도시철도 내진설계기준

제1장 총칙

제1조(목적) 이 기준은 「도시철도법」, 「지진·화산재해대책법」에 따라 도시철도시설에 대한 내진설계 기준을 규정함으로써 내진안전성을 확보하는 것을 그 목적으로 한다.

제2조(용어 및 기호의 정의) ① 이 기준에서 사용하는 용어의 뜻은 다음과 같다.

2. 내진등급(seismic classification): 시설물의 중요도에 따라 내진설계수준을 내진Ⅱ등급, 내진Ⅰ등급, 내진특등급으로 구분 3. 내진성능목표(seismic performance objectives): 설계지반운동에 대해 내진성능수준을 만족하도록 요구하는 내진설계의 목표 4. 내진성능수준(seismic performance level): 설계지진에 대해 시설물에 요구되는 최소 성능수준. 기능수행수준, 즉시복구수준, 장기복구/인명보호수준과 붕괴방지수준으로 구분 5. 설계지반운동(design ground motion): 내진설계를 위해 정의된 지반운동 6. 설계지진(design earthquake): 설계지반운동을 갖는 지진 7. 액상화(liquefaction): 포화된 사질토 등에서 지진동, 발파하중 등과 같은 충격하중에 의하여 지반 내에 과잉간극수압이 발생하여, 지반의 전단강도가 상실되어 액체처럼 거동하는 현상 8. 연성(ductility) : 비탄성응답을 허용하는 부재나 접합부의 성질 9. 위험도계수(risk factor): 평균재현주기가 500년인 지진을 기준으로 하여, 평균재현주기가 다른 지진의 유효지반가속도를 상대적 비율로 나타낸 계수 10. 유효지반가속도(effective ground acceleration, S): 지진하중을 산정하기 위하여 국가지진위험지도나 행정구역을 기준으로 제시된 지반운동 수준 11. 응답수정계수(response modification factor) : 탄성해석으로 구한 각 요소의 내력으로부터 설계지진력을 산정하기 위한 수정계수 12. 응답스펙트럼(response spectrum) : 어떤 일정한 감쇠비를 가진 구조물의 고유주기나 진동수에 따른 지진의 최대응답을 나타낸 그래프 13. 제곱합제곱근 스펙트럼(square root sum of square spectrum) : 직교하는 두 개의 응답스펙트럼의 제곱의 합을 제곱근으로 나타낸 응답스펙트럼 14. 지진구역계수(seismic zone factor) : 유사한 지진위험도를 갖는 행정구역을 지진구역 I, II로 구분하고 암반지반상에서 평균재현주기 500년 지진의 유효지반가속도를 중력가속도 단위로 표현한 값 ② 이 기준에서 사용하는 기호의 뜻은 다음과 같다.

제3조(적용범위) ① 본 기준은 「도시철도법」과 「도시철도건설규칙」에 따라 건설되는 지중 구조물의 내진설계에 적용한다. ② 이 기준에 정하여 있지 않거나 지하와 지상의 경계부 혹은 지상에 건설되는 경우 다음 각 호의 기준 및 관련 기준을 적용할 수 있다. 1. 교량 내진설계기준 2. 철도 설계기준 3. 건축구조기준 4. 터널내진 설계 5. 기초 내진 설계기준 6. 비탈면 내진설계기준 7. 콘크리트 내진설계기준 8. 강구조 내진 설계기준 9. 소방시설의 내진설계기준

제4조(내진설계의 절차) 도시철도시설의 일반적인 내진설계 절차는 다음 각 호와 같다. 1. 내진등급, 성능목표의 결정 2. 지진하중의 산정 3. 구조해석 4. 해석결과의 분석 5. 시스템과 부재의 설계 6. 필요시 비선형해석 및 분석 7. 비구조요소의 설계

제5조(품질보증) ① 도시철도 건설자는 도시철도시설의 적절한 내진성능을 확보하기 위하여, 내진등급별 내진성능수준을 만족하도록 품질보증요건을 문서화한다. ② 설계자는 규정된 내진설계항목을 숙지하고, 요구내진성능 이상을 확보하도록 설계해야 한다. ③ 시설물 관리주체는 시설물 사용기간 중에도 내진성능을 유지할 수 있도록 관리해야 한다.

제2장 내진설계의 기본 방침

제6조(기본개념) 도시철도시설의 내진설계는 지진 시 또는 지진이 발생된 후에도 구조물이 안전성을 유지하고 그 기능을 발휘할 수 있도록 설계 시에 지진하중을 추가로 고려하여 설계를 수행하는 것을 의미한다.

