Analysis of Influential Factors on the Evaluation of Regional Seismic Collapse Risk

Hyung Sun Jeon; Dong-Hyeon Shin; Jaedo Kang; Hyung-Joon Kim

doi:10.7734/COSEIK.2025.38.5.331

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Research Paper

Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea. 31 October 2025. 331-338
https://doi.org/10.7734/COSEIK.2025.38.5.331

Analysis of Influential Factors on the Evaluation of Regional Seismic Collapse Risk

지역단위 지진 붕괴위험도에 대한 영향요인 분석

Hyung Sun Jeon¹

Dong-Hyeon Shin²^*

Jaedo Kang³

Hyung-Joon Kim⁴

전 형선¹

신 동현²^*

강 재도³

김 형준⁴

¹Graduate Student, Department of Architectural Engineering, Pusan National University, Pusan, 46241, Korea

²Assistant Professor, Department of Architectural Engineering, Pusan National University, Pusan, 46241, Korea

³Research Fellow, Infrastructure Safety and Technology Research Division, Seoul Institute, Seoul, 06756, Korea

⁴Professor, Department of Architectural Engineering, University of Seoul, Seoul, 02504, Korea

¹부산대학교 건축공학과 대학원생

²부산대학교 건축공학과 조교수

³서울연구원 인프라안전기술연구실 연구위원

⁴서울시립대학교 건축공학과 교수

^{*Corresponding Author}

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ABSTRACT

To minimize seismic losses from earthquakes, it is essential to develop effective prevention and rehabilitation strategies both before and after such events. Particularly, regional seismic risk must be comprehensively investigated for buildings susceptible to large-scale damage. This study conducted regional seismic risk evaluation using the collapse risk framework which incorporates structural seismic fragility and site amplifications. Evaluation results indicate that the distribution of different types of buildings can significantly influence the regional seismic collapse risk. In several regions, seismic risk was not directly related to the seismic capacity of buildings; instead, response amplifications from different site classes were more influential in increasing regional seismic risk. These findings underscore the importance of incorporating both seismic capacity and site effects during regional seismic collapse risk evaluation.

Keywords

regional evaluation

seismic collapse risk

influential factors

seismic fragility

지진 발생 시 지진으로 인한 피해를 최소화하기 위해서는 지진 발생 이전의 재난 대비와 발생 이후의 복구계획 수립이 중요하다. 특히 효과적인 대응체계 마련을 위해서는 심각한 피해가 예상되는 건축물을 대상으로 지진위험도를 평가하여 건축물의 피해를 예측하는 과정이 지역사회를 단위로 수행되어야 한다. 본 논문에서는 건축물의 취약도와 지반운동이 결합되어 결정되는 지진위험도를 평가하기 위해서 공학적으로 정량적으로 판단할 수 있는 지진 붕괴위험도의 개념을 활용하여 지역단위 평가를 수행하였다. 평가 결과, 행정구역 내 건축물의 구조유형 분포는 해당 지역 붕괴위험도 평가에 유의미한 영향을 미침을 확인하였다. 그러나 일부 지역에서는 구조유형만으로 설명할 수 없는 양상을 보였는데, 이는 지반종류에 따른 영향이 지역단위 붕괴위험도 평가에 있어 미치는 영향이 상대적으로 크다고 판단할 수 있으며, 합리적인 평가결과 도출을 위하여 건축물의 내진성능에 의한 붕괴위험도와 반드시 함께 고려될 필요가 있음을 설명한다.

키워드

지역단위 평가

지진 붕괴위험도

영향요인

지진취약도

MAIN

1. 서 론
2. 지진에 대한 건축물의 공학적 위험성
3. 지역단위 지진위험도에 대한 영향 요인 분석
4. 결 론

1. 서 론

국내･외적으로 다수의 지진피해를 경험한 이래로 건축물의 내진설계기준에 대한 현실적인 개선이 이루어졌으며, 이는 최근 발생한 대규모 지진 사례에서 건축물 붕괴가 발생한 경우는 극히 드물었던 점으로 확인할 수 있다(AIK, 2018). 하지만 내진설계기준이 도입되기 이전이나 개선되기 이전에 설계된 건축물들은 향후 발생 가능한 지진에 대해 충분한 붕괴성능을 만족하지 못할 가능성이 높으며, 현행 기준에 따라 설계되었더라도 기준에서 설계 하중 수준의 지진에 대해서 구조물의 비탄성 거동을 허용하기에 손상으로 인한 직간접적인 경제적 손실은 발생할 수 있다(Choi et al., 2020). 따라서 구조물의 손상 정도에 따라 지진피해 발생 후 보수 및 수선의 실행 가능 여부나 재사용에 영향을 미칠 수 있으므로, 이를 정량적으로 분석하여 지진 발생 후 건축물을 지진피해 이전과 같이 회복할 수 있는 복원력을 평가하여 설계에 반영하는 회복탄력성 기반 설계(Resilience Based Design)가 최근 들어 연구되고 있다 (Kim et al., 2020, 2025). 이와 같은 회복탄력성을 정량적으로 평가하기 위해서는 지진재해 후 건축물의 손실을 정확하게 예측하는 것이 필요하다. 지진재해로 인한 손실예측은 구조체 및 비구조체의 손실과 인명피해 등 직접적 손실 외에 건물 사용 제한으로 인한 영업 손실 등의 간접적 손실을 포함하여야 한다.

