지진공학
지진공학(地震工學, earthquake engineering)은 지진의 피해를 방지・줄이기 위한 과학기술을 종합한 학문이다.
지진공학은 지진을 염두에 두고 건물 , 교량 등의 구조물을 설계하고 분석하는 학제 간 공학 분야이다 . 전반적인 목표는 이러한 구조물을 지진에 더욱 잘 견디도록 만드는 것이다. 지진 엔지니어는 작은 흔들림에도 손상되지 않고 대규모 지진에도 심각한 손상이나 붕괴를 방지할 수 있는 구조물을 건설하는 것을 목표로 한다. 적절하게 설계된 구조물은 반드시 극도로 강하거나 비용이 많이 들 필요는 없다. 그것은 허용 가능한 수준의 손상을 유지하면서 지진 효과를 견딜 수 있도록 적절하게 설계되어야 한다.
목차
정의[편집]
지진공학은 지진 위험을 사회 경제적으로 허용 가능한 수준 으로 제한하여 지진으로부터 사회, 자연 환경 및 인공 환경을 보호하는 것과 관련된 과학 분야이다. 전통적으로 지진 하중을 받는 구조물 및 지반 구조물의 거동에 대한 연구로 좁게 정의되어 왔다. 이는 구조공학, 지반공학, 기계공학, 화학공학, 응용물리학 등의 하위 개념으로 간주된다 . 그러나 최근 지진으로 인해 발생한 막대한 비용으로 인해 더 넓은 토목 분야의 학문을 포괄하도록 범위가 확장되었다. 기계공학, 원자력공학, 그리고 사회과학, 특히 사회학, 정치학, 경제, 금융 분야에 걸쳐 있다.
지진 공학의 주요 목표는 다음과 같다.
- 도시 지역과 토목 기반 시설에 대한 강력한 지진의 잠재적 결과를 예측한다 .
- 지진 노출 시 기대에 부응하고 건축 법규를 준수할 수 있도록 구조물을 설계, 시공 및 유지 관리한다.
지진하중[편집]
지진하중은 지진 발생에 수반하는 지진동에 의해서 생기는 구조물의 응답을 하중 효과로 간주하고, 그것과 등가한 정적인 힘 혹은 지진동에 의한 작용을 말한다.
지진하중이 작용하는 원리는 정지해 있던 물체가 갑자기 움직이게 되면 작용하는 관성의 법칙을 연상하면 쉽게 이해할 수 있다. 갑자기 지진이 발생할 때 관성력에 의해 건물을 미는 힘이 작용하게 되고 이것이 지진하중을 발생시키게 되는 것이다. 지진하중은 무게와 건물에 작용하는 가속도의 곱으로 나타낼 수 있고, 무거운 건물일수록, 건물에 작용하는 가속도가 클수록 큰 지진하중이 작용하게 된다. 건물이 진동하면서 지반보다 가속도가 더 증폭될 수 있으며, 건물에 따라서는 지반에 비해 두 배 이상으로 증폭될 수 있다. 건물의 무게는 재료와 치수 등에 따라 계산하여 정하게 된다. 반면에 가속도는 지반의 가속도로부터 지진해석 및 내진설계 분야의 전문이론을 적용하여 결정하게된다. 지진하중에 있어서 가속도의 크기는 일반적으로 중력가속도를 이용하여 나타낸다. 대한민국의 현행 내진설계기준(KB C 2009)에서 가정하는 설계지진의 지반가속도는 0.22g의 2/3수준인 0.15g이다. 그러나 이것은 지반이 암반인 경우이고 암반위에 연약한 흙이 덮여 있다면 흙을 통해서 가속도가 2~3배 증폭될 수 있다. 이는 같은 건물이라도 건물이 있는 지반이 연약하면 더 위험하다는 것을 의미한다. 또한 건물이 진동하면서 가속도가 더욱 증폭되어 결과적으로 건물에 발생하는 진동가속도는 암반에서의 지반가속도에 비해 약 5배 수준가지 증폭될 수도 있다고 보고있다.
