교각 설계지진력

정의

교각 설계지진력은 지진 시 교각 기둥이 받는 수평력을 설계기준에 따라 정한 값이다.

지진이 오면 상부구조의 질량이 관성력을 만들고, 이 힘이 교각 기둥으로 전달된다.

이 힘으로 기둥의 휨모멘트와 전단력을 구한다. 내진설계 계산의 출발점이다.

탄성지진력과 설계지진력

구조물이 탄성 범위에서 거동한다고 보고 구한 힘이 탄성지진력이다.

실제 교각은 큰 지진에서 소성힌지를 만들므로, 탄성지진력을 그대로 쓰면 과대 설계가 된다.

그래서 응답수정계수 R로 낮춘 설계지진력을 기둥 설계에 쓴다.

이 두 개념을 구분하는 것이 답안의 핵심이다.

강성과 고유주기

교축직각방향 해석에서 기둥은 고정-자유 캔틸레버로 보고 강성을 구한다.

강성은 k = 3EcI/L³로 구한다. Ec는 콘크리트 탄성계수, I는 단면2차모멘트다.

고유주기는 T = 2π√(m/k)로 구한다. m은 등가 질량이다.

강성 k는 높이 L의 세제곱에 반비례한다. 높이가 높을수록 강성이 크게 줄어든다.

지진구역과 지반종류

교각 설계지진력은 지진구역, 지반종류, 내진등급을 빠짐없이 확정하고 시작한다.

지진구역 I의 지진구역계수는 0.11g다. 기반암에서 500년 지진을 기준으로 한 값이다.

지반 분류는 S1에서 S6까지 6종이다. 토층평균 전단파속도가 120m/s 이하면 연약지반이다.

내진특등급은 최대 재현주기 지진을, 내진I등급과 II등급은 낮은 재현주기를 적용한다.

탄성계수 단위 환산

교각 콘크리트의 탄성계수는 주어진 단위를 통일해 적용해야 한다.

탄성계수가 kg/cm²로 주어지면 MPa로 환산한다. 1MPa는 약 10.2kg/cm²다.

비교하기 전에 환산식을 먼저 적는다. 문제 조건의 값을 그대로 쓰고 단위만 맞춘다.

단위가 틀리면 강성과 고유주기가 모두 틀어진다.

흔한 실수와 채점 포인트

가장 흔한 실수는 단위 혼용이다. 탄성계수가 kg/cm²로 주어지면 MPa로 환산해야 한다.

둘째는 지진구역계수와 위험도계수를 혼동하는 것이다.

셋째는 지반종류를 S2로 두고 지반증폭계수를 임의로 고르는 것이다.

채점은 응답스펙트럼 값, 강성 산정 방법, 단위 환산, 최종 설계지진력 순으로 본다.

정리

이번 장면의 내용을 정리한다.

설계지진력은 탄성 해석으로 강성을 구하고, 설계기준에 따라 연성을 고려해 산정한다.

앞의 두 문제 정답은 1/8배와 약 10.2kg/cm²다.