내진설계

왜 배우는가: 공항은 지진 시 기능 상실이 항공 수송과 재난 대응 전체에 파급되므로, 비행장시설을 내진 기준에 따라 설계해야 한다. 내진설계는 도로및공항기술사 시험에서 기준 체계와 설계 개념을 묻는 문제로 반복해서 출제되므로 개념을 정확히 정리해 둘 필요가 있다.

출제 이력: 제124회 3교시 5번, 제111회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

내진설계는 지진하중을 구조물 설계에 추가로 고려하여 지진 시 인명 보호와 기능 유지를 확보하는 설계 방법이다.

• 내진설계(Seismic Design)
• 지진하중(Seismic Load)
• 내진성능수준(Seismic Performance Level)
• 내진등급(Seismic Importance Class)
• 응답스펙트럼 해석법(Response Spectrum Analysis)
• 붕괴방지수준(Collapse Prevention Level)
• 공항시설 내진설계기준
• 지진·화산재해대책법

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면 내진설계는 "지진이 와도 시설이 버티고, 버티지 못하더라도 사람이 다치지 않게 짓는 설계"다. 지진은 구조물에 수평 방향의 관성력을 준다. 그래서 중력과 같은 연직하중만 보던 기존 설계에 수평하중인 지진하중을 추가로 반영한다.

정식 정의는 다음과 같다. 내진설계란 지진에 의한 지반운동과 그로 인한 구조물의 동적 응답을 고려하여, 설계 대상 시설이 요구된 내진성능수준을 만족하도록 구조와 부재를 정하는 설계 행위이다. 여기서 지진하중은 구조물의 질량과 강성 등 동적 특성에 따라 생기는 관성력이다.

공항시설의 내진설계는 「지진·화산재해대책법」제14조제1항에 근거한 국토교통부 고시인 공항시설 내진설계기준으로 정해진다. 이 고시는 공항시설물의 설계기준을 정하는 것을 목적으로 한다. 이 고시의 재검토 기한은 2019년 1월 1일 기준으로 매 3년째의 12월 31일까지이며, 그때마다 타당성을 검토하여 개선 조치를 해야 한다.

핵심 용어를 다시 풀면 다음과 같다. 내진성능수준은 지진 후 시설이 어느 정도까지 기능을 유지하는지에 대한 목표 단계이다. 내진등급은 시설의 중요도에 따라 지진 대비 수준을 나누는 등급이다. 일반적인 분류는 내진특등급, 내진I등급, 내진II등급이다. 등급이 높을수록 더 엄격한 설계지진과 성능 목표를 적용한다.

3. 등장 배경과 필요성

지진은 발생 빈도가 낮지만 한 번 발생하면 인명과 재산에 큰 피해를 준다. 과거에는 지진하중을 설계에서 거의 고려하지 않았다. 그래서 대형 지진이 발생하면 구조물이 붕괴하는 사례가 나타났다. 이 교훈이 내진설계 도입의 출발점이다.

공항은 교통 기반이면서 재난 대응의 거점이다. 활주로, 여객터미널, 관제 및 항행안전시설이 지진으로 손상되면 항공 운항이 중단되고 긴급 수송도 어려워진다. 따라서 공항시설은 일반 건축물과 같은 수준보다 높은 기능 유지 목표를 가져야 한다. 이것이 공항시설을 별도 기준으로 관리하는 이유이다.

내진설계의 필요성은 세 가지로 정리할 수 있다. 첫째, 인명을 보호한다. 둘째, 지진 후 기능을 빠르게 회복한다. 셋째, 2차 재해를 막는다. 공항의 경우 셋째 항목으로 연료 누출이나 화재 같은 사고 위험을 줄이는 것도 포함된다.

풍하중과 지진하중의 차이도 함께 알아 두어야 한다. 풍하중은 바람을 받는 면적에 비례하는 정역학적 하중으로 본다. 반면 지진하중은 외벽 면적과 무관하고 질량과 강성, 지반 조건에 따라 달라지는 동역학적 하중이다. 그래서 지진하중은 응답 해석으로 구한다.

재검토 기한: 2019년 1월 1일 기준 매 3년째의 12월 31일

4. 구성요소·원리·절차

내진설계는 설계지진을 정하고, 구조물에 작용하는 지진하중을 구한 뒤, 목표 내진성능수준을 만족하는지 확인하는 절차다. 구성요소는 아래 표와 같다.

표의 구성요소는 앞에서 뒤로 이어진다. 등급이 정해져야 성능수준이 정해지고, 성능수준이 정해져야 설계지진의 크기와 해석법이 정해진다.

