기반암 깊이와 토층 평균 전단파속도를 이용한 국내 지반분류 방법 및 지반 증폭계수 개선 Development of Site Classification System and Modification of Site Coefficients in Korea Based on Mean Shear Wave Velocity of Soil and Depth to Bedrock원문보기
본 논문에서는 국내 125개 지반에 대한 지층 구성, 전단파속도 주상도, 기반암 깊이 등을 기존 자료의 수집 및 부분 시험 수행을 통해 확보하여 지진응답해석을 수행하였고, 이를 바탕으로 기반암이 얕아 대부분의 지반조사가 기반암까지 이루어지는 국내 지반조건에 적합하도록 기반암 깊이와 토층 평균 전단파속도를 동시에 고려하는 2-매개변수 지반분류 방법을 새롭게 제안하였다. 우선, 기반암 깊이(H)에 대해 10m와 20m를 경계 값으로 설정하여 $H_1$ 지반(H<10m), $H_2$ 지반($10m{\leq}H<20m$) 그리고 $H_3$ 지반($H{\geq}20m$)으로 분류하고 이후, 토층 평균 전단파속도($V_{s,soil}$)를 추가 변수로 하여 총 7개의 지반그룹으로 세분화 하였다. 또한 각 지반그룹에 대하여, 지진응답해석 결과로부터 획득한 지반 증폭계수의 경향성과 그 분산정도를 분석하여 새로운 지반분류 방법의 타당성을 입증하고, 각 지반그룹별 대표 지반 증폭계수 및 설계응답스펙트럼도 함께 제안하였다. 제안된 지반 증폭계수와 이를 대표하는 추세선은 암반노두 가속도의 변화에 따른 지반의 비선형성을 일정한 경향성과 함께 효율적으로 표현하고 있다. 또한 지진응답해석으로부터 획득한 스펙트럴 가속도의 평균값과 제안된 설계응답스펙트럼을 비교한 결과, 일부 지반그룹에서 차이가 발생하였고, 추후 지반 증폭계수 계산을 위한 적분구간을 국내 지반조건에 적합하도록 개선할 필요가 있음을 확인하였다.
본 논문에서는 국내 125개 지반에 대한 지층 구성, 전단파속도 주상도, 기반암 깊이 등을 기존 자료의 수집 및 부분 시험 수행을 통해 확보하여 지진응답해석을 수행하였고, 이를 바탕으로 기반암이 얕아 대부분의 지반조사가 기반암까지 이루어지는 국내 지반조건에 적합하도록 기반암 깊이와 토층 평균 전단파속도를 동시에 고려하는 2-매개변수 지반분류 방법을 새롭게 제안하였다. 우선, 기반암 깊이(H)에 대해 10m와 20m를 경계 값으로 설정하여 $H_1$ 지반(H<10m), $H_2$ 지반($10m{\leq}H<20m$) 그리고 $H_3$ 지반($H{\geq}20m$)으로 분류하고 이후, 토층 평균 전단파속도($V_{s,soil}$)를 추가 변수로 하여 총 7개의 지반그룹으로 세분화 하였다. 또한 각 지반그룹에 대하여, 지진응답해석 결과로부터 획득한 지반 증폭계수의 경향성과 그 분산정도를 분석하여 새로운 지반분류 방법의 타당성을 입증하고, 각 지반그룹별 대표 지반 증폭계수 및 설계응답스펙트럼도 함께 제안하였다. 제안된 지반 증폭계수와 이를 대표하는 추세선은 암반노두 가속도의 변화에 따른 지반의 비선형성을 일정한 경향성과 함께 효율적으로 표현하고 있다. 또한 지진응답해석으로부터 획득한 스펙트럴 가속도의 평균값과 제안된 설계응답스펙트럼을 비교한 결과, 일부 지반그룹에서 차이가 발생하였고, 추후 지반 증폭계수 계산을 위한 적분구간을 국내 지반조건에 적합하도록 개선할 필요가 있음을 확인하였다.
Site response analyses were performed based on equivalent linear technique using the local geologic and dynamic site characteristics, which include soil profiles, shear wave velocity profiles and depth to bedrock for 125 sites collected in Korean Peninsula. From the results of site response analyses...
Site response analyses were performed based on equivalent linear technique using the local geologic and dynamic site characteristics, which include soil profiles, shear wave velocity profiles and depth to bedrock for 125 sites collected in Korean Peninsula. From the results of site response analyses, 2-parameters site classification system based on the combination of mean shear wave velocity of soil and depth to bedrock was newly recommended for regions of shallow bedrock depth in Korea. First, as the borders of bedrock depth (H) for site classification were determined as 10m and 20m, the soil sites were divided into 3 classes as $H_1$, $H_2$ and $H_3$ sites. And then, the 3 site classes were subdivided into 7 classes based on the mean shear wave velocity of soil ($V_{s,soil}$). The feasibility of new site classification system was verified and the representative site coefficients ($F_a$ and $F_v$) and design response spectrum were suggested by analyzing uniform trend and dispersion of site coefficients for each site class. The suggested site coefficients and the regression curves present the nonlinear characteristics of soils according to the change of rock outcrop acceleration with uniform trend effectively. From the comparison between the mean values of response spectrum which was acquired from the site response analysis and the suggested design response spectrum, there was a little difference in some of site classes and it was verified to adjust the integration interval to make it more suitable for the site condition in Korea.