Hwang 등(2020)의 연구에서는 지진 위험도 범주에 따라 설계된 철골모멘트 골조의 지진위험도를 붕괴성능의 관점에서 분석하였으며, Shin과 Kim(2014)에서는 비선형 증분동적해석을 활용하여 국내 내진설계기준 변화에 따라 설계된 철골 중간모멘트골조의 붕괴성능을 정량적으로 분석하였다. Kim 등(2016)에서는 국내 지진피해 사례가 집중된 저층 필로티 건물의 대상으로 국내 지진재해도를 고려하여 정량적으로 평가할 수 있는 붕괴 확률을 분석하였으며, Jun 등(2014)의 연구에서는 철골모멘트골조를 대상으로 특정 지역에서 발생 가능한 지진에 대한 연간 초과확률로 표현되는 지진위험도를 활용하여 연간 손실 발생확률을 도출하는 절차를 제시하는 등 건축물의 지진재해를 정량화하기 위한 연구들이 수행되었다. 하지만 국내에서 수행된 지진위험도와 관련된 연구들은 개별 건축물의 지진취약도를 분석하고, 이에 기반한 지진손실을 평가하는 절차를 중점으로 수행되었기에 지진 발생 시 지역사회에 미치는 영향에 대한 연구는 제한적으로 수행되어 왔다.

지진 발생 시 지진으로 인한 피해를 최소화하기 위해서는 지진 발생 이전의 재난 대비와 지진 발생 이후의 복구계획 수립이 필요하다. 특히, 심각한 피해가 예상되는 건축물을 대상으로 효과적인 재난 대응체계를 구축하기 위해서는 지진위험도 평가를 통해 건축물 피해를 예측하고 평가하는 과정이 지역사회를 단위로 수행되어야 한다. 지역단위 지진위험도 평가를 통해 구조물의 손상확률에 기반한 지진 취약 지역을 우선으로 선별할 수 있고, 이를 바탕으로 책임기관의 한정된 예산 범위 내에서 행정구역별 단계적이고 체계적인 보강 계획을 수립할 수 있다. 이와 관련하여 미국 FEMA의 HAZUS나 유럽의 SYNER-G 등에서는 지진이 발생하는 진원의 위치와 규모를 가정한 지진 발생 시나리오에 기반하여 지역사회별 확률론적 지진위험도 평가 체계를 제시하고 있으며, 국내에서도 유사 연구가 수행된 바 있다(NEMA, 2009).

지진위험도는 지진 기록과 지질 및 지반 특성 등을 종합적으로 분석하여 산정한 지진재해의 연초과 발생빈도를 의미하며, 붕괴위험도는 특정 수준의 지진에 의해 구조물이 붕괴에 이를 확률을 의미한다. 개별 건축물의 지진피해 위험도를 평가하는 과정에서 건축물에 발생하는 다양한 손상에 의한 피해를 각각 산정하고 이를 적분하여 위험도를 산정한다. 하지만, 이와 같은 과정을 지역별 건축물의 지진위험도에 적용하면 과도한 계산시간 소요와 각 손상상태에 대한 공학적 판단으로 포괄되는 임의성과 불확실성으로 평가 결과의 오차가 증폭될 수 있다. 또한 지역별 지진피해 저감 대책을 수립하기 위한 공학적 근거를 제공하기 위해서는 다양한 손상상태를 고려하기보다는 가장 큰 지진피해를 발생시키는 손상상태만 고려하여 지진피해 위험도를 평가하는 것이 효율적이라 볼 수 있다. 본 연구에서는 가장 큰 지진피해를 발생시킬 수 있는 전파 또는 완전 손상상태와 유사한 건축물의 붕괴를 대상으로 지역단위 건축물 지진위험도 평가를 수행하고 영향요인을 분석하고자 한다. 이를 위하여 지역단위 건축물 유형별 분포를 고려하여 대상 지역을 선정하였으며, 해당 지역에 일반적인 지진재해예측시스템에서 활용하는 시나리오 기반 지진재해도가 아닌 지역사회에 동일한 확률로 지진재해가 발생할 수 있음을 가정한 등지진재해도를 활용하여 평가를 수행하였다. 지역단위의 지진위험도 평가는 건축물의 취약도와 지반운동이 결합하여 결정되므로 본 연구에서는 선정된 지역별 기반암 운동세기에 지반조건별 지반증폭효과를 고려하여 피해확률을 산정하였다. 최종적으로 피해확률의 산정과정에서는 지역단위 건축물의 피해 연면적과 전체 연면적의 비율로 지진위험도를 정량적으로 분석하였으며, 이를 토대로 지역단위 지진 붕괴위험도에 미치는 요인의 영향을 분석하였다.

