내진설계기준 공통적용사항(국민안전처 2017.4)에 따라 제정된 사항은 다음과 같다.
1. 지반분류체계
기반암의 기준 깊이를 30m→20m로 조정하였고, 지반의 종류를 SA,B,C,D,E,F에서 S1,2,3,4,5,6로 새로 제정하였다. 기존 지반분류는 단주기 영역에 대하여 과소 평가, 장주기 영역에 대하여 과대평가 경향이 있기 때문이다.
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또한 암반층과 토사층의 표준설계응답스팩트럼을 구분하였다. 기반암의 스펙트럼 가속도와 지표면의 스펙트럼 가속도의 증폭비율을 의미하는 ‘지반증폭계수(Fa, Fv)’로부터 토사층의 표준설계응답스팩트럼을 구할 수 있다.
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2. 내진성능수준 분류체계
기존의 2가지 분류의 내진성능수준을 4가지(기능수행수준, 즉시복구수준, 장기복구수준/인명보호수준, 붕괴방지수준)로 분류하였다.
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3. 설계지진 분류체계(재현주기)
설계지진 재현주기는 6가지(50년, 100년, 200년, 500년, 1000년, 2400년)에서 7가지(50년, 100년, 200년, 500년, 1000년, 2400년, 4800년(추가))로 구분되었다. 따라서 아래와 같이 시설물의 내진등급별 내진성능수준이 제정되었다.
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4. 2련 BOX 구조물의 설계 응답스팩트럼 예시
[설계조건]
1) 구조형식
- 지중 2 련 BOX ( 내공 : 2@(6.9M × 7.5M), 사각 : 90°)
2) 지하수위
- GL에서 -1.0 m
3) 지진계수
- 내진 등급 : Ⅰ 등급 (위험도 계수 : 붕괴 1.4 )
- 지진구역 : Ⅰ구역 (지진구역계수 : 0.110 )
- 지반종류 S4
- 붕괴방지수준
[단면가정 및 모델링]
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[지진시(응답변위법)]
1. 지반 스프링계수 산정
(1) 지반 물성치
|
지층명 |
N |
단위중량 γt(kN/㎥) |
동적포아송비 υD(%) |
초기전단파속도 Vo (m/sec) |
|
매립층 |
5 |
18.000 |
0.330 |
137 |
|
풍화토1 |
29 |
19.000 |
0.320 |
246 |
|
풍화토2 |
50 |
19.000 |
0.320 |
295 |
|
풍화암 |
50 |
20 |
0.300 |
295 |
- Vo (초기상태 전단파 속도) = 80 × N1/3
- Vs (붕괴방지수준의 전단파 속도) = 0.5 × Vo
- Gd (전단탄성계수) = rt / g × Vs² ( rt : 흙의 단위중량, g : 중력계수 )
- Ed (탄성계수) = 2 × ( 1 + ν ) × Gd ( ν : 흙의 포아슨 비 )
(2) 동적 전단변형계수 , GD ( kN/m² )
GD = (rt / g) ·Vs² 여기서, Vs = 0.5·Vo
➀ 매립층
Vs = 0.5·Vo = 0.5 × 137 = 68.50 m/sec
GD = (rt / g) ·Vs² = 18.0 / 9.8 × 68.52 = 8609.633 kN/m²
➁ 풍화토1
Vs = 0.5·V0 = 0.5 × 246 = 123.00 m/sec
GD = (rt / g) ·Vs2 = 19.0 / 9.8 × 123.002 = 29301.835 kN/m²
(3) 동적 변형계수, E0 ( kN/m² )
Eo = 2 (1 + νD ) GD
➀ 매립층
Eo = 2 × (1 + 0.32) × 8609.633 = 22901.624 kN/m²
➁ 풍화토1
E0 = 2 × (1 + 0.32) × 29301.835 = 77356.844 kN/m²
(4) 지반 반력계수
➀ 상부슬래브
가. 연직 지반반력계수 , Kv,TOP ( kN/m3 )
Kvo = 1/0.3 · α · Eo
= 1/0.3 · 2 · 22901.624 = 152677.492 kN/㎥
Kv = Kvo·(Bv/0.3)-3/4 , 여기서 Bv ; 구조물 상판폭 15.963 m
= 152677.492 × (15.963 / 0.3 )-3/4 = 7749.687 kN/㎥
나. 전단 지반반력계수 , Ks,TOP ( kN/㎥)
KSB = λ · KV ( λ = 1/4 )
= 0.25 × 7749.687 = 1937.422 kN/㎥
➁ 하부슬래브
가. 연직 지반반력계수 , Kv,BOT ( kN/㎥ )
