본 연구에서는 응답변위법을 이용한 지중구조물의 지진해석에 있어서 지반반력계수에 관한 기본 자료와 근거를 제공하는데 목적이 있다. 지반반력계수를 도로교 설계기준(2001), 지하공동구 내진설계기준(2004), 유한요소법으로 산출한 후, 비교 분석 하였다. 지반반력계수는 산정방법에 따라 도로교 설계기준에 비해 지하공동구 내진설계기준은 최대 4.55배, 유한요소법은 연직과 전단방향에 대해 각각 최대 3.24배와 2.00배 크게 산정되었으며, 단면력은 도로교 설계기준과 지하공동구 내진설계기준에 근거하여 구한 값이 정밀해석인 유한요소법으로 구한 값보다 전반적으로 크게 산출 되었다.
본 연구에서는 응답변위법을 이용한 지중구조물의 지진해석에 있어서 지반반력계수에 관한 기본 자료와 근거를 제공하는데 목적이 있다. 지반반력계수를 도로교 설계기준(2001), 지하공동구 내진설계기준(2004), 유한요소법으로 산출한 후, 비교 분석 하였다. 지반반력계수는 산정방법에 따라 도로교 설계기준에 비해 지하공동구 내진설계기준은 최대 4.55배, 유한요소법은 연직과 전단방향에 대해 각각 최대 3.24배와 2.00배 크게 산정되었으며, 단면력은 도로교 설계기준과 지하공동구 내진설계기준에 근거하여 구한 값이 정밀해석인 유한요소법으로 구한 값보다 전반적으로 크게 산출 되었다.
This study performed earthquake response analyses of underground structures using displacement responses of soil. In this study, spring coefficients of surrounding soil proposed by specifications and researchers were adopted and then their corresponding analysis results were compared. The free field...
This study performed earthquake response analyses of underground structures using displacement responses of soil. In this study, spring coefficients of surrounding soil proposed by specifications and researchers were adopted and then their corresponding analysis results were compared. The free field analyses using ProShake were carried out in order to predict ground responses of the field without underground structures. Several earthquakes such as El Centro, Ofunato, and Hachinohe earthquakes were considered to calculate maximum displacements. Numerical examples were analyzed, and then the results were compared and commented depending on spring coefficients of soil for the analyses using displacement responses of soil. The soil coefficients ranged from 0.05 to 14.39 times of those calculated by Korean Bridge Design Specification (2005). In conclusion, the coefficients of soil proposed by standard specifications seemed to be overestimated compared with those by the finite element method(FEM).
This study performed earthquake response analyses of underground structures using displacement responses of soil. In this study, spring coefficients of surrounding soil proposed by specifications and researchers were adopted and then their corresponding analysis results were compared. The free field analyses using ProShake were carried out in order to predict ground responses of the field without underground structures. Several earthquakes such as El Centro, Ofunato, and Hachinohe earthquakes were considered to calculate maximum displacements. Numerical examples were analyzed, and then the results were compared and commented depending on spring coefficients of soil for the analyses using displacement responses of soil. The soil coefficients ranged from 0.05 to 14.39 times of those calculated by Korean Bridge Design Specification (2005). In conclusion, the coefficients of soil proposed by standard specifications seemed to be overestimated compared with those by the finite element method(FEM).
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문제 정의
본 연구는 응답 변위법을 이용한 지중구조물의 지진해석에 있어서 지반반력계수에 관한 기본 자료와 근거를 제공하는데 목적이 있다. 지반반력계수를 도로교 설계기준, 지하공동구 내진설계 기준, 유한요소법으로 산출한 후, 그 결과를 비교.
가설 설정
의한 지반 응답은 为와 같다. 여기서 지중 구조물 위치에서의 변형된 지중 구조물의 형상을 가상 경계면으로 가정하면, 가상 경계면의 내부와 외부에서 의전 단 응력은 서로 평형상태를 유지한다.
