지진대책(내진, 면진, 제진) 및 피로(한도, 강도, 파괴)

내진구조

구조물을 아주 튼튼하게 건설하여 지진이 발생하여 구조물에 지진력이 작용하면 이 지진력에 대항하여 맞서 버텨서 구조물이 감당을 해내겠다는 개념입니다. 즉 구조물에 작용하는 지진력을 부재의 강도 및 인성 등 부재력을 크게 하여 지진력에 대항하고자 하는 것으로 영어로는 Earthquake-Resistance 정도로 될 수 있겠고 내진설계는 그냥 단순히 Seismic Design이라고도 합니다. 내진설계가 법으로 규정되어 있으며 주요 내용은 200㎡ 이상, 2층 이상의의 모든 건축물은 내진설계 및 내진 성능평가 대상입니다.

내진설계 주요 요소로는 기둥의 대근(Hoop), 보의 늑근 (Striup), X-band 등이 있습니다. 원자력발전소의 경우 지진에 대비하여 두께가 매우 두꺼운 벽식구조로 시공되며, 방사선차폐 기능이 있습니다. 내진구조 성능향상 공법으로서는 지반개량공법(침투주입공법, 사출주입공법, 압축주입공법), 언더피닝공법, 앵커정착공법, 기초형식변경공법, 기둥보강공법(탄소판이용 프리스트레싱 보강공법, 기둥보강장치 및 이를 이용한 기둥보강방법), 콘크리트캡 설치공법, 기초단면확대공법 등이 있습니다.

제진구조

외부에서 오는 진동과 이에 따른 구조물의 진동을 감지하는 기능을 구조물 자체에서 갖추고 구조물의 내부나 외부에서 구조물의 진동에 대응한 제어력을 가하여 구조물의 진동을 저감 시키는 방법과, 구조물의 내부나 외부에서 강제적인 제어력을 가하지는 않으나 구조물의 강성이나 감쇠 등을 입력진동의 특성에 따라 순간적으로 변화시켜 구조물을 제어하는 방법이 있습니다. 전자는 구조물에 입력되는 지반진동과 구조물의 응답을 계산하여 이와 반대되는 방향의 제어력을 인위적으로 구조물에 가함으로써 진동자체를 저감 시키는 방법이고, 후자는 입력되는 진동의 주기성분을 즉각적으로 분석하여 이와 공진을 피할 수 있도록 구조물의 진동특성을 바꾸는 방법입니다. 예를 들자면 버스를 타고 가다 차가 흔들려 진동을 느끼게 될 때, 버스 안에 있는 노인들은 손잡이를 붙잡지만, 젊은 사람들은 자기의 두 발로 버팀으로써 몸의 균형을 유지하고자 합니다. 이러한 몸의 균형을 유지하는 현상을 구조물에 적용하면, 나이 든 사람이 주위의 물체에 의지하여 몸의 균형을 유지하듯이 구조물 내에 보조적인 부재를 설치하여 지진에 견딜 수 있게 하는 구조물이 내진 구조물이며, 젊은 사람들이 두 발로 힘을 조절하여 버틸 수 있는 것처럼 구조물 자체에서 구조물의 진동과 반대되는 방향으로 인위적인 힘을 가하여 진동을 제어하는 설비를 갖춘 구조물이 제진구조물입니다. 그러나 이러한 제진의 방법들은 이론으로는 가능하나 실제 구조물에서는 대형컴퓨터에 의한 계산상의 조그만 착오로 인해서도 오히려 구조물을 파괴하는 방향으로 가력할 수도 있는 위험성과 언제 발생할지도 모르는 지진에 대비하여 항상 설비를 유지보수 하여야 하는 단점이 있습니다. 또한 건물 자체에서 대형 컴퓨터를 보유하여야 하고 여러 가지 계측기기들을 갖추어야 하므로 경제적인 면에서도 소형구조물에서는 아직까지 일반화할 수 있는 방법이라고 볼 수 없으나, 최근에 구조물이 대형화되고, 신기술이 점차 발전됨에 따라 실용화되는 단계에 이르렀습니다. 최근 사용범위가 늘고 있으며 초고층 공사 시에 제진댐퍼를 사용하여 제진보강을 한 사례가 늘고 있습니다.

면진구조

지진동의 특성을 이용하여 구조물의 고유주기를 지진의 탁월 주기(卓越週期, Predominant Period) 대역과 어긋나게 함으로써-지진과 구조물과의 공진(共振, Resonance)을 피하게 함으로써 지진력이 구조물에 상대적으로 약하게 전달되도록 한, 즉 구조물의 고유주기를 인위적으로 길게 하여 지진의 강주기 대역을 벗어나도록 설계된 구조물입니다.

피로이해(한도, 강도, 파괴)

1) 피로한도

반복되는 하중응력이 일정 수준 이하일 때 구조물은 파괴되지 않으며, 이때 하중을 말합니다. 피로한도보다 낮은 반복하중은 10% 정도 정적강도가 증대됩니다. 피로한도보다 낮은 반복하중은 피로강도 개선 됩니다. 일반적 콘크리트 구조물은 피로한도가 없습니다. 피로한도 이상의 하중을 되풀이하면 구조물이 붕괴됩니다.

2) 피로파괴

구조물에 반복하중이 작용하여 피로가 적재되어 정적하중보다 작은 하중에도 파괴되는 것입니다. 콘크리트 비탄성 변형률이 클수록 피로파괴에 유리하고, 횡방향의 압력이 적을수록 유리합니다. 낮은 반복하중은 콘크리트 강도 증대, 피로파괴는 콘크리트의 재령 및 강도와는 무관합니다.

3) 피로강도

구조물이 무한 반복하중에 대해 파괴되지 않는 강도의 최대치를 말합니다. 일반 콘크리트에서 10,000회의 반복하중에 견디는 한계입니다. 피로강도는 하중의 반복 횟수, 응력 변동 범위에 의해 결정됩니다. 콘크리트는 건조상태가 양호할수록 피로강도가 큽니다.

※ 공통사항(피로한도, 피로강도, 피로파괴)

○ 피로발생 요인

기온의 차이가 많은 지역이나 계절, 기계, 기구 등의 중량물의 운행, 중량차량의 반복운행, 파도와 같은 지속적 반복하중.

○ 유의사항

피로균열은 정적파괴보다 파괴변형률이 큽니다. 일반적 콘크리트는 피로한도가 없습니다. 최소 응력값이 낮을수록 피로 수명은 낮아집니다. 피로파괴는 콘크리트 재령이나 강도와는 무관함에 유의해야 합니다.