지진격리설계

왜 배우는가: 지진격리는 구조물 지진응답을 줄이는 대표 내진 기법이며, 설계기준에서 적용 범위와 제외 조건, 일반 내진설계와의 응답계수 차이를 묻는 문항이 반복되어 출제된다. 개념 정의와 원리를 정확히 알아야 세 문항에 공통으로 답할 수 있다.

출제 이력: 제125회 1교시 1번, 제104회 1교시 10번, 제95회 3교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

지진격리설계는 상부구조와 기초(지반)를 수평방향으로 분리하고, 격리장치로 구조물의 고유주기를 길게 하여 지진력을 낮추는 내진설계법이다.

지진격리는 구조물을 지반 운동으로부터 분리하여 지진 입력을 줄이는 설계 개념이다.

핵심 키워드

• 지진격리(Seismic Isolation)
• 격리장치(Isolation Device)
• 고유주기 장주기화
• 감쇠(Damping)
• 복원력(Restoring Force)
• 탄성지진응답계수
• 한계상태설계법

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 건물을 땅 위에 단단히 고정하지 않고 말랑한 받침 위에 올려 흔들림이 위로 잘 전달되지 않게 하는 방법이다. 지진의 주요 주기와 구조물 고유주기를 떨어뜨려 공진을 피하는 것이 핵심이다.

정식 정의는 다음과 같다. 지진격리는 수평 강성이 작고 변형능력이 큰 격리장치를 기초와 상부구조 사이에 설치하여, 구조물의 고유주기를 길게 만들고 감쇠를 부여함으로써 지진에 의한 가속도와 층 전단력을 줄이는 내진설계 방법이다.

핵심 용어는 다음과 같다. 격리장치는 수평방향 유연성과 복원력을 함께 제공하는 받침 요소다. 장주기화는 고유주기를 지진의 우세 주기 영역에서 멀리 떨어뜨리는 것이다. 감쇠는 진동 에너지를 소산시켜 과도한 변위를 억제하는 성질이다. 세 요소가 함께 작동해야 격리 효과가 나온다.

격리 설계의 고유주기는 설계 조건에 따라 달라진다.

3. 등장 배경과 필요성

기존 내진설계는 구조부재의 강도와 연성으로 지진력을 버티는 방식이다. 강도를 높이면 지진력이 커지고 부재 손상과 비용이 함께 늘어나는 한계가 있다. 이 문제를 풀기 위해 지진력의 입력 자체를 줄이는 면진(격리) 개념이 발전했다.

격리는 고가 중요 구조물, 병원, 교량처럼 지진 후 기능 유지가 필요한 시설에서 특히 필요하다. 지진 피해를 최소화하고 구조물 손상을 억제하는 성능목표를 달성하는 수단이 된다. 교량에서는 받침과 교각의 지진력을 함께 줄이기 위해 격리받침을 적용한다.

국내 교량 내진설계는 한계상태설계법 체계인 교량 내진설계기준(한계상태설계법)(KDS 24 17 11)을 따른다. 지진격리 적용 여부와 해석 방법은 이 기준의 조건을 따른다.

4. 구성요소·원리·절차

지진격리(Seismic Isolation)는 구조물과 기초 사이에 지진격리받침을 두어 수평 강성을 낮추고 고유주기를 길게 만드는 방식이다. 구성요소는 격리받침, 감쇠장치, 구조 연결부로 나뉜다. 근거 문헌은 격리장치가 수평 유연성을 높이고 상부구조로 전달되는 힘을 제한한다고 설명한다. 격리 장치는 격리 유닛(decoupling 효과를 내는 기본 요소)과 격리 구성요소(연결부로 자체 decoupling 효과는 없음)로 나뉜다.

각 구성요소는 설계 목적을 함께 충족해야 한다. 격리받침은 상부구조 자중을 지지하면서 수평 변형을 허용하고, 감쇠장치는 격리층 변위를 허용 범위 안으로 묶는다. 격리 효과가 있으려면 격리층의 수평 강성이 상부구조보다 충분히 작아야 한다는 것이 기본 원리다.

격리층 변위 증가로 고유주기를 길게 만들어 지반 가속도 입력을 줄인다

원리는 다음 세 가지 조건으로 정리된다. 첫째, 고유주기를 길게 하여 응답스펙트럼의 가속도 크기를 낮춘다. 둘째, 감쇠를 부여하여 격리층 변위를 제어한다. 셋째, 복원력을 확보하여 지진 후 잔류변위를 줄인다.

설계 절차는 다음과 같다.

• 상부구조 중량과 격리받침 배치를 정하고 격리층 강성을 설정한다.
• 격리층 고유주기와 유효감쇠비를 가정한다.
• 설계지진에 대한 격리층 설계변위를 구한다.
• 격리받침 용량과 감쇠 성능을 검토한다.
• 상부구조 응답을 구하고 탄성지진응답계수를 적용한다.
• 격리층 변위 제한과 잔류변위를 확인하고 설계를 반복한다.

공식은 격리층 유효강성과 고유주기 관계로 정리한다. 유효강성 K_{eff}(kN/m), 유효질량 M(t), 고유주기 T(s)에 대해 T = 2\pi\sqrt{M/K_{eff}} 이다. 같은 질량에서 강성을 낮추면 주기가 길어진다. 격리설계에서 설계변위 D_D(m)는 설계지진 가속도와 유효감쇠비에 따른 감쇠보정계수를 써서 구한다. 감쇠보정계수는 감쇠가 커질수록 작아진다. 정확한 계수 값과 식은 해당 기준에서 확인해야 하므로 본 절에서는 원리 수준으로만 쓴다.

5. 관련 법령·기준·표준

지진격리설계의 기준 체계는 교량 내진설계기준(한계상태설계법)(KDS 24 17 11)이다. 이 기준은 지진격리설계를 적용하는 조건과 적용하지 않아도 되는 조건을 명시한다. 항목으로 둔다.

지진격리받침과 탄성지진응답계수는 이 기준에서 다루는 핵심 용어다. 기준 개정 연도는 근거 머리말에 2022-03-03 로 나타나며, 최근 개정 내용은 근거가 없어 쓰지 않는다.

기준서 원문에서 값을 옮기기 전에는 확정 수치로 쓰지 않는다.

6. 유형과 비교

지진격리는 격리장치의 종류와 설계 원리에 따라 나뉜다. 내진설계, 제진(부가감쇠), 면진(지진격리)은 목적과 에너지 처리 방식이 다르므로 함께 비교해야 한다. 격리장치는 탄성받침(elastomeric bearing), 납플러그 적층고무받침(LRB), 마찰진자받침(FPS), 미끄럼받침(sliding bearing) 등으로 나뉜다.