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문제 정의
- 지반은 H/D=2, 전단파 속도는 卩?/, 兀=已= 呼, /辺이며, 이 지반의 2차원 자유장 해석 결과는 그림 9와 그림 10 에 나타나 있다. 지반의 비균질성과 지반卜구조물 상호 작용이 교량의 지진 응답에 미치는 영향을 알아 보기 위하여 다음 세 가지 해석을 수행하였다. 첫 번째 해석(Ml)은 고정기초 교량의 해석으로 원역 통제운동을 고정기초에 입력하여 지진 응답을 구하였다.
제안 방법
- 기반암에서 지표면으로 갈수록 지반이 연약한 경우, 기반암 운동은 지표면에 도달하면 저주파수 영역에서 증폭된 진폭을 가지게 되고, 이는 장대 교량과 같은 장주기 구조물에 위협이 될 수 있다。또한 지반의 고유 주기와 교량의 주요 고유주기가 일치할 경우 공진이 발생하여 부재력의 증폭이 크게 나타날 수 있다.2)이 연구에서는 지반의 강도 변화가 교량의 지진응답에 미치는 영향을 분석하였다. 지반의 2차원 자유장 해석을 수행하여 부지효과가 지반 운동의 진폭과 주파수 성분에 미치는 영향을 알아보고 이를 입력지반운동으로 하여 교량의 지진응답을 구하였다.
- 세 번째 해석(M3)에서는 지반을 등가의 선형스프링 계수로 모델링 한 후 이 선형 스프링을 교각, 교대와 지반의 연결부에 부착하여 지義구조물 상호 작용을 고려한 해석을 하였다. 3차원 초유한 요소를 이용하여 기초를 포함한 지반을 모델링하여 강체 기초의 임피던스를 구한 후, 교량의 종방향, 횡방향 고유주기에 해당하는 임피던스를 구하여 이를 선형 스프링 계수로 사용하였다. 입력지반 운동은 M2와 같다.
- 기초부터 기반암까지 횡방향으로 2Z”의길이를 가지는 영역은 3차원 유한요소로 모델링하고, 이유한 요소 영 역 사이의 지반은 3차원 스트립 초유 한 요소를 이용하여 모델링 한다. 3차원 초유한 요소를 이용한 전달 경계를 부착하여 무한 영역으로의 파전파를 모델링한다. 교량의 교대는 그림 4의 강체 표면기초 ①, ④에서 지반과 접하며, 교각 1, 2는 각각 ②, ③의 강체 표면 기초에서 지반과 연계된다.
- 그림 4와 같다. 기초부터 기반암까지 횡방향으로 2Z”의길이를 가지는 영역은 3차원 유한요소로 모델링하고, 이유한 요소 영 역 사이의 지반은 3차원 스트립 초유 한 요소를 이용하여 모델링 한다. 3차원 초유한 요소를 이용한 전달 경계를 부착하여 무한 영역으로의 파전파를 모델링한다.
- 입력지반 운동은 M2와 같다. 네 번째 해석(M4)에서는 3차 원초 유한 요소를 이용한 지진응답 해석기법을 사용하여 교량의 지진 응답을 해석하였다. 네 가지 해석 모델을 정리하여 표 4에 나타내었다.
- 첫 번째 해석(Ml)은 고정기초 교량의 해석으로 원역 통제운동을 고정기초에 입력하여 지진 응답을 구하였다. 두 번째 해석(M2)에서는 2 차원 자유장 해석을 통해 구한 교각, 교대 위치에서 지반의 지진 응답을 고정기초에 입력하여 교량의 지진 응답을 구하였다. 세 번째 해석(M3)에서는 지반을 등가의 선형스프링 계수로 모델링 한 후 이 선형 스프링을 교각, 교대와 지반의 연결부에 부착하여 지義구조물 상호 작용을 고려한 해석을 하였다.
- 부지효과와 지반-구조물 상호작용 효과를 고려한 자유 장운동 해석과 3경간 교량의 지진응답 해석을 수행하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 지반의 공간적.비균질성이 지반 운동에 미치는 영향을 알아보기 위하여 2차원 자유장 운동 해석을 수행한다. 지반 물성 변화의 영향을 알아보기 위하여 지반의 전단파 속도 匸5를 변화시키면서 교대와 교각 기초의 위치인 그림 4의 Al, P1 에서의 종방향과 횡방향 지반 운동을 구하였다.
- 두 번째 해석(M2)에서는 2 차원 자유장 해석을 통해 구한 교각, 교대 위치에서 지반의 지진 응답을 고정기초에 입력하여 교량의 지진 응답을 구하였다. 세 번째 해석(M3)에서는 지반을 등가의 선형스프링 계수로 모델링 한 후 이 선형 스프링을 교각, 교대와 지반의 연결부에 부착하여 지義구조물 상호 작용을 고려한 해석을 하였다. 3차원 초유한 요소를 이용하여 기초를 포함한 지반을 모델링하여 강체 기초의 임피던스를 구한 후, 교량의 종방향, 횡방향 고유주기에 해당하는 임피던스를 구하여 이를 선형 스프링 계수로 사용하였다.
