기존 시설물(터널) 내진성능 평가요령 개정(안)

신･구조문 대비표

2020. 4.

관련단체 : 한국시설안전공단		소관부서 : 국토교통부 시설안전과

기존 시설물(터널) 내진성능 평가요령

기존 시설물(터널) 내진성능 평가요령(2015)

기존 시설물(터널) 내진성능 평가요령 개정(안)

근거 / 사유

제 1 장 총 칙

1.1 일반사항

1. 본 내진성능 평가요령은 개착 또는 비개착 공법으로 건설된 지중구조물, 지중과 지상의 경계부인 U-Type 구조물 및 옹벽구조물에 대하여 적용한다.

[해설] 본 요령은 개착 또는 비개착 공법으로 지중에 건설된 터널 구조물의 내진성능 평가에 적용한다. 개착식 터널의 본선 및 정거장 구조물, 굴착식 터널(도로 및 철도터널) 등에 적용하며, 기타 공동구 및 지하차도, 복개구조물 등의 내진성능 평가에도 본 요령을 준용하여 적용할 수 있다. 또한 지중과 지상의 경계부인 U-Type 구조물 및 옹벽구조물도 적용 가능하다.

제 1 장 총 칙

1.1 일반사항

1. 본 내진성능 평가요령은 개착 또는 비개착 공법으로 건설된 터널 구조물 대하여 적용한다.

[해설] 본 요령은 개착 또는 비개착 공법으로 지중에 건설된 터널 구조물의 내진성능 평가에 적용한다. 본 요령 중 개착터널 내진성능 평가 부분은 「기존 시설물(공동구) 내진성능 평가요령」을 참조할 수 있으며, U-Type 및 옹벽구조물은 「기존 시설물(기초 및 지반) 내진성능 평가요령」편에서 다루기로 한다.

U-Type 구조물 및 옹벽구조물은 본 평가요령에서 다루지 않음을 명확히 함(기초및지반 평가요령에 수록).

공동구의 경우 별도 요령으로 분리

2. 내진성능 평가방법은 응답변위법을 기본으로 하고 응답진도법 또는 동적해석법은 제한된 경우에 한해서 적용하는 것을 원칙으로 한다.

[해설] 본 요령에서는 내진성능 평가를 위하여 가능하면 간단한 평가식 또는 실험식 등을 이용하도록 하고 있다. 따라서, 지진시 터널 구조물과 지중에 건설된 구조체의 경우 지반-구조물 상호작용을 고려한 동적해석이 필요하지만 이 해석방법이 난해하기 때문에 간단하면서도 동적해석과 거의 유사한 해를 주는 응답변위법을 우선으로 적용하고 지반조건과 구조물의 형상이 매우 복잡하거나 필요한 경우에 한해서 응답진도법 또는 동적해석법을 적용할 수 있다.

2. 내진성능 평가방법은 개착 천층터널의 경우는 응답변위법을 기본으로 하고 굴착 심층터널인 경우는 응답이력해석법 적용을 추천한다.

[해설] 본 요령에서는 내진성능 평가를 위하여 가능하면 보편적으로 이용하고 있는 응답변위법 또는 응답이력해석법 등을 이용하도록 하고 있다. 따라서, 개착식 터널의 경우 응답변위법을 적용하고 굴착식 터널의 경우 실지진파 시간이력을 이용한 응답이력해석법을 적용함을 원칙으로 한다.

개착 천층터널의 경우 주위 지반의 가속도 증폭이 크고 이에 따라 지진시 변위의 영향을 많이 받으므로 응답변위법을 적용하는 것이 바람직하며, 굴착 심층터널의 경우 변위량이 크지 않아 정밀한 동적거동 및 지반-구조물 상호작용을 고려할 수 있는 응답이력해석법을 적용하는 것으로 명기하였음.

3. 내진성능 평가기준지진은 사용목표수명을 고려하지 않은 지진과 사용목표수명을 고려한 지진을 선택적으로 사용할 수 있다.

[해설] 내진성능 평가를 위한 기준지진은 사용목표수명을 고려하지 않는 경우 관련 기준에서 규정하는 설계지진으로 할 수 있다. 한편, 기존구조물의 경우 사용목표수명은 일반적으로 신설구조물의 평가설계수명에 비하여 짧아 사용목표수명 중에 경험하게 될 지진세기는 신설구조물이 평가설계수명내에 경험하게 되는 지진세기보다 작을 확률이 높다. 따라서, 내진성능 평가기준지진은 대상구조물의 사용목표수명을 고려하여 결정할 수도 있다. 그러나, 대상구조물의 사용목표수명이 신설구조물의 평가설계수명에 비하여 현저하게 작더라도 보수 또는 보강을 실시하여 신설구조물의 평가설계수명과 동등한 정도의 사용수명을 기대하는 경우에는 내진성능 평가기준지진은 관련 기준의 설계지진으로 하여야 한다. 사용목표수명의 정량적인 판단근거는 아직 확립되어 있지 않은 상태이다. 따라서, 향후 연구를 통하여 객관적인 판단기준이 마련되기까지 이의 판단은 관리주체의 시설물 사용계획(폐선, 개축, 보강 등)에 따라 결정하도록 한다.

｢지진･화산재해대책법｣ 제15조(기존 시설물의 내진보강기본계획 수립 등)와 상충될 우려가 있는 사항(사용목표수명 고려) 삭제

4. 본 요령의 내용은 기술수준이 향상되거나 필요에 따라 내용을 추가 또는 보완할 필요가 있을 때에는 개정하여 시행하는 것을 원칙으로 한다.

5. 본 요령과 관련된 규정은 다음과 같다.

(1) 내진설계기준연구Ⅱ (건설교통부, 1997)

(2) 도시철도내진설계기준 (국토해양부, 2009)

(3) 터널설계기준 (건설교통부, 2007)

(4) 공동구설계기준 (국토해양부, 2010)

(5) 콘크리트구조설계기준 (건설교통부, 2007)

(6) 기존시설물의 기초 및 지반의 내진성능 평가요령 (건설교통부, 2004)

[해설] 본 요령에서는 내진설계가 수행되지 않은 기존 구조물의 내진성능 평가와 관련한 최소한의 사항을 규정하고 있다. 따라서, 내진성능 평가와 관련하여 본 요령에서 규정하고 있지 않은 사항에 대해서는 관련 규정을 적용하여 평가하여야 한다.

3. 본 요령의 내용은 기술수준이 향상되거나 필요에 따라 내용을 추가 또는 보완할 필요가 있을 때에는 개정하여 시행하는 것을 원칙으로 한다.

[해설] 본 요령에서는 내진가 수행되지 않은 기존 구조물의 내진성능 평가와 관련한 최소한의 사항을 규정하고 있다. 따라서, 내진성능 평가와 관련하여 본 요령에서 규정하고 있지 않은 사항에 대해서는 관련 규정을 적용하여 평가하여야 한다.

4. 본 요령과 관련된 규정은 다음과 같다.

(1) 내진설계기준 공통적용사항(행정안전부, 2017)

(2) 내진설계 일반(KDS 17 10 00 : 2018)

(3) 터널 내진설계(KDS 27 17 00 : 2018)

(4) 공동구 설계기준(KDS 11 44 00 : 2018)

(5) 도시철도 내진설계기준(국토교통부, 2018)

(6) 기존 콘크리트구조물의 안전성 평가기준(KDS 14 20 90 : 2016)

(7) 콘크리트 구조해석과 설계원칙(KDS 14 20 10 : 2016)

신규 및 최신 기준들을 적용

6. 내진성능 평가는 본 요령에서 제시하는 바와 다르더라도 역학적으로 타당한 절차와 방법에 의해서 실시될 수 있다.

7. 지반액상화 내진성능 평가에 대해서는 [기존시설물의 기초 및 지반의 내진성능 평가 요령]에 준하여 구조물별 평가방법을 적용할 수 있다.

5. 내진성능 평가는 본 요령에서 제시하는 바와 다르더라도 역학적으로 타당한 절차와 방법에 의해서 실시될 수 있다.

6. 지반액상화 내진성능 평가에 대해서는 내진설계 일반 (KDS 17 10 00) 및 터널 내진 설계(KDS 27 17 00)에 따라 최신의 평가법을 적용하도록 하며, 기존 시설물(기초 및 지반)의 내진성능 평가요령을 준용한다.

액상화 공통설계기준인 ‘내진설계 일반’을 추가

1.2 요령의 구성

본 요령의 구성은 다음과 같다.

1. 총칙

2. 내진성능 평가기준지진과 평가절차

3. 내진성능 예비평가

4. 내진성능 상세평가

5. 내진성능 평가보고서 구성

6. 부록 A. 내진성능 평가 예제

7. 부록 B. 내진안정성 평가방법에 따른 결과 비교

8. 부록 C. 내진점검표

1.2 요령의 구성

본 요령의 구성은 다음과 같다.

제1장 총칙

제2장 내진성능 평가기준과 평가절차

제3장 내진성능 예비평가

제4장 내진성능 상세평가

제5장 내진성능 평가보고서 구성

부록 A. 내진성능 평가 예제

부록 B. 내진점검표

장번호 붙임

부록에는 번호를 삭제

1.3 용어의 정의

본 요령에 사용되는 용어의 정의는 [내진설계기준연구Ⅱ], [도시철도내진설계기준], [터널설계기준], [공동구설계기준], [콘크리트구조설계기준] 등의 관련 기준에 따르고 이에 정의되지 않은 용어는 아래의 정의를 따른다.

(1) 가속도 계수 (Acceleration coefficient, A) : 구역계수(Z)에 지진 위험도계수(I)를 곱한 값(무차원량)

(2) 가속도 시간이력 (Acceleration time history) : 가속도의 시간에 따른 변동을 나타내는 함수

(3) 가속도 응답스펙트럼 (Acceleration response spectrum) : 주어진 가속도를 단자유도 구조물의 지지점에 작용하여 구한 절대가속도 응답의 최대값을 단자유도 구조물 고유주기와 감쇠비에 따라 도표로 나타낸 스펙트럼

(4) 감쇠비 (Damping ratio) : 임계 감쇠계수에 대한 구조물 또는 지반의 감쇠계수의 비율

(5) 강진지속시간 : 지진에 의한 가속도 시간이력에서 최대가속도(PGA, Peak Ground Acceleration)에 해당하는 진동이 지속되는 시간

(6) 개착공법 : 토류공을 설치하면서 지표면에서 소정의 위치까지 굴착하고 구조물을 구축한 후 되메움하는 공법

(7) 고유주기 (Natural period) : 자유진동하는 구조물의 진동이 반복되는 시간간격(s)

(8) 고유진동수 (Natural frequency) : 진동시스템의 질량과 강성으로부터 결정되는 일정한 진동수로서 외력의 진동수가 고유진동수와 일치할 때 공진이 발생

(9) 고정하중 (Dead load) : 구조물의 시공 중 또는 건설이 완료된 후 변동없이 지속적으로 구조물에 작용되는 하중

(10) 공동구 : 국토의 계획 및 이용에 관한 법 제2조 제9호의 규정에 의한 공동구를 말하며, 지하매설물(전기·가스·수도 등의 공급설비, 통신시설, 하수도시설, 소방설비 등)을 공동 수용함으로써 도시 미관의 개선, 도로 구조의 보전 및 교통의 원활한 소통을 위하여 지하에 설치하는 시설물을 말한다.

(11) 관성력 (Inertia force) : 구조물의 가속도에 의해 발생되는 힘으로서 그 크기는 질량과 절대가속도를 곱한 값이며 작용방향은 가속도와 반대방향임.

(12) 기반면 (Seismic base) : 지반분류 [eqn: S_B]에 해당되는 전단파속도([eqn: V_S]) 760m/s 이상인 지반, 물성변화가 적고 해석대상 구조물의 아래면에 걸쳐 넓게 존재하는 지반으로 충분히 강성이 큰 암반과의 경계면을 갖는 지반

(13) 내진그룹 (Seismic importance level) : 터널 구조물의 내진성능 상세평가 수행여부를 결정하기 위하여 터널 구조물의 취약도, 영향도, 지진도를 고려하여 나눈 그룹

(14) 내진등급 (Seismic importance level) : 구조물의 중요도에 따라서 정해지는 내진설계상의 등급

(15) 내진성능 상세평가 : 터널 구조물의 구성부재가 내진성능 평가기준지진에 대하여 소요내진성능을 확보하고 있는지를 평가하는 2단계 평가

(16) 내진성능 예비평가 : 터널 구조물의 내진그룹화를 위하여 개략적으로 수행되는 1단계 평가

(17) 내진성능 평가기준지진 : 기존 터널 구조물의 내진성능을 평가하는 경우, 지진하중을 산정하는데 기준이 되는 지진

(18) 노두 (Outcrop): 지표면에 노출된 암반의 상단

(19) 도시철도 : 도시교통의 원활한 소통을 위하여 도시교통권역에서 건설·운영하는 철도·모노레일·노면전차·선형유도전동기·자기부상열차 등 궤도(軌道)에 의한 교통시설 및 교통수단을 말한다.

(20) 동적전단탄성계수 (Dynamic shear modulus) : 동적변형이 작용될 때 재료의 전단탄성계수 값으로서 질량밀도와 전단파속도를 이용하여 구할 수 있음.

(21) 동적해석법 (Dynamic analysis method) : 시간에 따른 구조물(또는 지반)의 응답을 구하는 구조해석방법으로서, 해석방법으로는 시간영역해석법과 주파수영역해석법이 있음.

(22) 붕괴방지수준 : 설계지진 작용 시 구조물이나 시설물에 상당한 변형이나 손상이 발생할 수는 있지만 그 수준과 범위는 구조물이나 시설물이 붕괴되거나 또는 그 손상으로 인하여 대규모 피해가 초래되는 것을 방지할 수 있는 성능수준

(23) 비개착공법 : 일반적으로 적용되는 개착공법 이외의 공법으로서 발파공법, TBM공법, 쉴드(Shield)공법, 쉴드(Shield) TBM공법과 하천, 철도, 교량 등을 통과하기 위한 특수공법 등을 말함.

(24) 비선형거동 (Nonlinear behavior) : 변형률과 응력의 관계가 선형탄성이 아닌 거동

(25) 사용목표수명 : 내진성능 평가 대상구조물의 향후 목표로 하는 사용수명 년수로서 보수 및 보강이 되는 경우에는 이를 고려하여 평가된다. 시설물 관리주체의 시설물 사용계획에 따라 설정

(26) 사용목표수명등급 : 내진성능 평가기준지진의 지진세기를 산출하는 경우, 사용목표수명을 용이하게 고려할 수 있도록 나눈 등급

(27) 사용하중 (Service load) : 고정하중 및 활하중과 같이 이 기준에서 규정하는 각종 하중으로서 하중계수를 곱하지 않은 하중 (작용하중이라고도 함.)

(28) 상대변위 (Relative displacement) : 기반지반 상단에서 변위에 대한 지층에서 변위의 상대적인 값

(29) 상시하중 : 지진하중을 제외한 고정하중, 활하중, 토압, 수압 및 부력 등

(30) 설계가속도 응답스펙트럼 (Design acceleration response spectrum) : 구조물의 내진설계를 위한 지반의 가속도를 가속도응답스펙트럼 형태로 정의한 것임.

(31) 설계고유주기 (Design natural period) : 설계전단파속도를 이용하여 구한 자유장지반의 고유주기로서 지반의 고유주기 중 가장 큰 값

(32) 설계전단파속도 (Design shear wave velocity) : 내진설계에 적용되는 지반의 전단파속도로서 지진에 의한 지반의 비선형성거동을 고려한 값

(33) 파장 (Wave length) : 설계전단파속도를 이용하여 구한 자유장지반의 고유주기에 해당하는 지반 진동의 파장

(34) 소성 (Plasticity) : 응력-변형률 관계가 탄성한계를 넘어 고체에 작용하고 있는 힘을 제거하여도 재료가 원래의 형상으로 복귀하지 않고 영구변형이 발생하는 현상

(35) 속도응답스펙트럼 (Velocity response spectrum) : 주어진 가속도에 대한 단자유도 구조물 상대속도의 최대값을 구조물 주기와 감쇠비에 따라 도표로 나타낸 스펙트럼

(36) 수평층상지반 (Horizontally layered soil) : 지층과 지층의 경계면이 수평인 지반

(37) 스펙트럴 가속도 (Spectral acceleration) : 진동주기에 해당하는 가속도응답스펙트럼의 값

(38) 스펙트럴 속도 (Spectral velocity) : 진동주기에 해당하는 속도응답스펙트럼의 값

(39) 신축이음 (Expansion joint) : 콘크리트로 성형된 교량 등의 각종 구조물은 온도변화에 따라 미량의 신축을 하게 되며 하중이 재하됨에 따라 각 단면은 변형을 받게 됨. 이러한 온도변화에 의한 신축작용과 하중재하에 의한 균열을 방지하기 위하여 일정 길이마다 이 힘들을 흡수할 수 있도록 단면을 횡단하여 설치하는 이음을 말함.

(40) 액상화 (Liquefaction) : 지진과 같은 진동하중 발생시, 느슨한 사질토 등이 비배수 상태에서 순간적인 과잉간극수압의 발생으로 지반의 전단저항력이 저하되거나 전단저항력을 잃게 되는 현상

(41) 연직스프링 (Vertical spring) : 응답변위법을 적용하여 구조해석을 수행할 때 구조물 단면에 연직방향으로 변위에 대한 지반의 강성을 나타내는 스프링 요소

(42) 위험도계수 (I) : 500년 재현주기를 기준으로 지진의 위험도를 나타내는 계수

(43) 응답변위법 (Seismic deformation method) : 지진에 의한 지하지중구조물의 거동을 해석하기 위한 해석방법으로서, 구조물과 지반의 구조해석모형(일반적으로 구조물은 프래임요소, 지반은 스프링요소로 모델링)에 구조물이 없는 자유장지반에서의 수평상대변위, 가속도, 응력을 입력으로 작용하여 구조해석을 수행하는 방법

(44) 응답수정계수 (Response modification factor) : 탄성해석으로 구한 각 요소의 내력으로부터 설계지진력을 산정하기 위한 수정계수

(45) 응답스펙트럼 (Response spectrum) : 어떤 일정한 감쇠비를 가진 구조물의 고유주기나 진동수에 따른 지진의 최대응답을 나타낸 그래프

(46) 응답진도법 (Response acceleration method) : 지진에 의해 발생되는 구조물(또는 지반)의 각 위치에서 최대가속도가 주어질 때, 각  질점의 질량에 주어진 가속도를 곱한 값을 지진방향의 정적하중으로 작용하여 지진응답해석을 수행하는 방법. 지하구조물인 경우에는 구조물과 구조물 주변의 지반을 모두 모형화한 다음 깊이에 따라 부지응답해석을 통해 구한 최대지반가속도(절대가속도)를 지진방향으로 작용하여 적용함.

(47) 자유장지반 (Free-field soil layer) : 구조물 건설을 위하여 지반을 굴착하기 전의 지반상태

(48) 부지응답해석 (Site response analysis) : 구조물 건설을 위하여 지반을 굴착하기 전의 지반상태에 대한 지진응답해석

(49) 재현주기 (Return period) : 강우, 홍수, 지진 등과 같이 구조물에 영향을 미치는 환경조건의 강도와 발생의 변동을 통계적으로 표시하는 지표의 하나로서 어떤 크기의 연최대치가 몇 년에 한번 발생할 확률이 있는지를 정한 연수

(50) 전단력 (Shear force) : 단면에 접하는 방향의 단면력 성분

(51) 전단스프링 (Shear spring) : 응답변위법을 적용하여 지진응답해석을 수행할 때 사용하는 구조물 모형에서, 구조물과 지반의 접촉면을 따라 설치하는 스프링요소

(52) 전단탄성계수 (Elastic shear modulus) : 재료의 전단응력-전단변형율 곡선에서 탄성영역의 기울기로서 재료의 전단변형에 대한 강성을 나타냄.

(53) 전단탄성파속도 (Shear wave velocity) : 매질에서 전단파(S파)의 전달속도

(54) 전단파 (Shear wave) : 파동 진행방향과 직각방향으로 진동하는 파로서 횡파, S파, 비틀림파라고도 함.

(55) 정현하중 (Sine load) : 불규칙한 지진하중을 일정한 주기와 진폭을 가지는 사인함수형태의 반복하중으로 치환한 값

(56) 주면전단력 (Surface shear force) : 응답변위법에 의해 구조해석을 수행할 때 구조물과 지반 사이에 발생하는 전단응력에 해당하는 하중으로서, 자유장지반에서 구한 자유장 전단응력을 구조물 면을 따라 적분한 값

(57) 지반응답해석 (Ground response analysis) : 토층의 저면에 입사되는 지진하중이 지표면으로 진행될 때 토층의 동적거동에 대한 해석

(58) 지반진동 (Ground vibration) : 지진에 의한 자유장지반의 진동

(59) 지반종류 (Soil profile type) : 지진시에 지반의 진동특성에 따라 공학적으로 분류하는 지반의 종류

(60) 지진지속시간 (Earthquake duration): 지진에 의해 유발된 기반지반의 가속도가 존재하는 총 시간

(61) 지진구역계수 (Zone factor, Z) : 각 지진구역에서의 평균 재현주기 500년에 해당하는 지진지반운동의 최대지반가속도값을 중력가속도(g)로 나눈 값

(62) 지진하중 (Seismic load) : 지진에 의해 추가적으로 구조물에 작용되는 설계하중으로서 지하지중구조물에서는 관성력, 지반변위, 주면전단력으로 구성됨.

(63) 최대지반가속도 (Peak ground acceleration) : 지진에 의해 발생되는 최대의 지반가속도로 가속도계수에 중력가속도를 곱한 값으로 정의([eqn: m/s^2])

(64) 최대진폭 (Peak amplitude): 지진에 의해 구조물(또는 지반)에 발생된 응답(변위, 속도, 가속도, 응력)의 절대값 중에서 가장 큰 값

(65) 축력 (Axial force) : 부재의 축방향으로 작용되는 힘으로 방향에 따라 인장력 또는 압축력으로 구분함.

(66) 탄성지진응답계수 (Elastic seismic response coefficient) : 모든 스펙트럼 해석법에서 지진하중을 구하기 위한 무차원량

(67) 탄성파 (Elastic wave) : 탄성체를 매체로 전달되는 파동으로서 기본적으로 P-파와 S-파로 구분되며, 지층의 형태에 따라 다양한 표면파(Rayleigh파, Love파 등)가 존재함.

(68) 터널 (Tunnel) : 광의의 정의에 의하면 ‘지반 중에 어떤 목적이나 용도에 따라 만들어 높은 공간을 갖는 구조물’ 또는 협의의 정의에 의하면 ‘입구와 출구를 갖는 지하통로 역할을 하는 연속적인 공간’이라고 말할 수 있는데, 일반적으로 도로 및 철도 터널 등을 그 예로 들 수 있음.

(69) 통제주기 (Control period) : 가속도 설계응답스펙트럼을 정의하는데 사용하는 주기로서 두 값이 정의됨. 두 주기 사이에서 최대증폭이 발생함.

(70) 특수공법 : 일반적으로 적용되는 개착공법, 발파공법, TBM공법 또는 쉴드(Shield)공법 이외의 공법을 사용하여 하천, 철도, 교량 등을 통과하여 공동구 본체를 구축하는 공법

(71) 파동전파이론 (Elastic wave propagation theory) : 탄성파가 매질을 통해 전파되는 현상을 분석하기 위한 이론

<추가>

(72) 평가설계수명 : 사용목표수명등급을 평가하기 위한 기준이 되는 수명으로서 잠정적으로 100년을 내구년한으로 정의

(73) 평균재현주기 (Mean return period) : 어떤 크기나 특성을 가진 지진이 발생하는 평균 시간간격(s)

(74) 평행층상 반무한지반 (Horizontally layered half-space soil) : 반무한지반 위에 층경계가 모두 수평인 층상지반이 있는 지반. 내진설계에서는 대부분 부지응답해석을 수행할 때 지반을 평행층상 반무한 지반으로 가정함.

(75) 표준관입시험 (Standard penetration test) : 보링공을 이용하여 로드 끝에 중공의 표준샘플러(외경 5.2cm, 내경 3.5cm, 길이 81cm의 스플릿 스푼형)를 장착하여 무게 63.5kgf의 해머를 76cm의 높이에서 자유낙하로 타격시켜 30cm 관입하는데 요하는 타격회수(N 치)를 측정하여 토층의 경연을 조사하는 원위치시험임.

(76) 표층지반 (Top soil layers) : 기반지반 위에 있는 수평층상지반

(77) 활하중 (Live load) : 구조물의 사용 및 점용에 의해 발생하는 하중으로서 가구, 창고저장물, 차량, 군중에 의한 하중 등이 포함됨. 일반적으로 차량의 충격효과도 활하중에 포함되나, 풍하중, 지진하중과 같은 환경하중이나 고정하중은 포함되지 않음.

(78) 휨모멘트 (Bending moment) : 부재를 휘게 하도록 작용하는 부재력

1.3 용어의 정의

본 요령에 사용되는 용어의 정의는 [KDS 17 10 00 내진설계 일반], [도시철도내진기준], [터널기준], [공동구기준], [콘크리트구조기준] 등의 관련 기준에 따르고 이에 정의되지 않은 용어는 아래의 정의를 따른다.

<삭제>

(1) 가속도 시간이력 (Acceleration time history) : 가속도의 시간에 따른 변동을 나타내는 함수

<삭제>

(2) 감쇠비 (Damping ratio) : 임계 감쇠계수에 대한 구조물 또는 지반의 감쇠계수의 비율

(3) 강진지속시간 : 지진에 의한 가속도 시간이력에서 최대가속도(PGA, Peak Ground Acceleration)에 해당하는 진동이 지속되는 시간

(4) 개착공법 : 토류공을 설치하면서 지표면에서 소정의 위치까지 굴착하고 구조물을 구축한 후 되메움하는 공법

(5) 고유주기 (Natural period) : 자유진동하는 구조물의 진동이 반복되는 시간간격(s)

(6) 고유진동수 (Natural frequency) : 진동시스템의 질량과 강성으로부터 결정되는 일정한 진동수로서 외력의 진동수가 고유진동수와 일치할 때 공진이 발생

(7) 고정하중 (Dead load) : 구조물의 시공 중 또는 건설이 완료된 후 변동없이 지속적으로 구조물에 작용되는 하중

(8) 공동구 : 국토의 계획 및 이용에 관한 법 제2조 제9호의 규정에 의한 공동구를 말하며, 지하매설물(전기·가스·수도 등의 공급설비, 통신시설, 하수도시설, 소방설비 등)을 공동 수용함으로써 도시 미관의 개선, 도로 구조의 보전 및 교통의 원활한 소통을 위하여 지하에 설치하는 시설물을 말한다.

