지진하중(Seismic load, Earthquake load) 개요

지진하중은 지진이 발생할 때 땅에 접하는 구조물이 지진운동으로 흔들림에 따라 구조물의 질량과 지반의 가속도로 인하여 관성력이 생겨 발생하는 하중을 말합니다.  지진은 발생확률이 있기 때문에 지진하중에 대해서는 탄성을 넘어서서 비탄성영역가지도 설계를 합니다. 지진하중에 대한 내용은 KDS 41 17 00 건축물 내진설계기준에 규정되어 있는데, 여기서는 최근  2019년 개정된 내용을 바탕으로 살펴보겠습니다. 

 

지진하중을 적용하는 순서는 다음과 같이 규정되어 있습니다.

(1) 지진위험도, 내진등급, 성능목표의 결정

(2) 내진구조계획

(3) 지진력저항시스템 및 설계계수의 결정

(4) 지진하중의 산정

(5) 구조해석

(6) 해석결과의 분석

(7) 구조시스템과 부재에 대한 강도설계

(8) 부재 및 연결부의 구조상세에 대한 설계

(9) 필요시 비선형 해석에 대한 결과 검증

(10) 비구조요소에 대한 설계

 

(1) 내진등급 및 성능목표

내진등급 및 성능목표를 먼저 정하는 것은 유효지반가속도를 결정하기 위한 것입니다. 지진하중은 지진의 속도, 가속도, 지속시간 및 방향과 구조체의 탄성복원력, 관성력, 감쇠성능에 의해 좌우됩니다.

그런데 힘은 질량 × 가속도로 계산되기 때문에 일차적으로 중요한 것은 지반이 어느 정도의 가속도로 움직이느냐 일 것입니다. 이 지반의 유효지반가속도를 결정하는 것이 중요합니다.

 

지진구역 및 지반위험도(Z)

구조설계기준에서는 지진의 위험도에 따라 지진구역 1과 지진구역2로 구분하고 있습니다. 지진구역 1은 지진이 발생할 확률이 높고 발생하는 지진하중도 큰 지역이라고 볼 수 있습니다. 강원 북부와 제주는 지진이 적은 지역입니다. 

 

위 표에서 보시면 지진지역계수(Z)가 지진구역 Ⅰ에서는 0.11g이고 지진구역  Ⅱ에서는 0.07g입니다. 여기서 g는 중력가속도를 나타냅니다. 중력가속도를 기준으로 어느 정도의 비율인지를 나타내면 편하기 때문에 이렇게 정의하고 있습니다. 

 

위험도계수(I)

지진의 재현주기에 따라 적용하는 위험도계수는 다음과 같습니다. 위험도계수는 대상으로 하는 지진의 재현주기에 따라 적용값이 달라집니다 .

 

유효지반가속도

유효지반가속도는 위 식처럼 지진지역계수(Z)에 위험도계수(I)를 곱해서 계산합니다.

지금은 재현주기 500년을 기준으로 설계하지 않고 최대고려지진과 기본설계지진으로 나누어 설계합니다. 성능기반설계를 제외한 탄성설계를 할 때는 기본설계지진을 적용합니다. 기본설계지진은 재현주기 1000년을 기본으로 하고, 최대고려지진의 경우에는 재현주기 2400년을 기준ㅇ로 합니다. 

지진구역	행정구역	지진구역계수(Z) (재현주기500년)	최대고려지진S (재현주기 2400년)	기본설계지진 (재현주기 1000년)
지진구역 Ⅰ	기타 모든 지역	0.11g	0.11×2=0.22g	S ×(2/3)
지진구역  Ⅱ	강원 북부2, 제주	0.07g	0.07×2=0.14g	S ×(2/3)

 

이 경우 세분화된 지도를 활용할 수도 있습니다. 

 

국가지진위험지도, 재현주기 2400년 최대고려지진의 유효지반가속도(S)%(소방방재청, 2013)

 

 

값을 부지고유의 지진응답해석을 수행하여 결정할 수 있다. 이 경우 부지고유 응답해석으로 산정한
설계스펙트럼가속도는 지진구역계수(Z)와 2400년 재현주기에 해당하는 위험도계수(I) 2.0을 곱한 값에 해당지반의 증폭계수를 적용하여 구한 값의 80 % 이상이어야 합니다.

