내진·면진·제진

왜 배우는가: 내진·면진·제진은 지진에 건축물이 어떻게 대응하는지를 구분하는 기본 개념이다. 실무에서는 구조 계획 단계에서 세 방식 중 무엇을 택할지 정해야 하며, 시공 시에도 각 방식의 장치와 공법이 다르다. 기술사 시험에서는 세 개념의 차이를 묻는 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제137회 3교시 3번, 제98회 4교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

내진은 건물을 튼튼하게 버티게 하고, 면진은 지진력을 건물에 덜 전달하게 하며, 제진은 장치로 진동 에너지를 흡수·제어하는 지진 대응 기술이다.

• 핵심 키워드: 내진(耐震), 면진(免震), 제진(制震), 고유주기, 면진받침, 감쇠장치, 댐퍼, 에너지 흡수

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면 세 가지 전략이다. 첫째는 지진이 와도 부서지지 않도록 건물 자체의 강도와 연성을 확보하는 방법이다. 둘째는 건물과 땅 사이를 떼어 지진의 힘이 건물로 덜 들어오게 하는 방법이다. 셋째는 건물 안에 장치를 달아 흔들림의 에너지를 빼앗는 방법이다.

정식 정의는 다음과 같다. 내진은 지진력에 저항하도록 부재의 강도·강성·연성을 확보한 구조를 말한다. 연성은 항복 이후에도 큰 변형에서 안정성을 유지하는 성질이며, 지진동의 운동에너지를 부재의 소성변형이 흡수하게 한다. 내진 설계는 구조물이 가능한 파괴 모드를 이해하고, 그 모드가 일어나지 않도록 적절한 강도, 강성, 연성, 형상을 주는 절차다.

면진은 건축물과 기초(지반) 사이에 면진받침을 두어 건물을 지반으로부터 분리하는 구조다. 면진 장치는 건물의 고유주기를 인위적으로 길게 만들어 지진력이 구조물에 크게 전달되지 않도록 한다. 소방시설 내진설계 기준에서도 면진은 건축물과 설비를 분리해 지진력이 직접 전달되는 양을 줄이는 수동적 지진 제어 기술로 정의한다.

제진은 건물에 감쇠장치(댐퍼)를 설치해 지진 에너지를 흡수하는 구조다. 제진 장치는 금속의 변형, 액체의 점성, 고무 같은 재료의 변형, 마찰력을 이용해 지진 에너지를 열 에너지로 바꾼다. 건물의 흔들림이 줄어들어 손상이 감소한다. 제진은 장치가 건물 내부에 작용하는 방식이므로 수동 제진과 능동 제진으로 나뉜다. 수동 제진은 외부 힘 없이 감쇠기가 공진하며 에너지를 흡수하고, 능동 제진은 센서와 가력장치(액추에이터)로 힘을 가해 진동을 제어한다.

3. 등장 배경과 필요성

과거에는 지진으로 건물이 무너지면 다시 지으면 되었다. 그러나 초고층 건물과 고가의 설비가 늘어나면서 구조체 손상, 기능 유지, 재산 보호가 중요해졌다. 건물이 살아남아 계속 사용되어야 하므로 내진 성능만으로는 부족하다는 인식이 생겼다.

지진이 지반을 흔드는 힘은 땅속 지각변동에서 시작된 지진파가 지표에 전달되며 생긴다. 지진동이 건물 기초에 들어오면 건물은 그 힘을 받아 흔들린다. 이때 건물의 고유주기와 지진동의 주기가 맞으면 공진이 일어나 흔들림이 커진다. 따라서 건물의 주기를 바꾸거나, 힘의 전달을 줄이거나, 에너지를 흡수하는 대책이 필요하다.

내진 구조계획에서는 구조 재료, 건물 형태, 구조 방식을 처음부터 지진에 유리하게 정해야 한다. 단순하고 대칭인 형태, 강도와 강성의 균일한 분포가 바람직하다. 이런 기본 계획이 잘못되면 구조 설계가 완벽해도 큰 피해가 생긴다. 면진과 제진은 이 기본 내진 성능에 더해 피해를 한 단계 더 줄이는 수단으로 등장했다.

내진은 1차 대책, 면진과 제진은 추가 대책 으로 이해하면 세 개념의 관계가 정리된다.