(9) 관성력 (Inertia force) : 구조물의 가속도에 의해 발생되는 힘으로서 그 크기는 질량과 절대가속도를 곱한 값이며 작용방향은 가속도와 반대방향임.

<삭제>

(10) 내진그룹 (Seismic importance level) : 터널 구조물의 내진성능 상세평가 수행여부를 결정하기 위하여 터널 구조물의 취약도, 영향도, 지진도를 고려하여 나눈 그룹

<삭제>

(11) 내진성능 상세평가 : 터널 구조물의 구성부재가 내진성능 평가기준지진에 대하여 소요내진성능을 확보하고 있는지를 평가하는 2단계 평가

(12) 내진성능 예비평가 : 터널 구조물의 내진그룹화를 위하여 개략적으로 수행되는 1단계 평가

(13) 내진성능 평가기준지진 : 기존 터널 구조물의 내진성능을 평가하는 경우, 지진하중을 산정하는데 기준이 되는 지진

(14) 노두 (Outcrop): 지표면에 노출된 암반의 상단

(15) 도시철도 : 도시교통의 원활한 소통을 위하여 도시교통권역에서 건설·운영하는 철도·모노레일·노면전차·선형유도전동기·자기부상열차 등 궤도(軌道)에 의한 교통시설 및 교통수단을 말한다.

(16) 동적전단탄성계수 (Dynamic shear modulus) : 동적변형이 작용될 때 재료의 전단탄성계수 값으로서 질량밀도와 전단파속도를 이용하여 구할 수 있음.

<삭제>

(17) 붕괴방지수준 : 지진 작용 시 구조물이나 시설물에 상당한 변형이나 손상이 발생할 수는 있지만 그 수준과 범위는 구조물이나 시설물이 붕괴되거나 또는 그 손상으로 인하여 대규모 피해가 초래되는 것을 방지할 수 있는 성능수준

(18) 비개착공법 : 일반적으로 적용되는 개착공법 이외의 공법으로서 발파공법, TBM공법, 쉴드(Shield)공법, 쉴드(Shield) TBM공법과 하천, 철도, 교량 등을 통과하기 위한 특수공법 등을 말함.

(19) 비선형거동 (Nonlinear behavior) : 변형률과 응력의 관계가 선형탄성이 아닌 거동

(20) 사용목표수명 : 내진성능 평가 대상구조물의 향후 목표로 하는 사용수명 년수로서 보수 및 보강이 되는 경우에는 이를 고려하여 평가된다. 시설물 관리주체의 시설물 사용계획에 따라 설정

(21) 사용목표수명등급 : 내진성능 평가기준지진의 지진세기를 산출하는 경우, 사용목표수명을 용이하게 고려할 수 있도록 나눈 등급

(22) 사용하중 (Service load) : 고정하중 및 활하중과 같이 이 기준에서 규정하는 각종 하중으로서 하중계수를 곱하지 않은 하중 (작용하중이라고도 함.)

(23) 상대변위 (Relative displacement) : 기반지반 상단에서 변위에 대한 지층에서 변위의 상대적인 값

(24) 상시하중 : 지진하중을 제외한 고정하중, 활하중, 토압, 수압 및 부력 등

<삭제>

(25) 고유주기 (Design natural period) : 전단파속도를 이용하여 구한 자유장지반의 고유주기로서 지반의 고유주기 중 가장 큰 값

(26) 전단파속도 (Design shear wave velocity) : 내진에 적용되는 지반의 전단파속도로서 지진에 의한 지반의 비선형성거동을 고려한 값

<삭제>

(27) 소성 (Plasticity) : 응력-변형률 관계가 탄성한계를 넘어 고체에 작용하고 있는 힘을 제거하여도 재료가 원래의 형상으로 복귀하지 않고 영구변형이 발생하는 현상

(28) 속도응답스펙트럼 (Velocity response spectrum) : 주어진 가속도에 대한 단자유도 구조물 상대속도의 최대값을 구조물 주기와 감쇠비에 따라 도표로 나타낸 스펙트럼

(29) 수평층상지반 (Horizontally layered soil) : 지층과 지층의 경계면이 수평인 지반

(30) 스펙트럴 가속도 (Spectral acceleration) : 진동주기에 해당하는 가속도응답스펙트럼의 값

(31) 스펙트럴 속도 (Spectral velocity) : 진동주기에 해당하는 속도응답스펙트럼의 값

<삭제>

<삭제>

(32) 연직스프링 (Vertical spring) : 응답변위법을 적용하여 구조해석을 수행할 때 구조물 단면에 연직방향으로 변위에 대한 지반의 강성을 나타내는 스프링 요소

<삭제>

(33) 응답변위법 (Seismic deformation method) : 지진에 의한 지중구조물의 거동을 해석하기 위한 해석방법으로서, 구조물과 지반의 구조해석모형(일반적으로 구조물은 프래임요소, 지반은 스프링요소로 모델링)에 구조물이 없는 자유장지반에서의 수평상대변위, 가속도, 응력을 입력으로 작용하여 구조해석을 수행하는 방법

(34) 응답수정계수 (Response modification factor) : 탄성해석으로 구한 각 요소의 내력으로부터 지진력을 산정하기 위한 수정계수

<삭제>

<삭제>

(35) 자유장지반 (Free-field soil layer) : 구조물 건설을 위하여 지반을 굴착하기 전의 지반상태

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<삭제>

(36) 전단력 (Shear force) : 단면에 접하는 방향의 단면력 성분

(37) 전단스프링 (Shear spring) : 응답변위법을 적용하여 지반응답해석을 수행할 때 사용하는 구조물 모형에서, 구조물과 지반의 접촉면을 따라 설치하는 스프링요소

(38) 전단탄성계수 (Elastic shear modulus) : 재료의 전단응력-전단변형율 곡선에서 탄성영역의 기울기로서 재료의 전단변형에 대한 강성을 나타냄.

(39) 전단탄성파속도 (Shear wave velocity) : 매질에서 전단파(S파)의 전달속도

(40) 전단파 (Shear wave) : 파동 진행방향과 직각방향으로 진동하는 파로서 횡파, S파, 비틀림파라고도 함.

(41) 정현하중 (Sine load) : 불규칙한 지진하중을 일정한 주기와 진폭을 가지는 사인함수형태의 반복하중으로 치환한 값

(42) 주면전단력 (Surface shear force) : 응답변위법에 의해 구조해석을 수행할 때 구조물과 지반 사이에 발생하는 전단응력에 해당하는 하중으로서, 자유장지반에서 구한 자유장 전단응력을 구조물 면을 따라 적분한 값

(43) 지반응답해석 (Ground response analysis) : 토층의 저면에 입사되는 지진하중이 지표면으로 진행될 때 토층의 동적거동에 대한 해석

(44) 지반진동 (Ground vibration) : 지진에 의한 자유장지반의 진동

<삭제>

(45) 지진지속시간 (Earthquake duration): 지진에 의해 유발된 기반지반의 가속도가 존재하는 총 시간

<삭제>

(46) 지진하중 (Seismic load) : 지진에 의해 추가적으로 구조물에 작용되는 하중으로서 지중구조물에서는 관성력, 지반변위, 주면전단력으로 구성됨.

<삭제>

(47) 최대진폭 (Peak amplitude): 지진에 의해 구조물(또는 지반)에 발생된 응답(변위, 속도, 가속도, 응력)의 절대값 중에서 가장 큰 값

(48) 축력 (Axial force) : 부재의 축방향으로 작용되는 힘으로 방향에 따라 인장력 또는 압축력으로 구분함.

(49) 탄성지반응답계수 (Elastic seismic response coefficient) : 모든 스펙트럼 해석법에서 지진하중을 구하기 위한 무차원량

(50) 탄성파 (Elastic wave) : 탄성체를 매체로 전달되는 파동으로서 기본적으로 P-파와 S-파로 구분되며, 지층의 형태에 따라 다양한 표면파(Rayleigh파, Love파 등)가 존재함.

(51) 터널 (Tunnel) : 광의의 정의에 의하면 ‘지반 중에 어떤 목적이나 용도에 따라 만들어 높은 공간을 갖는 구조물’ 또는 협의의 정의에 의하면 ‘입구와 출구를 갖는 지하통로 역할을 하는 연속적인 공간’이라고 말할 수 있는데, 일반적으로 도로 및 철도 터널 등을 그 예로 들 수 있음.

(52) 통제주기 (Control period) : 가속도 응답스펙트럼을 정의하는데 사용하는 주기로서 두 값이 정의됨. 두 주기 사이에서 최대증폭이 발생함.

(53) 특수공법 : 일반적으로 적용되는 개착공법, 발파공법, TBM공법 또는 쉴드(Shield)공법 이외의 공법을 사용하여 하천, 철도, 교량 등을 통과하여 공동구 본체를 구축하는 공법

(54) 파동전파이론 (Elastic wave propagation theory) : 탄성파가 매질을 통해 전파되는 현상을 분석하기 위한 이론

(55) 파장 (Wave length) : 전단파속도를 이용하여 구한 자유장지반의 고유주기에 해당하는 지반 진동의 파장

(56) 평가수명 : 사용목표수명등급을 평가하기 위한 기준이 되는 수명으로서 잠정적으로 100년을 내구년한으로 정의

(57) 평균재현주기 (Mean return period) : 어떤 크기나 특성을 가진 지진이 발생하는 평균 시간간격(s)

(58) 평행층상 반무한지반 (Horizontally layered half-space soil) : 반무한지반 위에 층경계가 모두 수평인 층상지반이 있는 지반. 내진에서는 대부분 지반응답해석을 수행할 때 지반을 평행층상 반무한 지반으로 가정함.

(59) 표준관입시험 (Standard penetration test) : 보링공을 이용하여 로드 끝에 중공의 표준샘플러(외경 5.2cm, 내경 3.5cm, 길이 81cm의 스플릿 스푼형)를 장착하여 무게 63.5kgf의 해머를 76cm의 높이에서 자유낙하로 타격시켜 30cm 관입하는데 요하는 타격회수(N 치)를 측정하여 토층의 경연을 조사하는 원위치시험임.

(60) 표층지반 (Top soil layers) : 기반지반 위에 있는 수평층상지반

(61) 활하중 (Live load) : 구조물의 사용 및 점용에 의해 발생하는 하중으로서 가구, 창고저장물, 차량, 군중에 의한 하중 등이 포함됨. 일반적으로 차량의 충격효과도 활하중에 포함되나, 풍하중, 지진하중과 같은 환경하중이나 고정하중은 포함되지 않음.

(62) 휨모멘트 (Bending moment) : 부재를 휘게 하도록 작용하는 부재력

1.3 용어의 정의 부분에서는 ‘KDS 17 10 00 내진설계 일반’ 기준과 중복되는 내용을 삭제하고, 파장 등 일부 용어 정의 내용을 추가

제 2 장 내진성능 평가기준지진과 평가절차

2.1 일반사항

1. 내진성능 평가는 관련 기준에 따른다.

[해설] 지중에 건설되는 터널 구조물은 관련 기준(도시철도 내진설계기준, 터널설계기준, 공동구 설계기준 등)에서 요구하는 구조물의 성능과 동등한 성능을 발휘할 수 있어야 한다는 것을 의미한다. 이를 위해 현행 기준에 규정된 지진구역계수, 지반계수, 설계응답스펙트럼 등이 사용되어야 하고, 당 기준에서 요구하는 강도 및 연성도를 달성할 수 있어야 한다. 따라서, 내진성능 평가는 기존 터널 구조물이 이러한 목표성능을 확보하고 있는지를 평가하여야 한다.

제 2 장 내진성능 평가기준과 평가절차

2.1 일반사항

1. 내진성능 평가는 관련 기준을 따른다.

[해설] 지중에 건설되는 터널 구조물은 관련 기준(KDS 17 10 00 내진설계 일반, 도시철도 내진기준, 터널기준, 공동구 기준 등)에서 요구하는 구조물의 성능과 동등한 성능을 발휘할 수 있어야 한다는 것을 의미한다. 이를 위해 현행 기준에 규정된 지진구역계수, 지반계수, 응답스펙트럼 등이 사용되어야 하고, 당 기준에서 요구하는 강도 및 연성도를 달성할 수 있어야 한다. 따라서, 내진성능 평가는 기존 터널 구조물이 이러한 목표성능을 확보하고 있는지를 평가하여야 한다.

‘KDS 17 10 00 내진설계 일반’ 추가

2. 내진성능 평가를 위한 “내진성능 평가기준지진”은 터널 구조물의 사용목표수명을 고려하여 결정할 수 있다.

[해설] “내진성능 평가기준지진”은 관련 기준에서 규정하는 설계지진으로 하는 것이 원칙이나 기존구조물의 경우 사용목표수명은 일반적으로 신설구조물의 평가설계수명에 비하여 짧아 사용목표수명 중에 경험하게 될 지진세기는 신설구조물이 평가설계수명 내에 경험하게 되는 지진세기보다 작을 확률이 높기 때문에 이를 반영하기 위함이다. 그러나, 대상구조물의 사용목표수명이 신설구조물의 평가설계수명에 비하여 현저하게 작더라도 보수 또는 보강을 하여 신설구조물의 평가설계수명과 동등한 정도의 사용목표수명을 기대하는 경우에는 내진성능 평가기준지진은 관련 기준의 설계지진으로 하여야 한다. 사용목표수명의 정량적인 판단근거는 아직 확립되어 있지 않은 상태이다. 따라서, 향후 연구를 통하여 객관적인 판단기준이 마련되기까지 이의 판단은 관리주체의 시설물 사용계획에 따라 결정하도록 한다.

｢지진･화산재해대책법｣ 제15조(기존 시설물의 내진보강기본계획 수립 등)와 상충될 우려가 있는 사항(사용목표수명 고려) 삭제

2.2 설계지반운동

1. 지진구역은 2개 구역으로 설정하고, 각 지진구역별로 구역계수를 설정한다.

[해설] 관련 기준에서는 지진구역을 해설표 2.2.1과 같이 2개 구역으로 설정하고 있고, 각 지진구역에서의 평균재현주기 500년의 지진지반운동에 해당하는 구역계수는 해설표 2.2.2와 같이 규정하고 있다. 따라서, 본 요령에서도 이를 준용한다. 단, 해설표 2.2.1의 지진구역에서 구분된 행정구역의 경계를 통과하는 평가대상 구조물에는 상위의 지진구역계수를 적용한다.

2.2 지반운동

1. 지진구역은 2개 구역으로 설정하고, 각 지진구역별로 구역계수를 설정한다.

[해설] 관련 기준에서는 지진구역을 해설표 2.2.1과 같이 2개 구역으로 설정하고 있고, 각 지진구역에서의 평균재현주기 500년의 지진지반운동에 해당하는 구역계수는 해설표 2.2.2와 같이 규정하고 있다. 따라서, 본 요령에서도 이를 준용한다. 단, 해설표 2.2.1의 지진구역에서 구분된 행정구역의 경계를 통과하는 평가대상 구조물에는 상위의 지진구역계수를 적용한다.

2. 설계가속도는 지진에 의한 지반진동의 강도를 나타낸다.

[해설] 본 요령에서는 기존구조물에 대해서도 신설구조물과 동일한 지진세기에 대하여 동일한 성능을 만족하도록 요구하고 있다. 따라서, 평균재현주기가 다른 지진의 설계가속도는 해설표 2.2.3의 위험도계수(I)를 해설표 2.2.2의 지진구역계수(Z)에 곱하여 계산한다. 한편, 지중구조물의 설계가속도는 지진해석시 기반면에서의 수평가속도([eqn: K_h '])와 지표면에서의 수평가속도([eqn: K_h])를 사용하며 대상깊이의 수평가속도는 지표면과 기반면의 수평가속도를 직선 보간하여 구할 수 있다. 기반면이라 함은 전단파속도 [eqn: V_s]=760m/s 이상의 보통암 수준을 의미하며 개략적으로 20～30m의 심도에 해당되나, 지반조사에 의하여 산정토록 한다. 수평가속도는 지반의 종류에 따라 지진계수 [eqn: C _{a}] 와 [eqn: C _{v}](해설표 2.2.4 참고)로 세분화되는데, 수평가속도는 다음 식과 같이 구한다.

[eqn: K _{h} ``=``C _{a} ``․I`]	해설식(2.1)

여기서, [eqn: C _{a}] : 지진계수

[eqn: I]  : 지진 위험도계수

해설표 2.2.1 지진구역 구분

지진구역	행정구역
I	시	서울특별시, 인천광역시, 대전광역시, 부산광역시, 대구광역시, 울산광역시, 광주광역시
	도	경기도, 강원도 남부, 충청북도, 충청남도, 경상북도, 경상남도, 전라북도, 전라남도 북동부
II	도	강원도 북부, 전라남도 남서부, 제주도

해설표 2.2.2 지진구역계수(재현주기 500년에 해당)

지진구역	I	II
구역계수, Z	0.11	0.07

해설표 2.2.3 지진 위험도계수

재현주기(년)	50	100	200	500	1000	2400
위험도계수, I	0.40	0.57	0.73	1.0	1.4	2.0

해설표 2.2.4 지진계수 [eqn: C _{a}]와 [eqn: C _{v}]

지반 종류	[eqn: C _{a}]		[eqn: C _{v}]
	I	II	I	II
SA	0.09	0.05	0.09	0.05
SB	0.11	0.07	0.11	0.07
SC	0.13	0.08	0.18	0.11
SD	0.16	0.11	0.23	0.16
SE	0.22	0.17	0.37	0.23

2. 유효지반가속도(수평가속도)는 지진에 의한 지반진동의 강도를 나타낸다.

[해설] 본 요령에서는 기존구조물에 대해서도 신설구조물과 동일한 지진세기에 대하여 동일한 성능을 만족하도록 요구하고 있다. 따라서, 평균재현주기가 다른 지진의 유효지반가속도(수평가속도)는 해설표 2.2.3의 위험도계수(I)를 해설표 2.2.2의 지진구역계수(Z)에 곱하여 계산한다. 한편, 지중구조물의 가속도는 지진해석시 기반면에서의 수평가속도([eqn: K_h '])와 지표면에서의 수평가속도([eqn: K_h])를 사용하며 대상깊이의 수평가속도는 지표면과 기반면의 수평가속도를 직선 보간하여 구할 수 있다. 기반면이라 함은 전단파속도 [eqn: V_s] = 760 m/s 이상의 보통암 수준을 의미하며 개략적으로 20 ～ 30 m 의 심도에 해당되나, 지반조사에 의하여 산정토록 한다. 수평가속도는 다음 식과 같이 구한다.

[eqn: S`=``Z` TIMESI]	해설식(2.1)

여기서, [eqn: Z] : 지진구역계수

[eqn: I] : 위험도계수

해설표 2.2.1 지진구역 구분

지진구역	행정구역
Ⅰ	시	서울, 인천, 대전, 부산, 대구, 울산, 광주, 세종
	도	경기, 충북, 충남, 경북, 경남, 전북, 전남, 강원 남부1
Ⅱ	도	강원 북부2, 제주
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

해설표 2.2.2 지진구역계수(재현주기 500년에 해당)

지진구역	Ⅰ	Ⅱ
지진구역계수, [eqn: Z]	0.11	0.07

해설표 2.2.3 위험도계수

평균재현주기 (년)	50	100	200	500	1,000	2,400	4,800
위험도계수, [eqn: I]	0.40	0.57	0.73	1	1.4	2.0	2.6

해설표 2.2.4 장단주기 지반증폭계수 [eqn: F _{a}]와 [eqn: F _{v}]

지반분류	단주기 지반증폭계수, [eqn: F _{a}]			장주기 지반증폭계수, [eqn: F _{v}]
	S ≤ 0.1	S = 0.2	S = 0.3	S ≤ 0.1	S = 0.2	S = 0.3
[eqn: S _{2}]	1.4	1.4	1.3	1.5	1.4	1.3
[eqn: S _{3}]	1.7	1.5	1.3	1.7	1.6	1.5
[eqn: S _{4}]	1.6	1.4	1.2	2.2	2.0	1.8
[eqn: S _{5}]	1.8	1.3	1.3	3.0	2.7	2.4

KDS 17 10 00 내진설계 일반과 용어 통일

KDS 17 10 00 내진설계 일반과 부합되도록 관련내용 수정

지진계수 결정을 위한 지반 종류는 해설표 2.2.5와 같이 분류한다. 지진구역에 따른 기반면 및 지표면의 설계수평가속도의 값은 해설표 2.2.6과 해설표 2.2.7과 같으며 심도에 따른 설계수평가속도는 해설그림 2.2.1과 같다.

해설그림 2.2.1은 구조물 상판과 저판의 설계수평가속도 [eqn: K_{h`1}``,```K_{h`2}`]가 기반면의 설계수평가속도 [eqn: K_h ']와 지표면에서의 설계수평가속도 [eqn: K_h]에 따라 결정됨을 나타낸 것이다.

해설표 2.2.5 지반의 분류

지반 종류	지반상태	상부 30.0m 에 대한 평균 지반 특성1)
		평균전단파속도 [eqn: {bar{V _{s}}}] (m/sec)	평균표준관입시험 [eqn: {bar{N}}] (타격수)	평균비배수전단강도 [eqn: {bar{S _{u}}}] (kPa)
[eqn: S _{A}]	경암 지반	1500 초과	-	-
[eqn: S _{B}]	보통암 지반	760초과 1500이하
[eqn: S _{C}]	매우 조밀한 토사지반 또는 연암지반	360초과 760이하	50초과	100초과
[eqn: S _{D}]	단단한 토사지반	180이상 360이하	15이상 50 이하	50이상 100이하
[eqn: S _{E}]	연약한 토사지반	180미만	15미만	50미만
[eqn: S _{F}]	부지 고유의 특성평가가 요구되는 지반

주 : 1) 상부 30.0m 이내에 기반암층이 있는 경우는 지표층(기반암 상부 토층)의 평균 지반특성을 고려한다. 상부 30.0m의 평균 전단파속도는 아래 식을 이용한다. 전단파속도 또는 표준관입시험치는 현장시험 결과치를 이용하는 것을 원칙으로 한다. 또한, 전단파속도와 표준관입시험치를 모두 측정한 경우는 전단파속도에 의해 분류한다.

상부 30m 평균 전단파속도	상부 30m의 평균 SPT-N값	상부 30m의 평균 비배수강도([eqn: S _{u}])
[eqn: rm V _{S30=} {30} over {sum _{i=1} ^{n} d _{i} /V _{S`i}}] 여기서, [eqn: V _{s30}] : 상부30m 평균전단파속도 [eqn: V _{si}] : 각 층의 전단파속도	[eqn: {bar{N}} = {30} over {sum _{i=30} ^{n} d _{i} /N}] 여기서, [eqn: {bar{N}}] : 상부 30m 평균 SPT-N값 [eqn: N] : 각 층의 SPT-N값	[eqn: {bar{S _{u}}} = {30} over {sum _{i=1} ^{n} d _{i} /S _{u}}] 여기서, [eqn: {bar{S _{u}}}] : 상부 30m 평균비배수강도 [eqn: S _{u}] : 각 층의 비배수강도 [eqn: d _{i}] : 각 층의 두께

해설표 2.2.6 기반면의 설계수평가속도 ([eqn: K_h '])

구 분	1등급(붕괴방지, 1000년)
	I	II
설계수평가속도	0.154	0.098

해설표 2.2.7 지표면의 설계수평가속도 ([eqn: K_h])

지반 종류	1 등급(붕괴방지, 1000년)
	Ⅰ	Ⅱ
SA	0.126	0.070
SB	0.154	0.098
SC	0.182	0.112
SD	0.224	0.154
SE	0.308	0.238

[eqn: Z_U], [eqn: Z_B] : 구조물 상부, 하부까지 깊이

[eqn: H] : 기반면까지 깊이

[eqn: K_h], [eqn: K_h1], [eqn: K_h2], [eqn: K_h '] : 각 깊이에서 설계수평가속도

해설그림 2.2.1 심도에 따른 설계수평가속도

3. 설계지진 응답스펙트럼

가. 표준설계응답스펙트럼은 해설그림 2.2.2와 같다.

[해설] 본 요령에서는 성능수준별 감쇠율에 대한 보정계수를 적용한 설계응답스펙트럼을 사용하도록 한다. 5% 감쇠비에 대한 표준설계응답스펙트럼은 해설그림 2.2.2와 같다.

해설그림 2.2.2 표준설계응답스펙트럼(감쇠비 5%)

나. 응답스펙트럼은 관련 기준에서 규정하고 있는 기반면에서의 설계가속도 스펙트럼을 적용한다.

다. 기반면에서의 설계가속도 스펙트럼은 감쇠율에 대한 보정계수를 곱하여 적용한다.

[해설] 해설그림 2.2.2에서 규정하고 있는 표준설계응답스펙트럼은 감쇠비가 5%인 경우이다. 이는 지표상 콘크리트 구조물의 탄성상태의 감쇠를 적용한 값이므로 지중구조물의 경우 감쇠비는 이와 다른 특성을 보이며, 성능수준에 따른 응답스펙트럼의 보정을 다음과 같이 수행한다.

◦ 감쇠율에 대한 보정계수([eqn: C _{D}]) :  [eqn: C _{D}] = [eqn: {1.5} over {(40h+1)} ``+``0.5]	해설식(2.2)

여기서, 성능수준별 감쇠율(h)은 붕괴방지수준 0.2를 적용

(단, 별도의 합리적인 해석에 의하여 구한 값을 적용할 수도 있다.)

