내진설계

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1. 개요
2. 내진 설계의 목표 및 중요도
3. 내진 설계 기법 (일본 도로교 시방서 기준)
4. 내진 설계의 동향 및 기술
5. 지진 건축
6. 역사
참조

1. 개요

내진 설계는 지진 피해를 줄이거나 방지하기 위한 건축물 등의 설계를 의미하며, 건물의 사용 기간 동안 발생할 수 있는 지진에 대해 인명 피해를 최소화하는 것을 목표로 한다. 내진 설계는 중규모 지진에 대해서는 큰 손상을 방지하고, 대지진에 대해서는 붕괴를 막는 것을 목표로 하며, 원자력 발전소와 같은 중요 건물에는 더 높은 수준의 설계 기준이 적용된다. 내진 설계는 교량의 중요도에 따라 내진 성능을 확보하는 것을 목표로 하며, 진도법과 지진 시 보유 수평 내력법 등의 설계 방법을 사용한다. 최근에는 프리캐스트 콘크리트, 강판 전단벽 시스템, 진동 제어 솔루션 등 다양한 기술이 내진 설계에 활용되고 있으며, 지진 건축이라는 용어는 지진 저항성을 건축적으로 표현하거나 지진 설계가 건축에 미치는 영향을 설명하는 데 사용된다.

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내진설계
개요
유형	구조 공학
목적	지진으로부터 건축물을 보호
관련 요소	구조 지진 공학 건축 토목 공학
상세 정보
설명	내진 구조는 지진의 영향을 견딜 수 있도록 설계된 구조물이다.
목표	인명 안전 확보 건물 손상 최소화 기능 유지 (필수 시설)
설계 고려 사항	지반 조건 예상되는 지진 강도 건물의 중요도 경제성
설계 방법	내진 설계 (Earthquake Resistant Design) 제진 설계 (Seismic Isolation Design) 면진 설계 (Base Isolation Design)
내진 설계	지진에 저항하는 능력을 갖도록 구조물을 설계하는 것
제진 설계	구조물에 감쇠 장치를 추가하여 지진 에너지를 흡수하는 것
면진 설계	구조물과 지반 사이에 면진 장치를 설치하여 지진력을 차단하는 것
주요 기술	내진 벽 내진 프레임 제진 장치 (댐퍼) 면진 장치 (아이솔레이터)
적용	건물 교량 댐 원자력 발전소 기타 중요 시설
중요성	지진 발생 시 인명과 재산을 보호하고 사회 기능을 유지하는 데 필수적임.
추가 정보
모형 실험
수직 구성 제어

2. 내진 설계의 목표 및 중요도

지진이 발생하면 건축물은 지진의 강도와 구조에 따라 큰 피해를 입을 수 있다. 이러한 지진 피해를 줄이거나 방지하기 위한 건축물 등의 설계를 '''내진 설계'''(earthquake-resistant design)라고 한다. 일반적으로 건축물이 큰 피해를 입을 가능성이 있는 지진의 강도는 가속도로 100 gal (cm/s²) 이상이라고 한다.^[22]

건축 구조물의 내진 설계는 일반적으로 건물의 사용 기간 동안 여러 차례 발생할 수 있는 중규모 지진에 대해서는 큰 손상이 없도록 하고, 건물의 사용 기간 동안 한 번 발생할 가능성이 낮은 대지진에 대해서는 거주자의 생명을 보호(붕괴 방지)하는 것을 목표로 한다. 즉, 대지진 발생 시 붕괴되지 않는 수준의 손상은 허용하되, 손상을 입더라도 안정성을 유지하도록 설계하는 것이 중요하다. 따라서 교량 등 토목 구조물에서 보이는 외다리 기둥 구조는 기둥 하부가 손상될 경우 즉시 불안정해질 수 있으므로 건축에서는 잘 사용되지 않는다.

지진 강도에 따른 구체적인 설계 목표는 다음과 같다.

지진 규모	가속도 (gal)	설계 목표 (1차/2차 설계)
중지진	80~100	다소 균열이 발생하더라도 사용상 지장이 없도록 설계 (1차 설계)
대지진	300~400	인명의 안전 확보를 위해 붕괴, 전도를 방지하도록 설계 (2차 설계)

다만, 원자력 발전소와 같이 극히 중요한 건물에는 일반 구조물보다 더 높은 수준의 설계 목표가 적용된다.

