지하철, 침매터널, 지중관 등의 지하구조물은 지반과 직접적으로 접하기 때문에, 지진 발생 시 지하구조물 응답은 주로 고유주기에 영향을 받는 지상구조물의 응답과는 매우 다른 경향을 나타낸다. 지상구조물의 경우에는 상대적으로 구조물의 중량이 주변 매개체인 공기보다 매우 크므로, 지진 발생 시 지상구조물의 응답에는 구조물의 관성력이 큰 영향을 미친다.
그러나 지상구조물과는 달리 지하구조물의 내부는 중공인 상태이므로 지하구조물의 단위체적당 겉보기 중량은 주변 매개체인 지반의 단위 체적당 중량에 비해 같거나 작다. 또한, 지하구조물은 주변 지반으로 인해 자유롭게 진동할 수 없으므로 지상구조물에 비해 매우 큰 감쇠가 발생하며, 변위 거동 또한 지반 진동과 유사하다. 즉, 지진 발생 시 지하구조물의 응답은 지반의 상대 변위에 많은 영향을 받는다. 이에 따른 해석방법은 주변 지반의 변위로 인해 지하구조물에 발생하는 응력을 추가적인 정적하중으로 고려하는 방법이며, 구조체의 강성과 하중의 관계만으로 해석할 수 있는 응답변위법을 사용하는 것을 권장하고 있다.
하지만 응답변위법을 이용한 지하구조물의 내진설계는 지반의 동적인 특성을 반영하기 위해서는 고도의 전문지식이 필요하며 앞서 설명한 해석 절차의 난이도가 실무에 적용되기에 어려움이 있어, 정작 실무에서는 사용하지 않고 대규모의 공공구조물에만 적용되어왔다. 따라서 본 연구에서는 응답변위법을 이용한 다양한 규모의 지하구조물의 강성과 거동을 알아보기 위해 실험을 수행하였다. 기존의 3차원 모델에서 나타나는 구조물의 강성 및 거동을 단순화한 2차원 모델의 강성 및 거동을 비교하여 실제 구조물의 강성과 거동을 예측할 수 있는 응답변위법의 단순화된 모델을 제안하고자 한다.
기존의 3차원 구조물과 구조물에 전달되는 하중, 즉 지반의 상대 변위 및 지반반력계수를 비교 대상인 2차원 구조물과 집중하중으로 치환하기 위해 3차원 구조물과 지진토압을 적용한 모델, 3차원 구조물과 등분포하중을 적용한 모델로 4가지의 순차적인 대상 구조물을 선정하여 구조해석을 수행하였다. 실험 결과, 2차원 구조물에서 발생한 변위(거동)는 기존의 3차원 구조물에서의 변위에 비해 약 30 ~ 40 % 증가하는 것을 도출할 수 있었다. 즉, 3차원 구조물 대비 2차원 구조물에서 구조물에 발생하는 거동이 30 ~ 40 % 더 많은 영향을 미치기 때문에 2차원 구조물을 기반으로 구조설계를 진행한다면 구조물을 더욱 안전하게 설계할 수 있다는 것으로 판단되었다.