공항시설물 내진성능목표

왜 배우는가: 공항시설물은 지진 뒤에도 운항과 복구 거점 기능을 유지해야 하므로, 지진 규모별 성능 목표와 설계 거동 한계를 먼저 정해 두어야 한다. 지중구조물과 교량은 지진 응답 특성이 달라 목표 설정이 구조 형식마다 다르게 적용되며, 이 점이 기술사 시험에서 반복해 묻는 이유다.

출제 이력: 제127회 1교시 11번, 제126회 1교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

공항시설물 내진성능목표는 지진 규모별로 공항시설물이 유지해야 할 성능 수준과 설계 거동 한계를 정한 요구조건이다.

핵심 키워드는 다음과 같다.

• 내진성능목표
• 기능수행수준
• 붕괴방지수준
• 설계 거동 한계
• 재현주기
• 내진등급
• 지중구조물
• 교량 내진

답안 첫 줄에는 정의 문장을 먼저 쓰고, 이어서 성능 수준의 두 단계와 구조 형식별 적용 차이를 쓴다. 키워드 중 내진등급과 재현주기는 두 문항 모두에서 공통으로 쓰이는 개념이다.

2. 개념 풀이

쉬운 말로 풀면, 지진이 왔을 때 공항의 건물·지중 구조물·교량이 어느 정도까지 손상되어도 되는지 미리 정해 두는 약속이다. 같은 지진이라도 구조물의 중요도와 복구 필요성이 다르므로 목표도 다르게 정한다.

정식 정의는 다음과 같다. 내진성능목표는 설계지진의 크기와 발생 빈도에 따라 구조물이 달성해야 할 성능 수준을 정하고, 그 수준을 만족하기 위해 부재와 구조물 전체가 넘지 말아야 할 설계 거동 한계를 함께 정한 요구조건이다. 성능 수준은 구조물이 기능을 유지하는지, 붕괴를 막는지로 나타낸다. 공항시설물에 적용되는 구체적 기준 문서의 명칭과 조항은 확인이 필요하므로 본 절에서는 일반 개념만 다룬다.

핵심 용어 풀이는 다음과 같다.

• 내진성능목표: 지진 크기별 성능 수준의 집합이다. 구조물 종류, 중요도, 내진등급에 따라 목표가 달라진다.
• 기능수행수준: 발생 빈도가 높고 강도가 낮은 지진에 대해 경미한 손상만 허용하고 정상 운영을 유지하는 수준이다. 공항에서는 활주로와 운항 기능 유지가 핵심이다.
• 붕괴방지수준: 발생 빈도가 낮고 강한 지진에 대해 기능 복구는 어려워도 구조물이 붕괴하지 않는 수준이다.
• 재현주기: 같은 크기의 지진이 평균적으로 다시 발생하는 간격(년)이다. 설계지진의 강도를 정하는 기준이다. 도시철도 구조물의 재현주기는 내진등급에 따라 다르며, 내진Ⅰ등급은 100년과 1,000년이다.
• Performance-Based Earthquake Engineering(PBEE): 성능 기반 내진공학이다. 목표 성능을 먼저 정하고 그 성능을 만족하는지 해석으로 확인하는 방식이다.

해외 자료는 성능목표를 공공 안전만 보는 단계와, 구조물 생존성을 보는 단계로 나눈다. 교량의 경우 생존성 단계가 가장 낮은 보강 수준으로 소개된다.

3. 등장 배경과 필요성

과거 내진 보강은 주로 공중 안전 확보에 맞춰졌고, 경제성과 정책 판단에 따라 공학적 해결 범위가 제한됐다. 붕괴를 막는 것만으로는 지진 뒤 시설을 다시 쓸 수 있는지 설명하기 어렵다. 그래서 성능 기반 설계가 발전하면서 목표를 여러 단계로 나누는 흐름이 생겼다.

공항은 지진 후 활주로, 관제, 여객 처리 기능을 빨리 회복해야 하는 공공 인프라다. 따라서 공중 안전만 보는 목표로는 부족하고, 기능수행수준을 별도 목표로 두어야 한다. 시설의 기능 손실이 항공 운항 전체에 영향을 주므로 복구 기간도 설계 판단에 포함된다.

