기출: 기술사(토목구조) 96회 1교시 1번, 2012년 지진파의종류별특성과 내진설계를하고자 하는구조물이진앙거리에따라(가까울때와멀때) 고려해야할지진파에대하여 설명하시오.

[풀이]

참조:

구조동역학(김두기, 2009), 6-1장 파동전파, 6-2장 지진현상

Hays, W.W., ed., 1981, Facing Geologic and Hydrologic Hazards -- Earth Science Considerations: U.S. Geological Survey Professional Paper 1240B, 108 p.



지진동(ground shaking)은 지진시 지반의 진동을 나타내기 위한 용어이다. 지진동은 실체파와 표면파에 의해 발생한다. 일반적으로 규모가 증가하면 지진동도 증가하고, 지진이 발생한 단층과의 거리가 멀어질수록 지진동도 감소한다. 지진파의 거동이 복잡할지라도, 지진동을 지진파인 실체파(즉, P파와 S파)와 표면파(즉, 레일리파와 로브파)를 사용하여 설명할 수 있다.



P파는 6km/sec의 평균전파속도로 지진파 중에서 가장 빨리 전파하여 구조물에 가장 먼저 도착한다. 다음으로 구조물에 도착하는 3km/sec의 평균전파속도를 갖는 S파는 구조물의 횡방향 진동을 유발한다. 일반적으로 구조물은 수직방향 진동보다 횡방향 진동에 취약하므로 S파는 구조물의 가장 큰 손상을 줄 수 있으므로 내진설계에 가장 중요하게 고려된다. 실체파는 주로 고차진동수(또는 고주파수) 영역의 진동을 유발하는 한다. 반면에 구조물에 뒤늦게 도착하는 표면파는 상대적으로 저차진동수(또는 저주파수) 영역의 진동을 유발한다. 실체파와 표면파는 지진동을 유발하고 이로 인해 복잡한 구조물의 진동을 유발한다. 내진설계의 목적은 이러한 실체파와 표면파에 의한 지진동을 견딜 수 있는 구조물을 설계하는 것이다.



구조물의 내진설계를 위해 지진동의 특성인 세기(amplitude), 진동수 성분(frequency composition) 및 지속시간(duration)을 알아야 한다. 이러한 지진동의 특성은 MMI진도계급, 지진 발생 단층과의 거리, 지반의 특성 등을 고려하여 경험적으로 결정할 수 있다. 여기서 MMI진도계급은 지표면에서 구조물과 사람에 미치는 지진동의 영향을 나타낸다.



단층이 활동할 때, 지진파는 약 0.1-30Hz의 진동수 성분으로 모든 방향으로 전파된다. 실체파는 저층 구조물에 영향을 주는 주로 (1Hz이상의) 고차진동수의 진동을 유발하고, 표면파는 고층 구조물에 영향을 주는 저차진동수의 진동을 유발한다. 저차진동수 성분은 고차진동수 성분에 비해 거리에 따른 감쇠가 작으므로 단층과의 거리가 증가해도 살아남는다. 예를 들어 단층과의 거리가 100km 떨어진 고층구조물의 경우에 저차진동수성분에 의해 손상을 받을 수도 있다.