Site response analyses were performed based on equivalent linear technique using the local geologic and dynamic site characteristics, which include soil profiles, shear wave velocity profiles and depth to bedrock for 125 sites collected in Korean Peninsula. From the results of site response analyses, 2-parameters site classification system based on the combination of mean shear wave velocity of soil and depth to bedrock was newly recommended for regions of shallow bedrock depth in Korea. First, as the borders of bedrock depth (H) for site classification were determined as 10m and 20m, the soil sites were divided into 3 classes as $H_1$, $H_2$ and $H_3$ sites. And then, the 3 site classes were subdivided into 7 classes based on the mean shear wave velocity of soil ($V_{s,soil}$). The feasibility of new site classification system was verified and the representative site coefficients ($F_a$ and $F_v$) and design response spectrum were suggested by analyzing uniform trend and dispersion of site coefficients for each site class. The suggested site coefficients and the regression curves present the nonlinear characteristics of soils according to the change of rock outcrop acceleration with uniform trend effectively. From the comparison between the mean values of response spectrum which was acquired from the site response analysis and the suggested design response spectrum, there was a little difference in some of site classes and it was verified to adjust the integration interval to make it more suitable for the site condition in Korea.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
따라서, 본 연구에서는 전술된 지반의 고유주기를 이용한 지반분류 방법의 장점을 흡수하고, 단점을 보완할 수 있는 대안으로서, 기반암 깊이(H)와 토층 평균 전단파속도(Vs,soil)를 동시에 고려하는 2-매개변수 지반분류 방법을 새롭게 제안하고, 이에 따른 지반 증폭계수도 함께 제안하고자 한다.
입력지진파의 경우, 우리나라는 지진의 규모가 작고 발생빈도가 낮은 중약진 지역이고(김성균 등, 2001), 내진설계기준 제정을 위한 실지진 기록이 부족하여 PEER(Pacific Earthquake Engineering Research) 센터의 입력지진 선택 권고안을 바탕으로 인공지진파 1개와 6개의 실계측 지진파를 선택하였다(Pacific Earthquake Engineering Research Center). 또한 입력지진파를 선정하는데 있어 다양한 주파수 성분을 가지는 지진파를 선정하는데 주안점을 두었다. 이를 위하여 단주기 특성을 보이는 암반계측 지진파와 장주기 특성을 보이는 토층계측 지진파를 선정하였다.
그림 11(b)에 나타낸 H3 지반의 Fv 추세선의 경우 Vs,soil 값, 200m/s 이하에서는 암반노두 가속도의 증가에 따라 추세선이 아래로 내려오면서 확연히 구분되는 Fa와 동일한 경향을 보였고, 360m/s 이상에서는 미미하지만 반대의 경향이 나타났다. 물론, 그림 9~11에서 보이는 추세선은 위와 같이 증폭계수들의 경향성을 파악하기 위해서 유용하게 활용되고, 좋은 결과를 도출하고 있지만, 실제 각 추세선을 이루고 있는 증폭계수 값들을 비교하면 추세선이 나타내는 경향성과 다른 경향을 보이는 값들도 일부 존재함을 언급하는 바이다.
0초에서 RRS의 평균값을 의미한다. 본 논문에서는 감쇠비 5%에 해당하는 응답 스펙트럼에 대하여 기술하였다.
본 연구에서는 설계지반운동의 신뢰성 있는 예측을 위해, 기반암이 얕아 비교적 단주기적 특성을 보이는 국내 지반 조건에 적합하도록 기반암 깊이(Depth to Bedrock, H)와 토층 평균 전단파속도(Mean Shear Wave Velocity of Soil, Vs,soil)를 동시에 고려하는 2-매개변수 지반분류 방법을 새롭게 제안하고, 이에 따른 지반 증폭계수 및 설계응답스펙트럼을 함께 제안하고자 한다. 이를 위해, 국내 도시지역을 중심으로 분포한 아파트, 철도, 교량, 항만, 도로 등의 다양한 공사현장 지반을 대상으로 지진응답해석을 수행하고, 해석결과를 바탕으로 획득한 각 지반그룹별 단주기 및 장주기 증폭계수의 경향성과 분산정도를 분석함으로써 2-매개변수 지반분류 방법의 타당성을 입증하였다.
에 대해 도시하여 그림 4에 나타내었다. 본 연구에서는 세 가지 재현주기에 대한 암반노두가속도를 이용하여 지진응답해석을 수행하였으나, 여기에서는 재현주기 1,000년 지진에 해당하는 해석결과를 바탕으로 나타내었다. 또한 표식을 달리하여, H에 따라 우선적으로 분류된 3가지 지반을 구별하였다.
