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문제 정의
- 본 연구에서는 지진자료부족으로 인해 경험적 평가법에 대한 검증이 용이치 않은 국내 여건을 고려하여 실내진동시험의 수행을 기초로 지반의 동적 저항특성을 산정하고 실지진 시간이력에 대한 지진응답해석과의 연계를 통해 외력으로 작용하는 지진특성을 합리적으로 고려할 수 있는 새로운 액상화 평가법을 제안하고자 한다.
- 본 연구에서는 진동재하시 토립자의 미세구조변화를 신뢰성 높게 예측할 수 있는 교란상태개념에 기초하여 실내진동시험을 통해 액상화 평가를 수행할 수 있는 방법을 개발.제안한다.
제안 방법
- 1) 해석지반심도에 대한 지반조사자료를 토대로 시료를 성형하여 변형률 수준별 실내진동시험을 수행하고 전단응력-전단변형률 상관관계를 분석한다. 변형률 수준별 실내진동시험으로는 저변형률수준의 경우, 전자기력을 이용한 비틂전단시험이 있으며, 고변형률수준에서는 진동삼축시험, 진동비틂전단시험, 진동전단시험 등이 있다.
- 일반적으로 지진응답해석을 통해 획득가능한 결과는 변위, 변형률, 속도, 가속도, 전단응력 등에 관한 시간이력이다. 1)의 지반의 저항특성이 실내진동전단시험을 통해 산정된 소성변형에 관계된 점을 고려하여 지진응 답해석을 통해 변형률 시간이력을 획득하고 이를 소성 변형특성과 연관시킴으로써 단순응력비교의 기존 평가법과 차별하여 시간이력 모두를 고려하여 산정한 누적 소성변형량을 지반의 저항특성으로 표현한 1)의 누적된 소성변형량과 비교함으로써 액상화 평가를 수행하도록 하였다.
- 3) 교란도-소성 전단변형률 상각궤도로 표현되는 액상화 저항특성함수를 정의하고 함수에서의 최소곡률 시의 값을 액상화 저항특성치(ξDr)로 산정하며 액상화 발생치 산정을 위하여 재하횟수별 전단변형률과 소성 전단변형률과의 상관관계를 토대로 최적함수식을 구성한다.
- 4) 해석지반 전단면에 대한 지반조사자료 및 실내진동 시험 수행을 통해 산정된 지반의 동적특성을 입력하여 지진응답해석을 한다. 해석시 입력최대가속도는 『어항 및 항만시설의 내진설계 표준서』(한국지진공 학회, 1999)에 의거, 실내진동시험에 기초한 액상화 상세예측의 수행이 필요한 내진 1등급 수준의 0.
- 6) 3)의 액상화 저항특성치와 5)의 액상화 발생특성치를 비교하여 액상화 평가를 수행한다.
- 기존의 경험적 평가법에서 등가전단응력개념(equivalent shear stress concept) 에 기초하여 지진하중을 정현하중 (sinusoidal loads)으로 단순화하고 최대값만을 이용함으로써 간편성이 크게 강조된 반면, 지진의 불규칙성을 적절하게 표현하기 어렵다. 그러므로, 제안된 평가법에서는 지진을 단순화한 특정치가 아닌 불규칙한 연속진동으로의 지진특성고려를 위해 지진응답해석의 수행을 포함하도록 하였다. 또한, 액상화 평가는 연직분포의 지반조사자료를 대상으로 깊이별로 수행하는 것이 일반 적이며 정확한 지진의 지반 내 거동도 지진응답해석을 통해 예측하게 되는 점도 고려되었다.
- 특히, 액상화 저항특성치 산정에서 지반의 동적물성 산정도 가능함을 염두에 두었으며 이를 지진응답해석과 연계하 여 해석대상지반 내의 지진거동변화도 함께 분석가능 하도록 하였다. 또한, 지반의 액상화 저항특성이 변형특 성으로 표현되는 점을 고려하여 실지진 시간이력을 입력한 지진응답해석으로부터 변형률 시간이력을 획득하여 이를 지진특성고려에 이용하도록 하였다.
