현 KDS 기준에서의 내진 설계의 기본적인 개념에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
내진 설계의 방법
내진 설계의 방법은 크게 3가지로 나눌 수 있습니다. 탄성설계, 연성설계, 제진설계입니다.
1) 탄성설계
탄성설계는 구조물이 지진 하중에서 탄성 거동 하도록 충분한 강성과 강도를 확보하는 설계 방법입니다.
큰 지진 하중에 의한 변형이 탄성 영역 내에 있어야 하므로 단면이 커질 수 있습니다.
다만, 원자력발전소 등 일부 중요 구조물에서는 탄성 설계를 적용하고 있습니다.
2)연성설계
연성 설계의 경우 구조물의 적절 항복강도와 연성도를 확보하여, 구조물의 손상을 일부 허용합니다.
연성 거동으로 이력 감쇠 효과가 발생하며, 지진 에너지를 소산시켜 구조물이 붕괴되지 않게 끔 설계합니다.
3) 제진설계
진동 자체를 제어하여, 구조물로 입력되는 진동을 최소화 시키는 설계 방식입니다.
면진 설계의 경우 지반으로부터의 진동 전달을 분리 또는 최소화 하며, 댐퍼 등을 이용한 감쇠 장치를 적용할 수 있습니다.
이번 컨텐츠에서는 연성 내진 설계에 대한 기본 개념에 대해서 알아보도록 하겠습니다.
내진 설계의 기본 방침
교량의 내진설계에 관련된 기준은 “KDS 24 17 10, 11 (교량 내진설계)”에서 찾아볼 수 있으며, 해당 기준 내에서 내진 설계의 기본 방침에 대해서 알아 볼 수 있습니다.
내진 설계의 기본 방침은 “인명피해의 최소화”입니다.
- 인명 피해의 최소화
- 교량 부재들의 부분적인 피해는 허용하나 전체적인 붕괴는 방지
조금 더 풀어서 설명하자면, “교량에 지진 하중이 재하되었을 때(설계지진수준), 교량의 붕괴를 방지하고, 긴급 차량의 통행을 보장한다.” 로 볼 수 있습니다. 수평 하중이 큰 지진이 왔을 때, 교량을 받치고 있는 교각이 한번에 부러지는 것이 아닌, 충분한 휨 변형을 가지고 버틸 수 있게 하여야 합니다.
이러한 기본 개념을 구현하기 위해서는 항복강도와 연성을 확보하여야 합니다.
즉, 휨 연성을 확보하며 전단취성파괴를 방지하는 것이 내진 설계의 골조라 할 수 있습니다.
연성, 취성 등 개념이 필요하다면 : KDS 한계상태설계법 - 콘크리트의 건조수축(Shrinkage) 👆
그럼, 내진 설계의 기본 원리에 대하여 알아보도록 하겠습니다.
내진 설계의 기본 원리
내진 설계의 기본 원리는 “Capacity > Demand”, 즉 지진 하중에 의한 요구(소요) 성능 보다 보유 성능이 더 커야 한다는 것입니다. 기본 원리에 따른 설계 방식은 아래와 같이 볼 수 있습니다.
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탄성설계
탄성 설계의 경우 매우 간단합니다. 탄성 지진력보다 단면 강도가 크면 됩니다.
하지만, 이 경우 단면 자체가 커져 매우 비경제적인 설계가 될 수 있습니다.
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소요스펙트럼과 탄성거동
위 그림은, ADRS(Acceleration - Displacement Response Spectrum)로 지진 하중에 대한 소요 스펙트럼을 나타내고 있습니다. 탄성 설계 시, 지진하중이 구조물에 재하되어도 구조물은 탄성 영역에 있는 것을 확인하실 수 있습니다. 가장 기본적인 탄성 설계이지만, 큰 하중에서도 탄성거동을 할 만큼 단면이 커질 수 있어 비 경제적입니다.
다음으로 소성설계와, 연성설계에 대해 소개하기 전, ‘소성힌지구역’과 ‘응답수정계수’라는 개념을 알아야 합니다.
기준 내의 용어 설명을 보면 다음과 같이 설명하고 있습니다.
소성힌지구역 : 기둥과 말뚝가구의 단부구역 중 설계휨강도보다 큰 탄성지진모멘트가 작용하는 구역
응답수정계수 : 탄성해석으로 구한 각 요소의 내력으로부터 설계지진력을 산정하기 위한 수정계수
조금 더 자세히 살펴보도록 하겠습니다.
지진력 재하 시 교각의 단부구역(켄틸레버 거동의 경우 교각 기둥의 하단부, 라멘 거동일 경우 교각 기둥의 상,하단부)에 응력이 크게 발생하게 됩니다. 단부의 콘크리트가 파괴되더라도, 철근이 파괴되기 전까지 소성거동을 실시하며, 이렇게 기둥이 소성 상태로 힌지처럼 거동하는 구간을 소성힌지구역이라 합니다. 다시 기본 개념으로 돌아가서 보면, 교각은 충분한 “휨 연성”을 확보해야 한다고 하였습니다따라서 내진 설계에서는 소성힌지구역에서 철근이 항복한 뒤, 파괴되기 전까지 얼마만큼의 지진에너지를 흡수하며 연성 거동을 할 수 있는가가 가장 중요합니다.
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주철근 항복 뒤, 변형 능력(곡률)
KDS 24 17 11 4.1.5 응답수정계수
소성설계(완전연성설계)
연성설계(소요연성설계)
내진 설계의 기본 개념 정리