2. 지진에 대한 건축물의 공학적 위험성

지진 발생 시 동일한 지반조건을 가진 대지에 위치한 건축물의 공학적 위험성은 건축물이 보유하고 있는 내진성능에 따라 결정된다. 건축물의 내진성능은 지진력저항시스템의 성능에 의해 좌우되며, 이는 건축물의 구조형식과 설계 및 건설 당시에 적용된 내진설계기준의 수준에 따라 달라진다.

National Institute of Disaster and Safety(2021)에서 수행된 연구에서는 건축물 구조형식별 유형과 적용된 내진설계기준에 따라 역량곡선의 매개변수를 정의하였다. 내진설계가 미적된 건축물은 Pre-code, 내진설계 적용 건축물은 지진구역 II인 경우 Low-code, 지진구역 I인 경우 Moderate-code로 구분된다. 건축물 유형은 구조재료에 따라 우선적으로 분류하며 주요 지진력 저항시스템에 따라 세분화한 후 이를 다시 층수를 기준으로 구분하여 국내 실정에 맞는 41종으로 정리되었다.

Fig. 1에서 보는 바와 같이 역량곡선은 지진하중 재하 시 건축물의 스펙트럼 변위와 스펙트럼 가속도의 관계를 나타내는 곡선으로 탄성영역, 소성영역과 탄성구간에서 소성구간으로 전이되는 구간으로 구분된다. 그림에서 $A_{y}$ 와 $D_{y}$ 는 각각 최소 항복점에서의 스펙트럼가속도와 스펙트럼변위이고, $A_{u}$ 와 $D_{u}$ 는 각각 소성상태 시점에서의 스펙트럼가속도와 스펙트럼 변위이다. 저층의 단주기건축물은 0.3초, 중고층의 건축물은 속도일정구간의 대표주기인 1.0초가 활용되었다. 건축물의 내진성능은 내지진저항력인 스펙트럼가속도와 지진에 대한 변형능력을 나타내는 스펙트럼변위에 의해 결정되기에 $A_{y}$ , $D_{y}$ , $A_{u}$ , $D_{u}$ 가 클수록 우수한 내진성능을 발휘하게 된다. 하지만 건축물 구조형식별 스펙트럼가속도와 스펙트럼변위는 선형 비례관계가 아니기 때문에 역량곡선의 매개변수 중 하나를 건축물의 내진성능 지표로 활용하는 것은 한계가 있으며, 건축물 지진취약도함수에서 건축물 변형능력은 임계스펙트럼변위에 의해 결정되므로 역량곡선 상의 $D_{y}$ , $D_{u}$ 가 건축물 변형능력의 직접적인 지표가 되기에는 제한된다. Fig. 1에서 무보강조적전단벽과 콘크리트전단벽 유형에 대해서 역량곡선을 예시적으로 나타낸 바와 같이 콘크리트전단벽 유형의 $A_{y}$ , $A_{u}$ 가 무보강조적전단벽에 비해 현저히 작게 표현되지만, 무보강조적전단벽이 콘크리트전단벽 유형보다 내진성능이 우수하다고 직접 비교할 수는 없다. 이는 대표주기가 0.3초인 무보강조적전단벽이 1.0초인 콘크리트전단벽과 비교하여 대표주기가 짧아 상대적으로 스펙트럴가속도가 크기 때문이며 따라서 내진성능을 스펙트럼가속도를 통해 상호 비교 평가할 수는 없다.

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Fig. 1.

Structural capacity curves used for seismic fragility analysis

건축물 지진취약도함수는 유형별 역량곡선과 지진하중을 대표하는 요구곡선을 이용하여 역량스펙트럼법에 기반한 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 산정된다. 이와 같이 지진에 대한 건축물의 공학적 위험성을 확률론적으로 평가한 건축물 지진취약도함수는 유형화된 건축물의 집합적인 지진피해 특성을 평가하기에 적합하다. Fig. 2에서 나타낸 바와 같이 건축물 지진취약도곡선은 건축물 유형별 지진발생 시 예상되는 손상상태별 스펙트럼가속도 또는 스펙트럼변위 중간값과 분산의 정도를 나타내는 표준편차를 활용한 누적대수정규분포 곡선이다. 여기서 중간값은 초과발생확률이 50%일 때 스펙트럼가속도를 나타낸다. 건축물의 구조형식별 중간값과 표준편차값 또한 역량곡선의 매개변수와 같이 선형적 비례관계가 아니며, 건축물 지진취약도함수의 중간값 또한 건축물의 대표주기의 영향을 받아 내진성능을 나타내는 지표로 사용하는데 한계가 있다.

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Fig. 2.

