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상수도시설 내진설계 기준
1. 일반사항
1.1 목적
본 기준은 상수도시설의 내진성능 확보에 필요한 최소 설계 요건을 규정하여 지진 발생 시 상수도시설의 내진 능력을 최대한 확보하고, 급수 기능 유지 및 2차 재해 최소화를 목표로 한다.
1.2 적용 범위
- 수도법 제18조 ①항 및 동법 시행령 제29조 ③항, 지진화산재해대책법에 따라 상수도시설의 내진설계에 적용한다.
- 지진에 따른 시설 파손 시 응급복구가 불가능하여 장기간 급수가 중단될 수 있는 주요 대상시설에 적용한다.
- 주요 대상시설: 취수·저수시설, 도수·송수·배수시설, 정수시설 등
- 기존 시설의 정비 및 내진성능 개선은 내진설계 개념 및 원칙에 따라 적용한다.
- 본 설계 기준에 규정되지 않은 사항은 내진 관련 시설물에 대한 설계 기준과 객관적으로 입증된 설계법을 따른다.
1.3 참고 기준
- 수도법 제18조 ①항 및 동법 시행령 제29조 ③항
- 지진화산재해대책법 제14조 및 동법 시행령 제10조 (내진설계기준 공통적용사항 적용)
1.4 용어의 정의
- 수도시설: 원수나 정수를 공급하기 위한 취수, 저수, 도수, 정수, 송수, 배수시설, 급수설비, 그 밖에 상수도에 관련된 시설을 말한다. (내진설계 대상시설은 1.2 적용 범위에 해당하는 시설)
- 내진성능목표: 국가가 지진에 대비하여 국가적 기능 유지를 위해 설정한 목표
- 내진설계: 설계지진에 의해 입력된 에너지를 견디거나, 소산시키거나, 저감시켜 시설물에 요구되는 내진성능 수준을 유지하도록 구조요소의 제원 및 상세를 결정하는 작업
- 내진율: 내진대상 전체 시설물 중 내진설계 반영, 내진설계 미반영이더라도 내진성능평가 결과 만족, 내진성능평가 결과 불만족이라도 내진보강이 이루어진 시설의 총합의 백분율
- 내진등급: 시설물의 중요도에 따라 내진설계 수준을 분류한 범주 (‘내진특등급’, ‘내진Ⅰ등급’, ‘내진Ⅱ등급’)
- 내진성능수준: 설계지진에 대해 시설물에 요구되는 최소 성능 수준 (‘기능수행’, ‘즉시복구’, ‘장기복구/인명보호’, ‘붕괴방지’)
- 기능수행 수준: 설계지진하중 작용 시 구조물이나 시설물에 발생한 손상이 경미하여 그 기능이 유지될 수 있는 성능 수준
- 붕괴방지 수준: 설계지진하중 작용 시 구조물이나 시설물에 매우 큰 손상이 발생할 수 있지만, 붕괴로 인한 대규모 피해를 방지하고 인명 피해를 최소화하는 성능 수준
- 기반암: 전단파속도가 760m/s 이상인 지층
- 설계지반운동: 내진설계를 위해 정의된 지반운동 (댐이 건설되기 전에 부지 정지작업이 완료된 지면에서의 지반운동)
- 액상화: 포화된 사질토 등에서 지진동, 발파하중 등에 의해 지반 내 과잉간극수압이 발생하여 지반의 전단강도가 상실되어 액체처럼 거동하는 현상
- 위험도 계수: 평균 재현주기별 지진구역계수의 비
- 유효지반가속도: 지진하중을 산정하기 위해 국가지진위험지도나 행정구역을 기준으로 제시된 지반운동 수준
- 응답스펙트럼: 지반운동에 대한 단자유도 시스템의 최대응답을 고유주기 또는 고유진동수의 함수로 표현한 스펙트럼
- 응답(시간)이력해석: 지진의 지속시간 동안 각 시간단계에서의 구조물의 동적응답을 구하는 방법
- 재현주기: 지진과 같은 자연재해가 특정한 크기 이상으로 발생할 주기를 확률적으로 계산한 값 (일 년 동안 특정한 크기 이상의 자연재해가 발생할 확률의 역수)
- 지반증폭계수: 기반암의 스펙트럼 가속도(속도)에 대한 지표면의 스펙트럼 가속도(속도)의 증폭비율
- 지진구역: 유사한 지진위험도를 갖는 행정구역 구분 (지진구역 I, II)
- 지진구역계수: 지진구역 I과 II의 암반지반(S1) 상에서 평균 재현주기 500년 지진의 지반운동 가속도를 중력가속도 단위로 표현한 값
- 지진위험도 (= 지진재해도): 내진설계의 기초가 되는 지진구역을 설정하기 위해 과거의 지진기록과 지질 및 지반특성 등을 종합적으로 분석하여 산정한 지진재해의 발생 확률
- 설계거동 한계: 내진성능 수준에 부합되는 구조물의 구성요소에 허용되는 거동 (단면력, 응력, 변위, 변형률, 침하량 등)의 한계량
- 관망의 블록화 (블록시스템 구축): 상수도관망에 대해 안정적 체계 및 균등급수 체계를 구축하여 합리적이고 경제적인 시설관리가 용이하도록 관망을 블록단위로 분할하는 것을 말한다.
