내진설계 기준의 역사적 발전 과정과 설계 개념의 변화, 그리고 지반 특성 평가를 위한 기술적 요소에 관한 고찰 doc_id CNTS-00118877166_1

내진설계와 관련하여 기원을 명확히 언급하기는 논란의 여지가 있으나, 내진설계와 관련하여 언급되는 많은 지진들 중 항상 첫 번째로 거론되는 것은 1906년 미국의 San Francisco 지진이다. 당시 내진설계라는 개념조차 제대로 정립이 안 된 상태였고 건물물이 지진이라는 자연현상에 대하여 견딜 수 있도록 설계에 반영할 수 있는 방법이 30(psf)정도의 풍하중으로 대치하여 고려했을 뿐이다. 이후 UBC(Uniform Building Code)가 1927년에 처음 등장하였고 이때 당시 지진하중에 대하여 고려하는 방법은 구조물 자중의 7.5%~10% 정도를 횡하중으로 반영하는 것이었다. 현재 전 세계의 내진설기준에 막대한 영향을 미치는 캘리포니아 구조기술자협회(SEAOC – Structural Engineers Association of California)에서 1959년에 발간한 “Recommended Lateral Force Requirements and Commentary”가 소정의 형식을 갖춘 지진관련 기준으로 간주할 수 있다. ATC는 SEAOC 산하의 비영리단체이다. 1976년에 발행된 UBC 내진설계 규정은 San Fernado 지진에서 얻은 교훈을 반영하여 많은 개정이 이루어졌지만 좀 더 체계적이고 합리적인 내진설계 과정을 정립해야 할 필요성이 강하게 제기되었다. SEAOC은 내진설계기준의 발전을 위한 제반사항을 전담할 비영리단체인 ATC를 1971년에 설립하였다. 이 단체는 미국 전체를 대표하는 주요 공학관련기관의 저명한 지진공학자들과 실무자들로 연구팀을 구성하고 관련 프로젝트를 수행하였다. 그리고 1978년에 전 세계 내진설계기준에 막대한 영향을 끼친 ATC-3-06 Report “Tentative Provisions for the Development of Seismic Regulations for Building”을 출간하였다. 1980년대 초반에 FEMA는 대형 프로젝트인 NEHRP(National Earthquake Hazard Reduction Program)를 착수하고 미국 전역의 통일된 내진설계기준을 개발하기 시작한다. 이 작업은 FEMA의 지원하에 Buiding Seismic Safety Council(BSS)이 수행하여 NEHRP-1985 기준을 발간하였다. 이 기준은 ATC-03-06 보고서에 바탕을 두고 있었으며 UBC의 개정주기와 동일한 3년을 주기로 개정판을 발간하였다. NEHRP 기준은 지속적인 개정판의 발간에도 불구하고 상당한 기간동안 3개의 모델코드인 UBC, NBC, SBC에 적용이 되지 않았으나 1993년 처음으로 NBC와 SBC의 내진설계기준에 도입되었다. UBC는 1988년 이미 ATC-3-06 보고서를 바탕으로 내진설계기준을 상당히 개정한 상태였기 때문에 NEHRP 기준을 도입하는 별도의 과정을 거치지 않았다. 다음은 응답수정계수의 도입이다. 당시 UBC-1985에서는 K계수를 수평력 계수라고 해서 각 시스템별로 다르게 적용하였으며 이론적인 근거보다는 경험에 바탕을 둔 계수였다. 구조재료에 대한 연성(ductility)이 제대로 고려되지 못하는 문제가 있었지만 당시까지 경험이 축적된 방법이었으므로 UBC에서는 계속해서 사용하고 있었던 것이다. 반면에 ATC-3-06은 극한강도설계 개념에 근거를 둔 응답수정계수를 사용하고 있엇다. 