양이 느슨한 입상 퇴적물로 구성되어 과도한 정수압 간극 수압을 발생시키는 경향이 있고 충분한 크기로 압축되는 경우, 액상화는 불균일한 침강과 구조물의 기울어짐을 초래할 수 있다. 이는 1964년 지진 동안 일본 니가타에서 수천 채의 건물에 심각한 피해를 입혔다.
'''산사태 낙석''': 산사태는 '''낙석'''을 포함한 광범위한 지반 이동을 포함하는 지질 현상이다. 중력의 작용이 산사태 발생의 주요 원동력이지만, 이 경우에는 원래의 사면 안정성에 영향을 미치는 또 다른 기여 요인이 있었다. 산사태는 발생하기 전에 ''지진 유발''이 필요했다.
'''인접 건물과의 충돌''': 로마 프리에타 지진 동안 세인트 조셉 신학교 타워는 독립적으로 진동하는 뒤쪽의 인접 건물과 충돌하여 1명이 사망했다. 충돌 가능성은 두 건물의 측면 변위에 따라 달라지며, 이를 정확하게 추정하고 고려해야 한다.
노스리지 지진에서 Kaiser Permanente 콘크리트 프레임 사무실 건물은 조인트가 완전히 파손되어 '''부적절한 구속 철근'''이 드러났고, 이로 인해 2층이 붕괴되었다. 횡 방향으로, 두 개의 웨이스의 벽돌과 측면 하중을 전달하는 숏크리트 층으로 구성된 복합적인 끝 전단벽은 '''부적절한 관통 연결재'''로 인해 찢어져 파손되었다.
- 구릉지의 부적절한 건설 현장.
- 보강의 부실한 디테일(기둥 및 보-기둥 접합부의 콘크리트 구속 부족, 부적절한 이음 길이).
- 지진에 약한 1층의 연약층.
- 무거운 사하중이 있는 긴 캔틸레버.
1987 휘티어 내로우스 지진 동안 비교적 강성인 주거용 건물 구조물의 '''기초에서 미끄러지는 효과''': 규모 5.9의 지진이 캘리포니아 몬터레이 파크의 Garvey West 아파트 건물을 강타하여 기초 위에서 상부 구조를 동쪽으로 약 약 25.40cm 이동시켰다.
상부 구조가 면진 시스템에 장착되지 않은 경우, 지하실에서의 이동을 방지해야 한다.
노스리지 지진에서 '''불충분한 전단 보강 양식'''으로 인해 철근 콘크리트 기둥이 파열되어 주요 보강재가 바깥쪽으로 좌굴되었다. 데크는 힌지에서 이탈되어 전단 파괴되었다. 그 결과, 10 고속도로의 라 시에네가-베니스 지하차도 구간이 붕괴되었다.
로마 프리에타 지진: 철근 콘크리트 '''지지 기둥 파손'''의 측면도, 이는 캘리포니아 오클랜드의 880 고속도로의 2층 사이프러스 고가도로의 '''상부 데크가 하부 데크로 붕괴'''되는 결과를 초래했다.
로마 프리에타 지진 발생 지역인 산타 크루즈 산맥에서 발생한 '''옹벽 파손''': 오스트리아 댐 북쪽 받침대의 콘크리트 월류로에 최대 12cm 너비의 눈에 띄는 북서 방향 인장 균열이 발생했다.