제7조(내진등급) ① 내진등급은 중요도에 따라서 내진특등급, 내진Ⅰ등급, 내진Ⅱ등급으로 분류할 수 있으며 다음 각 호와 같이 정의한다. 1. 내진특등급 : 지진 시 매우 큰 재난이 발생하거나, 기능이 마비된다면 사회적으로 매우 큰 영향을 줄 수 있는 시설의 등급 2. 내진Ⅰ등급 : 지진 시 큰 재난이 발생하거나, 기능이 마비된다면 사회적으로 큰 영향을 줄 수 있는 시설의 등급 3. 내진Ⅱ등급: 지진 시 재난이 크지 않거나, 기능이 마비되어도 사회적으로 영향이 크지 않은 시설의 등급 ② 도시철도시설은 다른 법령에 특별한 규정이 있는 경우를 제외하고는 원칙적으로 내진 I등급으로 분류한다. 다만, 창고시설 등 지진으로 인한 열차운행 안전에 직접적인 연관이 없는 시설의 경우 내진Ⅱ등급으로 분류할 수 있다.

제8조(내진성능수준) 도시철도시설의 내진설계 시에는 「기능수행수준」과 「붕괴방지수준」의 내진성능수준을 만족하여야 하며 다음 각 호와 같이 정의한다. 1. 「기능수행수준」 : 설계지진하중 작용 시 시설에 발생한 손상이 경미하여 구조물의 경우 설계당시의 강도 및 강성을 유지하고, 비구조요소의 경우 전원 및 기능이 유지될 수 있는 성능수준 2. 「붕괴방지수준」 : 설계지진하중 작용 시 시설에 매우 큰 손상이 발생할 수는 있지만 구조물이나 시설불의 붕괴로 인한 대규모 피해를 방지하고, 인명 피해를 최소화하는 성능 수준

제9조(설계지반운동 수준) 도시철도시설에 적용하는 설계지반운동 수준은 다음 각 호와 같다. 1. 평균재현주기 50년 지진지반운동 (5년내 초과확률 10 %) 2. 평균재현주기 100년 지진지반운동 (10년내 초과확률 10 %) 3. 평균재현주기 200년 지진지반운동 (20년내 초과확률 10 %) 4. 평균재현주기 500년 지진지반운동 (50년내 초과확률 10 %) 5. 평균재현주기 1,000년 지진지반운동 (100년내 초과확률 10 %) 6. 평균재현주기 2,400년 지진지반운동 (250년내 초과확률 10 %)

제10조(내진성능목표) ① 내진성능목표는 '평균재현주기를 갖는 설계지진'과 '최소 요구 내진성능수준'의 조합으로 정의한다. ② 도시철도시설의 내진성능목표는 제7조에서 결정한 내진등급, 제8조의 내진성능수준 및 제9조의 설계지반운동 수준의 조합으로 결정하며, 내진등급별 최소성능목표는 표2.1과 같다. ③ 시설물별로 합리적인 내진성능목표가 필요한 경우에는 표2.1에 규정된 최소 요구 내진성능목표 이상으로 변경하여 설계할 수 있다.

제3장 설계지반운동의 결정

제11조(일반사항) ① 설계지반운동은 도시철도시설의 내진성능 확보에 필요한 최소 설계요구조건을 규정하며, 지진 발생 시 도시철도의 기능을 유지하여 대중교통 기능 수행에 중대한 지장을 초래하지 않도록 하는 것을 목적으로 한다. ② 본 기준에서 규정하지 않은 설계지반운동의 결정과 관련한 세부사항은 내진설계기준 공통적용사항을 적용한다.

제12조(설계지반운동 결정시 고려사항) 지반운동의 특징을 반영하기 위한 설계지반운동은 다음 각 호의 사항을 고려하여 결정한다. 1. 설계지반운동은 부지 정지작업이 완료된 지표면에서의 자유장 운동으로 정의한다. 2. 국지적인 토질조건, 지질조건과 지표 및 지하 지형이 지반운동에 미치는 영향이 고려되어야 한다. 3. 설계지반운동은 흔들림의 세기, 주파수 내용 및 지속시간에 대한 특성이 정의되어야 한다. 4. 설계지반운동은 수평 2축 방향과 수직방향 성분으로 정의된다. 5. 설계지반운동의 수평 2축 방향 성분은 세기와 특성이 동일하다고 가정한다. 6. 지하 도시철도 구조물의 경우 설계지반운동의 수직 방향 성분은 고려하지 않아도 좋다.