Kvo = 1/0.3 · α · Eo
= 1/0.3 · 2 · 77356.844 = 515712.294 kN/㎥
Kv = Kvo·(Bv/0.3)-3/4 , 여기서 Bv ; 구조물 저판폭 15.963 m
= 515712.294 × (15.963 / 0.3 )-3/4 = 26176.803 kN/㎥
나. 전단 지반반력계수 , Ks,BOT ( kN/㎥)
KSB = λ · KV ( λ = 1/4 )
= 0.25 × 26176.803 = 6544.201 kN/㎥
➂ 측 벽
가. 수평 지반반력계수 , KH ( kN/㎥ )
KH0 = 1/0.3 · α · Eo
= 1/0.3 · 2 · 220901.624 = 152677.492 kN/㎥
Kv = KHo·(BH/0.3)-3/4 , 여기서 BH ; 구조물 높이 8.264 m
= 152677.492 × (8.264 / 0.3 )-3/4 = 12697.646 kN/㎥
나. 전단 지반반력계수 , KHS ( kN/㎥)
KHS = λ · KV ( λ = 1/4 )
= 0.25 × 12697.646 = 3174.412 kN/㎥
2. 하중산정
(1) 표준응답스팩트럼
1) 지진구역계수 (Z)
|
지진구역 |
행정구역 |
구역계수 |
|
|
Ⅰ |
시 |
서울, 인천, 대전, 부산, 대구, 울산, 광주, 세종 |
0.11 |
|
도 |
경기, 충북, 충남, 경북, 경남, 전북, 전남, 강원 남부1 |
||
|
Ⅱ |
도 |
강원 북부2, 제주 |
0.07 |
|
1 강원 남부(군, 시) : 영월, 정선, 삼척, 강릉, 동해, 원주, 태백 2 강원 북부(군, 시) : 홍천, 철원, 화천, 횡성, 평창, 양구, 인제, 고성, 양양, 춘천, 속초 |
|||
2) 내진성능 목표에 따른 설계수준
|
설
계
지
진 |
내진성능수준평균재현주기 |
기능수행 |
즉시복구 |
장기복구/ 인명보호 |
붕괴방지 |
|
50년 |
내진II등급 |
|
|
|
|
|
100년 |
내진I등급 |
내진II등급 |
|
|
|
|
200년 |
내진특등급 |
내진I등급 |
내진II등급 |
|
|
|
500년 |
|
내진특등급 |
내진I등급 |
내진II등급 |
|
|
1,000년 |
|
|
내진특등급 |
내진I등급 |
|
|
2,400년 |
|
|
|
내진특등급 |
|
|
4,800년 |
|
|
|
내진특등급 |
3) 위험도 계수
|
평균재현주기 (년) |
50 |
100 |
200 |
500 |
1,000 |
2,400 |
4,800 |
|
위험도계수, I |
0.40 |
0.57 |
0.73 |
1 |
1.4 |
2.0 |
2.6 |
4) 유효수평지반가속도 (S) = 지진구역계수(Z) × 위험도계수(I) = 0.11 × 1.4 = 0.154
5) 지반의 분류
|
지반종류 |
지반종류의 호칭 |
분류기준 |
|
|
기반암 깊이, H (m) |
토층평균전단파속도, (m/s) |
||
|
S1 |
암반 지반 |
1 미만 |
- |
|
S2 |
얕고 단단한 지반 |
1∼20 이하 |
260 이상 |
|
S3 |
얕고 연약한 지반 |
260 미만 |
|
|
S4 |
깊고 단단한 지반 |
20 초과 |
180 이상 |
|
S5 |
깊고 연약한 지반 |
180 미만 |
|
|
S6 |
부지 고유의 특성평가 및 지반응답해석이 필요한 지반 |
||
6) 설계지반의 평균 전단파속도
|
지 반 |
두 께 (m) |
초기전단파속도 Vo (m/sec) |
고유주기(TG0) |
|
매립층 |
9.070 |
137 |
0.066 |
|
풍화토1 |
6.000 |
246 |
0.024 |
|
풍화토2 |
9.500 |
295 |
0.032 |
|
풍화암 |
8.000 |
295 |
0.027 |
|
계 |
32.570 |
|
0.150 |
∴ 토층지반 평균전단파속도 = 32.570 / 0.150 = 217 m/sec 이므로 지반종류 S4 적용
7) 지반증폭계수
|
지반종류 |
단주기지반증폭계수, |
장주기지반증폭계수, |
||||
|
S ≤ 0.1 |
S = 0.2 |
S = 0.3 |
S ≤ 0.1 |
S = 0.2 |
S = 0.3 |
|
|
S2 |
1.4 |
1.4 |
1.3 |
1.5 |
1.4 |
1.3 |
|
S3 |
1.7 |
1.5 |
1.3 |
1.7 |
1.6 |
1.5 |
|
S4 |
1.6 |
1.4 |
1.2 |
2.2 |
2.0 |
1.8 |
|
S5 |
1.8 |
1.3 |
1.3 |
3.0 |
2.7 |
2.4 |
∴ 해석 구조물의 지반 증폭계수 = 1.49, = 2.09
( 유효수평지반가속도 S= 1.154 이므로 선형보간하여 구한다.)
