내진설계에 대하여

1. 개요 

내진은 건축에서 지진에 견디는 특성을 의미하며, 내진설계는 지진에 건물이 무너지는 것을 막기 위해 지진에 견딜 수 있도록 건축물을 설계하는 것을 말한다.

2. 개요 

많은 사람들이 오해하는 것이 내진설계가 된 상태면 지진 피해가 없거나 규모 6.5 설계면 규모 6.5에서 외장재에 손상이 안 갈 것이라고 생각하나 실제로 내진설계의 기본개념은 지진이 일어났을 때 완전 붕괴를 방지하여 인명 손실을 막는 것으로, 내진설계의 결과물에는 엄청난 기술이 필요한 것이 아니라 띠철근의 간격과 띠철근 폐합의 차이가 있을 뿐이다. 필로티 구조물의 기본원리는 1층에서 부분적인 손상을 유도하여 오히려 상부층의 안전을 도모하는 설계의 개념이다. 면진장치를 사용하는 면진설계와 매우 유사한 개념이다. (내진 성능은 면진설계 > 제진설계 > 내진설계 순서이다.)

실제로 설계지진력이 오면 내진설계가 잘 된 경우 건물은 붕괴 직전의 단계로 유지된다. 또한 내진설계는 규모나 진도로 설계하지 않으며 공학적으로 매우 복잡한 요소를 알아야 하나 일반인들이 이해하기 힘들며, 국내에서 내진설계 전문가(건축구조전문가)는 일부 언론에 의하면 단 1000명도 되지 않는다고 한다.

현대에 들어서는 지어지는 모든 건축물에 적용되다시피 하는 설계 방법이다. 국내에서는 지진이 상대적으로 적고 비용도 절감하기 위해 법 제정 연도인 1988년까지 필수적으로 도입하지 않았으나 1978년 홍성 지진으로 인해 10년동안 관련 논의가 계속되어 오다가 관련 법 제정 이후 거의 필수가 되었다. 다만 아직도 3층 미만의 건물에는 제대로 적용되지 않고 있어 이에 대한 비판도 제기된다.

단, 3층 미만의 건축물의 경우 건축물의 자체 하중이 너무 낮아 설계 단계에서 지진 하중에 의한 영향이 거의 없는 수준으로 떨어진다. 이런 건축물에선 보통 고정하중과 적재하중, 적설하중에 의해 설계가 결정난다. 하지만 국내 지진형태는 고주파가 많아 오히려 저층 피해가 고층빌딩 보다 직접적인 영향을 받아 피해가 클 수 있다.

특히, 저층 건축물은 지진에 대한 추가적인 대비책이 없기 때문에 고층건물에 비해 취약하다. 고층 건축물의 경우 저층 건축물과 같이 기본적인 구조체만으론 지진하중과 풍하중에 대한 저항 성능을 효율적으로 확보하기가 어렵기 때문에 TMD와 같은 횡변위 제어를 적용한다. 이런 추가적인 대처방안과 내진 설계시 건축물 중요도의 차이, 그리고 건축물의 높이로 인한 진동주기가 길어지는 등 여러가지 이유로 인해 저층 건물에 비해 고층 건물이 지진에 대비가 더 잘 되어 있을수 있다.

또한 규모와 진도, 지반가속도는 1:1 대응관계가 아니기에 규모 몇까지 버틴다, 지반가속도 몇에 무조건 무너지고 버틴다는 잘못된 정보이며, 일반건물의 내진설계에서 2등급은 EPA (유효지반가속도) 0.11G (PGA 기준 통계상 0.27G, 통계상 진도 8 , 통계상 규모 6)에서 붕괴방지 (여진에서는 완전붕괴가 충분히 가능하며 대피시간만 확보) 1등급 기준 EPA 0.154G (통계상 PGA 0.3G , 통계상 진도 8과 9 사이 , 통계상 규모 6.3)에서 붕괴방지, 특등급 기준으로는 EPA 0.22G(통계상 PGA 0.54G , 통계상 진도 9, 일반적으로 통계상 규모 6.5~6.7)에서 붕괴를 방지한다.

