1. 서 론

과거 연구에 의하면 수처리 지중구조물에 대해 국내의 내진설계 기준에 따라 내진해석을 수행할 경우, 대부분 지진시보다 평상시의 단면력이 지배되어 지진의 영향이 미비한 것으로 평가되었다(Chung, 2013). 그러나 최근 들어 한반도 주변을 중심으로 발생하는 대지진과 국내의 지진 발생횟수를 분석하면, 우리나라도 지난 2백여 년간 지진을 유발할 에너지를 축적해 왔을 가능성이 크며, 만일 지진이 발생한다면 규모 7.0을 넘는 대형지진을 배제할 수 없다는 가능성을 조심스럽게 예측하고 있다(Ministry of Environment, 1999). 따라서, 수처리 지중구조물은 시민생활과 도시기능 유지에 기본적인 중요한 시설로 지금까지 발생한 지진에 대해 안전하나 앞으로 대형지진 발생 시 큰 피해가 예상되어, 향후 불확실한 지진에 대응 가능한 개선된 내진설계기준에 대한 연구가 요구되고 있다. 본 연구에서는 이러한 요구에 맞춰 우리나라 실정에 적합한 내진설계 기준 개선을 위한 자료를 제공하고자, 현재 적용되고 있는 국내 내진설계 기준에 따라 지진 크기를 결정하는 설계가속도와 하중증가계수를 변수로 평상시와 지진시로 나누어 단면력 산정을 위해 수치해석을 수행하였다. 수치해석 결과는 회귀분석을 통해 지진 크기와 단면력과의 상관관계식을 제안하였다.

2. 국내외 수처리 지하시설물의 내진설계 기준 비교

우리나라 지하구조물에 대한 지진해석방법 및 내진설계 기준이 도입될 때, 대부분 일본의 지하구조물 내진설계 기준을 적용 또는 준용하였다. 따라서 지진 응답 제안 식의 도출을 위해 Table 1(Ministry of Environment, 2009)과 같이, 우리나라와 일본의 기준을 1대1로 비교하였고 이를 참조하였다.

3. 수치해석 및 결과분석

3.1 대상 구조물 선정

본 연구에서는 지진시 구조적 거동특성을 분석하기 위하여 1) 완전 지중구조물이며 횡 방향 변위가 허용되는 공동구 구조물, 2) 반지중 구조물이며 상부가 지상에 개방된 침전지 구조물, 3) 횡 방향 변위가 구속되는 정수지 구조물로 구분하여 내진 기준에 따라서 해석하였으며, 선정 이유는 Table 2와 같다.

3.2 해석방법 및 모델링

3.2.1 적용 지반조건 및 해석방법

본 연구의 내진해석에서 고려한 지반조건은 지표면 아래 30m 이내 기반암(S_B 보통암 지반)인 보통암이 존재하고 N=20 정도의 단단한 토사층(S_D)에 구조물이 놓인 경우로 가정하여 지진해석을 수행하였다. 해석조건 및 지반조건은 Table 3과 같고 지진해석법(Park, 2005)에 대한 비교분석을 위해서, 유사정적해석법과 응답변위법을 적용하였으며, 해석을 위하여 범용해석프로그램인 Midas Civil을 사용하였다.

3.2.2 해석 모델링

지진해석 모델링은 구조물-지반의 상호작용(Structure-Soil Interaction, SSI)을 고려하여 구조물의 거동특성에 따라 2-D 또는 3-D 모델링을 적용하고, 지반의 탄성 경계 스프링 요소를 사용한다. 본 연구에서는 Fig. 1, 2, 3 같이 공동구와 침전지 구조물은 1-방향 부재로 구성되어 있어 2-D Frame Modeling을 적용하고, 정수지 구조물에 대해서는 3-D Shell Modeling을 적용하였다. 유사정적해석법은 기초 지반에 대해 수직 방향 스프링과 지진력 반대 방향 벽체에 수평 방향 스프링을 적용하고, 응답변위법은 전 부재에 대해 수평 또는 수직 스프링과 전단 스프링을 적용하였다. 그러나 응답변위법의 경우 지반 스프링이 압축에 대해서만 유효하므로 인장 반력이 발생하는 경우 해석 프로그램에 의해 자동으로 제거되도록 하였다.

