1. 목적

□ 일본의 건축연구소에서는 지진시의 건축물의 거동을 관측에 의해 정량적으로 파악하여 건축물의 내진 설계법 개량에 기여하는 것을 목적으로, 건축물의 강진 관측을 1957년부터 실시하고 있음

○ 한편, 일본의 초고층 건축물은 1960년대 후반부터 건설되기 시작되었지만, 건축연구소가 초고층 건축물을 대상으로 본격적으로 강진 관측을 시작한 것은 1995년 효고현 남부 지진 이후

○ 또, 면진(免震) 건축물에 대해서도, 1995년 효고현 남부 지진 이후 면진 건축물의 건설이 급격하게 증가함에 따라 면진 시공된 공공 건축물을 대상으로 강진 관측을 시작

□ 이러한 상황 속에서, 2011년 3월 동일본 대지진이 발생해 관측 건축물에서 본진(本震) 및 그 여진(餘震)에 대한 다수의 지진 기록이 발생함

○ 지진 관측이 기록된 초고층 건축물은 미야기현, 도쿄도, 사이타마현, 가나가와현 및 오사카부의 청사 및 집합 주택의 총 9개동이며, 면진 건축물은 일본 전국에서 총 6개동

○ 이번 동일본 대지진에서는 토호쿠(東北) 지방이나 칸토(關東) 지방의 넓은 지역에서 진도 6 이상의 지진동(地震動)이 관측

- 칸토 평야나 오사카 평야 등에서는 장주기(長周期)가 장시간에 걸쳐 계속되는 장주기 지진동이 관측되어 초고층 건물이 오랜 시간 동안 큰 진폭으로 흔들리는 현상을 보임

- 한편, 면진 구조를 채용한 건축물의 상당수에서는 실내의 진동이 크게 저감되어 지진 후에도 통상의 생활이 가능하였음

□ 본 보고서는 동일본 대지진의 본진(本震)의 관측 기록을 이용해 건축물의 거동 특성의 변화를 분석

○ 또, 설계에서 이용되는 해석 모델을 이용한 지진 응답 해석을 실시하여, 관측치와의 비교를 통해 해석의 타당성을 검증

○ 그 외, 건축물의 관리자 및 거주자(직원)를 대상으로 지진에 의한 피해 상황 및 거주자의 행동 등에 대해 앙케이트 조사를 실시해, 관측된 진동의 크기와의 상관 관계를 고찰

2. 동일본 대지진의 장주기 특성

□ 동일본 대지진에서의 본진의 장주기 지진동 특성은 재해지(미야기, 이와테, 후쿠시마 등), 토쿄권, 그 외 대도시권의 각각에서의 강진 기록에 근거해 검토

○ 관측 지진동은 방재과학기술연구소를 비롯해 기상청, 대학, 지자체 등의 관측 실시 기관에 의해 방대한 관측 기록이 공표되었지만, 건축연구소에 의한 강진 관측은 주로 건축물을 대상으로 한 관측 기록

□ 동일본 대지진의 관측에서는, 대진폭(大振幅)을 기록한 지점의 지리적 범위가 넓고, 어느 지점의 기록에서도 공통적으로 계속 시간이 매우 긴 것이 특징

○ 재해 지역에서는 지진동에 의한 피해와 연안 지방에서의 해일 피해가 있었으며, 특히 연안 지역의 건축물은 해일에 의한 피해가 지배적

○ 장주기 지진동의 경우, 진동이 장시간 계속 되는 특징이 많지만, 이번 동일본 대지진은 진원 지역이 넓고 진원의 파괴가 완료할 때까지의 시간이 길었기 때문에 단주기(短周期)도 길게 계속된 것이 특징

3. 강진 관측 기록에 근거한 건축물의 진동 특성 평가

건축연구소가 강진 관측을 실시하고 있는 건축물 가운데, 2011년 동일본 대지진과 관련해 강진 기록이 관측된 미야기현에서 오사카부까지의 범위에 건설되어 있는 초고층 건축물, 면진 건축물, 중저층 일반 건축물에 대해, 강진 기록을 이용한 시스템 분류를 실시해, 건축물의 진동 특성을 평가

