1. 서론

현행의 “철도구조물 등 설계표준, 동 해설(내진설계)”는 1995년 효고현 남부지진 시 발생한 철도구조물의 큰 피해를 기회로 토목구조물의 내진성에 관하여 검토를 실시하여 정리한 것이다. 종래의 내진설계에서 고려한 지진동에 추가로 단층 근접지역에서 발생하는 강렬한 지진동을 고려하는 2단계 설계법을 채용함과 동시에 설계 지진동에 대하여 내진성능을 조사하는 성능조사형의 설계체계도 조기 도입하였다.

한편 효고현 남부지진 이후, 급속하게 정비된 지진관측망에 의해 다수의 강진동이 기록되었으며, 지진동 및 지반진동에 관한 연구가 발전하였다. 또한, 실험 및 수치해석의 발전에 의해 구조물의 지진설계에 관한 기술도 고도화되어 지진공학분야의 연구는 크게 발전하였다. 이러한 배경 하에서 최근의 내진설계기술의 동향과 주요 지식에 관하여 정리하였다.

2. 내진설계법을 둘러싼 국제기준과 일본 국내기준이 동향

(1) 국제기준

WTO협정에 부속된 국제표준화에 관한 규정은 “무역의 기술적 장애에 관한 협정(TBT 협정)과 “정부조달에 관한 협정(정부조달협정)” 2가지 이다. 이것에 의해 국제규격을 국내강제규격, 국내임의규격의 기초로 하는 것이 의무화되어 있다.

일본도 TBT협정을 비준하고 있기 때문에 정부조달 및 민간부문조달에 의한 토목관련분야의 공사에서는 이 사양 및 기술기준(기술기준, 시방서 등)의 기초로서 국제규격의 사용이 요구된다. 즉, 철도에서도 이 기술기준은 국제규격에 정합되는 것이 요구되어, ISO 규격의 사실 상의 엄수가 국제적으로 요구되게 되었다.

(2) ISO2394 구조물의 신뢰성에 관한 일반 원칙

토목구조물의 설계에 관련된 ISO로서는 ISO2394가 있다. ISO2394는 “구조물의 신뢰성에 관한 일반원칙”으로 10장에 걸쳐 자세한 원칙이 규정되어 있으며, 그 중에서는 신뢰성 설계법을 채용하여 계산방법으로서 한계상태 설계법이 이용되고 있다.

미국에서는 캘리포니아 구조기술자협회(SEAOC)를 중심으로 내진설계의 생각방식에 대한 검토가 실시되었다. SEAOC의 Vision2000은 구조물의 중요도에 대응한 유연한 설계가 이루어지도록 설계 지진동 레벨과 내진성능 레벨을 4단계로 분류한 성능 매트릭스에 의한 설계방법을 제시하였다.

(3) ISO23469 구조물의 설계 기본-지반기초구조물의 설계에 이용하는 지진작용

ISO23469의 본질적인 생각방식은 2단계의 순서로 지진작용(1^st 스텝: 자유지반에서 지진동을 평가하고, 2^nd 스텝: 그 결과를 기초로 지반과 구존물의 상호작용을 고려한 지진작용을 평가한다)을 결정하고, 사용성과 안전성이라는 2가지 성능목표에 적합한 지진작용(사용성 조사 지진동: 확률론적 해석에 의한 평가, 안전성 조사 지진동: 확률론적 해석 또는 확정론적 해석)을 평가하는 점이 집약된다.

(4) 일본 국내기준

항만시설의 내진기준에서는 2007년 개정이 실시되어 성능설계체계의 본격 도입, 지진동 취급의 대폭적인 개정, 파괴확률 및 변형량을 지표로한 새로운 설계수법의 도입이라는 점에서 지금까지의 기준과는 다른 대폭적인 개정이 이루어졌다.

원자력시설에서는 2006년에 내진설계 심사지침이 개정되었다. 그 중에는 (가) 1995년 효고현 남부지진의 경험을 계기로 지진동 및 구조물의 내진성에 관한 최신의 지식을 반영하는 것과, (나) 국제적으로 원자력 안전 내진설계에 대하여 확률론적 안전성 평가를 반영하는 움직임과의 정합성을 취하는 것으로 되어 있다.