8) 고유주기, TG (붕괴방지수준)
|
지 반 |
두 께 (m) |
전단파속도 Vs = 0.5 × Vo (m/sec) |
고유주기(TG') |
|
매립층 |
9.070 |
69 |
0.530 |
|
풍화토1 |
6.000 |
123 |
0.195 |
|
풍화토2 |
9.500 |
148 |
0.258 |
|
풍화암 |
8.000 |
148 |
0.217 |
|
계 |
32.570 |
|
1.200 |
/%EA%B3%A0%EC%9C%A0%EC%A3%BC%EA%B8%B0%20TG%20%EB%B6%95%EA%B4%B4%EB%B0%A9%EC%A7%80%EC%88%98%EC%A4%80%20%EC%8B%9D.png?width=200&height=38&name=%EA%B3%A0%EC%9C%A0%EC%A3%BC%EA%B8%B0%20TG%20%EB%B6%95%EA%B4%B4%EB%B0%A9%EC%A7%80%EC%88%98%EC%A4%80%20%EC%8B%9D.png){kind=small}
= 1.25 × 1.200 = 1.500 sec
9) 통제주기, Ts
Ts = (Fv/2.5 × Fa) = 2.092 / ( 2.5 × 1.492 ) = 0.561 sec
T0 = 0.2 × Ts = 0.2 × 0.561 = 0.112 sec
TL = 3.000 sec
10) 감쇠율에 대한 보정계수, CD
|
주기(T, sec) |
T = 0 |
0≤T≤To |
T0 ≤ T |
|
CD |
모든 감쇠비에 대해서 1.0 |
T = 0 일 때, 1.0 T = To일 때,
|
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|
- 붕괴방지수준 T0 ≤ T 일 때
CD = { 6.42/(1.42+ 20.0) }0.48 = 0.56
11) 가속도 응답스팩트럼, Sa (재현주기 1000년)
- T0 ≤ TG ≤ TS 일 때
Sa = 2.5 · Fa · S · CD · g = 3.161 m/s²
- 일 때
Sa = Fv · S / TG · CD · g = 1.182 m/s²
12) 속도응답스팩트럼, Sv
Sv = (TG / 2π) · Sa = 1.5 / 2π × 1.182 = 0.282 m/s
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/%EC%84%A4%EA%B3%84%EC%A7%80%EB%B0%98%EC%86%8D%EB%8F%84%20%EC%9D%91%EB%8B%B5%EC%8A%A4%ED%8E%99%ED%8A%B8%EB%9F%BC.png?width=800&height=622&name=%EC%84%A4%EA%B3%84%EC%A7%80%EB%B0%98%EC%86%8D%EB%8F%84%20%EC%9D%91%EB%8B%B5%EC%8A%A4%ED%8E%99%ED%8A%B8%EB%9F%BC.png)
(2) 지반변위에 의한 하중
- 상부슬래브
: PO = KSB,TOP · { u(zU) - u(zB) }
= 1937.422 × 0.00194 = 3.759 kN/m2
여기서, u(zU) = 2 / π2·Sv ·TG ·cos(π·z/2H) = 0.08565
u(zB) = 2 / π2·Sv ·TG ·cos(π·z/2H) = 0.08371
- 측 벽 : PZ = KS · { u(zU) - u(zB) }
|
z (m) |
Kh (kN/㎥) |
u(z) (m) |
u(z) - u(zB) (m) |
p(z) (kN/m²) |
비고 |
|
0 |
12697.646 |
0.086 |
0.002 |
25.522 |
|
|
0.82 |
12697.646 |
0.086 |
0.002 |
24.633 |
Top |
|
2.07 |
12697.646 |
0.085 |
0.002 |
20.062 |
|
|
3.07 |
12697.646 |
0.085 |
0.001 |
13.586 |
|
|
4.07 |
12697.646 |
0.084 |
0 |
4.571 |
|
|
4.495 |
12697.646 |
0.084 |
0 |
0 |
Bottom |
(2) 주면전단력 : τ = GD / (π·H) · Sv · TG · sin(π · z/2H)
τU = GDU / (π·H) · Sv · TG · sin(π · z/2H) = 1.407 kN/m²
τB = GDB / (π·H) · Sv · TG · sin(π · z/2H) = 7,656 kN/m²
τs = ( τU + τB ) / 2 = 4.532 kN/m²
(3) 구체 관성력 : fi = mi ·ai = wi ·Khi
Kh = 0.11 × 1.4 = 0.154
/YOHAN%20400_400.png)
구조공학 석사를 취득하고 국내 설계사의 구조설계 분야에서 고급기술자로 업무를 수행하고 있습니다.
도로 교량 및 지하차도, 전력구 등의 구조물 설계를 주로 수행하였습니다.
저의 컨텐츠가 후배님들에게 구조설계 분야에 대해 흥미를 갖게 되고 실무에 조금이나마 도움이 되었으면 좋겠습니다.