지반 진동은 모래의 지하층에서 토양 액상화를 유발하여 액상화되지 않은 모래 및 실트의 상부 갑피에서 차등적인 측방 및 수직 이동을 발생시켰다. '''지반 파괴 방식'''인 '''측방 확산'''은 액상화 관련 지진 피해의 주요 원인이다.[43]
2008 쓰촨성 지진 이후 중국 농업 개발 은행의 심하게 손상된 건물: 대부분의 '''보와 교각 기둥이 전단'''되었다. 조적 및 베니어의 큰 대각선 균열은 면내 하중으로 인해 발생하며, 건물의 오른쪽 끝의 갑작스러운 침강은 매립지 때문일 수 있으며, 지진이 없어도 위험할 수 있다.[44]
'''이중 쓰나미 영향''': 해일의 수압 및 침수. 2004년 12월 26일 인도양 지진은 인도네시아 수마트라 서해안에서 진앙이 발생하여 일련의 파괴적인 쓰나미를 유발하여 11개국에서 230,000명 이상이 사망했으며, 최대 30m 높이의 '''거대한 파도로 주변 해안 지역 사회를 침수'''시켰다.[46]
8. 내진 건설
'''지진 건설'''은 건축법을 준수하며 예상되는 지진 발생 시에도 건축물 및 비건축 구조물이 제 기능을 발휘하여 견딜 수 있도록 하는 '''내진 설계'''를 구현하는 것을 의미한다. 설계와 시공은 밀접하게 관련되어 있으며, 훌륭한 시공 품질을 확보하려면 부재와 연결부의 상세 설계가 가능한 한 단순해야 한다. 일반적인 건설과 마찬가지로 지진 건설은 사용 가능한 건설 자재를 사용하여 인프라를 건설, 개조 또는 조립하는 과정이다.[47]
건축물에 대한 지진의 불안정화 작용은 ''직접적''(지반의 지진 운동) 또는 ''간접적''(지진으로 인한 산사태, 액상화 현상, 쓰나미 파도)일 수 있다. 어떤 구조물은 외관상으로는 안정적으로 보일 수 있지만, 지진이 발생하면 위험만 초래할 수도 있다.[48] 중요한 사실은 안전을 위해 내진 건설 기술이 품질 관리 및 올바른 자재 사용만큼 중요하다는 것이다. ''지진 건설 계약자''는 프로젝트 위치의 주/도/국가(지역 규정에 따라)에 등록되어야 하며, 보증 및 보험에 가입해야 한다.
가능한 피해를 최소화하기 위해 건설 과정은 건설 종료 전에 언제든지 지진이 발생할 수 있음을 염두에 두고 조직되어야 한다. 각 건설 프로젝트에는 다양한 구조물의 지진 성능에 대한 기본적인 특징과 건설 관리를 이해하는 자격을 갖춘 전문가 팀이 필요하다.
8. 1. 주요 재료별 내진 건설
페루는 지진이 자주 발생하는 지역이다. 수 세기 동안 찰흙 없는 건축은 모르타르를 사용하는 것보다 내진성이 더 강한 것으로 입증되었다. 잉카 문명 사람들은 돌 블록을 모르타르 없이 꽉 맞게 잘라낸, 연마된 '찰흙 없는 벽'인 애슐러의 대가였다. 잉카는 세계 최고의 석공 중 하나였으며[24] 그들의 석조 건축물의 많은 접합부는 너무 완벽해서 풀잎조차 돌 사이에 들어갈 수 없었다. 잉카인들이 지은 찰흙 없는 벽의 돌들은 벽이 무너지지 않고 약간 움직이고 다시 자리 잡을 수 있었으며, 이는 에너지 소산(쿨롱 감쇠) 원리와 공진 증폭 억제 원리를 모두 사용하는 수동적인 구조 제어 기술이었다.[25]
어도비는 가장 오래되고 널리 사용되는 건축 자재 중 하나이며, 흙벽돌의 일종이다. 어도비는 전통적으로 라틴 아메리카, 아프리카, 인도 아대륙, 아시아, 중동, 남유럽 등 세계의 재해 위험이 높은 지역에서 매우 흔하게 사용된다. 하지만, 어도비 건물은 강진에 매우 취약한 것으로 여겨진다.[50] 그러나 신축 및 기존 어도비 건물의 내진 보강을 위한 여러 가지 방법이 있다.[51] 어도비 건축물의 내진 성능 향상을 위한 주요 요인은 다음과 같다.
석회암과 사암 조적조는 유럽의 많은 중세 교회와 성에 사용되었다. 이들은 오래 지속되는 재료이지만, 그들의 다소 무거운 무게는 적절한 내진 성능에 도움이 되지 않는다. 현대 기술을 내진 보강에 적용하면 비보강 조적조 구조물의 생존성을 향상시킬 수 있다. 예를 들어, 1973년부터 1989년까지 유타주의 솔트레이크 시티 시청사 및 카운티 청사는 외관의 역사적 정확성을 유지하는 데 중점을 두고 철저하게 개조 및 수리되었다. 이는 약한 사암 구조물을 면진 기초에 배치하여 지진 피해로부터 더 잘 보호하는 내진 보강과 함께 수행되었다.
