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내진설계(耐震設計)의 중요성은 지진피해지역에서 명확히 드러나고 있다. 일본 효고현 남부대지진(兵庫縣 南部 大地震)에서도 내진설계가 잘된 건물들은 큰 피해가 없는 것으로 나타났다. 지난 94년 발생한 괌의 규모 8.2대진진시에도 내진설계가 잘된 건물은 가벼운 피해를 입었다.

현재 일정규모 이상의 건물은 지난 88년 대한건축학회에 의해 제정된 내진 구조 기준을 근거로 내진설계를 시행하고 있다. 내진구조는 대지진이 발생했을 때 건물의 구조체가 피해를 입지 않도록 고려해 계획한 건축구조를 말한다. 이 내진구조를 위한 구조계산 구조설계를 내진설계라고 한다.

힘을 각 구조부재에 분담시켜

건물은 어떠한 형태의 것이라도 강한 지진이 일어나면 그 구조내부에 큰 응력을 받는다. 지진응력은 지반의 진동에 의해서 건물의 기초에서부터 토대 바닥 기둥 벽 보 2층바닥 등의 경로를 거쳐서 건물내부로 전해진다. 이러한 지진의 파괴작용에 대해 어떻게 힘을 각 구조부재(構造部材)에 분담시키는가를 연구하는 것이 내진설계의 목표다.

그러나 내진구조라 해서 어떠한 지진에 대해서도 벽이나 바닥에 전혀 균열이 생기지 않도록 하는 것은 아니다. 그 이유는 무작정 완고한 구조는 경제성을 무시한 것이기 때문이다. 그러므로 그다지 중요하지 않은 부분에는 다소 금이 가더라도 구조체 전체로서는 위험하지 않을 정도로 피해를 억제할 수 있도록 구조계획을 한다.

내진구조는 건물구조의 종류에 따라 다르다. 즉 목조 철근콘크리트구조 철골구조 또는 벽돌이나 콘크리트 블록에 의한 조적구조는 각기 구조체가 아주 다르므로 그 특성에 맞는 내진설계를 한다.

예컨대 목조에서는 벽에 가새를 지르거나 보와 기둥 또는 기둥과 토대와의 이음에는 그 부분이 지진에 의한 변형이 생길 때에 어긋나지 않도록 띠쇠로 된 철물을 쓰고, 보나토대가 모서리에서 직각으로 맞추어져 있는 부분에는 귀잡이토대를 쓰는 등 내진을 위해 고려한다.

이와 같이 3개의 부재에 의해 삼각형 구조로 하는 것은 역학적으로 매우 유효한데, 이것은 사변형이 보통 마름모꼴로 변형되기 쉬운데 비해서 삼각형은 변형시킬 수 없다는 원리에 근거를 둔 것이다.

일반적인 철근 콘크리트 구조는 라멘구조라고 해서 2개의 기둥과 그것들을 잇는 아래 위의 보로 만들어지는 사변형의 구조다. 라멘 구조(Rahmen構造)는 연직하중에 대해서는 견고하나 지진과 같은 큰 수평력에 대해서는 저항력이 불충분하므로 내진벽이나 경사부재 등으로 보강한다.

내진벽은 수평하중의 일부를 부담할 수 있는 것으로서, 그 분담률은 벽의 모양이나 개구부의 비율 등을 고려해 설계한다. 이런 방법으로 수평력에 저항하는 구조를 강구조(強構造)라고 한다.

20층이상 초고층건물은 유구조(柔構造)
 

이에 반해서 유구조는 20층 이상의 초고층건축을 가능하게 하는 구조법으로서 주체구조부를 철골로 구성해서 지진에 의한 파괴력을 각 부재가 각각 흡수해서 흘려 버리도록 하는 구조방법이다. 예를 들면 추를 매단 어느 정도 긴 끈의 윗부분을 수평방향으로 빠른 주기로 흔들어도 밑에 매달린 추는 거의 움직이지 않고 끈의 어느 부분만 흔들리는 것과 같다.

이러한 내진법은 모두 지반과의 관계에서 성립되는 것으로서 지반 특유의 지진동의 주기와 건물의 고유주기가 비슷할 경우에는 건물에 대해서 매우 불리하고 초고층 건축에서는 지반이 연약할 경우 매우 위험하다. 그 이유는 연약지반에서는 주기가 늦은 파(波)가 건물에 전해지면 구조물이 공진(共振)을 일으키기 쉽기 때문이다.

이것을 앞에서의 예로 설명하면 추를 매단 끈의 윗부분을 천천히 수평방향으로 흔들어 주면 추는 좌우로 크게 흔들리게 되는 것과 같다. 이와같이 지반 지진동의 특성을 충분히 조사검토하는 것이 내진설계에서 중요하다.