지진계수 결정을 위한 지반 종류는 해설표 2.2.5와 같이 분류한다. 지진구역에 따른 기반면 및 지표면의 수평가속도의 값은 해설표 2.2.6과 해설표 2.2.7과 같으며 심도에 따른 설계수평가속도는 해설그림 2.2.1과 같다.

해설그림 2.2.1은 구조물 상판과 저판의 수평가속도 [eqn: K_{h`1}``,```K_{h`2}`]가 기반면의 수평가속도 [eqn: K_h ']와 지표면에서의 수평가속도 [eqn: K_h]에 따라 결정됨을 나타낸 것이다.

해설표 2.2.5 지반의 분류

지반종류	지반종류의 호칭	분류기준
		기반암 깊이, H (m)	토층 평균전단파속도,[eqn: V_s,soil] (m/s)
[eqn: S _{1}]	암반 지반	1 미만	-
[eqn: S _{2}]	얕고 단단한 지반	1∼20 이하	260 이상
[eqn: S _{3}]	얕고 연약한 지반		260 미만
[eqn: S _{4}]	깊고 단단한 지반	20 초과	180 이상
[eqn: S _{5}]	깊고 연약한 지반		180 미만
[eqn: S _{6}]	부지 고유의 특성평가 및 지반응답해석이 요구되는 지반

주 : 1) 기반암(Bed rock)은 전단파속도가 760 m/s 이상인 지층으로 정의한다.

2) 토층의 평균전단파속도([eqn: V_s,soil])는 탄성파시험 결과가 있을 경우 이를 우선적으로 적용한다.

3) 기반암 깊이와 무관하게 토층 평균전단파 속도가 120 m/s 이하인 지반은 [eqn: S _{6}]지반으로 분류한다.

해설표 2.2.6 기반면의 수평가속도 ([eqn: K_h '])

구 분	1등급(붕괴방지, 1000년)
	I	II
수평가속도	0.154	0.098

해설표 2.2.7 지표면의 수평가속도 ([eqn: K_h])

지반분류	내진구역 I		내진구역 II
	내진I등급 S=0.154	내진특등급 S=0.22	내진I등급 S=0.098	내진특등급 S=0.14
[eqn: S_1]	0.154	0.220	0.0980	0.1400
[eqn: S_2]	0.216	0.308	0.137	0.196
[eqn: S_3]	0.2618	0.374	0.167	0.238
[eqn: S_4]	0.246	0.352	0.157	0.224
[eqn: S_5]	0.277	0.396	0.176	0.252

여기서, [eqn: Z_U], [eqn: Z_B] : 구조물 상부, 하부까지 깊이

[eqn: H] : 기반면까지 깊이

[eqn: K_h], [eqn: K_h1], [eqn: K_h2], [eqn: K_h '] : 각 깊이에서 수평가속도

해설그림 2.2.1 심도에 따른 수평가속도

3. 지진 응답스펙트럼

가. 표준응답스펙트럼은 해설그림 2.2.2와 같다.

[해설] 본 요령에서는 성능수준별 감쇠율에 대한 보정계수를 적용한 응답스펙트럼을 사용하도록 한다. 5% 감쇠비에 대한 표준응답스펙트럼은 해설그림 2.2.2와 같다.

<암반지반>

<토사지반>

해설그림 2.2.2 표준응답스펙트럼(감쇠비 5%)

나. 응답스펙트럼은 관련 기준에서 규정하고 있는 기반면에서의 수평가속도 스펙트럼을 적용한다.

다. 기반면에서의 가속도 스펙트럼은 감쇠율에 대한 보정계수를 곱하여 적용한다.

[해설] 해설그림 2.2.2에서 규정하고 있는 표준응답스펙트럼은 감쇠비가 5%인 경우이다. 이는 지표상 콘크리트 구조물의 탄성상태의 감쇠를 적용한 값이므로 지중구조물의 경우 이와 다른 값을 적용하여야 하며, 내진성능수준에 따른 감쇠비값을 적용하여 응답스펙트럼의 보정을 다음과 같이 수행한다.

해설표 2.2.8 감쇠보정계수 [eqn: C _{D}]

주기([eqn: T], sec)	[eqn: T=0]	[eqn: 0 LEQT LEQT _{o}]	[eqn: T _{0} LEQT]
[eqn: C _{D}]	1.0	[eqn: T=0]일 때, 1.0 [eqn: T=T _{o}]일 때, [eqn: LEFT ( {6.42} over {1.42+ xi} RIGHT ) ^{0.48}] 그 사이는 직선보간	[eqn: LEFT ( {6.42} over {1.42+ xi} RIGHT ) ^{0.48}]

2.3 소요내진성능

1. 내진성능

지중구조물의 내진등급은 지중구조물의 중요도에 따라 설정한다.

[해설] 구조물의 등급은 내진 특등급, 내진 1등급, 내진 2등급으로 구분된다. 터널 구조물은 대부분 내진 1등급 구조물에 속하며 일반적인 지중구조물의 내진 등급은 해설표 2.2.8에 의거한다.

해설표 2.2.8 구조물별 내진등급

구조물 종류	내진 1등급	내진 2등급
주거․문화 시설	지하박물관, 지하음악당, 도서관, 지하상가, 위락시설	지하사무실, 스포츠센터
교통시설	도시철도, 철도․도로시설	지하주차장, 지하보도
라이프라인 시설	가스․석유 수송시설, 상수도, 전력․통신관로	하수도, 도수터널
산업시설	식수․정수처리장, 지하발전시설, 핵폐기물 처리시설	폐하수처리장, 산업폐기물 처리장
에너지 저장시설	전력시설, 전기공급시설, 열저장․지역냉난방공급시설, 지하원유․LNG․LPG 비축시설	곡물․식품저온 저장소, 수산물 냉장․냉동 저장소, 압축공기저장시설
방어시설	지하대피소, 지휘․통신시설, 군사기지, 해안방어기지

2.3 소요내진성능

1. 내진등급

지중구조물의 내진등급은 시설물별 내진설계기준에서 정하는 바에 따라 설정한다.

[해설] 시설물의 내진등급은 시설물의 중요도에 따라 내진 특등급, 내진 I 등급, 내진 II 등급으로 구분된다. 시설물의 내진등급은 시설물별 내진설계기준에서 정하는 바에 따라 설정하며, 터널 구조물은 대부분 내진 I 등급 구조물에 속한다. 시설물별 내진설계기준에서 정하는 바가 명확하지 않은 경우, 해설표 2.3.1을 참조하여 정할 수 있다.

해설표 2.3.1 구조물별 내진등급

구조물 종류	내진 I 등급	내진 I 등급
주거․문화 시설	지하박물관, 지하음악당, 도서관, 지하상가, 위락시설	지하사무실, 스포츠센터
교통시설	도시철도, 철도․도로시설	지하주차장, 지하보도
라이프라인 시설	가스․석유 수송시설, 상수도, 전력․통신관로	하수도, 도수터널
산업시설	식수․정수처리장, 지하발전시설, 핵폐기물 처리시설	폐하수처리장, 산업폐기물 처리장
에너지 저장시설	전력시설, 전기공급시설, 열저장․지역냉난방공급시설, 지하원유․LNG․LPG 비축시설	곡물․식품저온 저장소, 수산물 냉장․냉동 저장소, 압축공기저장시설
방어시설	지하대피소, 지휘․통신시설, 군사기지, 해안방어기지

2. 성능수준에 따른 지진세기

가. 기존 터널 구조물의 소요성능수준은 [붕괴방지수준]에 대해서 고려한다.

[해설] 성능수준은 기능수행수준과 붕괴방지수준으로 구분되지만, 최근 제·개정된 터널설계기준(2007), 공동구설계기준(2010), 도로교설계기준(2010), 철도설계기준(2011) 등 관련 기준의 개정된 내용을 반영하여 본 요령에서는 내진성능 평가시 붕괴방지수준에 대해서만 고려하는 것으로 한다.

나. 성능평가에 이용하는 지진세기는 구조물의 내진등급과 성능수준에 따라 설정한다.

[해설] 현행 기준에서는 터널 구조물의 내진등급별 내진성능 목표에 따라 해설표 2.2.9와 같은 설계지진세기를 규정하고 있다.

해설표 2.2.9 내진성능 목표 (붕괴방지수준)

관련기준 재현주기	도시철도 내진설계기준	터널설계기준	공동구설계기준
500년	2 등급	2 등급	-
1000년	1 등급	1 등급	1 등급

2. 내진성능수준에 따른 지진세기

가. 기존 터널 구조물의 소요성능수준은 [기능수행수준]과 [붕괴방지수준]에 대해서 고려한다.

[해설] 터널의 내진 성능목표는 KDS 17 10 00 (4.1.4)의 표 4.1-1 중 기능수행수준과 붕괴방지수준으로 한다.

나. 내진성능평가에 이용하는 지진세기는 구조물의 내진등급과 성능수준에 따라 설정한다.

[해설] 현행 기준에서는 터널 구조물의 내진등급별 내진성능 목표에 따라 <해설표 2.3.2> ∼ <해설표 2.3.3>와 같은 지진세기를 규정하고 있다.

해설표 2.3.2 내진성능 목표 (붕괴방지수준)

관련기준 재현주기	도시철도 내진설계기준(2018)	터널 내진설계 (2018)	공동구 설계기준 (2018)
500년	내진 II 등급	내진 II 등급	-
1,000년	내진 I 등급	내진 I 등급	내진 I 등급
2,400년	내진특등급	-	-

<해설표 2.3.3> 내진성능 목표 (기능수행수준)

관련기준 재현주기	도시철도 내진설계기준(2018)	터널 내진설계 (2018)	공동구 설계기준 (2018)
50년	내진 II 등급	내진 II 등급	-
100년	내진 I 등급	내진 I 등급	내진 I 등급
200년	내진특등급	-	-

터널 내진설계기준, 도시철도 내진설계기준, 공동구 설계기준 2018년 개정내용 등을 반영

KDS 17 10 00 내진설계 일반과 부합되도록 관련내용 수정

KDS 17 10 00 내진설계 일반과 부합되도록 기능수행수준에 대한 내진성능 목표 추가

3. 사용목표수명을 고려한 평균재현주기

가. 사용목표수명을 고려한 내진성능 평가기준지진은 사용목표수명동안 내진성능 평가기준지진의 발생확률이 동일 등급의 신설구조물이 평가설계수명 동안 경험할 수 있는 설계지진의 발생확률과 동일하도록 결정한다.

[해설] 설계지진의 평균재현주기는 구조물의 등급별로 주어지며, 연평균발생확률은 평균재현주기의 역수로 정의된다. 현행 설계개념은 설계지진하에서 구조물이 붕괴하지 아니하여 인명피해를 방지할 수 있고, 이렇게 설계된 구조물에 최대가능지진이 발생하더라도 붕괴될 확률은 매우 낮을 것이라는 가정에 근거하고 있다. 여기서는 구조물의 수명기간동안 손상 또는 붕괴할 확률은 명시적으로 도입되어 있지 아니하다. 그러나, 본 요령에서는 아직 그 타당성이 완전하게 입증되지는 아니하였으나 잠정적으로 사용목표수명동안 지진을 경험할 확률을 고려하는 개념을 다음의 해설식(2.3)과 같이 채택하고자 한다.

(내진성능 평가기준지진의 연평균발생확률×사용목표수명)

=  (설계기준지진의 연평균발생확률×평가설계수명)         해설식(2.3)

나. 사용목표수명은 평가설계수명에 대한 수명비(사용목표수명/평가설계수명)에 따라 다음과 같이 3개 등급(1/2 이상, 1/2-1/4, 1/4 이하)으로 구분한다.

[해설] 내진성능 평가에 있어서 사용목표수명을 효율적으로 고려하기 위하여 평가설계수명의 비에 따라 3개 등급으로 구분하여 사용하도록 한다.

다. 내진성능 평가기준지진의 지진세기는 사용목표수명 등급에 따라 평균재현주기를 고려하여 결정한다. 이는 해설표 2.2.10과 같다.

해설표 2.2.10 수명비에 따른 내진등급 평가기준지진의 평균재현주기

내진등급	수명비(사용목표수명/평가설계수명)
	1/2 이상	1/2-1/4	1/4 이하
1등급	1000년	500년	250년
2등급	500년	250년	125년

4. 사용목표수명을 고려한 가속도계수

가. 사용목표수명을 고려한 내진성능 평가기준지진의 가속도계수(A)는 지진구역계수(Z)와 지진 위험도계수(I)의 곱으로 정의한다.

나. 지진구역계수(Z)는 2.2절의 해설표 2.2.2와 같다.

다. 사용목표수명을 고려한 지진 위험도계수(I)는 [내진설계기준연구Ⅱ(건교부,1997)]에 제시된 값을 기본으로 하고 필요시에는 이를 선형보간하여 사용할 수 있다.

[해설] 지진 위험도계수(I)는 재현주기 500년 설계지진의 가속도계수에 대한 특정재현주기의 설계지진의 가속도계수의 비로서 해설표 2.2.11과 같이 정의된다. 또한, 수명비(사용목표수명/평가설계수명)에 따른 지진 위험도계수(I)는 해설표 2.2.12와 같다.

해설표 2.2.11 재현주기에 따른 지진 위험도계수(I)

재현주기 (년)	50	100	200	500	1000
위험도계수, I	0.4	0.57	0.73	1.0	1.4

해설표 2.2.12 수명비에 따른 지진 위험도계수(I)

내진등급	수명비(사용목표수명/평가설계수명)
	1/2이상	1/2-1/4	1/4이하
1등급	1.4	1.0	0.78
2등급	1.0	0.78	0.6

라. 수명비에 따른 가속도계수(A)는 해설표 2.2.13 및 해설표 2.2.14와 같다.

[해설] 지진구역계수(Z)와 수명비(사용목표수명/평가설계수명)에 따른 지진 위험도계수(I)를 곱하여 수명비에 따른 가속도계수(A)를 산정하면 해설표 2.2.13 및 해설표 2.2.14와 같다.

해설표 2.2.13 지진구역Ⅰ에서의 내진성능 평가기준지진 가속도계수(A)

내진등급	수명비(사용목표수명/평가설계수명)
	1/2 이상	1/2-1/4	1/4 이하
1등급	0.154 g	0.11 g	0.086 g
2등급	0.11 g	0.086 g	0.066 g

해설표 2.2.14 지진구역 I, II에서의 내진성능 평가기준지진 가속도계수(A)

지진구역 (1등급)	수명비(사용목표수명/평가설계수명)
	1/2 이상	1/2-1/4	1/4 이하
I구역	0.154 g	0.11 g	0.086 g
II구역	0.098 g	0.07 g	0.055 g

｢지진･화산재해대책법｣ 제15조(기존 시설물의 내진보강기본계획 수립 등)와 상충될 우려가 있는 사항(사용목표수명 고려) 삭제

2.4 내진성능 평가절차

1. 기존 터널 구조물의 내진성능 평가는 내진성능 예비평가와 상세평가 2단계로 구분하여 단계적으로 수행한다.

2. 내진성능 예비평가는 문헌자료 및 현장조사에 근거하여 내진성능 평가의 수행여부 결정을 위해서 실시한다.

3. 내진성능 상세평가는 예비평가 결과와 내진성능 평가수준에 따라 기존 터널 구조물의 구성부재의 내진성능을 파악하기 위해서 실시한다.

[해설] 터널 구조물의 내진성능 평가를 위해서는 구조물의 비선형적 거동이 고려되어야 한다. 그러나, 본 요령에서는 우리나라 지진세기 등을 고려하여 탄성설계법에 준하여 성능을 평가하는 방법을 채택하였다.

4. 본 요령에서는 해설그림 2.4.1과 같은 내진성능 평가절차에 따라 터널 구조물의 내진성능 평가를 수행하도록 하고 있다. 지반액상화는 예비평가, 간이평가 및 상세평가의 순서로 실시되며, 보다 상세한 사항은 [기존시설물의 기초 및 지반의 내진성능 평가 요령]을 참고하길 바란다.

해설그림 2.4.1 내진성능 평가절차

2.4 내진성능 평가절차

1. 기존 터널 구조물의 내진성능 평가는 내진성능 예비평가와 상세평가 2단계로 구분하여 단계적으로 수행한다.

2. 내진성능 예비평가는 문헌자료 및 현장조사에 근거하여 내진성능 상세평가의 우선순위 결정을 위해서 실시한다.

3. 내진성능 상세평가는 예비평가 결과와 내진성능 평가수준에 따라 기존 터널 구조물의 구성부재의 내진성능을 파악하기 위해서 실시한다.

[해설] 터널 구조물의 내진성능 평가를 위해서는 구조물의 비선형적 거동이 고려되어야 한다. 우리나라 지진세기 등을 고려하여 탄성법에 준하여 성능을 평가하는 방법을 채택할 수 있고, 응답이력해석법을 수행하여 지반에 대한 비선형 거동특성을 고려할 수 있는 해석방법을 사용할 수 있다.

4. 본 요령에서는 해설그림 2.4.1과 같은 내진성능 평가절차에 따라 터널 구조물의 내진성능 평가를 수행하도록 하고 있다. 지반액상화는 예비평가 및 간이평가의 순서로 실시되며, 보다 상세한 사항은 [기존시설물 (기초 및 지반) 내진성능 평가 요령]을 준용한다.

해설그림 2.4.1 내진성능 평가절차

예비평가의 의의 명확화

터널 구조물의 비선형성을 고려하기 위하여 응답이력해석법을 적용토록 함

제 3 장 내진성능 예비평가

3.1 일반사항

내진성능 예비평가는 터널 구조물의 내진성능 상세평가의 수행여부를 결정하는 판단자료를 제공한다.

[해설] 내진설계가 수행되지 않은 기존 터널 구조물에 대하여 내진성능 평가를 보다 경제적이고 합리적으로 수행하기 위해서는 예비평가를 먼저 수행하여 내진성능 상세평가의 수행여부를 우선적으로 결정하는 것이 바람직하다.

3.2 자료조사 및 정리

3.2.1 자료조사

1. 내진성능 예비평가를 위한 자료조사에는 예비평가에 필요한 자료뿐만 아니라 내진성능 상세평가에 필요한 자료도 함께 조사하여 기록한다.

2. 자료조사에는 설계도서에 나타난 구조물의 직접정보뿐만 아니라 현장조사를 통하여 구조물의 보수․보강이력 및 상태, 구조물의 현재 여건, 구조물 주위의 환경적 요인 등을 함께 조사하여 정리한다.

가. 일반사항 조사

(1) 터널명, 위치, 관리주체 등을 조사한다.

(2) 터널 구조물이 위치한 지진구역, 시설물의 내진등급, 지반조건 등을 조사한다.

(3) 준공년도, 준거 시방서, 내진설계의 유무 등을 조사한다.

나. 설계도서 조사

(1) 구조물 구조형식 및 제원, 각 구성부재의 제원 및 재료 특성 등을 조사한다.

(2) 설계 평면도, 종·횡단면도, 지반지질도, 상세도 등을 조사한다.

(3) 보수․보강 등에 따른 내진성능의 변화 요인을 조사한다.

다. 현장조사

(1) 구조물의 현재 상태 등을 조사하여 설계도서와의 차이점을 조사한다.

(2) 중요 연결시설물, 주변 현황 등을 조사한다.

라. 환경조사

(1) 재료 및 제원의 특성값에 영향을 주는 환경요인을 조사한다.

(2) 지진 외적인 보수·보강계획 등을 조사한다.

(3) 평균 이용객 현황 및 교통량 등과 같은 교통환경, 사회경제적 여건을 고려한 터널 구조물의 중요도 또는 특이사항 등을 조사한다.

3.2.2 자료정리

내진성능 평가를 위한 상세조사항목은 부록C와 같은 내진점검표를 작성하여 기록, 정리한다.

3.3 평가기준

1. 내진성능 예비평가는 기존 터널 구조물의 지진도, 취약도, 영향도를 고려하여 내진그룹화한다.

가. 지진도(Seismicity) : 지진의 규모 및 발생환경에 의해 결정한다.

나. 구조물의 취약도(Vulnerability) : 구조물의 취약성, 기하학적인 형상, 구조형식 등에 의해 결정한다.

다. 사회경제적인 영향도(Impact) : 교통량, 시설물의 중요성 등에 의해 결정한다.

2. 내진그룹은 내진보강 “핵심시설”, “중요시설”, “관찰시설”, “유보시설” 4개 그룹으로 분류하고 동 순서대로 우선순위를 부여한다.

3. 내진보강 “핵심시설”, “중요시설”에 대해서는 우선적으로 내진성능 상세평가를 실시하고, 내진보강 “관찰시설”, “유보시설”에 대해서는 관리주체의 정책적 판단에 의거하여 내진성능 상세평가 실시여부를 결정할 수 있다.

4. 정책적 판단으로 중요하다고 판단되는 시설에 대해서는 내진그룹을 조정할 수 있다.

[해설] 기존 터널 구조물의 내진그룹화는 지진도, 취약도, 영향도를 종합적으로 고려하여 정량화함으로써 수행된다. 이러한 정량화는 수많은 사례연구를 통하여 중요인자를 도출하고 각 인자의 참여계수를 합리적으로 설정하여 그 결과가 공학적으로 충분히 타당하다는 것을 입증하는 것이 매우 중요하다. 본 요령에서 제안된 지진도, 취약도 및 영향도 지수는 향후 충분한 연구가 진행되면 수정․보완되어야 한다. 따라서, 정책적 판단으로 내진그룹의 변경이 가능하도록 한다.

3.4 평가방법

3.4.1 지진도

지진도는 지진구역과 도시권역, 지반종류분류 등을 고려하여 4그룹으로 분류한다.

[해설] 제 2장에서 정의되는 지진구역과 지반종류를 기본으로 하여 권역별 특성(도시지역, 기타지역)을 고려하여 해설표 3.4.1과 같이 구분한다.

① 제 1 그룹 : 중점고려지역으로 한다.

② 제 2 그룹 : 우선고려지역으로 한다.

③ 제 3 그룹 : 관찰대상지역으로 한다.

④ 제 4 그룹 : 관찰제외지역으로 한다.

해설표 3.4.1 지진도 등급 기준

지진구역	구분	지반종류분류
		SE	SD	SC	SB, SA
I	도시	1그룹		2그룹
	기타지역	1그룹	2그룹	3그룹	3그룹
II	도시				4그룹
	기타지역	2그룹	3그룹	4그룹

제 3 장 내진성능 예비평가

3.1 일반사항

내진성능 예비평가는 터널 구조물의 내진성능 상세평가의 우선순위를 결정하는 판단자료를 제공한다.

[해설] 내진설계가 수행되지 않은 기존 터널 구조물에 대하여 내진성능 평가를 보다 경제적이고 합리적으로 수행하기 위해서는 예비평가를 먼저 수행하여 내진성능 상세평가의 우선순위를 결정하는 것이 바람직하다.

3.2 자료조사 및 정리

3.2.1 자료조사

1. 내진성능 예비평가를 위한 자료조사에는 예비평가에 필요한 자료뿐만 아니라 내진성능 상세평가에 필요한 자료도 함께 조사하여 기록한다.

2. 자료조사에는 도서에 나타난 구조물의 직접 정보뿐만 아니라 현장조사를 통하여 구조물의 보수․보강이력 및 상태, 구조물의 현재 여건, 구조물 주위의 환경적 요인 등을 함께 조사하여 정리한다.

가. 일반사항 조사

(1) 터널명, 위치, 관리주체 등을 조사한다.

(2) 터널 구조물이 위치한 지진구역, 시설물의 내진등급, 지반조건 등을 조사한다.

(3) 준공년도, 준거 시방서, 내진의 유무 등을 조사한다.

나. 도서 조사

(1) 구조물 구조형식 및 제원, 각 구성부재의 제원 및 재료 특성 등을 조사한다.

(2) 평면도, 종·횡단면도, 지반지질도, 상세도 등을 조사한다.

(3) 보수․보강 등에 따른 내진성능의 변화 요인을 조사한다.

다. 현장조사

(1) 구조물의 현재 상태 등을 조사하여 도서와의 차이점을 조사한다.

(2) 중요 연결시설물, 주변 현황 등을 조사한다.

라. 환경조사

(1) 재료 및 제원의 특성값에 영향을 주는 환경요인을 조사한다.

(2) 지진 외적인 보수·보강계획 등을 조사한다.

(3) 평균 이용객 현황 및 교통량 등과 같은 교통환경, 사회경제적 여건을 고려한 터널 구조물의 중요도 또는 특이사항 등을 조사한다.

3.2.2 자료정리

내진성능 평가를 위한 상세조사항목은 부록C와 같은 내진점검표를 작성하여 기록, 정리한다.

3.3 평가기준

1. 내진성능 예비평가는 기존 터널 구조물의 지진도, 취약도, 영향도를 고려하여 내진그룹화한다.

가. 지진도(Seismicity) : 지진의 규모 및 발생환경에 의해 결정한다.

나. 구조물의 취약도(Vulnerability) : 구조물의 취약성, 기하학적인 형상, 구조형식 등에 의해 결정한다.

다. 사회경제적인 영향도(Impact) : 교통량, 시설물의 중요성 등에 의해 결정한다.

2. 내진그룹은 내진보강 “핵심터널”, “중요터널”, “관찰터널”, “유보터널” 4개 그룹으로 분류하고 동 순서대로 상세평가 우선순위를 부여한다.

<삭제>

3. 정책적 판단으로 중요하다고 판단되는 시설에 대해서는 내진그룹을 조정할 수 있다.

[해설] 기존 터널 구조물의 내진그룹화는 지진도, 취약도, 영향도를 종합적으로 고려하여 정량화함으로써 수행된다. 이러한 정량화는 수많은 사례연구를 통하여 중요인자를 도출하고 각 인자의 참여계수를 합리적으로 설정하여 그 결과가 공학적으로 충분히 타당하다는 것을 입증하는 것이 매우 중요하다. 본 요령에서 제안된 지진도, 취약도 및 영향도 지수는 향후 충분한 연구가 진행되면 수정․보완되어야 한다. 따라서, 정책적 판단으로 내진그룹의 변경이 가능하도록 한다.

3.4 평가방법

3.4.1 지진도

지진도는 지진구역과 도시권역, 지반분류 등을 고려하여 4그룹으로 분류한다.

