내진 설계의 진화 – 건축물이 지진을 견디는 기술

“붕괴 방지”에서 “기능 유지”로 확장된 목표

지진은 건물을 흔드는 힘이 아니라, 건물이 가진 약점과 관리의 빈틈을 증폭시키는 사건이다. 과거 내진 설계의 1차 목표는 인명 보호와 붕괴 방지였다. 그러나 병원, 데이터센터, 관제시설, 물류 허브처럼 정지 비용이 큰 사회기반 건물은 지진 중에도 핵심 기능을 유지해야 한다. 이 관점의 변화가 설계 방법을 바꾸었다. 구조 부재의 강도·연성만으로는 충분하지 않다. 에너지를 줄이는 감쇠 장치, 흔들림을 우회하는 면진 기술, 비구조요소 고정, 설비의 기능 유지가 함께 설계의 본류가 되었다. 또한 “설계로 끝”이 아니라, 시공 품질과 주기적 상태 진단, 지진 후 빠른 점검·복귀 절차까지 포함하는 운영 체계가 필수 요소로 자리 잡았다.

 

 

지진 응답의 기초와 핵심 기술

건물은 스프링(강성), 질량, 감쇠로 이상화되는 진동계다. 지반가속도가 입력되면 관성력(질량×가속도)이 층간전단력으로 나타나고, 고유주기와 감쇠비가 응답을 좌우한다. 고유주기가 길수록 단단한 지반의 고주파 성분을 덜 증폭하고, 감쇠가 높을수록 응답 스펙트럼의 정점이 낮아진다. 실제 구조물은 항복 이후 비선형 거동을 통해 에너지를 소산한다. 이때 연성(항복 후 변형을 흡수해 붕괴를 지연하는 능력)을 확보하기 위해 기둥-보의 강약 배치, 구속철근 배근, 좌굴방지 보강 등 상세가 중요하다.

현대 내진 기술은 세 축으로 정리된다.

 

• 내력·연성 설계: 모멘트골조, 전단벽, 철골 브레이스의 적절한 조합으로 하중 경로를 명확히 하고, 소성힌지가 빔·브레이스 등 의도한 위치에서 먼저 형성되도록 유도한다. 비틀림 불균형을 줄이는 평면계획(코어의 중앙 배치, 질량·강성의 좌우 대칭)이 기본이다.
• 에너지 소산(감쇠) 설계: 점성댐퍼(속도 의존 감쇠), 금속항복댐퍼(저주기 반복에서 안정적 히스테리시스), 마찰댐퍼(마찰력으로 에너지 흡수)를 사용해 층간변위와 가속도를 동시에 낮춘다. 리듬이 다른 여러 장치를 분산 배치하면 넓은 주파수 대역에서 감쇠 효과를 얻는다.
• 면진(기초격리): 건물과 지반 사이에 적층고무받침, 납심적층고무(LRB), 슬라이딩 베어링을 설치해 상부구조의 고유주기를 수초대로 늘리고, 지반의 고주파 진동을 차단한다. 면진층에서는 수십 센티미터의 상대변위가 생기므로, 상하수·가스·전력·통신 관통부에는 플렉시블 조인트와 신축이음을 적용해 파단을 방지한다.
  초고층과 장주기 구조물에는 동조질량감쇠기(TMD)가 더해진다. 수백 톤의 질량을 스프링·댐퍼에 매달아 주 구조물과 반대 위상으로 움직이게 하면 응답이 크게 줄어든다. 물기둥을 이용하는 TLCD(튜닝드 리퀴드 컬럼 댐퍼)나 마찰진자형 면진과 조합한 하이브리드 전략도 확산 중이다. 여기에 자력 복원형(포스트텐션) 전단벽, 록킹 프레임 같은 “손상 제한형” 개념이 도입되며, “수리하기 쉬운 손상”을 의도적으로 설계하는 흐름이 강화되고 있다.

진화의 궤적: 규정, 사례, 검증 방법

설계 철학은 “허용응력→강도설계→성능기반설계(PBEE)”로 발전했다. 성능기반설계는 목표 성능을 다단계로 정의한다. 예를 들어, 소지진에서는 운영 상태 유지, 중지진에서는 손상 제한 및 사용 가능, 대지진에서는 붕괴 방지 같은 계층적 목표를 건물 용도에 맞춰 설정한다. 이를 검토하기 위해 시간이력 해석과 푸시오버 해석이 일상화되었고, 지반-구조 상호작용(SSI), 장주기 지진동, P-Δ(축력과 변형의 상호작용) 같은 고급 효과를 고려한다. 사례 흐름을 보면, 1970~80년대에는 전단벽과 연성 철근콘크리트가 고층 표준을 이루었다. 1990년대 이후 병원·제조·발전시설에서 반복 사용성을 중시하며 감쇠장치가 본격 채택되었고, 면진은 데이터센터·박물관·컨버전스 업무시설로 확산되었다. 초고층 분야에서는 TMD와 아웃리거-벨트 트러스, 고성능 콘크리트·제진 커튼월이 결합되며 풍·지진을 동시에 통제한다.

