내진설계기능이 포함된 토목구조의 암거(지하차도 등) 설계용 프로그램은 오래전에 상용화되어 토목구조설계자들이 많이 사용하고 있으나, 건축물의 지하구조 내진설계에는 적합하지 않다. 건축물의 지하구조 내진설계에 범용 프로그램을 사용할 경우에도 지진토압을 별도로 구하고 면내 및 면외 하중을 모두 만족하도록 지하외벽/내벽 부재들을 설계하는 것은 매우 번거롭고 시간도 많이 소요된다.
이에 대한 대책으로 건축물의 지하구조 내진설계를 일련의 연속된 과정으로 수행할 수 있는 간편한 컴퓨터프로그램 ConBasement를 개발하였다.
ConBasement(ver.20.1)는 현행 건축구조기준 KDS 41 17 00(2019.3)의 ‘14. 지하구조물의 내진설계’ 및 건축물의 지하구조 내진설계 지침(2020년2월3일 수정판 Rev.1, 대한건축학회)에 따라서 정적 횡토압 및 지진 횡토압을 산정하여 1방향 휨부재로서의 지하외벽(안전성, 사용성, 내구성)을 설계하고, 정적 횡토압, 지진 횡토압, 지하층의 지진 관성력 영향(사용자가 입력한 각 층 유효중량 및 중량중심 위치) 및 지상층의 지진 관성력(사용자가 입력한 1층 밑면 전단력, 전도모멘트) 영향을 고려하여 전단벽으로서의 지하 외벽/내벽(안전성)을 설계하며 지진횡토압에 의해 발생되는 각 층의 횡변위와 휨부재의 국부변위를 계산한다. 필요시 말뚝의 휨모멘트와 전단력도 산정한다.
지상구조물의 지진 관성력 영향에 의한 지하층의 층 전단력은 사용자가 입력한 1층 밑면 전단력과 전도모멘트를 이용하여 1층 바닥과 기초바닥이 전도모멘트에 대해 짝힘으로 저항한다고 가정한 단순해석법에 의해 산정한다. 각 지하 외벽 및 내벽에 작용하는 면내 전단력(직접 전단력 + 비틀림 전단력)은 벽의 면내 전단강성에 따른 하중분배와 벽그룹 강성중심과 횡하중 합력중심 간의 편심거리를 고려한다.
또한 지반종류가 S1, S2 혹은 S4에 속하면 기초하부 지반을 분석하여 기초저면에서의 전단파 속도가 260m/s 이상인 경우에는 지반-지하구조의 영향을 고려하여 지상구조물설계를 위한 유효지반증폭계수, 설계응답스펙트럼 및 내진설계범주를 결정한다.
이외 지하외벽에 연속벽(slurry wall)을 적용한 경우에는 면내 하중에 대한 패널 이음부 수직조인트의 소요전단강도를 산정하는 기능도 포함되어 있다.
ConBasement는 응답변위법기반(이중코사인)에 의한 지반변형과 수평지반반력계수에 의해 지진토압을 산정한다. 휨부재로서의 지하외벽 해석에는 유한요소해석법(수직으로 10mm 간격)을 적용하였고, 전단벽으로서의 지하 외벽과 내벽 해석에는 각층 높이와 분할요소 길이로 한 유한요소해석법을 적용하였다. 이 프로그램은 각 층의 다이아프램은 큰 개구부가 없는 강체로 간주하고 면내 강성과 강도가 모든 하중전달경로에 충분하다고 가정하고 해석한다.
이 프로그램의 주된 개발목적은 휨부재로서의 지하외벽과 전단벽으로서의 지하 외벽 및 내벽을 보수적으로 간편하게 설계하기 위한 것으로 벽체의 축력에 관련된 해석과 설계는 수행하지 않는다. 또한 터널과 같이 전단벽이 없는 관형 구조물은 적용할 수 없다.