[해설] 제 2장에서 정의되는 지진구역과 지반종류를 기본으로 하여 권역별 특성(도시지역, 기타지역)을 고려하여 해설표 3.4.1과 같이 구분한다.

① 제 1 그룹 : 중점고려지역으로 한다.

② 제 2 그룹 : 우선고려지역으로 한다.

③ 제 3 그룹 : 관찰대상지역으로 한다.

④ 제 4 그룹 : 관찰제외지역으로 한다.

해설표 3.4.1 지진도 등급 기준

지진구역	구분	지반분류1)
		S6	S3, S5	S2, S4	S1
I	도시	1그룹	1그룹	2그룹	3그룹
	기타지역	1그룹	2그룹	2그룹	3그룹
II	도시	1그룹	2그룹	3그룹	4그룹
	기타지역	1그룹	3그룹	4그룹

주 1) 지반분류 [eqn: S _{1}], [eqn: S _{2}], [eqn: S _{3}], [eqn: S _{4}], [eqn: S _{5}], [eqn: S _{6}]는 터널주변 지반으로 한정한다.

예비평가의 의의를 명확히 함

(경험적 지표와 시설물의 중요도 등을 고려하는 예비평가의 특성을 반영)

용어 수정

용어 수정

지반종류를 지반분류로 통일

KDS 17 10 00 내진설계 일반과 부합되도록 지반종류 관련내용 수정

지반분류에 대한 범위를 터널주변지반으로 명확하게 기술함

3.4.2 취약도

지진에 대한 터널 구조물의 취약도는 터널 주변의 지반상태, 구조물의 형태, 기하학적 형상 등을 고려하여 취약도 지수로 나타낸다.

[해설] 터널 구조물의 취약도는 지진으로 인해 구조물이 붕괴되거나 손상을 입기 쉬운 형태를 구분하는 것으로 터널 주변의 지반상태, 갱구부 사면, 저토피 구간, 불균형 토압, 터널 형상, 라이닝 형식, 시공방법, 단면크기, 재난 이력, 지속적인 변형, 노후와, 손상상태 등 터널의 설계․시공에서부터 유지관리에 이르기까지 다양한 인자를 고려하여 다음과 같이 취약도 지수(Vulnerability Index)로 나타낸다.

[eqn: VI~ & =~10 TIMES (Soil+Slope+Depth+Unbal+Shape+Lining# # & ~~~~~~~+Const+Size+Hist+Defor+Deter+Damage)]  해설식(3.1)

여기서, [eqn: Soil ``] : 터널 주변의 지반(Soil) 상태에 따른 지수

[eqn: Slope ``] : 갱구부 사면(Slope)의 활동여부에 따른 지수

[eqn: Depth ``] : 터널 저토피(Shallow Depth) 구간에 따른 지수

[eqn: Unbal ``] : 단면의 비정형성 및 편토압 등의 불균형(Unbalance) 토압에 따른 지수

[eqn: Shape ``] : 터널 형상(Shape)에 따른 지수

[eqn: Lining``] : 터널 라이닝(Lining) 형식에 따른 지수

[eqn: Const ``] : 터널 시공(Construction) 방법에 따른 지수

[eqn: Size ``] : 터널의 굴착단면 크기(Size)에 따른 지수

[eqn: Hist``] : 터널 시공당시의 재난 이력(History)에 따른 지수

[eqn: Defor ``] : 터널의 지속적인 변형(Deformation) 여부에 따른 지수

[eqn: Deter``] : 터널 구조물의 노후화(Deterioration)에 따른 지수

[eqn: Damage ``] : 터널 구조물의 손상(Damage) 상태에 따른 지수

1) [eqn: Soil``]은 터널 주변의 지반 상태, 즉 강한 지반 또는 연약한 지반 등의 지반상태(Soil condition)를 나타내는 지수이다.

구분	내용	지반분류	점수
지반상태 ([eqn: Soil``])	연약지반1) 및 지층변화가 심한 지반	[eqn: S _{E}], [eqn: S _{F}]	1.0
	단단한 토사지반	[eqn: S _{D}]	0.8
	보통지반	[eqn: S _{C}]	0.5
	강성지반	[eqn: S _{A}], [eqn: S _{B}]	0.2

주 1) 단층파쇄대, 연약대 등의 지질학적으로 불량한 지반

2) [eqn: Slope``]는 갱구부 사면(Slope)의 활동 가능성을 나타내는 지수이다.

구분	내용	점수
갱구부 사면1) ([eqn: Slope``])	있음	1.0
	보통	0.5
	없음	0.2

주 1) 갱구부 사면에 대한 적절한 조치가 취해진 경우는 하향조정 가능

3) [eqn: Depth``]는 터널 저토피(Shallow Depth) 구간에 따른 지수이다.

구분	토피고(h)	점수
저토피 구간 ([eqn: Depth``])	5m 미만	1.0
	5m ≤ h < 10m	0.5
	10m 이상	0.2

4) [eqn: Unbal``]는 단면의 비정형성 및 편토압 등의 불균형(Unbalance) 토압의 유무를 나타내는 지수이다.

구분	내용	점수
불균형 토압 ([eqn: Unbal``])	있음	0.5
	없음	0.2

5) [eqn: Shape``]는 터널 형상(Shape)을 나타내는 지수이다.

구분	내용	점수
터널형상 ([eqn: Shape``])	박스형	1.0
	아치형 (마제형, 난형, 반원형 등)	0.8
	원형	0.5

6) [eqn: Lining``]은 터널 라이닝(Lining) 형식을 나타내는 지수이다.

구분	내용		점수
라이닝 형식 ([eqn: Lining``])	조적조		1.0
	일부 조적조		0.8
	콘크리트	무근	0.5
		철근	0.2

7) [eqn: Const``]은 터널의 시공(Construction) 방법을 나타내는 지수이다.

구분	적용공법	점수
시공방법 ([eqn: Const``])	개착식	0.5
	굴착식	0.2

8) [eqn: Size``]는 터널의 단면 크기(Size)에 따른 지수를 나타낸다.

구분	단면크기		점수
단면크기1) ([eqn: Size``])	대형	폭(B) 30m 이상 또는 높이(H) 20m 이상	1.0
	중대형	20m ≤ B < 30m 또는 15m ≤ H < 20m	0.8
	중형	10m ≤ B < 20m 또는 10m ≤ H < 15m	0.5
	소형	폭(B) 10m 미만이고 높이(H) 10m 미만	0.2

주 1) 대상구조물의 최대 단면폭(B)과 높이(H)로 산정

9) [eqn: Hist``]는 터널 시공당시의 재난 이력(History)의 유무를 나타내는 지수이다.

구분	내용	점수
재난이력 (변형, 붕괴 등) ([eqn: Hist``])	있음	0.5
	없음	0.2

10) [eqn: Defor``]는 터널의 지속적인 변형(Deformation) 여부를 나타내는 지수이다.

구분	내용	점수
지속적인 변형 ([eqn: Defor``])	있음	0.5
	없음	0.2

11) [eqn: Deter``]는 터널 구조물의 노후화(Deterioration)를 나타내는 지수이다.

구분	공용년수(t)	점수
구조물 노후화 ([eqn: Deter``])	50년 이상	1.0
	30년 ≤ t < 50년	0.8
	10년 ≤ t < 30년	0.5
	10년 미만	0.2

12) [eqn: Damage ``]는 터널 구조물의 손상(Damage) 상태를 나타내는 지수이다.

구분	상태등급	점수
구조물 손상1) ([eqn: Damage ``])	D, E등급	1.0
	C등급	0.8
	B등급	0.5
	A등급	0.2

주 1) 대상터널의 최근 상태평가등급으로 분류

3.4.2 취약도

지진에 대한 터널 구조물의 취약도는 터널 주변의 지반상태, 구조물의 형태, 기하학적 형상 등을 고려하여 취약도 지수로 나타낸다.

[해설] 터널 구조물의 취약도는 지진으로 인해 구조물이 붕괴되거나 손상을 입기 쉬운 형태를 구분하는 것으로 터널 주변의 지반상태, 갱구부 사면, 저토피 구간, 불균형 토압, 터널 형상, 라이닝 형식, 시공방법, 단면크기, 재난 이력, 지속적인 변형, 노후와, 손상상태 등 터널의 설계․시공에서부터 유지관리에 이르기까지 다양한 인자를 고려하여 다음과 같이 취약도 지수(Vulnerability Index, [eqn: V``I] )로 나타낸다.

[eqn: V``I~ & =~10 TIMES (Soil+Slope+Depth+Unbal+Shape+Lining# # & ~~~~~~~+Const+Size+Hist+Defor+Deter+Damage)]  해설식(3.1)

여기서, [eqn: Soil ``] : 터널 주변의 지반(Soil) 상태에 따른 지수

[eqn: Slope ``] : 갱구부 사면(Slope)의 활동여부에 따른 지수

[eqn: Depth ``] : 터널 저토피(Shallow Depth) 구간에 따른 지수

[eqn: Unbal ``] : 단면의 비정형성 및 편토압 등의 불균형(Unbalance) 토압에 따른 지수

[eqn: Shape ``] : 터널 형상(Shape)에 따른 지수

[eqn: Lining``] : 터널 라이닝(Lining) 형식에 따른 지수

[eqn: Const ``] : 터널 시공(Construction) 방법에 따른 지수

[eqn: Size ``] : 터널의 굴착단면 크기(Size)에 따른 지수

[eqn: Hist``] : 터널 시공당시의 재난 이력(History)에 따른 지수

[eqn: Defor ``] : 터널의 지속적인 변형(Deformation) 여부에 따른 지수

[eqn: Deter``] : 터널 구조물의 노후화(Deterioration)에 따른 지수

[eqn: Damage ``] : 터널 구조물의 손상(Damage) 상태에 따른 지수

1) [eqn: Soil``]은 터널 주변의 지반 상태, 즉 강한 지반 또는 연약한 지반 등의 지반상태(Soil condition)를 나타내는 지수이다.

구분	내용	지반분류2)	점수
지반상태 ([eqn: Soil``])	연약지반1) 및 지층변화가 심한 지반	[eqn: S _{6}]	1.0
	연약한 지반	[eqn: S _{3}], [eqn: S _{5}]	0.8
	단단한 지반	[eqn: S _{2}], [eqn: S _{4}]	0.5
	강성지반	[eqn: S _{1}]	0.2

주 1) 단층파쇄대, 연약대 등의 지질학적으로 불량한 지반

주 2) 지반분류 [eqn: S _{1}], [eqn: S _{2}], [eqn: S _{3}], [eqn: S _{4}], [eqn: S _{5}], [eqn: S _{6}]는 터널주변 지반으로 한정한다.

2) [eqn: Slope``]는 갱구부 사면(Slope)의 활동 가능성을 나타내는 지수이다.

구분	내용	점수
갱구부 사면1) ([eqn: Slope``])	있음	1.0
	보통	0.5
	없음	0.2

주 1) 갱구부 사면에 대한 적절한 조치가 취해진 경우는 하향조정 가능

3) [eqn: Depth``]는 터널 저토피(Shallow Depth) 구간에 따른 지수이다.

구분	토피고(h)	점수
저토피 구간 ([eqn: Depth``])	5m 미만	1.0
	5m ≤ h < 10m	0.5
	10m 이상	0.2

4) [eqn: Unbal``]는 단면의 비정형성 및 편토압 등의 불균형(Unbalance) 토압의 유무를 나타내는 지수이다.

구분	내용	점수
불균형 토압 ([eqn: Unbal``])	있음	0.5
	없음	0.2

5) [eqn: Shape``]는 터널 형상(Shape)을 나타내는 지수이다.

구분	내용	점수
터널형상 ([eqn: Shape``])	박스형	1.0
	아치형 (마제형, 난형, 반원형 등)	0.8
	원형	0.5

6) [eqn: Lining``]은 터널 라이닝(Lining) 형식을 나타내는 지수이다.

구분	내용		점수
라이닝 형식 ([eqn: Lining``])	조적조		1.0
	일부 조적조		0.8
	콘크리트	무근	0.5
		철근	0.2

7) [eqn: Const``]은 터널의 시공(Construction) 방법을 나타내는 지수이다.

구분	적용공법	점수
시공방법 ([eqn: Const``])	개착식	0.5
	굴착식	0.2

8) [eqn: Size``]는 터널의 단면 크기(Size)에 따른 지수를 나타낸다.

구분	단면크기		점수
단면크기1) ([eqn: Size``])	대형	폭(B) 30m 이상 또는 높이(H) 20m 이상	1.0
	중대형	20m ≤ B < 30m 또는 15m ≤ H < 20m	0.8
	중형	10m ≤ B < 20m 또는 10m ≤ H < 15m	0.5
	소형	폭(B) 10m 미만이고 높이(H) 10m 미만	0.2

주 1) 대상구조물의 최대 단면폭(B)과 높이(H)로 산정

9) [eqn: Hist``]는 터널 시공당시의 재난 이력(History)의 유무를 나타내는 지수이다.

구분	내용	점수
재난이력 (변형, 붕괴 등) ([eqn: Hist``])	있음	0.5
	없음	0.2

10) [eqn: Defor``]는 터널의 지속적인 변형(Deformation) 여부를 나타내는 지수이다.

구분	내용	점수
지속적인 변형 ([eqn: Defor``])	있음	0.5
	없음	0.2

11) [eqn: Deter``]는 터널 구조물의 노후화(Deterioration)를 나타내는 지수이다.

구분	공용년수(t)	점수
구조물 노후화 ([eqn: Deter``])	50년 이상	1.0
	30년 ≤ t < 50년	0.8
	10년 ≤ t < 30년	0.5
	10년 미만	0.2

12) [eqn: Damage ``]는 터널 구조물의 손상(Damage) 상태를 나타내는 지수이다.

구분	상태등급	점수
구조물 손상1) ([eqn: Damage ``])	D, E등급	1.0
	C등급	0.8
	B등급	0.5
	A등급	0.2

주 1) 대상터널의 최근 상태평가등급으로 분류

KDS 17 10 00 내진설계 일반과 부합되도록 지반종류 관련내용 수정

3.4.3 영향도

터널 구조물의 영향도는 교통량 및 탑승인원, 주요 라이프라인, 시설물의 중요도 등을 고려하여 영향도 지수로 나타낸다.

[해설] 터널 구조물의 영향도는 지진으로 인해 피해가 발생할 경우에 이로 인한 사회 및 경제적인 영향을 고려하여 교통량 또는 탑승인원, 인접 주요시설물, 주요 라이프라인 등의 다양한 인자를 고려하여 터널 구조물의 취약도 지수 산정과 유사한 방법으로 다음과 같이 영향도 지수(Impact Index)로 나타낸다.

[eqn: II````=`20` TIMES ` LEFT ( Traffic``+`Facilities``+`Lifeline``+`Importance``+`Recovery`` RIGHT ) ``] 해설식(3.2)

여기서, [eqn: Traffic ``] : 터널을 이용하는 일평균 교통량(Traffic) 또는 일일 평균탑승인원

[eqn: Facilities ``] : 인접 주요 시설물(Facilities)의 존재여부

[eqn: Lifeline ``]  : 터널 내·외부 주요 라이프라인(Lifeline)의 존재여부

[eqn: Importance ``]: 사회·경제적으로 영향을 주는 터널의 중요도(Importance)

[eqn: Recovery ``]  : 터널 구조물의 성능회복(Recovery)을 위한 비용지수

1) [eqn: Traffic``]은 터널을 이용하는 일평균 교통량(Traffic density) 또는 탑승인원(Boarding persons)을 나타내는 지수이다.

구분	일평균 교통량(T)	일일 평균탑승인원(P)	점수
일평균 교통량 및 탑승인원1) ([eqn: Traffic])	50,000대 ≤ T	10만명 ≤ P	1.0
	5,000대 ≤ T < 50,000대	1만명 ≤ T < 10만명	0.8
	2,500대 ≤ T < 5,000대	5천명 ≤ T < 1만명	0.6
	500대 ≤ T < 2,500대	1천명 ≤ T < 5천명	0.4
	T < 500대	P < 1천명	0.2

주 1) 시설물의 특성을 고려하여 일평균 교통량 또는 탑승인원으로 점수 산정

2) [eqn: Facilities``]는 터널 인접의 주요시설물(Facilities) 존재유무를 나타내는 지수이다.

구분	내용	점수
인접 주요시설물1) ([eqn: Facilities])	존재	1.0
	없음	0.2

주 1) 군사시설, 관공서, 병원, 학교 등 지진시 터널 피해로 인하여 사회·경제적인 파급효과가 클 것으로 예상되는 시설물

3) [eqn: Lifeline``]은 터널 내·외부에 가스나 상수도 등 주요 라이프라인 시설물의 존재유무를 나타내는 지수이다.

구분	주요 라이프라인 시설물	점수
터널 내·외부 주요 라이프라인 ([eqn: Lifeline])	가스 및 송유관	1.0
	상수도관 및 광통신케이블	0.8
	기타시설물	0.5
	시설물 없는 경우	0.2

4) [eqn: Importance``]는 사회·경제적으로 터널의 중요도(Importance)를 나타내는 지수이다.

구분	주요기능	내진등급	점수
터널 중요도1) ([eqn: Importance])	인원수송	1등급	1.0
		2등급	0.8
	화물수송	1등급	0.5
		2등급	0.2

주 1) ⦁ 구조물 내진등급이 특등급에 준하는 경우는 해당점수의 1.5배 적용

⦁ 폐쇄 또는 폐선 등 관리주체의 향후 유지관리계획에 따르는 경우는 점수 조정가능

5) [eqn: Recovery``]는 구조물의 성능 회복(Recovery)을 위한 비용지수를 나타낸다.

구분	터널 길이(L)	점수
구조물 성능회복1) ([eqn: Recovery])	3,000m 이상	1.0
	2,000m 이상 ∼ 3,000m 미만	0.8
	1,000m 이상 ∼ 2,000m 미만	0.6
	500m 이상 ∼ 1,000m 미만	0.4
	500m 미만	0.2

주 1) ⦁ 대상터널의 위치가 도심지역 이외의 경우는 한 단계 하향평가 가능

⦁ 도시철도는 본선 길이를 터널 길이로 하며, 정거장 등의 중요구조물은 1.0 적용

3.4.3 영향도

터널 구조물의 영향도는 교통량 및 탑승인원, 주요 라이프라인, 시설물의 중요도 등을 고려하여 영향도 지수로 나타낸다.

[해설] 터널 구조물의 영향도는 지진으로 인해 피해가 발생할 경우에 이로 인한 사회 및 경제적인 영향을 고려하여 교통량 또는 탑승인원, 인접 주요시설물, 주요 라이프라인 등의 다양한 인자를 고려하여 터널 구조물의 취약도 지수 산정과 유사한 방법으로 다음과 같이 영향도 지수(Impact Index, [eqn: I``I] )로 나타낸다.

[eqn: I``I````=`20` TIMES ` LEFT ( Traffic``+`Facilities``+`Lifeline``+`Importance``+`Recovery`` RIGHT ) ``] 해설식(3.2)

여기서, [eqn: Traffic ``] : 터널을 이용하는 일평균 교통량(Traffic) 또는 일일 평균탑승인원

[eqn: Facilities ``] : 인접 주요 시설물(Facilities)의 존재여부

[eqn: Lifeline ``]  : 터널 내·외부 주요 라이프라인(Lifeline)의 존재여부

[eqn: Importance ``]: 사회·경제적으로 영향을 주는 터널의 중요도(Importance)

[eqn: Recovery ``]  : 터널 구조물의 성능회복(Recovery)을 위한 비용지수

1) [eqn: Traffic``]은 터널을 이용하는 일평균 교통량(Traffic density) 또는 탑승인원(Boarding persons)을 나타내는 지수이다.

구분	일평균 교통량(T)	일일 평균탑승인원(P)	점수
일평균 교통량 및 탑승인원1) ([eqn: Traffic])	50,000대 ≤ T	10만명 ≤ P	1.0
	5,000대 ≤ T < 50,000대	1만명 ≤ T < 10만명	0.8
	2,500대 ≤ T < 5,000대	5천명 ≤ T < 1만명	0.6
	500대 ≤ T < 2,500대	1천명 ≤ T < 5천명	0.4
	T < 500대	P < 1천명	0.2

주 1) 시설물의 특성을 고려하여 일평균 교통량 또는 탑승인원으로 점수 산정

2) [eqn: Facilities``]는 터널 인접의 주요시설물(Facilities) 존재유무를 나타내는 지수이다.

구분	내용	점수
인접 주요시설물1) ([eqn: Facilities])	존재	1.0
	없음	0.2

주 1) 군사시설, 관공서, 병원, 학교 등 지진시 터널 피해로 인하여 사회·경제적인 파급효과가 클 것으로 예상되는 시설물

3) [eqn: Lifeline``]은 터널 내·외부에 가스나 상수도 등 주요 라이프라인 시설물의 존재유무를 나타내는 지수이다.

구분	주요 라이프라인 시설물	점수
터널 내·외부 주요 라이프라인 ([eqn: Lifeline])	가스 및 송유관	1.0
	상수도관 및 광통신케이블	0.8
	기타시설물	0.5
	시설물 없는 경우	0.2

4) [eqn: Importance``]는 사회·경제적으로 터널의 중요도(Importance)를 나타내는 지수이다.

구분	주요기능	내진등급	점수
터널 중요도1) ([eqn: Importance])	인원수송	1등급	1.0
		2등급	0.8
	화물수송	1등급	0.5
		2등급	0.2

주 1) ⦁ 구조물 내진등급이 특등급에 준하는 경우는 해당점수의 1.5배 적용

⦁ 폐쇄 또는 폐선 등 관리주체의 향후 유지관리계획에 따르는 경우는 점수 조정가능

5) [eqn: Recovery``]는 구조물의 성능 회복(Recovery)을 위한 비용지수를 나타낸다.

구분	터널 길이(L)	점수
구조물 성능회복1) ([eqn: Recovery])	3,000m 이상	1.0
	2,000m 이상 ∼ 3,000m 미만	0.8
	1,000m 이상 ∼ 2,000m 미만	0.6
	500m 이상 ∼ 1,000m 미만	0.4
	500m 미만	0.2

주 1) ⦁ 대상터널의 위치가 도심지역 이외의 경우는 한 단계 하향평가 가능

⦁ 도시철도는 본선 길이를 터널 길이로 하며, 정거장 등의 중요구조물은 1.0 적용

3.4.4 내진그룹화

터널 구조물의 내진그룹은 지진도, 취약도, 영향도를 종합적으로 고려하여 내진성능 핵심구조, 중요구조, 관찰구조, 유보구조의 4개 등급으로 분류한다.

[해설] 터널 구조물의 내진그룹은 해설그림 3.4.1과 같이 취약도 지수와 영향도 지수를 고려하여 터널의 내진성능을 4개의 등급 즉, 내진보강 핵심구조, 중요구조, 관찰구조, 유보구조로 구분한다. 지진도 등급은 터널 내진성능에 미치는 취약도와 영향도 지수 산정시 적용한 세부지수에 일부 고려되어 있으므로 내진성능 예비평가에서는 지진도 등급을 직접 고려하고 있지 않지만, 이후 상세평가 실시판단에 대해서 지진도 등급을 고려할 수 있다.

내진보강

유보구조

내진보강

관찰구조

내진보강

중요구조

내진보강

핵심구조

취약도지수

VI>40

취약도지수

VI>50

취약도지수

VI>60

YES

영향도지수

II>50

영향도지수

II>60

영향도지수

II>70

YES

NO

YES

YES

NO

YES

YES

NO

NO

NO

NO

해설그림 3.4.1 내진그룹화 방법

3.4.4 내진그룹화

터널 구조물의 내진그룹은 지진도, 취약도, 영향도를 종합적으로 고려하여 내진성능 핵심터널, 중요터널, 관찰터널, 유보터널의 4개 등급으로 분류한다.

[해설] 터널 구조물의 내진그룹은 해설그림 3.4.1과 같이 취약도 지수와 영향도 지수를 고려하여 터널의 내진성능을 4개의 등급 즉, 내진보강 핵심터널, 중요터널, 관찰터널, 유보터널로 구분한다. 지진도 등급은 터널 내진성능에 미치는 취약도지수 산정시 적용한 세부지수에 일부 고려되어 있으므로 내진성능 예비평가에서는 지진도 등급을 직접 고려하고 있지 않지만, 이후 상세평가 우선순위판단에 대해서 지진도 등급을 고려할 수 있다. 우선순위 1등급(핵심터널, 중요터널)의 경우 내진성능 상세평가를 우선적으로 수행한다.

내진보강

유보터널

내진보강

관찰터널

내진보강

중요터널

내진보강

핵심터널

취약도지수

VI>40

취약도지수

VI>50

취약도지수

VI>60

YES

영향도지수

II>50

영향도지수

II>60

영향도지수

II>70

YES

NO

YES

YES

NO

YES

YES

NO

NO

NO

NO

해설그림 3.4.1 내진그룹화 방법

해설표 3.4.2 내진그룹화 예

터널명	내진그룹화	상세평가 우선순위
AA터널	핵심터널	우선순위 1등급
BB터널	중요터널	우선순위 1등급
CC터널	중요터널	우선순위 1등급
DD터널	관찰터널	우선순위 2등급
EE터널	유보터널	우선순위 3등급

용어 수정

내진그룹화 예시를 위한 표 추가

제 4 장 내진성능 상세평가

4.1 일반사항

내진성능 상세평가는 예비평가 결과를 고려하여 필요한 터널 구조물에 대해서 수행한다. 내진성능 평가는 붕괴방지수준에 대하여 수행하며 성능평가를 위한 기본방향은 다음과 같다.

1. 평가대상은 부재의 안전성으로 한다.

[해설] 개착식 구조물은 대부분 콘크리트 박스로 구성되며 이들 박스의 기둥부와 측벽 및 상·하부 슬래브에 대한 내진성능을 검토하고 비개착식 구조물은 대부분 콘크리트 라이닝으로 구성되며 이에 대한 내진성능을 검토한다.

2. 평가는 부재가 보유하고 있는 설계내하력(Capacity)과 설계지진에 대해 각 구성부재에 요구되는 설계부재력(Demand)을 비교하여 평가한다.

