내진 설계 기준 기법 등 총정리

내진 설계는 공학적으로 구조물이 지진에 안전하도록 하는 것을 말합니다. 내진 설계 기법은 내진구조, 면진구조, 제진구조로 나뉘어집니다. 내진 설계에 대해 본문에서 자세히 알아보도록 하겠습니다.

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개요

지진에 견딜 수 있도록 공학적으로 구조물의 내구성을 확보하는 설계입니다.

지진은 산사태·쓰나미·화재·단층 활동과 같은 2차 효과로 인해 파괴와 인명 피해를 가져오기도 하지만 생명과 재산에 미치는 가장 큰 피해는 지반이 심하게 흔들리는 동안 지상과 지하에 있는 건물이 붕괴하는 것입니다.

따라서 지진에 의한 파괴를 감소시키는 가장 효과적인 방법은 공학적 견지에서 강한 지반 운동에 견딜 수 있는 건물을 설계하고 건축하는 것입니다.

그러나 경제적 현실성 때문에 건축 구조는 모든 지진의 전체 충격을 방지할 수 있도록 설계되지 못하고 일상적 지진의 충격을 최소화하도록 설계되고 있습니다.

내진 설계 기법

내진구조

좌우진동에 건축물이 대응할 수 있도록 건축물 내부의 가로축을 튼튼하게 하는 구조. 원자력 발전소에 이용될 만큼 튼튼하지만 건물의 무게가 증가하여 고층건물에는 적용하기 어렵습니다.

면진구조

지진으로 땅이 흔들릴 때, 건축물을 유연하게 하여 지진 진동에 파괴되지 않도록 하는 구조. 건물이나 교량 최하층에 적층고무를 넣어 진동에 대한 완충을 가능하도록 합니다.

제진구조

건물과 기둥 사이에 지진의 크기를 줄여주는 특수 장치를 넣는 구조물인 댐퍼를 넣어 충격을 줄이는 방식입니다. 기존 건축물의 구조나 형식에 관계 없이 설계가 가능합니다.

기준과 관련 법령

내진 설계의 기준은 건축물, 교량, 댐, 터널, 상수도 등 구조물의 형상과 목적에 따라 다릅니다.

내진 설계에 대한 법령은 <건축법 시행령> 제16조로1988년 최초로 도입되어, 6층이상 혹은 연면적 100,000m2이상, 바닥면적 10,000m2 이상인 판매시설, 5,000m2 이상인 관람집회시설, 1,000m2 이상인 종합병원, 발전소, 공공업무시설에 적용하도록 되어 있었습니다.

1992년부터는 적용 법률이 <건축법 시행령> 제32조로 개정되었습니다.

2000년에는 동적해석법을 추가했고, 2005년 개정에서는 비선형해석법/내진설계 특별고려사항을 추가했으며, 3층 이상 건축물 연면적 1,000 m2 이상으로 확대했습니다.

2009년 개정에서는 상세 지진재해도, 내진설계범주 설정에 따른 상세한 구조형식 분류를 포함했고, 2016년 개정에서는 성능설계법, 건물외구조물의 내진설계 , 면진구조물의 내진설계를 추가했습니다.

3층 이상 건축물, 연면적 500 m2 이상으로 적용 대상을 확대했고, 2018년 개정에서는 층수가 2층((목구조 건축물)의 경우에는 3층)이상인 건축물, 연면적이 200m2(목구조 건축물의 경우 연면적 500 m2)이상으로 적용 대상을 확대했습니다.

건축물

지진하중의 경우 지반운동에 따른 관성력으로 건물이 수평 혹은 수직 방향의 비정형이거나 비구조 요소의 예기치 못한 작용이 일어납니다.

이 작용에 의해 특정 층이나 특정 구조부재에 하중이 집중될 수 있습니다. 따라서 모든 내진설계대상 구조물과 그 구성부재는 일정 강도 및 연성을 확보할 수 있도록 설계와 시공이 이루어져야 합니다.

