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지하구조를 고려한 지진해석 및 내진설계방법

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  • 하이구조
  • 22-11-23 10:43
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본문

Question :
 
항상 자세한 답변에 너무나 많은 도움이 되고 있습니다.
감사합니다.
 
질문 드릴 것은 정적지진하중에 관한 것인데
정적지진하중 산정시 지하층을 고려하지 않는다면 GL레벨 부터 지진하중을 산정하는 것으로 알고 있습니다.
 
이때는 밑면이 GL레벨이 되나 만일 지하구조물이 GL-10m 까지 존재하고 기반암은 GL-20m라고 한다면,
이때는 정적지진하중 산정을 위한 밑면이 어디인지 궁금합니다. 기준에는 단지 밑면이라고만 되어 있고 별도의 내용이 없는 것 같은데 마이다스 포럼에서 확인한 내용으로는
 
'Story force 산정시 구조기준의 내용에 따라 각 층의 유효중량과 밑면으로부터의 높이로 산정되며 밑면은 GL 또는 기반암 레벨을 기준으로 하고 있다.'
 
이런 답변을 본적이 있습니다.
 
만일 밑면을 기반암으로 부터 고려한다면 건물의 지하층의 밑면으로 부터 산정한 주기와 기반암으로 부터 산정한 주기는 많이 달라질 것 같은데 실제로도 계산시 전단력이 달라집니다.
어떤 것이 맞는가요?
 
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Answer :
 
현행 건축물 내진설계기준(KDS 41 17 00)의 14.6에 의하면 다음과 같이 기술하고 있습니다.
 
14.6 지하구조를 고려한 지진해석 및 내진설계 방법
 
(1) 지진하중과 설계지진토압에 대하여 지상구조와 지하구조가 안전하도록 설계해야 한다.
(2) 원칙적으로 구조물의 해석모델은 지상구조와 지하구조를 포함하고 기초면 하부가 고정된 해석모델을 사용한다. 부재력을 구하기 위한 해석모델에서 지표면으로부터 기반암 사이 토사에 접하는 지하구조의 측면에 어떠한 수평방향 구속조건도 적용하지 않아야 하나, 기반암에 접하거나 지진시 유발되는 지반의 관성력보다 지반의 자중에 의한 정적토압이 큰 깊이 아래에서는 지하구조의 측면에 수평방향 횡지지력과 구속조건을 적용할 수 있다. 지상구조의 지진하중과 주기를 계산하기 위한 해석모델에서는 지반에 의한 지하구조 측면의 구속효과를 고려해야 한다.
(3) 지하구조의 강성이 지상구조의 강성보다 매우 큰 경우, 지상구조와 지하구조를 분리하여 해석할 수 있다. 이때, 지상구조의 해석모델은 지표면에서 고정조건을 사용할 수 있다. 지하구조의 해석모델은 기초하부가 고정된 해석모델을 사용하며, 지상구조로부터 전달된 하중, 지하구조의 지진하중, 지진토압, 정적토압을 고려해야 한다.
(4) 말뚝기초를 포함한 모든 기초는 기초판저면의 밑면전단력이 지반에 안전하게 전달되도록 설계되어야 하며, 기초저면과 지반이 밀착되도록 시공되어야 한다.
(5) 지하구조물과 지반을 함께 모델링할 경우 지하구조물 측면의 토사와 기반암 상부에서 기초하부까지의 토사를 해석모델에 포함해야 한다.
(6) 지하구조에 대한 근사적인 설계방법으로, 설계지진토압을 포함하는 모든 횡하중을 횡하중에 평행한 외벽이 지지하도록 설계할 수 있다.
(7) 지하외벽은 직각방향으로 재하되는 설계지진토압에 대해서 안전하도록 설계해야 한다. 다만, 해당영역의 손상이 중력하중과 횡하중에 대한 구조물 전체의 안전성과 인명피해에 영향을 주지 않는다면, 해당 벽체영역의 국부적인 파괴를 허용할 수 있다.
 
 
‘밑면’이란 지반운동에 의한 수평지진력이 작용하는 기준면입니다.
 
질문과 같은 일반적인 지상구조와 지하구조를 포함한 건축구조물인 경우,
상기 기준 (2)에 의하여 밑면은 기초면이 되는 것이 원칙이나,
상기 기준 (3)에 해당되는 경우, 지상구조물의 지진 해석 및 설계 시는 밑면을 지표면(G.L)으로 할 수 있습니다.
 
 
한편 상기 기준 (3)에서 ‘지하구조의 강성이 지상구조의 강성보다 매우 큰 경우’에 대한 판단은
다음 현행 건축물 내진설계기준(KDS 41 17 00)의 6.4.2에 의하면 평가할 수 있다고 생각됩니다.
 
6.4.2 2단계 해석에 의한 설계
 
(1) 강한 하부 구조 위에 유연한 상부 구조가 사용된 구조물의 경우, ①과 ②를 만족시킬 경우에는 ③과 ④의 2단계 등가정적해석을 사용할 수 있다.
 
① 하부 부분의 강성이 상부에 비해 10배 이상일 경우
② 전체 구조물의 주기가 상부 부분을 밑면이 고정된 별도의 구조물이라고 가정 하였을 때 얻어진 기본 주기의 1.1배를 초과하지 않을 경우
③ 유연한 상부 부분은 적절한 R값을 사용하여 별도의 구조물로서 설계한다.
④ 강한 하부 부분은 적절한 R값을 사용하여 별도의 구조물로 설계한다. 상부 부분으로부터의 반력은 상부 부분의 해석으로부터 얻은 반력값에 하부 부분의 R값에 대한 상부 부분의 R값의 비를 곱하여 구한다. 이 비는 1.0 이상이어야 한다.
 
 
또한 현행 건축물 내진설계기준(KDS 41 17 00)에서 밑면과 관련된 기준들은 다음과 같습니다.
 
 
7.2.9 지반-구조물 상호작용
 
(1) 기초 하부는 고정단으로 가정 하거나 또는 기초 하부지반의 강성을 고려하여 구조해석을 수행할 수 있다.
(2) 지하층이 있는 구조에 대하여 지상구조물의 지진하중 계산을 위해 주기를 산정하는 경우에는 지하층 벽체에 인접한 지반의 강성을 고려하거나 지표면에서 고정된 지상구조만을 고려해야 한다. 지진토압을 고려하는 지진해석과 내진설계는 14.6을 따른다.
 
 
7.3.2 모델링
 
⑥ 지하층구조의 바닥면적이 지상구조의 바닥면적에 비하여 매우 큰 경우에는 지상구조를 분리하여 해석할 수 있다. 그렇지 않은 경우에는 지하구조를 지상구조와 함께 모델링하여야 한다.
 
마지막으로 기반암(지층의 전단파속도, Vs=760m/s 이상)은 지하구조물에 지진토압을 유발하지 않는 것으로 가정하고, 기반암에 접하는 지하구조물은 측면에 수평방향 횡지지력과 구속조건을 적용할 수는 있어서 실질적으로 밑면과 같은 역할을 할 수는 있겠지만, 기반암을 밑면이라고 말하는 것은 곤란합니다.
 
 
오늘도 좋은 하루되세요. ^^ 
 

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