3. 붕괴방지수준의 내진성능 평가시 구조물의 비탄성 거동을 고려하기 위해 응답수정계수를 사용한다.

[해설] 붕괴방지수준의 내진성능 평가를 위해서는 필요에 따라 비탄성 소성해석이 요구되는데 이는 지진하중을 고려한 엄밀한 동적 비선형해석이 필요하게 된다. 따라서 평가의 실용성과 효율성을 위해 각 구성부재의 종류에 따라 안정해석에서 얻은 결과로부터 도출된 응답수정계수를 사용한다. 한편, 보다 정밀한 평가를 위해서 비선형 동적해석을 수행할 수 있다.

4. 응답수정계수

구조물이 비탄성 거동을 하게 되면 탄성거동을 하는 경우보다 부재력이 작아지므로 일반 구조물의 경우 이를 고려하기 위하여 부재의 성능평가시 탄성해석으로 구한 탄성부재력을 응답수정계수(R)를 사용하여 수정한다.

[해설] 지진에 의한 탄성부재력을 응답수정계수로 나눈 값이 지진에 대한 설계부재력이 되며, 이를 다른 하중에 의한 부재력과 조합하여 부재의 안정성을 검토하면 된다. 연성도는 두 가지 측면에서 고려할 수 있는데 하나는 구조물 부재의 최대 곡률과 항복 응력 상태의 곡률의 비이고, 또 다른 하나는 구조물 부재의 최대 변위와 항복 응력 상태의 변위의 비이다. 이를 각각 곡률연성도와 변위연성도로 정의할 수 있으며 다음과 같은 식으로 나타낸다.

• 곡률연성도

[eqn: mu _ psi ~=~ psi_max over psi_y]	해설식(4.1)

여기서, [eqn: psi _{max}] : 최대소성변형에 대한 곡률

[eqn: psi _{y}]   : 항복상태의 곡률

• 변위연성도

[eqn: mu _ DELTA ~=~ DELTA_max over DELTA_y]	해설식(4.2)

여기서, [eqn: DELTA _{max}] : 소성변형과 탄성변형의 합

[eqn: DELTA _{y}]   : 탄성변형

해석적인 방법으로 변위연성도를 구할 때 [eqn: DELTA _{y}]는 콘크리트 부재의 경우 철근이 최초로 항복하는 시점에서의 변위이고, 강부재의 경우는 부재가 최초로 항복을 하는 시점에서의 변위이다. 곡률연성도와 변위연성도 중에는 후자가 구조적인 측면에서 접근이 용이하기 때문에 연성도로서는 변위연성도를 사용하는 것이 일반적이다.

이 방법으로 각 구조물에 적합한 응답수정계수를 결정할 수 있으나 복잡한 절차를 필요로 하므로 다음의 해설표 4.1.1에서 제시한 응답수정계수를 사용하여 성능평가에 적용할 수 있다.

해설표 4.1.1 붕괴방지수준에서의 응답수정계수(R)

구 분	기둥	보	비 고
철근콘크리트 부재	3	3
강 부재 또는 합성부재	5	5

붕괴방지수준의 내진성능평가를 수행하는 경우 탄성해석과 탄소성해석을 필요에 따라 선택할 수 있다.

① 탄성해석을 수행하는 경우에는 계산 결과를 응답수정계수로 나눠줌으로써 탄성해석만으로 소성변형까지도 고려할 수 있다.

② 탄소성해석을 수행하는 경우에는 계산 결과를 그대로 사용하고 응답수정계수는 고려하지 않아야 한다

제 4 장 내진성능 상세평가

4.1 일반사항

내진성능 상세평가는 예비평가 결과를 고려하여 필요한 터널 구조물에 대해서 수행한다. 내진성능 평가는 시설물의 특성에 따라 기능수행, 즉시복구, 장기복구/인명보호, 붕괴방지 수준 중에서 두 개 이상의 내진성능수준을 선택할 수 있으며, 일정 등급에서 기능수행을 포함하고, 즉시복구, 장기복구/인명보호, 붕괴방지 수준에서 하나 이상의 내진성능수준을 선택할 수 있다. 기존 시설물(터널) 내진성능 평가시에는 기능수행수준과 붕괴방지수준에 대해서 평가를 수행할 수 있다.

1. 평가대상은 부재의 안전성으로 한다.

[해설] 개착식 구조물은 대부분 콘크리트 박스로 구성되며 이들 박스의 기둥부와 측벽 및 상·하부 슬래브에 대한 내진성능을 검토하고 비개착식 구조물은 대부분 콘크리트 라이닝으로 구성되며 이에 대한 내진성능을 검토한다.

2. 평가는 부재가 보유하고 있는 내하력(Capacity)과 지진에 대해 각 구성부재에 요구되는 부재력(Demand)을 비교하여 평가한다.

3. 내진성능 평가시 구조물의 비탄성 거동을 고려하기 위해 응답수정계수를 사용한다.

[해설] 내진성능 평가를 위해서는 필요에 따라 비탄성 소성해석이 요구되는데 이는 지진하중을 고려한 엄밀한 동적 비선형해석이 필요하게 된다. 따라서 평가의 실용성과 효율성을 위해 각 구성부재의 종류에 따라 안정해석에서 얻은 결과로부터 도출된 응답수정계수를 사용한다. 한편, 보다 정밀한 평가를 위해서 비선형 응답이력해석을 수행할 수 있다.

단, 응답수정계수를 적용하기 위해서는 내진설계 구조상세(KDS 14 20 80)를 만족하도록 배근되어야 한다.

4. 응답수정계수

구조물이 비탄성 소성거동시 탄성거동 대비 부재력의 상한치 이내 결정됨에 따라  이를 고려하기 위하여 부재의 탄성해석으로 구한 부재력(소요강도)을 응답(반응)수정계수(R)를 사용하여 소성상태 부재력을 추정한다.

[해설] 내진성능 평가를 위해서는 필요에 따라 소성해석이 요구되는데 이를 위해서 엄밀한 동적 비선형해석이 필요하다. 반면, 평가의 실용성과 효율성을 위해 응답수정계수를 사용하여 지진시 소성상태 부재력을 추정할 수 있다.

본 방법을 적용시, 지진에 의한 탄성부재력을 응답수정계수로 나눈 값이 지진에 대한 성능평가를 위한 부재력이 되며, 이를 다른 하중에 의한 부재력과 조합하여 부재의 안정성을 검토하여야 한다.

본 방법의 엄밀한 적용을 위해서 연성도는 두 가지 측면에서 고려할 수 있는데 하나는 구조물 부재의 최대 곡률과 항복 응력 상태의 곡률의 비이고, 또 다른 하나는 구조물 부재의 최대 변위와 항복 응력 상태의 변위의 비이다. 이를 각각 곡률연성도와 변위연성도로 정의할 수 있으며 다음과 같은 식으로 나타낸다.

• 곡률연성도

[eqn: mu _ psi ~=~ psi_max over psi_y]	해설식(4.1.1)

여기서, [eqn: psi _{max}] : 최대소성변형에 대한 곡률

[eqn: psi _{y}]   : 항복상태의 곡률

• 변위연성도

[eqn: mu _ DELTA ~=~ DELTA_max over DELTA_y]	해설식(4.1.2)

여기서, [eqn: DELTA _{max}] : 소성변형과 탄성변형의 합

[eqn: DELTA _{y}]   : 탄성변형

해석적인 방법으로 변위연성도를 구할 때 [eqn: DELTA _{y}]는 콘크리트 부재의 경우 철근이 최초로 항복하는 시점에서의 변위이고, 강부재의 경우는 부재가 최초로 항복을 하는 시점에서의 변위이다. 곡률연성도와 변위연성도 중에는 후자가 구조적인 측면에서 접근이 용이하기 때문에 연성도로서는 변위연성도를 사용하는 것이 일반적이다.

상기 방법으로 각 구조물에 적합한 응답수정계수를 결정할 수 있으나 복잡한 절차를 필요로 하므로 다음의 해설표 4.1.1에서 제시한 응답수정계수를 사용하여 성능평가에 적용할 수 있다.

해설표 4.1.1 붕괴방지수준에서의 응답수정계수(R)

구 분	기둥	보	비 고
철근콘크리트 부재	3	3
강 부재 또는 합성부재	5	5

기능수행수준의 내진 성능을 갖도록 하는 경우에는 탄성해석을 수행하게 되며, 응답수정계수(R)는 적용하지 않아야 한다. 붕괴방지수준의 내진성능평가를 수행하는 경우 탄성해석과 탄소성해석을 필요에 따라 선택할 수 있다.

① 탄성해석을 수행하는 경우에는 계산 결과를 응답수정계수로 나눠줌으로써 탄성해석만으로 소성변형까지도 고려할 수 있다.

② 탄소성해석을 수행하는 경우에는 계산 결과를 그대로 사용하고 응답수정계수는 고려하지 않아야 한다.

KDS 17 10 00 내진설계 일반과 부합되도록 내진성능수준 관련내용 수정

소성거동 고려에 대한 부연설명 추가

KDS 17 10 00 내진설계 일반과 부합되도록 기능수행수준 관련내용 추가

5. 지진하중을 고려한 터널 구조물의 응답산정시 지반변위를 고려한 응답변위법을 사용하는 것을 기본으로 하며 구조 또는 지반이 복잡한 경우 응답진도법 또는 지반-구조물의 동적 상호작용을 고려한 동적해석법을 사용할 수 있다.

[해설] 터널 구조물의 내진 해석은 지반, 구조 조건 등을 고려하여 “응답 변위법”, “응답진도법” 혹은 “동적해석법” 중 한 가지를 사용하여 수행할 수 있다. 일반적인 터널 구조물의 경우 “응답 변위법”을 기본으로 하며, 상세 검토가 필요한 경우나 구조 또는 지반조건이 복잡한 경우는 “응답진도법” 또는 지반과 구조물의 상호 작용 및 지반과 구조물의 비선형 거동을 고려할 수 있는 “동적해석법(선형 또는 비선형해석)”을 사용하는 것이 좋다. 즉, “응답변위법”을 터널 구조물의 내진해석을 위한 표준해석법으로, “응답진도법” 및 “동적해석법”은 부수적인 해석법으로 규정하였다.

5. 내진성능평가시 개착 터널인 경우 응답변위법, 굴착 터널인 경우는 지반-구조물의 동적 상호작용을 고려한 응답이력해석법을 사용할 수 있다.

[해설] 터널 구조물의 내진해석은 지반, 구조 조건 등을 고려하여 천층 개착식 터널인경우 “응답변위법”, 심층 굴착식 터널인 경우 “응답이력해석법”을 사용하여 수행할 수 있다. 일반적인 천층 터널 구조물의 경우 “응답변위법”을 기본으로 하며, 응답변위법으로 성능평가가 어려운 경우로써 지반조건이 복잡(단층대 통과)하거나 심층 터널로써 지반응답해석상 상대변위가 미미하게 발생된 경우 등은 지반과 구조물의 상호 작용 및 지반과 구조물의 비선형 거동을 고려할 수 있는 “응답이력해석법(선형 또는 비선형해석)”을 사용하는 것이 바람직하다.

6.  평가용 지진하중은 지진·화산재해대책법 제12조에 따라 개정되는 최신기준(KDS 17 10 00)에 근거하여 적용여야 한다. 반면, 지진하중에 저항하는 개착터널 구조물의 평가 내하력은 현 상태의 강도를 측정하여 사용하는 것이 원칙이다. 그러나 현상태 강도확인이 어려운 경우, 환경요인 및 노후도를 고려하여 내진성능이 보수적으로 평가될 수 있도록 조정하여 사용하는 것이 바람직하다. 따라서, 철근콘크리트 구조물의 평가내하력은 기존콘크리트구조물의 안전성평가기준(KDS 14 20 90 : 2016)에 따라 다음의 절차에 기반하여 평가하도록 한다.

가. 구조물의 안정성 평가

기존 구조물의 안전성 평가를 위한 해석은 설계를 위한 해석방법과 동일하게 수행하여야 한다. 다음 해설식 (4.1.3)과 같이 구조해석에 의하여 계산되는 구조물의 평가내하력 [eqn: R _{A}]가 평가소요강도 [eqn: U _{A}] 이상이면 안전한 것으로 평가할 수 있다.

[eqn: R _{A} GEQU _{A}]	해설식(4.1.3)

나. 평가소요강도([eqn: U _{A}]) 계산

평가소요강도 [eqn: U _{A}]는 다음 해설식 (4.1.4)에 따라 계산하여야 한다.

[eqn: U _{A} = SIGMA gamma _{A} `( gamma _{i} Q _{i} )]	해설식(4.1.4)

여기서, [eqn: gamma _{A}]는 구조물 평가에서 사용되는 하중평가계수, [eqn: gamma _{i}]는 이 구조기준에 따른 하중계수, 그리고 [eqn: Q _{i}]는 사용하중에 의한 단면력이다.

소요강도([eqn: U _{A}])는 사용성에 예상을 초과한 하중 및 구조해석의 단순화로 인하여 발생되는 초과 요인을 고려한 하중계수를 곱하여 산정한다. 하중입력값은 정밀현장조사에 의하여, 설계에서와 동일한 수준의 안전율을 확보할 수 있도록 적절한 확률⋅통계적인 방법으로 평가하는 경우, 고정하중과 활하중의 크기는 구조 도서에서 명기된 것과 다른 하중의 크기를 사용할 수 있다. 다만, 활하중의 감소는 입력값의 20% 내에서 허용되며, 고정하중과 활하중 이외의 하중에 대해서는 현 구조기준 값을 적용하여야 한다. 이렇게 평가된 하중크기에 대한 조정은 하중평가계수([eqn: gamma _{A}])로 반영하여 적용토록 한다. (KDS 14 20 90)

다. 평가내하력([eqn: R _{A}]) 계산

평가내하력 [eqn: R _{A}]은 다음 해설식 (4.1.5)에 따라 계산하여야 한다.

[eqn: R _{A} = phi _{A} ( phiR _{n} )]	해설식(4.1.5)

여기서, [eqn: phi]와 [eqn: R _{n}]은 각각 이 구조기준에 따른 강도감소계수와 공칭강도이며, [eqn: phi _{A}]는 구조상태계수이다.

(1) 개착터널의 평가내하력([eqn: R _{A}])은 기존 콘크리트구조물의 안전성 평가기준(KDS 14 20 90 : 2016)의 조사 및 시험 방법을 적용하여 재료 및 구조특성의 평가입력값을 산정하여 직접 결정할 수 있다.

(2) 개착터널의 평가내하력([eqn: R _{A}])을 추정하여야 하는 경우, 해설식 (4.1.5)에 따라 계산하여야 한다. 이때, 강도감소 계수는 시공당시 상황을 반영하여 결정된 계수로 다음의 영향을 고려된 값이다.

(i) 재료의 기준강도와 실제강도와의 차이

(ii) 부재의 제작 또는 시공시 강도와의 차이

(iii) 부재강도의 추정과 해석에 관련된 불확실성을 고려한 안전계수

(3) 내진성능평가에 사용되는 강도감소 계수는 개착터널의 시공당시 적용된 기준상의 강도감소계수를 기반으로 구조물의 노후도를 반영(구조상태계수, [eqn: phi _{A}])하여 적용되어야 한다. 그러나, 극한하중인 지진하중의 특성을 고려시, 발주처와 협의 하에 최대 공칭강도가 발현된다고 가정하여 구조요소의 평가내하력을 정의할 수도 있다. 성능평가를 위하여 결정된 강도감소 계수는 다음을 초과할 수 없다. [기존 콘크리트구조물의 안정성 평가기준, KDS 14 20 90: 2016]

① KDS 14 20 20 (4.1.2(4))에서 정의된 인장지배단면 : 1.0

② KDS 14 20 20 (4.1.2(3))에서 정의된 압축지배단면

가. KDS 14 20 20 (4.3.2)에 따르는 나선철근으로 보강된 부재 : 0.85

나. 기타 부재 : 0.80

③ 전단력 및 비틀림모멘트 : 0.80

④ 콘크리트에 작용한 지압력 : 0.80

(4) 구조상태계수는 <해설표 4.1.2> 에서 제시된 경과년수에 따른 감소계수와 재료상태에 따른 감소계수를 곱하여 사용한다. 단, 도서에 명기된 기준강도에 경과년수에 따른 감소계수를 곱한 값이 해설표 4.1.3 에 제시된 연도별 기본재료강도의 공칭강도보다 낮을 경우 연도별 기본재료강도를 사용할 수 있다. 이때, 현장조사를 실시하지 않을 경우 재료상태는 불량으로 간주한다. 재료의 상태는 구조요소에 발생한 균열발생, 변형, 화재이력, 마무리정도에 따라 엔지니어의 판단에 의해 결정하며 재료상태를 보통 혹은 양호로 판정할 경우 그 판단근거를 제시하여야 한다.

예비평가시 현장시험을 실시하지 않는 경우 또는 상세평가시 도서가 없고 현장시험이 어려운 재료(철근 등)의 경우 재료강도는 표 4.1.3의 연도별 기본값을 사용할 수 있다. (5) 기본값에는 경과년수에 따른 재료강도의 감소가 이미 고려되어 있으므로 이에 대해 추가적으로 고려하지 않아도 되나, 재료상태에 따른 재료강도 감소계수는 현장조사에 근거하여 적용해야한다.

<해설표 4.1.2> 경과년수 및 재료상태에 따른 구조상태계수([eqn: phi _{A}])

구분		콘크리트 압축강도
경과 년수	30년 이상	0.8
	20년 이상	0.9
	20년 미만-10년 이상	1.0
	10년 미만	1.0
재료 상태	양호	1.0
	보통	0.9
	불량	0.8

<해설표 4.1.3> 건설연도별 재료의 기본값

구분	1970년 이전		1971-1987년		1988-2000년		2001년 이후
	공칭 강도	기대 강도	공칭 강도	기대 강도	공칭 강도	기대 강도	공칭 강도	기대 강도
콘크리트 강도 ([eqn: f _{ck}], MPa)	13	15	15	18	18	21	21	24
철근의 항복강도 ([eqn: f _{y}], MPa)	240	300	240	300	240	300	300	375
강재의 항복강도 ([eqn: F _{y}], MPa)	235	294	235	294	235	294	235	294

(6) 섬유복합체나 유기재료를 사용하는 보강공법을 적용할 경우, 환경노출 상태, 사용 재료 및 공법에 따라 보강한 부재의 신뢰성, 내구성, 강도 및 연성 능력의 저하가 예상되는 경우에는 해당 재료에 대하여 추가적으로 부분강도감소계수를 적용하여야 한다.

7. 비선형응답이력해석을 위한 입력지진기록은 내진설계일반(KDS 17 10 00)에 기반하여 선정한다. 응답변위법을 이용한 성능평가 시 기반면에서의 설계속도응답스펙트럼을 이용하여 깊이별 지반수평변위, 주면전단력, 가속도를 구하여 지진하중을 산정하는 것을 원칙으로 한다.

[해설] 비선형응답이력해석을 위한 입력지진기록은 3개의 실지진기록을 사용하여 내진성능을 평가한다. 사용되는 실지진 입력지진기록은 설계응답스펙트럼에 대해서 스펙트럼보정 후 사용되어야 한다.

개착 천층터널의 경우 주위 지반의 가속도 증폭이 크고 이에 따라 지진 시 변위의 영향을 많이 받으므로 응답변위법을 적용하는 것이 바람직하며, 굴착 심층터널의 경우 변위량이 크지 않아 정밀한 동적거동 및 지반-구조물 상호작용을 고려할 수 있는 응답이력해석법을 적용하는 것으로 적용하였음.

개착터널의 평가내하력은 기존시설물(공동구) 내진성능 평가요령 제정안을 준용함

개착터널의 평가내하력은 기존시설물(공동구) 내진성능 평가요령 제정안을 준용함

개착터널의 평가내하력은 기존시설물(공동구) 내진성능 평가요령 제정안을 준용함

6. 단면특성, 재료강도 등과 같이 내진성능에 관련하는 모든 특성값은 실제 특성값을 기준으로 한다.

[해설] 터널 구조물의 내진성능 평가에 필요한 단면특성, 재료강도 등과 같은 특성값은 현 상태의 특성값을 사용하는 것이 원칙이다. 그러나 이것이 없는 경우에는 설계값을 이용하여야 되지만 환경요인 및 기타요인 등을 고려하여 내진성능이 보수적으로 평가되도록 조정하여 사용하는 것이 좋다.

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4.2 평가기준 및 성능수준별 하중조합

1. 평가기준

내진성능 평가기준은 다음과 같은 식을 사용한다.

소요강도(U) ≤ 설계강도([eqn: phi `]× 공칭강도)	식(4.1)

[해설] 소요강도(U)는 사용성에 예상을 초과한 하중 및 구조해석의 단순화로 인하여 발생되는 초과 요인을 고려한 하중계수를 곱하여 산정하며 구조부재의 설계강도는 공칭강도에 1.0보다 작은 값인 강도감소계수[eqn: phi`]를 곱하여 산정한다.

2. 성능수준별 하중조합

내진성능 평가시 성능수준별 하중조합은 관련 규정에 준한다.

[해설] 대상시설물에 대한 내진성능 평가시 성능수준별 하중조합은 관련 규정에 준한다. 단, 관련 규정만을 적용하기 곤란한 경우에는 책임기술자의 판단에 따라 보다 향상된 규정을 적용할 수 있다.

4.2 평가기준 및 성능수준별 하중조합

1. 평가기준

내진성능 평가기준은 다음과 같은 식을 사용한다.

소요강도(U) ≤ 강도([eqn: phi `]× 공칭강도)	식(4.2.1)

[해설] 소요강도(U)는 사용성에 예상을 초과한 하중 및 구조해석의 단순화로 인하여 발생되는 초과 요인을 고려한 하중계수를 곱하여 산정하며 구조부재의 강도는 공칭강도에 1.0 보다 작은 값인 강도감소계수[eqn: phi`]를 곱하여 산정한다.

2. 성능수준별 하중조합

내진성능 평가시 성능수준별 하중조합은 관련 규정에 준한다.

[해설] 대상시설물에 대한 내진성능 평가시 성능수준별 하중조합은 [KDS 11 44 00 공동구 기준] 중 지진시 하중조합 만을 적용하며, 그 방법은 [기존 콘크리트구조물의 안정성 평가기준, KDS 14 20 90 : 2016]을 따른다. 단, 관련 규정만을 적용하기 곤란한 경우에는 책임기술자의 판단에 따라 보다 향상된 규정을 적용할 수 있다. 시간이력 비선형 해석을 통한 상세평가를 실시하는 경우 해석모델링 단계에서 하중계수를 고려하지 않는다. 하중 조합의 예는 다음과 같다.

가. [eqn: U``=``1.2``D``+``1.0``E``+``1.0``L``+``0.2``S]

나. [eqn: U=0.9``D``+``1.0``E``+``1.6``( alpha _{H} H _{v} ``+``H _{h} ``)]

다. [eqn: U``=``1.0``(D``+``L``+`H``+`E`)]

여기서, [eqn: D]  = 고정하중

[eqn: E]  = 지진하중

[eqn: alpha _{H}] = 매설깊이(h)에 따른 분산보정계수(h ≤ 2 m인 경우 1.0, 2 m < h ≤ 7 m인 경우 1.05∼0.025 h, h > 7 m인 경우 0.875)

[eqn: H _{h}] = 흙, 지하수 등에 의한 수평방향 하중

[eqn: H _{v}] = 흙, 지하수 등에 의한 연직방향 하중

[eqn: L] = 활하중

[eqn: H] = 토압 및 수압

[eqn: S] = 적설하중

개착터널의 평가내하력은 공동구 시설물의 내진평가요령을 준용함

KDS 17 10 00 내진설계 일반과 부합되도록 기능수행수준 및 붕괴방지수준에 대한 하중조합의 적용예를 추가

4.3 내진안정성 평가방법

4.3.1 응답변위법

지진발생 시에 발생하는 지반변위에 의한 지진 토압과 구조물과 주변지반 관계에서의 경계조건을 적절히 모델링하여 정적으로 계산하는 방법을 응답변위법이라 한다.

[해설] 일반적으로 터널 구조물을 포함한 지중구조물의 겉보기 중량은 주변의 지반과 비교하여 가볍거나 또는 같은 정도이다. 또한 주위가 지반으로 둘러싸여 있으므로 발산감쇠가 커서 자기 진동이 곧 진정되는 특성을 가지고 있다. 그러므로 관성력에 의해 지중구조물 자체가 지반 속에서 자유롭게 진동하는 일은 없고, 지반의 진동에 따라 지반에 구속되어 움직인다. 따라서 지중구조물에 생기는 응력은 관성력에 의한 영향보다도 주변 지반의 상대 변위에 의한 강제력으로 생겨나게 된다.

해설그림 4.3.1은 응답변위법의 개념을 설명하고 있다.

해설그림 4.3.1 응답변위법의 개념도

응답변위법을 적용하여 내진 해석을 수행하는 터널 구조물은 일반적으로 프레임(Frame) 요소로 모형화하고, 그 비선형성을 고려하는 것으로 한다. 횡방향의 단면 검토에 있어서는 구조물을 슬래브, 측벽 및 중간 기둥(벽)으로 구성되는 라멘 구조로 모형화하는 것으로 한다. 각 부재는 프레임(Frame) 요소로 모형화하고, 축선 위치는 각 부재의 도심 위치로 해도 좋다. 일반적으로 중간 기둥 구조의 경우 기둥 간격을 고려한 2차원 모형으로 검토해도 좋지만 형상이 복잡한 경우나 2차원으로 해석하는 것이 부적절하다고 생각되는 구조인 경우는 3차원 해석을 수행하는 것이 좋다. 또 횡방향으로 내진벽이 존재하는 경우는 역학적 특성을 적절히 고려하여 모형화하는 것이 좋다. 응답변위법을 사용하여 터널 구조물의 내진성능평가를 위한 해석절차는 해설그림 4.3.2와 같다. 먼저 단면이 설정된 후 지반조건에 따른 지진계수를 산정하고 이에 따라 지반의 최대 변위진폭을 결정한다.

