1. 서론

 

(1) 검토체제

 

본 연구는 건축연구소가 2009년도의 개별중점연구과제(장주기 건축물의 내진안전성 대책기술의 개발”실시에 있어서 2009년도 건축기준정비촉진보조금사업에 기초한 조사사항에 관한 공동연구로서 동 사업의 사업주체와 공동으로 실시한 것이다. 건축연구소는 조사연구의 계획책정, 연구성과 정리를 위한 설계용 장주기 지진동의 제안에 대하여 주요 역할을 다하는 것 이외에 다른 항목에 대하여 각 사업주체와 함께 연구를 수행하였다.

 

(2) 2009년도 지진동 실무자회의 검토내용

 

2008년도 작성한 지진동을 건물응답 실무자 회의에 배포하고, 초고층 건축물, 면진 건축물의 모델에 의한 지진 응답해석을 수행함과 동시에 동해, 동남해 등의 연동형 지진동의 모의작성 작업을 수행하고 다음과 같은 정밀도 향상 및 지진동의 불규칙의 명확화에 관련된 작업을 수행하였다.

 

- 각 과거 평가파와의 비교

- 사이트 증폭율, 사이트 계수의 개량

- 증폭율의 검토(공학적 기반기준과 관측점 이외의 증폭율 평가방법 검토)

- 작성파형의 편차 검토(작성 21파형의 편차 등)

 

(3) 건물응답 실무자 회의의 검토 개요

 

- 본 검토에서는 “지진동 실무자 회의”가 작성한 장주기 지진동의 “평균파”에 대해서는 초고층 건축물도 응답치는 종래 레벨2 지진동의 설계 표준(criteria)에 적합한 결과를 얻었다. “평균파”수준의 장주기 지진동에 대해서는 건축물의 진동 지속시간의 길이 및 에너지 입력의 크기에 유의 하면서 현행 설계 표준을 만족하는 설계가 가능하다고 생각된다.  

 

- 한편, “평균+평균 편차파” 수준의 장주기 지진동에 대해서는 초고층 건축물과 면진 건축물도 종래의 설계표준을 크게 넘는 응답이 되는 경우가 있는 것으로 나타났다. 지진동 작성방법에서 회귀식의 오차 등 예측 파형의 편차는 상당히 크며, 건물응답의 결과에서도 “평균+표준 편차파”의 수준을 설계에 고려하는 것은 과대한 입력이라고 생각된다.

 

- 그럼에도 불구하고, 만의 하나 일어날지 모르는 “평균+표준 편차파”에 대해서도 초고층 건축물과 면진 건축물이 파괴되지 않는다는 것을 검증하기 위해서는 응답치가 설계 안전한계를 넘는 경우, 건축물의 거동을 추적할 수 있는 해석방법과 그 모델화에 필요한 구조실험의 축적이 필요하지만, 본 검토결과에서도 그것에 관한 연구는 아직 불충분하다는 것을 알았다.

 

- 또한, 기존 건축물의 효과적인 보강방법의 개발도 급선무이나, 본 검토에서 제진기(Damper)의 설치로 응답치를 작게 할 수 있는 가능성을 나타냈다. 다만, 필요한 보강량을 결정하는 방법과 시공방법에 대하여 설계자가 참고할 수 있는 기술지침 등이 없는 것이 현실이다.

 

- 그리고, 초고층 건축물의 지진 후 기능유지가 필요한 승강기설비에 관해서는 이미 장주기 지진동 대책이 추진되고 있으나, 구조체의 응답치가 설계 안전한계를 넘는 경우를 상정하고 있지 않으며, 본 검토에 대해서도 엘리베이터 승강로 벽의 낙하 등이 일어날 수 있다고 지적되었다.

 

- 이와 같이 건축물 설계에서 지진동의 편차의 취급뿐만 아니라 건축물측의 성능 파악과 대책방법의 검토 등 논의해야만 하는 문제는 많이 남아있다.

 

 

2. 장주기 지진동의 평가 현황

 

(1) 초고층 건축물의 설계용 지진동의 현황과 과제

 

초고층 건축물을 대상으로 한 지진응답 해석에서 이용되는 지진동에 대해서는 현재 다음과 같은 문제점과 과제가 지적되고 있다.