Seismic fragility curves

지진에 대한 건축물의 공학적 위험성을 나타내는 지표로 본 연구에서는 건축물 지진취약도함수로부터 비교적 쉽게 계산할 수 있는 일정 붕괴확률을 유발하는 지진동의 최대지반가속도(Peak ground acceleration, PGA) 즉, 요구스펙트럼의 0초 주기 가속도를 활용하였다. 유의미한 붕괴확률이라고 판단한 2.3%와 10%를 붕괴가 발생하는 누적확률, $C P 1$ 과 $C P 2$ 로 설정하고 이에 대응하는 건축물 구조형식별 스펙트럼가속도, $S A_{C P 1}$ 과 $S A_{C P 2}$ 를 산출하였다. $C P 1$ =2.3%는 평균-2×표준편차에서 편측 발생확률이며, $C P 2$ =10%는 기준에서 고려된 붕괴방지 성능목표에 대응되는 발생확률이다.

건축물 구조형식별 붕괴에 대한 누적확률과 이에 상응하는 스펙트럼가속도는 완전손상상태의 지진취약도함수로부터 도출할 수 있으며, 누적확률별 PGA는 누적확률별 스펙트럼가속도와 PGA의 관계식을 활용하여 구한다.

국내 건축물 지진취약도 함수를 개선하기 위해 수행된 선행 연구(National Institute of Disaster and Safety, 2021)에서는 경주지진과 포항지진의 측정지점별 탄성가속도응답스펙트럼의 형상과 개선 전 건축물 지진취약도함수의 요구스펙트럼의 형상을 비교하여 장주기영역보다 단주기영역에서 현격한 차이를 보임을 확인하였다. 또한 부지고유응답해석을 통해 요구스펙트럼을 작성하였으며 이를 위해 7쌍의 암반계측 지반운동을 선정하고 각각의 최대지반속도(Peak ground velocity)의 기하평균 중간값을 목표 PGV로 설정하고 보정계수를 산정해 암반계측 지반운동에 적용하였다. Fig. 3에서는 각 지반의 종류별 7쌍의 지진파의 기하평균을 이용한 가속도 스펙트럼을 나타내고 있으며, Table 1에서는 이를 통해 도출한 지반유형별 단주기와 1초주기 스펙트럼가속도증폭계수가 정리되어 있다. 건축물 유형별 대표주기인 0.3초와 1.0초에 대해서 지반 유형에 따른 가속도 증폭은 각각 $\bar{S A_{0.3 s, G}} / \bar{P G A_{G}}$ 과 $\bar{S A_{1.0 s, G}} / \bar{P G A_{G}}$ 로 산출한다. 여기서, $\bar{S A_{0.3 s, G}}$ 과 $\bar{S A_{1.0 s, G}}$ 는 지반종류별 0.3초와 1.0초 주기의 기하평균 스펙트럼가속도이며, $\bar{P G A_{G}}$ 는 0초 주기 가속도의 기하평균이다.

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Fig. 3.

Response acceleration spectra derived from site-specifc analysis

스펙트럼가속도증폭계수는 지반의 종류에 따른 PGA대비 단주기와 1초 주기의 스펙트럼가속도의 비로 표현된다. 지반종류에 따른 영향을 배제하고 건축물의 내진성능만을 고려한 건축물 붕괴위험도를 산출하기 위하여 하단 식과 같이 단주기와 1초 주기의 평균스펙트럼가속도증폭비, $\bar{F_{A}}$ 와 $\bar{F_{V}}$ 를 도출하였다.

(1)

\bar{F_{A}} = \frac{1}{N} [\sum_{i = 1}^{N} {(\bar{S A_{0.3 s, G}} / \bar{P G A_{G}})}_{i}]

(2)

\bar{F_{V}} = \frac{1}{N} [\sum_{i = 1}^{N} {(\bar{S A_{1.0 s, G}} / \bar{P G A_{G}})}_{i}]

여기서, $\bar{S A_{0.3 s, G}}$ / $\bar{P G A_{G}}$ 와 $\bar{S A_{1.0 s, G}}$ / $\bar{P G A_{G}}$ 는 지반의 종류에 따라 Table 1으로부터 구할 수 있고, $N$ 은 고려하는 지반의 수로 $S_{2}$ ~ $S_{5}$ 임으로 4가 된다. 따라서 누적확률별 PGA값, $P G A_{C P 1}$ 와 $P G A_{C P 2}$ 은 다음 식으로 구할 수 있다.

(3)

P G A_{C P 1} = S A_{C P 1} / (\bar{F_{A}} or \bar{F_{V}})

(4)

P G A_{C P 2} = S A_{C P 2} / (\bar{F_{A}} or \bar{F_{V}})

여기서, 대상 건축물의 구조형식의 대표주기가 0.3초이면 $\bar{F_{A}}$ 를 식에 대입하고 1.0초이면 $\bar{F_{V}}$ 를 대입하며, Table 1에 따라 $\bar{F_{A}}$ 와 $\bar{F_{V}}$ 를 계산하면, 각각 1.802와 0.498이 된다.

