지진의 종류, 특성, 지진력, 내진설계 원칙 및 방법

내진설계는 구조물이 지진 발생 시 지반으로부터 발생하는 힘에 대해 견딜 수 있도록  하는 공학의 한 분야로서 내진설계의 목적은 지진 발생 시 발생 가능한 기반의 흔들림이나 단층 파열 등에 견딜 수 있고 인명의 안전을 보장하는 것입니다. 그 목적을 효율적으로 달성하기 위해 우선 지진의 종류와 특성, 지진의 발생 원인을 알고 진앙과 진도에 따른 지진력의 차이, 지진력을 고려한 내진설계의 원칙과 방법에 대해서 알아보고자 합니다.

지진의 종류

 지진은 그 특징과 그것을 일으킨 지질학적 과정에 따라 몇 가지 유형으로 분류되며 주요 지진의 종류는 다음과 같습니다.

첫 번째, 구조 지진입니다. 가장 일반적인 유형의 지진으로, 구조 플레이트의 이동에 의해 야기되는데 단층선을 따라 응력이 축적되고 갑자기 해방되어 지면이 흔들리게 되는데 이때 발생 하는 지진입니다. 두 번째, 화산성 지진으로 화산 내 마그마의 이동에 의해 일어나는 것으로 종종 분화 전이나 분화 중에 발생하며, 보통 구조 지진보다 규모가 낮은 것이 특징입니다. 세 번째, 붕괴 지진으로 지하광산이나 동굴 붕괴로 인해 발생하는 지진으로 구조적 지진이 발생하기 어려운 지역에서도 발생할 수 있습니다. 네 번째, 폭발 지진으로 원자력 장치나 대형 일반 폭탄 등 인위적인 발생원의 폭발에 의해 발생하는 지진을 말합니다.

지진의 특성

 지진의 특성은 지진의 크기 및 진도, 지진파 형태, 지속 시간, 진앙으로부터의 거리 등 몇 가지 요인에 따라 달라지며 지진의 일반적인 특징은 다음과 같습니다. 첫 번째, 지진의 크기(매그니튜드)입니다. 매그니튜드는 별의 광도나 규모라는 뜻도 있지만 일반적으로 지진의 지진파의 세기를 측정하여 크기(규모)를 나타내는 단위로 쓰이며, 1 단위가 증가하면 지진이 가진 에너지는 약 30배 강해진다고 알려져 있습니다. 두 번째, 진도(지진의 강도)로 지진의 강도는 특정 장소에서 사람이 느끼거나 구조물이나 환경에 미치는 피해를 측정한 것으로 보통 수정 메르칼리 강도(MMI) 스케일 또는 유럽 매크로 내진 스케일(EMS)로 측정되는데 진원으로부터의 거리와 현장 상황, 지진의 크기에 따라 달라질 수 있습니다. 세 번째, 지진파 형태로 지진파란 지각을 통과하는 파동의 일종으로 지진 발생 시 단층을 따라 암석이 갑자기 이동하면서 발생하며 P파, S파, 표면파로 구분할 수 있습니다. 또한, 지진의 주파수 범위에 따라 저주파, 고주파로 구분할 수 있으며 고주파 함유량은 진동 주기가 짧아 구조물에 많은 손상을 일으킬 수 있습니다. 네 번째, 지속 시간입니다. 흔들림이 발생하는 시간의 길이를 말하며 지진 지속 시간이 길수록 흔들림의 누적 효과로 인해 구조물 피해가 커질 수 있습니다. 다섯 번째, 진앙으로부터의 거리입니다. 진앙이란 지진이 발생한 위치를 말합니다. 진원지로부터의 거리는 특정 장소에서 경험하는 흔들림의 강도에 큰 영향을 미칠 수 있으며, 진원지에 가까운 구조물은 멀리 있는 구조물보다 더 강한 흔들림을 경험할 수 있다는 것을 의미합니다. 여섯 번째, 지반 조건으로 특정 장소의 지반 특성은 지진 시 경험하는 흔들림의 강도에도 영향을 주며, 연약한 토양과 퇴적물이 느슨한 지역은 지진파의 영향을 증폭시켜 구조물 손상 가능성을 높일 수 있습니다. 이렇듯 지진의 종류와 특성을 이해하는 것은 특정 현장의 잠재적 지진 위험성을 평가하고 지진의 힘을 견딜 수 있는 구조물을 설계하기 위해 매우 중요한 사항이라고 할 수 있습니다. 

