지하구조물 내진설계

왜 배우는가: 지하구조물은 지상구조물과 강성 차이가 커서 지진 시 지반의 변위와 토압이 구조물 거동을 지배한다. 기술사 시험에서는 지하구조물 내진해석 방법과 지진토압 산정이 여러 회차에 걸쳐 반복 출제되므로 개념의 정의와 배경을 먼저 정확히 잡아야 한다.

출제 이력: 제138회 4교시 5번, 제136회 2교시 4번, 제130회 4교시 4번, 제129회 1교시 13번, 제124회 1교시 4번, 제121회 2교시 3번, 제119회 1교시 5번, 제90회 1교시 2번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

지하구조물 내진설계는 지반에 둘러싸인 구조물이 지진 시 주변 지반의 변위와 지진토압을 받는 것을 고려하여 구조물의 내진 안정성을 확보하는 설계다.

지하구조물 내진설계는 주변 지반의 지진 변위와 지진토압을 구조물과 함께 고려하여 내진 안정성을 확보하는 설계이다.

키워드

• 지하구조물
• 지진토압
• 지반-구조물 상호작용
• 응답변위법
• 등가정적법
• 시간이력해석
• 지반종류
• 내진성능수준

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 땅속에 묻힌 상자 모양 구조물은 지진이 오면 흔들리는 땅과 함께 움직인다. 땅이 밀어내는 힘이 구조물의 벽에 작용하므로, 이 힘을 따로 계산해 설계에 반영해야 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 지하구조물 내진설계는 지진 시 지반의 동적 변위에 의해 구조물에 작용하는 지진토압과 구조물-지반 경계조건을 모델링하여 구조물의 내진 안정성을 정적 또는 동적으로 검증하는 설계 절차다. 건축물 내진설계기준은 이 개념을 지상구조물과 구분하여 별도 항목으로 다룬다.

핵심 용어를 풀면 다음과 같다.

지진토압은 지진 시 지반변위와 관성력에 의해 흙이 벽체에 가하는 측방향 압력이다. 정적 토압에 지진에 의한 증분을 더한 값으로 산정하며, 지하구조물 벽체의 설계 하중이 된다.

지반-구조물 상호작용은 구조물과 이를 지지하는 지반이 동적으로 서로 영향을 주고받는 현상이다. 지하구조물에서는 지반의 강성이 구조물 거동을 지배하므로 이 상호작용이 해석의 핵심이 된다.

응답변위법은 지진 시 발생하는 지반변위를 입력으로 하여 구조물과 주변 지반의 경계조건을 모델링하고, 구조물의 내진 안정성을 정적으로 계산하는 방법이다.

지반종류는 지반의 지진증폭 특성을 나타내기 위해 분류한 지반 구분이다. 내진설계 일반 기준은 평균전단파속도 기준으로 지반을 여섯 가지로 나눈다. 기반암은 전단파속도 760m/s 이상인 지층으로 정의한다.

3. 등장 배경과 필요성

지하구조물은 지상구조물과 달리 관성력보다 지반변위의 영향을 크게 받는다. 지상건물은 상부 질량의 관성력이 지배적이지만, 지하구조물은 주변 지반이 함께 움직이므로 지반의 변형이 구조물 변형을 강제한다.

국내에서는 도시 개발과 지하공간 활용이 늘면서 지하주차장, 지하철, 지하상가 같은 대형 지하구조물이 증가했다. 이에 따라 지하구조물의 지진 안전성을 별도로 검토할 필요가 커졌다.

또한 지하구조물은 인접 지상구조물과 연결되는 경우가 많다. 지하와 지상의 강성 차이가 크면 연결부에 응력이 집중되므로, 두 구조물을 어떻게 해석할지 기준이 필요해졌다. 이 문제는 지하구조물 내진해석 방법에서 다룬다.