구조물의 비선형 동적거동에 대한 연구결과와 전문가들의 의견을 수렴하여 제안된 계수였다. 동역학적 이론에 근거를 두고 있었으며 구조재료에 따른 연성을 반영할 수 있다는 장점이 있었기 때문에 K계수 대신 R계수를 도입하게 되었던 것이다. 그러나 KS-1988는 근본적으로 허용응력설계법에 기초하여 제정된 기준이었기 때문에 ATC-3-06의 응답수정계수(R)과 비교하여 보면 대략 60~80% 정도의 수준으로 작게 평가되어 있다. 그만큼 지진하중을 허용응력 설계법에서는 크게 평가한다는 의미이다. 이와 같이 허용응력 설계법에 개념과 근거를 둔 응답수정계수는 UBC-1988, 1991, 1994, KS-1988 및 2000 기준에 반영이 된다. IBC-2000으로부터 설계기준의 정의가 바뀌었다는 것은 매우 조목할 만한 일이다. IBC-2000에서는 MCE Gound Motion Map을 통하여 내진설계에 적용되는 지반운동의 수준을 정의하고 있다. 여기에서 MCE란 구조물의 내진설계시 합리적으로 적용 할 수 있는 최대 수준의 지진을 의미한다. 50년간 2%의 초과확률(재현주기 2475년)을 기준으로 하고 있다. 지금까지 대부분의 내진설계 기준들에서는 50년간 10%의 초과확률을 가진 지반운동에 대하여 “Life Safety”를 목표로 설정하고 있었다. 그러나 IBC-2000에서는 50년간 2%의 초과확률을 가진 지반운동에 대해 “Collapse Prevention”을 내진설계의 목표로 하고 있으며, MCE Ground Motion의 2/3수준에 해당하는 지반운동을 설계 지반운동으로 규정하고 있다. KBC-2005에서는 내진설계범주 A,B에 해당하는 구조물의 경우 등가정적해석법, 또는 그보다 정밀한 해석법으로 구조물 해석을 수행하도록 하고 있고, 내진설계범주 C와 D인 건물에 대해서는 건물의 높이와 비정형성에 따라 동적해석을 수행해야 하는 건물을 구분하고 있다. 해석방법과 마찬가지로 구조요소의 설계에 있어서 내진설계범주와 비정형성에 따라 지진의 방향성의 고려방법과 우발편심 고려시 비틀림증폭계수의 포함여부를 정하고 있다. 특히 내진설계범주 C이상이면서 비틀림비정형인 건물의 경우, 특별히 비틀림 증폭계수를 사용하여 강성중심과 질량중심 사이의 편심을 증폭시켜주도록 하고 있다. KBC 2005에서는 조적채움벽과 같이 강성이 큰 비구조요소의 지진반응시 구조적 역할을 고려할 것과 지진저항시스템에 포함되지 않는 건물골조 시스템 중의 골조 부분에 대해서 지진에 의한 변형을 고려해서 설계토록 요구하고 있다. ④ 초과강도계수와 구조시스템 제한 : 일반적으로 구조요소는 예상되는 설계지진동을 대표하는 비탄성스펙트럼에 해당하는 지진력에 대해 선형 탄성 해석결과 얻어진 내부 힘의 분포를 바탕으로 설계된다. 그러나, 극심한 수준의 지진동이 발생할 경우 구조물 내에서 생성되는 내부 힘과 변형은 구조물이 항복하기 시작하는 점을 훨씬 넘어서 좌굴하거나 비탄성적으로 거동하게 된다. 만약 구조물이 적절한 수준의 연성, 정형성 및 연속성을 갖도록 상세 설계된다면 감소된 하중에 의하여 구조물을 탄성설계 하여도 구조물은 충분히 그 성능에 도달할 수 있다. 이와 같은 개념에서 설계지진에 의해 실제로 생성되는 탄성횡력을 응답수정계수(R)로 나누어 훨씬 감소된 지진력에서 구조물이 1차 항복점을 넘어서 변형하지 않도록 설계하는 접근법이 탄생하게 되었다. 현재 미국, 일본 및 뉴질랜드와 같은 소위 지진공학 연구의 선진국에서는 실무 적용의 내진설계단계에서 비선형 동적해석을 활용하는 경우도 있으며 현재 국내 내진설계 기술력과 현격한 격차를 보이고 있다. 