도로교 시방서 V 내진설계편에 따르면, 교량의 내진설계는 중요도에 따라 요구되는 내진 성능 확보를 목표로 한다. 교량의 중요도는 도로의 종류나 교량의 기능 및 구조에 따라 표준 중요도 교량과 매우 중요한 교량으로 나뉜다.

표준 중요도 교량: 사용 기간 중 발생 확률이 높은 지진동에 대해서는 건전성을 유지하고, 발생 확률은 낮지만 강도가 큰 지진에 대해서는 치명적인 피해를 방지하는 것을 목표로 한다.
매우 중요한 교량: 사용 기간 중 발생 확률이 높은 지진동에 대해서는 건전성을 유지하고, 발생 확률은 낮지만 강도가 큰 지진에 대해서는 손상을 제한적인 수준으로 억제하는 것을 목표로 한다.

여기서 '발생 확률은 낮지만 강도가 큰 지진동'이란, 판 경계형 대규모 지진(타입 I 지진동)과 내륙 직하형 지진(타입 II 지진동) 두 가지 유형을 고려한 것이다.

3. 내진 설계 기법 (일본 도로교 시방서 기준)

일본 도로교 시방서 V 내진설계편에 따른 교량 내진설계는 교량의 중요도에 따라 필요한 내진 성능 확보를 목표로 한다. 교량의 중요도는 도로 종별이나 교량의 기능·구조에 따라 '표준적인 교량'과 '특히 중요도가 높은 교량' 두 가지로 구분된다.

표준 중요도 교량과 특히 중요도가 높은 교량은 각각 다른 내진 성능 목표를 가진다. 특히 중요도가 높은 교량의 경우, 발생 확률은 낮지만 강도가 큰 지진동(판 경계형 대규모 지진을 상정한 타입 I 지진동, 내륙 직하형 지진을 상정한 타입 II 지진동)까지 고려하여 설계 목표를 설정한다.

구체적인 내진설계는 원칙적으로 "진도법"과 "지진 시 보유 수평 내력법"이라는 두 가지 설계법을 사용한다. 진도법은 발생 확률이 높은 지진동에, 지진 시 보유 수평 내력법은 발생 확률은 낮지만 강도가 큰 지진동에 대응하기 위한 설계 방법이다.

지진 시 거동이 복잡한 교량에 대해서는 동적 해석을 수행하고 그 결과를 설계에 반영한다. 내진 설계 시에는 지형·지질·지반 조건, 입지 조건 등을 고려하여 내진성이 높은 구조 형식을 선정하는 것이 중요하며, 개별 구조 요소뿐만 아니라 지승부나 낙교 방지 시스템을 포함하여 교량 전체 시스템의 내진성을 확보하도록 고려한다.

3. 1. 표준 중요도 교량

도로교 시방서 V 내진설계편에 따르면, 교량의 내진설계는 그 중요도에 따라 필요한 내진 성능을 확보하는 것을 목표로 한다. 교량의 중요도는 도로 종별이나 교량의 기능 및 구조에 따라 '표준 중요도 교량'과 '특히 중요도가 높은 교량' 두 가지로 나뉜다.^[1]

중요도가 표준적인 교량은 내진설계 시 다음과 같은 목표를 가진다.^[1]

교량 사용 기간 중 발생 확률이 높은 지진동에 대해서는 교량의 건전성을 해치지 않는다.
교량 사용 기간 중 발생 확률은 낮지만 강도가 큰 지진에 대해서는 치명적인 피해를 방지한다.

3. 2. 특히 중요도가 높은 교량

도로교 시방서 V 내진설계편에 따르면, 교량의 중요도는 도로 종별이나 기능·구조에 따라 '표준적인 교량'과 '특히 중요도가 높은 교량'으로 나뉜다.

특히 중요도가 높은 교량은 교량 사용 기간 중 발생 확률이 높은 지진동에 대해서는 건전성을 해치지 않아야 하며, 발생 확률은 낮지만 강도가 큰 지진에 대해서는 피해를 제한된 손상 수준으로 막는 것을 목표로 한다. 이는 '표준적인 교량'이 동일한 상황에서 치명적인 피해 방지를 목표로 하는 것과 차이가 있다.