4. 구성요소·원리·절차

내진, 면진, 제진은 지진에너지를 다루는 방식이 다르다. 내진은 구조체의 강도와 연성으로 지진력을 견디고, 면진은 건물과 기초 사이를 분리해 지진력이 상부로 들어오는 양을 줄이며, 제진은 건물 안에 댐퍼를 넣어 진동에너지를 흡수한다. 세 방식의 구성요소를 비교하면 다음과 같다.

표의 값은 구성요소의 역할을 나타낸 것이며, 세 방식은 함께 쓰일 수 있다. 면진은 지진력 감소 효과가 크지만 공간과 비용이 많이 들고, 제진은 면진보다 비용이 적으나 감소 효과가 상대적으로 작다.

내진의 원리는 연성 설계에 있다. 항복 이후에도 안정성을 유지하도록 다음 원칙을 따른다.

• 연성과 강성의 감퇴 없이 큰 에너지 소산 능력을 준다.
• 전단파괴보다 휨파괴가 먼저 일어나도록 한다.
• 접합부는 연결되는 부재보다 강하게 한다.

면진의 원리는 구조물의 고유주기를 인위적으로 길게 만드는 것이다. 지진의 주된 에너지 대역보다 고유주기를 길게 하면 상부구조에 전달되는 가속도와 층전단력이 줄어든다. 면진층의 변위는 커지므로 주변 여유 간격을 확보해야 한다.

제진의 원리는 진동에너지 흡수다. 금속의 항복, 점성 유체의 점성저항, 고무의 변형, 마찰력을 이용해 에너지를 열로 바꾼다. 수동 제진은 감쇠장치가 건물의 1차 고유주기에 맞춰 공진하며 에너지를 흡수하고, 능동 제진은 센서와 가력장치로 실시간 제어한다.

면진 시공 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 지반 조사와 상부구조 해석으로 면진 주기와 변위량을 정한다.
• 기초 상부에 면진받침을 설치할 면진층의 구조를 계획하고 기초 상부를 시공한다.
• 면진받침을 설치하고 수평·수직 위치와 레벨을 확인한다.
• 면진받침 위에 상부 구조를 시공하면서 하중을 점진적으로 이전한다.
• 면진층 주변에 변위 여유 간격을 확보하고 설비 연결부에 신축 이음을 설치한다.
• 준공 후 면진받침의 점검 체계를 수립한다.

제진 시공 절차는 다음과 같다.

• 구조해석으로 필요한 감쇠량과 댐퍼 위치를 정한다.
• 댐퍼를 설치할 골조 부위의 보강 상세를 시공한다.
• 댐퍼를 설치하고 연결 볼트와 핀의 조임을 검사한다.
• 설치 후 제진 부재의 상태를 점검하고 관리 기록을 남긴다.

5. 관련 법령·기준·표준

소방시설의 내진설계는 「소방시설 설치 및 관리에 관한 법률」 제7조에 따라 소방청장이 정하는 내진설계기준을 따른다. 이 기준은 면진과 제진을 포함하는 상위 개념으로 "내진"을 정의한다. 면진은 건축물과 소방시설을 분리하여 지진력이 직접 전달되는 양을 줄이는 수동적 기술이고, 제진은 별도 장치로 지진력을 흡수하거나 상응하는 힘을 발생시키는 기술이다.

건축 구조의 설계기준은 국토교통부 설계기준 코드 체계를 따르며, 내진 설계는 지진 구역과 구조물 중요도에 따른 설계 지진력 산정이 기본이다. 구체적인 계수와 조항은 현행 기준을 따른다.

관련 기준값을 다음 표로 정리한다.

위 표에서 정량 수치는 지진 구역과 중요도에 따른 설계 지진력 산정으로 결정되며, 면진의 변위 여유와 댐퍼 용량은 해석 결과로 정한다. 법령의 적용 대상은 옥내소화전설비, 스프링클러설비, 물분무 등 소화설비다.

개정 연혁은 다음과 같다. 소방시설의 내진설계 기준은 2017년에 개정된 내용이 있고, 그 이전에는 국민안전처 고시 2015-138호(시행 2016-01-25)가 있었다. 이 두 기준은 대체되었으므로 현행 기준을 확인하여 적용한다.

6. 유형과 비교

내진, 면진, 제진은 지진 에너지를 다루는 방식이 다르다. 내진은 구조체의 강도와 연성으로 견디고, 면진은 건물과 지반을 분리해 입력 자체를 줄이며, 제진은 장치로 에너지를 흡수하거나 상쇄한다. 세 방식의 원리와 적용 범위를 한 표에서 비교한다.