지진 설계의 새로운 패러다임: 확률이 아닌 결정론적 입력으로 한계 돌파

초록

본 논문은 확률적 지진 위험 평가(PSHA)의 한계를 극복하기 위해, Neo Deterministic Seismic Hazard Assessment(NDSHA)를 기반으로 한 결정론적 지진 입력을 도입한 성능 기반 설계(PBD) 절차를 제시한다. 현장별 지진역사와 단층·노드 정보를 활용해 최대 결정론적 지진 입력(MDSI)을 구하고, RSA(반응 스펙트럼 분석)와 SSA(현장 특성 반영 분석) 두 단계로 나누어 설계한다. 구조물의 중요도는 지진 입력을 변형하는 대신, 허용 가능한 최악 성능 수준인 목표 성능 수준(TPL)을 조정함으로써 반영한다.

상세 분석

이 논문은 기존의 확률적 지진 위험 평가(PSHA)가 갖는 근본적인 문제점을 짚고, 이를 보완하기 위한 결정론적 접근법을 체계적으로 제시한다. 첫 번째 문제는 “구조물의 중요도와 무관하게 동일한 지진에 동일한 흔들림을 받는다”는 점이다. PSHA는 위험도에 따라 설계 지진을 차등 적용하지만, 실제 지진 발생 시 모든 구조물은 동일한 파형을 경험한다. 두 번째 문제는 “특정 규모·진도 지진이 언제 발생할지 예측 불가능”하다는 점이다. 확률적 모델은 장기 평균 발생률에 기반해 설계 기준을 도출하지만, 단일 사건의 발생 시점은 전혀 알 수 없으며, 이는 설계 안전성에 불확실성을 남긴다. 세 번째 문제는 “지진 데이터가 충분히 축적되지 않아 통계적 신뢰성이 낮다”는 점이다. 특히 지역별 단층 활동 기록이 부족한 경우, 확률분포를 추정하는 것이 과학적으로 부적절하다.

이에 대한 해결책으로 저자는 NDSHA를 활용한다. NDSHA는 지진 발생 메커니즘, 단층 파라미터, 지질구조 등을 물리적으로 모델링해 가능한 최대 지진 파형을 시뮬레이션한다. 이 과정에서 ‘시드(seismic source)’를 세분화한 ‘지진 발생 구역(seismogenic zones)’과 ‘노드(seismogenic nodes)’를 정의하고, 각 구역·노드별 최대 가능 모멘트와 방출 파라미터를 산출한다. 결과적으로 현장별 ‘Maximum Deterministic Seismic Input at Bedrock (MDSIBD)’와 ‘Maximum Deterministic Site‑Specific Input (MDSISS)’를 얻는다.

설계 단계는 두 단계로 나뉜다. RSA(Regional Seismic Assessment)는 베드록 수준에서 MDSIBD를 이용해 전통적인 반응 스펙트럼을 도출한다. 이는 기존 건축·토목 코드와 직접 비교 가능하도록 설계되었다. SSA(Site‑Specific Assessment)는 현장 조건(지반 비선형성, 토양‑암석 비율 등)을 반영해 MDSISS를 산출하고, 실제 지진 기록이 없더라도 물리적 모델링을 통해 시뮬레이션된 가속도 기록을 제공한다. 이러한 시뮬레이션 기록은 시간 이력 해석(time‑history analysis)에 바로 활용될 수 있다.

가장 혁신적인 부분은 구조물의 ‘중요도’를 지진 입력이 아닌 ‘목표 성능 수준(Target Performance Level, TPL)’으로 조정한다는 점이다. 기존 코드에서는 위험도에 따라 설계 지진을 상향·하향 조정하지만, 본 방법에서는 동일한 결정론적 입력을 유지하면서, 허용 가능한 최악 성능(예: 즉시 사용 가능, 제한적 손상, 완전 붕괴 등)을 구조물 종류·용도에 따라 달리 설정한다. 따라서 설계자는 동일한 MDSISS에 대해 다양한 TPL을 적용해 구조물의 내진 성능을 평가하고, 필요 시 설계 강화·감소를 결정한다.

이러한 접근은 설계 안전성을 물리적 근거에 기반한 최대 지진 입력에 고정시키면서, 경제성은 성능 목표를 통해 최적화한다는 장점을 가진다. 또한, 현장 특성을 정밀히 반영한 시뮬레이션 기록을 제공함으로써, 기존 PSHA가 제공하지 못했던 ‘현장 맞춤형’ 지진 입력을 실현한다.