Fig. 1.

2-D Frame Modeling (utility-pipe conduit)

Fig. 2.

2-D Frame Modeling (sedimentation basin)

Fig. 3.

3-D Shell Modeling (water treatment plant)

3.2.3 적용 변수 선정 및 결과분석 방법

본 연구에 적용되는 변수는 수처리 지중구조물의 내진특성을 연구하고자 구조물 심도, 지하수 유무 및 하중 계수 증분에 따른 하중특성을 분석하고, 평상시와 지진시로 나누어 구조해석을 수행하여 비교·분석하였다. 특히 지진시는 지반경계조건과 지진 세기에 따른 단면력 변화를 관찰하고자 하중증가계수와 가속도계수를 변수로 구조해석을 수행하였다.

3.3 결과분석

3.3.1 공동구 구조물

(1) 해석 단면력 산정 분석결과

토피고 1.0m에 대한 지하수 유무 및 하중증가계수 즉, 가속도 설계값을 기준치의 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0배 증가시키면서 결과를 분석하고 회기분석 식을 제시하였다. 구조해석 결과는 Fig. 4와 같다.

Fig. 4.

Results of section force of utility-pipe conduit according to analysis method

상부슬래브보다 상대적으로 단면력이 큰 벽체부재 하단부를 중심으로 해석 결과를 분석하면, 지하수가 없을 때, 하중증가계수 증가 시 단면력은 유사정적해석법 각각 110.57~193.41kN·m, 응답변위법 각각 148.43~369.28kN·m로 나타났다. 이에 따른 단면력 비(응답변위법/유사정적해석법)는 각각 1.34~1.91배로 증가하였다. 지하수가 있을 때, 단면력은 유사정적해석법 각각 140.69~203.91kN·m, 응답변위법 각각 151.36~281.55kN·m로 나타났다. 이에 따른 단면력 비는 각각 1.08~1.34배로 증가하였다. 이를 통해 지하수가 있는 경우, 없는 경우보다 응답변위법의 하중평가가 상대적으로 작아지는 것으로 나타났다. 위의 해석결과에 대한 단면력 제안식을 Fig. 5에 나타내었다.

(2) 제안식 도출(양측토압)

Fig. 5.

Derive a proposed formula for utility-pipe conduit

3.3.2 침전지

(1) 해석 단면력 산정 분석결과

침전지 구조물 특성상 상부슬래브가 없는 반지중 구조물은 특히 부력에 취약하여 지하수가 바닥 슬래브 바닥고로부터 1.0m 이상만 상승하여도 불안전하게 평가되어 본 연구에서는 지하수가 있는 경우는 생략하였다. 지하수가 없는 경우 하중증가계수(load factor)와 가속도계수(Acceleration coefficient)를 변수로 지진해석방법에 따라 수행한 구조해석 결과는 Fig. 6, Fig. 7과 같다.

Fig. 6.

Results of section force of sedimentation basin according to analysis method

횡방향 변위 구속 효과가 없는 켄틸레버 거동을 하는 구조물이므로 하부슬래브보다는 주부재인 벽체중심으로 해석 결과를 분석하면, 지하수가 없을 때, 하중증가계수 증가시 단면력은 유사정적해석법 각각 715.48~2036.3kN·m, 응답변위법 각각 876.6~2519.67kN·m로 나타났다. 이에 따른 단면력 비는 각각 1.23~1.24배로 소폭 증가하였다. 또한, 가속도계수 증가시 단면력은 유사정적해석법 각각 715.48~1331.82kN·m, 응답변위법 각각 876.6~2519.67kN·m로 나타났다. 이에 따른 단면력 비는 각각 1.23~1.89배로 증가하였다. 이를 통해 가속도계수 증가시의 경우와 비교하여 하중증가계수 증가시, 유사정적해석법의 하중평가가 상대적으로 커지는 것으로 나타났다.