- 비균질성이 지반 운동에 미치는 영향을 알아보기 위하여 2차원 자유장 운동 해석을 수행한다. 지반 물성 변화의 영향을 알아보기 위하여 지반의 전단파 속도 匸5를 변화시키면서 교대와 교각 기초의 위치인 그림 4의 Al, P1 에서의 종방향과 횡방향 지반 운동을 구하였다.
- 하이브리드 해석법(Hybrid Method)를 사용하여 기초를 포함한 근역 지반은 유한요소로, 무한영역으로의 파전 파는 초유한 요소를 이용한 전달경계로, 기초 간 지반 영역 내의 파전파는 스트립 초유한 요소로 모델링하며 이를 그림 1에 나타내었다. 지반-구조물 시스템의 지진응답 해석은 부분구조법을 사용하며, 지반과 구조물을 독립적으로 모델링한 후 기초에서의 임피던스와 유효입력하중으로 연계 시켜 해석한다.
- 2)이 연구에서는 지반의 강도 변화가 교량의 지진응답에 미치는 영향을 분석하였다. 지반의 2차원 자유장 해석을 수행하여 부지효과가 지반 운동의 진폭과 주파수 성분에 미치는 영향을 알아보고 이를 입력지반운동으로 하여 교량의 지진응답을 구하였다.
- 지반의 비균질성과 지반卜구조물 상호 작용이 교량의 지진 응답에 미치는 영향을 알아 보기 위하여 다음 세 가지 해석을 수행하였다. 첫 번째 해석(Ml)은 고정기초 교량의 해석으로 원역 통제운동을 고정기초에 입력하여 지진 응답을 구하였다. 두 번째 해석(M2)에서는 2 차원 자유장 해석을 통해 구한 교각, 교대 위치에서 지반의 지진 응답을 고정기초에 입력하여 교량의 지진 응답을 구하였다.
- 피D=2인_ 지반에서 전단파 속도가 다른 GM1, GM2, GM3 세 모델의 자유장 운동해석을 하였다. 지반 모델 GM1 의 전단파 속도는 기준으로 정한 전단파속도 哆苛인경우이고, GM2는 2竣GM3는 4竣孑의 전단파 속도를 가지는 경우이다.
대상 데이터
- 대상 교량은 그림 2와 같이 공간적으로 비균질한 지반에 위치한 3경간 교량이다.
이론/모형
- 비균질 지반 위 다중 기초 교량의 지반-구조물상호 작용을 고려한 지진응답 해석을 위하여 현대건설 기술연구소가 개발한 HYUNSSI3)< 사용하였다. HYUNSSI는 3차원 직교좌표계에서 3차원 유한요소와 초유한 요소(hyper)4)스트립 초유한 요소(strip hyperelement严)를 사용하여 지 형과 물성 이 변화하는 비균질 지반을 3차원으로 모델링하고, 지반-구조물 시스템의 지진응답을 해석할 수 있는 프로그램이다.
성능/효과
- 845이며, 그림 10에 나타낸 GM1 에서 교각과 교대에서의 횡방향 가속도 응답 스펙트럼의 증폭비를 보면 이 위치에서 응답의 증폭이 일어나는 것을 볼 수 있다. M2, M3의 결과를 비교하면 종방향 응답에 비해 지반-구조물 상호 작용의 영향은 크게 나타났으나, 부지효과에 의한 응답의 증폭에 비하면 그 효과는 작다는 것을 알 수 있다.
- 이를 고정기초 교량의 고유진동수와 비교하여 표 5에 나타냈다. 표를 보면 지빈?구조물 상호 작용의 효과로 고유진동수가 작아졌고 이 효과는 종방향에서는 미미하고 횡 방향 고유진동수에서 크다는 것을 알 수 있다.
- 지반 비균질성의 영향에 의한 PGA의 증가를 보여주며, 지반의 강도가 커짐에 따라 PGA는 입력 지진의 PGA로 근접하는 것을 알 수 있다. 이상의 해석 결과는 암반과 같이 강도가 큰 지반에서는 지형 변화가 지반 운동에 미치는 영향이 작다는 것을 나타낸다.
- 방향에 대해서 정리하여 표 3에 나타냈다. 지반 비균질성의 영향에 의한 PGA의 증가를 보여주며, 지반의 강도가 커짐에 따라 PGA는 입력 지진의 PGA로 근접하는 것을 알 수 있다. 이상의 해석 결과는 암반과 같이 강도가 큰 지반에서는 지형 변화가 지반 운동에 미치는 영향이 작다는 것을 나타낸다.
후속연구
- 이 연구에서는 주로 지반 매질 물성 변화에 의한 부지효과에 대한 연구가 이루어졌으며, 앞으로 지형변화가 지반운동과 교량 지진응답에 미치는 영향에 대한 추가 연구를 수행할 예정이다. HYUNSSI는 앞으로 건설될 초장대 교량 설계시에 지반의 공간적 비균질성을 고려한 동적 지진 응답해석에 유용하게 활용될 수 있다고 생각한다.
- 크다. 이 연구에서는 주로 지반 매질 물성 변화에 의한 부지효과에 대한 연구가 이루어졌으며, 앞으로 지형변화가 지반운동과 교량 지진응답에 미치는 영향에 대한 추가 연구를 수행할 예정이다. HYUNSSI는 앞으로 건설될 초장대 교량 설계시에 지반의 공간적 비균질성을 고려한 동적 지진 응답해석에 유용하게 활용될 수 있다고 생각한다.
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