기존 건축물에 내진성능평가가 필요한 이유

지진은 예고 없이 발생합니다. 그런데 문제는 현재 우리 주변에 서 있는 건물 대부분이 내진설계 의무화 이전에 지어졌거나, 내진 기준이 강화되기 전 설계 기준을 적용받았다는 점입니다.

신축 건물은 설계 단계부터 지진하중을 계산해 구조를 만들지만, 이미 지어진 건물은 다릅니다. 실제로 존재하는 구조물이 과연 지진이 왔을 때 얼마나 버틸 수 있는지, 어느 부재가 가장 먼저 손상될 것인지, 인명 피해를 최소화할 수 있는지를 평가해야 합니다. 이것이 내진성능평가가 필요한 이유입니다.

국토교통부는 이를 체계화하기 위해 「내진성능평가 세부지침 해설서 - 건축물」을 발간했습니다. 법적으로는 「시설물의 안전 및 유지관리에 관한 특별법」 제21조 및 같은 법 시행령 제17조에 근거한 지침입니다.

이 지침이 다루는 핵심 내용

기존 건축물의 내진성능을 정확하게 조사·평가하고 신뢰할 수 있는 내진정보를 취득하기 위한 실시 방법·절차·기준을 제시합니다. 내진설계 기준과 목표는 동일하지만, 절차는 매우 다릅니다.

적용 대상 건축물의 범위

이 세부지침은 「시설물안전법」 시행령 별표 1에서 규정하는 건축물에 적용됩니다. 구체적으로는 제1종 시설물과 제2종 시설물 중 '5. 건축물' 분야, 그리고 제3종 시설물 중 '2. 건축분야'가 대상입니다.

내진성능평가와 내진설계의 결정적인 차이

많은 분들이 내진성능평가와 내진설계를 비슷한 개념으로 생각하지만, 접근 방식이 근본적으로 다릅니다.

신축 건물의 내진설계는 아직 존재하지 않는 구조물을 대상으로 합니다. 주요 구조 부재만 분석하고, 불확실성을 보수적으로 처리하기 위해 하중계수로 하중을 늘리고, 강도감소계수로 부재 능력을 줄입니다.

반면 기존 건축물의 내진성능평가는 실제로 서 있는 구조물을 대상으로 합니다. 주요 부재뿐만 아니라 하중 저항에 관여하는 모든 부재를 해석 모델에 포함해야 합니다. 현장조사로 실제 재료강도를 확인하기 때문에 강도감소계수를 적용하지 않습니다. 성능기반 평가에서 강도감소계수는 1.0으로 봅니다.

사양기반 설계 vs 성능기반 평가의 핵심 차이

사양기반 내진설계에서는 구조형식별 에너지소산능력을 미리 가정해 지진하중을 줄인 뒤 탄성해석으로 설계합니다. 성능기반 내진성능평가는 실제 비선형 거동과 에너지소산능력을 직접 분석해 구조물이 어느 수준의 성능을 발휘할 수 있는지 평가합니다.

핵심 용어 정리: 평가를 이해하기 위한 기본 개념

내진성능평가 보고서나 지침을 읽다 보면 생소한 용어들이 많이 등장합니다. 자주 쓰이는 핵심 용어를 정리했습니다.

내진성능평가 절차: 5단계로 진행됩니다

내진성능평가는 단순히 구조계산 한 번으로 끝나지 않습니다. 지침에 따르면 다음 순서로 진행됩니다.

1. 지진위험도 및 목표성능의 설정 — 대상 건물의 내진등급을 확인하고, 해당 등급에 맞는 성능목표를 정합니다.
2. 평가절차의 결정 — 예비평가로 충분한지, 상세평가가 필요한지, 상세평가 중에서도 어떤 해석 절차를 쓸지 결정합니다.
3. 기본정보조사 및 해석모델 제작 — 설계도서와 현장조사로 건축물 정보를 수집하고, 구조해석 모델을 만듭니다.
4. 성능수준 판정 — 해석 결과로 층간변위각과 부재별 변형·강도를 평가해 성능수준(거주가능/인명안전/붕괴방지)을 판정합니다.
5. 보고서 작성 — 평가 과정과 결과를 문서화합니다. 성능을 만족하지 못하면 내진보강방안을 함께 제시합니다.

기본정보조사: 설계도서 확인부터 현장조사까지

평가의 출발점은 대상 건물에 대한 상세한 정보 수집입니다. 정보가 부정확하면 아무리 정교한 해석을 해도 결과를 신뢰할 수 없습니다.

설계도서 조사

건축물 대장, 완공도면, 구조계산서, 지반조사보고서를 수집하고 검토합니다. 여기서 위치와 지반조건, 시공연도, 내진설계 여부, 적용 설계기준을 확인합니다.

