내진설계(내진공학)

본문내용

내진설계
(1) 내진설계상의 지반면
1. 개요
내진 설계상의 지반면이란 내진설계에 대해 설계 수평진도에 의한 관성력을 고려할 필요가 없는 지반의 표면을 가리킨다. 지진 구조물 응답에서 내진 지반면 이하의 구조물 부분에 대해서는 地震動에 의한 관성력의 영향이 무시할 수 있다고 되어 있다.
도로에서는 내진 설계 지반면은 설계지반면으로 하고 있다. 단, 내진설계 토질정수를 0 이라 하는 토층(내진설계 지지력을 무시하는 토층)이 있는 경우는 그 층의 下面을 내진설계 지반면으로 하고 있다. 그림 19.39가 교각의 내진지반면의 설명도이다.
국철에서는 내진설계 지반면은 내진설계 지지력를 무시하는 토층인 경우를 제외하고 직접기초, 말뚝기초에 대해서는 후팅 下面, 케이슨 기초에 대해서 頂版尖端 또는 세굴을 고려한 지반면이 낮은 편으로 되어 있다. 단, 내진설계상 지반구분이 보통 지반(19.5(1) 참조)에 해당될 경우에는 내진설계 지반면에서 위쪽 지반에 있는 기초부분에 대해서는 그것이 배제된 흙의 중량의 증가중량에 설계 수평진도를 곱한 관성력을 고려하도록 되어 있다(그림 19.40).
(2) 설계진도
1. 진도법에 대한 설계 구평진도
도로교인 경우 내진설계 지반면에서 하부구조 尖端까지의 높이가 15 m 이하인 경우는 진도법에 의한 설계수평진도를 이용하고 다음 식에 의해 구한다.
중요도 구분의 적용은 일반적으로 1급은 1등교, 2급은 2등교로 하고 있다.
국철에서는 교량 고유주기가 0.3 s 이하의 것은 강구조로 하고, 진도법으로 구한다. 이 때 설계 수평진도는 다음 식에 의해 구한다.
설계 연직진도는 도로, 국철에서의 교량 기초설계에는 고려할 필요가 없다.
2. 수정진도법에 대한 설계 수평진도
도로교인 경우 응답을 고려한 수정진도법에 대한 설계 수평진도는 다음 식에 의해 구할 수 있다.
교량의 고유주기는 교량전체 구조계를 1기의 하부구조와 그것에 지지하고 있는 상부구조부분을 단위로 하는 구조계로 분할하고 다음 식으로 구한다.
단, 는 구조계에 대응하는 그림 19.45의 위치가 되고, 기초의 수평변위, 회전변위의 영향도 고려한다.
국철에서는 수정진도법에 이용되는 설계수평진도는 다음 식에 의한다.
여기서, : 지반 특성에 따라 정하는 구조물의 응답 특성의 보정계수(그림 19.46)
그 외 기호는 식 (19.45)과 같다.
교량의 고유주기는 0.1의 수평진도가 작용할 때의 교각 尖端에 대한 수평변위량에서 표- 19.37의 계산식에 의해 구한다.
(3) 내진설계외 기본 방침
1. 내진설계의 기본 방침
교량의 내진설계는 지진의 영향에 대한 안전성의 확보를 목적으로 하고 있고, 지형, 지반 등의 조건, 교량전체의 구조특성, 과거의 지진피해, 중요도 및 입지조건 등을 고려할 필요가 있다.
도로교에서는 원칙으로서 내진설계법을 다음 두 가지로 분류하고 있다.
① 震度法(진도법) : 비교적 강성이 크고 地震動(지진동)에 대한 응답특성이 이미 확인되고 있는 교량을 대상으로 한다.
② 응답을 고려한 수정진도법 : 固有周期가 비교적 長周期이고, 고유주기를 구할 수 있으면 지진동에 대한 응답특성을 추정할 수 있는 교량을 대상으로 한다.
이상의 분류가 기본이지만, 대규모에서 지진시의 거동이 복잡한 교량, 또는 과거에 强震時 거동이 관측되지 않은 新型 교량은 동적 해석에 의해 안전성을 검토한다.
③ 동적 해석법 : 동적 해석은 응답스펙트럼법과 時刻歷응답해석법이 있다. 응답스펙트럼법은 적절한 역학모델을 세워서 교량의 지진응답을 지배하는 중요한 진동모드에 대해 응답스펙트럼에서 응답치가 주어짐으로 인해 비교적 적은 설계시간에서 응답을 추산할 수 있고 설계지진 입력은 교량지점의 지반조건에 적절한 과거의 강진 기록에서 산출한 응답스펙트럼 또는 복잡한 응답스펙트럼을 평균하여 산출한 평균응답스펙트럼을 이용한다. 時刻歷응답해석법은 주어진 지진동 입력에 대해 시시 각각의 교량의 응답을 精算할 수 있고, 설계지진 입력은 架橋지점의 지반조건에 적절한 과거의 강진기록 중에서 교량의 특성 및 地震動의 특성을 고려하여 추정한다. 동적 해석에 대한 교량전체의 안전성을 조사하는 것이 주목적이고 각 부재에 대해서는 소성영역에서 변형성능의 평가를 할 필요가 있다.
지진설계상 지반 종류는 지반의 특성치 (표층지반 고유주기)에서 표-19.26으로 구분하고 있다. 는 다음 식으로 산출한다.
에 관계없이 근사적으로 지반종류를 구분하기 위해 그림 19.31을 제시하였다.
도로에서는 지반 종류에 대해 교량의 지진피해 輕重 등의 경험상의 배려에서 토목학회, 건축학회 등 지반분류나 보정치를 참조하여 연약한 지반일수록 설계수평진도가 높아지는 보정방법을 사용하고 있다. 한편 국철에서는 내진설계지침(案)(1979년 9월)12)에서 새로운 내진설계법을 도입하고 있다. 기본적으로는 진도법과 수정진도법이 있다. 그러나 표층지반이 연약한 경우 基盤에 대한 표층의 상대변위가 크게 되어, 교량기초에 미치는 영향이 커져서 지표면의 蛇行(사행) 변위(표면파의 영향)도 열차의 주행안전에 중요한 요소가 되기 때문에 지진시 지반변위를 고려한 지진설계법, 즉 응답변위법을 사용하고 있다. 응답변위법으로 할 것인지 안할 것인지는 지층지반을 보통지반과 특수지반으로 구분하고 후자인 경우에는 응답변위법으로 하도록 되어 있다.
특수지반의 판단은 그림 19.32의 순서도 및 표-19.27의 순서로 한다. 또한 응답변위법을 포함한 국철의 내진설계 시스템을 그림 19.33에 나타낸다. 응답변위법에 있어서 지반상태를 그림 19.34와 같이 분류하면 지반변위의 연직방향 분포는 그림 19.35와 같다.
또 지표면의 지진동 파장은 다음 식으로 구할 수 있다.
이상으로 교량기초는 지반변위와 그 연직방향의 분포에 대해 응력의 검토가 필요하고 지반변위와 파장에서 기초상호의 상대변위량을 구할 수 있어야 하고, 허용변위량에 대한 검토를 하게 된다. 철도교에서도 장주기 교량(1차 고유주기가 2초 이상)은 동적 해석을 하게 되고 그 때 동적 해석법은 도로교와 마찬가지로 응답스펙트럼법과 時刻歷응답해석법으로 나타낼 수 있다.