목조 가구식 구조는 수천 년 전으로 거슬러 올라가며, 목재가 풍부하고 건축용 석재와 이를 다루는 기술이 부족했던 고대 일본, 유럽, 중세 잉글랜드와 같은 다양한 시대의 세계 여러 지역에서 사용되었다. 건축물에서 목조 가구식 구조를 사용하면 완전한 골조를 제공하여 적절하게 설계된 경우 목재 프레임이 더 나은 ''지진 생존성''을 제공하므로 구조적 이점을 제공한다.[53]
경량 골조 구조물은 일반적으로 강성 합판 전단벽과 목재 구조 패널 다이어프램을 통해 내진 성능을 확보한다.[54]
'''철근 콘크리트 조적조'''는 강재 철근을 모르타르 이음새에 매립하거나 구멍에 배치하고 콘크리트 또는 그라우트로 채우는 건설 시스템을 말한다.[55] 조적조에서 연성 거동을 달성하려면 벽의 전단 강도가 휨 강도보다 커야 한다.[56] 파괴적인 1933년 롱비치 지진은 조적조가 지진 피해에 취약하다는 것을 보여주었고, 이는 캘리포니아 주법이 캘리포니아 전역에서 조적조 보강을 의무화하도록 이끌었다.
철근 콘크리트는 강철 보강근(철근, rebars) 또는 섬유를 통합하여 다른 방법으로는 취성이 될 수 있는 재료를 강화한 콘크리트이다. 프리스트레스트 콘크리트는 콘크리트의 인장력에 대한 자연적인 약점을 극복하기 위해 사용되는 일종의 철근 콘크리트이다. 프리스트레싱 텐던(일반적으로 고강도 강철 케이블 또는 로드)은 콘크리트 압축 부재가 휨 하중으로 인해 경험할 수 있는 인장 응력을 상쇄하는 압축 응력을 생성하는 클램핑 하중을 제공하는 데 사용된다. 지진에 대한 대응으로 치명적인 붕괴를 방지하기 위해(생명 안전을 위해), 전통적인 철근 콘크리트 프레임은 연성 조인트를 가져야 한다.
프리스트레스 구조는 전체적인 강도, 안정성 및 안전성이 주로 ''프리스트레스''에 의존하는 구조를 의미한다. ''프리스트레스''는 다양한 사용 조건에서 성능을 향상시키기 위해 구조물에 영구적인 응력을 의도적으로 생성하는 것을 의미한다.[57]
다음과 같은 기본 유형의 프리스트레스가 있다.
- 사전 압축(주로 구조물의 자중)
- 프리텐션 고강도 매입 텐던 사용
- 포스트 텐션 고강도 접착 또는 비접착 텐던 사용
오늘날, 프리스트레스 구조의 개념은 건축물, 지하 구조물, TV 타워, 발전소, 부유식 저장 및 해양 시설, 원자로 용기, 그리고 수많은 종류의 교량 시스템 설계에 광범위하게 활용되고 있다.[58] ''프리스트레스''의 유익한 아이디어는 고대 로마 건축가들에게 분명히 익숙했다.
'''강 구조물'''은 주로 내진성이 있는 것으로 간주되지만, 일부 실패 사례가 발생했다. 지진에 안전해 보이던 많은 수의 용접된 강재 모멘트 저항 프레임 건물들이 놀랍게도 취성적인 거동을 보였고, 1994년 노스리지 지진에서 위험하게 손상되었다.[59] 구조용 강재의 하중 저항 계수 설계(LRFD) 기반의 내진 설계를 위해서는 구조물이 탄성 영역에서 지지력을 개발하고 유지하는 능력을 평가하는 것이 매우 중요하다. 이러한 능력의 척도는 연성이며, '재료 자체', '구조 부재', 또는 '전체 구조물'에서 관찰될 수 있다. 노스리지 지진의 경험의 결과로, 미국 강철 협회는 AISC 358 "특수 및 중간 강철 모멘트 프레임용 사전 자격 연결"을 도입했다. AISC 내진 설계 규정은 모든 강재 모멘트 저항 프레임이 AISC 358에 포함된 연결 또는 사전 자격 주기적 테스트를 거친 연결을 사용하도록 요구한다.[61]
9. 지진 피해 예측
지진 피해 추정은 일반적으로 지진 피해 복구 비용과 건물의 총 경제적 가치의 비율인 ''피해율''(DR)로 정의된다.[62] ''최대 예상 손실''(PML)은 지진 피해 추정에 사용되는 일반적인 용어이지만, 정확한 정의는 부족하다. 1999년에는 지진 피해 추정의 명칭을 표준화하고, 검토 과정과 검토자의 자격에 대한 지침을 설정하기 위해 ASTM E2026 '지진 시 건물 손상 가능성 추정을 위한 표준 가이드'가 제작되었다.[63]
지진 피해 추정은 ''지진 위험 평가''라고도 한다. 위험 평가 과정은 일반적으로 다양한 지반 운동의 확률을 해당 지반 운동 하에서 건물의 취약성 또는 피해와 결합하여 결정하는 것을 포함한다. 결과는 건물 대체 가치의 백분율로 정의된다.[64]
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