지반계수 기술검토서

2009. 6.25

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1. 검토 목적

2. 규준 및 설계 검토

3. 지반계수 수정 제안

4. 결론

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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

단면 A-A

단면 B-B

A

B

A

B

풍화암

연암

충적층

연암

풍화암

충적층

▼EL-18.5 ▼EL-16.5▼EL-19.9▼EL-18.5▼EL-16.5

▼EL-20.9▼EL-19.9

주동1 주동2

호텔지하주차장

지하주차장 지하주차장

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2.2 현재 설계상태

기초계획 및 지반계수

주동-3 기초바닥고 : EL-18.5m

기초지반상태 : 충적층

기초계획 : R.C.D Ø2, 500

주동-1 기초바닥고 : EL-18.5m

기초지반상태 : 풍화암~일부 연암

기초계획 : R.C.D Ø2,500

주동-2 기초바닥고 : EL-18.5m

기초지반상태 : 충적층

기초계획 : R.C.D Ø2,500

업무시설 기초바닥고 : EL-19.90m

기초지반상태 : 풍화토~일부 연암

기초계획 : R.C.D Ø2,000

호텔 기초바닥고 : EL-20.9m

기초지반상태 : 풍화암

기초계획 : R.C.D Ø2,000

판매시설 기초바닥고

: EL-16.5~19.9m

기초지반상태 : 풍화토~연암

기초계획 : MAT 기초

SeSe

Sd

Sd

Sd

Sd

현재 설계상태를 보면 특별한 지진해석을 수행하지 않고 해당 각 건물의 가장 불리한 형

태의 지반상태를 기준으로 하여 각 건물에 해당하는 지반계수를 선정하였다. 이러한 근거

는 본 건물의 경우는 대부분 파일기초로 설계되어 있어 기준에 근거하여 지표면을 기준

으로 설계되어 있다. 특별한 지진 해석을 수행하지는 않았는데 이는 건물의 높이가 높아

지진하중보다는 풍하중에 의해 결정이 되어 다소 보수적인 안전측을 택하여도 문제가 없

을 것으로 판단한 결과이다.

3. 지반계수 수정 제안

3.1 해외 규정 및 국내 문헌 검토

3.1.1 해외 규정 검토

송도 국제업무단지 센터로드 복합업무시설 보고서 내에 해외 규정을 분석한 부분을 인

용해 보았다.

“건축구조설계기준 및 해설의 기준면에 관한 해설 0306.3.2는 구조물-지반 상호작용에

대한 영향을 반영한 미국 FEMA450 기준해설을 참조한 것으로 원문의 내용을 안전측으

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로 표현한 해설이다. 특히 파일기초일 경우 지표면을 기준면으로 한다는 해설은 일반적으

로 파일기초는 연직축력에 대해서만 설계하므로 횡력에 대하여 적절히 저항하지 못 한다

고 가정한 해설로서, 이 검토 대상 건축물과 같이 지반에 깊게 묻혀있는 지하층 구조의

경우에는 기초구조의 강성이 매우 커 지진으로 인한 기초 상부의 횡토압에 대하여 지하

층 구조가 큰 손상 없이 탄성상태로 횡력에 저항할 수 있어서 파일이 횡력에 저항할 필

요가 없는 경우에는 해당되지 않는다고 사료된다.”

FEMA450 해설에서 파일기초일 경우에는 무조건 지표면을 기준면으로 간주하라는 것이

아니고 파일이 횡력에 대하여 저항할 필요가 있는 경우임에도 횡저항 설계되지 않은 파

일 기초일 경우나, 파일의 횡강성이 작은 지표면 가까이 위치한 기초에서 기초저면보다

상부의 연약지반을 통하여 지반운동이 구조물에 전달되는 경우를 말하며, 지하층 구조의

강성이 매우 커서 기초상부의 연약지반 운동이 구조물에 거의 영향을 미치치 않고 지하

층이 견고한 토사에 지지된 경우에는 기초 저면을 지반분류의 기준면으로 고려하는 것이

합리적이라는 점을 강조하고 있다.

3.1.2 국내 문헌 검토

- 건축구조 기술사회에서 발간한 “건축구조” 2007년 12월호에 김성수 소장이 게재한 “초

고층 구조물과 지반계수” 기술 특집 논문에서 “지하층을 둘러싸고 있는 주변토사가 연약

지층인 경우 위와 같은 조건하에서 “상부지반 30m”기준점은 기초 저면이 적절한 것으로

사료된다고 제시하였다.

- Kellezil 교수는 그의 저서에서 “지하층을 둘러싸고 있는 연약토사는 그 속에 묻혀 있는

Stiff한 구조물에 대하여 천연 댐퍼 역할을 하고 있다” 고 기술하고 있다.