내진성능[편집]
지진 또는 내진 성능은 특정 지진 노출 후에 구조물의 안전성과 내구성 등 주요 기능을 유지할 수 있는 능력을 의미한다. 일반적으로 구조물이 부분적으로 또는 완전히 붕괴되어 그 구조물 주변에 있는 사람들의 생명과 안녕을 위협하지 않는다면 안전하다고 간주된다. 구조물이 설계된 작동 기능을 수행할 수 있다면 내구성이라고 간주될 수 있다.
주요 건축 법규에 구현된 지진공학의 기본 개념은 건물이 중대한 손상을 입으면서도 전 세계적으로 붕괴되지 않으면서 드문 매우 심각한 지진에서 살아남아야 한다고 가정한다. 반면에, 건물은 더 자주 발생하지만 덜 심각한 지진 사건에 대해서는 작동 상태를 유지해야 한다.
내진성능평가[편집]
내진성능평가란 말 그대로 지진이 발생하였을 때 안전한가를 평가하는 것을 의미한다. 내진성능평가는 "시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법" 제12조와 시행령 10조 "기존 시설물(건축물) 내진성능평가 및 향상요령" (국토교통부, 한국시설안전공단)에 따라 실시되고 있다.
지진 안전지역인 줄로만 알았던 한국에서도 최근 빈번히 지진이 일어나면서 더이상 지진으로부터 안전한 지역이 아님을 체감하게 되었다.
따라서 내진설계에 대한 법적 기준이 점점 높아지고 있는 추세이며 내진성능평가 대상이 아니었던 구조물 또한 내진성능평가 과정을 거쳐야 하는 등 내진평가의 중요성이 대두되고 있다. 내진성능평가는 지진으로 인한 피해를 최소화하고 안전을 확보하기 위해 반드시 필요한 과정이 된 것이다.
실험적 평가[편집]
실험 평가는 일반적으로 지진을 시뮬레이션하고 그 동작을 관찰하는 진동대 구조물의 (스케일링된) 모델을 배치하여 수행되는 값비싼 테스트이다. 이러한 종류의 실험은 100여년 전에 처음 수행되었다. 최근에서야 전체 구조물에 대해 1:1 규모 테스트를 수행하는 것이 가능해졌다.
이러한 시험은 비용이 많이 드는 특성 때문에 주로 구조물의 지진을 이해하고 모델을 검증하며 해석 방법을 검증하는 데 사용되는 경향이 있다. 따라서 적절하게 검증되면 계산 모델과 수치 절차가 구조물의 지진 성능 평가에 큰 부담을 주는 경향이 있다.
내진구조[편집]
건물 구조를 지진에 버틸 수 있을 만큼 튼튼하게 건설하는 것으로, 지진이 발생했을 때 내구성으로 버틸 수 있게 만든 구조이다. 하지만 단순히 건물의 내구력만을 높인 것이라서 건설비가 타 구조보다 저렴하긴 하나 지진 발생시 건물의 내부가 손상될 위험이 상대적으로 커 현재는 특수한 지진 대비책으로 여기지는 않는다. 후술할 내진단계 중 1단계에 속한다. 원자력 발전소는 배관등 주요 기기들이 움직이게 되면 손상이 가며, 격납 용기는 수소폭발을 견뎌야 하기 때문에 매우 두꺼운 벽식 구조 및 내진 구조로 설계한다.
후쿠시마 원전의 벽 두께는 16cm인 반면 국내 원전은 120~150cm이며, 이는 내진설계가 안 됐다 하더라도 웬만한 지진은 버티는 두께이다. 요즘에는 쓰이지 않지만 옛날에 경제성을 무시하고 기둥의 두께와 벽체를 두껍게 하는 내진설계 방법도 있었다. 이것은 1990년대 의정부시나 일산신도시에 지어진 건물들 중 일부에 적용되어 있다. 일반적인 동일연식 동일공법 동일용도의 건물들보다 벽체와 기둥이 두껍다. 다만 해당 지역의 경우 구조물의 내구성을 강화한 이유가 내진설계만을 위한 목적은 아니며 1990년대까지는 그래도 북한의 재래식 군사능력이 잔존해 있었고 한국군의 군사력도 피해가 거의 없을 정도로 압도하지는 못하는 상황이었기 때문에 장사정포 포탄 피격시 대응방어(포격으로 인한 구조물의 완전붕괴 방지)를 제공하기 위한 목적으로 그렇게 설계 및 건축 되었다고 한다. 풍문에 따르면 105mm 탄 몇 발 직격하는 수준에서는 그냥 간판 떨어지고 창문 깨지는 수준의 피해만을 입으며 구조체 자체는 손상 없이 포격을 씹어버린다고.
