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내진설계

우리나라 건물의 내진설계 현황 내진성능에 대한 취약점 점검하고 보강해야…

최근 아이티 지진에 이어 수 백명의 사망자와 실종자 그리고 막대한 재산피해와 사회적 혼란을 야기한 2월 27일 규모 8.8의 칠레 대지진, 3월 8일 규모 6.0의 터키지진에 대한 보도를 접하면서 전 세계인들은 인명피해를 애도하며 지진에 대한 우려와 지진발생 시 안전에 대해 많은 관심을 가지고 있다. 우리나라의 경우 대표적으로 1978년 10월 홍성 지진(규모 5.2), 1996년 12월 영월 지진(규모 4.5) 등의 지진이 발생하여 다수의 건물에 균열이 발생하였으며, 규모가 크지는 않으나 지진의 발생 빈도는 해마다 증가하고 있는 추세이다. 이와 관련하여 우리나라 건물의 내진설계 현황과 안전에 대한 우리 계명 가족들의 궁금증을 해소시키기 위하여 건물의 내진설계가 학술기획의 주제로 선정되었으며, 내진설계와 관련된 기본적인 개념과 용어를 중심으로 현황을 간략히 소개하고자 한다.

지구 표면의 지각판들이 여러 요인에 의하여 이동할 때 지각의 변동과 지진이 발생하며, 특히 지각판들의 경계에서 심한 지진현상이 발생한다. 인도판, 태평양판, 필리핀판에 영향을 받는 유라시아판의 내부에 우리나라가 위치하고 있으므로 일본, 터키, 인도네시아 등 지각판들의 경계부에 있는 국가들에 비하여 상대적으로 안전한 중, 소규모의 지진이 발생하고 있는데, 지진의 크기를 표현하는 용어로서 ‘규모’와 ‘진도’를 사용하고 있다. 우선 규모는 지진계에 기록된 진폭을 근거로 계측점으로부터 진원(지진파가 유발된 위치) 및 진앙지(진원의 연직방향 지표 지점)까지의 거리 등을 고려하여 계산되는 지진의 진동에너지의 총량을 나타내는 절대적 개념이다. 그리고 진도는 지진발생의 진원지로터 떨어진 특정 장소에 나타나는 지진동의 정도를 인체 감각이나 자연계의 물체가 받는 영향과 상태에 따라 정해진 상대적 개념의 표현이다. 우리나라에서는 지진의 크기를 나타내는 기준으로 ‘리히터 규모(Richter Scale of Magnitude)’와 12등급으로 구분되는 ‘MM진도((Modified Mercalli Intensity Scale)’ 를 사용하고 있다.

이해를 돕기 위하여 ‘리히터 규모’의 등급을 에너지량으로 비교한 것을 소개하기로 한다. 히로시마 원자폭탄의 에너지 총량을 지진의 규모로 대응시키면 규모 6.3정도가 되며, 이는 TNT 폭약 10,000톤이 폭발할 때의 에너지량과 같은 개념이다. 규모 6은 TNT 5,000톤, 규모 7은 TNT 100,000톤, 규모 8은 TNT 5,000,000톤, 우리나라에 발생이 예측되는 규모 5.5는 TNT 1,000톤 정도의 폭발력에 상응하는 에너지량이다. 그리고 ‘MM진도’ 등급을 현상적으로 표현하면 진도 5는 건물의 진동 감지, 물건의 흔들림 발생, 창문, 그릇이 떨어져 파손되고, 진도 6은 가구가 넘어지고 사람들이 피신하는 정도가 된다. 진도 7은 건물외벽의 균열 발생, 돌담, 축대 등이 파손, 진도 8 ~9는 일반 건물의 파손과 붕괴, 내진설계 건물의 파손, 지면의 균열, 산사태, 송수관, 가스관 등의 파손이 나타난다. 진도 10은 지면의 광범위한 지면의 균열과 대부분 건물이 완전 파괴되는 강도를 표현한다. 건물이 받게 되는 지진의 영향은 규모와도 연관이 있지만 진원지에서 멀리 떨어질수록 감소되며, 진도의 표현은 지진으로 인하여 특정 위치에서의 건물이나 지반이 받고 있는 지진의 영향을 나타내게 된다.