여기서 언급하는 '발생 확률은 낮지만 강도가 큰 지진동'이란, 판 경계형 대규모 지진을 가정한 타입 I 지진동과 내륙 직하형 지진을 가정한 타입 II 지진동 두 종류를 고려한 것이다.

구체적인 내진설계는 원칙적으로 "진도법"과 "지진 시 보유 수평 내력법"이라는 두 가지 설계법에 따라 이루어진다.

진도법: 교량 사용 기간 중 발생 확률이 높은 지진동에 대비하기 위한 설계법이다. 허용 응력, 허용 지지력, 허용 변위, 안전율 등을 기준으로 내진 설계를 수행한다.
지진 시 보유 수평 내력법: 발생 확률은 낮지만 강도가 큰 지진에 대비하기 위한 설계법이다. 지진 발생 시 교량이 버틸 수 있는 수평 내력, 허용 소성률, 잔류 변위 등을 기준으로 내진 설계를 수행한다.

지진 발생 시 거동이 복잡할 것으로 예상되는 교량에 대해서는 동적 해석을 수행하고 그 결과를 설계에 반영한다. 내진 설계 시에는 지형, 지질, 지반 조건, 입지 조건 등을 종합적으로 고려하여 내진 성능이 높은 구조 형식을 선정해야 한다. 또한, 개별 상하부 구조 설계뿐만 아니라 지승부(받침부), 낙교 방지 시스템 등을 포함하여 교량 전체가 충분한 내진성을 갖도록 세심하게 고려해야 한다.

3. 3. 설계 방법

건축 구조물의 내진 설계는 일반적으로 건물의 사용 기간 동안 발생 가능성이 있는 지진 강도에 따라 다른 목표를 가진다.

지진 강도별 설계 목표
지진 규모	목표 가속도	설계 단계	설계 목표	비고
중지진	80~100 gal	1차 설계	사용상 지장 없음	다소의 균열이 발생하더라도 사용에 지장이 없도록 설계한다.
대지진	300~400 gal	2차 설계	인명 안전 확보	붕괴나 전도를 일으키지 않아 거주자의 생명을 보호하는 것을 목표로 한다. 즉, 붕괴되지 않는 정도의 손상은 허용하며, 손상을 입더라도 안정성을 잃지 않도록 하는 것이 요구된다.^[22]

이러한 목표 때문에 교량 등 토목 구조물에서 보이는 외다리 기둥과 같은 구조는 기둥 뿌리 손상 시 즉시 불안정해질 수 있어 건축에서는 잘 사용되지 않는다.

원자력 발전소와 같이 극히 중요한 건물은 일반 구조물보다 더 높은 수준의 설계 목표가 적용된다.

교량의 경우, 도로교 시방서 V 내진설계편에 따라 중요도별로 다른 내진 성능 목표를 가진다. 교량의 중요도는 도로 종별이나 교량의 기능·구조에 따라 '표준적인 교량'과 '특히 중요도가 높은 교량'으로 나뉜다.

중요도가 표준적인 교량: 발생 확률이 높은 지진동에는 건전성을 유지하고, 발생 확률은 낮지만 강도가 큰 지진에는 치명적인 피해를 방지하는 것을 목표로 한다.
특히 중요도가 높은 교량: 발생 확률이 높은 지진동에는 건전성을 유지하고, 발생 확률은 낮지만 강도가 큰 지진에는 제한된 손상만 입도록 하는 것을 목표로 한다. 이때 고려되는 강한 지진동은 판 경계형 대규모 지진(타입 I 지진동)과 내륙 직하형 지진(타입 II 지진동) 두 종류이다.

구체적인 내진설계는 원칙적으로 다음 두 가지 설계법에 의해 이루어진다.

진도법: 발생 확률이 높은 지진동을 대상으로 하며, 허용 응력, 허용 지지력, 허용 변위, 안전율 등을 기준으로 설계를 수행한다.
지진 시 보유 수평 내력법: 발생 확률은 낮지만 강도가 큰 지진을 대상으로 하며, 지진 시 보유 수평 내력, 허용 소성률, 잔류 변위 등을 기준으로 설계를 수행한다.