제13조(설계지반운동 결정의 절차) ① 설계지반운동 결정을 위한 절차는 다음 각 호와 같다. 1. 유효지반가속도 산정 방법의 결정 2. 유효지반가속도의 산정 3. 지반의 조사 및 분류 4. 설계지진응답스펙트럼의 산정 ② 설계자는 부지 고유의 설계지진을 합리적으로 정의하는 경우, 제1항을 대체하여 사용할 수 있다.

제14조(유효지반가속도)

② 제1항제2호에 따라 구한 유효지반가속도는 제1항제1호에 따라 결정한 값의 80%보다 작지 않아야 한다.

제15조(지진구역 및 지진구역계수) 우리나라의 지진구역은 지진구역 I과 지진구역 II로 구분하며, 행정구역에 따른 지진구역 및 지진구역계수는 표3.1과 같다.

제16조(위험도계수) 제11조에서 결정한 성능목표별 재현주기에 해당하는 도시철도시설의 위험도계수는 표3.2와 같다.

제17조(지반의 조사) ① 지반조사는 지층의 구성, 각 지층의 동역학적 특성 파악 및 실내시험용 시료채취 등을 수행하는 현장시험과 채취된 시료를 이용한 실내시험을 포함한다.

③ 액상화 저항응력을 평가하기 위한 시추조사는 지표면 아래 20m까지 실시한다. ④ 설계 지반운동 결정을 위하여 지반의 층상구조, 기반암 깊이, 각 층의 밀도, 지하수위, 전단파 속도 주상도, 각 지층의 변형률 크기에 따른 전단탄성계수 감소곡선과 감쇠비 곡선 등을 조사한다.

제18조(액상화) ① 기초 및 지반은 액상화의 피해를 입지 않도록 액상화 발생 가능성을 검토하여야 한다. ② 설계 지진규모는 지진구역 I, Ⅱ 모두 규모 6.5를 적용한다. ③ 액상화 평가는 구조물 내진등급에 관계없이 예비평가와 본평가의 2단계로 구분하여 수행한다. ④ 예비평가는 지반 조건을 고려하여 액상화 평가 생략 여부를 결정한다. ⑤ 본평가에서 액상화 발생 가능성은 대상 현장에서 액상화를 유발시키는 진동저항전단응력과 지진에 의해 발생되는 진동전단응력의 비로서 정의되는 안전율로 평가한다.

⑦ 본평가에서 액상화에 대한 안전율은 1.0을 적용한다. 안전율이 1.0 미만인 경우 액상화에 따른 기초 및 지반 안전성을 평가하고, 1.0 이상인 경우에는 액상화에 대해 안전한 것으로 판정한다. ⑧ 액상화에 따른 기초 및 지반 안전성 평가는 시설물의 유형, 기초의 형식, 지반의 특성을 고려한다. ⑨ 액상화로 인해 시설물의 성능수준을 만족하지 못할 경우에는 대책공법을 적용한다.

제19조(지반의 분류)

1. 액상화가 일어날 수 있는 흙, 예민비가 8 이상인 점토, 붕괴될 정도로 결합력이 약한 붕괴성 흙과 같이 지진하중 작용 시 잠재적인 파괴나 붕괴에 취약한 지반 2. 이탄 또는 유기성이 매우 높은 점토지반(지층의 두께 > 3m) 3. 매우 높은 소성을 띤 점토지반(지층의 두께 > 7m이고, 소성지수(PI; Plasticity Index) > 75) 4. 층이 매우 두껍고 연약하거나 중간 정도로 단단한 점토(지층의 두께 > 36m) 5. 기반암이 깊이 50m를 초과하여 존재하는 지반

제20조(표준설계응답스펙트럼) ① 지상에 설치되는 도시철도시설의 내진설계를 위한 설계지반운동의 특성은 ‘내진설계기준 공통적용사항’을 따른다. ② 제1항에도 불구하고, 지표면 아래에 설치되는 도시철도시설의 설계지반운동의 특성은 다음 각 호와 같이 기반면에서의 설계속도응답스펙트럼을 이용한다.

제4장 내진해석 및 설계

제21조(일반사항) ① 도시철도 지하역사 및 본선박스와 같은 지중구조물의 내진설계는 지진 발생 시 지반 변위의 영향을 고려하여 내진성능을 만족할 수 있도록 한다. ② 도시철도 지중구조물은 관성력의 영향을 크게 받는 지상의 구조물과 달리 관성력의 영향은 작고 주변 지반의 변형에 따라 그 거동이 지배되므로 지진 발생 시 지반 변위의 영향을 적절히 고려하여야 한다. ③ 2련 이상 박스형태 구조물의 경우 중앙부 기둥의 연성을 충분히 확보하도록 한다.

