기초구조물 내진 해석법

왜 배우는가: 기초구조물은 지진 시 상부구조의 관성력과 지반의 변형을 함께 받아 피해가 커지기 쉽다. 그래서 기초의 내진 해석법을 정확히 구분해 적용하는 능력이 실무 설계 검토와 시험 모두에서 반복적으로 요구된다. 해석법 선정 기준과 기초–지반 상호작용의 이해가 여러 교시 문제의 공통 바탕이 된다.

출제 이력: 제139회 1교시 9번, 제126회 2교시 1번, 제114회 1교시 1번, 제102회 3교시 3번

1. 한 줄 정의와 핵심 키워드

기초구조물 내진 해석법은 지진 시 지반운동과 구조물 관성력에 따른 기초의 변위·응력·안정성을 평가하는 방법으로, 등가정적해석·응답변위해석·동적해석으로 구분한다.

• 지반운동
• 관성력
• 지반–기초 상호작용
• 등가정적해석
• 응답변위해석
• 동적해석
• 내진성능목표
• 액상화

2. 개념 풀이

쉬운 말로 하면, 지진이 오면 땅이 흔들리고 그 위의 건물이 관성력으로 밀린다. 기초는 이 두 가지 힘을 땅에 전달하는 부재이므로 기초가 얼마나 버티는지를 따로 계산해야 한다.

정식 정의는 다음과 같다. 기초구조물 내진 해석법은 등가정적해석, 응답변위해석, 동적해석 등을 이용하여 기초 구조체의 최대응력, 기초지반의 최대반력, 상부구조의 최대변위, 기초의 전도·활동·지지력을 검토하는 방법이다. 기준에서 등가정적해석은 지진하중을 등가의 정적하중으로 바꾼 뒤 정적설계법과 같은 방법으로 안정성을 보는 방법이다.

응답변위해석은 지진 시 지반변위에 의한 지진토압과 지중구조물–주변지반의 경계조건을 모델링하여 정적으로 계산하는 방법이다. 지중 벽체 구조물처럼 지반변위가 지배적인 기초에 적용한다.

동적해석은 응답스펙트럼법이나 응답이력해석(시간이력해석)으로 구조동역학적 응답을 구하는 방법이다. 비선형성과 상호작용이 클 때 쓴다.

지반–기초 상호작용은 운동학적 상호작용과 관성 상호작용으로 나뉜다. 운동학적 상호작용은 강성이 있는 기초가 자유장 지반운동을 그대로 따르지 못해 생기는 효과이고, 관성 상호작용은 상부구조 질량이 기초와 지반에 관성력을 전달해 생기는 변형이다.

내진성능목표는 기능수행수준과 붕괴방지수준으로 나눠 설계 거동 한계를 정한다. 얕은기초와 깊은기초는 지진 시 주변 지반의 소성거동은 허용할 수 있지만, 기초 자체와 상부구조는 탄성 또는 탄성에 준하는 거동을 유지하는 것이 기본이다. 붕괴방지수준에서는 기초와 상부구조에 취성파괴나 좌굴이 생기지 않아야 한다.

3. 등장 배경과 필요성

기초는 지하에 묻혀 있어 육안 점검이 어렵다. 지진 피해는 상부구조보다 기초와 지반에서 먼저 시작되는 경우가 많다. 말뚝이 지반 변형을 따라 휘거나 액상화로 지지력을 잃으면 상부구조가 멀쩡해 보여도 교량이나 건물이 기울거나 무너질 수 있다.

기존의 정적 설계만으로는 지반의 동적 거동과 상호작용을 반영하기 어려웠다. 그래서 등가정적해석에 응답변위해석과 동적해석을 더해 지반조건과 구조물 특성에 맞는 해석을 고르게 되었다.

국내에서는 기초 내진 설계기준(KDS 11 50 25)이 이 체계를 규정한다. 이 기준은 기초의 내진성능을 확보하고 지진에 의한 기초 피해와 경제적 손실을 최소화하는 것을 목적으로 한다. 지진하중은 구조물 자중과 함께 상재하중에 의한 관성력, 지진에 의한 동수압과 토압을 고려해 결정한다.