)를 이용하여 지반분류를 수행하고 있다. 이는, 전술한 바와 같이 기반암이 상당히 깊은 미국 서부 해안지역에서 기반암 깊이까지의 토층 물성을 모두 설계에 반영할 수 없기 때문에 경제적인 측면을 고려하여 지진시 상대적으로 지배적인 영향을 미치는 얕은 심도의 지반 특성을 반영하고자 상부 100ft(약 30m) 토층의 물성을 설계에 이용한다는 취지로써 제안된 방법이다. 그러나 기반암이 주로 30m 이내에 존재하는 국내 지반 조건에 Vs,30을 이용하여 지반분류를 수행한다면, 암반의 물성을 함께 반영하여 지반 분류가 이루어지게 된다.
가설 설정
이를 기존 연구에서 제안한 지반 증폭계수 및 그 표준편차(표 1, 표 2)와 비교하고자 한다. Fa의 경우, 본 연구에서 새롭게 제안하는 Fa 의 표준편차 값들이(표 6) 기존 연구 결과에 비해 크게 향상되었다고 말할 수는 없다. H3 지반(그림 8(a))은 표 4에 나타낸 바와 같이 지반 고유주기의 영역이 넓게 분포하여 비교적 큰 표준편차를 나타내는 것으로 판단되며, H1 지반과 H2 지반은 그림 6(a)와 그림 7(a)에서 보듯이 Vs,soil에 따라 지수 형태로 감소하는 특성을 지닌 데이터들에 대하여 각 세부그룹별 평균값을 기준으로 계산한 표준편차이기 때문이라고 판단된다.
여기서, Rrock과 Rsoil은 각각 진원(fault)에서 암반노두와 지표면까지의 거리(hypocentral distance)를 의미하고, 본 연구에서는 Rsoil/Rrock의 경우 진원에서 거리가 먼 경우로 가정하여 1.0으로 계산하였다. RSsoil과 RSrock은 각각 주기가 T인 구조물에 대한 지표면과 암반노두에서의 스펙트럴 가속도 값을 의미한다.
제안 방법
1. 2-매개변수 지반분류 방법을 제안하기 위해, 우선적으로 기반암 깊이 10m와 20m를 경계 값으로 설정하여 H1 지반, H2 지반 및 H3 지반으로 분류하였다. 각 지반그룹은 기존 내진설계기준연구(II) 방법에 의해 분류된 개별지반들이 고루 분포되어 있음을 확인하였다.
지반 15개로 분류되었다. 그러나 기반암 깊이(H)와 토층 평균 전단파속도(Vs,soil)를 동시에 고려한 2-매개변수 지반분류 방법을 제안하기 위해, 우선적으로 기반암 깊이 10m와 20m를 경계 값으로 설정하여 H1 지반, H2 지반 그리고 H3 지반으로 분류하였다. 지반분류 기준을 변경함에 따라 내진설계기준연구(II) 방법으로 분류되었던 개별 지반들이 재분류된 결과를 표 3에 나타내었다.
본 연구에서는 세 가지 재현주기에 대한 암반노두가속도를 이용하여 지진응답해석을 수행하였으나, 여기에서는 재현주기 1,000년 지진에 해당하는 해석결과를 바탕으로 나타내었다. 또한 표식을 달리하여, H에 따라 우선적으로 분류된 3가지 지반을 구별하였다. 그림 4(a)에서 H2 지반의 Fa는 결과를 획득한 대부분의 Vs,soil에 대해, H1 지반의 Fa보다 큰 값을 나타내면서 명확히 구분되는 것을 확인할 수 있다.
4 이상으로 큰 분산 정도를 나타내고 있다(윤종구 등, 2006b). 마지막으로, 지진응답해석을 통하여 Vs,30을 기준으로 재산정된 증폭계수(표 2, 윤종구 등, 2006a)와 지반의 고유주기를 기준으로 재산정된 증폭계수(표 1, 윤종구 등, 2006b)를 비교해 보았다. 그 결과, 각 유사지반그룹, 즉, SB 지반과 TA 지반, SC 지반과 TB 지반, SD 지반과 TC 지반, SE 지반과 TD 지반에 대해 각각 제안된 증폭계수 값이 최대 10% 정도 차이의 유사한 값들을 보이고 있어 새롭게 제안된 지반 고유주기를 이용하여 지반분류를 수행하는 차별성이 부족한 것으로 판단된다.
본 연구에서는 125개의 국내 해석대상지반, 7개의 지진파, 3가지 재현주기에 따른 암반노두 가속도를 결합하여 총 2625개의 SHAKE91 해석 결과를 획득하고, 이를 이용하여 지반 증폭계수를 산정하였다. 표 1에 나타낸 바와 같이, H를 변수로 하여 구성한 각 지반그룹에 대해, 지반 증폭계수의 경향성과 분산정도를 분석함으로서 Vs,soil를 추가 변수로 지반그룹을 세분화하고, 세분화된 각 지반그룹의 대표 지반 증폭계수 및 설계응답스펙트럼을 제안하고자한다.
