공동주택 건설 시 성토지반의 전단파속도 산정 및 내진설계 합리화 연구

공동주택 건설 시 성토지반의 전단파속도 산정 및 내진설계 합리화 연구

 

□ 제목 : 공동주택 건설 시 성토지반의 전단파속도 산정 및 내진설계 합리화 연구

□ 발행 : 2023. 3.

□ 형식 : pdf 234 page

□ 제작 : 토지주택연구원

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공동주택 건설 시 성토지반의 전단파속도 산정 및 내진설계 합리화 연구

 

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주요 내용

 

□ 연구 배경 및 필요성

○ 국내에서는 1997년에 제시된 내진설계기준(Ⅱ)부터 내진설계기준의 개념이 도입되었으며 20년 넘게 국내에서 적용되는데 이는 2018년에 개정되었다. 내진설계기준 일반(KDS 17 10 00 : 2018)도 개정되었으며 KDS 17 10 00에서 표준응답스펙트럼을 사용할 것을 강제하고 있다.

○ 2018년 개정된 기준에 의한 내진설계는 지반의 전단파속도에 따라 S1~S6로 지반등급을 나누어 분류하고 있다. 이 과정에서 지반등급이 높으면 상부구조물의 내진보강량이 줄어들고 경제적이며 시공성이 증가하며 지반등급이 낮아지면 그 반대의 효과가 나타난다.

 

○ 지반등급이 높아질려면 토층평균전단파속도가 커야 하는데, 현재 실무에서 사용하는 산정식(Yamazaki식, N=8로 가정)이 성토층의 전단파속도를 과소평가하는 것으로 판단되었음. 2009 LHI 연구(내진설계 시 합리적인 지반 분류를 위한 전단파속도 측정 및 적용방안)에서 성토층과 생성과정이 비슷한 매립층에서 SPS로 실측한 전단파속도가 약 224~325m/s로 현재 실무기준인 181m/s보다 큰 것으로 나타났기 때문이다. 성토층에서 보수적인 산정식을 쓸 수 밖에 없는 이유는 성토층은 지반조사 후의 후속공정으로 이루어지기 때문에 현장에서 측정시험을 할 수 없었기 때문이며, 실무에서는 다소 보수적인 값을 채택하고 있다. 또 이 산정식의 문제는 입력변수로 N치만 사용하고, 지중응력을 고려하지 못하기 때문에 지반이 깊어질수록 증가하는 전단파속도를 구현해
내지 못하는 문제점도 있다. 따라서, 현장시험을 하지 못하는 성토층의 전단파 속도를 성토고와 성토층 지중응력 등을 고려하여 합리적으로 산정할 수 있는 방안이 필요하였다.

 

□ 연구 내용

○ 우리 공사는 건축물의 효율적인 건설을 위해 성토층의 전단파속도 산정 방법의 새로운 제안이 필요하다고 판단되어 다음과 같은 내용의 연구를 수행하여 성토층의 지반전단파속도 산정방안을 제시하고 이를 통해 내진설계 합리화 방안을 제시하였다.

○ 연구의 주 내용으로 실제 현장의 성토층의 전단파속도를 실측하고, 현장에서 채취한 성토재료에 대하여 실내 전단파속도를 측정비교하여, 간편한 방법으로 전단파속도를 산정할 수 있는 방법을 찾고자 하였고, 성토하중의 증가로 인한 원지반의 전단파속도 증가를 분석하기 위해 현장험과 정밀 수치해석을 수행하였다.

○ 시험 대상으로는 우리 공사의 건설공사 현장 중 3개소를 선정하여 조사를 수행하였다. 선정된 3개소 중 2개소(화성과, 파주)는 아파트 건설현장이며, 나머지 1개소는 세종 시의 성토 현장으로 표 1과 같은 실험 및 해석을 수행하였다.

 

□ 결론

성토층의 전단파속도와 성토로 인한 원지반의 전단파속도 증가에 대한 것을 규명하고 합리적으로 전단파속도를 산정하기 위해여 현장 및 실내실험과 수치해석 등을 수행한 결론은 다음과 같다.

