상식으로 이해하는 내진설계

아주대학교

김장훈

내용

• 구조공학 개요– 설계 개념– 하중– 재료

• 피해사례 (지진을 중심으로)• 내진설계 이해

– 내진설계철학– 내진설계원리

구조공학 개요

구조물(Structures)이란?

• 일정한 형태를 가지고• 기능을 위하여• 하중 또는 힘을 지반으로 안전하게 전달하

는 시스템

보기: 이동전화기, 컴퓨터, 교량, 표지판, 가구, 자동차, 기계, 건물 등

건설(Construction)이란?

• 인간의 편의를 위하여• 지상 또는 지하에 구조물을 축조하는 행위• 다른 엔지니어링 분야의 제품생산과는 다

르다.

知彼知己, 百戰百勝

보유능력 > 요구량Capacity > Demand

하중은 피할 수 없는 필요악

하중은

구조물의 존재로 인하여 발생하지만,

구조물의 목적달성을 위하여

구조물의 기능수행을 위하여

반드시 극복되어야 할 대상

하중 추정은 복잡한 문제

• 근본적으로 variable vector

• 디자인, 재료, 위치에 따라 변화

• 시간에 따라 변화

(보기) 고정하중, 적재하중, 눈, 바람, 지진, 열, 처짐, 충돌, 폭발 등

하중의 결과

• 응력 (應力, stress)• 변형률 (變形率, strain)• 요구량 (demand)

건축구조재료의 조건

• 하중(힘)에 대한 저항

• 변형의 제한

• 상용하중 제거 후 원형 회복 (탄성)

• 극한하중에서는 소성변형능력

※ 상용하중(Service Loads)이란 평상시 구조물의 기능수행을 위하여 부담하여야 하는 하중※ 극한하중(Ultimate Loads)은 파괴되지 않고견딜 수 있는 최대하중

건축구조재료의 보기

• 목재

• 돌, 벽돌, 블록

• 철, 알루미늄

• 철근콘크리트

• 프리스트레스트 콘크리트

• 플라스틱, 유리

※ 적재적소, 형태저항

콘크리트의 거동

0

10

20

30

40

0 0.001 0.002 0.003 0.004 0.005

εc

f c

(MP

a)

Behavior of Mild Steel

힘

변형

항복하중

항복변형

항복점

소성영역탄성영역

※ Mild steel은 대개의 철근콘크리트나 철골 건물의 구조재료

구조설계

힘과 변형에 대하여

과소평가된 보유능력 > 과대평가된 요구량Underestimated Strength > Overestimated Demand

• 초과 하중• 불량재료• 시공 상 오류

안전률

구조공학의 현실

Structural engineering has been defined -with a considerable amount of truth –as "The art of molding materials we do not really understand into shapes we cannot really analyze, so as to withstand forces we cannot really measure, in such a way that the public does not really suspect."

지진과 함께 오는 재해

• 지반의 붕괴로 인한 건물의 전도• 단전• 단수• 개스 폭발• 화재• 비구조재의 탈락으로 인한 사상• 피난로 차단• 도로 및 교량 붕괴로 인한 고립

내진설계 이해

Seismic Risk

(Seismic hazard) × (Vulnerability)

• Seismic risk: 지진의 결과 겪게 될 특정한 사회·경제적 결과• Seismic hazard: 지진에 의하여 벌어질 수 있는 가시적 상황• Vulnerability: 구체적 손상정도

※ Seismic hazard와 Vulnerability는 지역적으로 반비례의 관계에있기 때문에 지구 상 어디에나 동일한 seismic risk가 존재하는 셈(보기) 1976 중국 당산 대지진

활발한 지진대

Seismic Design Philosophy

• 자주 발생하는 중·약 지진에 의하여 구조물은 손상을 입지 않아야 한다.

• 가끔 발생하는 중·강 지진에 의하여 구조물이 손상은 입되 수리 가능하여야 한다.

• 세기적으로 발생하는 아주 강력한 지진에의하여 구조물이 회복 불가능한 손상은 입되 무너지지 말아야 한다.

Seismic Design Strategy

• 탄성 거동을 통하여– 힘으로 버티기– 비경제적

• 비선형·비탄성 거동을 통하여– 몸으로 때우기– 구조물 손상

• 수동제어– 대리자 세우기– 초기비용

• 능동제어– 변위제어– 신뢰성 문제

탄성설계 보기

비선형·비탄성 거동 보기

-600

-400

-200

0

200

400

600

800

-100 -75 -50 -25 0 25 50 75 100

Column Displacement (mm)

Late

ral F

orce

(kN

)EXPERIMENT

PULL

수동제어 보기

Seismic Base Isolation Bearing System

능동제어 원리

+ =

+ =

내진설계 원칙

• 평상시 탄성거동, 유사시 소성거동• 에너지 소산능력이 크게, 즉 변형능력 크

게 (ductile)

– 경고– 시간

• 전체와 상세• 구조재와 비구조재 간 내진성능 정도 같게

내진설계보험®

• 지진의 회귀주기 선택• 내진설계 또는 내진보강 option 선택• 초기투자에 대한 원리금상환을 위한 연 불

입액 또는 지진 피해에 대한 예치금 산정

• 내진설계 또는 내진보강 option에 따른 연보험료 산정

• 보험료와 불입액 또는 예치금을 비교하여건축주가 내진설계 또는 내진보강 최종option 선정

상식으로 이해하는 내진설계내용구조공학 개요구조물(Structures)이란?건설(Construction)이란?하중의 결과건축구조재료의 조건건축구조재료의 보기콘크리트의 거동구조설계구조공학의 현실지진과 함께 오는 재해내진설계 이해Seismic Risk활발한 지진대Seismic Design PhilosophySeismic Design Strategy탄성설계 보기비선형·비탄성 거동 보기수동제어 보기능동제어 원리내진설계 원칙내진설계보험®