220g로 수정하여 이용하였으며, 해석을 위한 입력 위치는 암반노두로 통일하였다. 선정된 해석대상지반의 경우, 지진구역 에 속하는 부지도 소수 존재하지만, 정량적인 비교를 위해 모든 부지의 지진구역을로 한정하여 해석을 수행하였다. 각 지진파의 제원 및 시간 이력곡선을 표 5에 나타내었다.
H1 지반과 H2 지반은 Vs,soil=300m/s를 경계로 각각 2개의 지반그룹으로 세분화하였고, H3 지반은 Fa의 경향성을 고려하여 200m/s와 360m/s를 경계로 3개의 지반그룹으로 세분화한 결과, 총 7개의 지반그룹을 형성하였다. 세분화를 위한 Vs,soil은 기억하기 용이하고, 전체적으로 각 지반그룹의 표준편차를 최소화하는 값으로 결정하였다. 추세선의 형태 역시, 결과의 경향성을 합리적으로 반영하고, 결정계수(R2)를 최소화 할 수 있도록, H3 지반의 Fa는 2차 다항식을 선택하였고, 나머지 지반 증폭계수에 대해서는 거듭제곱 형태의 수식을 선택하였다.
선창국 등(2005)은 국내의 대표적인 두 내륙지역인 경주와 홍성을 대상으로 다양한 지반조사를 수행하여 지반 조건 및 동적 특성을 평가하고, 등가 선형 및 비선형 지진응답해석을 수행하였다. 이 중 건설교통부 상위개념 기준인 내진설계기준연구(II)(건설교통부, 1997) 방법에 의해 SC 및 SD로 분류되는 지반에 대하여, 지진응답해석 결과를 바탕으로 지반을 세부적으로 분류하였고, 심도 20m, 15m, 10m의 얕은 심도까지의 평균 전단파속도인 Vs,20, Vs,15, Vs,10을 이용한 추가적인 분류 기준을 제안함으로써 지반분류 체계를 합리적으로 보완하였다.
이를 고려하여, 지반의 고유주기, 기반암 깊이 그리고 현재 국내 내진설계기준에서 사용하고 있는 Vs,30을 이용한 지반분류 방법을 다양한 판단 기준에 근거하여 비교·분석함으로서, 최종적으로 지반의 고유주기를 이용하는 방법을 가장 우수한 지반분류 방법으로 선정하였다.
에 대한 대표값, 표준편차 및 추세선을 각각 표 6와 표 7에 정리하였다. 이를 기존 연구에서 제안한 지반 증폭계수 및 그 표준편차(표 1, 표 2)와 비교하고자 한다. Fa의 경우, 본 연구에서 새롭게 제안하는 Fa 의 표준편차 값들이(표 6) 기존 연구 결과에 비해 크게 향상되었다고 말할 수는 없다.
)를 동시에 고려하는 2-매개변수 지반분류 방법을 새롭게 제안하고, 이에 따른 지반 증폭계수 및 설계응답스펙트럼을 함께 제안하고자 한다. 이를 위해, 국내 도시지역을 중심으로 분포한 아파트, 철도, 교량, 항만, 도로 등의 다양한 공사현장 지반을 대상으로 지진응답해석을 수행하고, 해석결과를 바탕으로 획득한 각 지반그룹별 단주기 및 장주기 증폭계수의 경향성과 분산정도를 분석함으로써 2-매개변수 지반분류 방법의 타당성을 입증하였다.
현재 국내 내진설계기준에서 제시하고 있는 지반분류 방법 및 지반 증폭계수는 기반암이 깊은 미국 서부 해안지역 지반에 적합하도록 작성된 미국 기준을 준용하여 사용하고 있어 국내 지반특성을 제대로 반영하지 못하고 있다. 이와 같은 이유로 본 연구에서는 국내 125개 지반에 대해 지진응답 해석을 수행하였고, 이를 바탕으로 기반암이 얕아 대부분의 지반조사가 기반암까지 이루어지는 국내 지반특성에 적합하도록 기반암 깊이(H)와 토층 평균 전단파속도(Vs,soil)를 동시에 고려하는 2-매개변수 지반분류 방법을 제안하였다.
각 지반그룹은 기존 내진설계기준연구(II) 방법에 의해 분류된 개별지반들이 고루 분포되어 있음을 확인하였다. 이후, Vs,soil을 추가 변수로 하여 지반그룹을 7개로 세분화하고, 세분화된 각 지반그룹의 대표 지반 증폭계수 및 설계응답스펙트럼을 제안하였다.
