터널 내진설계

1. 내진설계 일반

(1) 터널의 내진설계는 지진 시 구조물의 기능 마비로 인한 사회적 간접피해 및 재산피 해를 최소화하여야 한다.

(2) 내진설계 시 국내의 중약지진특성에 맞는 설계지진규모를 반영하도록 하여야 한다. 터널은 지상구조물과는 다르게 지하의 풍화암 이상의 암질이 좋은 곳에 시공됨으로 대부분 일체 거동한다고 가정하여 지상구조물과는 다른 내진설계를 하여야 한다. 터 널의 내진설계에 대해서는 각 공종별 형태 및 지반의 특성, 지진파의 형태와 터널의 방향에 따른 구조물의 거동양상 등에 따라 지진의 영향을 받을 것으로 예상된다. 다 음의 경우에는 철도터널의 안정성 증진을 위하여 내진설계를 수행하여야 한다.

① 토피가 얇고 지반이 연약한 터널의 갱구부, 주요 구조물 접속부 구간

② 갱구부 비탈면의 불안정에 따른 편토압 발생구간

③ 단층대 및 파쇄대, 지층구조가 급변하는 계곡부 통과구간

④ 액상화가 우려되는 연약지반 내 터널구간

 

 

2. 내진설계 방법

(1) 철도터널은 그 중요성 때문에 성능수준을 결정할 때 붕괴방지수준의 내진설계를 하 도록 하여야 한다. 여기서 붕괴방지 수준을 정의하면 다음과 같다. 설계지진하중 발 생 후 터널에 붕괴가 발생하지 않는 정도의 제한적인 구조적 피해는 허용되나 터널 의 전체적인 붕괴는 허용하지 않고 긴급보수를 통해 터널의 기능을 회복할 수 있는 수준이다. 내진설계는『해설 1의 1항』에 정리된 조건에 부합하는 경우만 수행하여 야 한다.

(2) 철도터널은 지진 시 그 중요성에 따라 내진 1등급 또는 2등급 붕괴방지수준을 만족 하도록 설계되어야 한다.

(3) 붕괴방지 수준에서는 구조물의 응답을 등가선형 또는 비선형 거동특성을 고려할 수 있는 해석방법을 이용하여 설계하여야 한다.

 

2.1 해석방법

 

유사정적해석법

구 분	진 도법	응 답변위법
내 용	ㆍ지진에 의한하중을 구조물에정적 으로 작용시켜계산하는방법 ㆍ지반에 따라구조물에 발생하는지 진력은 지반의가속도에따라구조 물의 각부분에발생하는관성력이 라 가정할수있으며이가속도를 중력가속도로 제한한 것을진도라 칭함 ㆍ구조물에 발생하는 시간에 따라변 동하는 구조물의 가속도응답치를 무차원화한 것이지만 간편함을 위 하여 진도법에서는 이를일종의 값 으로 가정.	ㆍ지반의 전단진동에 따른 변위를지 반속에 위치한터널에입력함에 따 라 터널의변형과응력을산정 ㆍ지진시 지층지반의 변위는 일반적 으로 수평변위를 대상으로하고 응 답 스펙트럼에서 계산식으로 구한 방법과 유한요소법 등의진동모델 에서 진동파형을 입력해서구하는 방법이 있음

 

 

동적해석법

구 분	시간이력응답해석	응답스펙트럼해석
	ㆍ해석대상 구조물이나 지반을 포함 한 진동계의적절한모델을선정하 고 대상내입력점에가속도의시간 이력을 입력. ㆍ시간이력 응답해석에서는 1/100∼ 1/500초 정도의 시간간격에 따라 운동방정식을 해석하고 응답의 시 간이력을 정함 응답스펙트럼해석 ㆍ보다 엄밀한 해석이 필요한경우와 비선형응답해석을 수행하는 경우에 적용.	ㆍ응답스펙트럼에 기초하는 설계 스 펙트럼을 사용 ㆍ구조물의 탁월 고유진동주기 뿐만 아니라 지반과의 상호작용을 고려 한 전체시스템의탁월주기등을 고려하고 복수의 모드에대해응답 폭을 산정하여각모드에대한응 답치 제곱합의평방근을사용하는 경우가 많음

 

