현재 우리나라는 지진 발생 빈도 증가에 따라 구조물의 내진성능을 파악
하기 위해 구조해석을 실시하게 되며 보다 명확한 해석을 위해 비선형 지진
응답해석을 수행하게 된다. 비선형 지진응답해석의 수행을 위해 입력되는
지진파는 설계지진파라 하며 선정 기준은 건축물 내진설계기준(KDS 41 17
00 : 2019)에 의거하여 설계지진파를 선정한다. 건축물 내진설계기준에서 설
계지진파의 선정 적합성 검토는 3개 혹은 7개 이상의 지진파를 사용하여 설
계지진파의 평균응답스펙트럼이 구조물의 고유주기에 의한 범위(0.2T1≤T≤
1.5T1) 내에서 유효지반가속도 및 지반종류에 따른 설계스펙트럼에 대한 하
한값 이상을 갖는 조건을 제시한다. 그러나 응답스펙트럼의 최대응답가속도
의 주기 영역대가 유사한 지진파만이 선정될 경우 최대응답특성을 나타내는
주기 영역대에 대한 다양한 검토가 간과될 것으로 사료된다. 이는 7개의 지
진파를 사용할 경우 평균값을 사용하여 내진성능을 검토하도록 요구하는 기
준의 의미를 충분히 반영하지 못하는 것으로 사료된다. 또한 건축물 내진설
계기준에서 지진파의 지속시간에 대한 언급은 전무하다. 설계지진파를 선정
할 경우 지진파의 지속시간은 대부분 가속도-시간이력곡선에 대한 임의적
판단으로 강진부 부근을 포함하여 설계지진파로 제시되고 있어 지진파의 지
속시간에 대한 공학적 근거가 미비한 실정이다. 이 연구에서는 건축물 내진
설계기준의 의미를 보다 명확히 반영하기 위해 다양한 진동 특성이 고려된
지진파 선정 방법을 제안하고 지진파의 에너지량을 바탕으로 공학적 근거를
기반한 지진파의 지속시간 산정 방법을 검토하고자 한다.
선행 연구 또한 계측지진파의 데이터 부족으로 인공지진파 제작에 관한
연구가 수행되어 왔다. 지진파의 지속시간에 관한 연구는 국내의 경우 인공
지진파의 경우에 한하여 다루고 있으며 원자력 건축물을 대상으로 한 ASCE
4-98에서 제시하는 지속시간을 기반으로 연구가 수행되어왔으며 국외의 경
우 Arias intensity를 기반으로하여 지진파의 유효 지속시간을 제시하고 있다.
하지만 지진파의 지속시간은 원자력 구조물에 한하여 언급이 되고 있으므로
일반적인 구조물에 대한 고려 및 적용여부는 미비한 실정이다. 그러므로 이
연구에서는 구조물에 대하여 다양한 진동특성이 고려된 설계지진파 선정 방
법과 효율적인 비선형 지진응답해석을 위한 지진파의 지속시간을 제안하고
자 한다.
다양한 진동특성이 고려된 지진파 선정 방법을 제안하기 위해 PEER
Center의 MSE(Mean Squared Error)검토를 통한 계측지진파 선정과 D/B 분석
을 통한 다양한 진동특성이 고려된 계측지진파에 대하여 동일 지반에 대한
부지응답해석 결과 암반에서의 진동 특성이 유지되며 지표로 전달되는 것으
로 나타났다. 그러므로 다양한 진동특성이 고려된 지진파를 선정할 경우 현
행 건축물 구조기준에서 제시하고 있는 의미를 보다 명확히 반영할 수 있을
것으로 사료된다.
효율적인 비선형 지진응답해석을 위해 Arias intensity에 기반하여 선행 연
구에서 제시된 지진파의 지속시간을 산정하여 5%-75%, 5%-95%,
0%-100%까지 구간을 설정한다. 지속시간 산정에 따른 각 지진파의
0%-100% 구간에 대한 5%-75%구간의 비는 평균 24%, 5%-95%구간의 비
는 평균 48%로 나타났다. 단 이 연구에서는 비선형 지진응답해석을 위한
효율적인 Load case 입력을 위해 각 지속시간의 도입부 5%를 포함하여
Perform-3D에 입력한다. 대상 구조물의 고유주기와 유사한 지진파와 상대적
단주기·장주기 영역에서 탁월한 진동특성을 나타내는 지진파를 사용해 비선
형 지진응답해석을 실시한 결과 0%-75% 구간 내 각 부재의 최대·최소 응
답이 발생하여 지진파의 75% 구간까지의 해석결과로 구조물의 내진성능이
파악되는 것으로 나타났다. 그러므로 지진파의 에너지량에 기반한 설계지진
파의 지속시간을 검토한 결과 0%-75%구간까지만의 해석으로도 구조물의
내진성능 판단이 가능한 것으로 나타났다. 이는 구조물의 규모가 증가함에
따라 시간적·경제적 효율성 또한 비례하여 증가할 것으로 사료된다.
이 연구에서는 암반에서 다양한 진동 특성이 고려된 지진파를 선정하여
부지응답해석을 실시한 결과 지표면에서도 암반에서의 진동특성이 유지되는
것으로 나타나 대상 구조물에 대해 다양한 지진동에 대한 응답 특성 검토가
가능할 것으로 나타났다. 또한 지진파의 에너지량에 근거하여 지진파의 지
속시간을 산정한 결과 0%-75% 구간과 0%-95% 구간의 내진성능 판단결과
는 0%-100% 구간의 내진성능 판단결과와 동일하게 나타나 공학적 근거에
기반한 지진파의 지속시간 산정이 가능한 것으로 나타났다.