지진 시의 거동이 복잡한 교량의 경우, 동적 해석을 수행하여 그 결과를 설계에 반영한다. 내진 설계 시에는 지형, 지질, 지반 조건, 입지 조건 등을 고려하여 내진성이 높은 구조 형식을 선정해야 한다. 또한, 개별 상하부 구조뿐만 아니라 지승부나 낙교 방지 시스템을 포함하여 교량 전체가 충분한 내진성을 갖도록 종합적으로 고려해야 한다.

4. 내진 설계의 동향 및 기술

지진공학 구조 분야에서는 지진 피해를 줄이기 위한 다양한 새로운 기술과 연구 동향이 나타나고 있다. 여기서는 대표적인 최신 내진 설계 기술 및 관련 프로젝트 사례들을 소개한다.

4. 1. 건축 재료

뉴질랜드에서 발생한 2011년 크라이스트처치 지진 이후 연구 결과, 현대적인 설계 기준에 맞춰 만들어진 프리캐스트 콘크리트는 지진 발생 시 비교적 안전한 성능을 보였다.^[2] 지진 공학 연구소의 보고에 따르면, 아르메니아 지진 당시 프리캐스트 패널로 지어진 건물이 프리캐스트 프레임 패널 구조보다 더 튼튼했다.^[3]

4. 2. 지진 대피소

일본의 한 건설 회사는 건물 전체를 내진설계하는 것의 대안으로, 약 1.83m 크기의 정육면체 쉘터를 개발했다.^[4]

4. 3. 동시 진동대 시험

두 개 이상의 건물 모델에 대한 동시 진동대 시험은 지진 공학 솔루션을 실험적으로 검증하는 생생하고 설득력 있으며 효과적인 방법이다.

예를 들어, 1981년 일본 건축 기준법 채택 이전에 지어진 두 채의 나무집이 시험을 위해 E-Defense^[5]로 옮겨졌다. 한 집은 내진 성능을 향상시키기 위해 보강되었고, 다른 집은 그렇지 않았다. 이 두 모델은 E-Defense 플랫폼에 설치되어 동시에 시험을 받았다.^[6]

4. 4. 복합 진동 제어 솔루션

내진 보강된 캘리포니아주 글렌데일 시의 시립 서비스 빌딩 접합부 확대 사진

미국 캘리포니아주 글렌데일 시의 시립 서비스 빌딩(Municipal Services Building)은 복합 진동 제어 솔루션을 활용하여 내진 보강된 사례 중 하나이다. 이 건물은 건축가 머릴 W. 베어드(Merrill W. Baird)가 로스앤젤레스의 A. C. 마틴 건축가와 협력하여 설계하였고, 1966년에 완공되었다.^[7] 글렌데일 시의 중심지에 위치하여 도시의 주요 건물로 기능한다.

2004년 10월, 아키텍처럴 리소스 그룹(Architectural Resources Group, ARG)은 구조 기술 회사인 나비 유세프(Nabih Youssef) & 어소시에이츠와 함께 건물의 역사적 가치를 보존하면서 내진 성능을 강화하기 위한 평가 및 보강 설계를 진행했다.

이후 2008년, 글렌데일 시립 서비스 빌딩은 혁신적인 결합 진동 제어 솔루션을 적용하여 내진 보강 공사를 마쳤다. 이 공사에서는 건물의 기존 기초를 면진 기술의 하나인 고감쇠 고무 베어링 위에 설치하는 방식을 사용했다. 이를 통해 지진 발생 시 지면의 진동이 건물로 전달되는 것을 효과적으로 줄일 수 있게 되었다.

4. 5. 강판 벽 시스템

리츠칼튼/JW 메리어트 호텔 건물은 첨단 강판 전단벽 시스템을 사용하고 있다, 로스앤젤레스

강판 전단벽(Steel Plate Shear Wall, SPSW)은 기둥-보 시스템으로 둘러싸인 강철 채움판으로 구성된다. 이러한 채움판이 구조물의 프레임 베이(bay) 내 각 층을 차지할 때 SPSW 시스템을 이룬다.^[8] 대부분의 내진 설계는 기존 시스템을 개선하는 방식으로 발전했지만, SPSW는 지진 활동을 견디기 위해 특별히 고안된 시스템이다.^[9]

SPSW의 작동 원리는 기초에 캔틸레버 방식으로 고정된 수직 판 거더와 유사하다. 판형 거더처럼 SPSW 시스템은 강철 채움 패널이 좌굴(buckling, 구조 부재가 압축력을 받아 옆으로 휘어지는 현상)된 이후의 거동을 활용하여 구조물의 성능을 최적화한다.

