댐 내진설계

왜 배우는가: 댐은 지진 시 붕괴되면 하류 인명과 재산에 막대한 피해를 주므로 내진설계가 필수적이다. 필댐과 콘크리트댐은 지진 거동 방식이 달라 설계거동한계와 정역학적 내진설계 기준을 구분해 알아야 하며, 기술사 시험에서는 기준 체계와 거동한계 개념을 묻는 문제로 반복 출제된다.

출제 이력: 제126회 3교시 1번, 제125회 2교시 4번, 제114회 3교시 5번, 제90회 2교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

댐 내진설계는 지진력을 받는 댐 구조물이 설계지진에 대해 정해진 거동한계 안에서 안전을 유지하도록 지진하중과 설계기준을 정하는 설계 과정이다.

댐 내진설계는 설계지진에 대해 댐이 허용 거동한계 안에서 안전을 유지하도록 하중과 기준을 정하는 설계이다.

• 내진설계
• 설계거동한계
• 정역학적 내진설계
• 설계진도
• 댐 형식
• 기능수행수준
• 붕괴방지수준

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 지진이 와도 댐이 물을 막는 기능을 잃지 않고, 무너지지 않도록 미리 계산해 두는 일이다. 댐은 지진이 나면 제체 자체의 흔들림, 저수지 물의 동수압, 기초 지반의 변형이 동시에 작용하므로 일반 구조물보다 검토 항목이 많다.

정식으로는 설계거동한계를 성능수준별로 정하고, 그 한계 안에 들도록 정역학적 내진설계(등가정적 방법)나 동적해석으로 응답을 검토하는 설계이다. 기준은 KDS 54 17 00 댐 내진설계 체계에 따른다.

핵심 용어는 다음과 같다.

• 설계거동한계: 지진 시 댐 각 부재가 허용하는 변형·응력 상태의 범위다. 탄성 거동, 소성 변형 허용, 취성파괴 방지 등으로 구분한다.
• 정역학적 내진설계: 지진 관성력을 정적 등가하중으로 바꾸어 정적 설계법으로 안정성을 검토하는 방법이다.
• 설계진도: 지역과 지반에 따라 정한 설계지반운동의 세기로, 등가정적하중 산정의 입력값이 된다.

기초 내진 설계기준(KDS 11 50 25)은 기능수행수준에서 얕은기초·깊은기초의 기초 구조물과 상부 구조물을 탄성 거동 범위로 두고, 주변 지반의 소성 거동만 허용한다. 붕괴방지수준에서는 기초 구조물과 상부 구조물에 취성파괴나 좌굴이 생기지 않아야 하며, 과다한 지반 변형과 액상화로 인한 중대한 결함도 막아야 한다. 댐 내진설계도 이 성능 개념을 따르되, 제체 형식별로 허용 범위를 달리 정한다.

기능수행수준·붕괴방지수준 두 성능 기준을 설계 기본 틀로 삼는다.

3. 등장 배경과 필요성

국내에서는 지진 빈도와 규모에 대한 인식이 높아지면서 댐을 포함한 주요 시설물의 내진 기준을 체계화해 왔다. 「지진·화산재해대책법」 제14조는 재해 우려가 있는 시설에 내진설계기준을 정하도록 규정하며, 다목적댐이 명시적으로 포함되며, 그 밖의 댐은 대통령령으로 정하는 시설에 해당할 때 대상이 된다. 이에 따라 댐도 법정 내진설계 대상이 되었다.

댐은 일반 구조물과 달리 파괴 시 하류 피해 규모가 커서 안전 여유를 더 크게 잡아야 한다. 또한 필댐은 흙과 돌로 쌓은 제체가 지진 시 침하와 활동을 일으킬 수 있고, 콘크리트댐은 균열과 인장응력이 문제가 된다. 형식마다 파괴 메커니즘이 달라 하나의 기준으로 묶기 어려워, 형식별 설계거동한계를 정할 필요가 생겼다.

국제적으로도 지진 피해가 잇따르면서 댐의 내진 성능을 확률적·성능기반으로 평가하는 흐름이 강해졌다. 학술 연구는 콘크리트 중력댐의 지진 손상 예측에서 비선형 해석과 불확실성 처리가 여전히 어려운 과제라고 지적한다. 이런 배경 때문에 설계 기준은 정역학적 방법과 동적해석을 함께 쓰는 방향으로 발전해 왔다.