기초설계에 있어 침하 기준

 대다수의 기초는 가볍고 중간크기의 빌딩을 기준으로 표준화되어 있다. 주로 지금까지 사용된 방법을 이용하는 설계이거나 지역기준에 따른다. 대부분 과대 설계로 되어 있고, 확장적용은 큰 문제가 되지 않는다. 가장 간단하고 적정한 설계 방법은 표준화되어 있으나 더 정확한 방법으로 얻어진 결과와 매우 유사하다.

 활하중이 고려되면 설계 하중으로 가정된 값은 더 큰 값이 된다. 대부분의 빌딩의 경우 활하중은 사하중의 약 15~30%정도이고, 항상 사하중은 완공되기 전에 작용된다. 그래서 즉시침하는 사하중이 원인이며, 대부분의 경우(예를 들어, 비점착성 지반과 견고한 점토지반) 완공 후 거의 작용된다.

 침하와 관련된 빌딩 유지관리는 각 변형에 의한 균열이 문제이다. 벽돌벽과 콘크리트슬래브로 구성된 빌딩은 매우 취성적이며, 각 변형에 의해 쉽게 균열이 발생한다. 취성파괴가 철, 목재 및 철근콘크리트와 같은 연성성질과 다르며, 과대 응력이 발생할 수 있다.

 

기준결정

 임의로 또는 어떤 기준에 의해 허용침하 한계가 결정된다. 만약 변경되면 이해 관계자들(건축가, 구조설계자, 지반공학자, 계약자, 빌딩 소유자, 개발자, 보험종사자 등)에게 영향을 준다. 관리한계는 전문가들의 자문 이후 설계자의 책임이 된다. 다음과 같은 세가지 기준이 있다.

 

1) 가시적 형태 : 1/250보다 큰 수직 편차는 잘 보이며, 사용자나 관측자에게 위험을 느끼게 할 수 있다. 이와 유사하게 눈에 띄는 것은 1/100의 수평변위 차이와 1/250의 변형/처짐 비이다.

 

2) 가시적 손상 : 빌딩형식과 영향의 종류에 따라 손상의 허용 수준은 달라진다.

 

3) 구조 또는 기능적 유지에 영향을 주는 손상 : 균열 손상은 물 또는 다른 액체의 침입을 허용하고, 다른 손상(철근의 부식, 틈이 있는 재료의 열화, 노화 촉진 등)을 유도한다. 이동과 변형의 한계는 대부분 빌딩 또는 편의시설의 사용과 기능에 의해 결정될 것이다. 주의할 점은 하중을 받는 벽돌 벽의 균열 방지이며, 구조적 손상은 빌딩에서 하중작용의 변화를 나타낸다.

 

 많은 연구자들은 침하, 부등침하와 각 변형의 설계 제한을 제시하였다. 침하와 변형에 대한 정의(Burland와 Wroth)는 기초 설계에서 정량적으로 제안되고 있다.(그림1.)

그림1.

 

침하는 기준점에서 하향 변위이다. 즉, 점 B의 침하.

부등침하는 한점을 기준으로 다른 점의 침하이다. 즉, A에 대한 B의 변위이다.

기준점에서 각 변형율은 기준점에서 경사의 변화이다.

경사각은 구조물의 회전각이다.

상대회전은 경사진 두 기준점 사이 직선의 회전이다.

상대처짐은 두 기준점 직선 사이 발생한 최대 변위이다.

각변형은 두점 사이와 두점 거리의 상대 처짐의 비이다. 각 변형은 단순 전단 뒤틀림을 받을 때 상대회전과 같다. 어쨌든 이것은 단순보에서 회전에 대한 지지로 휨을 받는 것은 아니다.

 

변형의 한계

 표1.은 손상과 관련된 각변형에 대한 한계값을 나타낸 것이다. Skempton과 MacDonald는 재래식 구조물에서 1/500의 각변형을 실제 설계 한계로 제안하고 있으나 눈에 보이는 균열 손상을 피하기 위해서는 1/1000이 필요하다고 하였다. 구조물 손상은 1/150 이하면 발생하지 않는다.

 Burland와  Wroth는 설계에서 이용되는 여러 경우를 조사한 결과 취성보는 균열의 개념을 기본으로 하고 있다. 이 방법은 정확한 해석이 아니라도 발견된 손상과 관련되어 안전한 값을 제시한다. Skempton과 MacDonald와 Polshin과 Tokar 등이 제안한 고전적 탄성 해석 및 실제 적용기준은 균열과 다른 개수를 이용하여 제안되고 있다. 균열은 인장 변형율과 관계 있고, 벽돌작업과 취성 재료에서는 0.05~0.1% 범위 내에 있다. 그래서 한계값은 0.075%로 제안되고 있다. 또 다른 계수는 강성 계수비 E/G=2.6이다. 그러나 연성 구조물에서는 전단 E/G가 크고, 상대적으로 강성 구조물에서는 작다.

표1.