지하구조물 내진설계

왜 배우는가: 지하구조물은 지반과 함께 진동하므로 지상 건물과 다른 내진 거동을 보이며, 지하철·터널·공동구의 안전을 좌우한다. 토질및기초 시험에서 진동특성, 변형양상, 내진해석법을 묶어 반복 출제되므로 개념 구분을 정확히 익혀야 한다.

출제 이력: 제135회 3교시 2번, 제119회 2교시 5번, 제115회 4교시 4번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

지하구조물 내진설계는 지진 시 주변 지반과 구조물이 함께 움직이는 거동을 고려하여, 지반변위와 지반-구조물 상호작용을 반영해 구조물의 내진 안정성을 확보하는 설계 과정이다.

지하구조물은 지반 변위에 따라 움직이므로 지반-구조물 상호작용을 반드시 반영하여 내진설계한다.

핵심 키워드

• 지반-구조물 상호작용(SSI)
• 운동상호작용과 관성상호작용
• 응답변위법
• 등가정적 해석법
• 동적해석법(응답스펙트럼법, 응답이력해석법)
• 액상화
• 기능수행수준과 붕괴방지수준

2. 개념 풀이

지하구조물은 지상 건물처럼 위쪽 질량이 자유롭게 흔들리지 않는다. 주변 지반이 구조물을 같이 밀고 당기므로, 지진 중 지반이 움직이는 양상이 구조물의 변형을 결정한다. 이 점이 지하구조물 내진설계의 출발점이다.

지반-구조물 상호작용(SSI) 은 지반과 구조물이 응력을 주고받으며 진동특성이 서로 바뀌는 현상이다. SSI는 역학적 성격에 따라 두 가지로 나뉜다.

운동상호작용(Kinematic Interaction) 은 구조물의 존재 때문에 생기는 준정적 상호작용이다. 구조물이 지반 변위를 억제하거나 따라가면서 지반 변형과 구조물 변형이 서로 영향을 준다. 지중 벽체처럼 지반변위가 지배적인 구조물에서 특히 중요하다.

관성상호작용(Inertial Interaction) 은 구조물 질량의 관성력이 기초를 통해 지반에 전달되어 생기는 동적 상호작용이다. 지상 구조물과 깊은 기초에서 주로 문제가 된다.

응답변위법 은 지진 시 지반변위에 의한 지진토압과 지중구조물·주변지반의 경계조건을 모델링하여 구조물의 안정성을 정적으로 계산하는 방법이다. 기준에서는 지반변위가 지배적인 지중 벽체 구조물에 적용하도록 정한다.

지반변위가 지배적인 지중 벽체 구조물은 응답변위법 적용

3. 등장 배경과 필요성

지상 구조물의 내진설계는 기반암 지진파를 구조물 하중으로 바꾸는 방식이 대부분이었다. 그러나 지하구조물은 지반 속에 묻혀 있어 지반의 강성, 층 구성, 변위 분포의 영향을 강하게 받는다. 지표의 측정 지진을 그대로 쓰면 지반 특성이 빠져 구조물 거동이 과소평가될 우려가 있다.

지진으로 인한 지하구조물 피해가 실제로 보고되면서 지반 변위를 직접 고려하는 설계의 필요성이 커졌다. 지반이 약하거나 액상화가 예상되는 곳에서는 기초와 지반의 거동이 함께 평가되어야 한다. 이에 따라 기초 내진설계 기준은 등가정적 해석, 응답변위 해석, 동적해석을 함께 사용하도록 규정한다.

지하구조물은 지반 변위와 지반-구조물 상호작용이 지배하므로 지상구조물과 다른 해석법을 쓴다.

기준은 기초 구조물에 대해 등가정적 해석법, 응답변위 해석법, 동적해석법을 모두 사용할 수 있다고 규정한다. 기초에 대해서는 기초 구조체의 최대응력, 기초지반의 최대반력, 상부구조의 최대변위, 전도·활동·지지력을 검토한다.

4. 구성요소·원리·절차

지하구조물의 내진설계는 지반과 구조물을 하나의 계로 보고, 지진에 의해 지반이 변형하면 구조물이 그 변형을 따라가는지 아니면 관성력을 받는지를 구분하는 데서 출발한다. 설계의 구성요소는 설계지반운동, 지반 조건, 구조물 모델, 해석법, 설계거동한계로 나뉜다.