해설그림 4.3.2 응답변위법의 해석절차

또한 지반조건에 따라 지반반력계수를 산정하고 설정된 단면의 상시하중과 지진하중에 의해 단면력을 계산한다. 계산된 단면력과 상시하중에 의한 설계 단면력을 비교함으로써 내진보강 여부를 결정한다. 지반의 변위진폭 산정시 이용되는 기반면에서의 설계응답속도는 기존의 가속도응답스펙트럼을 속도응답스펙트럼으로 변환시켜 사용하며, 이 때 속도응답스펙트럼은 [도시철도 내진설계기준]에 제시된 방법을 적용한다.

1. 지반의 지진응답변위 및 설계속도응답스펙트럼

가. 지진력에 의한 지반의 응답변위는 일반적으로 지진응답해석을 통해 기반면에서의 속도응답스펙트럼으로부터 산정한다.

[해설] 응답변위법에 사용되는 지반의 수평 변위량의 연직방향분포는 지진응답해석을 이용하여 구하는 것이 좋다. 그러나 지층구성이 복잡하고 지반의 증폭 특성이 복잡한 지반이나 지진시에 지반의 특성이 크게 변화하는 지반 등의 상세한 검토를 필요로 하는 지반 이외는 토층의 고유주기에서 지표면의 최대 변위를 구하고, 지반의 변형 모드를 가정하여 지반 변위의 연직방향분포를 구해도 된다.

해설그림 4.3.3과 같이 지반을 단일층으로 가정하여 지중변위를 산정하는 방법은 해설식(4.3)을 이용하고, 지반을 두 층으로 가정하여 지중변위를 산정하는 방법은 해설식(4.4a)～(4.4c)를 이용한다.

[eqn: U _{h} (x)= {2} over {pi ^{2}} CDOT S _{v} CDOT T _{S} CDOT cos LEFT ( {pi } over {2H _{s}} x RIGHT )]	해설식(4.3)

여기서, [eqn: S_v] : 표층지반의 고유주기에 해당되는 기반암 설계속도응답스펙트럼(m/s)

[eqn: T_S] : 표층지반의 고유주기(s)	[eqn: H_s] : 표층지반의 두께(m)

[eqn: U_h1 (x) = 2 over pi^2 cdot S_v cdot T_S cdot cos left( { { w_0 } over {V_{s0 d_1}} } x_1 right)]	해설식(4.4a)

[eqn: U_h2 (x) = 2 over pi^2 cdot``S_v`` cdot T_S`` cos left( { {omega_0 H_1 } over {V_s0d1} } right) cdot LEFT ( cos { omega_0 x_2} over {V_{s0 d_2} } ``-`` { sin{ omega_0 x_2} over {V_{s0d2} } } over { tan{ omega_0 H_2} over {V_s0d2 } } RIGHT )]    해설식(4.4b)

[eqn: LEFT ( 1`+` alpha RIGHT ) cos LEFT { omega_0 LEFT ( H_1 over V_s0d1 `+` H_2 over V_s0d2 RIGHT ) RIGHT } `+` LEFT ( 1 `-` alpha RIGHT ) cos LEFT { omega_0 LEFT ( H_1 over V_s0d1 `-` H_2 over V_s0d2 RIGHT ) RIGHT } ~=~ 0] 해설식(4.4c)

여기서,  Hs : 전체 토층 지반의 두께(m)

H1, H2 : 제 1층, 제 2층 지반의 두께(m)

[eqn: V_{s0 d_1}], [eqn: V_{s0 d_2}] : 제 1층, 제 2층의 평균 설계전단파속도(m/s)

[eqn: omega_0] : 지반의 설계 고유 진동수, 해설식(4.4c)에서 시행착오법으로 구함

[eqn: alpha] : 제1층과 제2층의 임피던스비, [eqn: alpha ~=~ { gamma_1 V_s0d1} over { gamma_2 V_s0d2}]

(a) 전단파속도에 따른 지층 분할 및 평균 전단파속도 산정

(b) 변형형상(모드)

해설그림 4.3.3 단일코사인, 이중코사인 이론을 이용한 지중변위 산정법

기반면의 속도응답스펙트럼을 산정할 경우, 해석대상 지반의 공진주기가 0.4초 보다 작은 대부분의 국내지반에서는 [eqn: S_A]지반의 지표면 가속도응답스펙트럼을 적분하여 기반면 속도응답스펙트럼으로 사용하는 방법이 적절하다. 그러나, 공진주기가 0.4초 이상인 장주기 지반에서는 지진응답해석을 수행하여 결정하는 것이 바람직하다.

나. 기반면에서 속도 응답스펙트럼은 SA 지반의 지표면 가속도 응답스펙트럼을 직접 적분하여 구할 수 있다. 그러나 해석부지가 연약층이 깊게 발달되어 공진주기가 0.4초 이상일 경우는 지진응답해석을 수행하여 기반면의 속도응답스펙트럼을 구하는 방법을 추천한다.

[해설] 기반면에서의 설계속도응답스펙트럼은 다음 값에 감쇠율에 대한 보정계수를 곱하여 적용한다.

(a) 지진구역 Ⅰ

(b) 지진구역 Ⅱ

해설그림 4.3.4 기반암 설계속도응답스펙트럼

4.3 내진안정성 평가방법

4.3.1 응답변위법

지진발생 시에 발생하는 최대 지반변위를 등가의 지진하중으로 지중구조물에 작용하여 극한하중법을 따르는 방법을 응답변위법이라 한다.「기존 시설물(공동구) 내진성능 평가요령」을 준용한다.

[해설] 일반적으로 터널 구조물을 포함한 지중구조물의 겉보기 중량은 주변의 지반과 비교하여 가볍거나 또는 같은 정도이다. 또한 주위가 지반으로 둘러싸여 있으므로 발산감쇠가 커서 자기 진동이 곧 진정되는 특성을 가지고 있다. 그러므로 관성력에 의해 지중구조물 자체가 지반 속에서 자유롭게 진동하는 일은 없고, 지반의 진동에 따라 지반에 구속되어 움직인다. 따라서 지중구조물에 생기는 응력은 관성력에 의한 영향보다도 주변 지반의 상대 변위에 의한 강제력으로 생겨나게 된다.

해설그림 4.3.1은 응답변위법의 개념을 설명하고 있다.

해설그림 4.3.1 응답변위법의 개념도

응답변위법을 적용하여 내진 해석을 수행하는 터널 구조물은 일반적으로 프레임(Frame) 요소로 모형화하고, 선형 또는 비선형성 구조요소로 모델링한다. 횡방향의 단면 검토에 있어서는 구조물을 슬래브, 측벽 및 중간 기둥(벽)으로 구성되는 라멘 구조로 모형화하는 것으로 한다. 각 부재는 프레임(Frame) 요소로 모형화하고, 축선 위치는 각 부재의 도심 위치로 해도 좋다. 일반적으로 중간 기둥 구조의 경우 기둥 간격을 고려한 2차원 모형으로 검토해도 좋지만 형상이 복잡한 경우나 2차원으로 해석하는 것이 부적절하다고 생각되는 구조인 경우는 3차원 해석을 수행하는 것이 좋다. 또 횡방향으로 내진벽이 존재하는 경우는 역학적 특성을 적절히 고려하여 모형화하는 것이 좋다. 응답변위법을 사용하여 터널 구조물의 내진성능평가를 위한 해석절차는 해설그림 4.3.2와 같다. 먼저 단면이 설정된 후 기반면에서의 속도응답스펙트럼 이용하여 깊이별 지반수평변위, 주면전단력, 가속도를 구하여 지진하중을 산정는 것을 원칙으로 한다.

해설그림 4.3.2 응답변위법의 해석절차

또한 지반조건에 따라 지반반력계수를 산정하고 설정된 단면의 상시하중과 지진하중에 의해 단면력을 계산한다. 기능수행 수준의 지진에 대해서는 응답변위법으로 예상되는 구조물의 최대변위가 구조 및 비구조요소의 정상적인 기능수행에 문제되지 않는 수준임을 확인하여야 한다. 붕괴방지 수준에 대해서는 계산된 단면력과 상시하중에 의한  단면력을 비교함으로써 내진보강 여부를 결정한다. 지반의 변위진폭 산정시 이용되는 기반면에서의 스펙트럼속도는 기반면에서의 속도응답스펙트럼에서 주기 Ts에 해당하는 값으로, 이 때 속도응답스펙트럼은 [KDS 11 44 00 공동구 기준]에 제시된 응답스펙트럼을 적용한다.

1. 지반의 지반응답변위 및 속도응답스펙트럼

가. 지진력에 의한 지반의 수평변위는 기반면에서의　속도응답스펙트럼을　이용하는　방법과　지반응답해석을 적용하여 산정한다.

[해설] 응답변위법에 사용되는 지반의 깊이별　수평변위는 지반응답해석을 이용하여 구하는 것이 좋다. 그러나 지층구성이 복잡하고 지반의 증폭 특성이 복잡한 지반이나 지진시에 지반의 특성이 크게 변화하는 지반 등의 상세한 검토를 필요로 하는 지반 이외는 기반면에서의 속도응답스펙트럼을 이용하여 토층의 고유주기에서 지표면의 최대 변위를 구하고, 지반의 변형 모드를 가정하여 깊이별 지반 수평변위를 구할 수 있다.

지반응답해석을 수행하는 경우, [기존 시설물(기초및지반) 내진성능 평가요령]의 지반응답해석절차를 준용한다. 1차원　지반응답해석결과는　일반적으로　깊이별로　최대변형률과　최대응력이　계산되며　이를　이용하여　기반암부터　변위를　누적하여　토사층의　깊이별　변위를　계산할　수　있다. 기반암의 변위를 0으로 설정한 후, 밑의 층부터 각 지층의 두께와 해당 지충의 최대(전단)변형률을 곱한 후 지층별로 누적하여 합산하여 토사층의 깊이별 변위를 계산할 수 있다. 최대(전단)변형률이 발생되는 시간이 각 지층 별로 다를 수 있으므로, 계산된 지반의 수평변위는 다소 보수적일 수 있다.

기반면에서의 속도응답스펙트럼을 이용하는 경우, 해설그림 4.3.3과 같이 지반을 단일층으로 가정하여 지중변위를 산정하는 방법은 해설식(4.3)을 이용하고, 지반을 두 층으로 가정하여 지중변위를 산정하는 방법은 해설식(4.4a)～(4.4c)를 이용한다.

[eqn: U _{h} (x)= {2} over {pi ^{2}} CDOT S _{v} CDOT T _{S} CDOT cos LEFT ( {pi } over {2H _{s}} x RIGHT )]	해설식(4.3)

여기서, [eqn: S_v] : 표층지반의 고유주기에 해당되는 기반암 속도응답스펙트럼(m/s)

[eqn: T _{G} `] : 표층지반의 특성값[eqn: (`s`)`=` sum _{} ^{} `(4`H _{i} `/`V _{S`i} `)]

[eqn: T_s`] : 표층지반의 고유주기[eqn: (`s`)`=1.25T_G]

[eqn: V_si`] : i층 지반의 평균전단파속도(m/s)

[eqn: H_i] : i층지반의 두께(m)

[eqn: H_s] : 표층지반의 두께(m)

[eqn: U_h1 (x) = 2 over pi^2 cdot S_v cdot T_s cdot cos left( { { w_0 x_1} over {V_{s_1}} } right)]	해설식(4.4a)

[eqn: U _{h2} (x)= {2} over {pi ^{2}} CDOT S _{v} CDOT T _{s} CDOT cos LEFT ( {omega _{0} H _{1}} over {V _{s1}} RIGHT ) CDOT LEFT ( cos {omega _{0} x _{2}} over {V _{s2}} ``-`` {sin {omega _{0} x _{2}} over {V _{s2}}} over {tan {omega _{0} H _{2}} over {V _{s2}}} RIGHT )]    해설식(4.4b)

[eqn: LEFT ( 1`+` alpha RIGHT ) cos LEFT { omega_0 LEFT ( H_1 over V_s1 `+` H_2 over V_s2 RIGHT ) RIGHT } `+` LEFT ( 1 `-` alpha RIGHT ) cos LEFT { omega_0 LEFT ( H_1 over V_s1 `-` H_2 over V_s2 RIGHT ) RIGHT } ~=~ 0] 해설식(4.4c)

여기서,  Hs : 전체 토층 지반의 두께(m)

H1, H2 : 제 1층, 제 2층 지반의 두께(m)

[eqn: V_{s1}], [eqn: V_{s2}] : 제 1층, 제 2층의 평균 전단파속도(m/s)

[eqn: omega_0] : 지반의  고유 진동수, 해설식(4.4c)에서 시행착오법으로 구함

[eqn: alpha] : 제1층과 제2층의 임피던스비, [eqn: alpha ~=~ { gamma_1 V_s1} over { gamma_2 V_s2}]

(a) 전단파속도에 따른 지층 분할 및 평균 전단파속도 산정

(b) 변형형상(모드)

해설그림 4.3.3 단일코사인, 이중코사인 이론을 이용한 지중변위 산정법

나. [KDS 11 44 00 공동구 기준]의 기반암의 정의에 따라 전단파속도 760 m/s 이상인 지층의 상면을 기반면으로 설정한다. 기반암이 구조물 저면보다 높은 경우 구조물 저면을 기반면으로 설정한다.

다. 기반면의 속도응답스펙트럼을 산정하는 경우, [KDS 11 44 00 공동구 기준]을　따라 산정한다. 암반지반(S1) 지반운동의 가속도 표준응답스펙트럼을 이용하여 직접 적분하여 구할 수 있다.

[해설] 기반면 속도응답스펙트럼은 행정구역에 따라 <해설표 4.3.1>의 계산식을 이용하여 구할 수 있고, 내진 I 등급 시설물의 경우 기반면에서의 속도응답스펙트럼을 도시하면 해설그림 4.3.4와 같다.

해설표 4.3.1 표층지반의 고유주기(T) 값에 따른 스펙트럼 속도값 계산식

주기([eqn: T], sec)	지표면 가속도	기반면 속도	비고
	스펙트럼가속도 ([eqn: S _{a}], g)	스펙트럼속도 ([eqn: S _{v}], m/s)
[eqn: 0 LEQT LEQT _{0}] ([eqn: 0 LEQT LEQ0.06])	[eqn: (1+30T) TIMESS]	[eqn: (1+30T) TIMESS` TIMES9.81 TIMESC _{D} TIMES` {T} over {2 pi}]	감쇠보정계수, [eqn: C _{D}]는 KDS 17 10 00 참조
[eqn: T _{0} LEQT LEQT _{S}] ([eqn: 0.06 LEQT LEQ0.3])	[eqn: 2.8S]	[eqn: 2.8 TIMESS` TIMES9.81 TIMESC _{D} TIMES` {T} over {2 pi}]	감쇠보정계수 [eqn: C _{D}] = 0.758/0.561 (기능수행수준/붕괴방지수준)
[eqn: T _{S} LEQT LEQT _{L}] ([eqn: 0.3 LEQT LEQ3])	[eqn: {0.84} over {T} TIMESS]	[eqn: {0.84} over {T} ` TIMESS` TIMES9.81 TIMESC _{D} TIMES` {T} over {2 pi}# =1.312 TIMESS` TIMESC _{D}]

(a) 지진구역 Ⅰ

(b) 지진구역 Ⅱ

해설그림 4.3.4 기반면에서의 속도응답스펙트럼

(공동구 기준, KDS 11 44 00:2018)

용어정의 수정

응답변위법은 KDS 11 44 00 공동구 기준 내용을 준용

지반의 응답변위 산정에 대한 상세설명 추가

KDS 11 44 00 공동구 기준 관련내용 반영

2. 내진해석을 위한 지반 탄성정수의 산정

가. 지반의 전단탄성계수는 성능수준에 따른 비선형성을 고려하여야 한다.

[해설] 지반의 응력-변형률 관계는 변형률의 크기에 따라 탄성계수가 변하는 비선형 거동을 보인다. 따라서, 실내시험과 현장시험을 통하여 지반의 전단탄성계수 감소 현상을 평가하고 이를 해석에 이용해야 한다. 지반의 비선형성을 최대한 반영하기 위해서는 적합한 구성모델을 선정하여 비선형 해석을 수행하는 방법이 가장 합리적이나, 현장에서는 매우 중요한 구조물 이외에는 선형해석을 수행하는 것이 일반적이다. 선형해석 시에는 하중수준에 따른 비선형특성을 감안하기 위해 지반의 전단탄성계수를 다음과 같이 보정하여 사용한다.

[eqn: G _{D} `=`( gamma _{t} `/`g)` CDOT `V _{S} ^{2}]	해설식(4.5)

여기서, GD : 지반의 동적전단탄성계수

[eqn: gamma_t] : 지반의 단위중량

[eqn: g] : 중력가속도 ([eqn: m`/`sec^2])

[eqn: V _{S}] : 해당구조물을 포함하는 지층의 설계전단파속도 ([eqn: m`/`sec])

(해당구조물이 여러 층에 걸칠 경우 각 지층의 높이를 고려한 평균치를 사용한다.)

[eqn: V _{S`i} `=`C` CDOT`V _{0i}]	해설식(4.6)

여기서, [eqn: V_{S`i}] : 지반의 동적전단탄성계수 산출에 이용되는 [eqn: i]번째 지층의 설계전단파속도

[eqn: V_0i] : 해당구조물을 포함하는 [eqn: i]번째 지층의 초기전단파속도

[eqn: C]  : 성능수준별 지반변형에 대한 보정계수 C = 0.5 (붕괴방지수준)

나. 지반반력계수는 [도시철도 내진설계기준]에서 제시하는 방법에 따라 산출한다.

[해설] 지반반력계수의 산정

2. 내진해석을 위한 지반 탄성정수의 산정

가. 지반의 전단탄성계수는 성능수준에 따른 비선형성을 고려하여야 한다.

[해설] 지반의 응력-변형률 관계는 변형률의 크기에 따라 탄성계수가 변하는 비선형 거동을 보인다. 따라서 실내시험과 현장시험을 통하여 지반의 전단탄성계수 감소 현상을 평가하고 이를 해석에 이용해야 한다.  실내시험과　현장시험의　절차는　[기존 시설물(기초 및 지반) 내진성능 평가요령]을 준용한다. 지반의 비선형성을 최대한 반영하기 위해서는 적합한 구성모델을 선정하여 비선형 해석을 수행하는 방법이 가장 합리적이나, [기존 시설물(기초 및 지반) 내진성능 평가요령]의 지반의 비선형성에 대한 경험식을 준용한다. 선형해석 시에는 하중수준에 따른 비선형특성을 감안하기 위해 지반의 전단탄성계수를 다음과 같이 보정하여 사용한다.

[eqn: G _{D} `=`( gamma _{t} `/`g)` CDOT `V _{DS} ^{2}]	해설식(4.5)

여기서, GD : 지반의 동적전단탄성계수

[eqn: gamma_t] : 지반의 단위중량

[eqn: g] : 중력가속도 ([eqn: m`/`sec^2])

[eqn: V _{DS}] : 해당구조물을 포함하는 지층의 전단파속도 ([eqn: m`/`sec]) (해당구조물이 여러 층에 걸칠 경우 각 지층의 높이를 고려한 평균치를 사용한다.)

[eqn: V _{DSi} `=`C`ㆍV _{si}]	해설식(4.6)

여기서, [eqn: V_{S`i}] : [eqn: i]번째 지층의 현장에서 측정된 평균전단파속도(m/s)

[eqn: V _{DSi}] : [eqn: i]번째 지층의 [eqn: V_DS] (m/s)

[eqn: C]  :  지반변형에 대한 보정계수 [eqn: C`=` {cases{`0.8```(<360m/s)#`1.0````( GEQ 360m/s)}}]

특히, 360m/s이상의 단단한 지반(풍화암, 연암, 경암 등)의 경우 지진하중으로 인한 전단변형이 상부지반에 비해 작기 때문에 전단탄성계수의 비선형성이 최소화되므로 이를 고려할 필요가 있다.

나. 지반반력계수는 [KDS 11 44 00 공동구 기준]에서 제시하는 방법에 따라 산출한다.

[해설] 지반반력계수의 산정

① 재하폭 산정 방법

지반반력계수는 각종 조사, 시험 결과에 의해 얻어진 탄성계수를 이용하여 기초 재하폭 등의 영향을 고려하여 정하는 것을 원칙으로 하며, 상시 상태에 대한 계수값은 [구조물기초기준] 혹은 [도로교 기준]의 지반반력계수의 산정부분을 따른다.

[eqn: K _{H} `=`k _{h`0`} `( {B _{h}} over {0.3} ) ^{-3/4}]	해설식(4.7a)

[eqn: K _{V} `=`k _{v`0`} `( {B _{v}} over {0.3} ) ^{-3/4}]	해설식(4.7b)

[eqn: K _{SS} `=` lambda`K _{H}]	해설식(4.7c)

[eqn: K _{SB} `=` lambda`K _{V}]	해설식(4.7d)

여기서, [eqn: K _{H}] : 구체측벽의 수평 지반반력계수 (kN/m3)

[eqn: K _{V}] : 구체저판의 연직 지반반력계수 (kN/m3)

[eqn: K _{SS}] : 구체측벽의 전단 지반반력계수 (kN/m3)

[eqn: K _{SB}] : 구체저판의 전단 지반반력계수 (kN/m3)

[eqn: k _{h`0}] : 지름 0.3m의 강체원판에 의한 평판재하시험의 값에 상당하는 수평 지반반력계수 (kN/m3)

[eqn: k _{v`0}] : 지름 0.3m의 강체원판에 의한 평판재하시험의 값에 상당하는 연직 지반반력계수 (kN/m3)

[eqn: B _{h}] : 구조물 높이 (m)

[eqn: B _{v}] : 구조물 저판 폭 (m)

[eqn: lambda`=] 1/3～1/4	해설식(4.8a)

[eqn: k _{v`0} `=` {1} over {0.3} ㆍ`E _{D}],	[eqn: k _{h`0} `=` {1} over {0.3}ㆍ `E _{D}]            해설식(4.8b)

[eqn: E _{D}]  : 지진하중 상태의 지반변형을 고려한 지반의 탄성계수

[eqn: E _{D} `=`2`(`1`+` nu`)`G _{D}]	해설식(4.9)

KDS 11 44 00 공동구 기준 관련내용 반영

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① 유한요소 모형법

지진시 지반반력계수 KH, KV, KSS, KSB 를 구하기 위하여 다음과 같이 공동지반의 2차원 유한요소 모형을 작성하고, 지반탄성의 방향에 단위하중 “1”을 구조물에 작용시켜 그 방향의 하중과 변위의 관계에서 지반반력계수 값을 산출한다. 이때 지중 구조물은 상판 및 저판의 강성을 고려하거나, 혹은 강체로 간주한다.

해설그림 4.3.5 지반반력계수 산정을 위한 유한요소모델

여기서, KH : 측벽에 대한 수평지반반력계수(KH = PH /δH)

KV : 상판 및 저판에 대한 연직지반반력계수(KV = PV /δV)

KSS : 측벽에 대한 전단지반반력계수(KSS = PSS /δSS)

KSB : 상판 및 저판에 대한 전단지반반력계수(KSB = PSB /δSB)

PH  : 측벽에 가해지는 수평방향의 단위하중

PV : 상판 및 저판에 가해지는 연직방향의 단위하중

PSS : 측벽에 가해지는 전단방향의 단위하중

PSB : 상판 및 저판에 가해지는 전단방향의 단위하중

δH  : 측벽에 단위하중을 부여한 경우에 발생하는 수평방향의 변위

δV  : 상판 및 저판에 부여한 단위하중에 의한 연직방향의 변위

δSS : 측벽에 단위하중을 부여한 경우에 발생하는 전단방향의 변위

δSB : 상판 및 저판에 부여한 단위하중에 의한 전단방향의 변위

이때 주의할 점은 측방 경계와 구조물 측벽과의 거리를 충분히 고려하지 않으면 지진시 지반반력계수를 정확히 구할 수 없으므로, 유한요소 모형의 경계는 구조물 측벽에서 다음 식에서 나타난 거리 이상을 고려해야 한다.

[eqn: L` >= `3H]	해설식(4.7)

또한 지반을 모형화할 때 적용하는 지반의 물성치, 즉 지반의 탄성계수(또는 전단탄성계수)와 포와송 비는, 지진시 지반에 동적하중이 가해지고 이에 따라 지반이 동적거동을 하므로, 지반의 동적탄성계수 [eqn: E_D] 또는 동적전단탄성계수 [eqn: G_D]와 동적포아송비 [eqn: nu_D]를 적용한다. 이들 계수간의 상호관계는 다음과 같다. 지반의 동적탄성계수 [eqn: E_D]는 성능수준을 고려한 지반의 설계전단파속도([eqn: V_S])로부터 산정된다.

[eqn: E _{D} `=`2`(`1`+` nu _{D} `)` CDOT `G _{D}]	해설식(4.8)

② 재하폭 산정 방법

지반반력계수는 각종 조사, 시험 결과에 의해 얻어진 탄성계수를 이용하여 기초 재하폭 등의 영향을 고려하여 정하는 것을 원칙으로 하며, 상시 상태에 대한 계수값은 [구조물기초설계기준] 혹은 [도로교 설계기준]의 지반반력계수의 산정부분을 따른다.