세분화를 위한 Vs,soil은 기억하기 용이하고, 전체적으로 각 지반그룹의 표준편차를 최소화하는 값으로 결정하였다. 추세선의 형태 역시, 결과의 경향성을 합리적으로 반영하고, 결정계수(R2)를 최소화 할 수 있도록, H3 지반의 Fa는 2차 다항식을 선택하였고, 나머지 지반 증폭계수에 대해서는 거듭제곱 형태의 수식을 선택하였다. 그림 6과 그림 7에 각각 나타낸 H1 지반과 H2 지반의 Fa는 Vs,soil의 증가에 따라 비교적 큰 폭으로 감소하기 때문에 각 세부 지반그룹의 표준편차 값이 비교적 크게 나타난다.
본 연구에서는 125개의 국내 해석대상지반, 7개의 지진파, 3가지 재현주기에 따른 암반노두 가속도를 결합하여 총 2625개의 SHAKE91 해석 결과를 획득하고, 이를 이용하여 지반 증폭계수를 산정하였다. 표 1에 나타낸 바와 같이, H를 변수로 하여 구성한 각 지반그룹에 대해, 지반 증폭계수의 경향성과 분산정도를 분석함으로서 Vs,soil를 추가 변수로 지반그룹을 세분화하고, 세분화된 각 지반그룹의 대표 지반 증폭계수 및 설계응답스펙트럼을 제안하고자한다.
이를 고려하여, 지반의 고유주기, 기반암 깊이 그리고 현재 국내 내진설계기준에서 사용하고 있는 Vs,30을 이용한 지반분류 방법을 다양한 판단 기준에 근거하여 비교·분석함으로서, 최종적으로 지반의 고유주기를 이용하는 방법을 가장 우수한 지반분류 방법으로 선정하였다. 해석대상지반의 고유주기 분포 및 지반분류의 편이성을 고려하여 지반 고유주기 0.1초, 0.3초, 0.5초를 경계 값으로 설정하고, TA 지반, TB 지반, TC 지반 및 TD 지반의 총 4개의 지반으로 분류하였다. 지반의 고유주기를 이용한 지반 분류 방법은 다른 두 방법과 비교해 볼 때, 동일한 지반 그룹내에서 해석결과의 통일된 경향성을 보여주고, 모든 해석 대상지반을 하나의 추세선으로 나타낼 수 있으며, 장주기 특성을 보이는 지반에서 기반암의 가속도가 커질수록 나타나는 지반의 비선형 거동을 보다 분명히 표현할 수 있어 국내 지반조건에 적합한 가장 우수한 지반분류 방법으로 선정하였다.
이를 위하여 단주기 특성을 보이는 암반계측 지진파와 장주기 특성을 보이는 토층계측 지진파를 선정하였다. 해석에 이용된 지진기록의 최대 가속도는 내진설계기준연구(II)에 제시되어 있는 방법을 따라 지진구역 I, 붕괴방지수준 2등급(재현주기 500년), 1등급(재현주기 1,000년), 특등급(재현주기 2,400년)에 해당하는 0.110g, 0.154g, 0.220g로 수정하여 이용하였으며, 해석을 위한 입력 위치는 암반노두로 통일하였다. 선정된 해석대상지반의 경우, 지진구역 에 속하는 부지도 소수 존재하지만, 정량적인 비교를 위해 모든 부지의 지진구역을로 한정하여 해석을 수행하였다.
대상 데이터
본 연구에서 사용한 해석대상지반의 대부분은 상부 토층에 매립토, 충적토, 자갈이 분포하는 퇴적층을 포함하고 있고, 하부 토층은 풍화토, 풍화암 및 기반암층으로 구성되어 국내에서 흔히 조사되는 층상구조를 이루고 있다. 일부 해안 지역은 해성 퇴적층이 발달되어 있어 기반암이 깊이 위치해 있고, 하천이 흐르는 유역의 경우 하상 퇴적층이 깊게 발달하여 기반암이 심도 50m 이하에 존재하는 부지도 있다.
본 연구에서는 윤종구 등(2006a)이 사용한 국내 162개의 지반 중 시추주상도에서 기반암의 위치가 명확하고, 기반암의 전단파속도가 760m/s 이상인 보통암 지반(건설교통부, 1997)으로 구성된 125개를 해석대상지반으로 선택하였다. 이유주기는 생소한 용어이고, 성격이 다른 두 지반에 대해 지반의 고유주기가 같다고 동일한 지반으로 분류하는 오류를 범할 수 있다.
또한 입력지진파를 선정하는데 있어 다양한 주파수 성분을 가지는 지진파를 선정하는데 주안점을 두었다. 이를 위하여 단주기 특성을 보이는 암반계측 지진파와 장주기 특성을 보이는 토층계측 지진파를 선정하였다. 해석에 이용된 지진기록의 최대 가속도는 내진설계기준연구(II)에 제시되어 있는 방법을 따라 지진구역 I, 붕괴방지수준 2등급(재현주기 500년), 1등급(재현주기 1,000년), 특등급(재현주기 2,400년)에 해당하는 0.
