하수도시설 내진설계

왜 배우는가: 하수도시설은 지진 시 파손되면 오수 역류, 침출수·오염물 유출, 침수 등 2차 피해로 이어지므로 실무에서 내진 설계 기준을 정확히 적용해야 한다. 내진등급·목표 지진 수준·설계 목표는 설계와 시험에서 반복해 묻는 핵심 항목이다.

출제 이력: 제114회 2교시 3번, 제111회 4교시 6번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

답안 첫 줄 정의 문장:

하수도시설 내진설계는 지진 시와 지진 후에도 하수도시설의 기능을 유지하고 붕괴를 방지하도록 지진하중을 반영하여 구조물과 설비를 설계하는 것이다.

핵심 키워드

• 내진설계
• 내진등급
• 내진성능수준
• 기능수행수준
• 붕괴방지수준
• 평균 재현주기
• 지반분류
• 전단파 속도

2. 개념 풀이

쉽게 말하면 지진이 와도 하수가 새지 않고, 처리장이 멈추지 않으며, 최소한 무너지지 않게 미리 설계해 두는 일이다. 하수관로와 처리시설이 끊어지면 오수가 도로와 하천으로 흘러 나오고, 침수 대응 능력도 떨어진다.

정식 정의는 다음과 같다. 내진설계는 설계지반운동을 정하고, 그 지반운동에 대해 목표 내진성능수준을 만족하도록 구조물·기초·관로·설비의 응답을 해석하고 부재를 설계하는 과정이다. 하수도시설은 지진 시 기능 유지가 필요하므로 단순 안전성뿐 아니라 기능수행 여부를 함께 검토한다.

내진등급은 시설의 중요도에 따라 정하는 등급이다. 하수도시설은 원칙적으로 내진 II등급을 적용하고, 상수원 보호구역 등 지진 시 중대한 2차 피해가 예상되는 곳은 내진 I등급을 적용한다. 이 기준은 폐기물매립시설 고시가 제시한 등급 체계와 같은 방식이다.

내진성능수준은 지진 후 시설이 보여야 할 상태를 나눈 것이다. 기능수행, 즉시복구, 장기복구·인명보호, 붕괴방지의 네 단계로 나뉜다. 하수도시설은 기능수행과 붕괴방지 두 수준을 기본으로 검토한다.

평균 재현주기는 같은 크기의 지진이 평균적으로 몇 년에 한 번 일어나는지를 뜻한다. 재현주기가 길수록 설계 지진의 크기가 커진다.

3. 등장 배경과 필요성

국내에서는 지진 빈도가 낮다고 여겨져 하수도시설 설계에 내진 개념이 늦게 들어왔다. 그러나 경주·포항 지진 이후 시설물 내진 기준의 적용 범위가 넓어졌다. 「지진·화산재해대책법」은 공공하수처리시설을 내진설계 대상 시설로 규정하고, 관계 중앙행정기관이 내진설계기준을 정하도록 하였다.

하수도는 생활과 산업에 필수적인 기반시설이며 지진 피해가 파급효과가 크다. 관로가 파손되면 침수와 악취가 발생하고, 처리시설이 정지하면 하천 수질이 급격히 나빠진다. 따라서 평상시 성능뿐 아니라 지진 시 기능 유지까지 설계 단계에서 요구된다.

또한 하수도시설은 지반에 묻히는 관로와 지상의 처리시설이 함께 있어 지반 조건의 영향을 크게 받는다. 연약지반과 액상화 가능 지반에서는 관로의 변형과 부등침하가 생기기 쉽다. 그래서 지반분류와 액상화 검토가 내진설계의 출발점이 된다.

내진 II등급 원칙 적용은 하수도 내진설계의 기본 출발점이다.

4. 구성요소·원리·절차

하수도시설의 내진설계는 시설을 기능 단위로 나누어 각 구성요소에 지진하중을 적용하는 방식으로 진행한다. 폐기물매립시설 고시의 체계를 기준으로 하수도 시설의 구성요소를 정리하면 다음과 같다.

