응답스펙트럼 - 지진의 공학적 특성

개요

설계 응답스펙트럼인 KDS 기준을 설명드리기 전에, 지진의 공학적 특성을 알아야 할 필요가 있습니다. 이번 컨텐츠에서는 기존 기준의 적용 문제점과 KDS 응답 스펙트럼의 산정 내용에 대해서 다룰 예정입니다. 해당 내용을 잘 이해하시려면 먼저 공학적 특성과 용어 등을 잘 알고 가시는 것이 좋습니다.

지진과 관련된 이론적인 내용들은 대략적으로라도 잘 알고 계실 것 같습니다. KDS 기준이 기존 설계 기준과 어떻게 달라졌는지 이해하기 위해 필요한 내용들만 간략히 소개하고 넘어가도록 하겠습니다.

1. 판 구조론

학생 시절 배웠던, 대륙의 이동에 대해서 설명하는 ‘판 구조론’입니다. ‘환태평양 고리 등 태평양을 둘러싼 판의 경계 지역에서 지진이 발생한다', ‘우리나라는 판 경계 지역에 속해있지 않다’ 등의 내용은 많이 들어보셨을 것입니다.

아래는 지진규모 5M 이상의 발생 지역을 표시한 지도로, 언젠가는 한번쯤 보셨을 만한 삽도입니다.

여기서 저희가 짚고 넘어가야 할 내용은, ‘미국 서부’지역에 해당하는 판 경계지역(왼쪽 노란색 동그라미)'와, ‘우리나라에 해당하는 판 내부 지역(오른쪽 노란색 동그라미)'입니다.

지질학적으로 미국 서부는 판 경계 지역, 우리나라는 판 내부 지역에 속함으로서 서로 다른 특성을 가지고 있다라고 이해해 주시면 될 것 같습니다.

너무나 잘 아는 내용이지만 이 이야기를 드리는 이유는 이후에 설명드리겠지만, 기존의 설계 기준은 미국 서부 지역의 설계 기준을 바탕으로 작성되었기 때문입니다.

2. 지반에 따른 지진파 특성의 변화

지진파는 전파 경로에 따라 특성(주기 성분 및 진폭)이 변화합니다.

토사 지반일 경우 암반 지반보다 매질의 밀도가 작으며, 지진파가 토사 지반을 통과하였을 경우 지진파의 진폭이 증가하는 ‘지반 증폭 현상’이 일어납니다. 또한 토사 지반을 통과할 경우 암반 지반 보다 장주기 성분이 탁월한 경향을 가지고 있습니다.

지층 내의 저항(임피던스비)이 작아질 수록 지반 증폭 현상이 커지며, 이는 같은 진원의 지진이라도 전달되는 경로에 따라 지표면에서의 진폭이 달라질 수 있다는 것을 의미합니다.

지반 증폭 현상의 대표적인 예는 멕시코 지진입니다.

1985년 멕시코 지진은 태평양 근처에서 발생하였으며 진앙 근처에서는 피해가 미비한 반면, 약 400km 떨어진 멕시코시티 지역에서는 큰 피해가 발생하였습니다.

Mexican Building Code에 따른 구역 분류와 지반 증폭

멕시코 시티 내의 단단한 암반지역과, 연약 지반으로 이루어진 호수 지역에서의 계측 결과를 비교해보면 연약 지반이 암반 지반보다 약 5~ 10배 정도 큰 지반가속도가 계측되었습니다.

이와 같은 현상은, 파의 전달에서 그 이유를 찾아볼 수 있습니다.

파(Wave)는, 밀도가 다른 층을 지날 때 투과 또는 반사됩니다. 초기 지진파가 밀도가 높은 암반지역에서 지표면의 밀도가 낮은 토사 지반까지 전파되며, 지표면에 다다른 지진파는 반사되어 다시 암반층으로 내려오게 됩니다. 밀도가 낮은 매질에서 밀도가 높은 매질로 파가 전달 될 때 파의 대부분은 반사되며, 다시 지표면으로 전달되게 됩니다. 감쇠를 통해 소멸될 때 까지 지속되며, 이에 따라 지반의 진동이 계속되며 증폭 현상이 일어나게 됩니다.

