지반계수기술검토서 2009. 6.25
1. 검토목적 2. 규준및설계검토 3. 지반계수수정제안 4. 결론 2/7
1. 검토목적 내진 설계를 수행할 경우에 지반계수 값에 따라 지진의 하중값이 차이가 존재한다. 본 건물의 경우 지하가 6개층내지 5개층으로 지하층 크기가 약 300m x 150m로 지하층 깊 이가 20m 로 RCD 파일 기초를 적용되었으며 지상층은 주상복합 3개동(72층, 66층, 46 층) 호텔 1개동(33층) 오피스(9층) 판매시설(3층)으로 다양한 층수의 건물이 존재한다. 지반의 기준선을 지표면으로 하는 것을 기본으로 규준에는 표현이 되어있으나 지하 깊 이가 깊고 지하의 규모가 커서 강체로 볼 수 있다고 판단하여 지반계수를 재평가하여 지반계수 저감 가능성을 검토해 보고자 한다. 2. 규준 및 설계 검토 2.1 규준검토 국내 규준의 지반분류의 규준은 0306.3.2의 내용을 참고하면 상부 30m의 지반 특성을 기준으로 지반 종류를 분류하고 있다. 해설의 내용을 검토해보면 지반분류를 정하는 기준면은 일반적으로 지표면을 기준으로 한다. 다만, 지하층을 갖는 건축물의 경우, 1) 기초가 경암, 보통암 또는 연암에 직접 견고히 정착되어 있고, 2) 지진 으로 인하여 발생하는 기초 상부 횡토압에 대하여 지하층 구조가 과도한 손상 없이 탄성 상태로 저항할 수 있으며, 3) 지하층 구조의 강성이 커서 지표면의 상부에 위치한 지반의 운동이 지상구조의 큰 영향을 미치치 않는다는 사실을 구조해석 또는 실험으로 입증할 수 있는 경우에는 기초면을 지반 분류의 기준면으로 사용할 수 있다. 또한 파일의 경우에 는 지표면을 기준으로 한다. 그 이유는 일반적으로 파일기초는 횡력에 대하여 저항하지 못하며 암반에 지하층을 견고히 정착하지 못하기 때문이다. 라고 기술이 되어있다. 기초단면도 주동1 지하주차장 주동2 지하주차장 B EL-16.5 EL-18.5 EL-19.9 EL-18.5 EL-16.5 A A 충적층 풍화암 연암 B 단면 A-A 지하주차장 EL-19.9 호텔 EL-20.9 충적층 풍화암 연암 단면 B-B 3/7
2.2 현재설계상태 기초계획및지반계수 업무시설기초바닥고 : EL-19.90m 기초지반상태 : 풍화토 ~ 일부연암기초계획 : R.C.D Ø2,000 판매시설기초바닥고 : EL-16.5~19.9m 기초지반상태 : 풍화토 ~ 연암기초계획 : MAT 기초 주동 -3 기초바닥고 : EL-18.5m 기초지반상태 : 충적층기초계획 : R.C.D Ø2, 500 Se Se 주동 -1 기초바닥고 : EL-18.5m 기초지반상태 : 풍화암 ~ 일부연암기초계획 : R.C.D Ø2,500 주동 -2 기초바닥고 : EL-18.5m 기초지반상태 : 충적층기초계획 : R.C.D Ø2,500 호텔기초바닥고 : EL-20.9m 기초지반상태 : 풍화암기초계획 : R.C.D Ø2,000 현재설계상태를보면특별한지진해석을수행하지않고해당각건물의가장불리한형태의지반상태를기준으로하여각건물에해당하는지반계수를선정하였다. 이러한근거는본건물의경우는대부분파일기초로설계되어있어기준에근거하여지표면을기준으로설계되어있다. 특별한지진해석을수행하지는않았는데이는건물의높이가높아지진하중보다는풍하중에의해결정이되어다소보수적인안전측을택하여도문제가없을것으로판단한결과이다. 3. 지반계수수정제안 3.1 해외규정및국내문헌검토 3.1.1 해외규정검토송도국제업무단지센터로드복합업무시설보고서내에해외규정을분석한부분을인용해보았다. 건축구조설계기준및해설의기준면에관한해설 0306.3.2는구조물-지반상호작용에대한영향을반영한미국 FEMA450 기준해설을참조한것으로원문의내용을안전측으 4/7
로표현한해설이다. 특히파일기초일경우지표면을기준면으로한다는해설은일반적으로파일기초는연직축력에대해서만설계하므로횡력에대하여적절히저항하지못한다고가정한해설로서, 이검토대상건축물과같이지반에깊게묻혀있는지하층구조의경우에는기초구조의강성이매우커지진으로인한기초상부의횡토압에대하여지하층구조가큰손상없이탄성상태로횡력에저항할수있어서파일이횡력에저항할필요가없는경우에는해당되지않는다고사료된다. FEMA450 해설에서파일기초일경우에는무조건지표면을기준면으로간주하라는것이아니고파일이횡력에대하여저항할필요가있는경우임에도횡저항설계되지않은파일기초일경우나, 파일의횡강성이작은지표면가까이위치한기초에서기초저면보다상부의연약지반을통하여지반운동이구조물에전달되는경우를말하며, 지하층구조의강성이매우커서기초상부의연약지반운동이구조물에거의영향을미치치않고지하층이견고한토사에지지된경우에는기초저면을지반분류의기준면으로고려하는것이합리적이라는점을강조하고있다. 