내진 설계기준 일반 (기초, 옹벽, 비탈면 내진)

구조물설계기준을 정리함.

SHA(Seismic Hazard Assessment, 지진위험도평가), 미국 ASCE관련 지진하중은 여기 참조.
http://huedor2.tistory.com/807

Seismic Hazard Assement (SHA) 지진계수 산정 (응답가속도, spectral response acceleration)

내진 설계 (지진거동특성, 내진성능수준)
1.     구조물의 내진성능 평가는 지진의 발생빈도, 지반운동 크기와 구조물의 중요도 등에 따라 기능수행수준(OBE), 붕괴방지수준(SSE)으로 구분하여 실시. (변경, 기능수행수준, 즉시복구수준, 장기복구/인명보호수준, 붕괴방지수준)
특등급 : 기능 200년, 즉시복구 500년, 장기복구/인명보호 1000년, 붕괴 2400년/4800년
1등급 : 기능 100년, 즉시복구 200년, 장기복구/인명보호 500년, 붕괴 1000년
2등급 : 기능 50년, 즉시복구 100년, 장기복구/인명보호 200년, 붕괴 500년
2.     등급 : 특(1등급 중 복구 난이도 높고, 특별하게 분류),1(인명/재산손실/국방),2 등급
3.     용어
A.     감쇠 : 점성, 소성 또는 마찰에 의해 구조물에 입력된 동적 에너지가 소산되어 구조물의 진동이 감소하는 현상
B.      기반암 : 연암/퇴적/토층 아래 (전단파 속도 760m/s 이상의 단단한 암반층)
C.      스펙트럼 보정 (spectral matching) : 지진파의 시간이력에 대한 응답스펙트럼을 목표로 하는 응답스펙트럼 형상에 부합되도록 시간이력을 보정하는 과정
D.     응답스펙트럼 : 지반운동에 대한 단자유도 시스템의 최대응답을 고유주기 또는 고유진동수의 함수록 표현한 스펙트럼
E.      응답이력해석(=시간이력해석) : 지진의 지속시간 동안 각 시간단계에서의 구조물의 동적응답을 구하는 방법
F.      위험도계수 : 500년 유효수평지반가속도와 다른 재현주기의 유효수평지반가속도의 비율

G.     유효지반가속도(effective PGA) : 지진하중을 산정하기 위한 기반암의 지반운동 수준으로 유효수평지반가속도와 유효수직지반가속도로 구분
H.     지진구역 (seismic zone) : 유사한 지진위험도를 갖는 행정구역 구분. 지진구역I(나머지), 지진구역II(강원북부, 제주)

I.       지진위험도 : 내진설계의 기초가 되는 지진구역을 설정하기 위하여 과거의 지진기록과 지질 및 지반특성 등을 종합적으로 분석하여 산정한 지진재해의 연초과 발생빈도
J.       진동전단응력비(CSR, Cyclic Stress Ratio) : 지진시, 해당 깊이에서 지반에 발생하는 전단응력과 유효상재압의 비
K.      진동저항전단응력비(CRR, Cyclic Resistance Ratio) : 해당 깊이에서 지반의 전단저항응력과 유효상재압의 비
L.      진폭 : 설계지반운동의 연직방향 성분의 진폭은 수평방향 성분의 2/3로 가정. (주파수와 시간은 동일하게 가정) (0.77로 변경)
4.     기초에 대한 기능수행수준과 붕괴방지 수준
-       기능수행수준 : 탄성영역에 존재한다.
-       붕괴방지수준 : 소성거동은 허용하나 취성파괴나 좌굴은 발생하지 않는다. 액상화도 없어야 한다.
5.     지반 분류 S1(암반, 260m/s이상/1m두께 이하) ~ S6(고유 특성 평가 및 지반응답해석 필요) (당초 N치/Su와 전단파속도로만 하던 SA ~ SF 와 다름)
S6 의 구분 : 액상화, 예민비 8이상, 붕괴성, 이탄/유기성, 소성 큼(PI>75) 등
6.     표준설계응답스펙트럼 (암반)

5% 감쇠비에 대한
T0 : 0.06. (1+30T) x S
Ts : 표준설계응답스펙트럼에서 스펙트럼가속도의 상한통제주기, 0.3. 2.8S (단주기스펙트럼 증폭계수)
TL : 표준설계응답스펙트럼에서 스펙트럼가속도가 진동주기의 제곱에 반비례하여 감소하기 시작. 3. 0.84/T x S, 2.52/T^2 x S