지중구조물은 주변 지반의 변형을 따라 움직이므로, 부재에 걸리는 힘보다 변위가 응답을 지배하는 경우가 많다. 교량 기준도 힘 기반 평가에서 변위 기반 평가로 옮겨 가는 흐름을 보인다. 이 흐름은 설계 거동 한계를 변위와 연성도로 표현하는 이유가 된다.

내진성능목표는 성능 수준과 설계 거동 한계를 함께 정한 요구조건이다.

따라서 답안에서는 목표 수준을 먼저 정의하고, 그 수준을 판정하는 거동 한계를 이어서 쓰는 순서가 자연스럽다.

4. 구성요소·원리·절차

공항시설물 내진성능목표는 성능수준과 설계지진 수준의 조합으로 정한다. 두 값을 정하면 부재별 거동 한계가 따라 나온다. 구성요소를 표로 정리하면 다음과 같다.

설계지진 수준은 재현주기로 표현한다. 성능수준이 높을수록 허용 거동 한계는 작아진다. 기능수행수준에서는 시설 기능을 해치지 않는 범위의 변형만 허용하고, 붕괴방지수준에서는 부분 손상을 허용하되 전체 붕괴를 막는다.

지중구조물과 교량은 거동 원리가 다르다. 지중구조물은 지반이 변형하면 함께 변형하므로 지반변위와 부재 변형률이 지배한다. 교량은 상부 질량의 관성력이 하부구조로 전달되고, 교각 하단에 소성힌지가 생겨 지진 에너지를 흡수한다. 따라서 교량은 소성힌지의 연성도를 확보하는 것이 핵심이다. 연성도는 다음과 같이 정의한다.

$\mu = \frac{\Delta_u}{\Delta_y}$

여기서 μ는 연성도(무차원), Δu는 극한변위(m), Δy는 항복변위(m)이다. 극한변위가 항복변위보다 클수록 연성도가 커지고 에너지 흡수 능력이 늘어난다. 이 값이 목표 성능수준에서 요구하는 한계를 넘으면 설계를 수정해야 한다.

성능수준과 설계지진 수준의 조합이 내진성능목표를 결정한다

성능목표 설정 절차는 다음 순서로 진행한다.

• 시설의 용도와 중요도로 내진등급을 정한다.
• 설계지진 수준을 재현주기로 정한다.
• 기능수행수준과 붕괴방지수준을 조합해 성능목표를 정한다.
• 목표별 거동 한계(변위, 변형률, 연성도, 취성파괴 방지)를 설정한다.
• 해석으로 요구 변위를 구해 한계와 비교한다. 초과하면 보강 후 다시 검토한다.

흐름도에서 보듯 해석 결과가 한계를 넘으면 거동 한계 설정으로 되돌아가 보강 방안을 다시 검토한다. 이 되먹임 구조가 성능기반 설계의 핵심이다. 지중구조물은 지반변형 한계로, 교량은 연성도 한계로 검토 항목이 달라지지만 절차는 같다.

5. 관련 법령·기준·표준

공항시설 내진 기준은 국토교통부가 정한 공항시설 내진설계기준을 따른다.

지진 발생 시 터널이 붕괴되지 않도록 설계하는 기준이다. 도시철도 값은 지하 개착식 본선과 정거장에 적용한다. 교량 값은 두 성능수준의 거동 한계를 정성적으로 표현한 것이다.

기준의 연혁도 함께 알아 둔다. 도시철도 내진설계기준은 2005년에 처음 제정됐고 2009년에 개정됐다.

붕괴방지수준 취성파괴 불허은 교량과 지중구조물에 공통으로 적용되는 원칙이다. 답안에서는 연성 파괴 유도와 함께 쓰는 것이 바람직하다.

6. 유형과 비교

공항시설물 내진성능목표는 시설 유형과 기능 중요도에 따라 달라진다. 지중구조물과 교량은 지진 응답 특성이 다르므로 거동 한계도 다르게 정한다. 아래 표는 두 시설의 공통 성능 수준과 차이를 정리한다.