IBC와 KBC의 지반분류는 ft-kips 단위체계를 기본으로 하고, 지반종류를 단일 지반특성값이 아닌 지반특성값 범위로 규정하여 지반종류에 따른 전단파속도와 지반계수들 간의 불명확한 관계 때문에 지반계수의 선형보간이 쉽지 않다. 또한, KBC의 지반분류에서 각 지반종류에 대한 지반특성값 범위가 너무 넓어서 구조기술자들이 다양한 지반의 실제적인 지반계수를 추정하는데 어려움을 격고 있다. 이 연구에서는 SI 단위체계를 고려한 새로운 지반분류체계를KBC등 차세대 내진설계기준을 위해 제안하였고, 제안된 새로운 지반분류에 따라 지반계수들의 선형보간 가능성을 검토하기 위해 $F_{a},\;F_{v}$, 지반계수들의 비교에 관한 연구를 수행하였다. 연구결과에 의하면, SI 단위체계와 얕게 묻힌기초 밑 30m 지반의 지반특성을 고려한 새로 제안한 지반분류체계를 이용하는 것이 지반계수의 선형보간을 위해서 보다 합리적이고, 설계스펙트럼 가속도계수의 선형보간도 각 지반을 대표하는 전단파속도에 따라 지반계수를 규정함으로써 보다 합리적으로 수행할 수 있다. 연구결과에 따라 KBC 내진설계기준을 위한 새로운 지반분류체계와 선형보간이 가능한 설계스펙트럼 가속도 계수를 제안하였다.
IBC와 KBC의 지반분류는 ft-kips 단위체계를 기본으로 하고, 지반종류를 단일 지반특성값이 아닌 지반특성값 범위로 규정하여 지반종류에 따른 전단파속도와 지반계수들 간의 불명확한 관계 때문에 지반계수의 선형보간이 쉽지 않다. 또한, KBC의 지반분류에서 각 지반종류에 대한 지반특성값 범위가 너무 넓어서 구조기술자들이 다양한 지반의 실제적인 지반계수를 추정하는데 어려움을 격고 있다. 이 연구에서는 SI 단위체계를 고려한 새로운 지반분류체계를KBC등 차세대 내진설계기준을 위해 제안하였고, 제안된 새로운 지반분류에 따라 지반계수들의 선형보간 가능성을 검토하기 위해 $F_{a},\;F_{v}$, 지반계수들의 비교에 관한 연구를 수행하였다. 연구결과에 의하면, SI 단위체계와 얕게 묻힌기초 밑 30m 지반의 지반특성을 고려한 새로 제안한 지반분류체계를 이용하는 것이 지반계수의 선형보간을 위해서 보다 합리적이고, 설계스펙트럼 가속도계수의 선형보간도 각 지반을 대표하는 전단파속도에 따라 지반계수를 규정함으로써 보다 합리적으로 수행할 수 있다. 연구결과에 따라 KBC 내진설계기준을 위한 새로운 지반분류체계와 선형보간이 가능한 설계스펙트럼 가속도 계수를 제안하였다.
Site classification of IBC and KBC is based on the ft-kips unit system and is not friendly for the linear interpolation of the site coefficients due to the implicit relationship between a site class and site coefficients, defining a site class by the range of the soil properties, not by a single soi...
Site classification of IBC and KBC is based on the ft-kips unit system and is not friendly for the linear interpolation of the site coefficients due to the implicit relationship between a site class and site coefficients, defining a site class by the range of the soil properties, not by a single soil property. Also, the site class definition of KBC has too wide range of soil properties for each soil class. making the structural engineers difficult to estimate the site coefficients for the diverse soil layers. In this study, a new site classification in SI unit system was proposed for the seismic design codes of KBC etc., and the comparison of the site coefficients of $F_{a}\;and\;F_{v}$ was also performed to investigate the possibility of the linear interpolation of the site coefficients with the proposed new site classification. According to the study results, it was more reasonable for the linear interpolation of the site coefficients to utilize the proposed new site classification considered the Sl unit system and the soil characteristics of the 30m soil layer beneath the shallow embedded foundation, and the linear interpolation of the acceleration coefficients for the design spectrum can be performed more reasonably defining the site coefficients for the representative shear wave velocities of each site class. With the study results, a new site classification, and the linear interpolation permitted acceleration coefficients fer the design spectrum were proposed for the modification of the seismic design regulations of KBC.