입력지진파의 경우, 우리나라는 지진의 규모가 작고 발생빈도가 낮은 중약진 지역이고(김성균 등, 2001), 내진설계기준 제정을 위한 실지진 기록이 부족하여 PEER(Pacific Earthquake Engineering Research) 센터의 입력지진 선택 권고안을 바탕으로 인공지진파 1개와 6개의 실계측 지진파를 선택하였다(Pacific Earthquake Engineering Research Center). 또한 입력지진파를 선정하는데 있어 다양한 주파수 성분을 가지는 지진파를 선정하는데 주안점을 두었다.
데이터처리
3. 각 지반그룹별로 제안된 지반 증폭계수로부터 획득한 설계 응답스펙트럼과 지진응답해석 결과로부터 획득한 스펙트럴 가속도의 평균값을 비교하였다. 일부 지반그룹에서 둘 사이의 차이가 발생하였고, 이는 증폭계수 산정방법이 미국지반조건에 적합하도록 되어 있어 나타나는 현상으로 판단된다.
이론/모형
본 연구에서는 1차원 지진응답해석을 위해, 여러 연구자들에 의해 검증되고, 현업에서도 신뢰성을 인정받아 널리 사용되고 있는 등가선형해석 프로그램인 SHAKE91을 이용하였다(Idriss and Sun, 1992; Schnabel 등, 1972). 지진응답해석에 필요한 지반의 동적 비선형 변형특성인 변형률에 따른 정규화 전단탄성계수 감소곡선 및 감쇠비 곡선은 문헌의 자료와 국내 지반을 대상으로 실내시험으로부터 구축한 데이터베이스를 통해 결정하였으며, 사용된 동적곡선을 그림 3에 나타내었다(김동수와 추연욱, 2001).
본 절에서는 국내 125개 해석대상지반의 지진응답해석 결과로부터 획득한 스펙트럴 가속도의 평균값과 재산정된 지반 증폭계수(표 6 및 표 7)로부터 작성된 설계응답스펙트럼을 비교하여 그림 12에 나타내었다. 설계응답스펙트럼의 작성법은 내진설계기준연구(II)의 작성방법을 따랐고, 재현주기 1,000년에 대한 해석결과를 바탕으로 나타내었다.
성능/효과
2. 각 지반그룹의 지반 증폭계수를 대표하는 추세선은 암반 노두 가속도의 변화에 따라 지반의 비선형성과 같은 중요한 특징을 일정한 경향성과 함께 효율적으로 표현하고 있다. H1 지반과 H2 지반의 Fa 및 Fv에 대한 추세선은 암반노두 가속도의 증가에 따라 전체적으로 큰 차이를 보이지 않아, 비선형 거동에 대한 영향이 미미한 것으로 나타났다.
즉, 그림에 함께 나타낸 추세선을 기준으로 분산정도를 평가한다면 유사한 특성을 지닌 지반그룹으로 세분화함으로써 그림 1(a)에 나타낸 기존 연구 결과와 비교하여 향상된 결과를 도출한다고 말할 수 있겠다. 반면 Fv의 경우, 본 연구에서 제안한 Fv의 표준편차 값들이(표 7) 기존 연구 결과에 비해 향상된 것을 확인할 수 있다. 다만, H3 지반은 H1 지반과 H2 지반의 Fa와 마찬가지로 Vs,soil에 따라 감소하는 특성으로 인해 표준편차가 크게 산정되었지만, 높은 R2 값을 나타내면서 새롭게 제안된 지반분류 방법의 우수성을 뒷받침하고 있다.
본 연구에서도 이를 고려하여 그림 4에서 나타낸 H3 지반에 대한 결과를 기반암 깊이 30m를 경계로 두 그룹으로 나누어 그림 5에 나타내었다. Fa 및 Fv 모두에 대해 H에 따라 영역이 명확히 구분되지 않고, Vs,soil이 증가함에 따른 경향도 유사함을 확인할 수 있다. 따라서 기반암 깊이 20m 이상을 하나의 지반으로 분류하였고, 이는 지진시 비슷한 거동을 하는 지반을 같은 지반그룹으로 분류하여 설계지진력 산정시 효율적으로 반영하고자 하는 지반분류의 목적에 잘 부합한다고 판단된다.
각 지반그룹의 지반 증폭계수를 대표하는 추세선은 암반 노두 가속도의 변화에 따라 지반의 비선형성과 같은 중요한 특징을 일정한 경향성과 함께 효율적으로 표현하고 있다. H1 지반과 H2 지반의 Fa 및 Fv에 대한 추세선은 암반노두 가속도의 증가에 따라 전체적으로 큰 차이를 보이지 않아, 비선형 거동에 대한 영향이 미미한 것으로 나타났다. 그러나 H3 지반은 암반노두 가속도가 증가함에 따라 추세선이 아래로 내려오면서 확연히 구분 되었다.
H1 지반과 H2 지반은 얕은 기반암으로 인해, SE 지반이 분포하지 않았고, H3 지반은 기반암이 비교적 깊기 때문에 보통암 지반을 나타내는 SB 지반이 분포하지 않았다. H1 지반은 SB 지반과 SC 지반이, H2 지반은 SC 지반이 주로 분포하였고, H3 지반은 SC 지반, SD 지반, SE 지반이 고루 분포하고 있음을 확인할 수 있다.
