내진설계 대상

왜 배우는가: 내진설계는 가스시설의 안전과 직결되는 설계 개념이며, 시험에서 반복해 출제되는 주제이다. 지진하중이 풍하중과 어떻게 다른지, 그리고 법령이 설계와 시공을 어떻게 연결하는지를 이해해야 답안의 논리를 세울 수 있다.

출제 이력: 제135회 1교시 7번, 제129회 1교시 13번, 제95회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

내진설계는 지진에 의한 수평하중을 설계 단계에서 미리 고려하여 시설의 붕괴와 가스 누출을 막는 설계 방법이다. 이 정의는 답안 첫 줄에 그대로 옮겨 쓸 수 있는 형태이며, 아래 키워드는 이 정의를 구성하는 핵심 용어이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 내진설계(耐震設計): 지진하중을 구조물 설계에 추가로 반영하는 설계 방법이다.
• 지진하중: 구조물의 질량과 강성 같은 동적 특성에 따라 생기는 관성력이다.
• 가스공급시설: 도시가스를 제조하거나 공급하기 위한 시설로서 도시가스사업법이 정의한다.
• 내진설계 대상 설비: 내진설계를 적용하도록 정해진 설비이며, 그 기초설치 공정이 중간검사 대상이다.
• 응답스펙트럼 해석법: 지진 응답을 주기별로 나타내 설계 하중을 구하는 해석 방법이다.
• 면진(免震)과 제진(制震): 지진력의 전달을 줄이거나 지진력을 흡수하는 내진 제어 기술이다.

2. 개념 풀이

내진설계는 그동안 무시하여 온 수평하중의 하나인 지진하중을 구조물 설계 시 추가로 고려하는 것이다. 연직 방향의 자중과 적재하중에 대한 설계는 내진설계를 도입한 뒤에도 종래의 방법을 그대로 적용한다. 따라서 내진설계는 기존 설계 체계를 대체하는 것이 아니라, 수평방향 지진하중에 대한 검토를 더하는 것이다.

원리는 지진하중의 성질에서 출발한다. 풍하중은 바람 방향의 구조물 외형과 외벽면에 비례하는 정역학적 하중으로 볼 수 있다. 반면 지진하중은 외벽면적과 무관하게 구조물 각 층의 질량과 강성 등 동적 특성에 따른 관성력이다. 그러므로 지진하중은 지반 조건에 따라 크게 달라지는 동역학적 하중으로 다루어야 하며, 풍하중과 같은 방식으로 단순 대입하면 안 된다.

해석 방법으로는 등가정적하중법, 단일모드스펙트럼해석법, 다중모드스펙트럼해석법, 시간이력해석법이 있다. 건축 분야의 내진 설계 규준은 현재 응답스펙트럼 해석법을 근간으로 하고 있으나, 설계자의 판단이나 건축주의 요구에 따라 다른 방법을 쓸 수 있다. 가스시설에서는 배관이나 저장설비가 손상되면 누출과 화재·폭발로 이어질 수 있으므로, 이러한 해석을 통해 지진에 대한 안전성을 설계 단계에서 검토하는 의미가 크다.

내진(耐震)은 면진과 제진을 포함하여 지진으로부터 피해를 줄일 수 있는 구조를 뜻하는 포괄적 개념이다. 면진(免震)은 건축물과 설비를 분리하여 지반 진동으로 생긴 지진력이 구조물에 전달되는 양을 줄이는 수동적 방식이다.

제진(制震)은 별도의 장치로 지진력에 상응하는 힘을 구조물 내에서 발생시키거나 지진력을 흡수하여, 구조물이 부담하는 지진력을 줄이는 능동적 방식이다. 면진이 전달되는 양을 줄이는 방식이라면 제진은 힘을 상쇄하거나 흡수하는 방식이라는 점에서 구분된다.

3. 등장 배경과 필요성

과거의 구조 설계는 연직 하중인 자중과 적재하중을 중심으로 이루어졌고, 지진에 의한 수평하중은 충분히 반영되지 않았다. 지진이 발생하면 이러한 설계 공백 때문에 구조물과 설비가 예상과 다르게 피해를 입을 수 있다는 점이 설계의 과제로 떠올랐다. 이에 따라 수평하중을 설계에 명시적으로 넣는 내진설계가 필요해졌다.

2011년 일본에서 발생한 대규모 지진은 많은 인적·물적 피해를 남겼다. 이러한 피해는 지진에 대비한 설계가 선택이 아니라 필수 요소임을 다시 보여 주었다.

가스시설은 배관과 저장설비가 연결된 구조이므로 한 지점이 손상되어도 누출이 넓은 범위로 확대될 수 있다. 가연성 가스가 누출된 뒤 점화되면 화재와 폭발로 이어지므로, 가스시설에서 내진설계의 중요성은 일반 구조물보다 크다. 또한 지진 시 지반이 움직이면 땅속에 묻힌 배관은 지반 변위를 직접 받으므로, 지상 설비와 매설 배관은 지진에 대한 조건이 서로 다르다는 점도 함께 고려해야 한다.