지진 규모·진도와 내진설계 지반분류 정리

GeoWith 지질및지반-037 · 기술사 기출 완전정복

지진 규모·진도와 내진설계 지반분류 정리

1. 정의

지진규모(Magnitude)는 지진계 기록으로 산정하는 지진 자체의 크기를 나타내는 절대적 척도(리히터규모, 모멘트규모 등)이며, 한 지진에 하나의 값이 정해진다. 진도(Intensity)는 특정 지점에서 실제로 느껴지는 흔들림과 피해의 정도를 나타내는 상대적 척도(수정메르칼리진도 등)로 지점마다 값이 다르다. 내진설계 일반(KDS 17 10 00)은 흔들림이 지반 조건에 따라 달라진다는 점을 반영해 지반을 S1~S6으로 분류하고, 지반종류별 지반증폭계수로 설계지반운동을 정하는 기준이다. 이 기준은 2018년 12월에 제정되었고 2024년 5월에 개정되었다.

2. 출제 배경 및 필요성

2016년 9월 경주지진(규모 5.8)은 기상청 계기관측 이래 가장 큰 규모였고, 2017년 11월 포항지진(규모 5.4)은 규모가 더 작았지만 진원이 더 얕아(약 9km) 체감 진동과 피해가 컸던 것으로 알려져 규모와 피해가 비례하지 않는다는 점을 보여 주었다. 두 지진 모두 기상청이 기록한 최대 진도는 Ⅵ이었다. 이처럼 규모와 진도 개념이 자주 혼동되고 같은 지진에서도 지반 조건에 따라 흔들림이 달라지므로, 규모와 진도의 차이와 지반분류는 기술사 시험에서 상위권 빈도로 반복 출제된다. 실무에서는 지반종류가 설계응답스펙트럼과 설계지진하중을 좌우하므로 지반분류를 잘못하면 내진성능을 과대 또는 과소 평가하게 된다.

3. 원리

규모는 지진계로 측정한 파의 진폭을 로그로 환산해 정하며, 규모가 1 커지면 진폭은 10배, 방출 에너지는 약 32배가 된다(USGS). 진도는 관측지점의 진원까지 거리와 지반 조건에 따라 달라져 같은 지진에서도 지점마다 값이 다르다. KDS 17 10 00은 기반암(전단파속도 760m/s 이상인 지층)의 깊이와 그 위 토층의 평균 전단파속도(Vs,soil)로 지반종류를 구분한다. 이 구분의 기준값인 20m, 260m/s, 180m/s는 국내 300여 부지의 부지응답해석에서 기반암이 얕은 지반은 기반암 깊이와 Vs,soil이 증폭에 가장 큰 영향을 준다고 보고 제안한 연구(Cho 외 2016)의 값과 같다. 반면 상부 30m 평균 전단파속도(Vs30)는 NEHRP·IBC 등 해외 기준의 분류 변수다. 아래 그림은 규모는 하나이지만 진도는 관측지점마다 다르게 나타나는 개념을 보여 준다.

4. 지반분류 종류

표 읽는 법: 먼저 기반암 깊이로 S1(1m 미만), 얕은 지반(1~20m 이하, S2와 S3), 깊은 지반(20m 초과, S4와 S5)을 나눈 뒤, 토층 평균 전단파속도가 얕은 지반은 260m/s, 깊은 지반은 180m/s 이상이면 단단한 지반으로 구분한다. S6은 속도가 아니라 조건으로 판정하며, 액상화 가능 흙·예민비 8 이상 점토, 두께 3m 초과 이탄, 두께 7m 초과이면서 소성지수 75 초과인 고소성 점토, 두께 36m 초과 연약 점토, 기반암 깊이 50m 초과 지반이 해당한다(KDS 17 10 00 4.2.1.2). 건축물 기준(KDS 41 17 00)은 기반암 3m 미만을 S1로 볼 수 있게 하는 등 일부를 수정해 적용하도록 허용한다.

5. 조사방법

시추조사로 지층 구성과 기반암(전단파속도 760m/s 이상) 출현 깊이를 확인하고, 다운홀·크로스홀 등 전단파속도검층으로 심도별 전단파속도를 측정해 토층 평균 전단파속도(Vs,soil)를 산정한 뒤 지반종류를 결정한다. 검층을 하지 못했을 때는 표준관입시험 N값과의 경험적 상관식으로 추정할 수 있으나 간접 추정값이므로 가능하면 직접 측정값으로 확인하는 것이 바람직하다. 기반암이 깊은 지반은 원칙적으로 기반암 깊이까지 조사해야 하며, 건축물 기준(KDS 41 17 00)은 기반암이 30m보다 깊으면 상부 30m 평균 전단파속도를 Vs,soil로 볼 수 있게 한다. 액상화 가능 흙과 예민비가 높은 점토는 S6에 해당하는지를 함께 조사해야 한다.