국내 원전의 내진설계 값은 EPA (유효지반가속도 ) 기준 0.2G ~ 0.3G (일반적으로 PGA와 EPA 관계는 통계적으로 PGA가 EPA의 값의 2.5배 정도 나온다.) 핵심시설의 경우 안전여유도를 매우 크게 잡아서, 0.6~1.0G ( 진도 X~XI, JMA진도 7)에도 버틴다. 일반건축물에 해당 내진설계 값에 해당되는 지진이 실제로 오면 붕괴직전에 이른다. 하지만 원전은 그 이상의 지진이 오더라도 여유도가 높아 버틴다는 게 전문가들의 의견이다.
일반적인 구조물은 붕괴 직전의 상태를 유지한다는 설계개념을 달성하기 위하여 응답수정계수라는 것을 적용하여 실제 지진력에 대하여 1/3 또는 1/5 , 1/7지진력의 크기로 줄인 값(국내는 1/3 값을 많이 사용 , 강진 지역인 일본, 미국에서는 1/7~ 1/5 값을 사용)으로 탄성설계를 수행함으로서 구조물이 갖고 있는 다양한 안전율을 완전히 소비하여 부재에는 대변형이 발생한 상태를 상정하고 있다. 반면에 원자력의 경우에는 중요 구조부재에 대하여 조금의 균열이라도 허용하면 방사능 누출과 연관성이 있는 관계로 절대적인 탄성을 유지하도록 설계되고 있다.
따라서 일반적인 구조물이 갖는 단면력에 비하여 원자력 구조물은 10배 이상의 내력을 갖고 있으며 구조형식에 있어서도 돔 형식의 벽식구조와 더불어 사고시 압력에 대비하기 위하여 포스트텐션이라는 강선으로 돔 외부를 칭칭 감고 있다. 원자력 발전소의 지진피해를 걱정할 정도의 강진이 발생한다면 원자력의 인근 지역, 어쩌면 한반도 전역이 괴멸 상태에 빠져 원자력 발전소의 안전을 염려할 여력이 없을 것이다.
반론으로 2011년 3월11일 동일본 대지진에 의한 후쿠시마 원전사고를 예로 들지도 모르겠다. 그러나 최대 가속도가 3.0g~4.0g까지 계측된 후쿠시마 원자력 발전소의 경우에도 지진동에 의해 구조물에 직접적으로 균열이 발생하여 방사능이 유출된 사고가 아니다.
또한 후쿠시마 원전도 지진은 손상없이 버텼지만 쓰나미로 인해 원자로 전력이 상실되어 냉각에 문제가 발생한 문제지만 국내 원전은 원자로 격납용기 내 가압기와 증기발생기가 있어 부피가 크므로 사고 발생 시 대처 시간이 충분하다는 것이다.
가압경수로는 또한 원자로에 물이 가득 차 있으므로 연료봉 온도가 천천히 상승하며, 제어봉이 원자로 위쪽에 설치돼 있어 전력이 끊겼을 경우에도 중력에 의해 동작을 수행할 수 있다.
Ø 안전정지지진과 운전기준지진에 대하여 따로 정의하며, 통상적으로 운전기준지진의 지반 가속도는 안전정지지진의 1/2값 사용
Ø SSE: 수평방향 0.2g(0.3g), 수직방향 0.13g(0.3g, 일부 구간 수평방향의 2/3) (안전정지)
Ø OBE: 수평방향 0.1g(0.1g), 수직방향 0.067g(0.1g) (안정정지 값의 1/2, 후쿠시마 원전사고 이후 매우 낮은 확률이지만 혹시 모르기에 임시 정지를 한다.)
또한 국내 원전은 격납용기/핵심시설은 설계상 규모 8~9에서도 버틸 수 있다.