 

검증 수단도 정교해졌다. 실대형 부재·골조의 반복가력 실험, 댐퍼·베어링의 수명·온도 의존시험, 진동대 실험이 설계 가정의 근거를 제공한다. 공용 중에는 구조 헬스 모니터링(SHM)으로 가속도·변위·변형률을 상시 계측하고, 지진 후에는 응답 기록과 비교해 잔류변형·부재 손상 위치를 추정한다. 확률론적 방법을 더해 수명주기 동안 기대손실과 복구시간을 평가하면, 초기 비용과 운영 리스크를 정량 비교할 수 있다.

 

사회적 영향과 운영: 비구조요소, 설비, 복구 전략

현실의 피해는 구조체만이 아니다. 천장재, 유리, 경량 칸막이, 배관·덕트·케이블 트레이 같은 비구조요소가 흔들림에 전도·낙하·파단되면, 인명과 기능이 동시에 위협받는다. 따라서 내진 설계는 비구조요소의 고정을 동급 과제로 다룬다. 앵커 볼트 간격, 행거의 지그재그 보강, 스프링 행거, 케이블 트레이의 슬로팅·클리어런스 확보가 표준 상세로 자리 잡아야 한다. 계단은 상·하층과 독립된 슬라이딩 디테일로 층간변위에 따라 잡아찢기는 파손을 막고, 유리 커튼월은 코너·수직재에 전단 핀과 조인트의 이동 여유를 설계한다.

 

면진·감쇠 건물의 운영은 상태기반 유지보수(CBM)가 핵심이다. 베어링의 균열·박리, 댐퍼의 누유·마찰면 마모는 지진이 없어도 시간이 만든다. 설치 당시의 기준 성능 곡선과 주기 점검 데이터를 비교해 교체 시기를 결정한다. 주요 설비는 이중화와 고정이 함께 설계되어야 한다. 자가발전기, UPS, 자동소화, 급수·급기·배기 시스템은 고정 디테일과 전원 이중화가 명시되어야 하며, 지진 시 자동 셧오프 밸브의 오작동·과도 트립을 막는 필터링 로직도 필요하다.

 

복구 전략은 시간 개념으로 정의한다. T0(지진 직후)에는 신속 점검(SSE)으로 붕괴 위험, 화재·가스 누출, 홍수 가능성을 배제한다. T1(24~72시간)에는 비구조요소의 재고정과 설비 시험 가동으로 부분 개소를 달성하고, T2(수주)에는 손상 제한형 부재의 교체·보수, 데이터·병상·생산 라인의 점진적 정상화를 이끈다. 면진·감쇠 시스템을 갖춘 건물은 같은 규모의 지진이라도 T1까지의 시간이 극적으로 짧다. 이것이 총비용 최소화의 실질적 근거다.

 

정책·보험·도시 차원에서는 기능 유지형 성능 목표를 공공 건물·필수 시설의 기본값으로 삼고, 기존 건물 보강에 인센티브를 제공해야 한다. 학교·병원·공공청사는 점성댐퍼 보강이나 부분 면진 리트로핏으로 층간변위를 30~60% 낮출 수 있으며, 비구조요소 고정만으로도 인명·재산 피해의 큰 부분을 줄인다. 도시 인프라(교량·송변전·상수도)와 민간 대형 시설의 연동 복구 계획을 미리 맞추면, 광역 차원의 경제 손실을 크게 줄일 수 있다.

 

유연성, 다중 방어선, 데이터 운영

내진 설계의 진화는 한 문장으로 요약된다. “강하게 만드는 것에서, 유연하게 설계하고 데이터로 운영하는 것으로.” 내력·연성은 마지막 방어선, 감쇠는 진동을 줄이는 완충지대, 면진은 위험의 주파수 대역 자체를 우회하는 해법이다. 비구조요소와 설비의 고정은 작은 비용으로 큰 손실을 막는 가장 효율적인 투자다. 성능기반설계와 구조 헬스 모니터링이 결합된 오늘의 프레임은, 같은 규모의 지진이라도 복구 시간을 단축하고 기능 중단을 최소화한다. 지진은 불가피하지만 피해는 선택 가능하다. 건물과 운영의 선택을 바꾸는 것이, 다음 흔들림을 일상의 사건으로 낮추는 가장 현실적인 길이다.