Site classification of IBC and KBC is based on the ft-kips unit system and is not friendly for the linear interpolation of the site coefficients due to the implicit relationship between a site class and site coefficients, defining a site class by the range of the soil properties, not by a single soil property. Also, the site class definition of KBC has too wide range of soil properties for each soil class. making the structural engineers difficult to estimate the site coefficients for the diverse soil layers. In this study, a new site classification in SI unit system was proposed for the seismic design codes of KBC etc., and the comparison of the site coefficients of $F_{a}\;and\;F_{v}$ was also performed to investigate the possibility of the linear interpolation of the site coefficients with the proposed new site classification. According to the study results, it was more reasonable for the linear interpolation of the site coefficients to utilize the proposed new site classification considered the Sl unit system and the soil characteristics of the 30m soil layer beneath the shallow embedded foundation, and the linear interpolation of the acceleration coefficients for the design spectrum can be performed more reasonably defining the site coefficients for the representative shear wave velocities of each site class. With the study results, a new site classification, and the linear interpolation permitted acceleration coefficients fer the design spectrum were proposed for the modification of the seismic design regulations of KBC.
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문제 정의
이 논문에서는 KBC 내진설계기준을 위해 새로운 지반분류체계를 제안하고, 새로 제안한 지반분류에 따른 지반계수 兀와 %의 선형보간을 위해서 필요한 연구를 수행하였다. 연구결과에 의하면, SI 단위체계를 고려하고 얕게 묻힌 기초를 고려하여 기초 밑 30m 지반의 특성에 따라 분류한 표 8에 제시한 지반분류체계가 지반계수 兀와 凡의 선형보간을 위해 보다 합리적이고, 표 8과 9에 나타난 것처럼 지반 종류 별로 선정된 대표 전단파속도에 따라 지반계수를 규정함으로서 지반계수의 선형보간이 합리적으로 이용될 수 있는 것으로 판단되었다.
제안 방법
IBC 지반계수 已와 F, 의 선형보간 가능성에 대한 검토에서 지반계수의 선형보간이 가능한 것으로 판명되어, 수정 제안된 지반분류에 따른 지반계수의 선형보간을 용이하게 하고 보간값의 정확도를 높이기 위해 B, C, D, E 지반의 전 단파 속도 영역을 표 6에 나타난 것처럼 한 단계씩 추가하여 2 단계로 세분화하였다. 또 지반계수 산정을 위한 기준지반 B 의 대표 전단파속도를 1050m/sec에서 1000m/sec로 수정하기 위해 지반종류에 따라 규정된 전단파속도에서 IBC2003 에서 사용한 식 (2)에 의한 지반계수 兀와 儿를 표 6과 7에나타난 것처럼 먼저 산정하고, 산정한 지반계수들이 다음 식 (3)에 가장 적합하도록 a, 0 값을 최적화하였는데, 입력 지진 수준이 0.
KBC를 위한 지반분류 체계는 IBC 지반분류에 근거하여 표 8에 나타난 것처럼 등가원형기초 반경의 1/10 이하로 얕게 묻힌 기초 밑 30m 지반특성 평균값에 따라 지반 종류를 결정하도록 수정하고, 표준관입시험(SPT) N값에 의한 지반분류 경계값도 약간 수정하였다.