3. 최근의 기술개발에 관한 각론

철도구조물의 설계에서도 법령 및 설계표준이 순차적으로 성능규정형의 설계표준으로 개정이 진행되고 있다.

(1) 설계 지진동의 평가방법

지진동을 예측하기 위한 방법으로서 “레시피”가 고안되었다. 이 “레시피”를 이용하면 과거 지진의 진원특성, 전파경로 및 지표지반의 구조 등에 관한 정보에 기초하여 흔들림의 예측에 필요한 파라미터가 순서대로 주어져 동일한 정보로부터 누가 시행해도 일정한 신뢰성 있는 예측결과가 얻어진다고 알려져 있다. 이 방법은 문부성의 지진조사위원회 및 내각부 중앙방재회의에 의한 특정 활단층 및 해구형 지진을 상정한 흔들림의 예측에 이용되고 있다.

철도구조물의 내진설계에도 L2 지진동의 설정에는 적극적으로 이 방법을 이용하여 사이트 특유의 지진동을 설정하는 것이 바람직하다고 알려져 있다. 단, 모든 구조물의 설계에서 지진동을 예측하는 데 현실적이지 못하다는 사실도 있다. 따라서, 표준적인 지진동을 준비하는 것은 의의가 있다. 이러한 표준적인 지진동을 설정할 때에는 1999년 이후 급속히 발전한 강진 관측망에 의해 비교적 규모가 큰 다수의 지진기록이 얻어져, 이것을 사용함으로써 1999년 표준의 표준 지진동의 스펙트럼이 수정되었다.

(2) 지반의 평가

지진표준에서는 용이하게 지반거동을 평가하는 방법으로서 “지반종별”에 의한 방법이 있다. 이것은 실무적인 방법이지만, 연약지반 등 지진 시에 흙의 특성이 크게 변화되는 지반에서는 적용이 어려워 “지점의존의 해석(동적해석)”에 의해 수행된다. 이 경우, 특히 주의가 필요한 것이 흙의 비선형 특성 모델화이다. 종래에는 흙의 비선형 모델에 Masing칙을 이용하는 것이 많아, 그 결과 절단면과 함께 흙의 전단응력과 전단변형의 관계가 방추형에서 슬립모양으로 변화되는 특징을 표현할 수 없었지만, 개량 Masing칙을 이용함으로써 위의 특성을 표현할 수 있는 모델 등이 개발되었다. 이것에 의해 작은 변형으로부터 큰 변형까지 정밀하게 지반거동을 평가할 수 있게 되었다. 또한 이 모델을 이용하는 파라미터도 표준화되어 설계실무에서의 적용성이 상당히 높아졌다.

(3) 구조물의 응답평가

현행의 내진설계에서는 비선형 응답 스펙트럼법이 실무적으로 유효한 방법으로서 자리잡고 있다. 비선형 응답 스펙트럼법을 이용하는 경우에는 구조물 전체 계의 강복점(yielding point)과 골격곡선을 어떻게 정의하는가가 중요하다. 지금까지는 구조종별에 의존하지 않고 부재 및 지반 등 최초에 강복하는 상태를 전체 계의 강복이라고 정의하고 있다.

그러나 다양한 구조형식에 관하여 상세한 검토를 수행한 결과, 다음과 같은 점을 알았다.

- 교각구조와 같이 소성힌지가 교각 하부에 한정적으로 발생하는 경우, 그 손상이 주변 지반보다도 선행하는 형태에 관해서는 부재로서의 강복점와 구조물 전체 계의 하중-변위곡선의 절곡점이 일치한다.

- 교간의 내력이 크고, 항부재 및 기초 주변지반의 소성화가 뚜렷한 경우, 하중-변위곡선이 완만한 곡선을 나타낸다. 부재로서의 강복점과 구조물 전체 계의 하중-변위곡선의 절곡점이 일치하지 않는다.