[eqn: K _{H} `=`k _{h`0`} `( {B _{h}} over {30} ) ^{-3/4}]	해설식(4.9a)

[eqn: K _{V} `=`k _{v`0`} `( {B _{v}} over {30} ) ^{-3/4}]	해설식(4.9b)

[eqn: K _{SS} `=` lambda`K _{H}]	해설식(4.9c)

[eqn: K _{SB} `=` lambda`K _{V}]	해설식(4.9d)

여기서, [eqn: K _{H}] : 구체측벽의 수평 지반반력계수

[eqn: K _{V}] : 구체저판의 연직 지반반력계수

[eqn: K _{SS}] : 구체측벽의 전단 지반반력계수

[eqn: K _{SB}] : 구체저판의 전단 지반반력계수

[eqn: k _{h`0}] : 지름 30cm의 강체원판에 의한 평판재하시험의 값에 상당하는 수평 지반반력계수

[eqn: k _{v`0}] : 지름 30cm의 강체원판에 의한 평판재하시험의 값에 상당하는 연직 지반반력계수

[eqn: B _{h}] : 구조물 높이 (cm)

[eqn: B _{v}] : 구조물 저판 폭 (cm)

[eqn: lambda`=] 1/3～1/4	해설식(4.10a)

[eqn: k _{v`0} `=` {1} over {30} ` CDOT`E _{D}],	[eqn: k _{h`0} `=` {1} over {30} ` CDOT`E _{D}]            해설식(4.10b)

[eqn: E _{D}]  : 지진하중 상태의 성능수준을 고려한 지반의 탄성계수

[eqn: E _{D} `=`2`(`1`+` nu`)`G _{D}]	해설식(4.11a)

[eqn: G _{D} `=` gamma _{t} `/`g` TIMES`V _{S}^{2}]	해설식(4.11b)

[eqn: V _{S} `=`0.5`V _{0}] (붕괴방지수준)	해설식(4.11c)

② 유한요소법에 의한 방법

지진시 지반반력계수 KH, KV, KSS, KSB 를 구하기 위하여 다음과 같이 공동지반의 2차원 유한요소 모형을 작성하고, 지반탄성의 방향에 단위하중 “1”을 구조물에 작용시켜 그 방향의 하중과 변위의 관계에서 지반반력계수 값을 산출한다. 이때 지중 구조물은 상판 및 저판의 강성을 고려하거나, 혹은 강체로 간주한다.

해설그림 4.3.5 지반반력계수 산정을 위한 유한요소모델

여기서, KH : 측벽에 대한 수평지반반력계수(KH = PH /δH)

KV : 상판 및 저판에 대한 연직지반반력계수(KV = PV /δV)

KSS : 측벽에 대한 전단지반반력계수(KSS = PSS /δSS)

KSB : 상판 및 저판에 대한 전단지반반력계수(KSB = PSB /δSB)

PH  : 측벽에 가해지는 수평방향의 단위하중

PV : 상판 및 저판에 가해지는 연직방향의 단위하중

PSS : 측벽에 가해지는 전단방향의 단위하중

PSB : 상판 및 저판에 가해지는 전단방향의 단위하중

δH  : 측벽에 단위하중을 부여한 경우에 발생하는 수평방향의 변위

δV  : 상판 및 저판에 부여한 단위하중에 의한 연직방향의 변위

δSS : 측벽에 단위하중을 부여한 경우에 발생하는 전단방향의 변위

δSB : 상판 및 저판에 부여한 단위하중에 의한 전단방향의 변위

이때 주의할 점은 측방 경계와 구조물 측벽과의 거리를 충분히 고려하지 않으면 지진시 지반반력계수를 정확히 구할 수 없으므로, 유한요소 모형의 경계는 구조물 측벽에서 다음 식에서 나타난 거리 이상을 고려해야 한다.

[eqn: L` >= `3H]	해설식(4.10)

또한 지반을 모형화할 때 적용하는 지반의 물성치, 즉 지반의 탄성계수(또는 전단탄성계수)와 포와송 비는, 지진시 지반에 동적하중이 가해지고 이에 따라 지반이 동적거동을 하므로, 지반의 동적탄성계수 [eqn: E_D] 또는 동적전단탄성계수 [eqn: G_D]와 동적포아송비 [eqn: nu_D]를 적용한다. 이들 계수간의 상호관계는 다음과 같다. 지반의 동적탄성계수 [eqn: E_D]는 성능수준을 고려한 지반의 전단파속도([eqn: V_S])로부터 산정된다.

[eqn: E _{D} `=`2`(`1`+` nu _{D} `)` CDOT `G _{D}]	해설식(4.11)

3. 구조물에 작용하는 지진하중

가. 지진력에 의한 수평하중은 다음 식에 의해 계산된다.

[eqn: p(z)`=`K _{H} ``cdot` LEFT { U_h (z)`-`U_h (z _{B} `) RIGHT }]	식(4.5)

여기서, [eqn: p(z)]   : 지표로부터 깊이 [eqn: z] 지점에 작용하는 수평방향 하중

[eqn: K_H]    : 단위면적당의 수평방향 지반반력계수

[eqn: U_h`(z)]  : 지표면으로부터 깊이 [eqn: z] 지점의 수평방향 변위

[eqn: U_h`(z_B )] : 지표면으로부터 깊이 [eqn: z_B] 지점의 수평방향 변위

[eqn: z_B]     : 지표면으로부터 구체 저면까지의 깊이

나. 지진력에 의한 구조물에 적용하는 주면전단력은 다음 식에 의해 계산된다.

[eqn: tau _{U} `=`( {G _{D}} over {pi ` CDOT `H} )` CDOT `S _{v} ` CDOT `T _{S} ` CDOT `sin( {pi ` CDOT `z _{U} `} over {2`H} )]	식(4.6a)

[eqn: tau _{B} `=`( {G _{D}} over {pi ` CDOT `H} )` CDOT `S _{v} ` CDOT `T _{S} ` CDOT `sin( {pi ` CDOT `z _{B} `} over {2`H} )]	식(4.6b)

[eqn: tau _{S} `=` {( tau _{U} `+` tau _{B} `)} over {2}]	식(4.6c)

여기서,  [eqn: tau] : 지표면으로부터의 깊이 [eqn: z]에 있어서 단위면적당의 지진시 주면 전단력

([eqn: tau _U] : 상판, [eqn: tau _B] : 저판, [eqn: tau _S] : 측벽)

[eqn: z_U] : 지표면으로부터 구조물 상판까지의 깊이

[eqn: z_B] : 지표면으로부터 구조물 저판까지의 깊이

[eqn: S_v] : 기반면에서의 속도응답스펙트럼 (설계기준에는 가속도응답스펙트럼 [eqn: S _{a}]만이 주어져 있으므로, 이를 변환하여 사용한다.)

= [eqn: (T_S /2 pi ) CDOT S_a]

[eqn: T _{S}] : 표층지반의 고유주기[eqn: (s) = 1.25 CDOT T_G]

(지진발생시 지반에 발생하는 전단변형 수준을 고려함)

[eqn: T _{G} `] : 표층지반의 특성값[eqn: (`s`)`=`SUM`(4`H_i`/`V_{S`i}`)]

[eqn: H_i]  : 제 [eqn: i] 번째 토층의 두께

[eqn: V _{S`i}] : 제 [eqn: i]번째 토층의 설계전단파속도

[eqn: H]  : 기반면의 깊이(경암면 또는 구조물 저면 이하 10～15m정도; m)

다. 지진력에 의한 구조물에 적용하는 자체 중량에 의한 관성력은 다음과 같다.

[eqn: f _{i} `=`w _{i} `․K _{h`i}]	식(4.7)

여기서, [eqn: f_i] : i번째 구체의 관성력 하중

[eqn: w_i] : i번째 구체중량

[eqn: K _{hi}] : 해당깊이에 대해 보정한 수평가속도 [[eqn: =K _{h} CDOTC _{U} (z)]]

[eqn: C _{U(Z)}] : 깊이에 대한 보정계수 = [eqn: 1-0.015z]

[해설] 지진해석시 지진에 의한 하중이 작용하는 구체는 해설그림 4.3.6과 같이 나타낼 수 있으며, 이러한 하중의 작용시 각 부재의 단면력을 계산하여 내진성능 평가에 적용하도록 한다.

해설그림 4.3.6 구체에 작용하는 지진시 하중

라. 평가 대상구조물이 지하수위 아래에 있을 경우 지진시 벽체에 단위 면적당 작용하는 동수압을 고려해야 한다. 지진시 동수압은 다음 식을 이용하여 계산한다.

[eqn: p _{f} =K _{h} · gamma _{w} · {B} over {2}]	식(4.8)

여기서, [eqn: p_f]  :  벽체 단위 면적 당 동수압	[eqn: K _{h}]  :  설계수평가속도

[eqn: gamma_w]   :  물의 단위체적중량	[eqn: B]   :  벽체의 폭

3. 구조물에 작용하는 지진하중

지진해석시 지진에 의한 하중은 해설그림 4.3.6과 같이 나타낼 수 있으며, 이러한 하중의 작용시 각 부재의 단면력을 계산하여 내진성능을 평가한다.

가. 지반변위에 의한 지진하중

[eqn: p(z)`=`K _{H} ``cdot` LEFT { U_h (z)`-`U_h (z _{B} `) RIGHT }]	해설식(4.12)

여기서, [eqn: p(z)]   : 지표로부터 깊이 [eqn: z] 지점에 작용하는 수평방향 하중 (kN/m2)

[eqn: K_H]    : 단위면적당의 수평방향 지반반력계수 (kN/m3)

[eqn: U_h`(z)]  : 지표면으로부터 깊이 [eqn: z] 지점의 수평방향 변위 (m)

[eqn: U_h`(z_B )] : 지표면으로부터 깊이 [eqn: z_B] 지점의 수평방향 변위 (m)

[eqn: z_B]     : 지표면으로부터 구체 저면까지의 깊이 (m)

또한, 지반반력계수를 4면지지모형으로 적용한 경우, 상판위 표층지반의 변위에 의한 상판변위하중 [eqn: p_0]을 추가로 재하한다. 4면지지모형에 대한 설명은 다음 절을 참고한다.

[eqn: p _{0} `=`K _{SB} ``ㆍ` LEFT { U _{h} (z _{U} )`-`U _{h} (z _{B} `) RIGHT }]	식(4.13)

여기서, [eqn: p _{0}]      : 상판의상면에 작용하는 지반변위하중 (kN/m2)

[eqn: z _{U}]	: 지표면으로부터 구조물 상판의 상면까지의 깊이 (m)

[eqn: K _{SB}]    : 상판의 전단지반반력계수 (kN/m3)

나. 주면전단력

① 지반변위를 단일코사인으로 산정 시

전단력은 [eqn: tau=G CDOT gamma=G CDOT {dU} over {dz}]의 관계를 가지므로 주면전단력은 지반변위식 식(4.12)을 미분하여 구할 수 있고, 식(4.14)와 같다.

[eqn: tau (z)= {G _{D}} over {piㆍ H} ㆍS _{v}ㆍ T _{S} ㆍ`sin( {pi z} over {2H} )]	해설식(4.14a)

[eqn: tau _{U} `=`( {G _{D}} over {pi `ㆍ`H} )`ㆍ`S _{v} `ㆍ`T _{S} `ㆍ`sin( {pi `ㆍ`z _{U} `} over {2`H} )]	해설식(4.14b)

[eqn: tau _{B} `=`( {G _{D}} over {pi `ㆍ`H} )`ㆍ`S _{v} `ㆍ`T _{S} `ㆍ`sin( {pi `ㆍ`z _{B} `} over {2`H} )]	해설식(4.14c)

[eqn: tau _{S} `=` {( tau _{U} `+` tau _{B} `)} over {2}]	해설식(4.14d)

여기서,  [eqn: tau] : 지표면으로부터의 깊이 [eqn: z]에 있어서 단위면적당의 지진시 주면 전단력

([eqn: tau _U] : 상판, [eqn: tau _B] : 저판, [eqn: tau _S] : 측벽) (kN/m2)

[eqn: z_U] : 지표면으로부터 구조물 상판까지의 깊이(m)

[eqn: z_B] : 지표면으로부터 구조물 저판까지의 깊이(m)

[eqn: S_v] : 기반면에서의 속도응답스펙트럼(m/s)

[eqn: H_i]  : 제 [eqn: i] 번째 토층의 두께(m)

[eqn: H]  : 기반암상면까지의 깊이(m)

② 지반변위를 이중코사인으로 산정 시

[eqn: tau _{1} (x)= {2 CDOT G _{D}} over {pi ^{2}} ㆍS _{v} ㆍT _{s} ㆍ {omega _{0}} over {V _{sod1}} ㆍ`sin LEFT ( {omega _{0}} over {V _{sod1}} x _{1} RIGHT )]	해설식(4.15a)

[eqn: tau _{2} (x)= {2ㆍG _{D}} over {pi ^{2}} ㆍ S _{v} ㆍ T _{s} ㆍ`cos LEFT ( {omega _{0} H _{1}} over {V _{s0d1}} RIGHT ) ㆍ {omega _{0}} over {V _{s0d2}} ㆍ LEFT ( sin {omega _{0} x _{2}} over {V _{s0d2}} `+` {cos {omega _{0} x _{2}} over {V _{s0d2}}} over {tan {omega _{0} H _{2}} over {V _{s0d2}}} RIGHT )]

해설식(4.15b)

구조물의 상판과 저면의 위치가 이중코사인의 제1층 또는 제2층의 어디인지에 따라서 아래와 같이 적용한다.

- 구조물 상판은 제1층에 구조물 저면은 제2층에 위치 시, [eqn: tau _{U} = tau _{1} (x),` tau _{B} = tau _{2} (x)]

- 구조물 상판은 제1층에 구조물 저면은 제1층에 위치 시, [eqn: tau _{U} = tau _{1} (x),` tau _{B} = tau _{1} (x)]

- 구조물 상판은 제2층에 구조물 저면은 제2층에 위치 시, [eqn: tau _{U} = tau _{2} (x),` tau _{B} = tau _{2} (x)]

다. 관성력

[eqn: f _{i} `=`w _{i} `․`a _{i}]	해설식(4.16)

여기서, [eqn: f_i] : i번째 구체의 관성력 하중

[eqn: w_i] : i번째 구체중량

[eqn: a _{i}] : 해당깊이에 대해 보정한 수평지진가속도 ([eqn: m`/`sec ^{2}]) (이때, 지진해석시 기반면에서 유효수평지반가속도 [eqn: S]와 지표면에서 [eqn: F _{a} CDOT S]를 적용하여 깊이에 따라 수평가속도를 직선 보간하여 산정)

[해설] 지진해석시 지진에 의한 하중이 작용하는 구체는 해설그림 4.3.6과 같이 나타낼 수 있으며, 이러한 하중의 작용시 각 부재의 단면력을 계산하여 내진성능 평가에 적용하도록 한다.

해설그림 4.3.6 구체에 작용하는 지진시 하중

라. 지진시 동수압

[eqn: p _{f} =a _{i} · gamma _{w} · {B} over {2}]	해설식(4.17)

여기서, [eqn: p_f]  :  벽체 단위 면적 당 동수압	[eqn: a_i]  :  수평가속도

[eqn: gamma_w]   :  물의 단위체적중량	[eqn: B]   :  벽체의 폭

지반반력계수는 변위산정시 직접적인 영향을 미치는 주요 변수로서 구조물의 응답거동 산정시 모델링 단계에서 적용하는 방법을 추가적으로 기술함.

4. 하중의 구조해석 모형

가. 상시하중은 사하중과 활하중, 토압과 자중 등을 고려하며 하중조합을 이용하여 상부 슬래브와 하부 슬래브, 측벽에 대해 그림 4.3.1과 같이 작용시키도록 한다.

그림 4.3.1 구체에 작용하는 상시하중

여기서, [eqn: P_{h`1},``P_{h`2}~]: 상·하부 측벽토압

[eqn: P_{v`1}] : 활하중	[eqn: P_{v`2}] : 활하중 (내부설비 하중)

[eqn: W_1] : 사하중	[eqn: W_2] : 구조물의 자중

나. 지진시 수평하중 [eqn: p(z)]는 지반의 변위진폭을 이용하여 그림 4.3.2와 같이 수평력으로 작용한다.

P0

그림 4.3.2 구체에 작용하는 지진시 토압하중

다. 지진시 상․하부 슬래브와 측벽의 주면전단력([eqn: tau_U`,``tau_S`,``tau_B] )은 그림 4.3.3과 같이 작용한다.

그림 4.3.3 구체에 작용하는 지진시 주면전단력

라. 지진시 자체중량에 의한 상․하부 슬래브와 측벽의 관성력 ([eqn: P _{IU} `,``P _{IB} `,``P _{IW} ``])은 그림 4.3.4와 같이 작용한다.

그림 4.3.4 구체에 작용하는 지진시 관성력

4. 구조해석 모형

구조해석용 모형은 지반반력계수를 적용하는 방법에 따라 그림 4.3.7과 같이 4면지지모형과 3면지지모형의 2가지 형식으로 모델링이 가능하다. 구조해석을 위해 구성된 모형에 하중을 적용하는 방법은 아래의 절차와 같다.

[해설］상판과 표층지반이 일체 거동하는 경우 4면지지모형(그림 4.3.7a)이 합리적지만, 상판 토피고가 구조물 폭에 비해 작고 상부토사가 주변지반과 일체가 되지 않고 추가 중량으로만 거동하는 경우 3면지지모형(그림4.3.7b)을 사용할 수 있다(일본토목학회, 1998). 또한, 두　모형에서는 상판위 표토의 역할을 달리 보기 때문에 상판지반변위하중을 달리 적용하게 된다(‘지반변위에　의한　지진하중’절 참조). 두 가지 모형기법에 의한 결과는 단면력을 비교하면 4면 모델이 구조물의 강체회전이 작아져 발생 단면력이 약간 커지는 경향이 있으나, 큰 차이가 없는 것으로 알려져 있다(일본토목학회, 1998). 따라서, 두 모형기법 중에서 책임기술자의 판단에 따라 선정하여 해석하여도 좋다．

a) ４면지지모형

b) ３면지지모형

그림 4.3.7 구조해석에 사용하는 응답변위법의 해석모형

가. 상시하중은 사하중과 활하중, 토압과 자중 등을 고려하며 하중조합을 이용하여 상부 슬래브와 하부 슬래브, 측벽에 대해 해설그림 4.3.8과 같이 작용시키도록 한다.

해설그림 4.3.8 구체에 작용하는 상시하중

여기서, [eqn: P_{h`1},``P_{h`2}~]: 상·하부 측벽토압

[eqn: P_{v`1}] : 활하중	[eqn: P_{v`2}] : 활하중 (내부설비 하중)

[eqn: W_1] : 사하중	[eqn: W_2] : 구조물의 자중

나. 지진시 수평하중 [eqn: p(z)]는 지반의 변위진폭을 이용하여 해설그림 4.3.9와 같이 수평력으로 작용한다.

[해설] ４면지지모형으로 구조해석하여 상판의 연직/전단지반반력계수를적용한 경우 상판변위하중 [eqn: p _{0}]을 지반변위하중을 추가 고려한다. 반면, ３면지지모형으로 구조해석하여 상판의 연직/전단지반반력계수를 적용하지 않은 경우,　상판변위하중　[eqn: p _{0}]는 생략한다.

a) 4면지지모형

b) 3면지지모형

해설그림 4.3.9 지반변위하중

다. 지진시 상․하부 슬래브와 측벽의 주면전단력([eqn: tau_U`,``tau_S`,``tau_B] )은 해설그림 4.3.10와 같이 작용한다.

해설그림 4.3.10 구체에 작용하는 지진시 주면전단력

라. 지진시 자체중량에 의한 상․하부 슬래브와 측벽의 관성력 ([eqn: f _{IU} `,``f _{IB} `,``f _{IW} ``])은 해설그림 4.3.11과 같이 작용한다.

해설그림 4.3.11 구체에 작용하는 지진시 관성력

5. 종단방향에 대한 단면력 검토

지반의 상태가 종방향으로 급변하는 경우 책임기술자의 판단에 의하여 필요 시 지진에 의한 종단방향에 대한 단면력을 계산하고 이를 설계단면력과 비교하여 내진성능을 검토할 수 있다.

가. 표층지반의 특성을 반영한 지반의 고유주기는 다음 식에 의해 산정한다.

[eqn: T _{G} `=`4` sum _{i=0} ^{`n} ` {H _{i}} over {V _{S`i}}]	식(4.9)

여기서,  [eqn: H _{i}] : 제 [eqn: i]층의 두께

[eqn: V _{S`i}] : 제 [eqn: i]층의 설계전단파속도

나. 지진으로 인한 지반진동의 파장은 다음 식으로부터 구한다.

[eqn: L`=` {2` CDOT`L _{1} ` CDOT`L _{2}} over {L _{1} `+`L _{2}}]	식(4.10a)

[eqn: L _{1} `=`T _{S} ` CDOT`V _{SD}]	식(4.10b)

[eqn: L _{2} `=`T _{S} ` CDOT`V _{BS}]	식(4.10c)

여기서, [eqn: L] : 지반진동의 파장

[eqn: T _{S}] : 표층지반의 고유주기, [eqn: T_S`=`1.25`T_G]

[eqn: V _{SD}] : 표층지반의 설계전단파속도

(다음 식에 의해 표층지반 전체의 평균치를 산정한다.)

[eqn: V _{SD} `=` {sum _{} ^{} H _{i}} over {sum _{} ^{} {H _{i}} over {V _{S`i}}} ~]	식(4.11)

[eqn: V _{BS}] : 기반면의 설계전단파속도

다. 지반의 변위진폭은 표층지반의 고유주기를 이용하여 다음 식으로 구한다.

[eqn: U _{h} `(z)`=` {2} over {pi ^{2}} ` CDOT`S _{v} ` CDOT`T _{S} ` CDOT`cos` {pi`z} over {2`H}]	식(4.12)

이를 통해 지반변위에 의한 구조물 축 방향의 응력을 검토한다.

라. 구조물의 종단방향과 이와 직교하는 수평면내 및 수직면내의 지반의 강성계수는 다음 식에 의해 산정된다.

[eqn: k _{1} `=`C _{1} ` CDOT`G _{D}], [eqn: k _{2} `=`C _{2} ` CDOT`G _{D}], [eqn: k _{3} `=`C _{3} ` CDOT`G _{D}]	식(4.13)

여기서, [eqn: C _{1}], [eqn: C _{2}], [eqn: C _{3}] : 지반의 강성계수 [eqn: k _{1}], [eqn: k _{2}], [eqn: k _{3}]에 대한 정수로 실험 등의 조사결과를 기초로 결정하며, 일반적으로 [eqn: C _{1}]=[eqn: C _{2}]=1.0, [eqn: C _{3}]=3.0의 값을 사용한다.

[eqn: G _{D}] : 지반의 동적전단탄성계수

(종단방향의 검토 시 표층지반 전체의 평균치를 사용한다.)

[eqn: G _{D} `=` {gamma _{teq}} over {g} ` CDOT`V _{SD}^{2}]	식(4.14)

[eqn: gamma _{teq}] : 표층지반의 환산단위체적중량

[eqn: gamma _{teq} `=` {sum _{} ^{} gamma _{t} ` CDOT`H _{i}} over {H}]	식(4.15)

[eqn: V _{SD}] : 표층지반의 설계전단파속도

마. 종단방향의 검토 시에는 그림 4.3.5에 나타낸 것처럼 단면적과 수평면 내의 단면 2차 모멘트 [eqn: I _{h}]와 수직면내의 단면 2차 모멘트 [eqn: I _{v}]를 구하며, 이는 지진으로 인한 축력과 휨 모멘트를 구하는데 이용된다.

그림 4.3.5 단면의 모형화

이에 따라 수평면내 및 수직면내의 지반진동에 의한 축력과 휨 모멘트를 그림 4.3.6과 같이 나타낼 수 있으며, 구조물의 이음부를 제외한 단면력은 다음의 식으로 구할 수 있다.

그림 4.3.6 지진시 단면력

[eqn: P _{h} `=` alpha _{1} ` CDOT` xi _{1} ` CDOT {pi`E` CDOT`A} over {L} ` CDOT`U _{h}]	식(4.16a)

[eqn: P _{v} `=` alpha _{1} ` CDOT` xi _{1} ` CDOT {pi`E` CDOT`A} over {L} ` CDOT` {U _{h} `+`U _{v}} over {2}]	식(4.16b)

[eqn: M _{h} `=` alpha _{2} ` CDOT` xi _{2} ` CDOT {4` pi ^{2} `E` CDOT`I _{h}} over {L ^{2}} ` CDOT`U _{h}]	식(4.16c)

[eqn: M _{v} `=` alpha _{3} ` CDOT` xi _{3} ` CDOT {4` pi ^{2} `E` CDOT`I _{v}} over {L ^{2}} ` CDOT`U _{v}]	식(4.16d)

여기서, [eqn: P _{h} `,``P _{v}] : 수평면내 및 수직면내의 지진진동에 의한 축력

[eqn: M _{h} `,``M _{v}] : 수평면내 및 수직면내의 지진진동에 의한 휨 모멘트

[eqn: E] : 콘크리트 탄성계수

[eqn: A] : 구조물 단면적

[eqn: I _{h} `,``I _{v}] : 구조물 수평면내 및 수직면 내 단면 2차 모멘트

[eqn: U _{h} `,``U _{v}] : 구조물 중심위치의 깊이에서 지진진동의 수평방향 및 수직방향의 변위진폭

[eqn: xi _{1} `,`` xi _{2} `,`` xi _{3} `] : 이음부를 설계하는 경우 단면력의 저감계수

[eqn: alpha _{1} `,`` alpha _{2} `,`` alpha _{3} `] : 구조물 종단방향과 종단방향에 직교하는 수평면내 및 수직면내의 지반에 발생하는 변위가 구조물에 전달되는 전달률

[eqn: L] : 지반진동의 파장

지반의 변위에 따른 전달률 [eqn: alpha _{1} `,`` alpha _{2} `,`` alpha _{3} `]는 각각 다음 식에 의해 구한다.

[eqn: alpha _{1} `=` {1} over {1`+`( {2` pi} over {lambda _{1} ` CDOT`L prime} ) ^{2}}]	식(4.17a)

[eqn: alpha _{2} `=` {1} over {1`+`( {2` pi} over {lambda _{2} ` CDOT`L} ) ^{4}}]	식(4.17b)

[eqn: alpha _{3} `=` {1} over {1`+`( {2` pi} over {lambda _{3} ` CDOT`L} ) ^{4}}]	식(4.17c)

여기서, [eqn: lambda _{1} `=` sqrt {{k _{1}} over {E`A}}]  [eqn: lambda _{2} `=` ^{4} ` sqrt {{k _{2}} over {E`I _{h}}}]  [eqn: lambda _{3} `=` sqrt {{k _{3}} over {E`I _{v}}}]  [eqn: L prime`=` sqrt {2} ` CDOT`L]

[eqn: k _{1} `,``k _{2} `,``k _{3} `] : 구조물의 종단방향, 그와 직교하는 수평면내 및 수직면내 지반의 강성계수

이음을 설치하면 지진시 단면력이 저감되며, 이음부를 설계하는 경우 단면력의 저감계수 [eqn: xi _{1} `,`` xi _{2} `,`` xi _{3} `]는 다음의 그림 4.3.7로부터 구한다. [eqn: xi _{1} `,`` xi _{2} `,`` xi _{3} `]는 각각 종단방향, 횡단방향, 상하방향의 저감계수이다.