Table 1.

Site amplification factor

Site class	Short period ( $\bar{S A_{0.3 s, G}} / \bar{P G A_{G}}$ )	1-s period ( $\bar{S A_{1.0 s, G}} / \bar{P G A_{G}}$ )
S₂	1.063	0.292
S₃	2.302	0.634
S₄	1.932	0.359
S₅	2.568	1.148
Mean	$\bar{F_{A}}$ =1.802	$\bar{F_{V}}$ =0.498

Fig. 4에서는 식 (3)과 (4)를 활용하여 계산한 Pre-code와 Moderate-code로 설계된 건축물 구조형식별 $P G A_{C P 1}$ 과 $P G A_{C P 2}$ 를 오름차순으로 나타내고 있다. $P G A_{C P 1}$ 은 그래프의 좌측에서 우측으로 가면서 순차적으로 증가하며 이는 그래프 좌측에 위치한 건축물 구조형식이 우측에 위치한 것과 비교하여 2.3% 누적붕괴확률을 발생시키는 지진동의 PGA가 작아짐을 의미한다. 즉, 좌측에 위치한 건축물 구조형식은 상대적으로 내진성능이 부족하다고 볼 수 있다. $P G A_{C P 2}$ 에 대해서도 분포경향이 유사하지만 저층 프리캐스트콘크리트 전단벽 유형(PC2L1)과 저층 철골모멘트골조(S3L) 유형에서 순차적으로 증감하지 않는 경향을 보여 누적붕괴확률에 따라 상대적 PGA값이 영향을 받는 것으로 나타났다. Pre-code 건축물 구조형식과 순위는 다르게 나타나지만, Moderate-code로 설계된 건축물의 구조형식별 $P G A_{C P 1}$ 와 $P G A_{C P 2}$ 의 분포 경향도 유사하게 나타났다. Pre-code의 경우, 붕괴확률의 크기에 관계없이 중층 콘크리트전단벽(C3M) 구조형식의 건축물이 최소 $P G A_{C P 1}$ 와 $P G A_{C P 2}$ 를 나타내었으며, 고층 철골모멘트골조(S1H)는 최대 $P G A_{C P 1}$ 와 $P G A_{C P 2}$ 를 나타내었다. Moderate-code에서는 저층 무보강조적전단벽(URML) 구조형식의 건축물이 최소 $P G A_{C P 1}$ 와 $P G A_{C P 2}$ 를 나타내었으며, 최대 $P G A_{C P 1}$ 와 $P G A_{C P 2}$ 는 Pre-code의 경우와 같다.

총 41개의 건물 유형에 대해 PGA 기준 내진성능 상위 20% 및 하위 20%의 건물 유형군을 비교했을 때, $C P 1$ =2.3%과 $C P 2$ =10%에 대해 Pre-code에서 상위 20% 유형의 평균 $P G A_{C P 1}$ , $P G A_{C P 2}$ 는 각각 1.24g, 2.03g인 반면, 하위 20%의 경우에는 각각 0.17g, 0.28g로 차이가 있었다. 한편 Moderate-code에서는 상위 20% 유형의 평균 $P G A_{C P 1}$ , $P G A_{C P 2}$ 는 각각 1.98g, 2.91g인 반면, 하위 20%는 각각 0.26g, 0.42g로 차이가 있었다. 결과적으로 Fig. 4에서 제시한 건물 유형별 $P G A_{C P 1}$ , $P G A_{C P 2}$ 값 차이는 상위 20%와 하위 20% 건물 유형군에 따라 7배 수준의 차이를 나타내었다.

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Fig. 4.

$P G A_{C P 1}$ and $P G A_{C P 2}$ according to structural types

3. 지역단위 지진위험도에 대한 영향 요인 분석

앞선 장에서는 지반 종류에 따른 지진파의 증폭을 배제한 건축물의 내진성능에 의한 구조형식별 상대적 붕괴위험도에 대해서 PGA를 지표로 평가하였다. 이와 같은 건축물 구조형식별 붕괴위험도를 지역적 단위의 건축물 붕괴위험도로 확장하기 위해서는 대상 지역에 어떠한 유형의 구조형식을 가진 건축물이 다수 분포하는지를 파악해야 한다. 또한 특정 수준의 지진동이 발생했을 때 건축물이 위치한 지역의 지반특성에 따른 증폭 수준도 고려되어야 한다. 건축물의 지진취약도함수를 활용하고 완전손상상태를 붕괴로 가정하면, 다음 식과 같이 건축물 구조형식의 스펙트럼가속도, $S A$ 를 발생시키는 지진이 발생했을 때 붕괴, $C P$ 가 발생할 누적확률을 계산할 수 있다.