- 2008년 7월 31일 당사에서 제출한 “지하벽 지진하중적용 적합성 기술검토서” 의 내용

중에서도 김성렬등 “ 수치해석을 이용한 우물통 기초의 관성력과 동적 토압의 위상관계

분석”에 따르면 상부 연약점토층에서는 동적토압이 하중으로 발생하였고, 풍화토층과 암

반층에서는 동적토압이 저항으로 발휘되었다. 그 이유는 지반의 강성이 작은 연약점토층

의 경우 지반 변위가 구조물의 변위보다 더 커져서 하중으로 작용하며 지반의 강성이 큰

풍화토층 및 암반층의 경우에는 지반 변위가 구조물의 변위보다 작아서 저항으로 작용하

기 때문이다. 구조물과 지반간의 상대변위는 상부 점토층에서 크고, 암반층에서 작았지만

상부 점토층은 지층 강성 및 구속압이 작기 때문에 동적토압이 상대적으로 작았다. 즉, 지

하층을 둘러싸고 있는 연약지층이 댐퍼 역할을 하고 있음을 해석을 통하여 입증하고 있다.

3.2 지반계수 적용 사례 검토

3.2.1 건대 스타시티 사례

건물은 지하 3층 지상 58층, 50층, 45층, 35층으로 지하층크기가 100m x 200m로 지

하층 깊이가 12m 로 이러한 기준을 근거로 규준의 기준에 따르면 지반 계수 값이 Sc

로 볼 수 있으나 TTG라는 해외사에 서 설계시 지하부를 강체로 인지하고 기초저면을

기준으로 지반을 판정하여 Sa로 설계를 하였다.

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3.2.2 송도 국제 업무단지 센터로드 복합업무시설 사례

송도 국제업무 단지는 바다를 매립한 지역에 설계되었다. 건물은 지하 4층 지상 32층,

34층, 45층으로 지하층 크기가 63.1m x 252.6m로 지하층 깊이가 18.5.m 로 바렛기초

를 적용한 사례이다. 본 건물은 규준의 해설의 3)에 해당하는 “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 기준

면으로 사용할 수 있다”는 내용을 근거로 해석을 통하여 검증한 사례이다. 이 경우 규

준의 기준에 따르면 지반 계수 값이 Sd로 볼 수 있으나 해석결과 Sb로 판정이 되었다.

그러나 보수적으로 Sc를 적용하였다.

3.2.3 서울국제금융센타 사례

서울 국제 금융 센타는 여의도 지역으로 상부가 토사 층으로 연약한 지역에 위치하고

있는 건물이다. 이 건물은 지하 6층 지상 52층, 34층, 32층 호텔 41층으로 4개 동으로

이루어져 있으며 지하층 크기가 약100m x 200m로 지하층 깊이가 40m로 매트기초를

적용한 사례이다. 이러한 기준을 근거로 규준의 기준에 따르면 지반 계수 값이 가장

불리한 건물 별로 구분을 할 경우는 Sa에서 Sc로 볼 수 있으나 지하층이 큰 매스로

박스형태로 이루어져 있으므로 토목기술자와 협의 결과 일체거동으로 건물로 판정하

여 평균값인 Sb로 전 건물에 적용하였다.

3.3 지반계수 값에 따른 설계스펙트럼 가속도 값 검토

판매시설과 오피스의 주기에 따라 설계스펙트럼 가속도 값을 검토하면 지반계수에 Sd 대

비 Se증가 비율을 검토하면 판매시설은 1.39배 오피스는 1.48배가 큰 것을 알 수 있다.

지반계수를 Se에서 Sd로 저감할 경우는 지진력이 오피스는 32%, 판매시설은 28% 감소

하는 효과가 있다.

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계산서 내에 벽체의 설계 값이 대체로 지진력에 의한 하중조합에 의해 결정이 되고 있으

므로 지반계수 값을 조정하면 수직하중에 의한 조합으로 지진력의 감소에 의한 값만큼은

줄어들지 않을 것이나 개략 철근의 10~15% 배근의 절약이 가능할 것으로 판단된다.

4. 결론

일반적으로 초고층의 구조설계 시 지진의 영항이 바람의 영향보다 작기 때문에 정확한 지

반해석을 수반하여 지반계수를 판정하는 것을 수행하고는 있지는 않다. 그러나 규모가 큰

단지의 경우 높고 낮은 건물이 혼재되어 있어 앞에 언급한 바와 같이 저층부의 경우는 지

진의 영향을 받는 경우가 종종 발생함에도 규모가 작기 때문에 무시되는 경향이 있다.

그러나 본 프로젝트의 경우는 작은 건물이기는 하지만 형태의 비정형성을 고려하여 안정

성을 고려하여 가장 보수적인 형태의 지반계수 판정을 한 것으로 판단되나 타 사례를 통

하여 다음과 같은 방안을 제시한다.

- 각 프로젝트의 사례 및 규준을 분석한 결과 본 건물의 각 동 별로 지반 계수를 적용한

것보다는 지하층을 기준으로 한 건물로 판정하여 같은 지반계수를 적용하는 것이 타당

할 것으로 판단된다.

- 본 건물은 Sd와 Se의 두 가지로 분류되어 있는데 오피스와 판매시설부분은 타워부와 같

은 지반계수인 Sd로 적용하여도 전체 평균값을 고려하면 적절하다고 판단된다.

- 지진에 대하여서는 일반적으로 주기가 1초 이하인 10층 이하의 규모의 저층부 건물이

지진 영향을 많이 받는다. 본 프로젝트인 오피스와 판매시설도 살펴본 바와 같이 벽체설

계가 지진하중의 조합에 의해서 배근이 되어있는 경우가 대부분이다. 따라서, 지반계수

값을 조정하여 벽체 배근을 조정하도록 한다.