설계 대상 구조물이 앞에 기술한 ConBasement 프로그램의 가정조건과 해석방법에 적합하지 않는 경우나 더 경제적인 설계가 요구되는 경우에는 상세해석이 가능한 범용프로그램 사용을 권장하며, 이때에도 ConBasement이나 ConWall을 보조적으로 사용하면 더 효율적으로 설계할 수 있다. ConWall은 Wall 이외에 Buttress 설계도 가능하다.
여기에 소개하는 ConBasement는 현행 건축구조기준에 적합하게 합리적으로 설계할 수 있도록 구조설계의 경험이 많은 여러 구조엔지니어와 협의하여 개발한 건축물 지하구조의 지진력저항시스템에 대한 내진설계 프로그램이다.
터널설계용 프로그램과 건축물의 지하구조내진 설계프로그램의 비교
국내의 한길아이티가 개발한 암거 및 차도 구조설계용 프로그램 Aculvert는 하중산정에서부터 부재설계까지 일괄적으로 수행하므로 토목구조설계에 널리 사용되고 있다. 하지만 횡력저항구조시스템이 서로 달라서 이 프로그램은 건축물의 지하구조설계에는 적합하지 않다.
현재 건축물의 지하구조 내진설계를 일괄적으로 수행할 수 있는 프로그램은 ConBasement가 유일하다.
토목 지중구조물의 거동
건축 지하구조물의 거동
| 구분 항목 | Aculvert | ConBasement | |
| 사용 분야 | 토목구조 | 건축구조 | |
| 용도 | 관형 지중구조물 | 지하외벽시스템 | |
| 적용 | 암거, 지하차도 | 지하 외벽/내벽, 말뚝 | |
| 지진력저항시스템 | 모멘트골조시스템 | 전단벽시스템 | |
| 내진설계기준 | KDS 17 10 00 | KDS 17 10 00 KDS 41 17 00 |
|
| 지반 | 지반자료 | 사용자 입력 | 사용자 입력 |
| 지반종류 | 사용자 입력 | 자동 분류 | |
| 하중 | 정적토압 | 적용 | 적용 |
| 지진토압 | 적용 | 적용 | |
| 지하구조 관성력 | 적용 | 적용 | |
| 지상구조 관성력 | – | 적용 | |
| 해석 및 설계 | 면외 작용하중 | 적용 | 적용 |
| 면내 작용하중 | – | 적용 | |
기존 일반 상용건축구조설계프로그램을 이용한 지하구조 내진설계
기존의 일반 범용건축구조설계프로그램과 부재설계프로그램(지하외벽)을 이용하여 지하구조물(횡력저항시스템)의 내진설계를 수행할 수도 있다. 하지만 다음과 같은 많은 절차(A~D)를 거쳐야 하고 경우에 따라서는 여러번 반복수행을 해야 하므로 많은 시간과 노력이 요구된다. 또한 준비계산용 프로그램을 사용자가 별도로 작성할 필요도 있다.
A. 면외하중에 대한 지하외벽설계
| 구분 | 일반범용 건축구조설계프로그램 |
ConBasement | |
| A1 | 지반종류 분류 | 사용자가 결정 | 자동 결정 |
| A2 | 정적토압 산정 | 별도 프로그램 사용 | 자동 계산 |
| A3 | 지진토압 산정 (지반횡변위, 수평지반반력계수) |
별도 프로그램 사용 | 자동 계산 |
| A4 | 안전성(부재강도)설계 | 별도 프로그램 사용 | 자동 설계 |
| A5 | 사용성(처짐, 균열)설계 | 별도 프로그램 사용 | 자동 평가/설계 |
B. 면내하중에 대한 지하외벽설계
| 구분 | 일반범용 건축구조설계프로그램 |
ConBasement | |
| B1 | 지반종류 분류 | 사용자가 결정 | 자동 결정 |
| B2 | 지반증폭계수 | 자동 계산 | 자동 계산 |