- 라멘고가교와 같이 부정정(statically indeterminate) 구조물에서는 소성힌지가 복수의 장소에서 발생한다. 이 경우에는 부재로서의 강복점과 하중-변위곡선의 절곡점은 일치하지 않고 라멘의 4부분에 소성힌지가 형성된 시점에서 하중-변위곡선에 명확한 절곡점이 발생한다.

(4) 동적 상호작용

동적 상호작용에는 관성력에 의한 상호작용(Inertial interaction)과 지반변위에 의한 상호작용(Kinematic interaction)이 있으며, 기초의 단면적 등도 양쪽의 영향에 의해 발생한다. ISO23469에서는 이점을 중시하고 있음에도 불구하고, 거의 모든 기준이 전자만을 고려하고 있다. 그러나, 철도구조물의 설계에서는 양쪽 상호작용을 고려하고 있으며, 지진 시에 관성력뿐만 아니라 지반변위에 의해 응력이 발생하는 것도 착안하고 있어 그 영향은 응답변위법에 의해 평가하고 있다. 또한, 그 때 관성력과 지반변위의 조합방법에 관해서도 합리적으로 정하고 있어 ISO23469에서의 그 골자가 채용되고 있다.

1999년 표준에서 응답변위법은 지반변위가 크게 되는 G4 지반 이상에서만 적용이 의무화 되어 있다. 그러나 실제로는 관성력과 지반변위의 상대적인 대소관계에서 어느쪽의 상호작용의 영향이 큰가 결정된다.

(5) 새로운 지표를 이용한 조사방법

구조물의 요구성능에 안전성과 복구성이 요구되는 경우가 많다. 복구성은 “상정된 작용에서 구조물의 기능을 사용 가능한 상태로 유지한다. 또는 단기간에 회복 가능한 상태를 유지하기 위한 기능”으로 정의된다. 상정된 지진동에 대해 구조물을 단기간에 기능 회복 가능한 상태로 유지하기 위해서는 구조물 주변의 환경상황을 고려하여 적용 가능한 기술에 의해 타당한 경비의 범위 내에서 기능 회복할 수 있는 범위 내로 구조물의 손상 등의 정도를 조절할 수 있는 것이 필요하다.

종래에는 기능평가 지표로서 부재의 수복성에 착안한 손상수준을 채용하는 것이 일반적이었다. 그러나, 보다 유연성이 있는 생각방식으로서 경제성에 착안하여 생각하는 것도 가능하다. 즉, “타당한 기간 및 경비에서 기능을 회복할 수 있다”라는 성능을 공학적으로 표현하는 지표로서 “초기 건설비용과 설계 내용기간에 지진 후의 복구 비용과 간접피해의 기대치의 합, 즉 총 비용의 최소화(TCM)”를 고려하는 것도 가능하다.

(그림) TCM의 계산 예

(그림) TCM을 만족하는 구조물의 조사 노모그램

ISO2394에서는 신뢰성 설계를 기본으로 하고 있지만, 목표수준을 어떻게 정할 것인가가 중요하다. 그 설정법 중 한가지로 라이프사이클 비용이 최소가 되는 수준을 목표로 하는 방법도 나타내고 있으며 앞으로의 방향성 중 하나로 생각된다.

4. 마무리

앞에서 소개한 국제기준의 동향 및 내진평가법에 관한 기술동향을 고려하여 국토교통성의 지도 하에, 2006년에 철도종합연구소에 “내진설계 기준에 관한 위원회”가 설치되었다. 그 후, 설계지진동, 요구성능, 지반 및 구조물의 거동평가, 조사방법 등에 관하여 검토를 실시하고 있다. 현재 국토교통성에 “철도 구조물 내진기준 검토위원회”가 설치되어 이번 지진동을 내진설계로 어떻게 해석해야 하는가 검토가 시작되었다. 이러한 결과를 반영한 형태로 내진설계 표준을 정리할 예정이다.

▣ 원문제목 : 最近の鉄道構造物の耐震設計技術