제안 방법
약진 지역인 국내에서는 그 값이 과다하게 적용되어 비경제적인 설계가 이루어질 수 등있다(김문겸 등, 2004). 그러므로 본 논문에서는 Pro Shake를 이용한 해석 지반의 자유 장해석을 통해 가장 합리적 인지 중 변위를 구하였다. 자유 장해석에 이용한 내진설계 조건, 입력지진 및 해석으로 구한 지반 응답은 다음과 같다.
도로교 설계기준에서는 기초의 형식과 평판재하시험결과를 사용하여, 연직 및 수평 방향 지반반력계수( kV 및 k^를 추정하는 간편식을 제시하고 있으며, 본 연구에서는 지반반력계수를 산정하기 위해 이 식들을 사용하였다.
본 논문에서는 가장 합리적인 지반변위를 산정하기 위해 지진시 자유장해석 프로그램인 ProShake를 사용하여 자유장해석(또는 부자 응답해석, free field analysis) 을 수행하였으며, 도로교 설계기준(2001), 지하 공동구 내진설계기준(2004), 유한요소법으로 지반반력계수를 각각 산정한 후, 이를 적용하여 응답변위법을 통한 지중구조물의 내진해석을 실시하였다. 그 결과를 동적 해석과 비교 .
본 본문에서는 지하철 구조물의 2차원 지진해석을 위해, 4절점 평면요소(2D Plane Strain Element) 를 사용하여 지반을 모델링하고, 2절점 프레임 (frame)을 사용하여 지중 구조물을 슬래브(slab)로모델링 하였다. 지반을 모델링한 후 2절점 프레임에 연직 방향과 전단방향에 각 단위 하중을 주어 각 절점별대로 변위를 알아낸 후, 변위-하중과의 관계식으로 각 부재의 연직 방향과 전단 방향의 스프링 상수를 산정하였다.
지반반력계수의 산정은 1) 도로교 설계기준 해설-하부구조 편 (대한토목학회, 2001)에서 제시한 식을 이용하거나, 2) 동적 전단탄성계수로부터 구한 지반 탄성 계수와의 관계식을 이용하여 구할 수 있으며, 3) 지하 공동구가 건설되는 위치에서 지반 조건이 매우 복잡한 경우 설계자의 판단에 따라 유한요소해석법을 사용하여 지반반력계수를 결정한다. 본 연구에서는 다음과 같이 동적 전단탄성계수를 사용하여 지반반력계수를 산정하였다.
수치해석 시 지중 구조물에 대한 지반반력계수를 제안서별로 각각 적용함으로서 부재력을 산출 및 비교하여 내진설계에 미치는 영향을 분석하였다. 설계 제원, 해석단면, 그리고 지반해석 모델은 다음과 같다.
응답 변위법 해석을 위해 각 제안서별 방법을 이용하여 지반반력계수를 산정하였다. 산정 결과를 살펴보면 도로교 설계기준에서 제시한 방법에 의해 산정된 값에 비해 지하 공동구 내진설계 기준에서 제시한 방법에 의해 산정된 값은 최대 4.
하였다. 지반을 모델링한 후 2절점 프레임에 연직 방향과 전단방향에 각 단위 하중을 주어 각 절점별대로 변위를 알아낸 후, 변위-하중과의 관계식으로 각 부재의 연직 방향과 전단 방향의 스프링 상수를 산정하였다.
지진 시 지반반력계수를 구하기 위하여 공동지반을 2 차원 유한요소 모델로 작성하고, 지반 탄성의 방향에 단위 하중 “1”을 구조물에 작용 시켜 그 방향의 하중과 변위의 관계에서 지반반력계수를 구한다. 이때 지중 구조물은 상판 및 저판의 강성을 고려하거나, 혹은 강체로 간주한다.
데이터처리
지중구조물의 내진해석을 실시하였다. 그 결과를 동적 해석과 비교 . 분석하였다.