 

- 기존의 초고층 건축물에서 사용된 검토용 지진동에 건설시기에 의한 설계수준이 상이하다. 관측기록의 축적과 예측기술의 발전에 따라 설계용 지진동은 진화하는 것이기 때문에 어쩔 수 없는 면이 있다. 그러나, 최신 방법으로 평가한 지진동으로 기존의 초고층 건축물의 내진성능을 평가하는 것은 중요하다.

 

- 고시파에 대해서는 각 건설지점의 깊은 지반구조에 기인하는 지역 고유의 탁월주기(Predominant Period)가 고려되지 않는다. 탁월주기와 탁월밴드폭 등이 지역마다 설정할 수 있는가 생각하는 것은 유용하다.

 

- 관측기록에서 보이는 장주기 지진동의 특징인 매우 긴 지속시간이 고려되어 있지 않다. 관측기록에서는 레벨은 작으나 수분이상 계속되는 것도 있으며, 건축물의 응답 성장의 관점에서 지속시간은 중요한 요소이다. 충분한 기록시간을 갖는 관측데이터 축적이 필요하다.

 

- 사이트파에 대해서는 개별로 건물마다 평가되고 있으나, 평가방법이 다양하며, 그 타당성을 판단하는 가이드라인과 같은 것은 없다.

 

- 초고층 건축물이 거대지진을 아직 경험하지 않았기 때문에 유용한 응답 관측기록이 충분하지 않다.

 

- 단주기 지진동과 장주기 지진동의 발생 시간대의 차가 고려되어 있지 않다. 일반적으로 최초로 도래하는 단주기 지진동과 후진동 모두를 고려한다.

 

- 가까운 장래에 발생이 염려되는 동남해 지진 등에 따른 초고층 건축물의 피해 가능성에 대하여 시급히 검토할 필요성이 있으며, 특히 장주기 지진동 시뮬레이션 등 최근 여러 가지 방법에 기초한 제안파를 구조설계에 이용할 필요성이 요구된다.

 

(2) 장주기 지진동의 평가 현황

 

과거, 1964년 니가타지진과 2003년 도카츠오키지진에서 발생한 석유탱크의 지진 시 슬로싱(sloshing)에 의한 화재문제로 초고층 건축물 등의 장주기 건축물에 대한 영향이 우려되었다. 따라서, 최근에는 일본건축학회와 토목학회에 의한 검토 중에서 가까운 장래에 발생이 염려되는 거대지진(동해지진, 남해, 동남해지진, 관동지진 등)을 대상으로 한 몇 개 지점에서 추정되는 예측 지진동 파형이 제공되고 있다.

 

이들 검토에 의하면, 건설지점의 장주기 지진동을 결정하는 요소는 (a) 진원의 크기와 진원파괴역(미세돌기, asperity) 분포와 파괴속도 등, (b) 진원역과 건설지점과의 거리에 의한 지진동의 감쇠특성, (c) 건설지점 주변 밑의 깊은 구조(특히 3차원구조)에 기인하는 장주기 성분의 생성이다.

 

그 중에서 (a)의 진원에 관해서는 지진조사연구추진본부에 의해 주요 지진에 관한 추천 모델이 공표되어 있다. (b)는 거리감쇠의 문제이지만 장주기 지진동 자료의 축적은 최근 진행되고 있으며, 이 자료를 이용하여 통계적인 검토에 의한 평균적 특성을 파악할 필요가 있다. (c)는 일본의 지하구조에 관하여 현재 어느 정도 알고 있는가 또는 장주기 지진동 예측의 정확도를 향상시키기 위해 앞으로 어떤 조사가 필요한가에 관하여 검토가 진행되고 있다.

 

3. 연구결과

 

본 검토에서는 최근 관측된 다수의 지진기록에 기초하여 상정한 지진(연동형을 포함)의 규모와 진원위치를 이용하여 설계용 지진동의 작성방법으로서 건설지의 지진동 스펙트럼 레벨과 위상특성을 추정하는 실험식을 작성하고 그 유효성에 대하여 검토하였다. 이 경우, 장주기 지진동의 건축물에 대한 영향의 관점에서 각 성분의 계속 시간 특성도 고려할 수 있는 모델이다. 또한, 실험식에 보다 가까운 장래에 발생이 상정된 지진에 관하여 대도시권의 대표적인 지점에서의 가속도 응답 스펙트럼을 구하고 그 지점에서의 지진동 시각력(時刻歴)의 작성을 수행하였다.

