설계기준 및 설계지반정수
비탈면을 설계할 때 안전율, 지하수위, 지진계수, 비탈면 표준경사 및 소단설치기준 등 설계기준들을 결정한다.
지하수위나 지진계수, 비탈면 경사나 소단설치 기준은 안정검토시 적용하는 기준들이고 안정검토 결과가 안전율 범위 내에 있어야 하는데 이처럼 결국 기본적인 기준에 맞게 설계하기 위함인 것이다.
이전에 비탈면 내진설계기준(KDS 11 90 00)과 내진설계 일반(KDS 17 11 00)에 대해 포스팅 한 적이 있었다.
해당 기준들로는 지진계수를 결정한다.
지진계수의 적용 메커니즘
지진시 안정검토에서 적용되는 지진계수는 하중에 어떤 방식으로 적용될까? 이것을 이해하는 것은 단순히 지진계수만 딸랑 구해서 프로그램에 입력하는 것보다 좀 더 역동적으로 설계에 도움이 될 듯하다. 마이다스아이티사의 soilworks 프로그램의 메뉴얼을 살펴보았다.
정적지진하중
정적지진 하중은 지진시 발생하는 동적하중을 정적으로 치환하여 고려한 하중을 말합니다. 수평 방향/절리면 방향 뿐만 아니라, 사용자의 의도에 따라서 전체좌표계를 이용하여 직접 입력 가능합니다. 일반적으로 지표면에서 지진파의 지표면 최대수평가속도의 50%를 파괴블럭의 무게에 곱한 하중을 등가정적하중으로 치환하여 안정성을 검토합니다. 지표면 최대수평가속도를 amax 라 하면, 지진으로 인하여 파괴블럭에 추가로 작용하는 횡방향 힘은 다음과 같습니다.
Kh = amax / g( × 50%) × W
여기서, amax = 지표면 최대 수평가속도, W = 파괴블럭의 무게, g = 중력가속도
적용하는 지진계수는 다음 표와 같이 지반종류에 따른 지진구역계수와 내진성능목표를 고려한 위험도계수를 곱하여 적용합니다.
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SoilWorks_Analysis Reference Chapter4 Limit Equilibrium Method
자중이외의 추가하중조건, 즉 수압, 정적지진하중, 외부하중, 보강력등이 고려되면 이는 각각 활동력, 저항력을 증가 혹은 감소시키는 역할을 한다. 파괴블럭에 이 모든 조건이 동시에 작용할 경우 아래 예제와 같이 위의 일반식을 풀어서 계산할 수 있다.(암반비탈면 검토 중 평면파괴 발생조건) 모든 작용력은 파괴블럭의 무게중심에 작용하여 모멘트에 의한 평형은 항상 만족하는 것으로 가정한다.
여기서 c와Φ는 절리면의 점착력과 마찰각, A는 절리면의 길이, W는 파괴블럭의 무게, sc는 지진계수, U는 절리면 작용수압, V는 인장균열면 작용수압, T는 보강재의 인장력, S는 보강재의 전단력에 해당되며, θ는 보강재와 절리면 사잇각, β는 파괴가능으로 판정된 절리면의 경사각이다.
정리하면, 비탈면의 파괴토체에 지진으로 인해 발생되는 수평력을 고려해 저항력을 감소시키거나 활동력을 증가시켜 안정검토를 수행하는 것이다. 그래서 우리는 최대 수평가속도(=유효수평지반가속도)를 구하고 그 값의 50%를 지진계수로 볼 수 있다. 여기서, 지반의 종류에 따라 증폭계수를 곱하여 사용하는데 구해진 유효수평지반가속도의 값에 따라 범위 내에서 직선보간하는데 설명도 길고 머릿속에 복잡해지니 설계할 때 구하는 지진계수를 구하는 엑셀 Sheet를 직접 만들어 봤다.
지진계수산정 Sheet
엑셀 Sheet 사용방법
1. 이렇게 해당 지역을 선택하면 자동으로 지진구역계수(Z)가 바뀐다.
2. 내진등급과 내진성능기준을 선택하면 자동으로 평균재현주기가 산정되면서 위험도계수(I)가 구해진다.
그리고 지진구역계수(Z)와 위험도계수(I)를 곱하여 유효수평지반가속도가 계산된다.
3. 비탈면이 쌓기 비탈면인지 깎기 비탈면인지 선택을 하면 증폭계수를 장주기증폭계수를 적용할 것인지 단주기증폭계수로 적용할 것인지 정할 수 있고(나는 쌓기 비탈면은 장주기, 깎기 비탈면은 단주기로 적용하는데 이에 대한 정확한 정보가 있으면 댓글로 알려주세요.) 지반분류를 정하면 자동으로 증폭계수를 산정한다.
그렇게 유효수평지반가속도 × 증폭계수 / 2 를 하여 지진계수를 산정하는 엑셀 Sheet이다. 공유 드리니 불편한 사항이 있으면 댓글로 문의 부탁드린다. 더 좋은 자료가 있다면 알려주길 바란다.
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