- 본 연구에서는 진동하중으로 재하된 전단변형률의 시간에 따른 다양한 변화형태는 진동하중에 의해 발생한 소산에너지에 영향을 주지 않는다는 연구내용(okdada and Nemat-Nasser, 1994)의 검증을 위해 진동하중의 크기를 달리한 3회의 진동삼축시험을 통해 소성 전단변형률 상각궤도의 변화를 분석하였다. 표 1은 진동삼축시 험시 시험조건 및 제반사항을 나타내고 있으며 그림 8~그림 10은 실내시험을 통해 획득된 간극수압의 변화 및 응력-변형률 이력곡선이다.
- 본 연구에서는 진동하중을 받는 포화사질토 내 재료 역학적 미세구조의 변화를 규명할 수 있는 교란상태개념을 응용하여 실험적 액상화 평가법을 제안하였다. 제안된 평가방법에서는 진동하중을 받는 포화사질토의 응력-변형률 이력변화를 이용하여 소성 전단변형률 상 각궤도와 전단탄성계수의 변화에 따른 교란도로 액상 화 거동을 규명하고 이와 더불어 실지진 시간이력을 입력한 지진응답해석을 통해 불규칙하게 변화하는 지진 특성 전부를 고려하도록 하였다.
- 본 평가법에서는 지진하중을 받는 지반이 전단거동에 지배되는 점과 액상화를 발생시키는 과잉간극수압이 하중의 방향성에 크게 좌우되지 않고 누적되어 나타나는 점을 고려하여 응력-변형관계를 교란도와 누적된 소성변형량인 소성 전단변형률 상각궤도로 표현한다.
- 교란상태개념은 진동하중하의 포화사질토의 거동이 동역학적인 소성연화거동에 지배를 받고 있는 점을 고려할 수 있도록 제안되었다. 상대적으로 손상되지 않은 상태(Relative Intact State ; RIS)와 재료가 파괴되는 완 전파괴상태(Fully Adjusted State ; FAS)의 2가지 기준 상태를 정의하고 진동하중이 재하되고 있는 거동상태 (Observed State ; OS)를 초기 외부에서 하중 등의 영향을 받지 않은 상태(RI)의 재료가 외부하중으로부터 발생되는 재료내부의 미세구조 자체조정에 의해 점차적으로 파괴상태(FA)로 진행한다고 정의함으로써 액상화를 포함한 포화사질토의 연화거동을 표현하였다. 이러한 교란상태개념의 개요를 그림으로 나타내면 다음과 같다.
- 제안된 방법은 아래와 같이 지반의 액상화 저항특성 산정부분과 외력으로 작용하는 지진의 불규칙한 특성을 고려하여 개발되었다. 본 평가법의 개요를 요약하여 나타내면 그림 4와 같다.
- 본 연구에서는 진동하중을 받는 포화사질토 내 재료 역학적 미세구조의 변화를 규명할 수 있는 교란상태개념을 응용하여 실험적 액상화 평가법을 제안하였다. 제안된 평가방법에서는 진동하중을 받는 포화사질토의 응력-변형률 이력변화를 이용하여 소성 전단변형률 상 각궤도와 전단탄성계수의 변화에 따른 교란도로 액상 화 거동을 규명하고 이와 더불어 실지진 시간이력을 입력한 지진응답해석을 통해 불규칙하게 변화하는 지진 특성 전부를 고려하도록 하였다.
- 제안된 평가법에서는 불규칙한 진동하중으로의 지진 특성을 합리적으로 고려하고자 실지진 시간이력의 입력을 통한 지 진응답해석을 이용하도록 하였다. 특히, 액상화 저항특성치 산정에서 지반의 동적물성 산정도 가능함을 염두에 두었으며 이를 지진응답해석과 연계하 여 해석대상지반 내의 지진거동변화도 함께 분석가능 하도록 하였다.
- Park(1997)는 액상화 발생이 큰 상태변화를 나타 내는 것으로 그림 3에 나타난 곡선의 최소곡률점에서 초기 액상화가 발생한다고 하였으며 이를 Ottawa모래 를 대상으로 수행한 진동실삼축시험을 통해 규명한 바 있다. 제안된 평가법에서도 그림 3과 같은 상관도를 작성하고 액상화 발생을 곡선상의 최소곡률점으로 간주하였으며 이때, 재하횟수별 교란도와 연계하여 산정된 소성 전단변형률 상각궤도를 액상화 저항특성치로 고려하도록 하였다.