지진의 진앙과 진도에 따른 지진력의 차이

 지진의 지진력은 지진의 크기, 진원으로부터의 거리, 지역 지질에 따라 결정되는데 지진의 크기는 진원에서 방출되는 에너지의 양을 나타내는 척도로 0에서 10까지의 리히터 스케일로 나타납니다. 지진의 지진력은 일반적으로 진원지에서 가장 강하고 진원지로부터의 거리에 따라 감소하나 지진의 강도는 그 지역의 토양 종류와 암석층 등 다른 요인에도 영향을 받을 수 있습니다. 예를 들어 부드러운 토양은 지진으로 인한 흔들림을 증폭할 수 있고 단단한 암석은 흔들림을 감쇠시킬 수 있습니다.

일반적으로 더 높은 규모와 진원지가 인구 밀집 지역에 가까운 지진은 더 강한 지진력으로 구조물과 인프라에 더 큰 피해를 가져올 것입니다. 그러나 지진의 강도도 지반 조건에 따라 다를 수 있기 때문에 같은 규모의 지진이라도 인구 밀도가 높은 도시 지역에서 단단한 바위가 있는 인구 밀도가 낮은 농촌 지역보다 더 많은 피해를 일으킬 수 있다는 것입니다. 때문에 효과적인 지진 발생 시의 피해 최소화 전략을 수립하기 위해서는 지진이 사람이나 인프라에 미치는 잠재적 영향을 이해하는 것이 중요하며 지진력을 견딜 수 있는 건물 및 인프라 설계와 함께 임박한 지진 사전 통지를 제공하는 조기 경보 시스템 개발 등이 필요한 것입니다.

내진설계의 원칙과 방법

 내진 설계의 원칙은 건물이나 구조물을 지진 피해로부터 보호하고 지진파에 의해 발생하는 힘을 견디며 지진 후에도 사용목적에 따른 기능이 안전하게 유지할 수 있도록 하는 것입니다. 그 방법으로 지진 설계에 사용되는 몇 가지 중요한 원칙과 방법은 다음과 같습니다. 우선 첫 번째, 건축 코드입니다. 대부분의 국가에는 내진 설계의 최저 기준을 정한 건축 기준이 있습니다. 이 코드들은 과학적, 공학적 원칙에 기초하고 있으며 구조물이 지진력을 견딜 수 있도록 하기 위한 건물 설계 및 건설에 관한 가이드라인을 제공하고 있습니다. 두 번째, 지진 분석과 설계로 지진에 견딜 수 있는 구조물을 설계하려면 내진 해석과 설계가 필수적입니다. 엔지니어는 수학적 모델과 컴퓨터 시뮬레이션을 사용하여 구조물이 지진력에 어떻게 반응할지 예측하고 손상을 최소화하기 위해 설계를 최적화하여야 한다는 것입니다. 세 번째, 면진은 건물을 지반에서 유연한 베어링이나 댐퍼를 사용하여 격리함으로써 지진의 힘으로부터 건물을 보호하는 기술로 건물로의 지진력 전달을 줄이고 손상으로부터 보호할 수 있는 방법입니다. 네 번째, 감쇠란 건물이나 구조물의 에너지를 흡수 또는 발산하여 지진력의 영향을 줄이는 방법으로 구조물에 점탄성 재료를 추가하거나 에너지를 흡수하는 댐퍼를 설치하는 것이 감쇠구조의 한 방법입니다. 다섯 번째, 기존 건물 강화로 기존 건물의 대부분은 개보수를 통해 내진 성능을 향상할 수 있는데 그 방법으로는 브레이스 추가, 기초 강도 증가 또는 내진력에 저항하기 위한 구조 요소 추가 등의 있습니다. 여섯 번째, 정기적인 점검 및 유지보수입니다. 지진 후에도 건물의 안전성과 기능을 확보하기 위해서는 정기적인 점검 및 유지보수가 필수이며 건물 소유자는 지진 후 손상 점검 및 수리를 위한 계획을 세워 추가 발생 가능한 지진에 대한 대비가 이루어져야 합니다.

지진의 발생과 구조물에 미치는 영향에 대해 그 위험성과 중요성을 많은 사람들이 얘기하고 있으며 수많은 과학자와 기술자들의 연구 개발을 통해 내진 설계 원리나 방법은 끊임없이 진화하고 변하고 있습니다. 이러한 원칙과 방법을 간과하지 말고 건물 설계와 건설에 통합 적용하였을 때 지진 발생에 따른 인명 피해와 건물, 인프라 미칠 영향을 줄일 수 있다는 것을 잊지 않아야 할 것입니다.