현장조사

도면만으로는 확인할 수 없는 정보를 현장에서 직접 확인합니다. 구조부재의 시공상태, 조적 채움벽과 허리벽 등 비구조요소, 지반 상태, 재료강도, 마감재 현황을 포함합니다.

특히 내진성능에 큰 영향을 미치는 구조부재와 조적채움벽은 현장에서 반드시 노후도와 상태를 확인하고 평가에 반영해야 합니다. 주근의 이음, 횡보강근의 정착 상세처럼 파악하기 어려운 정보는 건설 연도 당시의 시공관행을 참고해 평가자가 판단합니다.

재료강도 결정: 현장시험이 원칙입니다

내진성능평가에서 재료강도는 현장시험 결과를 적용하는 것이 원칙입니다. 현장시험을 실시하지 못한 경우에는 책임기술자의 합리적인 판단 근거를 기재해야 합니다.

콘크리트 압축강도 결정 절차

코어시험 최소 수량은 조사단위 수량(층당 1개)과 6개소 중 큰 값을 원칙으로 합니다. 코어는 직경 50mm 이상이어야 하며, 보·기둥·벽체·슬래브에서 내력에 영향을 최소화할 수 있는 위치에서 채취합니다. 기둥과 보의 코어시험 수량은 부재별로 1개를 초과하지 않습니다.

비파괴시험은 조사단위별로 두 종류 이상의 부재에서 각 2개소 이상 수행합니다. 코어시험과 병용할 경우 보정계수를 반드시 산출하고 적용해야 합니다.

현장시험 없이 재료강도를 결정하는 경우

현장시험을 실시하지 못한 재료의 공칭강도는 설계도서상의 설계기준강도에 경과연수 및 재료상태에 따른 감소계수를 곱해 사용합니다.

설계도서에 설계기준강도가 없는 경우에는 건설연도별 기본 재료강도를 사용합니다.

지진위험도와 성능목표: 어떤 지진에 어느 정도 버텨야 하는가

내진성능평가에서 가장 먼저 정해야 할 것이 바로 성능목표입니다. 어떤 지진(재현주기)에 대해 어느 수준의 성능(성능수준)을 만족해야 하는지를 정합니다.

구조요소의 성능수준 3단계

내진등급별 최소 성능목표

평가 대상 건축물은 해당 내진등급에 따라 2가지 이상의 성능수준을 만족해야 하며, 2400년 재현주기 성능수준을 반드시 포함해야 합니다.

2400년 재현주기를 고려하는 이유는 우리나라처럼 중약진 지역에서도 통계적으로 매우 큰 지진이 발생할 가능성이 있기 때문입니다. 미국 IBC에서 50년간 초과확률 2%에 상응하는 최대고려지진의 재현주기와 유사한 개념입니다.

예비평가: 빠르게 대략적인 내진성능을 파악하는 방법

예비평가는 철근콘크리트조와 조적조 건물을 대상으로 수행합니다. 배근 상태에 관한 정보가 없어도 수행할 수 있지만, 현장조사를 통해 수직부재의 치수는 반드시 조사해야 합니다.

철근콘크리트조 예비평가

예비평가에서는 건물의 보유저항능력(capacity)과 요구저항능력(demand)의 비, 즉 DCR을 산정합니다.

기둥은 휨지배형과 전단지배형으로 분류합니다. 기둥의 길이/폭비를 기준으로 파괴모드를 예상할 수 있으며, 건설연도별 평균전단저항응력 기본값이 제시되어 있습니다.

DCR 기준 성능수준 판정 (철근콘크리트조)

조적조 예비평가

조적조는 벽체의 개구부 유무에 따라 평균전단응력이 다릅니다. 개구부가 없는 벽체는 0.2 MPa, 개구부가 있는 경우 0.1 MPa를 기본값으로 사용합니다.

조적조의 성능수준 판정 기준은 철근콘크리트조와 다릅니다. DCR ≤ 0.25이면 거주가능, 0.25 초과 0.75 이하이면 인명안전, 0.75 초과 1.0 이하이면 붕괴방지, 1.0 초과이면 붕괴위험으로 판정합니다.

비정형성 계수 (조적채움벽 포함)

예비평가에서는 비정형성이 구조물의 저항능력을 감소시키는 효과를 비정형계수로 고려합니다. 다음 중 해당하는 항목 수에 따라 비정형계수가 산정됩니다.