연구결과에 의하면, SI 단위체계를 고려하고 얕게 묻힌 기초를 고려하여 기초 밑 30m 지반의 특성에 따라 분류한 표 8에 제시한 지반분류체계가 지반계수 兀와 凡의 선형보간을 위해 보다 합리적이고, 표 8과 9에 나타난 것처럼 지반 종류 별로 선정된 대표 전단파속도에 따라 지반계수를 규정함으로서 지반계수의 선형보간이 합리적으로 이용될 수 있는 것으로 판단되었다. 또, 연구결과에 따라 차세대 KBC 내진설계 기준을 위해 표 8에 나타난 수정된 지반분류체계와 표 11 (b)에 나타난 지반특성값에 따라 선형보간이 가능한 설계 스펙트럼 가속도계수를 제안하였다.
새로 제안한 지반분류 체계에 따라 가속도계수 兀와 F、, 를 KBC기준에 새로 제안하기 위해 현재 500년 재현 주기로 되어 있는 입력지진수준을 1000년 재현주기 지진수준인 0.09g와 0.15g로 수정하고, 식 (3)에 나타난 지수들도 선형보간하여 수정하였다. 표 9와 10의 비고란에 나타난 새로 제안한 지반계수 산정식에 따른 입력지진수준별 지반계수 兀와 F、, 값은 표 9와 표 10에 나타나 있다.
지반계수의 선형보간 가능성 여부를 검토하기 위해 지반 종류 별 전단파속도(%) 경계값에서 지반계수를 지반분류 작성 시 기본이 되었던 이론과 실측 자료를 근거로 Borcherdt 가 제시한 식 (2)를 이용하여 먼저 구하고, ⑺ 기준에 정의 된 지반계수와 그 지반계수에 해당되는 전단파속도를 추론하여각 지반의 경계값 전단파속도에서 지반계수를 선형보간법으로 구하였다.
표 3에 나타난 새로 제안한 IBC 지반분류 체계와 지반계수 산정식 식 (3)을 KBC기준에 적용하기 위해 새로운 지반분류와 KBC 입력지진수준에 따른 가속도계수를 산정하였다. KBC를 위한 지반분류 체계는 IBC 지반분류에 근거하여 표 8에 나타난 것처럼 등가원형기초 반경의 1/10 이하로 얕게 묻힌 기초 밑 30m 지반특성 평균값에 따라 지반 종류를 결정하도록 수정하고, 표준관입시험(SPT) N값에 의한 지반분류 경계값도 약간 수정하였다.
성능/효과
IBC2003에서 사용한 식 (2)로 구한 지반계수 凡와 玲를수정 제안한 식 (3)에 의해 구한 지반계수 兀와 %와 비교한 결과, 표 6과 7에 나타난 것처럼 그 오차 범위가 凡는 -6.2%에서 4.9%까지, F、는 -6.5%에서 5.3%까지로 나타나 수정 제안된 전단파속도에 따른 지반분류와 지반계수 산정 식으로 기존 지반분류와 지반계수 산정식과 매우 근사한 결과를 얻을 수 있다는 것이 검증되었다.
그리고, 현 내진설계기준의 또 다른 문제점으로는 그림 1 에 나타난 지진응답스펙트럼을 작성할 때 필요한 지반계수 兀와 儿는 동일한 지반에 대해서 구해져야 하기 때문에 髯 와 孔를 규정한 지반 특성값이 같아야 하는데 기준에 제시된 지반계수에 따른 지반의 전단파속도를 표 2의 비고란에 나타난 1994년 Borcherdt가 제시한 식으로 역산해 보면 표 2에 나타난 것처럼 지반 B를 제외한 모든 지반에서 F“와 F、, 를 규정한 전단파속도가 상당한 차이를 보이고 있어서 설계 응답 스펙트럼의 신뢰도가 크게 떨어지는 것으로 나타났다.(1)
IBC(Intemational Building Code)"> 와 KBC(Korean Building Code)(2)에서는 1994년 NEHRP (National Earthquake Hazards Reduction Program沪)에서 제시한 표 1에 나타난 것과 같은 지반분류체계를 채택하여내진 설계에 사용하고 있으나 실무적인 측면에서 지진해석을 위한 지반분류가 세분화되어 있지 못하고, 지반분류를 위한 지반특성 판정에서도 실무자의 주관적 판단에 따라 큰차이가 발생하고 있다. 또 IBC와 KBC 기준에서 지반을 상부 100ft(30.48m) 지반의 지반특성값 평균에 따라 분류하도록 규정하고 있는데, 지표면에 놓인 얕은기초의 경우에는 이 규정이 적합하지만 묻힌기초(등가원형기초 반경의 1/10 이상 묻힌 기초)의 경우에는 부적합한 것으로 나타났다.‘勺 그리고, 지반분류를 위한 전단파속도가 600, 1200, 2500, 5000ft/sec 등 ft 단위체계에서 개발된 것을 180, 360, 760, 1500m/sec 등 SI 단위체계로 변환하여 사용함으로써 지반종류를 규정한 지반특성치 경계값들이 10진법에 익숙한 SI 단위체계 사용자들에게는 좀 낯설게 보인다.