(5)

P [C P ∣ S A] = Φ [\frac{1}{β_{C P}} \ln (\frac{S A}{S A_{C P}})]

여기서, 𝛷는 대수누적표준분포함수, $β_{C P}$ 는 붕괴에 해당하는 임계값에서의 $S A$ 의 대수표준편차, $\bar{S A_{C P}}$ 는 $C P$ 가 임계값에 도달하게 되는 지반운동 스펙트럼가속도의 중간값이다. 즉, $β_{C P}$ 와 $\bar{S A_{C P}}$ 는 건축물 지진취약도함수 정의에 활용되는 매개변수이다. 따라서, 건축물 구조형식의 스펙트럼가속도 $S A$ 는 지반의 종류와 지진동의 크기인 PGA가 주어지면 스펙트럼가속도증폭계수 $\bar{S A_{0.3 s, G}}$ / $\bar{P G A_{G}}$ 와 $\bar{S A_{1.0 s, G}}$ / $\bar{P G A_{G}}$ 를 활용하여 계산할 수 있다. Fig. 5에서는 PGA=0.3g 발생 시 건축물 구조형식별 누적붕괴확률을 비교하였다. 지반의 종류에 따라 누적붕괴확률에 현격한 차이가 발생하였으며, S₃ 지반유형의 경우가 S₄ 지반유형보다 크게 나타나며 이는 S₃의 스펙트럼가속도증폭계수가 크기 때문이다. 일반적으로 Pre-code 건축물의 경우가 Moderate-code 보다 누적붕괴확률이 크며, 저층 무보강 조적전단벽의 경우에는 차이가 거의 없다. 또한 경주 및 포항지진 시 지진피해가 크게 발생한 필로티형 콘크리트전단벽 구조형식의 누적붕괴확률이 상대적으로 크게 나타났다.

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Fig. 5.

Comparison of cumulative collapse probabilities by structural system subjected to earthquakes with PGA = 0.3g

주어진 PGA에 대해 건축물 구조형식별 $P [C P | S A]$ 를 산출하면, 대상 지역 내 건축물 구조형식의 연면적 총합, $A_{B L}$ 에 곱하여 붕괴면적, $A_{C P, i}$ 을 계산할 수 있다.

(6)

A_{C P, i} = P [C P ∣ S A]_{i} \times B L_{i} \times A_{B L}

여기서, $P [C P | S A]_{i}$ 는 지역 내 $i$ 번째 건축물 구조형식의 $P [C P | S A]$ , $B L_{i}$ 은 $i$ 번째 건축물 구조형식의 구성비이다. 지역 내 모든 건축물 구조형식에 대하여 식 (6)을 적용하여 구한 $A_{C P, i}$ 를 모두 합한 후 $A_{B L}$ 로 나눈 붕괴확률은 다음과 같이 계산할 수 있다.

(7)

C R_{P G A} = \frac{1}{A_{B L}} \sum_{i = 1}^{N} A_{C P, i}

여기서, $C R_{P G A}$ 는 PGA의 지진동이 발생했을 때 대상 지역 내 총 건축연면적 대비 붕괴가 발생한 건축물의 연면적의 비이며, 이를 지진으로 인한 붕괴위험도를 평가하는 지표로 활용할 수 있다.

이상의 방법론을 적용하고자 국내 특정 시의 10개 행정구역에 위치한 전체건축물을 대상으로 평가를 수행하였다. 대상 행정구역의 전체 건축물 연면적은 90,763,974m²이고 총 217,188동이 고려되었다. Table 2에는 대상 행정구역별 지반의 분포와 건물동수, $N_{b d g}$ , 총 연면적, $A_{B L}$ , 구조형식의 분포가 정리되어 있다. 표에서 건물 유형 앞에 붙은 P와 M기호는 Pre-code와 Moderate-code에 해당하는 유형을 의미한다. 대표적으로 URML 유형의 경우 상대적으로 취약한 지반에 위치하는 빈도가 43.9%로 다른 구조유형들에 비해 높으며, 이로 인해 특히 S5지반에서 Pre-code 14.89%, Moderate-code 15.11%, S3지반에서 Pre-code 11.52%, Moderate-code 11.7%로 누적붕괴확률이 높게 나타난다.

Table 2.

Evaluations of regional seismic collapse risk considerign site class and distributions of buildings