최근 내진설계 기준이 강화되어, 특등급의 경우 4800년도 재현주기가 적용되 EPA0.3G (통계상 PGA 0.67g, 진도 IX, JMA진도 6강, 통계상 규모 6.9~7.4에서 붕괴방지 / 일본의 일반건축물 기준(대략 0.2g) 보다 더 높음)

건축물을 튼튼하게 짓는 것은 기본 중에 기본이지만, 내진 설계의 경우 견고하게 짓는다보다 안 넘어지게 짓는다가 중요해서 일반적인 설계와는 다르다. 예를 들어 망치는 단단하기 때문에 일정 이상의 충격을 주지 않는 이상 부서져 버리진 않지만, 이 망치를 책상 위에 세워두고 책상을 흔들어도 안 무너지도록 세우는 것은 다르다는 것이다.

이렇듯 지진을 버티기 위한 인간의 대처법 중 가장 효과적인 대처법이 내진설계지만, 이러한 내진설계 또한 단층 위, 진앙 위에 있는 건물의 경우 역시 버티지 못하고 맥없이 무너진다. 하지만 굉장히 적은 사례이지만 반대 사례를 하나 꼽자면 1995년 1월 고베 대지진이 있다.

세계 최고 수준의 내진설계를 자랑하는 일본에서도, 2011년 3월 도호쿠 대지진 당시 멀리 떨어진 오사카에서 JMA 진도 3 (MMI진도 4~5) 정도의 진동에도 불구하고 마천루인 오사카 세계무역센터에 구조 손상이 발생한 적이 있다. 아무리 지진에 대비해 설계 및 시공한다고 해도 구조물에 전해지는 모든 형태의 지진파를 예측하기 어렵기 때문에 최고 수준의 내진설계가 적용되어 있다고 해도 지진에 완전히 안전하다고 장담하기는 어렵다. 또한 건축물의 구조 또는 자재의 특성 및 지질학적 조건에 따라 내진 성능이 달라질 수 있다.

내진 설계는 특별한 구조의 설계라기보다는 지진이 일어났을 시의 자체 하중과 횡압력에 버틸 수 있도록 구조물을 더 튼튼하게 짓는 것이다. 철근 콘크리트 구조의 경우 철근을 더 많이 넣어 하중 강도를 높이거나 기둥 등의 지지 기반을 추가하는 등의 설계방식을 내진 설계라고 부른다. 내진구조 자체는 지진에 견딜 수 있지만 진동이 건물에 그대로 전해지기 때문에 가구가 쓰러지거나 가스관이 파열되는 등의 2차 피해를 막기 위해, 건물의 재사용을 위해 흔들림을 상쇄시키는 건축기술개발이 일본을 중심으로 진행되고 있다. 최근에는 기술이 발전함에 따라 면진이나 제진 같은 지진력을 감쇄시키는 특별한 설계 방식이 늘어나고 관련 특허도 증가하는 편이다.

여담으로, 내진설계가 제대로 적용된 건물은 태풍이나 강풍에도 잘견디게 된다. 태풍 내습시 20층 이상이나 그에 준하는 규모를 가진 아파트나 빌딩의 고층부는 지진이 난듯 흔들리는 현상을 겪을 수 있는데, 이 역시 건물이 무너지거나 타격을 받은 현상이 아닌, 내진설계로 인해 건축물이 바람에 유연하게 대처하는 현상이다. 다만 민감한 사람에게는 불편함,불안감을 끼쳐 부실공사가 아닌가 하는 의문이 생기겠지만, 위 글을 읽어도 알겠지만 지진이나 태풍 등을 견디는 설계는 딱딱하게 고정하는것보다 유연하게 흘러가는것이 더욱 안전하다는 것을 잊지말자. 63빌딩의 경우 꼭대기층은 바람으로 인해 최대 40cm까지 좌우로 흔들린다고 한다.

3. 시설물별 내진 기준

시설물의 용도 및 규모별 중요도와 중요도 계수에 따라 지진하중 산정시 시설물별로 적용하는 지진 재현주기가 달라지는데, 중요도가 올라갈수록 재현주기가 늘어난다. 그리고 재현주기가 늘어남에 따라 그에 해당하는 최대 지진값이 커지며, 결국 각 시설물별로 적용하는 최대 지진값에 다라 아래 명기된 시설물별 내진설계기준의 리히터 규모값이 산출되는 것이다.

• 건축물: 1988년 개정, 5.5~6.5 / 2005년 개정 이후, 6.0~7.0
  / 2017년 이후 개정이후 특등급의 경우 : 6.8~7.4 (일본 일반건축물보다 높은 기준)
• 터널: 1985년 개정, 5.7~6.3
• 지중구조물: 2000년 개정, 5.5~6.0
• 지하철: 2005년 개정, 5.7~6.3

4. 내진등급

내진등급은 지역계수 및 중요도계수에 따라 결정된다.