한편 지진발생 시 일어나는 지반운동에 의하여 건물의 관성력이 추가적으로 건물에 작용하여 평상시 안전하였던 건물이 파손되거나 붕괴될 수 있다. 지진발생 시 건물에 가해지는 지진력을 평가하고 구조설계 시 이 지진력을 반영하여 지진발생 시에도 건물의 붕괴를 예방하고 안전성을 확보하는 설계개념을 내진설계라 한다. 우리나라에 지진에 대비한 내진설계기준이 도입된 것은 1988년이며, 6층이상 또는 1,000㎡ 이상의 건물이 대상이 되었으나, 현재는 3층이상 혹은 1,000㎡이상의 모든 건물이 내진설계 적용대상이 되도록 국토해양부 고시 건축구조기준(Korean Building Code-Structure 2009)에 명시되어 있다. 우리나라의 경우 내진설계에서 기준으로 설정되는 지진의 등급은 MM진도 8 (Modified Mercalli Intensity Scale VIII, 리히터 규모 5.5-6.0에 상응) 정도의 강진을 전제로 하고 있다. 이 등급의 지진이 발생하면 건물외벽의 균열되고, 내진설계의 건물이 부분적으로 파손, 일반 건물의 붕괴 등의 현상이 일어난다. 이는, 근래 우리나라에서 발생된 지진보다는 다소 높은 지진 등급이라 할 수 있다. 이와 같은 등급의 지진이 발생할 경우 마감재, 비구조재 및 구조체의 손상은 발생할 수 있으나 인명피해를 유발하는 건물의 붕괴현상은 발생하지 않도록 기준을 설정하고 있다. 그러나 예측하지 못한 내진설계에서 채택하고 있는 지진등급 이상의 대규모 지진이 발생할 경우 내진설계를 한 건물이라도 붕괴될 수 있는 한계가 있으며, 이에 대해 안전성을 강화할 경우 경제적 부담이 증대되는 현실적 어려움도 있다.

아래의 사진에서 보는 바와 같이 지진에 의한 건물의 피해를 보면 지진력에 취약한 저층의 조적조(벽돌조, 블록조)와 목조에서 붕괴현상이 발생하고 있으며, 비교적 강성이 큰 철근콘크리트조, 강구조 등에서도 파손이나 내진설계가 되어 있지 않은 건물에서는 붕괴현상이 발생하고 있다. 특히 철근콘크리트의 건물에서도 필로티와 같이 지진력에 대한 저항강성이 급변하는 부분이 지진에 취약하며, 하층부의 구조부재가 파괴되어서 건물의 붕괴 현상을 초래할 수 있다. 내진설계기준에서는 이러한 취약부를 갖는 건물에 대해서는 지진력을 증대시키는 조치를 하고 있다.

설계대상으로 채택되어 있는 규모와 진도의 지진이 발생하여 건물에 가해지는 지진력에 붕괴되지 않고 인명피해를 최소화할 수 있는 구조적 성능을 갖게 하는 내진설계 개념 외에 면진과 제진의 개념이 있다. 우선 건물의 하부구조체에 철판과 고무같은 적층판을 설치하여 지진발생 시 건물에 전달되는 지진의 영향을 감소시키는 것은 면진구조이다. 그리고 지진에 의하여 유발되는 건물의 진동에 대응하여 진동에 대한 제어력을 발생하게 하는 장치를 도입하여 지진에 대한 영향을 감소시키는 개념의 제진구조도 지진에 대한 건물의 안전성을 확보하기 위한 적극적인 방법으로 도입되고 있다.

소방방재청 및 서울시의 통계에 의하면 2009년 기준으로 내진설계 된 건물은 10% ~13%정도가 되고 있다. 많은 건물이 내진설계가 되어 있지 않은 상황이지만 우리나라에서의 지진 발생 상황을 감안하면 내진설계가 도입되지 못한 모든 건물의 붕괴를 심각하게 우려할 정도는 아니라고 사료된다. 현재 지진에 대한 피해가 우려되는 학교, 병원 등 공공건물을 우선으로 한 내진보강공사 시행계획 등 범정부차원의 지진종합대책이 추진되고 있으며, 지진에 의한 건물의 피해를 최소화하기 위하여 기존 건물의 내진 성능에 대한 취약점을 점검하고 필요시 보강할 수 있는 행정적 지원과 사회적 관심이 필요하다고 생각한다.

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