지하구조물은 지상 건물과 달리 운동상호작용(Kinematic Interaction)이 지배적이다. 지반이 변형하면 구조물은 주변 지반의 변위를 강제로 따라가며, 이때 구조물 자체의 관성력은 상대적으로 작다. 반면 기초 및 말뚝처럼 상부 구조물의 관성력이 큰 경우에는 관성상호작용(Inertial Interaction)을 함께 고려한다. 이 두 효과를 구분하는 것이 내진해석법 선택의 출발점이다.

설계 원리는 지반변위가 지배적인 구조물과 관성력이 지배적인 구조물을 나누어 해석법을 고르는 것이다. 지중 벽체 구조물과 같이 지반변위가 지배적인 기초 구조물에는 응답변위 해석방법을 적용한다. 얕은기초와 말뚝기초에는 등가정적해석을 기본으로 하고, 기초와 지반의 상호작용을 고려할 필요가 있을 때 응답스펙트럼법이나 응답이력해석법을 쓴다.

지중 구조물의 내진설계는 지반변위가 지배적인지 관성력이 지배적인지에 따라 해석법을 나눈다

설계 절차는 다음과 같다.

• 부지의 지진구역, 위험도계수, 지반분류를 정하고 설계 응답스펙트럼을 결정한다.
• 액상화 가능성을 평가하고, 액상화 영향이 있으면 지반 강도 감소와 측방유동을 하중으로 반영한다.
• 구조물 형식에 따라 해석법을 고른다. 지중 벽체는 응답변위법, 얕은기초·말뚝은 등가정적법, 중요 구조물은 동적해석법을 쓴다.
• 최대응력, 지반 최대반력, 상부구조 최대변위, 전도·활동·지지력을 검토한다.
• 기능수행수준과 붕괴방지수준별 설계거동한계를 만족하는지 확인한다.

응답변위법은 지진 시 발생하는 지반변위에 의한 지진토압과 구조물-지반 경계조건을 각각 모델링해 정적으로 안정성을 계산하는 방법이다. 지하구조물의 깊이 방향 변형을 직접 다루므로 지하 벽체, 접속부, 터널 횡단면 해석에 널리 쓴다.

등가정적해석은 지진하중을 등가의 정적하중으로 환산한 뒤 정적설계법을 적용한다. 말뚝기초에서는 지진하중을 말뚝머리의 등가정적하중으로 환산하고, 무리말뚝이면 무리말뚝 해석으로 하중을 단일말뚝에 나눈 뒤 가장 큰 하중을 받는 말뚝을 검토한다.

동적해석법은 응답스펙트럼법과 응답이력해석법으로 나뉜다. 응답스펙트럼법은 고유진동 모드별 최대응답을 조합하는 방식이고, 응답이력해석법은 지진 가속도 기록을 시간에 따라 직접 입력하는 방식이다. 두 방법 모두 현장시험과 실내시험으로 구한 지반 특성치를 적용한다.

말뚝 인발력 10% 이상 정착은 속채움이 없는 강관말뚝, 나무말뚝, 강말뚝에 적용되는 정착 조건이다. 말뚝의 내진설계에서는 극한지지력 개념을 쓰며, 말뚝이 지표면 아래에서 먼저 파괴되지 않도록 기둥이 휨항복하기 전에 말뚝 파괴가 일어나지 않게 한다.

5. 관련 법령·기준·표준

지하구조물의 내진설계는 기초 내진 설계기준(KDS 11 50 25)을 기본으로 하고, 설계지반운동과 등급은 내진설계 일반(KDS 17 10 00)을 따른다. 기초 기준은 세부 수치를 대부분 KDS 17 10 00에 위임하므로, 두 기준을 함께 읽어야 한다. 터널에는 터널 설계기준과 도시철도 내진설계기준이 별도로 적용된다.

기준 수치 가운데 지진구역계수 Z와 위험도계수 I는 KDS 17 10 00의 표에 있으며, 기초 기준은 이를 인용한다. 기능수행수준에서는 얕은기초와 깊은기초의 주변 지반 소성거동을 허용하고, 기초 구조물과 상부구조는 탄성 또는 탄성에 준하는 거동을 허용한다. 붕괴방지수준에서는 기초구조물과 상부구조에 취성파괴나 좌굴이 생기지 않아야 하며, 지반에는 과다한 변형이 생기지 않아야 한다.