○ 기존 LH 실무에서 사용하는 Yamazaki(N=8로 가정)식은 지중응력을 고려하지 못하기 때문에 성토층이 깊어짐에도 동일한 전단파속도(181m/s)를 나타내나, 현장 및 실내시험에 의해 구한 전단파속도는 깊이에 따라 전단파속도가 증가하고, 그 값 또한 Yamazaki(N=8로 가정)식으로 구한 값 보다 크게 나타났다.

○ 성토층의 평균전단파속도를 현장 측정한 결과는 아래 표와 같으며 화성과 파주 성토층의 전단파속도가 세종 보다 다소 크게 나타난 것은 화성과 파주는 준공 시점으로 지반의 다짐과 안정화가 많이 되었고, 세종은 성토 후 2달 정도 밖에 지나지 않아 자중에 의한 다짐과 고결화가 충분치 않았기 때문으로 판단된다. 특히, 표토부근의 전단파속도는 작게 나타나 표토 부근이 고결화가 아직 안되었을 유추할 수 있고, 준공시점이 되면 세종도 전단파속도가 다른 현장과 유사한 수준으로 증가할 것으로 예상된다.

 

○ 성토 전후에 기존 토층부에서의 전단파속도 현장측정값을 비교한 결과 성토로 인한 지중응력의 증가로 SPS 시험결과는 세 현장 평균 25%, 다운홀 시험결과는 13% 증가하는 것으로 나타났다.

○ 최초 지반조사시의 전단파속도와 Yamazaki(N=8로 가정)을 성토층에 적용 시 화성과 파주는 S2 등급, 세종은 S3 등급( KDS 41 17 00)을 나타내었으나, 성토 후에 실측 한 결과는 세 현장 모두 S2 등급을 나타내었다. 따라서, 성토층과 성토 후의 원지반의 전단파를 합리적으로 산정하면 현장조건에 따라서 지반 등급 상향이 가능할 것으로 판단되었다.

○ 수치해석 결과 성토 시에 성토고와 폭에 관계 없이 지중응력이 증가하는 양상을 보였으며, 이에 따라 전단파속도도 증가하는 양상을 보였으며, 실제 현장의 성토고를 반영하였을 때 전단파속도는 성토전보다 세 현장 평균 25% 정도 증가하는 것으로 나타났다. 이는 현장의 SPS와 다운홀시험과 유사한 값을 나타내므로 성토고에 따른 원지반의 전단파속도를 수치해석으로 적절히 산정할 수 있는 것으로 파악되었다. 본 보고서 6장에 수치해석에 의해 전단파속도를 산정하는 방법을 제시하였다.

○ 실내실험결과 다짐도가 증가함에 따라 전단파속도가 비례적으로 증가하여 성토층을 다질수록 내진설계에 유리함을 알 수 있었다.

○ 성토층에 대한 실내와 현장 전단파실험결과를 비교한 결과 화성의 현장전단파 속도(SPS, DHT)는 90% 다짐도의 실내전단파속도와, 파주는 70%~90% 이상의 다짐도의 실내전단파속도와, 세종은 42~75% 다짐도의 실내전단파속도와 유사하게 나타났다. 세종 현장전단파속도(SPS, DHT)가 타현장에 비해 표토부근이 작게 나타난 것은 성토 후 두 달 이내 시험하여 자연다짐 및 고결화가 되지 않았기 때문으로 판단된다.

 

○ N값과 지중응력을 고려하는 Brandenberg et al(2010) 식도 적절한 N값을 반영할 경우 실무에서의 사용이 가능리라 판단된다.

○ 성토층과 성토 후 원지반의 전단파 속도를 본 연구에서 제시한 방법으로 산정할 경우 지반등급 또는 내진설계범주의 상향조정으로 상부구조물의 원가절감 (내진설계범주 D→C 상향조정 시, 동당 96백만 원)과 설계비 및 설계기간(4개월) 감소 등의 설계 관련 업무의 개선이 이루어질 것으로 기대된다.

 

 

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