지중구조물 지진해석

 최근 도시의 입체적인 개발을 위해 도심지 지하 공간을 활용하여 인간 생활의 기반이 되는 공익 시설물을 지중화하는 작업이 활발히 진행되면서 지중구조물의 시공이 증대되고 있다. 지중구조물은 지진 발생 시, 지상구조물에 비해 상대적으로 큰 진동이 발생되지 않아, 내진설계에 대한 연구가 미비하였습니다. 그러나, 최근 지중구조물의 건설 수요가 증대되면서 지진에 대한 안전성 확보에 많은 관심이 기울어지고 있습니다. 지중구조물 중 공동구는 시민생활관련 중요공급시설로서 지진으로 인해 파손되어 제 기능을 수행하지 못하는 경우 시민의 안전에 위협이 되므로 지진 안전성 확보가 매우 중요하다. 따라서, 정확한 내진해석이 필요합니다.

 

 지중구조물은 지상구조물과 다른 해석방법을 적용해야합니다. 지중구조물은 대체로 관성력에 큰 영향을 받는 지상구조물과 달리 겉보기중량이 작아 주변 지반거동에 큰 영향을 받습니다. 따라서, 지진 발생 시 지반의 변위를 정확하게 예측하는 것이 중요합니다. 지반 변위 산정는 응답변위법 지반변위산정식과 지반응답해석을 통해 산정할 수 있습니다.

 

 먼저, 응답변위법은 일본에서 도입된 지중구조물 지진해석 방법으로써, 아래와 같은 현행 국내 지중구조물 관련 기준 및 요령에서 표준해석법으로 제시하고있습니다. 응답변위법은 주변 지반을 스프링으로 치환하여 모델링 한 후, 지진시 발생하는 지반변위를 구조물에 하중(지반변위하중, 주면전단력, 관성력)으로 적용하는 해석방법입니다.

 

 

< 현행 지중구조물 관련 내진설계 및 내진성능평가요령 >

– 공동구 설계기준 (2018) : 내진설계편 – 터널 내진설계기준 (2018) – 도시철도 내진설계기준 (2015) – 기존 시설물(공동구)내진성능 평가요령 (2020) – 기존 시설물(터널)내진성능 평가요령 (2020) – 기존 시설물(상수도)내진성능 평가요령 (2004)

 

 하지만, 응답변위법을 일본에서 도입하는 과정에서 국내 적용성 검토가 없이 그대로 차용되었으나, 강진지역인 일본을 기준으로 설계된 응답변위법을 중ㆍ약진 지역에 속하는 국내에 그대로 적용하기에 무리가 있습니다. 따라서, 응답변위법의 국내 적용성 검토가 필요한 실정입니다.

 

 따라서, 현재 연구실에서는 응답변위법의 국내적용성 검토에 초점을 두고 있으며, 그 방법으로 지반응답해석을 통해 국내 지반을 적절히 모사하여 지반의 응답 및 거동을 분석하여 응답변위법을 검토하고 있습니다.

먼저, 국내 특성을 반영하기 위하여, 국토지반정보 통합DB센터를 통해 국내 지반조건을 수집하였으며, 그림2와 같이 최근 발생한 경주(2016), 포항(2017) 지진파를 활용함은 물론, 국외지진파를 국내 특성을 반영하기 위하여 SEISMOMATCH 프로그램을 이용하여 국내 상위 내진기준에서 제시하는 각 내진성능수준에 해당하는 표준설계응답스펙트럼 형상에 부합하도록 스펙트럼 매칭하여 활용하고있습니다.

 

국내외 지진파	스펙트럼 보정 전	스펙트럼 보정 후

 

 또한, 지중구조물의 정확한 지진해석을 위해서는 지진 발생시 지반의 비선형성을 적절히 고려해야합니다. 등가선형의 지반응답해석에서는 지반의 비선형성을 반영하기 위해 전단변형률에 따른 정규화전단탄성계수와 감쇠비를 필요로합니다. 흙에 종류마다 적합한 기존문헌들을 참고하여 비선형동적곡선을 활용하여 비선형성을 반영하고자 하였습니다.

 

 위와 같이 현재 연구실에서는 국내 특성을 반영하기 위하여, 국내지반조건과 국내의 표준설계응답스펙트럼에 스펙트럼 보정한 지진파와 국내 지진파를 활용하여 국내 특성을 반영하고자 하였으며, 지층 별로 적합한 비선형동적곡선을 활용하여 지반의 비선형성을 반영하여 지반응답해석을 수행하였습니다. 지반응답해석을 통해 응답변위법에서 주요한 인자로 작용하는 고유주기와 지반변위를 비교∙검토하고 분석하여 수정안을 제시하고 있습니다.

 

고유주기 비교 : 응답변위법 vs 지반응답해석	지반변위 비교 : 응답변위법 vs 지반응답해석