건축구조물의 말뚝기초와 액상화에 대한 내진설계 = Seismic Design of Pile Foundations and Liquefaction in Building Structures

국문 초록 (Abstract)

2016년 경주 지진과 2017년 포항 지진은 대한민국이 규모 5.0 이상의 강진으로부터 결코 안전하지 않음을 보여주었다. 이들 지진을 계기로 내진설계의 중요성이 부각되었으며, 특히 지반 및 기초 구조물의 손상이 상부 구조물의 내진안전성에 직접적인 영향을 미친다는 사실이 확인되었다. 그러나 현행 국내 설계기준에서는 말뚝기초에 대한 정량적 내진검토 기준이 미비하여 지진 시 말뚝의 취성파괴 가능성이 제기되고 있다. 또한 지반 액상화(Liquefaction)에 따른 강성 저하와 측방변위는 말뚝기초의 구조적 안정성을 심각하게 저하시킬 수 있어, 이를 반영한 내진설계체계의 정립이 필요하다.
본 연구에서는 성능기반 내진설계(Performance-Based Seismic Design, PBSD)의 개념을 도입하여 다양한 지반조건 및 말뚝 형식에 따른 내진성능을 해석적으로 검토하고, 액상화 발생 여부에 따른 구조응답의 변화를 정량적으로 분석하였다. 두 지반(S3, S4)을 대상으로 한 시간이력해석(Time History Analysis)을 통해 지반강성과 말뚝재료 특성에 따른 응답을 비교하였으며, 액상화 지반에서의 응답스펙트럼해석(Response Spectrum Analysis)을 통해 지반강성 저하가 말뚝기초의 전단응력과 휨모멘트에 미치는 영향을 검토하였다.
해석 결과, 지반강성이 낮을수록 상부 구조물의 관성력이 말뚝에 집중되어 전단력과 휨모멘트가 증가하였으며, PHC말뚝은 높은 강성에도 불구하고 인장측 균열로 인한 취성적 거동을 보였다. 반면 강관말뚝은 우수한 연성과 응력분산 특성으로 인해 반복하중 조건에서도 안정적인 거동을 나타냈다. 또한 액상화 발생 가능성이 높은 지반에서는 말뚝의 전단응력 및 휨모멘트가 증가하였으며, 강관말뚝이 PHC말뚝보다 구조적 안정성 측면에서 우수하게 평가되었다.
따라서 연약지반 및 액상화 지반에서는 강관말뚝의 적용이 구조적 안전성 확보에 유리함을 확인하였다. 더 나아가 국내 설계기준(KDS 41 17 00)의 허용응력설계(ASD) 방식은 지진 시 말뚝기초의 비선형 거동 및 액상화 영향을 충분히 반영하지 못하므로, 향후 성능기반 내진설계(PBSD) 체계를 도입하여 지반의 비선형성, 구조물–지반 상호작용, 그리고 액상화 영향을 종합적으로 고려하는 정량적 설계법으로 발전시킬 필요가 있다. 본 연구의 결과는 향후 국내 내진설계기준 개선과 실무 설계지침 수립을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The 2016 Gyeongju and 2017 Pohang earthquakes clearly demonstrated that Korea is not safe from strong earthquakes exceeding magnitude 5.0. These events highlighted the importance of seismic design, revealing that damage to ground and foundation structures can directly affect the overall seismic safety of superstructures. However, current domestic design standards still lack quantitative evaluation criteria for the seismic performance of pile foundations, raising concerns about potential brittle failure during earthquakes. In addition, soil stiffness reduction and lateral displacement due to liquefaction can significantly undermine the stability of pile foundations, emphasizing the need for a seismic design system that accounts for such effects. This study introduced the concept of Performance-Based Seismic Design (PBSD) to analytically evaluate the seismic performance of pile foundations under various ground conditions and pile types, and to quantify the effects of liquefaction on structural response. Time history analyses were conducted for two grounds (S3 and S4) to compare the influence of soil stiffness and pile material, while response spectrum analyses were performed for liquefiable grounds to examine the effects of stiffness degradation on shear and bending responses. The results showed that lower soil stiffness led to greater concentration of inertial forces from the superstructure onto piles, resulting in increased shear and bending moments. PHC piles exhibited brittle behavior due to tensile cracking despite high stiffness, whereas steel pipe piles showed stable performance under cyclic loading owing to superior ductility and stress redistribution. In liquefiable conditions, both shear and bending responses increased, and steel pipe piles demonstrated greater structural stability than PHC piles.
Therefore, using steel pipe piles is advantageous for ensuring safety in soft or liquefiable soils. Moreover, since the current domestic code (KDS 41 17 00) based on the Allowable Stress Design (ASD) method does not fully account for nonlinear pile behavior and liquefaction effects, adopting PBSD that considers soil nonlinearity, soil–structure interaction, and liquefaction comprehensively is necessary. The findings are expected to contribute to improving domestic seismic design codes and developing practical design guidelines.

목차 (Table of Contents)

• 1. 서 론 1
• 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구내용 및 방법 4
• 2. 이론적 고찰 7
• 2.1 지반응답해석 7
• 2.1.1 지반응답해석의 개요 7
• 2.1.2 국내 기준에 따른 지반분류 (KDS 17 10 00: 2024) 8
• 2.1.3 국제 기준에 따른 지반분류 (ASCE 7-22) 10
• 2.1.4 지반응답해석의 해석조건 및 이용 프로그램 11
• 2.2 설계응답스펙트럼 2.2 (KDS 41 17 00: 2022) 12
• 2.2.1 설계응답스펙트럼의 정의 2.2.1 12
• 2.2.2 단주기 및 초주기 설계스펙트럼가속도 (SDS, SD1) 14
• 2.2.3 지반증폭계수 15
• 2.3 시간이력해석 (KDS 41 17 00: 2022) 17
• 2.3.1 설계지진파 산정 17
• 2.3.2 구조 응답의 선형 및 비선형 해석 19
• 2.3.3 지반 구조물 상호작용의 반영 19
• 2.4 말뚝 지반 상호작용 이론 20
• 2.4.1 말뚝 지반 상호작용 이론 개요 20
• 2.4.2 말뚝기초 (KDS 11 50 15: 2024) 20
• 2.4.3 비선형 p-y 모델과 스프링 정수의 연계 21
• 2.4.4 재료별 단기허용응력 및 단면 검토 22
• 2.5 액상화 평가 23
• 3. 성능기반 내진설계에 따른 말뚝의 구조안전성 29
• 3.1 대상구조물 선정 및 해석조건 29
• 3.2 대상지반조건 및 지반운동 33
• 3.2.1. 대상지반조건 선정 33
• 3.2.2 암반운동 선정 34
• 3.2.3 입력지진파 37
• 3.3 시간이력해석 49
• 3.4 말뚝 내력 해석결과 58
• 3.5 말뚝 내력 해석 및 안전성 검토 결과 77
• 4. 액상화를 고려한 말뚝의 구조안전성 82
• 4.1 대상구조물 선정 82
• 4.2 응답스펙트럼해석 85
• 4.2.1 해석조건 85
• 4.2.2 층전단력 해석 결과 86
• 4.2.3 기초부 반력 해석 결과 88
• 4.3 P-M 상관도 및 전단내력 검토 91
• 4.3.1 개요 91
• 4.3.2 P-M 상관도 산정 91
• 4.3.3 액상화 고려에 따른 구조안전성 검토 96
• 5. 결론 97
• 참 고 문 헌▣ 100
• ABSTRACT▣ 102