내진설계는 예상되는 모든 지진에 대해 피해를 입지 않도록 설계하는 것은 아니며 이에 따라 건축물에서는 다음의 세가지 항목을 목표로 합니다.

1. 작은규모 지진 : 구조부재 및 비구조부재는 손상 받지 않아야 합니다.
2. 중간규모 지진 : 비구조부재의 손상 허용, 구조부재는 손상 받지 않아야 합니다.
3. 대규모 지진 : 구조부재와 비구조부재의 손상 허용, 구조물 붕괴로 인한 인명손상은 발생하지 않아야 합니다.

교량

교량에 대한 아래의 내진 설계 기준은 고속철도, 철도, 도로교에 공통적으로 적용됩니다.

1. 인명피해를 최소화 합니다.
2. 지진시 시설물부재들의 부분적인 피해는 허용하나 전체적으로 붕괴는 방지합니다.
3. 지진시 가능한 한 시설물의 기본 기능은 발휘할 수 있게 합니다.
4. 시설물의 정상수명 기간 내에 설계지진력이 발생할 가능성이 매우 적습니다.
5. 설계기준은 남한 전역에 적용될 수 있습니다.
6. 본 설계기준을 따르지 않더라도 창의력을 발휘하여 보다 발전된 설계를 할 경우에는 이를 인정합니다.

댐

1. 댐에 상당한 변형과 부분적 손상이 발생하는 것은 허용할 수 있으나 지진시 또는 지진경과후에도 댐의 저수기능은 유지되어야 하며 통제 불가능한 저수량의 유출상태는 있어서는 안됩니다.
2. 어느 경우에도 댐이 붕괴되지 않도록 댐체의 활동이나 전도의 방지를 위한 충분한 안전율의 확보
3. 댐의 정상수명 기간내에 설계지진력이 발생할 가능성은 희박합니다.
4. 이 기준에 따르지 않더라도 창의력을 발휘하여 보다 발전된 설계를 할 경우에는 이를 인정합니다.

터널

터널에 대한 내진 설계 기준은 고속철도, 철도, 도로, 도시철도, 터널, 콘크리트 구조에 따라 약간 차이가 있으나 대체로 다음의 공통적인 기준을 택하고 있습니다.

굴착하여 시공하는 터널에 대해서는 내진설계를 적용하지 않는 것을 원칙으로 하고 예외적인 경우(갱구부, 편토압 발생구간, 지내력 감소구간, 지질학적 불연속 구간)에 대해서 내진설계를 수행할 수 있도록 규정하고 있습니다.

그리고 선로방향의 변형, 소성힌지, 누수 등 각 구조부재의 소요성능을 확보하고 내진설계시 주의사항으로 콘크리트 라이닝, 기둥, 갱구부 비탈면, 신축이음부 등의 각호를 따르도록 규정하고 있습니다.

상수도

상수도 시설기준의 목적은 상수도시설 내진성능 기준의 목적을 달성하기 위한 최소 요건을 규정하는데 있으며, 상수도시스템을 구성하는 개개 시설의 중요도에 따라 시설의 손상으로 초래 될 수 있는 영향 범위를 고려하여 내진등급을 분류 합니다.

지진시 토압은 지상구조물, 송배수관로, 암거, 공동구 등의 횡단면 설계와 안정계산을 실시하고, 배수탑, 저수탑 및 옹벽 등 부속구조물의 안정계산에 적용합니다.

물에 접하는 구조물은 지진시 동수압과 수면동요의 영향을 필요에 따라 고려 할 수 있도록 합니다.

일본의 사례

일본은 건물의 구조와 규모에 따라 1차 설계와 2차 설계로 나누어 실시합니다. 1차 설계는 중규모의 지진인 진도 5에도 피해가 없도록 하는 수준이며, 2차 설계는 진도 6~7의 경우 건물에 피해는 있으나 붕괴되지는 않는 수준을 기준으로 합니다.

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