-	A region	B region	C region	D region	E region	F region	G region	H region	I region	J region
Site class	S₃ (98.6%)	S₂ (92.2%)	S₂ (92.4%)	S₂ (76.8%)	S₂ (82.1%)	S₂ (76.4%)	S₂ (72.2%)	S₂ (91.0%)	S₂ (95.5%)	S₂ (97.0%)
Site class	S₄ (0.7%)	S₃ (5.3%)	S₄ (4.6%)	S₄ (21.7%)	S₄ (13.6%)	S₄ (19.8%)	S₄ (19.1%)	S₁ (4.6%)	S₄ (2.4%)	S₄ (1.6%)
$N_{b d g}$ , EA	24,405	17,633	25,404	22,636	24,236	19,526	18,468	15,219	34,161	15,500
$A_{B L}$ , m²	31.65	23.93	4.10	3.55	13.52	1.33	2.48	3.02	4.63	2.55
Distribution of structures	M-C3L2 (15.6%)	M-C2L2 (16.8%)	M-URML (27.9%)	M-URML (41.0%)	M-C1L2 (19.5%)	M-W2 (21.5%)	M-URML (39.1%)	M-URML (43.9%)	M-URML (43.2%)	M-URML (37.3%)
	M-C2L2 (14.2%)	M-URML (16.0%)	M-C3L2 (11.8%)	M-C3L2 (10.5%)	M-URML (19.2%)	M-URML (18.3%)	M-C2L2 (12.9%)	M-C1L2 (12.1%)	M-W2 (9.8%)	M-C3L2 (15.5%)
	M-C4M (12.4%)	M-C3L2 (15.0%)	M-C2L2 (11.5%)	M-C2L2 (10.4%)	M-C3L2 (16.5%)	M-C2L2 (16.9%)	M-C3L2 (8.5%)	M-C3L2 (9.3%)	M-C3L2 (8.1%)	M-C1L2 (11.1%)
	P-URML (8.9%)	M-C1L2 (12.3%)	M-C1L2 (11.1%)	M-URMM (7.4%)	M-C2L2 (13.9%)	M-W1 (11.1%)	M-URMM (7.7%)	M-C2L2 (8.7%)	M-C1L2 (7.9%)	M-C2L2 (10.3%)
	M-C1L2 (8.2%)	M-C2L1 (8.7%)	M-URMM (7.2%)	M-C1L2 (7.4%)	M-C2L1 (4.5%)	M-C3L2 (6.6%)	M-W2 (6.6%)	M-URMM (4.8%)	M-C2L2 (7.9%)	M-URMM (5.4%)
$C R_{P G A}$	0.44%	0.45%	0.63%	0.66%	0.51%	0.47%	0.65%	0.67%	0.91%	1.18%

행정구역 D와 E는 전체 건축물 동수의 차이가 크지 않으며, 건축물 구조형식의 분포에서도 상위 2개의 구조형식이 URML, C3L2로 유사하지만 $C R_{P G A}$ 값은 0.66%와 0.51%로 행정구역 D가 E에 비하여 지역단위 붕괴위험도성이 상대적으로 높게 평가되었다. 유사한 건축물 구성임에도 불구하고 지반종류를 고려하여 건축물 붕괴위험도를 평가하게 되면 행정구역 D가 $C R_{P G A}$ 이 크게 도출되었는데, 이는 S4로 분류된 지반의 비율이 다수 분포하는 행정구역 D가 행정구역 B와 비교하여 스펙트럼가속도증폭계수가 크기 때문이다. 이와 같은 현상은 행정구역 B와 G에서도 유사하게 나타났으며, 건축물 유형별 구성비가 두 행정구역 모두 URML과 C2L2가 40% 수준을 차지할 만큼 비중이 높지만, 행정구역 C의 경우 스펙트럼가속도증폭계수가 큰 S4 지반의 분포비율 20%이며 S3 지반의 분포가 5% 수준인 행정구역 G와 비교하여 $C R_{P G A}$ 이 상대적으로 크게 평가되었다.

Fig. 4에서 정리한 바와 같이 건축물의 내진성능에 의한 붕괴위험도는 URM유형, C2유형, PC유형의 건축물 유형에 대해서 상대적으로 낮은 $P G A_{C P 1}$ 과 $P G A_{C P 2}$ 를 가진다. 따라서 건축물의 행정구역 내 분포 형태에 따라서도 지역단위 붕괴위험도 평가결과는 영향을 받을 수 있다. 이와 같은 현상은 행정구역 D와 J에 대한 평가결과로부터 확인할 수 있으며, 두 행정구역은 S2로 분류된 지반이 92% 이상을 차지하며 지반분포는 유사하다고 볼 수 있다. 행정구역 J의 경우에는 $P G A_{C P 1}$ 과 $P G A_{C P 2}$ 값이 최소로 평가된 URML 유형의 건축물이 37% 이상을 차지하는 데 반해, 행정구역 B는 URML 유형은 28% 수준을 차지하여 $C R_{P G A}$ 평가결과에 대해서도 각각 1.18%와 0.63%로 평가되어 상대적 차이를 나타내었다.