2-매개변수 지반분류 방법을 제안하기 위해, 우선적으로 기반암 깊이 10m와 20m를 경계 값으로 설정하여 H1 지반, H2 지반 및 H3 지반으로 분류하였다. 각 지반그룹은 기존 내진설계기준연구(II) 방법에 의해 분류된 개별지반들이 고루 분포되어 있음을 확인하였다. 이후, Vs,soil을 추가 변수로 하여 지반그룹을 7개로 세분화하고, 세분화된 각 지반그룹의 대표 지반 증폭계수 및 설계응답스펙트럼을 제안하였다.
마지막으로, 지진응답해석을 통하여 Vs,30을 기준으로 재산정된 증폭계수(표 2, 윤종구 등, 2006a)와 지반의 고유주기를 기준으로 재산정된 증폭계수(표 1, 윤종구 등, 2006b)를 비교해 보았다. 그 결과, 각 유사지반그룹, 즉, SB 지반과 TA 지반, SC 지반과 TB 지반, SD 지반과 TC 지반, SE 지반과 TD 지반에 대해 각각 제안된 증폭계수 값이 최대 10% 정도 차이의 유사한 값들을 보이고 있어 새롭게 제안된 지반 고유주기를 이용하여 지반분류를 수행하는 차별성이 부족한 것으로 판단된다.
Fa 및 Fv 모두에 대해 H에 따라 영역이 명확히 구분되지 않고, Vs,soil이 증가함에 따른 경향도 유사함을 확인할 수 있다. 따라서 기반암 깊이 20m 이상을 하나의 지반으로 분류하였고, 이는 지진시 비슷한 거동을 하는 지반을 같은 지반그룹으로 분류하여 설계지진력 산정시 효율적으로 반영하고자 하는 지반분류의 목적에 잘 부합한다고 판단된다.
그림 4(b)에 나타낸 Fv의 경우, 전체적으로 Vs,soil이 증가함에 따라 감소하는 일정한 경향을 보이고 있다. 또한 H가 증가함에 따라 높은 값을 나타내면서 지반 그룹별로 명확히 구분됨을 확인할 수 있다. 단, H1 지반과 H2 지반의 Vs,soil 약 300m/s 이상 영역에서 약 1.
그러나 H3 지반의 경우 H1 지반과 H2 지반의 결과와 전혀 다른 경향을 보이고 있다. 분산 정도는 크지만 전체적으로 Vs,soil이 증가함에 따라 Fa가 증가하다가 Vs,soil 360m/s 부근에서 감소하는 것을 알 수 있다. 이와 같은 Vs,soil 200m/s 이하 연약지반에서의 단주기 영역 감폭 현상은 깊은 기반암 깊이와 맞물려 장주기 영역의 지반을 형성하면서 주로 장주기 영역의 증폭에 영향을 주고, 변형률이 증가함에 따라 강성이 감소하고, 감쇠비가 증가하는 지반의 비선형 특성에 의한 것으로 판단된다.
5초를 경계 값으로 설정하고, TA 지반, TB 지반, TC 지반 및 TD 지반의 총 4개의 지반으로 분류하였다. 지반의 고유주기를 이용한 지반 분류 방법은 다른 두 방법과 비교해 볼 때, 동일한 지반 그룹내에서 해석결과의 통일된 경향성을 보여주고, 모든 해석 대상지반을 하나의 추세선으로 나타낼 수 있으며, 장주기 특성을 보이는 지반에서 기반암의 가속도가 커질수록 나타나는 지반의 비선형 거동을 보다 분명히 표현할 수 있어 국내 지반조건에 적합한 가장 우수한 지반분류 방법으로 선정하였다.
TG는 식 (1)을 이용하여 계산하였고, Vs,30 및 Vs,soil은 각각 식 (2)와 식 (3)을 이용하여 계산하였다. 표 2를 살펴보면, 기반암이 깊어질수록 TG는 평균값 및 범위가 증가함을 확인할 수 있고, Vs,30을 계산할 때 암반 강성의 반영 정도가 줄어들어 Vs,30과 Vs,soil의 차이가 감소함을 확인할 수 있다. 따라서 H1 지반 및 H2지반과 같은 얕은 기반암 깊이의 부지의 경우, 지반의 강성을 이용하여 합리적인 지반분류를 수행하기 위해 새롭게 제안된 지반분류 방법을 적용하는 것이 타당한 것으로 판단된다.
후속연구
그림 12(h)에는 본 연구에서 제안한 2-매개변수 지반분류 방법에 따라 분류된 각 지반그룹별 설계응답스펙트럼을 종합하여 나타내었다. 얕은 기반암으로 인해 단주기 영역의 스펙트럴 가속도가 크게 증폭되는 국내의 일반적인 지반특성과 일부 해안 지역 연약지반에서의 장주기 영역 증폭이 발생하는 점을 합리적으로 고려할 수 있을 것으로 판단된다.