2.1.1 응답변위법

ㆍ응답스펙트럼에 기초하는 설계 스 펙트럼을 사용 ㆍ구조물의 탁월 고유진동주기 뿐만 아니라 지반과의 상호작용을 고려 한 전체시스템의탁월주기등을 고려하고 복수의 모드에대해응답 폭을 산정하여각모드에대한응 답치 제곱합의평방근을사용하는 경우가 많음 응답변위법에 의한 구조해석은 구조물 및 지반에 대한 모형화 과정을 거쳐 응답치 를 산출한 후 내진성능 평가를 실시하여야 한다. 일반적으로 지하구조물은 관성력의 영향의 큰 상부구조물과는 달리 주변지반의 거동에 지배되는 거동특성을 나타내기 때문에 주변지반의 동적인 거동만 정밀도 높게 예측할 수 있다면 응답변위법 등의 유사정적해석에 의해서도 응답치를 비교적 정확히 산정할 수가 있다.

 

2.1.2 간이응답변위법

일반적인 규모의 철도터널에 있어서 지반조건 및 구조가 단순한 경우에는 간이응답 변위법에 의해 응답치를 산정할 수 있다. 예를 들어 일반적인 규모의 터널에서 구조 물 측방이 균일하다고 간주되는 비교적 단순한 지반조건의 경우에는 간이응답변위법 에 따라 내진성능 평가를 실시하여야 한다. 철

 

2.1.3 동적해석법

동적해석법에 의한 응답치는 구조물 및 지반을 일체로 한 해석 모델에 의해 산정하 는 것을 말하며 구조물 및 지반의 비선형성을 함께 고려할 수도 있다. 지하구조물이 교각과 건축물을 지지하는 경우와 단독이라도 극단적으로 폭이 넓은 경우 또는 다 층구조에서 높이가 높은 경우 등의 복잡한 구조인 경우, 또는 지반구성이 복잡한 경 우 등은 동적 해석에 의한 검토를 수행하는 것이 바람직하다. 동적 해석에는 크게 축차적분법에 의한 방법과 등가선형화법에 의한 방법이 있다. 지하구조물의 거동은 주변지반에 크게 영향을 받기 때문에 지반의 해석정밀도가 중요하다.

(1) 수치해석 프로그램

(2) 해석영역 및 경계조건

① 자유장 경계조건(Free-Field Boundary Condition)

② 감쇠 경계조건(Quiet or Viscous Boundary Condition)

③ 역학적인 감쇠비의 설정

(3) 철도터널의 내진설계 과정

① 대상 구조물 및 해석 위치 선정

② 설계지반운동의 결정

③ 철도터널 내진해석

 

 

 

2.2 내진설계를 위한 조사 및 시험

해석과정 중 필요한 지반특성을 파악하기 위해 필요한 조사와 시험을 실시하여야 한다. 조사의 항목에는 지층의 구성 및 각 지층별 공학적 특성 파악, 지하수위 측정 등이 포함되어야 하며 필요시 지반의 동적 특성 시험도 실시하는 등, 지형 및 지반 조건의 변화가 지반운동에 미치는 영향이 고려되어야 한다. 한편, 내진해석을 위한 지반운동에 대해서는 터널의 길이방향과 횡방향의 지반운동 영향이 고려되어야 하 며, 지반운동의 공간적 변화 특성도 함께 고려되어야 한다.

 

 

2.3 입력 지반운동의 선택

해석 및 설계에 사용되는 입력지반운동은 내진등급별 평균재현 주기를 가진 지반운 동을 사용하여야 한다. 설계지반운동은 응답스펙트럼해석법의 경우 설계 응답스펙트 럼, 그리고 시간이력해석법의 경우 설계가속도 시간이력을 적용하여야 한다. 설계응 답 스펙트럼은 지표면 지반운동에 대한 단일 자유도 시스템의 가속도 응답스펙트럼 으로 제시되어 있다. 이와 같은 표준설계 응답스펙트럼은 지상구조물의 내진해석을 위해 제시된 것으로 지하구조물의 경우, 지표면 지반운동이 아닌 기반면(基盤面)에 작용하는 지반운동에 의한 표층지반의 응답스펙트럼을 이용하며 이를 위해 적절한 변환 프로그램을 사용할 수 있다.