지진하중은 관성력이다. 구조물의 질량과 응답가속도의 곱으로 생긴다. 풍하중은 외벽 면적에 비례하는 정역학적 하중으로 보지만, 지진하중은 외벽 면적과 관계없이 각 층의 질량과 강성에 따른 동적 하중이다. 지반 조건에 따라 크기가 크게 달라지므로 내진설계는 지반을 함께 본다.

응답스펙트럼 해석법에서 밑면 전단력은 다음 식으로 구한다.

$V = C_s \cdot W$

여기서 V는 밑면 전단력(kN), C_s는 설계지진 응답계수(무차원), W는 건물의 유효중량(kN)이다. 응답계수 C_s는 구조물의 주기, 지반 조건, 내진등급 계수에 따라 정해진다. 주기가 길수록 C_s가 작아지는 것이 일반적이므로, 고유주기 산정이 설계 결과를 좌우한다.

내진설계의 핵심 원리는 연성 설계다. 큰 지진에서 부재가 소성 변형으로 에너지를 흡수하도록 한다. 전단이나 압축처럼 갑자기 깨지는 파괴보다 휨 항복이 먼저 일어나도록 단면과 철근을 정한다. 콘크리트 부재는 철근을 배근해 인성을 확보한다. 이를 용량설계(capacity design) 개념이라고 하며, 취성 파괴를 막고 변형으로 에너지를 흡수하게 하는 것이 목적이다.

내진설계 절차는 다음과 같다.

• 시설의 내진등급을 중요도에 따라 정한다.
• 부지의 지반 조건과 지진 자료로 재현주기별 설계지진을 정한다.
• 등급에 따라 요구되는 내진성능수준을 정한다.
• 등가정적법, 응답스펙트럼법, 시간이력법 가운데 해석법을 고르고 지진응답을 구한다.
• 지진응답을 자중과 활하중 등 다른 하중과 조합해 부재력을 산정한다.
• 부재의 내력과 변형이 성능 한계 이내인지 검토한다. 넘으면 단면을 보강하고 1~5를 되풀이한다.

절차의 흐름은 아래 도식과 같다. 검증 단계에서 성능이 부족하면 해석 단계로 되돌아간다.

5. 관련 법령·기준·표준

내진설계의 법적 근거는 「지진·화산재해대책법」 제14조다. 이 법에 따라 공항시설물의 설계기준을 고시로 정한 것이 「공항시설 내진설계기준」이다. 고시 제1조는 공항시설물의 설계기준을 정하는 것을 목적으로 밝힌다.

고시 제2조는 내진설계기준을 별지로 둔다. 따라서 공항 시설별 세부 설계값, 즉 설계지진의 크기와 성능목표는 별지에 따른다. 제3조는 재검토기한이다. 국토교통부장관은 「훈령·예규 등의 발령 및 관리에 관한 규정」에 따라 2019년 1월 1일 기준으로 매 3년째 12월 31일까지 타당성을 검토하고 개선 등의 조치를 해야 한다. 즉 고시는 3년 주기로 점검되는 구조다.

공항 고시와 별도로 일반 시설의 공통 틀인 KDS 17 10 00(내진설계 일반)이 있다. 이 기준은 내진등급을 내진특등급, 내진I등급, 내진II등급으로 나누고, 성능수준을 기능수행, 즉시복구, 장기복구/인명보호, 붕괴방지의 네 가지로 분류한다. 시설물의 구체적인 등급 분류 기준은 해당 시설의 내진설계기준에서 정한다. 공항 시설도 같은 원리로 등급과 성능목표를 정한다.

내진등급별 설계지진의 기준값은 다음과 같다.

등급이 높을수록 재현주기가 길어진다. 같은 지진이라도 중요도가 높은 시설은 더 드문 큰 지진에 대비한다는 뜻이다.

성능수준의 정의는 다음과 같다. 기능수행수준은 손상이 경미해 기능이 유지되는 상태다. 즉시복구수준은 손상이 크지 않아 단기간에 원래 기능을 회복하는 상태다. 장기복구/인명보호수준은 큰 손상이 생겨도 장기 복구가 가능하고 인명 손실이 없는 상태다. 붕괴방지수준은 붕괴 없이 탄성 영역을 넘어 연성 거동을 하는 상태다. 궤도시설 기준에서는 철근콘크리트 구조물이 붕괴방지수준에서 파괴에 이르지 않고 연성 거동을 하도록 정한다.