- 제안된 평가법에서는 불규칙한 진동하중으로의 지진 특성을 합리적으로 고려하고자 실지진 시간이력의 입력을 통한 지 진응답해석을 이용하도록 하였다. 특히, 액상화 저항특성치 산정에서 지반의 동적물성 산정도 가능함을 염두에 두었으며 이를 지진응답해석과 연계하 여 해석대상지반 내의 지진거동변화도 함께 분석가능 하도록 하였다. 또한, 지반의 액상화 저항특성이 변형특 성으로 표현되는 점을 고려하여 실지진 시간이력을 입력한 지진응답해석으로부터 변형률 시간이력을 획득하여 이를 지진특성고려에 이용하도록 하였다.
이론/모형
- 4) 진동하중의 다양한 변화형태는 재료 내부에서 발생한 소산에너지에 영향을 주지 않는다는 의 연구내용 (Okada and Nemat-Nasser, 1994)을 실험적으로 검토하고 이에 준하여 액상화 발생시의 소성 전단변형률 상각궤도가 유일함을 이용.
성능/효과
- (1) 진동응력비를 달리한 실내진동시험결과들을 토대로 주매개변수인 교란도와 소성 전단변형률 상각궤도의 변화를 분석한 결과, 각각의 시험에서 액상화가 발생된 시기의 값들이 거의 일정하게 나타남에 따라 액상화로 표현되는 지반의 한계 소성 전단변형률 상 각궤도는 지반이 갖는 고유한 특성이며, 이를 액상화 평가시 한계기준으로 채택가능함을 알 수 있었다.
- 1) 지진하중을 받는 지반은 전단거동에 지배를 받는다는 점을 고려하여 실내진동전단시험을 통해 포화사 질토의 응력-변형률 상관관계 규명.
- 3) 액상화 발생은 재료가 급격한 상태변화를 일으키는 것으로 정의하고 교란도와 소성 전단변형률 상각궤도의 상관곡선의 최소곡률점에서 액상화가 발생한 것으로 고려.
- 그림 9을 보면, 소성 전단변형률 상각궤도의 변화가 진동응력비의 변화에 변화정도가 미미한 것으로 나타났으며 특히, 액상화 발생시의 값은 거의 동일한 것으로 나타났다. 그러므로, 제안된 방법에서 이용되는 주매개 변수인 소성 전단변형률 상각궤도는 액상화를 포함한 지반의 동적특성을 잘 표현하고 있을 뿐만 아니라 액상화 발생시의 값은 지반의 고유한 동적특성치로 간주해도 무방함을 알 수 있다. 또한, 변형률 수준별 실내진동 시험은 내진해석시 정확한 지반의 동적물성(G/Gmax 곡 선 및 감쇠비 곡선) 획득을 위해 수행되는 시험일 뿐만 아니라, 국내 내진 1등급 구조물에 대해서는 변형률 수준별 실내진동시험에 기초하여 동적물성을 산정할 것을 추천하고 있음을 고려할 때, 본 평가법은 액상화 평가와 더불어 지반의 동적물성에 대한 시험자료를 확보할 수 있는 장점을 보유하고 있는 것으로 나타났다.
- 그러므로, 제안된 방법에서 이용되는 주매개 변수인 소성 전단변형률 상각궤도는 액상화를 포함한 지반의 동적특성을 잘 표현하고 있을 뿐만 아니라 액상화 발생시의 값은 지반의 고유한 동적특성치로 간주해도 무방함을 알 수 있다. 또한, 변형률 수준별 실내진동 시험은 내진해석시 정확한 지반의 동적물성(G/Gmax 곡 선 및 감쇠비 곡선) 획득을 위해 수행되는 시험일 뿐만 아니라, 국내 내진 1등급 구조물에 대해서는 변형률 수준별 실내진동시험에 기초하여 동적물성을 산정할 것을 추천하고 있음을 고려할 때, 본 평가법은 액상화 평가와 더불어 지반의 동적물성에 대한 시험자료를 확보할 수 있는 장점을 보유하고 있는 것으로 나타났다.
후속연구
- (2) 제안된 평가법에서는 변형률 수준별 실내진동시험을 통해 액상화 평가 및 지반의 동적물성 획득이 가능할 뿐만 아니라, 실내진동시험의 수행과 불규칙한 실지진 시간이력 전부를 고려하는 방법상의 특징으로 인해 신뢰성 높은 액상화 평가가 수행될 수 있을 것으로 판단된다.
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