7.     표준설계응답스펙트럼(토사지반, S2~S6)

단주기(Fa), 장주기(Fv) 지반증폭계수

8.     지표면 자유장 최대가속도 = 암반노두실계지진계수 x 지반증폭계수
9.     조사 : 지반의 층상구조, 기반암 깊이, 각 층의 밀도, 지하수위, 전단파 속도 주상도, 각 지층의 변형률 크기에 따른 전단탄성계수 감소곡선(G-r)과 감쇠비 곡선 (D-r)
10.  해석방법 : 선형정적해석, 선형동적해석, 비선형정적해석, 비선형동적해석
11.  감쇠시스템
A.     감쇠능력을 증가시켜 내진성능 향상. 구조물의 상시 안정성에 악영향 없어야 하고, 명확한 범위에서 사용, 반복적인 변위와 진동에 대해 안정적 거동, 대칭성 고려.
B.      진동수,진폭,지반운동 지속시간 등에 따라 달라짐. 비선형성을 반영한 해석법, 이력/온도의 변화에 대한 안전측 해석.
12.  액상화 평가 : 시추주상도, 지하수위, 표준관입시험 N값, 콘관입시험 qc값, 전단파속도 주상도. (실내반복시험)
A.     액상화 발생가능성 검토 필요. (전단저항응력/지진전단응력, 본평가, 1.0 이상시 액상화에 안정, 이하 시 액상화에 따른 기초/지반 안정성 평가 필요.)
B.      지진구역 I, II 모두 규모 6.5 지진 고려.
C.      예비평가 – 본평가 (2단계, 당초 예비-간이-상세) 예비 : 액상화평가 생략 여부를 결정
D.     진동전단응력 : 구조물의 내진등급을 고려한 부지응답해석. 진동저항응력 : 현장시험 결과
E.      본평가 결과에 따라 액상화 방지 대책 계획

 

기초 내진 설계
1.      용어
A.     동적 해석방법 : 지진력을 구조동역학적 이론으로 평가하여 구조물의 지진거동을 해석. 응답스펙트럼법, 응답이력해석법.
B.      등가정적해석법 (equivalent static force analysis) : 지진하중을 등가의 정적하중으로 변환한 후 정적설계법과 동일하게 내진안정성 검토
C.      응답변위해석법 (response displacement analysis) : 지진 시 발생하는 지반변위에 의한 지진토압과 지중구조물과 주변지반 관계에서의 경계조건을 모델링하여 내진 안정성을 정적으로 계산.
2.      내진설계 : 기초 구조체의 최대응력, 지반최대반력, 상부구조의 최대변위, 전도/활동/지지력 검토
3.      원리 및 순서
A.     기초지반과 상부구조물의 특성을 고려한 등가정적하중 환산 (얕은기초의 침하/Stability, 말뚝기초의 두부하중)
B.      액상화 영향 고려. (말뚝기초에서는 주면마찰력 무시)
C.      말뚝의 내진설계에서는 극한지지력 개념 사용.
D.     말뚝 캡이 서로 연결되어야 하고, 인발력이 전달될 수 있는 충분히 정착된 철근으로 연결 필요.
E.      상부구조물이 항복하기 전에 말뚝이 파괴되지 않도록 설계
4.      지중 : 지중 벽체 구조물과 같이 지반변위가 지배적인 기초 구조물은 응답변위해석법 적용

비탈면
1. 내진성능수준 : 붕괴방지수준으로 설계. 인장균열, 부분적 탈락, 배부름 등의 손상은 있을 수 있지만, 주변 구조물의 붕괴는 막을 수 있는 수준.
2. 설계
A. 활성단층, 활성단층 인접지역, 액상화나 과다한 침하 예상의 경우 지반 보강이나 개량을 통한 비탈면 붕괴가능성을 감소시켜야 함.
B. 안전율 : 1.1
C. 해석법 : 유사정적해석(등가의 지진관성력), Newmark법(비탈면 높이의 1%로 허용변위기준 설정), 동적수치해석(유한요소, 유한차분. 입력하중은 기반암에서의 가속도 시간이력 이용.)

옹벽
1.     동적 토압 : 보강된 토체 뒷부분의 파괴쐐기에 의해 보강토체에 작용하는 토압. 파괴흙쐐기의 자중과 수평지진계수를 곱하여 산정한 토압. Mononobe-Okabe(유사정적해석) 방법 이용.
2.     정적 토압 : 지진관성력. 보강된 토체의 중량 x 수평지진계수. 보강토체의 도심에 수평 재하.