1.5 기호의 정의
(내용 없음)
2. 조사 및 계획
(내용 없음)
3. 재료
(내용 없음)
4. 내진설계 일반
4.1 내진설계의 기본 방침
- 본 기준은 상수도시설의 내진성능을 확보하기 위한 최소 요건을 규정한 것이므로, 이 기준을 적용하지 않는 경우 이 기준과 동등 이상의 내진성능을 확보해야 하며 그 근거를 명시해야 한다.
- 지진 발생 시 시설물의 내진성능 수준은 ‘기능수행’, ‘즉시복구’, ‘장기복구/인명보호’, ‘붕괴방지’의 4가지로 분류되나, 본 기준에서는 ‘기능수행’ 수준과 ‘붕괴방지’ 수준에 대해서만 고려한다. 다만, 본 기준에서 제시된 방법으로 내진설계를 하는 경우에는 기능수행수준과 붕괴방지수준을 모두 만족하는 것으로 한다.
- 상수도를 구성하는 개별 시설의 중요도, 지진에 의한 시설의 손상으로 초래될 수 있는 영향 범위를 고려하여 내진등급을 분류한다.
- 상수도시설의 중요도와 성능목표를 고려하여 설계지진의 수준을 정하여야 하며, 설계지반운동은 지반운동의 불확실성과 부지고유특성이 잘 반영될 수 있어야 한다.
- 지진에 의한 영향을 관련 설계기준에 근거하여 설계에 반영해야 한다.
- 지진 발생 시 토압은 지상구조물, 송·배수관로, 암거, 공동구 등의 횡단면 설계와 안정계산, 배수탑, 저수탑 및 옹벽 등 부속구조물의 안정계산에 적용한다.
- 물과 접하는 구조물은 지진 발생 시 동수압과 수면동요의 영향을 필요에 따라 고려해야 한다.
4.2 상수도시설의 내진등급
- 상수도시설의 내진등급은 내진 I등급과 내진 II등급으로 분류한다.
- 내진Ⅰ등급: 대체시설이 없는 송·배수 간선시설, 중요시설과 연결된 급수공급관로, 복구난이도가 높은 환경에 놓이는 시설, 지진재해 시 긴급대처 거점시설, 중대한 2차 재해를 유발시킬 가능성이 있는 시설 등
- 내진Ⅱ등급: 내진Ⅰ등급 이외의 시설
4.3 내진성능목표 및 설계거동 한계
- 상수도시설의 내진성능 목표에 따른 설계지진 강도는 기능수행과 붕괴방지 수준으로 한다.
- 성능목표: 기능수행, 붕괴방지
- Ⅰ등급: 평균 재현주기 100년 (기능수행), 평균 재현주기 1,000년 (붕괴방지)
- Ⅱ등급: 평균 재현주기 50년 (기능수행), 평균 재현주기 500년 (붕괴방지)
- 지진 발생 시 과도한 소성변형, 지반의 액상화, 지반 및 기초의 파괴 등에도 불구하고 급수기능 유지가 가능해야 하고 쉽게 복구가 가능해야 한다.
4.4 설계지반운동 수준 및 표현 방법
- 설계지반운동은 지상구조물에 대해서는 구조물이 건설되기 전에 부지 정지작업이 완료된 지면에서의 자유장운동으로 정의하고, 지중구조물에 대해서는 기반암의 자유장운동으로부터 산정된 대상 구조물 위치에서의 지반운동으로 정의한다.