제진구조[편집]
땅으로부터 건물에 전달되는 진동을 감지하고, 그 진동에 대응하는 힘을 반대 방향으로 작용시키면서 건물의 흔들림을 막는 구조를 말한다. 건물에 따로 설치된 장치로 건물의 흔들림을 제어하는 방식이다. 즉, 지진력을 흡수하여 감소시키는 방법이다. 건물의 옥상 등에 추나 댐퍼등을 설치해서, 지진이 발생 시 이 추를 컴퓨터로 제어하여 건물의 진동 방향과 반대로 진동시켜 흔들림과 횡압력을 일정량 상쇄시킨다. 대표적으로 타이완에 있는 타이베이 101빌딩이 제진을 위한 거대한 추(Tuned Mass Damper)가 건물 상부에 설치되어 있다. 건설비가 내진 설계보다 더 많이 들지만 효율과 안정성이 뛰어나 많이 사용되고 있는 방식 중에 하나다. 100층이 넘는 초고층 건물에 주로 사용되는 설계 방법으로, 현 고층건물들은 거의 모두 이 방식을 사용하고 있다.
제진 구조로 건물을 설계하는 방법에는 두 가지가 있다. 첫 번째는 동조질량감쇠기(TMD)를 이용하는 방법으로, 존 핸콕 센터나 월드 트럼프 타워 등이 이 방식을 사용한다. 이것은 건물이 흔들릴 때 무게추도 같이 흔들리게 하여 그 관성력으로 외력(外力)을 줄이는 것이다. 두 번째는 동조액체감쇠기(TLD)를 이용하는 방법이다. 신 요코하마 프린스 호텔과 하이클리프 아파트가 이 방법을 사용한다. 이 방법은 전술한 동조질량감쇠기와 비슷한 원리이지만, 무게추 대신 액체를 사용한다. 제진 구조는 상대적으로 값이 싸고 건물에 부착만 하면 되는 식이기 때문에, 훨씬 활용범위가 넓다.
내진구조와 비교하였을 때 일반적인 내진구조에서는 골조의 강도를 높이거나 소성화시켜, 즉 연성을 고려함으로서 골조 자체에서 진동에너지를 흡수하는 것으로 건물의 안전성을 확보할 수 있었지만, 이러한 경우에는 구조물을 손상시키지 않고 진동 그 자체를 저감시킬수는 없다. 이에 비해 제진구조는 구조물을 지진하중에 대해 손상시키는 것이 아니라 특별한 장치를 사용해 에너지를 흡수함으로서 앞에서 말한 목적을 달성하는 것으로 최근 주목받고 있는 고급기술이라 할 수 있다.
면진구조[편집]
앞서 말한 두 구조가 지진의 지진력을 버티는 데 중점을 두었다면 면진 구조는 땅에서 전달되는 지진력 자체를 줄여버리는데 중점을 둔 설계이다. 보통의 건물이 지면에 바로 기초공사를 진행하는 것과 달리 특수한 바닥재를 깔고, 그 위에 기초공사를 진행하는 것이다. 건물과 땅 사이에 고무를 겹쳐 만든 고무 스프링과 댐퍼, 베어링 등을 설치하여 지진 발생 시 흔들림이 건물에 전해지는 것을 막는 방식이다. 대표적인 면진 구조로 '납 면진 구조'라는 게 있는데, 이게 수평 지진 뿐 만 아니라 수직 지진까지 버틸 수 있다고 한다. 한마디로 직하 지진도 막아내는 구조다.
세계 최초의 완전한 면진설계가 된 건축물은 고대 페르시아의 키루스 2세의 무덤이다 (기원전 5세기경 건설). 건물 자체와 지면을 분리시키는 base isolation으로 설계되어 건축되었다.
일본에서는 면진 설계에 대한 활발한 연구가 진행되고 있다. 구마모토 대지진 당시 면진설계가 적용된 구마모토 니시구에 있는 11층짜리 맨션(한국의 아파트에 해당)은 건물 피해가 거의 없었다고 하며 7.4의 강진에도 실내 가구 뿐 아니라 테이블 위에 놓여있던 꽃병마저 쓰러지지 않았다고 한다.
흔히 면진 재료로 사용된 고무는 제한된 건물에만 적용이 가능했고, 체육관처럼 가벼운 건물과 건물내의 적재물들이 한쪽으로 쏠리는 현상이 발생할 시 그 효과가 떨어졌는데 2014년에 고무 대신 철을 사용하는 면진장치가 개발되었다.