| B3 | 지상구조의 관성력 | 자동 계산 | 범용프로그램 해석결과를 이용하여 입력 |
| B4 | 지하구조의 관성력 | 자동 계산 | 범용프로그램 해석모델을 활용하여 층중량 입력, 자동 계산 |
| B5 | 정적토압 | 별도로 산정하여 입력 | 자동 계산 |
| B6 | 지진토압 | 별도로 산정하여 입력 | 지동 계산 |
| B7 | 뒷벽 정적토압 | 별도로 산정하여 입력 | 자동 계산 |
| B8 | 뒷벽 스프링지지력 (지반횡변위, 지하구조횡변위, 수평지반반력계수) |
사용자가 별도로 평가하여 필요시 산정하여 입력 |
자동 계산 |
| B9 | 기반암에 의한 횡구속 | 구속조건 입력 | 자동 고려 |
| B10 | 하중조합 | 사용자가 별도로 조합 | 자동 고려 |
| B11 | 안전성(부재강도)설계 | 자동 설계 | 자동 설계 |
| B12 | 지상구조의 내진설계를 위한 지반/지하구조의 영향 분석 (유효증폭계수, 설계스펙트럼 등) |
사용자가 분석하여 결정 | 자동 결정 |
C. 면외하중 및 면내하중에 대한 소요설계강도를 모두 만족하는 지하외벽설계
| 구분 | 일반범용 건축구조설계프로그램 |
ConBasement | |
| C1 | 면외하중에 대한 소요설계강도 | 별도 프로그램 사용 | 자동 계산 |
| C2 | 면내하중에 대한 소요설계강도 | 자동 설계 | 자동 계산 |
| C3 | 최종 단면설계 (수직 및 수평 철근) |
사용자가 비교하여 결정 | 자동 결정 |
D. 건축물의 지하구조 내진설계 구조계산서 및 보고서 작성
| 구분 | 일반범용 건축구조설계프로그램 |
ConBasement | |
| D1 | 요약 계산서 | 사용자가 직접 작성 | 자동 작성 |
| D2 | 요약 상세계산서 | 사용자가 직접 작성 | 자동 작성 |
| D3 | 상세계산서 | 사용자가 직접 작성 | 자동 작성 |
| D4 | 그래픽이 포함된 보고서 | 사용자가 직접 작성 | 자동 생성 |
| D5 | 프리젠테이션용 그래픽파일 | 사용자가 직접 화면캡처 또는 작성 | 자동 생성 |
기존의 일반 범용건축구조설계프로그램을 활용하여 지하구조물 내진설계를 하는 경우에 대하여 상기 표의 내용을 좀 더 상세히 기술하면 다음과 같으며 유의해야 할 사항도 함께 표기하였다.
1. 기본설계정보
(1) 토층 정보 : 부재설계(지하외벽)프로그램에 사용자가 입력
(2) 지하횡력저항구조요소의 정보 : 사용자가 모델링
(3) 지진설계 정보 : 사용자가 입력
(4) 지반종류분류 : 사용자가 결정하여 입력
(5) 지반증폭계수산정 : 총 3가지 경우(지상구조, 지하구조, 지하구조의 영향을 고려한 지상구조)의 지반증폭계수를 산정해야 하나 일반범용 설계프로그램에서는 1가지에 대해서만 산정하므로 나머지 2가지는 별도의 프로그램을 직접 작성하여 산정
(6) 내진설계범주결정 : 총 3가지 경우(지상구조, 지하구조, 지하구조의 영향을 고려한 지상구조)의 내진설계범주를 결정해야 하나 일반범용 설계프로그램에서는 1가지에 대해서만 결정하므로 나머지 2가지는 사용자가 별도로 평가하여 결정
2. 면외 하중작용에 대한 지하외벽설계
(1) 정적토압 산정 : 부재설계(지하외벽)프로그램을 이용하여 산정
(2) 지진토압 산정
– 지층분류 : 별도의 프로그램을 직접 작성하여 산정
– 지반횡변위 : 별도의 프로그램을 직접 작성하여 산정
– 수평지반반력계수 : 별도의 프로그램을 직접 작성하여 산정