- 설계지반운동 수준은 지진구역계수, 위험도계수, 지반분류에 의한 지반증폭계수로부터 결정하고, 이때 적용되는 지반분류체계는 다음과 같다.
- 지반분류체계:
- 암반 지반: 기반암 깊이 1m 미만
- 얕고 단단한 지반: 기반암 깊이 1~20m 이하, 토층 평균 전단파속도 260m/s 이상
- 얕고 연약한 지반: 기반암 깊이 1~20m 이하, 토층 평균 전단파속도 260m/s 미만
- 깊고 단단한 지반: 기반암 깊이 20m 초과, 토층 평균 전단파속도 180m/s 이상
- 깊고 연약한 지반: 기반암 깊이 20m 초과, 토층 평균 전단파속도 180m/s 미만
- 부지 고유의 특성 평가 및 지반응답해석이 요구되는 지반: 기반암 깊이와 무관하게 토층 평균 전단파속도가 120m/s 이하인 지반
- 지반분류체계:
- 설계지반운동의 특성은 표준설계응답스펙트럼으로 표현한다.
- 표준설계응답스펙트럼: 지상구조물은 가속도응답스펙트럼, 지중구조물은 속도응답스펙트럼을 적용한다.
- 암반지반 (지반) 설계지반운동의 표준설계응답스펙트럼:
- 5% 감쇠비에 대한 수평설계지반운동의 가속도 표준설계응답스펙트럼과 속도 표준설계응답스펙트럼은 그림 4.4-1 및 그림 4.4-2와 같이 정의한다.
- 5% 감쇠비에 수직설계지반운동의 가속도 표준설계응답스펙트럼은 수평설계지반운동의 가속도 표준설계스펙트럼과 동일한 형상을 가지며, 최대 유효 수평지반가속도에 대한 최대 유효 수직지반가속도의 비는 0.77이다.
- 수평 및 수직 설계지반운동의 가속도 표준설계응답스펙트럼과 수평 속도 표준설계응답스펙트럼의 감쇠비 (ζ, %단위)에 따른 스펙트럼 형상은 표 4.4-3에 제시한 감쇠보정계수를 표준설계응답스펙트럼에 곱해서 구할 수 있다. (단, 감쇠비가 0.5%보다 작은 경우에는 적용하지 않으며 해당 구조물의 경우 시간이력해석을 권장한다.)
- 토사지반 (~ 지반) 설계지반운동의 가속도 표준설계응답스펙트럼:
- 5% 감쇠비에 대한 수평설계지반운동의 가속도 표준설계응답스펙트럼은 기반암의 스펙트럼 가속도와 지표면의 스펙트럼 가속도의 증폭비율을 의미하는 ‘지반증폭계수(, )’로부터 그림 4.4-3과 같이 구할 수 있다.
- 유효수평지반가속도 (S)에 따라 단주기 지반증폭계수()와 장주기 지반증폭계수()는 표 4.4-4를 이용하여 결정한다. 유효수평지반가속도 (S)의 값이 중간 값에 해당할 경우 직선보간하여 결정한다.
- 감쇠비에 따른 스펙트럼 형상은 해당 토사지반에 적합한 가속도 시간이력을 이용하여 공학적으로 적절한 분석과정을 통해 결정할 수 있다.
- 5% 감쇠비에 대한 ~ 지반의 수직설계지반운동의 가속도 표준설계응답스펙트럼은 수평설계지반운동의 가속도 표준설계응답스펙트럼과 동일한 형상을 가지며, 최대 유효 수평지반가속도에 대한 최대 유효 수직지반가속도의 비는 공학적 판단으로 결정할 수 있다.
- 설계지반운동 이력:
- 지반가속도, 속도, 변위 중 하나 이상의 시간이력으로 지반운동을 표현할 수 있다.
- 3차원 해석이 필요할 때 지반운동은 동시에 작용하는 3개의 가속도 성분으로 구성하여야 한다.
- 부지에서 계측된 시간이력이 사용되는 것이 원칙이나, 필요시에는 대상 부지에서 예상되는 시간이력과 유사한 다른 지역에서 계측된 지반운동 시간이력 또는 ⑤항에서 기술하는 인공합성 지반운동 시간이력을 사용할 수 있다.