 

초고층 건축물에 대해서는 RC, 철골의 종류, 건축물 높이 차이를 고려한 해석모델을 합계 13개 종류를 작성하고, 각각에 대하여 장주기 지진동에 의한 응답형태의 검토를 수행하였다. 면진 건축물에 대해서도 건축물의 규모, 건설연대, 면진 장치 등의 종류에 의해 40개 종류의 해석모델을 작성하고, 지진 응답해석을 수행하여, 응답형태의 검토를 수행하였다. 또한, 건축설비로서 엘리베이터, 에스컬레이터를 들 수 있으며, 그 지진대책에 대하여 최신 상황과 과제의 정비를 수행하였다.

 

장주기 지진동의 평균적 특성 및 그 불규칙성에 대하여 검토하고, 그것들에 대한 초고층 건축물과 면진 건축물의 응답특성에 대하여 검토하였다. 검토에서 얻은 여러 가지 지식에 대해서는 각각 검토 부분에 기술하였다.

 

본 검토에서는 장주기 지진동 성분을 포함하는 기존의 강진관측기록(주로 K-NET, KiK-net, JMA 각 기록)을 수집, 정리하여 장주기 지진동이 갖는 평균적 성질과 그 불규칙성에 대하여 검토하였다.

 

단층모델 등을 이용한 이론적 지진동 예측방법도 급속히 그 신뢰성이 증가하고 있으나, 본 검토와 같이 경험적 방법에서도 진원, 전파경로, 그리고 건설지점 바로 밑의 깊은 지반구조에 대하여 보다 상세한 정보가 축적되고, 이용 가능하게 되는 것이 중요하다.

 

지진동특성 중 진폭특성에 대해서는 가속도 스펙트럼과 에너지 스펙트럼에 대하여 각 평균적 성질 및 각 사이트에 고유한 증폭특성에 대하여 검토하였다. 시각력의 작성에 관해서는 지금까지 거의 검토대상이 되지 않았지만, 본 검토에서는 지진동을 구성하는 파군(波群)의 파동전파에 따른 상대적인 시간차이에 관심을 두어 파괴개시점과 건설지점 사이의 파동전파에 의해 계속 시간이 긴 파형이 형성되는 것을 이용하여 시각력 작성의 새로운 수법을 개발하였다. 평가지점 바로 밑 지반에 의한 장주기 성분의 증배율에 의해 주기대별로 산정하였다.

 

본 검토에서는 상정진원에 대한 지진동 시각력의 추정을 하나의 목표로 한다. 다만, 시각력은 여러 가지 요인으로 크게 불규칙하며, 응답 스펙트럼 특성 등에 따라 대충 적용하는 것도 중요하다고 생각된다. 응답특성에 영향을 미치는 지표로서는 이 경우 계속 시간이 대단히 중요한 지표가 되며, 이번 도입한 시각력 평가에 있어서도 각주기 대역의 파형 유효 계속 시간과 등가적 지표를 진원특성에서 구한다.

 

마지막으로 검증용 장주기 지진동의 평가방법 확립을 위해서 앞으로 필요한 검토항목에 대하여 언급한다. 모든 사항을 단기간에 달성하는 것은 불가능할지 모르나, 각각의 사항은 앞으로 정기적인 수법의 개량에 유용하다고 생각된다.

 

 

■ 장주기 성분을 높은 정밀도로 충분한 시간을 가지고 평가하기 위한 장주기 지진동 자료의 확충

■ 기존연구, 검토(경험식과 강진동 시뮬레이션) 및 관측기록과의 비교

■ 개별지진의 영향도, 건설지의 지역특성, 지진동의 계속 시간을 고려한 설계용 지진동 작성수법 제안

■ 예측지 진동 상호간 및 이들의 지진동에 의한 응답특성의 불규칙성 검토

■ 진원과 지반증폭 특성 등 지역특성을 고려하기 위하여 필요한 설계지원 자료정비와 평가순서 작성

■ 관측 지진동과 지반조사 데이터에 의한 사이트 특성의 계속적 재평가

 

본 자료가 관련기준의 기술적 배경, 연구적 자리매김과 성숙도 등에 대한 이용자의 이해를 촉진시킴과 동시에 장래 데이터의 확충과 검토방법의 고도화 등을 위하여 수행되는 검토와 평가작업에서 적합하고 효율적인 작업을 가능하게 할 것으로 확신한다.