로스앤젤레스의 LA 라이브 개발 프로젝트에 포함된 리츠칼튼/JW 메리어트 호텔 건물은 로스앤젤레스에서 처음으로 첨단 강판 전단벽 시스템을 도입한 사례이다. 이 시스템은 강력한 지진과 바람에 의한 측면 하중(lateral load)에 효과적으로 저항하도록 설계되었다.

4. 6. 원자력 발전소 내진 보강

원자력 발전소와 같이 극히 중요한 건물은 일반적인 구조물보다 높은 수준의 내진 설계 목표가 요구된다.^[22] 일반 건축물의 경우, 사용 기간 중 수 차례 발생 가능한 중규모 지진(80~100gal)에는 큰 손상 없이 사용 가능하도록, 그리고 한 번 발생할까 말까 한 대지진(300~400gal)에는 붕괴나 전도 없이 거주자의 안전을 확보하는 것을 목표로 설계된다.^[22] 그러나 원자력 발전소는 이보다 더 엄격한 기준이 적용된다.

실제 사례로, 순 전기 출력 기준 세계 최대 규모인 가시와자키-가리와 원자력 발전소는 모멘트 규모 6.6의 강력한 2007년 주에쓰 해상 지진 진앙 근처에 위치해 있었다.^[10] 이 지진으로 인해 발전소는 구조 점검을 위한 장기간 가동 중단에 들어갔으며, 재가동을 위해서는 더 강력한 내진 보강 설비가 필요하다는 결론에 이르렀다.^[11] 이후 내진 보강 공사를 거쳐 2009년 5월 9일, 7호기가 재가동되었다. 이는 지진 발생 후 약 22개월 만이었다.^[11]

4. 7. 7층 건물 지진 실험

일본에서는 외딴 지역의 7층 목조 콘도미니엄을 대상으로 파괴적인 지진 실험이 수행되었다.^[12] 이 실험은 2009년 7월 14일 생중계되었으며, 목조 건축물을 더 튼튼하게 만들고 주요 지진에 더 잘 견딜 수 있도록 하는 방법에 대한 중요한 정보를 제공했다.^[13]

미키에 위치한 효고 지진 공학 연구 센터에서 진행된 이 진동 실험은 미국 국립 과학 재단(NSF)의 지진 공학 시뮬레이션 네트워크(NEES) 프로그램으로부터 주요 지원을 받는 4개년 NEESWood 프로젝트의 핵심적인 부분이다.

NEESWood 프로젝트의 목표에 대해 텍사스 A&M 대학교 토목 공학과의 로소우스키 교수는 "미국의 활성 지진 구역에서 목조 구조물의 높이를 안전하게 높이고, 저층 목조 구조물의 지진 피해를 줄이는 데 필요한 새로운 내진 설계 철학을 개발하는 것"이라고 설명했다. 이 철학은 목조 건물에 지진 감쇠 시스템을 적용하는 것을 기반으로 한다. 이 시스템은 대부분의 목조 건물 벽 내부에 설치 가능하며, 강력한 금속 프레임, 목조 트러스, 점성 유체로 채워진 동조 질량 댐퍼 등을 포함한다.

4. 8. 슈퍼프레임 내진 구조

슈퍼프레임 내진 구조는 건물의 중심부에 위치한 코어 벽, 최상층에 설치되는 햇 빔(hat beam, 모자 보), 그리고 건물 외곽의 기둥들로 구성된다. 특히 햇 빔의 끝과 외부 기둥 사이에는 수직으로 점성 감쇠기가 설치된다.^[14]^[15]

지진이 발생했을 때, 햇 빔과 외부 기둥은 마치 아웃리거처럼 작동하여 코어 벽에 가해지는 넘어뜨리려는 힘(전도 모멘트)을 줄여준다. 동시에 설치된 점성 감쇠기는 이러한 힘과 함께 건물이 수평으로 흔들리는 변위를 효과적으로 감소시키는 역할을 한다.^[14]^[15]