이들은 지진공학의 근본적인 문제를 따진다. 설계하고자 하는 구조물이 지진에 대하여 제대로 거동할 수 있는지를 분석한다. 지진에 대한 구조물의 거동 평가라는 것이 지진해석에 의한 요구량의 예측과 함께 특정재료와 특정단면의 구조물이 보유하고 있는 능력(Capacity)를 제대로 평가할 수 있어야 한다는 의미이다. 다시 말하면, 밑면전단력, 층전단력 및 전도모멘트는 그러한 크기의 힘이 발생될 때 구조물에 상당하는 저항능력이 있는지를 검토할 수 있어야 한다. 또한 변위에 대해서도 구조물에 발생하는 크기를 수용할 수 있는지, 비선형의 경우에 소성힌지의 회전능력이 동적해석에 의한 변위응답의 크기를 수용할 수 있는지를 알아야 한다는 것을 의미한다. 이미 뉴질랜드에서는 이와 같은 소성메카니즘의 대한 설계 철학을 반영한 내진역량설계법이 실무에서도 흔하게 적용하고 있으며 이에 대한 내용 역시 내진설계기준에 충실히 반영되어 있다. 앞서 언급하였듯이 지반의 분류에 따라 가속도계수는 설계기준에 따라 2.0배에서 2.5배까지 변화하며 지반의 분류는 전단파속도에 따라 구분하고 있다. 전단파 속도는 압축파속도(Compressional wave velocity, Vp)와 함께 현장에서 다양한 지구물리탐사 기법들을 적용하여 측정할 수 있는 체적파속도이며(Sun and Mok, 2006), 이 두 속도를 토대로 포아송비를 결정할 수 있다. 또한, 전단파속도로는 대상 지반재료의 밀도를 함께 고려하여 전단탄성계수를 산정할 수 있다. 일반적으로 지진시 지반을 매질로 하여 전파되는 여러 지진파 성분 중 초기에 도달하는 압축파보다는 암반이나 토사와 같은 고체 매질을 통해 전파하는 전단파나 이어지는 표면파에 의한 지반 및 구조물의 피해가 주류를 이룬다. 지반공학이나 지진공학 관점에서는 현장 탄성파시험 기법은 무엇보다도 우선적으로 지반 매질의 전단파속도를 결정하가 위해 활용하고 있다. (Sun et al., 2006b). 특히 국내를 포함한 국외 주요 내진설계 기준들에서 30m까지의 평균전단파속도를 지반운동 결정을 위한 부지조건 분류의 변수로 이용하고 있다. 이처럼 지반 동적 특성 평가 및 그에 따른 부지 효과 평가의 일환으로 해외에서는 전단파속도(Vs) 분포의 합리적 결정을 위한 여러 현장 탄성파 시험 기법들이 개발되어 왔으며, 최근 국내에서도 기존 기법의 도입 및 활용과 더불어 국내 현장 여건을 고려한 기법 개선 및 장비 개발이 이루어 지고 있다. 실제, 현장에서 이러한 탄성파 기법들을 통해 Vs를 평가하고자 할 경우 현행 내진 설계기준의 지표면으로부터 지하 30m 까지의 평균 전단파속도(Vs30)을 결정하기 위해서는 최소 30m까지의 Vs 분포가 확보되어야 한다. 그러나 현장에서 소정 심도까지의 시험 수행 과정 중에는 불완전한 시험 환경 조성으로 인한 방해 변수가 존재할 수 있다. 뿐만 아니라 선정된 현장 시험 기법 및 장비에 따라 특정 지반 조건과 특정 심도 범위에서는 그 적용성이 제한적일 수 있다. 특히, 최근 지반 조사 기법들의 복합적 적용을 통한 지반 특성의 종합 결정을 위하여 기존의 현장 탄성파 기법 이외의 하이브리드 현장시험 기법(Hybrid in-situ testing technique)인 탄성파 피에조콘 관입시험(SCPTu)이나 탄성파 딜라토미터 시험(SDMT)등의 수행이 급속도로 활성화되고 있으며, 이를 통한 Vs 획득의 경우 관입 시험의 조건상 적용 심도의 제한적 상황은 상존하게 된다.