(a) 지진시 종단방향의 저감계수           (b) 지진시 횡단방향의 저감계수

(c) 지진시 상하방향의 저감계수

그림 4.3.7 이음에 의한 지진시 단면력의 저감계수

축력과 휨 모멘트를 동시에 받는 구조물 단면의 응력을 구하기 위해 지진 진동방향, 위상관계 등을 고려하여 앞서 계산된 단면력을 다음과 같이 산정한다.

․수평면내

[eqn: P _{h}^{prime} `=`1/ sqrt {2} ` CDOT`P]	식(4.18a)

[eqn: M _{h}^{prime} `=`1/ sqrt {2} ` CDOT`M _{h}]	식(4.18b)

․수직면내

[eqn: P _{v}^{prime} `=`1/ sqrt {2} ` CDOT`P]	식(4.19a)

[eqn: M _{v}^{prime} `=`1/ sqrt {2} ` CDOT`M _{v}]	식(4.19b)

여기서, [eqn: P`=` sqrt {`2`P _{h}^{2} `+`2`P _{v}^{2}}] 이다.

지반의 상태가 급변하는 경우 응력이력해석을 수행하는 것이 바람직하며, 또한 단면이 큰 개착터널에 대해 종단방향에 대한 단면력 검토에 관한 내용을 삭제(필요 시 기존시설물(공동구) 내진성능 평가요령을 참조)

4.3.2 응답진도법

자유장 지반응답을 통하여 구조물 상단과 하단의 상대변위가 최대인 시점의 지층별 응답가속도를 각 절점의 질량에 주어진 값을 곱하여 수평방향의 정적하중으로 작용시키는 지진응답해석법을 응답진도법이라 한다. 응단진도법에 의한 내진안정성 평가는 지진응답 해석결과에 1.5배를 취하여 내진성능 평가에 활용할 것을 추천한다.

[해설] 응답진도법(Ground Response Seismic Coefficient Method, GRSCM)은 자유장 지반응답을 통하여 지진에 의해 구조물 상·하단의 상대변위가 최대인 시점에 발생되는 지반 또는 구조물의 각 위치에서 최대응답가속도를 산정하고 각 절점의 질량에 산정된 응답가속도를 곱한 값을 지진방향의 정적하중으로 작용하여 지진해석을 수행하는 방법으로 형상과 물성의 변화가 큰 지반과 지중구조물에 대해서 신뢰성이 높은 결과를 나타낸다. 또한 이 방법은 지반조건이 급격하게 변하는 구간을 지나는 터널의 내진성능을 향상시키기 위한 지진격리설계에도 효과적으로 적용될 수 있다. 그리고 응답진도법에 의한 지중구조물의 내진안정성 평가에서는 보수적인 평가 및 보수ㆍ보강을 위하여 지진시 해석결과에 1.5배 하여 내진성능 평가에 활용할 것을 추천한다.

그림 4.3.7 응답진도법의 개념도

응답진도법은 자유장 해석에서 구한 가속도 응답을 유한요소 해석모델에 깊이별로 직접 재하하는 방법으로 다음과 같은 동적 평형방정식으로부터 유도할 수 있다.

▪ 동적 평형방정식

[eqn: [M``] LEFT { {ddot{x}} `(t) RIGHT } +[C```] LEFT { {dot{x}} (t) RIGHT } `+[K``] LEFT { x(t) RIGHT } = LEFT { 0 RIGHT } rm] [eqn: [M``] LEFT { {ddot{DELTA}} `(t) RIGHT } +[C```] LEFT { {dot{DELTA}} (t) RIGHT } `+[K``] LEFT { DELTA(t) RIGHT } =-[M``] LEFT { 1 _{z} RIGHT } {ddot{z}} (t)]

식(4.20a)

▪ 등가정적 평형방정식

식(4.20b)

그림 4.3.8 2차원 정적 유한요소모델 및 자유장 모델

응답진도법 삭제

4.3.3 동적해석법(시간이력해석법)

1. 시간이력해석법과 같은 동적해석법을 사용하여 터널 구조물을 해석하고 설계하기 위해서는 설계지진하중을 산정하는 것이 무엇보다 중요하다. 설계지진하중(가속도)의 시간이력은 내진등급에 해당하는 붕괴방지수준을 만족할 수 있는 평균재현주기를 가진 지반운동이 되어야 한다.

2. 시간이력해석을 위한 구조물의 해석모델은 지반운동에 대한 구조물의 동적응답 크기와 특성을 충분히 고려할 수 있도록 구조물의 질량과 강성의 공간적인 분포를 적절하게 대표할 수 있어야 한다.

3. 지반의 유연성이 매우 높아서 구조물의 동적응답에 미치는 영향이 무시될 수 없는 경우에는 지반-구조물 상호작용을 적절하게 고려할 수 있도록 지반을 역학적으로 모델링하여야 한다.

4. 질량중심과 강성중심의 편차로 인하여 발생하는 비틀림의 효과를 적절히 모델링하여야 한다.

5. 시간이력해석시 구조물 혹은 지반의 감쇠특성이 적절히 모델링되어야 한다.

6. 해석방법

지진하중에 대한 구조물의 동적거동을 나타내는데 사용되는 운동방정식은 다음과 같다.

[eqn: [M] LEFT { {ddot{u}} RIGHT } +[C] LEFT { {dot{u}} RIGHT } +[K] LEFT { u RIGHT } =-[M]` LEFT { I RIGHT } ` {ddot{u _{g}}}]식(4.21)

dfdf

동적해석은 궁극적으로 식(4.21)과 같은 운동방정식의 해를 구하는 것이다. 이 방정식의 해를 구하는 방법에는 첫째, 직접 수치해석을 행하는 방법(직접적분법, Direct integration method)과 둘째, 식(4.21)을 서로 무관한(Uncoupled) 모드별 미분방정식으로 변환(분리)시켜 풀고 각 모드별 해를 중첩하는 방법(모드중첩법, Mode superpositon method) 등이 있다.

동적해석법(시간이력해석법)은 4.3.2절에 상술

4.3.4 U-Type 구조물 및 옹벽의 해석법

1. 지진에 의한 토압

U-Type 구조물 및 옹벽에 작용하는 지진에 의한 토압계산은 Mononobe-Okabe에 의해 개발된 의사 정석해석방법을 이용한다.

가. 주동토압

[eqn: P _{AE} = {1} over {2} gammaH ^{2} (1-K _{v} )K _{AE}]	식(4.22)

여기서, [eqn: K _{AE}] : 지진시 주동토압계수로서

[eqn: K _{PE} = {cos ^{2} ( phi- theta- beta)} over {cos thetacos ^{2} beta`cos( delta+ beta+ theta)[1+ sqrt {{sin( phi+ delta)sin( phi- theta-i)} over {cos( delta+ beta+ theta)cos(i- beta)} ] ^{2}}}]  식(4.23)

나. 수동토압

[eqn: P _{PE} = {1} over {2} gammaH ^{2} (1-K _{v} )K _{PE}]	식(4.24)

여기서, [eqn: K _{PE}] : 지진시 수동토압계수로서

[eqn: K _{PE} = {cos ^{2} ( phi- theta- beta)} over {cos thetacos ^{2} beta`cos( delta+ beta+ theta)[1- sqrt {{sin( phi- delta)sin( phi- theta+i)} over {cos( delta- beta+ theta)cos(i- beta)} ] ^{2}}}]  식(4.25)

[eqn: gamma] : 흙의 단위체적중량	[eqn: K _{h}] : 수평가속도

[eqn: H] : 옹벽높이	[eqn: K _{v}] : 연직가속도

[eqn: phi] : 흙의 내부마찰각	i : 뒤채움흙의 경사각

[eqn: theta] : [eqn: tan ^{-1} ( {K _{h}} over {1-K _{v}} )]	[eqn: beta] : 옹벽배면의 연직에 대한 각

[eqn: delta] : 흙과 옹벽사이의 마찰각

다. U-Type 구조물 및 옹벽에 토압의 합력이 작용하는 높이 [eqn: h _{a}]는 토압의 정적분력이 하면으로부터 H/3에 작용하고 지진에 의한 추가적인 동적영향이 0.6H의 높이에 작용한다고 가정하여 구할 수 있다. 그러나 대부분의 경우에는 토압이 균등하게 분포되어 있고 [eqn: h _{a}]를 H/2로 가정하는 것으로 충분하다.

주동 쐐기

EAE

옹벽

파괴면

(1-)W

(1-)W

옹벽

주동 쐐기

EAE

파괴면

i

H

EAE

R

그림 4.3.9 주동쐐기에 작용하는 힘의 도식도

2. 수평가속도의 결정

가. 영구변위를 허용하는 경우

경제적인 구조물이 되기 위해서는 변위가 전혀 발생하지 않도록 설계하기보다는 작은 허용변위에 대해 설계하는 것이 좋다. 일반적으로 U-Type 구조물 및 옹벽의 설계허용수평변위를 [eqn: 254C _{a} ·I] (mm) 이내로 하는 경우에는 수평가속도를 [eqn: 0.5C _{a} ·I] 로 적용하여 Mononobe-Okabe 해석방법으로 토압을 계산한다.

나. 영구변위를 허용하지 않는 경우

영구변위를 허용하지 않는 경우의 U-Type 구조물 및 옹벽(기초가 경사말뚝이나 타이백으로 지지되어 있어 구속된 경우)에는 수평가속도를 [eqn: 1.5C_a ·I] 로 적용하여 Mononobe-Okabe 해석방법으로 토압을 계산한다.

3. 수직가속도[eqn: (K _{v} )]의 결정

특별한 요구가 없는 한 수직가속도[eqn: (K _{v} )]는 0으로 본다.

U-Type 구조물 및 옹벽의 내진성능 평가요령은 “기존시설물(기초 및 지반) 내진성능 평가요령”에 내용을 통합 정리함(1.1의 1항 참조)

4.3.2 응답이력해석법

1. 응답이력해석법을 사용하여 터널 구조물을 해석하고 하기 위해서는 지진하중을 산정하는 것이 무엇보다 중요하다. 지진하중(가속도)의 시간이력은 내진등급에 해당하는 기능수행수준 및 붕괴방지수준을 만족할 수 있는 평균재현주기를 가진 지반운동이 되어야 한다. 응답이력해석시 적용하는 성능평가지진은 내진 일반기준 (KDS 17 10 00)에 기반하여 산정한다. 응답이력해석은 시간영역에서 직접적분법에 의하여 해석을 수행하므로 성능평가지진이 응답스펙트럼을 만족하여도 가속도 시간이력 특성에 따라 그 결과가 상이하게 나타날 수 있으므로 실지진 기록을 적용하는 것을 권장하며 이 때, 3개의 서로 다른 실지진기록을 사용하는 것을 추천한다.

2. 응답이력해석을 위한 구조물의 해석모델은 지반운동에 대한 구조물의 동적응답 크기와 특성을 충분히 고려할 수 있도록 구조물의 질량과 강성의 공간적인 분포를 적절하게 대표할 수 있어야 한다.

3. 지반의 유연성이 매우 높아서 구조물의 동적응답에 미치는 영향이 무시될 수 없는 경우에는 지반-구조물 상호작용을 적절하게 고려할 수 있도록 지반을 역학적으로 모델링하여야 한다.

4. 구조물의 붕괴기구(Collapse Mechanism)의 확인을 위하여, 소성힌지(Plastic Hinge)발현이 가능한 구조요소를 적용할 수 있어야 한다.

[해설] 구조물 일부영역의 파괴가 반드시 전체 구조물의 붕괴(Collapse)을 유발하지는 않는다. 따라서, 소성힌지 거동이 가능한 구조요소의 적용으로 소성힌지 발현에 따른 모멘트 재분배과정(Re-distribution of Bending Moment)과 붕괴기구를 확인할 수 있다. 이를 위하여, 터널 구조체를 압축력과 휨을 동시에 받는 부재로 모델링 할 수 있으며, 지진 후 구조물의 소성파괴 여부 및 붕괴여부 판단 만으로 내진성능의 평가가 가능하다. 이때, 구조물의 평가내하력은 성능곡선으로 정의되어야 한다.

반면, 터널 구조물을 선형탄성 구조요소로 모델링 하는 경우, 전체 구조요소의 시간

대별 부재력을 추적·기록하여, 해석종료 후 합성응력에 대한 내하력평가는 별도로

이루어져야 한다. 또한, 구조물의 소성변형을 고려하기 위한 응답수정계수의 적용  등 가정사항이 필요함에 따라, 본 요령에서는 응답이력해석을 수행함에 있어서 구조물의 선형탄성모델링은 추천하지 않는다.

5. 응답이력해석시 구조물 혹은 지반의 감쇠특성이 적절히 모델링되어야 한다.

6. 응답이력해석법은 주로 수치해석법이 사용되는데 크게 유한요소해석법(Finite Element Method, FEM)과 유한차분해석법(Finite Difference Method)으로 구분할 수 있다.

[해설] 지진하중에 대한 구조물의 동적거동을 나타내는데 사용되는 운동방정식은 다음과 같다.

[eqn: [M] LEFT { {ddot{u}} RIGHT } +[C] LEFT { {dot{u}} RIGHT } +[K] LEFT { u RIGHT } =-[M]` LEFT { I RIGHT } ` {ddot{u _{g}}}]해설식(4.16)

dfdf

응답이력해석은 궁극적으로 해설식(4.16)과 같은 운동방정식의 해를 구하는 것이다. 이 방정식의 해를 구하는 방법에는 첫째, 직접 수치해석을 행하는 방법(직접적분법, Direct integration method)과 둘째, 해설식(4.16)을 서로 무관한(Uncoupled) 모드별 미분방정식으로 변환(분리)시켜 풀고 각 모드별 해를 중첩하는 방법(모드중첩법, Mode superpositon method) 등이 있다. 이러한 응답이력해석법을 구현하여 구조물의 동적 응답을 구하기 위하여 주로 수치해석법이 사용되는데 크게 유한요소해석법(Finite Element Method, FEM)과 유한차분해석법(Finite Difference Method)으로 구분할 수 있다.

가. 유한요소해석

[해설] 해석하고자 하는 대상을 유한개의 요소(Element)로 분할하여 분할된 각 요소의 절점(Node)에서의 연속성 이용하여 절점해를 구하는 해석법이다. 대략적으로 절점 수와 절점에서의 자유도 수를 곱한 개수만큼의 미지수가 발생하고 이에 대한 연립방정식을 풀어 해를 구하게 된다(음해법). 해석 원리상 요소의 크기를 작게 구성할수록 이론해에 가까운 값을 얻을 수 있으나 요소의 크기와 형태를 결정하는 것은 사용자의 경험에 의존하는 편이다.

유한요소해석은 복잡하고 다양한 지반 및 구조물의 형태를 실제와 유사하게 모사할 수 있고 지반의 불균질성을 반영할 수 있다. 그러나 요소들 사이의 관계를 미분방정식으로 공식화한 후 이에 대응하는 연립방정식을 풀어 미지의 값을 구하므로 전체 구조물계에 대한 대규모 계산이 필요하게 된다. 따라서 유한요소해석을 위하여 대용량의 저장소와 고도화된 연산 알고리즘을 갖추는 것이 유리하다.

(a) 유한요소망(예)                (b) 유한요소해석결과(예)

해설그림 4.3.12 유한요소해석(예)

일반적으로 유한요소해석은 다음과 같은 절차로 진행된다.

(1) 모델링

대상문제의 영역을 결정하고 요소화하는 과정을 말한다. 통상적으로 모델링의 범위는 해석하고자 하는 대상을 포함하여 외부영향이 미치는 범위 이상으로 충분한 크기의 영역을 설정하여야 한다. 요소화된 모델 조각을 메쉬(mesh)라 하며 그 형태는 가능한 한 실제에 가깝게 모델링하여야 한다.

(2) 지반 및 구조모델의 선정

지반 및 구조물의 거동은 응력-변형률 관계를 정의하는 구성방정식을 적용하여 모사할 수 있다. 대부분의 유한요소해석 프로그램은 다양한 구성방정식을 라이브러리화 하여 제공하고 있으므로 해석 목적과 조건에 따라 적절한 구성방정식을 선정하여야 한다.

(3) 경계조건 및 해석조건 설정

해석 영역의 경계면에서의 구속조건, 모델 내 각종 하중조건, 배수조건 및 시공과정 등 모사하고자 하는 다양한 조건들을 유한요소모델에 적용한다.

(4) 해석 수행 및 후처리

해석 프로그램의 연산기(solver)를 구동시켜 해석을 수행하고 그 결과를 다양한 후처리 프로세서를 적용하여 데이터, 등고선, 벡터도, 그래프 등으로 확인한다.

나. 유한차분해석

[해설] 해석하고자 하는 대상을 절점으로 연결된 유한개의 요소(Element)로 분할하여 모델링한다는 점은 유한요소해석법과 유사하나, 미지수를 구하는 방법이 양해법(Explicit method)이라는 점이 다르다. 이 방법은 연속체에서의 Newton 운동방정식(해설식 (4.17))을 이용하여 미지 절점의 가속도를 먼저 계산하고 매우 작은 시간간격(Time step)에 대해 적분하여 속도를 구하고, 다시 이를 적분하여 변위(Displacement)를 구하게 된다. 구한 속도와 변위를 재료의 구성방정식(해설식 (4.18, 4.19))을 이용하여 응력 및 힘을 계산한 후 이를 다시 미지 절점의 가속도 계산에 활용하는 순환구조를 가진다(해설그림 4.3.13 참조). 즉 기지의 값으로부터 미지의 값을 순차적으로 추정하므로 양해법이라 한다. 따라서 유한차분해석법에서는 전체 미지수에 대한 연립방정식의 해를 역행렬을 구성하여 한꺼번에 계산할 필요가 없으므로 컴퓨터의 메모리, CPU의 속도 등의 제약이 유한요소해석법에 비해 적은 편이나 수렴에 이르는 시간이 오래 걸리게 된다.

[eqn: rho {Partial {dot{u _{i}}}} over {Partialt} `=` {Partial sigma _{ij}} over {Partialx _{j}} `+` rhog _{i}]                    해설식(4.17)

여기서, [eqn: rho] : 재료의 밀도

[eqn: t] : 시간

[eqn: x _{i}] : 좌표계 벡터 요소

[eqn: g _{i}] : 중력가속도 요소

[eqn: sigma _{ij}] : 응력텐서 요소

[eqn: sigma _{ij} ``:=`M``( sigma _{ij} ,`` {dot{e _{ij}}} ,`` kappa`)]                     해설식(4.18)

[eqn: sigma _{ij} `:=` sigma _{ij} ``+` LEFT { delta _{ij} ``(K``-` {2} over {3} G)` {dot{e _{kk}}} ``+`2`G`` {dot{e _{ij}}} RIGHT } `` TRIANGLEt]         해설식(4.19)

여기서, [eqn: M``(```)] : 구성방정식

[eqn: kappa] : 이력변수

[eqn: :=] : 대체

[eqn: delta _{ij}] : 크로네커델타

[eqn: TRIANGLEt] : 시간증분

[eqn: G] : 전단탄성계수

[eqn: K] : 체적탄성계수

이며, 해설식(4.19)는 일반식인 해설식(4.18)에서 재료가 등방, 탄성일 경우를 텐서식의 형태로 표현한 것이다.

해설그림 4.3.13 양해법의 순환구조

(a) 유한차분해석망(예)             (b) 유한차분해석결과(예)

해설그림 4.3.14 유한차분해석(예)

응답이력해석시 입력물성은 일반적으로 지반 및 터널 구조물의 동적응답거동을 고려하므로 [4.3.1 응답변위법] 2 항을 참조하여 동적물성을 적용한다. 일반적으로 지반은 탄소성 모델(Mohr-Coulomb model 등)을 적용하고 숏크리트, 록볼트 등 터널 구조물은 탄성 모델(Elastic model)을 적용하며 일반적인 예는 다음 표와 같다. 응답이력해석시 해석 과정 및 연산과정에 비해 입력물성은 매우 단순하므로 가능한 한 세분화하여 입력하고, 실내시험 또는 현장시험 등을 통하여 신뢰성 있는 값을 도출하여 적용하는 것이 바람직하다.

해설표 4.3.2 응답이력해석의 입력물성

구성모델	입력물성	비 고
탄소성 모델	변형계수	동적물성 적용
	포아송비	동적물성 적용
	점착력
	내부마찰각
	단위중량
탄성 모델	탄성계수	동적물성 적용
	포아송비	동적물성 적용
	단위중량

응답이력해석시 경계조건은 경계면에서의 중복반사파 영향을 최소화하기 위하여 좌우면 흡수경계(Quiet boundary) 또는 자유장경계(Free-field boundary)를 적용하게 된다. 흡수경계는 경계면과 접선방향 및 직각방향으로 완충요소(Dashpot)를 고려하는 경계이고 자유장경계는 완충요소를 고려함과 더불어 경계면의 불균형력을 추가로 고려하는 개념이다. 수평 및 수직방향의 모델링 범위는 터널 구조물의 굴착 및 시공에 따른 응력변화의 영향이 미치지 않는 범위까지 설정되어야 한다.

해설그림 4.3.15 경계조건 적용(예)

동적하중은 일반적으로 힘(응력) 또는 가속도 등의 값로 입력되는데 지진하중의 경우 요소망 하부 경계면에 시간이력의 형태로 가해지게 되므로 응답이력해석 결과 원하는 지점에서 시간에 따른 응답거동을 파악할 수 있다. 터널 내진해석에서는 주로 천단 및 내공변위, 콘크리트라이닝 최대휨압축응력, 전단응력, 록볼트 축력 등에 대한 시간이력을 계산하여 허용치와 비교하게 된다.

(a) 최대휨압축응력 시간이력          (a) 최대전단응력 시간이력

해설그림 4.3.16 유한차분해석결과(콘크리트라이닝 응력 (예))

본 절의 U-Type 구조물 및 옹벽의 내진성능 평가요령은 기존시설물 (기초 및 지반) 내진성능 평가요령 참조할 수 있다.

기존 시간이력해석 부분을 개정된 응답이력해석으로 수정하고 유한요소해석 및 유한차분해석으로 나누어 상세히 기술

4.3.3 액상화

1. 액상화 발생 가능성에 대한 평가는 [KDS 17 10 00 (4.7)]과　[기존시설물(기초및지반)내진성능평가요령]을 준용한다.

2. 주변지반의 액상화 발생 가능성이 있는 경우, 개착터널의 부상(浮上)에 대한 안전성을 검토한다. [KDS 17 10 00 (4.7)]과　[기존시설물(공동구)내진성능평가요령]을 준용한다.

액상화 검토 관련내용을 추가하고 KDS 17 10 00 등을 참조토록 함

제 5 장 내진성능 평가보고서 구성

5.1 문장 및 보고서의 작성

5.1.1 문장

보고서의 문장은 간결하여야 하며 전후의 연결관계가 명확하여야 한다.

5.1.2 보고서

객관적인 자료수집과 분석 그리고 결론으로 이루어져야 한다. 대상 터널 구조물에 대한 사항과 이론서 및 전문서, 연구보고서의 내용을 구별하여야 한다.

5.1.3 편집

편집순서는 다음을 따른다.

1. 표지

2. 속표지

3. 대상시설물 전경사진

4. 제출문

5. 참여기술진

6. 요약

7. 목차

8. 표목차

9. 그림목차

10. 본문

11. 참고문헌

12. 부록

13. 서지자료

5.2 현황보고서 구성

현황조사는 부록C의 <내진점검표>에 대한 조사 및 작업을 필요로 하며 보고서 구성은 다음과 같아야 한다.

1. 일반사항

2. 조사범위

3. 주요부재별 조사결과

4. 주요부재별 요약

5. 도면분석결과

6. 재료강도평가

7. 부록

5.3 예비평가 보고서

입력자료와 예비평가 분석표로 구성된다. 평가보고서의 구성은 다음을 따른다.

1. 일반사항

2. 현장평가분석

3. 지진도 평가

4. 취약도 평가

5. 영향도 평가

6. 내진그룹의 결정

7. 평가

5.4 상세평가 보고서

1. 일반사항

2. 평가기준 및 성능수준별 하중조합

3. 내진안정성 평가

4. 평가

제 5 장 내진성능 평가보고서 구성

5.1 문장 및 보고서의 작성

5.1.1 문장

보고서의 문장은 간결하여야 하며 전후의 연결관계가 명확하여야 한다.

5.1.2 보고서

객관적인 자료수집과 분석 그리고 결론으로 이루어져야 한다. 대상 터널 구조물에 대한 사항과 이론서 및 전문서, 연구보고서의 내용을 구별하여야 한다.

5.1.3 편집

편집순서는 다음을 따른다.

1. 표지

2. 속표지

3. 대상시설물 전경사진

4. 제출문

5. 참여기술진

6. 요약

7. 목차

8. 표목차

9. 그림목차

10. 본문

11. 참고문헌

12. 부록

13. 서지자료

5.2 현황보고서 구성

현황조사는 부록C의 <내진점검표>에 대한 조사 및 작업을 필요로 하며 보고서 구성은 다음과 같아야 한다.

1. 일반사항

2. 조사범위

3. 주요부재별 조사결과

4. 주요부재별 요약

5. 도면분석결과

6. 재료강도평가

7. 부록

5.3 예비평가 보고서

입력자료와 예비평가 분석표로 구성된다. 평가보고서의 구성은 다음을 따른다.

1. 일반사항

2. 현장평가분석

3. 지진도 평가

4. 취약도 평가

5. 영향도 평가

6. 내진그룹의 결정

7. 평가

5.4 상세평가 보고서

1. 일반사항

2. 평가기준 및 성능수준별 하중조합

3. 내진안정성 평가

4. 평가