제공하는데 목적이 있다. 지반반력계수를 도로교 설계기준, 지하공동구 내진설계 기준, 유한요소법으로 산출한 후, 그 결과를 비교. 분석하였다.
이론/모형
수평하중 및 주면 전단력이 있다. 이러한 지진하중은 자유장해석에서 구한 각 지진별 지중 변위를 이용하여 산정하였으며, 그 값 중 유한요소법에 의한 결과를 나타내었다.
성능/효과
1) 지반반력계수는 도로교 설계기준에 의해 산정한 값에 비해 지하 공동구 내진설계 기준에 의해 산정된 값은 최대 4.55배, 유한요소법에 의해 산정한 값은 연직방향과 전단 방향이 각각 최대 3.24 배, 2.00배로 크게 산정되었음을 알 수 있다. 이는 도로교 설계기준에서는 정적 지반 물성값를 사용하고, 지하공동구 내진설계 기준과 유한요소법 에서는 동적 지반 물성값을 사용하였기 때문인 것으로 판단된다.
2) 제안서별 방법을 적용하여 산정한 단면력을 비교하면, 도로교 설계기준과 지하공동구 내진설계 기준은 유한요소법보다 크게 산정됨을 알 수 있다. 이는 지반의 연직방향에 대한 지반반력계수만을 고려한 도로교 설계기준과 지하 공동구 내진설계기준은 지진에 의한 전단력에 저항하지 못하고 구조물에 직접적으로 영향을 미쳤고, 유한요소법은 지반의 연직 방향 및 전단 방향에 대한 지반의 영향을 고려한 지반 반력 계수가 적용됨으로써 지진으로 인한 전단력에 저항하여 구조물에 직접적인 영향이 적게 미쳤기 때문으로 판단된다.
이용하여 구할 수 있으며, 3) 지하 공동구가 건설되는 위치에서 지반 조건이 매우 복잡한 경우 설계자의 판단에 따라 유한요소해석법을 사용하여 지반반력계수를 결정한다. 본 연구에서는 다음과 같이 동적 전단탄성계수를 사용하여 지반반력계수를 산정하였다.
지반반력계수를 산정하였다. 산정 결과를 살펴보면 도로교 설계기준에서 제시한 방법에 의해 산정된 값에 비해 지하 공동구 내진설계 기준에서 제시한 방법에 의해 산정된 값은 최대 4.55배, 유한요소법에 의해 산정된 값은 연직 방향과 전단 방향이 각각 최대 3.24배, 2.00배로 크게 산정되었다.
후속연구
보다 경제적인 설계를 위해 기존의 설계기준을 보완하기 위해서는 본 연구에 이어 동적 및 비선형성 등을 고려한 해석을 실시하여 보다 심층적이고 정확한 지중 구조물의 지진해석이 요구된다.
김문겸, 곽충현, 김지순, 조경환, "응답변위법에 의한 지하공동구 내진설계시 합리적인 지반변위산정에 관한 연구", 대한토목학회 학술대회 논문집, 2004, 3012-3017.
"지하 구조물의 내진설계", 건설도서, 1996, 59-75.
Okamoto, S., Tamura, C., Kato, K. and Hamada, M., "Behaviors of Submerged Tunnels During Earthquakes", Proceedings of the Fifth World Conference on Earthquake Engineering, Vol 1. Rome Italy, 1973, 544-553.
Goto, K., Matsumoto, M. and Urayama, M., "Earthquake-Resistance Analysis by Finite Element-Boundary Element Hybrid Method", 5th International Conference on Numerical Method in Geomechanics, 1985, 1519-1524.
Monsees, J.E. and Merritt, J.L., "Seismic Modeling and Design of Underground Structure", Numerical Methods in Geo-mechanics, 1988, 1833-1841.
Kawashima, K., "Seismic Design of Underground Structures in Soft Ground a Review", Proceedings of the International Symposium on Tunneling in Difficult Ground Condition, Tokyo, Japan. 1999.
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