지진의 위험을 평가하기 위해서는 지진의 재래주기(return period)를 산출하는 실제 공학적 응용을 고려해 초과 확률개념을 도입, 사용한다. 즉 건물의 가치수명(valuable lifetime)과 위험도를 입력해 어느 일정한 기간 동안 초과 내진값의 확률을 결정하는 것이다.

이때 원자력 발전소와 같은 시설은 중요도와 위험도를 고려해 이 초과확률을 조정한다. 이러한 기준에 의해 한반도는 (그림1)과 같은 지진구역도를 사용하고 있다.

지반의 움직임과 분리되는 건물 실용화
 

(그림1)의 지진구역도에서 정한 지진에너지가 어느 정도의 지진인지, 구체적으로 건물에 어떤 방식으로 내진설계가 되는지를 알아보기로 하자.

지진에너지는 중력가속도(g=9,8m/${sec}^{2}$)의 %단위로 건물설계에서는 횡하중의 성분으로 설계한다. 지구상의 모든 건물을 포함한 모든 물체는 지구중력의 방향인 연직방향으로는 이미 1.0g의 고정하중으로 설계하고 있다. 우리나라에서는 1988년 시행된 내진 설계 기준에 의해 지진하중에 의한 횡하중으로는 0.12g의 중·약지진 하중으로 설계되고 있고, 일본이나 미국의 동부해안지역(샌프란시스코, 로스앤젤레스 등)의 강지진 지역에서는 0.3g 이상의 횡하중으로 설계되고 있다.

이 지진에너지는 그 특성상 순간적으로(수초에서 길어야 1분정도) 지반이 흔들리면서 그 상부에 놓인 건물이 피해를 입는 것이기 때문에 건물의 특성에 따라 그 피해정도가 큰 차이가 나게 된다. 예를 들어 버스가 진행하다가 갑자기 멈출 때 탄 사람의 키와 체중에 따라 충격을 받는 크기가 틀리는 경우와 흡사하다. 즉 질량이 단위가 클수록 많은 에너지를 받게 되며 발을 벌리고 서 있느냐 모으고 서 있느냐 등에 따라서도 달라진다.

건물에서는 이러한 것을 건물의 동력학적 특성으로 세분해 설계하고 있다. 일본 효고현 남부대지진에서도 지붕하중이 무거운 전통기와집이 상대적으로 많은 피해를 입은 것도 지붕하중의 질량단위가 컸기 때문이다.

내진구조설계에서는 정해진 지진에너지의 크기에 맞춰 건물의 붕괴 압괴 및 전도를 방지해 인명의 안전을 확보한다. 또한 사회적인 비용증대를 고려해 지진이 지나간 후 건물을 가볍게 보수해 사용할 정도(보와 벽 등에서 보수할 수 있는 정도의 균열)로 설계하게 된다.

특히 중요한 것은 인명피해를 고려해 붕괴에까지 이르지 않도록 건물을 강하지만 충분히 질기게(전문용어로는 유연성 ductility) 설계해야 하는 것이다. 즉 변형은 생기더라도 (물론 공학적으로 변위의 최대 한계는 설정돼 있음) 예상되는 지진에너지에 충분히 유연성을 발휘할수 있도록 설계하는 것이다.

또 다른 하나의 방법으로 최근에는 강진이 많이 발생하는 선진국에서는 (일본 등)지진에 의한 지반의 움직임을 건물 기둥 하부가 기초에서 분리, 건물의 안전을 확보하는 면진 기술(免震技術)도 실용화되고 있다(그림1).

내진설계의 중요성은 지진 피해지역에서 명확히 드러나고 있다. 일본 효고현 남부대지진에서도 내진설계가 잘된 최근에 지어진 건물들은 큰 피해가 없는 것으로 나타났다. 1993년 있었던 괌섬의 규모 8.2의 대지진시에도 내진설계가 잘된 건물들은 가벼운 피해를 입었으나 (사진1)에서처럼 부적절하게 설계된 건물은 큰 피해를 입고 철거를 해야만 했다. 이러한 교훈은 1988년 멕시코 대지진 때에도 마찬가지였다.

역사적인 기록과 최근의 계기지진 기록에서 보듯이 우리나라에도 규모 5.0 정도의 지진이 발생할 가능성은 아주 크므로, 1988년 부터 시행된 내진설계를 잘 이행하고 부실공사를 근절해야 한다. 내부로 곪아 있는 부실건물이 지진의 충격에너지를 흡수하지 못하고 붕괴할 것은 명약관화하다. 사회적으로 지진에 대비한 모든 시설의 안전 및 방호 체계를 우리도 빨리 갖춰야만 지진 피해를 최소화할 수 있다.