두꺼운 강판을 구면 가공한 부분과 스테인리스 미끄럼판을 일체화한 장치를 건물과 지반 사이에 삽입해 지진이 일어나면 건물에 삽입된 슬라이더가 진자처럼 흔들려 에너지를 흡수하여 면진 고무보다 더 큰 면진효과를 기대할 수 있다고 한다.
차진구조[편집]
건물이 땅에 붙어있는 한 지진에서 완전히 안전한 것이 아니기 때문에 아예 건물을 땅에서 떼어버리자는 발상에서 출발한, 궁극의 내진 설계이다. 면진 기술의 진보한 형태이며, 현재는 호버크래프트나 자기장 같은 방식이 연구중이다.
내진보강[편집]
미국 등 선진국들도 1960년 이전에 설계된 건물들은 대부분 내진설계가 되지 않은 채 건설되었다. 이러한 건물들의 지진 발생 시에 내구성을 강화하기 위하여 seismic retrofit을 실시한다. 즉 내진을 위해 건물을 개조하는 방식이다.
대한민국도 내진설계가 법적으로 의무화 되기 이전인 1988년 이전에 건설된 아파트나 고층 건물 등은 내진설계가 되지 않았을 것을 고려하면 도입이 시급하다.
내진 개조방식도 여러 방법들이 있고 철저한 규정에 따른다. 경제성과 내진성능을 고려하면 포대보강공법을 권장한다.
내진보강은 성능 기반 지진 공학 (PBEE)의 의하여 4단계의 performance objective를 달성하기 위하여 실시된다.
1단계: 공공 안전. 사람의 생명을 살릴 수 있는 최소한의 내진보강으로, 지진발생시 해당 건물이 곧바로 무너지는 것을 방지하여, 건물 안의 인명들이 신속히 대피할 수 있는 것을 목적으로 한다. 대부분의 큰 지진발생 시, 건물은 복구불가 판정을 받을 정도로 훼손되고, 해당 건물은 철거된 후 다시 건축된다. 대부분 아파트 같은 3층 이상 거주용 빌딩 등에 해당.
2단계: 건축물 생존. 1단계보다는 더 섬세한 내진보강으로, 대지진 발생 후 건축물이 수리 후 재사용할 수 있는 것을 목적으로 한다. 대부분의 경우 다리에 사용되는 최소단계의 내진보강.
3단계: 구조 기능. 2단계보다도 더 높은 수준의 내진보강으로 인하여, 대지진 발생 후에도 건축물이 수리가 없이도 곧바로 재사용이 가능할 수 있는 것을 목적으로 한다. 발생하는 수리들은 모두 외관형 목적 (작은 균열 수리 등) 이상으로는 발생하지 않는다. 병원 등의 시설들이 요구하는 최소단계의 내진보강.
4단계: 완전 면진. 매우 역사적 중요성이 높은 문화재들에 적용이 된다.
지진공학 연구[편집]
지진공학 연구는 지진공학 관련 사실의 발견과 과학적 설명, 새로운 발견에 따른 기존 개념의 수정, 개발된 이론의 실제 적용을 목적으로 하는 현장 및 분석 조사 또는 실험을 모두 의미한다.
미국국립과학재단 (NSF)은 지진공학의 모든 분야에서 기초 연구와 교육을 지원하는 미국의 주요 정부 기관이다. 특히 구조 시스템의 설계 및 성능 향상에 관한 실험적, 분석적, 전산적 연구에 중점을 두고 있다.
지진 공학 연구소 (EERI)는 미국과 세계적으로 지진 공학 연구 관련 정보를 전파하는 선두주자이다 .
전 세계 지진 공학 연구 관련 진동대 최종 목록은 전 세계 지진 공학 시뮬레이션을 위한 실험 시설에서 찾을 수 있다. 그 중 가장 눈에 띄는 것은 현재 일본의 E-Defense Shake Table이다 .
참고자료[편집]
- 〈내진설계〉, 《나무위키》
- "Earthquake engineering", Wikipedia
- 엔글링크, 〈내진성능평가 :: 내진성능평가의 항목 및 절차〉, 《네이버 블로그》, 2021-09-10
같이 보기[편집]