표의 구성요소는 지진 시 기능 유지와 붕괴 방지를 각각 확인하는 대상이다. 관로와 구조물은 지반운동을 입력으로 받고, 기초지반은 지반 자체의 거동을 판단한다.

원리는 지반운동이 구조물에 전달되는 경로를 따라 응답을 구하는 것이다. 지반운동은 구조물 기초 또는 저면을 기준으로 정하며, 지반의 강성과 구조물의 유연성을 함께 고려한다. 유체-구조물-지반 상호작용을 해석할 때는 구조물의 유연성과 지반의 변형성을 반영해야 한다.

설계 절차는 다음과 같다.

• 내진등급과 요구 내진성능수준을 정한다. 시설은 원칙적으로 내진 II등급을 적용하고, 2차 피해가 예상되는 지역은 내진 I등급을 적용한다.
• 설계지반운동의 재현주기를 정한다. 붕괴방지수준에서 II등급은 평균재현주기 500년, I등급은 1000년 지진을 쓴다.
• 지반분류를 하고 지반의 특성을 파악한다. 기반암 깊이와 토층 평균 전단파 속도로 6종류로 나눈다.
• 액상화를 평가한다. 간편예측법의 안전율은 1.5 이상을 기준으로 하고, 안전율이 1.0~1.5이면 상세예측법을 수행한다.
• 구성요소별로 지진해석을 하고 안정성을 검토한다. 폐기물성토제체와 사면의 기준안전율은 1.1을 적용한다.
• 설계 결과를 품질보증 계획과 유지관리 계획에 반영한다.

지반분류와 내진등급, 재현주기가 설계지반운동을 결정하는 출발점이다.

5. 관련 법령·기준·표준

하수도시설 내진설계의 법적 근거는 「지진·화산재해대책법」 제14조의 내진설계기준이다. 이 조항에 따라 하수도 설계기준(KDS 61 00 00)과 내진설계 일반기준(KDS 17 10 00)이 적용된다. 폐기물매립시설 내진설계 고시는 침출수 처리시설에 하수도 내진설계기준을 준수하도록 규정한다. 고시는 2019년 기준 3년마다 타당성을 검토하도록 정하고 있다.

내진등급과 재현주기는 다음 기준으로 정한다.

표의 기능수행수준 재현주기는 첨부 표1의 값을 옮긴 것이다. 기능수행수준은 지진 시 또는 지진 발생 후에도 정상 기능 유지가 가능한 수준이다.

지반분류는 기반암 깊이 H와 토층 평균 전단파 속도 Vs로 6종류를 나눈다.

지반분류 표는 첨부 표2를 옮긴 것이다. 토층 평균 전단파 속도는 탄성파시험 결과가 있으면 이를 우선 적용한다. 토층 평균 전단파 속도가 120m/s 이하인 지반은 기반암 깊이와 관계없이 S6으로 분류한다.

액상화 평가 기준은 다음과 같다. 간편예측법의 안전율은 1.5 이상이고, 상세예측법의 안전율은 1.0 이상이다. 안전율이 1.0 미만이면 대책공법을 마련해야 한다.

설계 안전율은 다음과 같다. 지진하중을 고려한 폐기물성토제체와 사면의 기준안전율은 1.1이다. 옹벽의 동적 토압은 Mononobe-Okabe 토압이론으로 산정한다.

매설관로는 직경 300mm 이상인 경우 내진설계를 적용한다. 매설관로의 내진 성능은 지진동에 의한 변형율을 상시 하중에 의한 변형율과 합하여 검토한다.

외국 기준과의 차이는 이 고시에 근거가 없어 개념 차이만 정리한다. 국제 기준은 성능기반 설계 방향으로 바뀌고 있으나, 국내 하수도 설계는 재현주기와 등급 체계를 기준으로 한다.

6. 유형과 비교

하수도시설 내진설계는 시설의 종류와 중요도에 따라 적용 기준과 내진등급이 달라진다. 아래 표는 폐기물매립시설 고시와 하수도 설계기준, 도시철도 내진설계기준을 비교하기 위한 것이다. 이 절에서는 비교 항목을 중심으로 정리한다.