제22조(하중조합) ① 설계지진력을 고려한 내진설계는 다음 각 호에 제시된 하중계수와 하중조합을 모두 고려한다.

② 기능수행수준에 대한 설계지진력을 적용할 경우 1.0E 대신 1.4E를 사용한다.

제23조(내진해석 방법) ① 도시철도 지중구조물의 내진해석은 지반조건, 구조조건 등을 고려하여 다음 각 호의 해석법을 사용하여 수행할 수 있다. 1. 등가정적해석법 2. 동적해석법(비선형시간이력해석법) 3. 1~2와 동등 이상의 성능을 확보할 수 있다고 인정하는 해석법 ② 도시철도 지중구조물의 내진해석은 등가정적해석법을 사용하되 구조물의 형식이나 지반 조건에 따라 정밀도가 확인된 적정한 해석법을 사용할 수 있다. 단, 구조 및 지반 조건이 복잡한 경우, 지반과 구조물의 상호작용을 고려하는 경우에는 시간이력해석법을 사용하는 것이 좋다. ③ 도시철도구조물의 내진해석은 2차원 횡단면해석을 원칙으로 하되 지반상태가 급격히 변화하는 구간을 통과하는 경우, 종방향에 대한 내진구조해석을 추가로 수행하여야 한다.

제24조(등가정적해석법) ① 등가정적해석법은 지진 발생 시 지반 변위와 지중구조물 및 주변지반 관계에서 경계조건을 적절히 모델링하여 정적으로 계산하는 방법이다. ② 지반변위는 등가의 지진토압 또는 지반가속도로 치환할 수 있다. ③ 해석모델은 골조구조와 지반반력계수로 이루어진 분리형 모델이나 지반과 구조물의 상호작용을 고려할 수 있는 유한요소법 등의 일체형 모델을 사용할 수 있다.

제25조(응답변위법) ① 등가정적해석법 중 응답변위법을 사용할 경우 다음 각 호의 요건을 만족하여야 한다. 1. 응답변위법을 사용한 내진해석은 지진하중을 지중구조물의 구체에 가장 불리한 응력, 변위, 그 밖의 영향이 생기도록 작용시킨다. 구조계산 시 지중구조물을 지반반력계수로 지지된 프레임(Frame) 요소로 모델화한다. 2. 지반의 비선형특성을 고려한 전단탄성계수를 사용하여야 한다. 3. 지반반력계수는 교량 하부구조 설계기준의 지반반력계수 산정 부분을 따르거나 유한요소법을 이용하여 구한다. 4. 지진하중은 측벽토압, 상판에 작용하는 주면전단력, 저판에 작용하는 주면전단력, 측벽에 작용하는 주면전단력, 관성력을 사용한다. ② 응답변위법의 해석절차는 다음 각 호에 따른다. 1. 해석단면 설정 2. 지반조건 결정 3. 설계응답스펙트럼 산정 4. 지반변위 산정 5. 지반반력계수 산정 6. 설계하중 산정 7. 부재력 계산

제26조(응답진도법) 등가정적해석법 중 응답진도법을 사용할 경우 다음 각 호의 요건을 만족하여야 한다. 1. 자유장 지반응답을 통하여 구조물 상단과 하단의 상대변위가 최대인 시점의 지층별 응답가속도를 각 절점의 질량에 주어진 값을 곱하여 수평방향의 정적하중으로 작용시킨다. 2. 응단진도법의 지진응답 해석결과는 보정계수 1.5배를 곱하여 사용한다.

제27조(응답수정계수) ① 지중구조물의 각 부재에 작용하는 설계지진력은 제2장 및 제3장으로부터 구한 탄성설계 지진력을 표4.1의 응답수정계수로 나눈 값으로 한다. 설계자는 이 설계 부재력을 다른 하중에 의한 부재력과 조합하여 부재의 안전성을 검토해야 한다. ② 기능수행수준의 내진 성능을 갖도록 설계하는 경우에는 탄성해석을 수행하게 되며, 응답수정계수(R)는 적용하지 않아야 한다. ③ 붕괴방지 수준의 내진 성능을 갖도록 설계하는 경우에는 탄성해석과 탄소성해석을 필요에 따라 선택할 수 있다. 1. 탄성해석을 수행하는 경우에는 계산 결과를 응답수정계수로 나눠줌으로써 탄성해석만으로 소성변형까지도 고려할 수 있다. 2. 탄소성해석을 수행하는 경우에는 계산 결과를 그대로 사용하고 응답수정계수는 고려하지 않아야 한다. [표4.1] 응답수정계수(R)