• L·T·U·H형 평면에서 돌출부 면적이 전체 면적의 20% 초과
• 평면치수 장변/단변 비가 8 초과
• 가장 낮은 층의 층고가 가장 높은 층 층고의 70% 이하
• 가장 작은 층 면적이 가장 큰 층 면적의 70% 이하
• 조적채움벽이 있을 경우 (해당 시 추가로 1 증가)

조적채움벽의 이중적 영향

조적채움벽은 일반적으로 강도와 강성을 증가시키지만 연성도를 크게 감소시킵니다. 예비평가에서는 보수적으로 0.035 MPa의 전단지배형 횡하중 저항능력을 가진 것으로 가정합니다. 단, 바닥에서 천정까지 양측면이 모르타르로 마감되고 보 하단부가 밀실하게 채워진 경우 0.09 MPa를 사용할 수 있습니다.

상세평가: 4가지 절차 중 선택

상세평가는 대상 구조물에 대한 충분한 정보를 가지고 본격적으로 내진성능수준을 판단하는 절차입니다. 선형정적절차, 선형동적절차, 비선형정적절차, 비선형동적절차 중 각 절차별 제한 조건을 만족할 경우에만 선택할 수 있습니다.

선형절차 vs 비선형절차의 핵심 차이

건축구조기준의 사양기반 설계규정과 선형절차는 모두 선형해석에 기반합니다. 그러나 전자는 구조물 전체의 비선형능력을 나타내는 반응수정계수로 지진하중 자체를 줄이는 반면, 후자는 저감하지 않은 지진하중을 사용하고 부재별로 비선형 변형 능력(m계수)을 고려합니다.

비선형절차는 구조물 전체가 비선형 거동할 때의 분포를 직접 분석하므로 더 현실적인 평가가 가능합니다.

해석모델 구성의 핵심 원칙

질량과 중력하중

해석모델의 질량은 유효건물중량을 중력가속도로 나눈 값을 사용합니다. 유효건물중량에는 고정하중 외에도 창고 활하중의 25%, 칸막이벽 하중(실중량과 0.5 kN/m² 중 큰 값), 영구설비 하중, 적설하중의 20%(1.5 kN/m² 초과 시)가 포함됩니다.

내진성능평가의 중력하중은 고정하중에 활하중 25%와 적설하중 20%를 더하는 방식으로 조합합니다.

유효강성: 균열을 반영한 강성 사용

지진 시 콘크리트 부재의 실제 상태를 반영하기 위해 균열의 영향이 고려된 유효강성을 적용합니다. 예를 들어 보의 경우 휨강성은 총 단면 강성의 35%를 사용합니다. 기둥의 경우 축력비에 따라 휨강성이 달라집니다(축력비 0.5 이상이면 0.7, 0.1 이하이면 0.3, 그 사이는 선형보간).

변형지배거동과 힘지배거동의 구분

상세평가에서는 모든 부재의 거동을 변형지배거동과 힘지배거동으로 구분합니다. 이 구분이 평가 방법과 허용기준에 결정적인 영향을 미칩니다.

변형지배거동의 부재강도에는 기대강도를 사용하고, 힘지배거동의 부재강도에는 공칭강도를 사용합니다. 이는 변형지배거동 부재는 최대변형 이후에도 일정 강도를 유지하는 연성거동을 보이기 때문입니다.

1차 부재와 2차 부재의 구분

선형절차를 위한 해석모델에는 1차 부재만 포함합니다. 2차 부재의 횡강성 합이 1차 부재 강성 합의 25%를 넘으면 일부를 1차 부재로 변경해 조정해야 합니다. 비선형절차에서는 1·2차 부재를 구분 없이 모두 모델링합니다.

성능수준 판정: 층간변위각과 부재 성능으로 결정

구조물의 성능수준은 성능수준별 허용 층간변위각 및 지진 후 중력하중저항능력을 평가해 판정합니다.

대상 시설물이 허용 층간변형각과 중력하중저항능력 기준을 모두 만족하면 해당 성능목표를 만족하는 것으로 봅니다.

내진설계되지 않은 건물의 허용층간변형각

내진설계되지 않은 건물의 성능수준별 허용 층간변형각은 표에 규정된 값들의 70%로 제한됩니다. 기존 비내진 건물이 더 엄격한 기준을 적용받는 이유는 연성 상세가 확보되지 않아 실제 변형 능력이 낮기 때문입니다.

철근콘크리트 부재의 기대강도 산정

내진성능평가에서는 신축 설계와 달리 부재의 실제 발현 강도(기대강도)를 사용합니다. 기대강도는 공칭강도에 재료별 보정계수를 곱하여 구합니다.