(3) 하중조합에 대한 구조해석 : 부재설계(지하외벽)프로그램을 이용하여 2가지 하중조합에 대한 해석(하중계수 또는 하중의 조정이 필요)하여 소요설계강도를 산정
(4) 지하외벽의 강도설계 : 부재설계(지하외벽)프로그램을 이용하여 소요설계강도를 만족하도록 설계
(5) 지하외벽의 사용성설계 : 별도의 프로그램을 직접 작성하여 사용성(균열, 처짐)을 평가하고 설계
3. 면내 하중작용에 대한 지하외벽시스템설계
(1) 지상구조의 관성력에 의한 지진하중 : 일반범용 설계프로그램에서 자동으로 계산
(2) 지하구조의 관성력에 의한 지진하중 : 일반범용 설계프로그램에서 자동으로 계산하지만, 지상구조와 지하구조의 수평설계가속도가 상이함에도 일반범용 설계프로그램에서는 이를 구분하여 적용하고 해석할 수 없음
(3) 정적토압 : 2.(1)에서 부재설계프로그램을 이용하여 산정한 값을 활용하여 입력
(4) 지진토압 : 2.(2)에서 별도의 프로그램을 직접 작성하여 산정한 값을 활용하여 입력
(5) 뒷벽의 정적토압 : 별도의 프로그램을 직접 작성하여 산정한 값을 입력
(6) 뒷벽의 횡스프링지지력 : 뒷벽의 횡스프링지지력을 고려하지 않고 1차 해석을 수행하여 얻은 지하구조물의 횡변위와 지반의 횡변위의 관계를 사용자가 별도로 평가하여 (u(z)-u(zB)) < ustr(z)인 구간이 있는 경우에는 별도의 프로그램을 직접 작성하여 산정한 뒷벽의 횡스프링 지지력을 입력한 후 2차 해석 수행
(7) 기반암에 의한 횡구속 : 일반범용 설계프로그램에서 모델링시 구속조건으로 입력
(8) 하중조합 : 횡하중의 종류, 지상구조와 지하구조의 반응수정계수 등을 고려하여 사용자 별도로 직접 조합하여 입력
(9) 안전성(부재강도)설계
: 일반범용 설계프로그램의 설계기능을 이용하여 자동설계 할 수 있으나 아래 사항을 고려하여 모델링 및 해석을 수행한 경우에 한함
: ConBasement의 주요특징에서 소개한 바와 같이 지상구조의 관성력(밑면전단력과 전도모멘트)이 Backstay효과에 의하여 바닥 다이아프램을 통하여 지하외벽으로 전달되는 것을 정밀하게 모사하기 위해서는 관련된 요소의 유효강성((바닥 다이아프램의 강성, 지하외벽의 강성, 코어전단벽의 강성, 코어전단벽기초의 회전강성, 지하구조의 외벽에 관련된 지지 지반의 강성 등)을 고려한 구조해석을 수행해야 한다. 하지만 이러한 해석은 매우 복잡한 절차와 많은 가정에 의해 수행하여야 하고, 일반적인 건축구조설계용 범용해석프로그램으로는 구조해석과 부재설계를 병행하여 동시에 수행하기 어렵기 때문에 대부분 실무적용에 기피하고 있다. 또한, 복잡한 절차와 잘못된 가정으로 오히려 큰 오류가 있는 결과로 설계될 가능성도 있음을 유의해야 한다.
(10) 지상구조의 내진설계를 위한 지반/지하구조의 영향 분석 : 지반종류, 전단파속도, 지반의 횡변위, 지진토압에 의한 지하구조물의 횡변위 등의 해석결과를 고려하여 지상구조에 적용되는 유효지반증폭계수, 설계스펙트럼, 내진설계범주 등을 별도의 프로그램을 직접 작성하여 분석
4. 면외하중 및 면내하중을 만족시키는 지하외벽설계
(1) 면외하중에 대한 소요설계강도 : 부재설계(지하외벽)프로그램을 이용한 2.(4)의 결과
(2) 면내하중에 대한 소요설계강도 : 일반범용 설계프로그램을 이용한 3.(9)의 결과
(3) 최종 단면설계 : 4.(1)와 (2)의 설계결과 자료를 사용자가 별도로 비교하여 결정