널말뚝식 안벽의 내진설계

널말뚝식 안벽의 내진설계

지진 시 널말뚝식 안벽(소형선 부두를 포함)의 안정성의 검토는 설계지진력하에서의 등가정적해석법 등을 사용하며 근입 깊이, 부재력, 전도, 활동, 변위 및 원호활동 등에 대하여 검토합니다.

널말뚝식 안벽의 구조형식에 따라 중력식 안벽, 잔교식 안벽 등의 규정에 준하여 내진안정성 검토를 수행합니다.

 

벽체구조물에 대한 내진해석방법으로는 등가정적해석법, 동적해석법 등이 있습니다. 등가정적해석법은 지진하중에 의해 작용되는 토압 및 수압을 등가정적 하중으로 대치하여 정적해석을 수행하는 방법이고, 동적해석법은 지진 시 벽체구조물의 변형 등을 산정하기 위하여 시간이력 해석을 수행하는 방법입니다. 우리는 일반적으로 구조물의 중요도에 따라 내진 등급을 각각 부여하고, 내진등급에 따라 해석방법을 각각 달리합니다. 널말뚝식 안벽 구조물의 내진등급별 해석방법은 다음 표와 같습니다.

이 기준에서 규정하는 항만시설물의 내진성능수준은 최소한의 요구조건으로 시설물에 따라서는 보다 강화된 내진성능수준을 요구할 수 있습니다. 이 경우 설계자는 이론적 또는 실험적으로 신뢰성이 확보된 보다 발전된 설계기법으로 성능기반 내진설계를 수행할 수 있습니다.

 

등가정적해석법으로 벽체구조물의 안정을 평가하기 위하여 정적하중, 지진 시 토압증가, 지진 시 수압증가, 관성력 등을 결정하여야 하며, 이들 하중이 동일한 방향으로 작용된다고 가정합니다.

 

외국의 항만구조물 지진피해사례를 보면, 피해상황의 주원인이 지반의 액상화임을 알 수 있습니다. 따라서 우선적으로 액상화 평가수행을 통해 지반의 안정성을 확보하여야 합니다. 이 것은 우리나라에서도 종종 일어나는 현상이므로 개인적으로도 필수라고 생각합니다.

 

앵커지지식 널말뚝을 등가정적해석법으로 설계하는 방법은 자유단 지지법과 Rowe의 모멘트 감소법의 병행시행을 추천하며 설계과정은 아래와 같습니다.

1. 정적하중조건에 대하여 앵커지지식 널말뚝은 안정해야 합니다.

2. 벽체 배면 지반과 전면지반의 하중조합(동토압, 정수압, 동수압 등)을 계산합니다. 이때 주동 및 수동영역의 원점은 벽체의 바닥으로 가정합니다.

3. 벽체의 Tie-rod의 연결점에 대한 휨모멘트를 계산하여 벽체의 최소관입깊이를 계산합니다.

4. 벽체에 작용하는 수평방향 힘의 평형을 고려하여 앵커가 부담하여야 할 저항력을 계산합니다. 계산된 앵커의 저항력은 자유단지지 앵커 저항력이고 합니다.

5. 벽체의 깊이별 휨모멘트의 분포를 계산합니다. 이때 계산된 최대 휨모멘트를 자유단지지 모멘트라고 합니다.

6. 자유단지지 모멘트와 Rowe가 제안한 모멘트 감소계수의 곱으로 설계 휨모멘트를 계산합니다.

7. 계산된 자유단지지 앵커 저항력에 안전율을 고려하여 설계하중을 결정합니다.

8. 앵커블록의 양측에 걸리는 수동토압, 주동토압 및 수압을 고려한 수평방향 힘의 평형 방정식을 만족시키는 앵커 블록의 최소 크기를 결정합니다.

9. Eurocode에 의하면 벽체 배면 지반의 주동쐐기가 앵커 블록의 전면에 작용하는 수동쐐기와 만나지 않도록 벽체로부터 충분한 거리를 두고 앵커 블록을 설치합니다. 지진하중조건의 주동 및 수동 파괴면이 정적하중조건에서보다 편평하기 때문에 Tie-rod는 설계 시 정적하중조건에 의한 설계보다 상당히 길게 계산되어져야 합니다. 이 점 명심하시길 바랍니다.

벽체로부터 앵커까지의 거리 Le는 정적하중을 위해 요구되는 거리 Ls보다 커야합니다. 이 거리는 아래 식으로 산정할 수 있습니다.

Le = Ls(1+1.5*Amax)

10. 등가정적해석법 설계가 수행된 후 Gazetas 등의 방법을 이용하여 설계결과를 평가할 수 있습니다.

 

동적해석법은 해석 시 모형이 복잡하고, 시간이 오래 걸리는 단점이 있지만 다양한 수치해석 모델의 적용이 가능하고 지진파의 시간이력 특성을 고려한 변형 해석이 가능하므로 중요 구조물인 1등급 구조물에서는 동적해석을 수행하는 것이 바람직합니다.

동적해석 시 기반암 상부의 모든 지반과 구조물을 모델링하여 해석하거나 기반암에서 기초지반까지는 1차원 동적응답해석을 수행한 후 기초지반 상부를 모델링하여 해석할 수 있습니다.

 

지금까지 널말뚝식 안벽의 내진설계에 대하여 알아보았습니다. 내진설계에 대해서는 저도 처음인지라 단어도 낯설고 이해하기가 쉽지가 않습니다. 여러 전문서적을 읽어보는 것이 좋을 것 같습니다. 우리나라도 지진에서 안전하지 않은 만큼 꼭 알아두는 것이 좋겠습니다.