철근콘크리트 기둥의 파괴모드는 전단강도비와 횡보강근 상세에 따라 그룹 i(휨 파괴), 그룹 ii(휨에 선행하지 않는 전단 파괴), 그룹 iii(휨 항복에 선행하는 전단 파괴)로 분류됩니다. 이 분류에 따라 부재의 허용기준이 달라집니다.

평가 결과 이후: 내진보강방안 수립

내진성능평가 결과 KDS 41 17 00 건축물내진설계기준에서 정하는 최소 내진성능목표를 만족하지 못하는 경우 내진보강공법(안)을 수립해야 합니다.

지침에서는 적용 가능한 다수의 공법을 제안하고, 공법별 장단점과 경제성을 분석해 합리적인 공법이 선정되도록 요구합니다. 단순히 구조적으로 가능한 것을 넘어, 시공성과 비용 대비 효과를 종합적으로 검토해야 합니다.

평가 보고서에 포함해야 할 내용

• 평가 대상 건축물의 기본정보 및 현장조사 결과
• 재료강도 결정 방법과 근거
• 해석모델 개요 및 해석 결과
• 성능수준별 판정 결과 (방향별, 층별)
• 비구조요소 평가 결과
• 성능목표 미달 시 내진보강방안 및 경제성 분석

실무에서 자주 놓치는 포인트

내진성능평가를 실제로 수행하거나 의뢰할 때 자주 간과되는 부분들이 있습니다.

첫째, 조적채움벽은 단순히 비구조요소가 아닙니다. 면내 방향의 강도·강성 기여와 함께 기둥에 단주효과를 유발할 수 있습니다. 조적허리벽이 기둥의 일부를 구속할 경우 기둥의 실효 순높이가 줄어들어 파괴모드가 바뀔 수 있습니다.

둘째, 시험 결과의 변동계수가 0.2를 초과하면 기대강도를 표본 평균의 75%로 낮춰 적용해야 합니다. 시험 결과가 불균일할수록 보수적인 강도값을 사용해야 합니다.

셋째, 성능수준 판정은 한 방향의 한 층만 검토하는 것이 아닙니다. 방향별, 층별로 모든 위치를 검토하며 수직부재와 수평부재를 나누어 평가해야 합니다.

넷째, 비구조요소도 평가 대상에 포함됩니다. 지침 3.9에 따라 평가 대상 비구조요소의 성능수준을 별도로 판정하고 보고서에 병기해야 합니다.

건물의 지진 안전성은 설계 도면 위에만 존재하는 것이 아닙니다. 실제 시공 상태, 재료의 노후도, 이후의 용도변경까지 모두 반영한 평가가 진짜 내진성능평가입니다.

빌딩 구조해석 (부재력 및 변형 검토)

Midas 구조해석, 왜 필요한가

Midas 계열 프로그램으로 부재력과 변형, 내진·풍하중 안전성을 수치로 확인한 검토 과정을 정리했습니다.

구조해석의 기본 절차

빌딩의 구조해석은 우선 건축 계획안을 구조 모델로 변환하는 데서 시작합니다. 기둥, 보, 슬래브, 코어벽 등 주요 부재의 단면과 재료 물성을 입력하고, 고정하중·활하중·지진하중·풍하중 등 설계에 반영해야 하는 하중 조건을 조합해 부여합니다. 이후 Midas Gen과 같은 해석 프로그램이 유한요소법을 통해 각 부재에 걸리는 축력·전단력·휨모멘트와 절점 변위를 산출하고, 이를 바탕으로 부재의 응력비와 처짐이 허용 범위 안에 있는지 확인합니다. 이 과정에서 결과가 기준을 벗어나면 단면을 키우거나 배치를 조정하는 반복 작업이 이어집니다.

내진성능 검토 포인트

내진해석에서는 건물의 고유주기와 질량 분포를 바탕으로 지진하중을 산정하고, 이를 각 층에 분배해 부재력을 계산합니다. 이때 층간변위비가 과도하게 크지 않은지, 평면이나 입면의 비정형성으로 인한 비틀림 효과가 발생하지 않는지를 함께 살핍니다. 특히 저층부의 강성이 상층부에 비해 급격히 약해지는 형태는 지진 시 취약층으로 작용할 수 있어 구조 계획 단계에서부터 유의해야 할 부분입니다.

풍하중 검토와 실무 팁

고층 건물일수록 풍하중은 구조 안전성뿐 아니라 사용자의 거주성에도 큰 영향을 미칩니다. 건물의 높이, 형상, 주변 지형에 따른 풍속과 형상계수를 반영해 층별 풍하중을 산정하고, 이를 통해 부재 설계뿐 아니라 최상층의 가속도 응답을 함께 검토해 입주자가 체감하는 흔들림 수준까지 관리하는 것이 실무에서 중요한 포인트입니다.