행정구역 E와 B에 대한 지역단위 붕괴위험도를 비교하면, 행정구역 E의 경우 C1L2 건축물 유형이 20%, UMRL 유형이 19%를 차지하고 행정구역 B의 경우 C2L2 유형이 17%, URML 유형이 16%를 차지한다. 건축물의 내진성능만을 고려하면 행정구역 E가 행정구역 B와 비교하여 지진피해가 적게 발생할 개연성이 있지만, 지반의 종류까지 고려하면 행정구역 E의 $C R_{P G A}$ 값이 0.51%로 행정구역 B의 $C R_{P G A}$ 값 0.45%보다 크게 평가되어 상대적으로 지진으로 인한 피해가 크게 발생할 수 있다. 이는 행정구역 E의 경우 지반분류는 S2지반이 82%, S4지반이 14% 수준의 분포를 나타내고 행정구역 B의 경우에는 S2지반이 92%, S3지반이 5% 수준으로 분포되는 차이에 기인한다고 볼 수 있으며, 행정구역 E의 경우에 취약한 건물유형으로 분류되는 건축물들의 다수가 스펙트럼가속도증폭계수가 큰 S4지반에 위치한 것으로 판단할 수 있다. 이와 같이 행정구역의 지반종류에 따른 영향은 지역단위 붕괴위험도 평가에 있어 미치는 영향이 크므로 건축물의 내진성능에 의한 붕괴위험도와 반드시 함께 고려될 필요가 있으며, 건축물 내진성능과 비교하여 상대적으로 지역단위 붕괴위험도 평가에 있어 주요한 영향을 나타낼 수 있다.

4. 결 론

본 연구에서는 지역단위 지진위험도 평가에 영향을 미치는 건축물의 내진성능 취약도와 대상부지의 지반증폭수준을 고려하여 정량적으로 공학적 판단을 하기에 적합한 붕괴위험도를 평가하였다. 또한 국내 특정 행정구역에 적용하여 지역단위 지진위험도에 미치는 요인들의 영향을 분석하였다. 이에 따른 결론은 다음에서 정리하는 바와 같다.

1) 지진에 대한 건축물의 공학적 위험성 평가하기 위해 건축물 유형별 지진취약도함수로부터 일정 붕괴확률을 유발하는 지진동의 최대지반가속도를 평가하였으며, Pre-code의 경우 중층 콘크리트전단벽(C3M)이 최솟값을 나타내었으며, 고층 철골모멘트골조(S1H)가 최댓값을 나타내었다. Moderate-code의 경우 저층 무보강조적전단벽(URML)이 최솟값을 Pre-code와 동일하게 고층 철골모멘트골조가 최댓값을 나타내었다.

2) 지반종류에 따른 영향을 분석하기 위하여 건축물 구조형식의 스펙트럼가속도를 발생시키는 지진이 발생했을 경우 붕괴가 발생하는 누적확률을 계산하였으며, 지반종류에 따라 누적붕괴확률에 현격한 차이가 발생하였다. 스펙트럼가속도증폭계수가 큰 지반일수록 누적붕괴확률이 높아졌으며, 경주 및 포항 지진 시 지진피해가 크게 발생한 필로티형 콘크리트전단벽 구조형식의 누적붕괴확률이 타 유형과 비교하여 상대적으로 크게 평가되었다.

3) 지역단위 지진 붕괴위험도 평가결과 일부 행정구역에서는 건축물의 구조유형에 따른 내진성능 수준이 상대적으로 우수하더라도, 지반 조건으로 인해 전체 붕괴위험도가 높게 평가되는 경우도 있었다. 일정 붕괴확률을 유발하는 지진동의 최대지반가속도가 큰 건물 유형이 높은 비율로 분포되어 있음에도 불구하고 해당 지역의 지진 붕괴위험도가 다른 지역에 비해 낮게 나타나는 경우도 확인되었으며, 이는 지반유형에 따른 스펙트럼가속도증폭수준이 지진 붕괴위험도에 상대적으로 주요한 영향을 미치는 요인으로 작용하기 때문이다.

4) 본 연구에서는 지진취약도 함수에서 스펙트럼가속도의 중간값을 최대지반가속도를 기반으로 변환함에 있어 평균 계수값을 이용하였으며, 이 과정에서의 불확실성이 존재한다. 통계적 분산을 고려한다면 계산된 누적붕괴확률값과 이에 따른 구조형식간 취약성 상대 순위는 불확실성의 과소평가라는 측면에서 향후 보완된 연구가 수행될 필요가 있다.

Acknowledgements

본 결과물은 2025년 부산대학교 특성화 사업의 지원으로 수행되었음.

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Journal of the Computational Structural Engineering Institute of Korea ISSN:1229-3059(Print) 2287-2302(Online) 한국전산구조공학회 논문집

Preview

Analysis of Influential Factors on the Evaluation of Regional Seismic Collapse Risk

ABSTRACT

MAIN

Fig. 1.

Structural capacity curves used for seismic fragility analysis

Fig. 2.

Seismic fragility curves

Fig. 3.

Response acceleration spectra derived from site-specifc analysis

(1)

(2)

(3)

(4)

Table 1.

Site amplification factor

Fig. 4.

PGACP1 and PGACP2 according to structural types

(5)

Fig. 5.

Comparison of cumulative collapse probabilities by structural system subjected to earthquakes with PGA = 0.3g

(6)

(7)

Table 2.

Evaluations of regional seismic collapse risk considerign site class and distributions of buildings

Acknowledgements

References

$P G A_{C P 1}$ and $P G A_{C P 2}$ according to structural types