3.1.2 국내문헌검토 - 건축구조기술사회에서발간한 건축구조 2007년 12월호에김성수소장이게재한 초고층구조물과지반계수 기술특집논문에서 지하층을둘러싸고있는주변토사가연약지층인경우위와같은조건하에서 상부지반 30m 기준점은기초저면이적절한것으로사료된다고제시하였다. - Kellezil 교수는그의저서에서 지하층을둘러싸고있는연약토사는그속에묻혀있는 Stiff한구조물에대하여천연댐퍼역할을하고있다 고기술하고있다. - 2008년 7월 31일당사에서제출한 지하벽지진하중적용적합성기술검토서 의내용중에서도김성렬등 수치해석을이용한우물통기초의관성력과동적토압의위상관계분석 에따르면상부연약점토층에서는동적토압이하중으로발생하였고, 풍화토층과암반층에서는동적토압이저항으로발휘되었다. 그이유는지반의강성이작은연약점토층의경우지반변위가구조물의변위보다더커져서하중으로작용하며지반의강성이큰풍화토층및암반층의경우에는지반변위가구조물의변위보다작아서저항으로작용하기때문이다. 구조물과지반간의상대변위는상부점토층에서크고, 암반층에서작았지만상부점토층은지층강성및구속압이작기때문에동적토압이상대적으로작았다. 즉, 지하층을둘러싸고있는연약지층이댐퍼역할을하고있음을해석을통하여입증하고있다. 3.2 지반계수적용사례검토 3.2.1 건대스타시티사례건물은지하 3층지상 58층, 50층, 45층, 35층으로지하층크기가 100m x 200m로지하층깊이가 12m 로이러한기준을근거로규준의기준에따르면지반계수값이 S c 로볼수있으나 TTG라는해외사에서설계시지하부를강체로인지하고기초저면을기준으로지반을판정하여 S a 로설계를하였다. 5/7
3.2.2 송도국제업무단지센터로드복합업무시설사례송도국제업무단지는바다를매립한지역에설계되었다. 건물은지하 4층지상 32층, 34층, 45층으로지하층크기가 63.1m x 252.6m로지하층깊이가 18.5.m 로바렛기초를적용한사례이다. 본건물은규준의해설의 3) 에해당하는 지하층구조의강성이커서지표면의상부에위치한지반의운동이지상구조의큰영향을미치치않는다는사실을구조해석또는실험으로입증할수있는경우에는기초면을지반분류의기준면으로사용할수있다 는내용을근거로해석을통하여검증한사례이다. 이경우규준의기준에따르면지반계수값이 S d 로볼수있으나해석결과 S b 로판정이되었다. 그러나보수적으로 S c 를적용하였다. 3.2.3 서울국제금융센타사례서울국제금융센타는여의도지역으로상부가토사층으로연약한지역에위치하고있는건물이다. 이건물은지하 6층지상 52층, 34층, 32층호텔 41층으로 4개동으로이루어져있으며지하층크기가약100m x 200m로지하층깊이가 40m로매트기초를적용한사례이다. 이러한기준을근거로규준의기준에따르면지반계수값이가장불리한건물별로구분을할경우는 S a 에서 S c 로볼수있으나지하층이큰매스로박스형태로이루어져있으므로토목기술자와협의결과일체거동으로건물로판정하여평균값인 S b 로전건물에적용하였다. 3.3 지반계수값에따른설계스펙트럼가속도값검토판매시설과오피스의주기에따라설계스펙트럼가속도값을검토하면지반계수에 S d 대비 S e 증가비율을검토하면판매시설은 1.39배오피스는 1.48배가큰것을알수있다. 지반계수를 S e 에서 S d 로저감할경우는지진력이오피스는 32%, 판매시설은 28% 감소하는효과가있다. 6/7
계산서내에벽체의설계값이대체로지진력에의한하중조합에의해결정이되고있으 므로지반계수값을조정하면수직하중에의한조합으로지진력의감소에의한값만큼은 줄어들지않을것이나개략철근의 10~15% 배근의절약이가능할것으로판단된다. 4. 결론일반적으로초고층의구조설계시지진의영항이바람의영향보다작기때문에정확한지반해석을수반하여지반계수를판정하는것을수행하고는있지는않다. 그러나규모가큰단지의경우높고낮은건물이혼재되어있어앞에언급한바와같이저층부의경우는지진의영향을받는경우가종종발생함에도규모가작기때문에무시되는경향이있다. 그러나본프로젝트의경우는작은건물이기는하지만형태의비정형성을고려하여안정성을고려하여가장보수적인형태의지반계수판정을한것으로판단되나타사례를통하여다음과같은방안을제시한다. - 각프로젝트의사례및규준을분석한결과본건물의각동별로지반계수를적용한것보다는지하층을기준으로한건물로판정하여같은지반계수를적용하는것이타당할것으로판단된다. - 본건물은 S d 와 S e 의두가지로분류되어있는데오피스와판매시설부분은타워부와같은지반계수인 S d 로적용하여도전체평균값을고려하면적절하다고판단된다. - 지진에대하여서는일반적으로주기가 1초이하인 10층이하의규모의저층부건물이지진영향을많이받는다. 본프로젝트인오피스와판매시설도살펴본바와같이벽체설계가지진하중의조합에의해서배근이되어있는경우가대부분이다. 따라서, 지반계수값을조정하여벽체배근을조정하도록한다. 7/7