이 구조 시스템의 혁신적인 점은 각 층 내부의 보와 기둥을 없앨 수 있다는 것이다. 이를 통해 지진 발생 위험이 높은 지역에서도 기둥 없이 넓은 내부 공간을 확보하는 것이 가능하다.^[14]^[15]

5. 지진 건축

'내진 건축' 또는 '지진 건축'이라는 용어는 1985년 로버트 레이더먼(Robert Reitherman^eng)이 처음 소개했다.^[16] "지진 건축"이라는 구절은 지진 저항성의 건축적 표현 정도 또는 지진 저항성에 있어서 건축 구성, 형태 또는 스타일의 함의를 설명하는 데 사용된다. 또한 내진설계 고려 사항이 건축에 영향을 미친 건물을 설명하는 데에도 사용된다. 이는 지진 발생 지역의 구조물 설계에 있어서 새로운 미학적 접근 방식으로 간주될 수 있다.^[17]

6. 역사

1884년 5월 ''사이언티픽 아메리칸''지에 실린 "지진에 견디는 건물"이라는 기사에는 쇼소인과 같은 초기 공학적 노력에 대한 설명이 담겨 있다.^[18]

건축 법규가 개선되기 전에는 지진 발생 시 건물의 가장 튼튼한 부분이자 가장 안전한 장소로 여겨져 문틀을 보강하기도 했다. 하지만 이는 흔한 오해이며, 더 이상 일반적인 조언이 아니다.^[19]^[20]

참조

_[1] 서적 Recommended Lateral Force Requirements and Commentary Structural Engineers Association of California
_[2] 웹사이트 Precast New Zealand Inc: Precast concrete and seismic issues https://web.archive.[...] 2015-05-18
_[3] 웹사이트 Precast concrete panel building damage, comparing the performance of precast frame-panel (collapsed in foreground) and precast panel buildings (standing in background) https://www.eeri.org[...] Earthquake Engineering Research Institute
_[4] 웹사이트 Earthquake shelter with bed support and canopy http://www.freepaten[...]
_[5] 웹사이트 Japan, U.S. To Collaborate on Disaster Prevention Research | All American Patriots: Politics, economy, health, environment, energy and technology https://web.archive.[...] 2009-06-18
_[6] 웹사이트 Shaking Table Test on Conventional Wooden House (1) https://www.youtube.[...] 2007-11-17
_[7] 웹사이트 Planning Division – City of Glendale, CA http://www.ci.glenda[...]
_[8] 논문 Rational Method for Analysis and Design of Steel Plate Walls University of British Columbia, Vancouver, Canada
_[9] 서적 Earthquakes and Engineers: An International History https://web.archive.[...] ASCE Press
_[10] 뉴스 Profits shaken at Tepco https://web.archive.[...] World Nuclear News 2007-07-31
_[11] 뉴스 Quake exposes nuke-plant danger http://www.asahi.com[...] Asahi.com 2007-07-18
_[12] 웹사이트 Rensselaer Polytechnic Institute News & Events https://web.archive.[...] 2007-10-12
_[13] 웹사이트 Home – Standing Strong: 2009 NEESWood Capstone Test https://www.nsf.gov/[...] National Science Foundation
_[14] 서적 A Survey on concepts of design and executing of Superframe RC Earthquake proof Structures
_[15] 웹사이트 Seismic Design of a Super Frame http://www.iitk.ac.i[...] Kajima Corporation 2017-10-27
_[16] 간행물 Ten Principles of Nonstructural Seismic Design https://www.research[...] 1985-08-02
_[17] 서적 Seismic Architecture – The architecture of earthquake resistant structures Msproject
_[18] 서적 Scientific American https://books.google[...] Munn & Company 1884-05-31
_[19] 웹사이트 Earthquake {{!}} Personal Cover/Barriers: Do Not Use a Doorway https://community.fe[...] 2024-07-02
_[20] 뉴스 Don't stand in the door frame: what to do in an earthquake https://www.theguard[...] 2024-07-02
_[21] 문서 主要な構造体そのものの強度や[[靭性]]を向上させるなどがある。
_[22] 문서 なお、マグニチュードは震害に直接関係がない。