(1) 초고층 건축물

□ 철골조 초고층 건축물

○ 1차 고유 진동수는 토호쿠 지방이나 칸토 지방에 입지한 건축물의 경우, 지진 중간에 5%에서 15% 정도로 변화

○ 또, 킨키(近畿) 지방에 입지한 건축물의 경우, 1차 고유 진동수는 2∼3% 정도로 변화

□ 철근 콘크리트조 초고층 건축물

○ 강진 관측이 기록된 건물 J에서는 고유 진동수가 25% 정도 저하하여 철골조 건축물에 비해 저하율이 큼

□ 감쇠 정수(減衰定數, damping constant)

○ 철골조 초고층 건축물에서는 동일본 대지진을 경계로 큰 변화는 볼 수 없었지만, 철근 콘크리트조 초고층 건축물에서는 동일본 대지진 이후 감쇠 정수가 커지는 경향을 볼 수 있었음

(2) 면진 건축물

□ 면진 건축물의 1차 고유 진동수는 토호쿠 지방이나 칸토 지방에 입지한 건축물에서 15%∼45% 정도 저하

○ 진동수의 저하율은 건축물에 따라 크게 다르지만, 지진중의 면진 장치의 기여 정도에 따라서도 다름

○ 감쇠 정수는 지진동의 주요동(主要動, principal shock) 부근에서 감쇠 정수가 60% 정도 상승하는 건축물도 볼 수 있었음

(3) 중저층 일반 건축물

□ 강진 관측을 실시한 중저층 건축물은 모두 철골 철근 콘크리트조 또는 철근 콘크리트조였으며, 이들 건축물의 경우, 1차 고유 진동수는 토호쿠 지방에 입지한 건축물의 경우에는 50% 정도 저하. 또 칸토 지방에 입지한 건축물의 경우에는 1차 고유 진동수가 30% 정도 저하

4. 강진 관측 기록에 근거한 초고층 건축물의 지진 응답 평가

□ 초고층 철골조 건축물 8개동에 대해, 최하층에서 관측된 가속도 기록을 입력한 지진 응답 해석을 실시해, 해석 결과와 관측 기록을 비교하여 해석 모델의 타당성 및 구조 부재의 소성화(塑性化) 정도 등에 대해서 분석

□ 관측 기록의 분류 결과

○ 건축물의 1차 고유 주기의 범위는 1.47초∼6.57초, 건축물의 설계 정보에서 요구하고 있는 해석 모델의 1차 고유 주기는 1.35초∼6.97초의 범위로, 분류 결과와 해석 모델의 값의 차이는 약 10% 이하인 건축물이 많았음

○ 또, 1차 감쇠 정수는 대체로 1.5%∼3% 정도, 2차 감쇠 정수는 2% 미만∼4% 미만 정도의 범위

□ 지진 응답 해석의 결과

○ 건축물의 최대층간 변형각은 0.0005∼0.008rad 정도의 범위이지만, 건축물 꼭대기의 최대 변형이 약 136cm, 프레임의 소성율이 1.0을 조금 넘는 층이 있는 건축물도 볼 수 있었음

○ 2% 강성(剛性) 비례형 감쇠를 설정했을 경우에 비해, 레일리(Rayleigh)형 감쇠를 설정하는 것이 관측 기록과의 비교 분석이 용이

5. 초고층 사무소 건축물의 관리자․거주자를 대상으로 한 앙케이트 조사

□ 초고층 사무소 건축물 내 시설 관리자 및 거주자(직원)를 대상으로, 건축물의 피해 및 진동의 상황 등에 대한 앙케이트 조사를 실시

○ 면진 건축물에서는 피해가 전무하였으며, 제진 구조를 채용한 건축물의 경우에는 비구조와 설비에 피해가 발생하였지만 건축물은 피해가 없었음

○ 시설 관리자를 대상으로 한 앙케이트 조사 결과에서는, 미야기(宮城)에 위치한 건축물 전체에서의 대피, 도쿄 내에서 1동의 건축물에서 일부 대피가 있었지만, 도쿄의 다른 건축물에서는 대피 지시가 없는 등 대피 판단에 차이를 볼 수 있었음. 한편, 지진 이후에는 엘리베이터의 조기 복구의 필요성이 많이 지적되고 있음

○ 건축물의 거주자(직원)를 대상으로 한 앙케이트 조사 결과에서는, 관측된 진동의 가속도․속도와 거주자의 행동에 높은 상관 관계가 있음을 알 수 있었음