수행하였다. 연구결과에 의하면, SI 단위체계를 고려하고 얕게 묻힌 기초를 고려하여 기초 밑 30m 지반의 특성에 따라 분류한 표 8에 제시한 지반분류체계가 지반계수 兀와 凡의 선형보간을 위해 보다 합리적이고, 표 8과 9에 나타난 것처럼 지반 종류 별로 선정된 대표 전단파속도에 따라 지반계수를 규정함으로서 지반계수의 선형보간이 합리적으로 이용될 수 있는 것으로 판단되었다. 또, 연구결과에 따라 차세대 KBC 내진설계 기준을 위해 표 8에 나타난 수정된 지반분류체계와 표 11 (b)에 나타난 지반특성값에 따라 선형보간이 가능한 설계 스펙트럼 가속도계수를 제안하였다.
지난 수십 년 동안의 연구결과들에 의하면 대부분의 기초가 암반까지의 깊이가 유한한 지반에 얕게 묻혀 있기 때문에 지반특성을 기초의 묻힘을 고려하지 않고 지표면에서 30m 깊이까지 지반을 기준으로 산정하는 것보다는 기초의 묻힘을 고려하여 기초 밑에서 30m까지 지반을 고려하는 것이 보다 합리적이다. 또, 깊게 묻힌 기초에 대해서는 새로운 기준이 마련되어야 하겠지만 깊게 묻힌 기초의 경우 근입깊이, 암반깊이, 기초크기, 기초강성, 지반다짐상태 등 많은 변수들이 있기 때문에 통일된 기준안을 마련하는 데는 상당한 제약이 있다.
후속연구
그러나, 입력지진수준이 0.4g인 경우에는 지반계수 兀에 따른 전단파속도가 합리적이지 못한 값으로 평:7-되어 지반계수의 선형보간이 불가능한 것으로 판단되었으며 강진에 대한 IBC 기준의 명확한 규명이 필요한 것으로 판단되었다.
한편, 이 후에도 지반계수에 대한 구조물-지반 상호작용을 고려한 수치해석적 연구와 깊게 묻힌기초에 세워진 구조물의 설계스펙트럼 가속도계수에 대한 연구가 필요한 것으로 판단되었다.
참고문헌 (7)
International Building Code Council (IBC), 2003 International Building Code (IBC2003), 2002, pp. 301-343
대한건축학회, 건축구조설계기준 (KBC2005), 2005, pp. 89-119
BSSC, NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures, Part 2: Conunentary (FEMA 303), 1997, pp. 362
김용석, 구조물-지반 상호작용과 지진해석, 한국지진공학회, 구미서관, 2005, pp. 105
Dobry, R. et al., 'New Site Coefficients and Site Classification System Used in Recent Building Seismic Code Provisions,' Earthquake Spectra, Vol. 16, No.1, Feb. 2000, pp. 41-67
Shamsher Prakash and Vijay K. Puri, Foundations for Machines : Analysis and Design, John Wiley and Sons, 1988, pp. 656
Borcherdt, R.D., 'Estimates of site-dependent response spectra for design (methodology and justification),' Earthquake Spectra, Vol. 10, 1994, pp. 617-653
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