- 인공합성 지반운동 시간이력:
- 실제 기록된 지진 지반운동을 표준설계응답스펙트럼에 부합되도록 수정하거나 표준설계응답스펙트럼에 부합되도록 인공적으로 합성하여 생성한다.
- 지반운동의 장주기 성분이 구조물의 거동에 미치는 영향이 중요하다고 판단될 경우에는 지진원의 특성과 국지적인 영향을 고려하여 시간이력을 생성해야 한다.
- 인공합성 지반운동의 지속시간은 지진의 규모와 특성, 전파경로 및 부지의 국지적인 조건이 미치는 영향을 고려해야 한다.
5. 지반조사
- 상수도시설의 내진설계를 위해서는 통상적인 지반조사뿐만 아니라 지반의 동역학적 특성 파악을 위한 지반조사가 필요하다.
- 상수도시설의 내진설계 시, 지반조사는 KDS 17 10 00 내진설계일반에 따라 검토해야 한다.
6. 지진해석 및 내진설계 방법
6.1 입지조건
상수도시설은 내진성능을 확보한 위치에 입지해야 한다.
6.2 하중
내진설계에서는 상시상태에서 고려하는 하중 외에 지진으로 인한 추가 하중도 고려해야 한다.
6.3 기본적인 지진해석 및 설계 방법
상수도시설의 지진해석 및 내진설계는 표 1.2-1에 해당되는 시설 및 설비에 대해 시행하되, 시설별로 관련 내진설계기준과 연구결과를 반영하여 합리적인 지진해석 및 설계방법을 적용해야 한다.
6.4 급수기능 확보를 위한 내진설계
상수도시설에 대한 내진설계는 급수기능 확보를 원칙으로 한다.
- 상수도시설의 주요 대상시설은 내진성능이 우수한 재료와 제품을 사용하여 건설 및 설치해야 한다.
- 지진 발생 시 피해 위험이 높은 관로와 구조물의 접속부, 관로의 이음부는 내진성능이 확보될 수 있도록 한다.
- 중요시설의 다중화, 계통간 상호연결, 관망의 블록화, 긴급차단밸브의 설치 등으로 지진 재해 시 단수 시간과 범위를 최소화해야 한다.
7. 품질보증에 대한 기본적인 사항
7.1 일반사항
- 상수도시설의 내진성을 확보하기 위한 품질보증은 각 시설의 내진성능 수준 확보에 필요한 품질보증 요건을 문서화하고, 설계, 시공 및 운영 각 단계별로 계획적으로 확인할 수 있어야 한다.
- 품질보증활동과 관련된 수행 과정 및 결과는 기록하여 보존해야 한다.
7.2 설계품질관리
타당성 조사, 기본설계, 실시설계의 각 단계별로 내진설계를 검토해야 한다.
7.3 시공품질관리
- 공사도급자에 의해 직접 고용된 자가 아닌 제3자가 품질보증계획에 의한 검사 및 시험을 수행해야 한다.
- 품질보증계획에는 검사 및 시험계획, 품질시험 및 검사요원의 기준, 시험실 및 시험 검사 장비에 대한 기준, 검사와 시험결과로 부적합 판정이 난 경우의 후속 조치사항 등이 포함되어야 한다.
7.4 유지관리
- 상수도시설의 유지관리는 시설의 내진성능이 저하되지 않도록 유지관리계획에 따라 실시해야 한다.
- 시설운영기간 중의 내진성능 확보를 보증할 수 있도록 구조물을 구성하는 하중전달 경로상의 부재나 충분한 연성도가 확보되어야 하는 구조요소에 대한 내진성능 평가 요건이 포함된 유지관리계획을 수립해야 한다.
7.5 지진기록 계측에 관한 요구사항
- 상수도시설의 유지관리와 내진설계 기술 개발 및 개선을 위한 자료수집이 필요하다고 판단되면 관할기관은 사업자로 하여금 지진응답 계측을 위한 기기를 설치하고 유지하도록 요구할 수 있다.
- 상수도시설의 지진응답을 계측하기 위한 계측기기의 설치 위치, 종류 및 개수는 본 기준의 목적을 달성할 수 있도록 결정되어야 한다.
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