해당 특성에 대해 설명해 드린 이유는, 지반의 특성에 따라 지표면에서의 가속도가 달라질 수 있다는 것을 이해하기 위함입니다. 우리나라의 기존 설계 기준이 미국 서부 지역의 지반 분류 체계에 따라 작성되었으며 KDS 17 10 00 에서는 국내의 지반 특성에 맞춘 지반 분류체계로 개정되게 됩니다.

이제 기존의 내진설계기준과 KDS 내진설계일반에 대해서 살펴보도록 하겠습니다.

(KDS기준은 따로 기준 해설서가 없어.. 교수님들의 다양한 세미나/강의 자료를 토대로 자료를 작성하였으며 관련 연구보고서 및 논문을 참고하여 정리해드립니다.)

KDS 기준 이전의 설계응답스펙트럼 기준

곧바로 KDS 기준에 대한 분석 전에… KDS 이전의 설계응답스펙트럼 기준들은 어떻게 제시하고 있는지 알아 볼 필요가 있으며, 국외 설계 기준도 살펴보도록 하겠습니다.

1. 교량의 설계 스펙트럼 (도로교 설계기준 2010) (국토해양부, 2010)

   도로교 설계기준 2010 (도로교 설계기준 한계상태설계법 동일)에서는 “탄성지진응답계수”를 적용하여 지진하중을 등가정적하중으로 산정합니다.

   탄성지진응답계수는 아래와 같이 산정합니다.
   
   
   

   

2. 

   해당 기준에서 지진구역 분할과 지진구역 별 지진구역계수, 재현주기에 따른 위험도계수 등은 “내진설계기준연구(II), 건설교통부, 1997) 의 내용을 준용하고 있습니다.(도로교설계기준 한계상태설계법 해설 참조)

   이에 따른 지진 1구역, 내진 1등급교(평균재현주기 1000년)에 대한 주기 별 탄성지진응답계수를 확인하면 아래와 같습니다.
   
   
   

   

    

   
   
   

3. 도로교설계기준에서는, 단주기 영역에서 유효지반가속도에서 최대가속도로 증폭되는 것이 아니라 최대가속도로(2.5A)부터 일정하게 유지되는 형상을 가지고 있습니다. 단주기 고유주기를 가진 교량 구조물이 거의 없기 때문에, 해당 영역의 스펙트럼 가속도를 최대가속도로 가정하여 단순화된 스펙트럼 형상을 취하고 있습니다.

   지반 분류에 따른 스펙트럼을 살펴보면, 단주기 영역에서 지반 분류에 따라 스펙트럼 가속도가 증폭되지는 않습니다. 다만 가속도 평활 구간 이후, 지반가속도가 감소되는 영역에서 연약지반일 수록 스펙트럼 가속도는 증폭되는 경향을 가지고 있습니다.

    

4. 도로교설계기준(한계상태설계법) - 케이블교량

초장대교량사업단에서 수행한 연구를 기반으로, 도로교설계기준(한계상태설계법) 케이블교량 기준이 제정되었으며, 5% 감쇠비에 따른 표준설계응답스펙트럼을 아래와 같이 제시하고 있습니다.

Ca(지진가속도계수)와 Cv(지진속도계수)는 지진구역(I 또는 II)과 지반 분류(SA ~ SF)로 구분하여 적용하고 있으며, 재현주기에 따른 위험도계수를 곱하여 산정합니다.

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전체 콘텐츠에는 아래 내용까지 포함되어 있어요!

우리나라 지진 및 지반 특성에 적합한 설계 스펙트럼의 작성
기존 설계 응답스펙트럼 적용의 제한
우리나라 설계 스펙트럼의 기준이 되는 지진
국내, 외 판내부 지역의 지진 기록

참고문헌