(2) 제안식 도출(양측토압)

Fig. 7.

Derive a proposed formula for sedimentation basin

3.3.3 정수지 구조물

(1) 해석 단면력 산정 분석결과

지하수 유무 및 하증증가계수(load factor)를 변수로 지진해석방법에 따라 수행한 구조해석 결과는 Fig. 8, Fig. 9와 같다.

구조물 폭과 길이가 길고 횡방향 변위가 구속되어 있는 구조물이므로 상부슬래브보다는 주부재인 벽체중심으로 해석 결과를 분석하면, 지하수가 없을 때, 하중증가계수 증가 시 단면력은 유사정적해석법 각각 127.63~195.28kN·m, 응답변위법 각각 93.93~243.01kN·m로 나타났다. 이에 따른 단면력 비는 각각 0.74~1.24배로 증가하였다. 지하수가 있을 때, 단면력은 유사정적해석법 각각 140.80~206.21kN·m, 응답변위법 각각 127.00~240.17kN·m로 나타났다. 이에 따른 단면력 비는 각각 0.90~1.16배로 증가하였다. 이를 통해 타 구조물과 다르게 주부재인 벽체 하단부의 경우 하중증가계수가 1.0, 1.5배 증가 시에 응답변위법의 단면력이 유사정적해석법보다 작은 것으로 나타났는데 이는 단면이 넓은 정수지 구조물의 벽체에 설치된 전단 스프링의 영향으로 판단된다.

Fig. 8.

Results of section force of water treatment plant according to analysis method

(2) 제안식 도출(양측토압)

Fig. 9.

Derive a proposed formula for water treatment plant

4. 결 론

지중 내 설치되는 대표적인 수처리 구조물 중 거동특성이 서로 다른 공동구, 침전지 및 정수지 구조물에 대해 향후 내진설계 기준 개선에 부응하고자 가속도계수 및 하중증가계수 증분에 따라 수치해석을 수행하여 단면력 제안식을 제안하였고, 지진해석법에 따른 구조해석 결과를 분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.

4.1 공동구 구조물

완전 지중구조물인 공동구 구조물은 양측 토압조건, 지하수유무, 토피고 1m, 하중증가계수를 변수로 지진해석법에 따른 단면력 결과 및 제안식을 도출하였다.

구조해석 결과 주부재인 벽체 하단부의 경우, 지하수가 존재할 때 응답변위법의 하중평가가 유사정적해석법보다 상대적으로 작아지는 것으로 나타났다. 이는 응답변위법 특성상, 지하수 유무에 따른 토사의 단위중량비 또는 질량비가 하중증가계수 증분에 따라 미치는 영향이 상대적으로 크기 때문인 것으로 판단된다.

4.2 침전지 구조물

반지중 구조물인 침전지 구조물은 양측 토압조건, 지하수가 없는 경우, 하중증가계수와 가속도계수를 변수로 지진해석법에 따른 단면력 결과 및 제안식을 도출하였다.

구조해석 결과 주부재인 벽체 하단부의 경우, 하중증가계수 증가 시 유사정적해석법의 하중평가가 상대적으로 커지는 것으로 나타났다. 이는 침전지 구조물은 상부슬래브가 없는 반지중 구조물로 지진시 단면력이 평상시보다 지배적이기 때문인 것으로 판단된다.

4.3 정수지 구조물

완전 지중구조물이며 측벽과 내부 기둥에 의해 횡방향 변위가 구속되어 있는 정수지 구조물은 양측 토압조건, 지하수유무 및 하중증가계수를 변수로 지진해석법에 따른 단면력 결과 및 제안식을 도출하였다.

구조해석 결과 주부재인 벽체 하단부의 경우, 하중증가계수가 1.0, 1.5배 증가 시, 타 구조물의 단면력과는 다르게 응답변위법의 단면력이 유사정적해석법의 단면력보다 작은 것으로 나타났다. 이는 단면이 넓은 정수지 구조물의 벽체에 설치된 전단스프링의 영향으로 판단된다.