6. 설계·적용

지반종류가 정해지면 유효수평지반가속도(S)에 지반종류별 단주기·장주기 지반증폭계수(Fa, Fv)를 곱해 설계스펙트럼가속도를 정하고, 이를 이용해 설계응답스펙트럼과 설계지진하중을 산정한다. 건축물 기준에서 S는 지진구역계수(Z, 평균재현주기 500년)에 재현주기별 위험도계수(I)를 곱해 구하며, Fa와 Fv는 S의 크기와 지반종류에 따라 표로 제시되고 중간 값은 직선 보간한다. 같은 S라도 지반종류가 달라지면 Fa와 Fv가 달라져 설계지진하중이 달라지므로 지반분류는 하중 산정의 출발점이다. S6 지반은 표를 쓰지 않고 부지 고유의 지반응답해석으로 설계지반운동을 구한다.

7. 특성 비교

규모는 지진 자체의 절대적 크기라 한 지진에 하나의 값만 존재하고, 진도는 관측지점의 상대적 흔들림이라 같은 지진에서도 여러 값을 가진다(기상청은 2018년 하반기부터 지역별 진도 정보를 제공한다). 지반 측면에서는 암반지반은 지진파 증폭이 작고 연약지반은 증폭이 크다는 차이가 있으며(위 그림 참조), 증폭계수는 입력 지진동의 크기에 따라 달라지도록 표가 구성되어 있다. 또 KDS의 S4(기반암 20m 초과, 180m/s 이상)는 미국 IBC의 C와 D 지반을 합친 넓은 범위여서, 건축물 기준은 평균 전단파속도가 360m/s 이상이면 Fv의 80%를 적용할 수 있게 세분화했다.

8. 문제점 및 대책

연약지반은 전단파속도가 낮아 지진파가 지표로 올라오며 증폭되고, 기반암이 얕은 국내 지반에서는 기반암 깊이와 토층 속도가 증폭을 좌우한다(Cho 외 2016). 그 결과 같은 지진에도 지반종류에 따라 설계스펙트럼과 지진하중이 달라지므로, 실제보다 단단한 지반으로 분류하면 증폭을 과소평가해 하중이 작아질 수 있다. 대책으로는 전단파속도를 직접 측정하는 지반조사로 분류하고, 자료가 부족하면 보수적인 지반종류를 적용하되(건축물 기준은 S5 가능성이 없을 때 S4 적용을 허용) 액상화 가능 흙, 예민비 8 이상 점토, 기반암 50m 초과 지반은 S6으로 보고 부지 고유의 지반응답해석을 수행한다.

9. 최신기술 동향

기상청은 2015년 지진조기경보 시행 이후 관측망을 넓히고 분석을 자동화해 조기경보 발표 시간을 50초 이내(2015년)에서 5~10초(2021년)로 줄였고, 관측소는 195개에서 550개로 늘렸다. 2026년 5월에는 최대예상진도 Ⅵ 이상이 예상되면 최초 관측 후 약 3~5초 이내에 최초 관측지점 반경 40km 지역으로 먼저 문자를 보내는 지진현장경보를 기존 조기경보와 결합한 2단계 체계를 발표했다. 설계 측면에서는 KDS 17 10 00이 2024년 5월 개정에서 액상화 평가 방법과 절차를 구체화했고, 기반암이 얕은 국내 지반 특성을 반영한 지반분류와 증폭계수 개선 연구가 이어지고 있다.

10. 결론

지진규모는 지진 자체의 크기(한 값), 진도는 지점별 흔들림(여러 값)이라는 차이를 먼저 분명히 하고, 설계에서는 기반암 깊이와 토층 평균 전단파속도로 지반종류를 정해 지반증폭계수와 설계응답스펙트럼으로 이어지는 흐름을 일관되게 적용하는 것이 핵심이다. 전단파속도는 직접 측정을 우선하고, 액상화 가능 흙·예민비 8 이상 점토·기반암 50m 초과 지반은 S6으로 보아 부지 고유의 지반응답해석을 수행해야 한다. 건축물처럼 수정 조항이 있는 경우에는 어느 기준을 적용했는지 함께 밝혀 근거를 분명히 해야 하며, 이 흐름을 답안 한 장에 정리하면 개념과 설계 적용을 함께 보여 줄 수 있다.

지금까지 지진 규모·진도와 내진설계 지반분류(KDS 17 10 00)를 살펴봤습니다. 기술사 답안에서는 규모·진도 개념을 명확히 구분하고, 지반종류별 증폭계수가 설계응답스펙트럼에 반영되는 흐름과 S6의 판정 조건을 함께 제시하면 채점자에게 논리적 완결성을 효과적으로 전달할 수 있습니다.

본 콘텐츠는 AI의 도움을 받아 직접 기획하고 작성되었습니다.