제28조(동적해석법) ① 도시철도 지중구조물의 동적해석법은 비선형시간이력해석법을 사용한다. ② 비선형시간이력해석시 응답은 제23조의 응답수정계수를 적용하지 않는다. ③ 시간이력해석을 위한 지반운동은 다음 각 호의 방법 중 하나를 이용할 수 있다. 1. 제24조의2제1항으로부터 구한 설계지반운동 시간이력 2. 제24조의2제2항으로부터 구한 실지진기록 활용 지반운동 시간이력 3. 제24조의2제3항으로부터 구한 인공합성 지반운동 시간이력 ④ 시간이력해석을 위한 구조물의 해석모델은 지반운동에 대한 구조물의 동적응답 크기와 특성을 충분히 고려할 수 있도록 구조물의 질량과 강성의 공간적인 분포를 적절하게 대표할 수 있어야 한다. ⑤ 지반의 유연성이 매우 높아서 구조물의 동적응답에 미치는 영향이 무시될 수 없는 경우에는 지반과 구조물 상호작용을 적절하게 고려할 수 있도록 지반을 역학적으로 모델링하여야 한다. ⑥ 질량중심과 강성중심의 편차로 인하여 발생하는 비틀림의 효과를 적절히 모델링하여야 한다. ⑦ 시간이력해석시 구조물 혹은 지반의 감쇠특성이 적절히 모델링되어야 한다. ⑧ 해석 시 7개 이상의 지반운동을 사용하며 설계는 평균응답을 사용할 수 있다.

제29조(지반운동 시간이력) ① 설계지반운동 시간이력은 다음 각 호의 방법으로 작성한다. 1. 지반 가속도, 속도, 변위 중 하나 이상의 이력으로 지반운동을 표현할 수 있다. 2. 3차원 해석이 필요할 때 지반운동은 동시에 작용하는 3개의 성분으로 구성해야 한다. 3. 설계지반운동 시간이력은 암반지반에 대해 작성된 시간이력을 사용하여 지반응답해석을 통해 결정한다. 4. 부지에서 계측된 시간이력을 사용하는 것이 원칙이나, 제2항에 기술된 실지진기록을 활용한 지반운동 시간이력 또는 제3항에 기술된 인공합성 지반운동 시간이력을 사용할 수 있다. ② 실지진기록 활용 지반운동 시간이력은 다음 각 호의 방법으로 작성한다.

3. 입력 지진기록 최대지반가속도(PGA; Peak Ground Acceleration)의 절대크기가 중요한 경우, 상기 절차로 보정된 지진기록에 대하여 최대지반가속도를 보정할 수 있다. ③ 인공합성 지반운동 시간이력은 다음 각 호의 방법으로 작성한다.

2. 지반운동의 장주기 성분이 구조물의 거동에 미치는 영향이 중요하다고 판단될 경우에는 지진원의 특성과 국지적인 영향을 고려하여 시간이력을 생성해야 한다. 3. 시간이력의 절단(cut off) 진동수는 최소 50Hz 이상이어야 한다.

6. 다수의 인공합성가속도시간이력으로부터 계산된 5% 감쇠비 응답스펙트럼의 평균은 전체 주기 영역에서 표준설계응답스펙트럼의 10%보다 작아서는 안 된다. 7. 다수의 인공합성가속도시간이력으로부터 계산된 5% 감쇠비 응답스펙트럼의 평균은 0.04초와 10초 주기 영역에서 표준설계응답스펙트럼의 30%를 초과해서는 안 된다. 8. 어떤 두 개의 가속도시간이력 간의 상관계수는 0.16을 초과할 수 없다.

제30조(지진응답계측) 지진응답계측은 "지진가속도계측기 설치 및 운영기준"에 부합하도록 설치·운영한다.

제31조(콘크리트 구조물 내진설계) ① 도시철도시설 중 철근콘크리트 구조물은 충분한 연성을 확보할 수 있도록 콘트리트 구조기준의 「내진설계 특별 고려 사항」을 적용한다. ② 구조적 성능이 현저하게 다른 두 구조물의 접합부는 특별한 경우를 제외하고 분리구조를 원칙으로 한다. 접합부는 충분히 보강하여 안정성을 확보하여야 한다.

제32조(재검토기한) 국토교통부장관은 「훈령·예규 등의 발령 및 관리에 관한 규정」에 따라 이 고시에 대하여 2019년 7월 1일을 기준으로 매 3년이 되는 시점(매 3년째의 6월 30일까지를 말한다)마다 그 타당성을 검토하여 개선 등의 조치를 하여야 한다.