지진토압

왜 배우는가: 지하 외벽은 흙에 둘러싸여 있어서 지진 때 흙이 벽을 미는 힘이 정적 토압에 더해진다. 이 힘을 빠뜨리면 지하구조물의 부재력과 변위가 과소평가되므로 내진설계에서 반드시 산정해야 한다. 시험에서는 기준면, 등가정적법, 응답변위법의 적용 순서를 묻는 문제로 자주 출제된다.

출제 이력: 제135회 1교시 1번, 제129회 3교시 6번, 제127회 4교시 4번, 제123회 2교시 4번, 제122회 4교시 5번, 제120회 4교시 5번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

지진토압은 지진 시 지반의 움직임으로 지하 벽체에 추가로 작용하는 흙의 횡방향 압력이다.

• 지진토압
• 지하구조물 내진설계
• 응답변위법
• 지반변위
• 단일코사인법
• 등가정적법
• 기준면
• 지반반력계수

2. 개념 풀이

지진토압을 쉽게 말하면 지진이 올 때 땅이 옆으로 흔들리면서 지하 벽을 밀어내는 힘이다. 평상시에는 흙의 자중과 정지토압만 벽에 작용하지만, 지진 때는 지반이 변형하면서 그 변형량만큼 벽에 추가 압력이 생긴다. 이 추가분을 지진토압이라고 한다.

정식으로는 「기초 내진 설계기준(KDS 11 50 25)」이 지중 벽체 구조물처럼 지반변위가 지배적인 기초구조물에 응답변위 해석방법을 적용하도록 규정한다. 응답변위 해석방법은 지진 시 발생하는 지반변위에 의한 지진토압과, 지중구조물과 주변지반의 경계조건을 각각 모델링하여 구조물의 내진 안정성을 정적으로 계산하는 방법이다. 따라서 지진토압은 응답변위법의 입력값이 된다.

지반변위는 지진토압을 결정하는 핵심 인자다. 지반이 많이 변형할수록 벽체에 작용하는 추가 압력이 커진다. 지반변위는 심도에 따라 달라지므로 지표면 가까이와 깊은 곳의 값이 다르다. 그래서 지진토압은 기준면에서 시작해 심도별로 분포를 구한다.

기준면은 지진토압을 계산할 때 변위와 깊이의 기준이 되는 면이다. 지표면이나 지하 구조물 상단을 기준으로 잡으며, 심도는 이 면에서 아래 방향으로 잰다. 기준면을 잘못 잡으면 모든 심도의 변위와 토압이 함께 틀어지므로 답안 첫머리에 명확히 밝힌다.

이론적으로는 흙의 전단변형에 따른 횡방향 응력 증분을 정적 해석으로 옮긴 개념이다. 벽체는 지반반력계수로 지지된 프레임 요소로 모델링하고, 지반이 벽체에 강제하는 변위를 입력하여 부재력을 구한다. 즉 지진토압은 지반의 변형을 벽체가 받는 하중으로 바꾸는 과정의 결과다.

등가정적법은 지진하중을 등가의 정적하중으로 바꾸어 정적설계와 같은 방법으로 안정성을 검토하는 해석법이다. 지진토압 산정에서는 응답 특성을 반영한 등가 토압을 구하는 방식으로 쓰인다. 응답변위법과는 지반변위를 직접 다루는지 여부에서 차이가 난다.

단일코사인법은 지반변위 분포를 한 개의 코사인 함수로 가정해 심도별 변위와 토압을 구하는 방법이다. 변위가 깊이에 따라 줄어드는 형태를 간단한 식으로 나타내므로 손계산이 가능하다. 시험에서 심도별 지반변위가 주어지면 이 방법으로 토압을 계산하는 경우가 많다.

3. 등장 배경과 필요성

과거 지하구조물은 주로 정적 토압만으로 설계되었다. 지진 시 지하 벽체가 파손된 사례가 보고되면서, 지반이 지진으로 변형할 때 벽체에 추가 하중이 작용한다는 점이 중요해졌다. 지상 건물과 달리 지하구조물은 관성력보다 지반의 변위가 지배적이므로 별도의 해석법이 필요해졌다.