설계지진파 선정

왜 배우는가: 설계지진파 선정은 시간이력해석 결과가 입력 지진의 특성에 크게 좌우되므로, 실무에서 해석 결과의 신뢰성을 확보하는 핵심 절차다. 기술사 시험에서도 1교시 용어 문제와 4교시 논술 문제로 반복해 출제되어 개념을 정확히 정리해 둘 필요가 있다.

출제 이력: 제130회 4교시 2번, 제125회 1교시 2번, 제118회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

설계지진파는 시간이력해석의 입력으로 쓰는 지반운동 시간이력으로, 설계지반운동 수준과 부지 특성을 반영해 선정하는 지진 기록이다.

핵심 키워드

• 설계지진파(Design Earthquake Record): 시간이력해석에 입력하는 지반가속도 시간이력
• 시간이력해석(Time History Analysis): 지반운동 시간이력을 입력해 구조물의 시간에 따른 응답을 계산하는 동적해석
• 설계응답스펙트럼(Design Response Spectrum): 선정 지진파의 스펙트럼 특성을 비교하는 기준 스펙트럼
• 부지 특성(Site Characteristics): 지반분류와 지반 증폭에 따른 지진파의 변화
• 지진 규모·거리(Magnitude and Distance): 지진파 선정 시 고려하는 발생 조건
• 스케일링(Scaling): 선정한 지진파의 진폭을 설계 수준에 맞게 조정하는 과정
• 지반응답해석(Site Response Analysis): 기반암 지진파를 지표면 지진파로 변환하는 해석

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 시간이력해석은 실제 지진이 흔드는 것을 시간 순서대로 구조물에 넣어 보는 해석이다. 그때 넣는 흔들림 기록이 설계지진파다.

정식 정의는 다음과 같다. 설계지진파는 설계지반운동(Design Ground Motion) 수준과 해당 부지의 지반 조건을 만족하도록 선정하거나 인공적으로 생성한 지반가속도 시간이력이다. 시간이력해석은 이 지진파를 구조 모델의 밑면에 입력하여 매 시간 간격마다 변위·부재력을 구하는 방법이다.

핵심 용어를 풀이하면 다음과 같다.

• 설계지반운동은 구조물 설계에 적용하는 지진 수준이며, 기준에서 지역·재현주기·지반 조건에 따라 정한다.
• 지반증폭은 연약한 토사층을 지나면서 지진파의 진폭과 주기 특성이 바뀌는 현상이다.
• 위상 특성은 지진파의 시간 순서와 지속시간 등 파형의 구조를 말한다. 스펙트럼이 같아도 위상이 다르면 응답이 달라진다.

3. 등장 배경과 필요성

등가정적해석이나 응답스펙트럼법은 구조물의 최대응답만 구하므로 응답의 시간적 변화를 알 수 없다. 고층건물, 불규칙한 구조, 면진·제진 구조처럼 비선형 거동이나 장주기 특성이 큰 구조에서는 이 한계가 커진다.

이 때문에 지진의 시간 특성을 직접 입력하는 시간이력해석이 필요해졌다. 그러나 입력 지진파가 부적절하면 해석 결과 전체가 왜곡되므로, 지진파를 체계적으로 선정하는 절차가 함께 요구되었다.

또한 한 개의 지진파로는 불확실성을 대표할 수 없으므로, 여러 지진파를 사용해 응답의 평균과 변동을 확인하는 방식이 일반화되었다. 이는 설계의 안전성과 합리성을 동시에 확보하기 위한 배경이다.

4. 구성요소·원리·절차

설계지진파 선정은 시간이력해석의 입력을 정하는 절차다. 입력 지진파는 설계응답스펙트럼과 맞춰 보정한 지반운동 기록이어야 한다. 선정 결과가 구조물 응답을 좌우하므로 구성요소와 순서를 함께 알아야 한다.

지진파 선정의 구성요소는 다음과 같다.

표의 값은 원리를 보이기 위한 구분이다.

원리는 입력파의 주파수 특성이 구조물의 고유주기 근처 응답을 대표하도록 맞추는 것이다. 한 개의 지진기록으로는 구조물 주기 범위의 응답을 충분히 재현하기 어렵다. 따라서 여러 기록을 목표 스펙트럼에 맞춰 보정하고, 평균 응답이 목표 스펙트럼 이상이 되도록 검토한다.

절차는 다음 순서로 진행한다.

• 부지의 지반분류와 설계지반운동 수준을 정한다.
• 목표 설계응답스펙트럼을 구한다.
• 부지 특성에 맞는 실제 지진기록을 후보로 모은다.
• 각 기록의 응답스펙트럼을 구하고 목표 스펙트럼과 비교한다.
• 진폭을 보정하거나 주기 범위를 맞춰 선택한다.
• 선택한 지진파로 시간이력해석을 수행하고 응답 평균을 검토한다.

선정 기준은 목표 스펙트럼 대비 평균 응답으로 판정한다. 개별 기록의 편차보다 여러 기록의 평균이 중요하다.

필요한 공식은 다음과 같다.

$S_{a,avg}(T)=\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}S_{a,i}(T)$

여기서 S_{a,i}(T)는 i번째 지진파의 고유주기 T에서 가속도 응답스펙트럼 값(m/s²), n은 지진파 개수다. 이 평균이 목표 응답스펙트럼을 주기 범위 안에서 만족해야 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

설계지진파 선정은 KDS 41 17 00과 KBC2016의 설계지반운동 규정을 따른다. 기초 내진 설계기준(KDS 11 50 25)은 기초 구조물에서 동적해석을 할 때 응답스펙트럼법과 응답이력 해석법을 쓸 수 있다고 규정한다. 또 기초와 지반의 상호작용을 고려하고, 현장시험과 실내시험으로 구한 지반 특성치를 적용하도록 한다.

기초 내진 설계기준은 설계지반운동 수준과 지진구역계수, 위험도계수, 지반분류, 표준설계응답스펙트럼을 KDS 17 10 00의 해당 조항에 따르도록 한다. 따라서 이 절의 기준값은 KDS 17 10 00의 값을 근거로 한다.

표의 수치는 기준 원문의 표 번호를 따른다. 지진구역계수의 구체 값은 KDS 17 10 00 표를 확인해 적용한다.

개정 연혁으로 기초 내진 설계기준의 현행 원문은 KDS 17 10 00을 참조하는 구조다. 이 참조 구조 때문에 설계지진파의 세부 기준은 KDS 17 10 00 개정에 따라 바뀐다.

6. 유형과 비교

설계지진파는 출처에 따라 세 가지로 나뉜다. 시간이력해석에 쓰는 입력은 실제 기록을 쓰는지, 인공으로 만드는지에 따라 결과의 신뢰성과 준비 부담이 달라진다. 실무에서는 세 가지를 섞어 쓰는 경우가 많다.