 

 

2.4 내진설계상의 기반면(基盤面) 설정

내진설계상의 기반면은 지층의 전단탄성파속도 또는 토질주상도에 기초하여 연속된 경질지층의 상면에 설정하는 것으로 하여야 한다. 또한 지반운동을 설정하는 기반면 은 진원지역에서 발생한 지반운동을 증폭영향이 적고 가능한 한 전단탄성파속도가 큰 지반의 상면에 설정하는 것이 바람직하나, 일반적인 설계업무에 있어서 토질조사 의 수준을 고려하여 다음의 조건을 만족하는 기반면의 상면에 설정하는 것으로 하여 야 한다.

(1) 사질토에서 N치가 50 이상, 점성토에서 N치가 30 이상인 연속지층

(2) 지층의 전단탄성파속도(미소변형률의 경우)가 760m/s 이상의 연속지층 한편, 정밀도가 좋은 토질조사를 실시할 수 있는 경우에는 전단탄성파속도가 보다 큰 지반을 내진설계상의 기반으로 하는 것이 적절하다.

 

 

2.5 설계하중의 조합

터널의 내진설계에 사용되는 설계하중과 그 조합은 일반적인 하중 외에, 지진시의 지반 및 구조물의 상호작용을 적절히 고려할 필요가 있다. 또 액상화 지반에 있어서 는 지반의 액상화에 의한 영향에 대해서도 고려하여야 한다. 

 

 

2.6 내진성능 평가

2.6.1 부재의 손상 정도

부재의 손상 정도에 관한 평가는 철근콘크리트부재, 철골철근콘크리트부재, 콘크리 트충전

2.6.2 안정

터널에 있어서 통상 지반에서는 안정에 관해 문제가 되는 경우는 거의 없으나, 개착 터널에 있어서는 지반이 액상화 가능성이 있는 경우에 구조물의 부상 및 침하에 대 해 검토하여야 한다.

 

 

2.7 설계상세

(1) 설계상세는 지진시에 소요의 성능을 확보할 수 있도록 구조부재마다 적절하게 정하 는 것을 원칙으로 하여야 한다.

(2) 선로방향의 변형에 저항할 수 있도록 선로방향의 축방향철근의 배치나 구조이음부의 세부항목을 정할 필요가 있다.

(3) 소성힌지가 형성된다고 예측되는 부위나 우각부에 유의할 필요가 있다.

(4) 측벽상하부의 이음부에서 헌치의 시점부와 측벽이 어긋난 피해가 확인되었다. 이와 같은 피해를 막기 위하여 시공상의 이음부가 힌지와 동일한 곳이 되지 않도록 하여 야 한다.

(5) 지진후의 구체나 구조이음부의 누수에 대해서 충분한 대책을 강구하는 것이 좋다.

(6) 콘크리트라이닝에 대하여는 지진력에 저항하도록 두께를 증가시키는 것은 지진력을 증대시키는 역효과를 가져올 수 있으므로 콘크리트라이닝의 두께를 증가시키는 대신 에 철근을 넣어 인성을 증가시키도록 하여야 한다.

(7) 기둥단면의 내진설계는 지진에 의한 수평력에 따라 기둥단면의 압축파괴나 전단파 괴, 휨인장 파괴가 발생하지 않도록 보강하는 것으로 압축파괴나 전단파괴보다 휨인 장 파괴가 먼저 발생하도록 설계하여야 한다.

(8) 갱구부에 대하여는 표토의 활동붕괴를 방지하기 위하여 입구부의 절취면에 적절한 기울기를 확보하여 토류공을 설치하여야 한다.

(9) 신축이음부는 터널의 이음부에 강성이 작은 이음장치를 설치하여 구조물에 작용하는 지진력을 감소시킬 수 있도록 하여야 하며 강성이 작은 이음장치의 설치에 따른 구 조적인 약점에 대해서도 검토하여야 한다.

 

 

 

3. 내진설계의 품질관리

(1) 활단층 지역은 구조물을 건설하지 않는 것이 바람직하나 이를 피할 수 없을 경우에 는 지진발생에 따른 손상이 최소화되도록 설계하여야 한다. 또한 기능손상이 발생할 경우는 보수·보강이 용이하도록 설계하여야 한다.

(2) 중요 구조물의 경우, 설계요구사항의 만족성, 설계기법 및 가정사항의 적절성, 법규 요건에 대한 충족성, 설계결과의 시공성 등의 검증을 위하여 터널에 대한 전문적 지 식과 경험이 있는 기술자의 검토를 받아야 한다.

 

출처-국가철도공단KRC-12055