 

만일 인천지역이라고 하면 위 지도에 따라 0.16g를 적용할 수 있습니다. 그런데 인천은 지진구역  Ⅰ에 속하기 때문에 최대고려지진 S 값은 0.11×2=0.22g입니다. 따라서 0.22g의 80%이상이 되어야 하므로 0.176을 적용해야만 합니다. 

 

내진등급별 성능목표

내진등급별 성능목표는 건축물의 중요도에 따라 달랍니다. 건축물의 중요도는 다음글을 참고하시기 바랍니다. 

▶ 건축물의 중요도분류 - 중요도 특, 1, 2, 3

 

 

건축물의 성능수준은  기능수행, 즉시복구, 인명보호, 붕괴방지 수준으로 4가지로 구분할 수 있으며, 이를 만족하기 위하여 건축물을 구성하는 구조요소와 비구조요소가 각각 갖추어야할 성능수준은 표 2.4-1과 같이 규정하고 있습니다.

건축물의 성능수준	구조요소의 성능수준	비구조요소의 성능수준
기능수행	거주가능	기능수행
즉시복구	거주가능	위치유지
인명보호	인명안전	인명안정
붕괴방지	붕괴방지	-

 

기능수행과 즉시복구는 대피가 불필요합니다. 다만 비구조요소의 성능에 차이가 있어서 기능수행은 비구조요소 예를 들어 설비까지 기능을 수행할 수 있는 정도를 말합니다.

 

인명보호는 지진 당시에는 안전하지만 차후에 여진이 발생하면 위험할 수 있으므로 복구 시가지는 대피가 필요합니다. 인명보호수준도 구조요소에 상당한 손상이 있을 수 있으므로 복구가 완료될 때까지는 대피가 필요합니다. 

 

붕괴방지는 심각한 피해를 입을 수 있으므로 영구적으로 대피가 필요한 수준입니다.

 

여기서 건축물의 내진등급별 최소성능목표는 다음 표와 같습니다.

내진등급	성능목표		설계지진
	재현주기	성능수준
특	2,400년	인명보호	기본설계지진 × 중요도계수
	1,000년	기능수행	-
Ⅰ	2,400년	붕괴방지	-
	1,400년	인명보호	기본설계지진 × 중요도계수
Ⅱ	2,400년	붕괴방지	-
	1,000년	인명보호	기본설계지진 × 중요도계수

 

지반의 분류

지진하중에 있어서 중요한 것 중의 하나가 지반입니다. 유효지반가속도에 따라 지반이 흔들린다고 해도(유효지반가속도가 동일하다고 해도) 지반조건에 따라 건물의 응답은 달라지기 때문입니다.

 

설계응답스펙트럼 가속도

지반의 종류에 따라 건축물에 반영되는 설계응답스펙트럼 가속도는 다음과 같이 계산합니다. 

공진으로 인한 증폭은 단주기일 때 많이 발생하는데, 감쇄효과가 있어서 그렇게 까지 증폭되지는 않기 때문에 2/3 값을 곱해서 계산합니다. 

 

1초 주기가 되면 지진과 공진가능성이 크지 않으므로 계산식이 달라집니다.

 

 

 

▶ 다음글 설계응답스펙트럼이란?/ 설계응답스펙트럼 구하는 방법

 

다음 글은 하중에 대한 내용들입니다.

▶ 건축물 하중의 종류/ 하중조합/ 하중조합의 원리

▶ 고정하중(D); Dead load

▶ 활하중(L); Live load

▶ 활하중의 저감계수/ 활하중 줄이기

▶ 풍하중(W); Wind load

▶ 풍하중을 계산할 때 속도압/ 설계풍압/ 기본풍속/ 지표면조도구분/ 풍속고도분포계수

▶ 풍하중 - 가스트영향계수

 

▶ [분류 전체보기] - 구조역학 관련 전체 내용

▶ [분류 전체보기] - 건축구조 지식 저장소 목차