일부 지반그룹에서 둘 사이의 차이가 발생하였고, 이는 증폭계수 산정방법이 미국지반조건에 적합하도록 되어 있어 나타나는 현상으로 판단된다. 추후 지반 증폭계수 계산방법을 검토하고, 국내 지반 조건에 적합하도록 적분구간을 개선할 필요가 있다.
이는 국내 내진설계기준이 미국의 서부 해안지역의 지반 조건에 적합하도록 작성되었고, 설계응답스펙트럼 작성을 위한 증폭계수를 산정하는 방법 역시 미국 지반조건에 적합하도록 되어 있기 때문에 나타나는 현상으로 판단된다(윤종구등, 2006c). 추후 지진시 신뢰성 있게 지반증폭현상을 평가할 수 있는 국내 지반조건에 적합한 증폭계수 계산방법을 검토하고, 식 (4)~(5)에 나타낸 적분구간을 개선하여 위와 같은 문제를 해결하여야 할 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
각 지반그룹별로 제안된 지반 증폭계수로부터 획득한 설계 응답스펙트럼과 지진응답해석 결과로부터 획득한 스펙트럴 가속도의 평균값을 비교한 결과는 어떻게 되는가?
각 지반그룹별로 제안된 지반 증폭계수로부터 획득한 설계 응답스펙트럼과 지진응답해석 결과로부터 획득한 스펙트럴 가속도의 평균값을 비교하였다. 일부 지반그룹에서 둘 사이의 차이가 발생하였고, 이는 증폭계수 산정방법이 미국지반조건에 적합하도록 되어 있어 나타나는 현상으로 판단된다. 추후 지반 증폭계수 계산방법을 검토하고, 국내 지반 조건에 적합하도록 적분구간을 개선할 필요가 있다.
내진설계시 구조물에 작용하는 지진하중은 무엇에 의해 결정되는가?
내진설계시 구조물에 작용하는 지진하중은 구조물이 들어서는 지역, 구조물의 중요도 및 국지적 지반조건 등에 의해 결정되고, 지역 및 구조물의 중요도는 구체적인 설계가 이루어지기 전에 결정되는 요소이므로 결국 국지적 지반조건이 지진하중 결정을 좌우하게 된다. 구조물 하부에 위치한 지반의 국지적 특성에 따라 가변성을 지닌 지반 증폭계수는 구조물에 작용하는 지진하중 산정을 위한 직접적인 요소이며, 현재 국내 여러 기관에서 제정한 기준서 및 시방서 등에 명시되어 있다.
구조물에 작용하는 지진하중 산정을 위한 직접적인 요소로는 무엇이 있는가?
내진설계시 구조물에 작용하는 지진하중은 구조물이 들어서는 지역, 구조물의 중요도 및 국지적 지반조건 등에 의해 결정되고, 지역 및 구조물의 중요도는 구체적인 설계가 이루어지기 전에 결정되는 요소이므로 결국 국지적 지반조건이 지진하중 결정을 좌우하게 된다. 구조물 하부에 위치한 지반의 국지적 특성에 따라 가변성을 지닌 지반 증폭계수는 구조물에 작용하는 지진하중 산정을 위한 직접적인 요소이며, 현재 국내 여러 기관에서 제정한 기준서 및 시방서 등에 명시되어 있다. 그러나 우리나라는 판 경계로부터 멀리 떨어진판 내부 지역에 위치하고 있어 미국과 일본 등에 비해 상대적으로 발생하는 지진의 규모가 작고 발생빈도가 낮아서 중 약진 지역으로 분류되고(김성균 등, 2001), 내진설계기준 제정을 위한 실지진 기록이 부족하여 지반분류 및 지반 증폭 계수의 경우, 기반암이 깊은 미국 서부 해안지역 지반에 적합하도록 작성된 1997 NEHRP(BSSC, 1997), 1997 UBC(ICBO, 1997)와 같은 미국 기준을 준용하여 사용하고 있다.
BSSC (1997) NEHRP Recommended Provisions for Seismic Regulations for New Buildings and Other Structures, Part 1- Provisions, 1997 Edition, Building Seismic Safety Council, Washington D.C
Dobry, R. and Martin, G. (1999) Development of Site-Dependent Ratio of Elastic Response Spectra (RRS), Proceeding of the Workshop on Earthquake Site Response and Seismic Code Provisions.
Dobry, R., Ramos, R., and Power, Maurice S. (1998) Site Factors and Site Categories in Seismic Codes, Technical Report MCEER-99-0010, Multidisciplinary Center for Earthquake Engineering Research (MCEER), Buffalo, New York
ICBO (1997) 1997 Uniform Building Code, Volume 2-Structural Engineering Design Provisions, International Conference of Building Officials, California
Idriss, I.M. and Sun, J.I. (1992) User's manual for SHAKE91 : a computer program for conducting equivalent linear seismic response analysis of horizontally layered soil deposits", University of California, Davis, California
Pacific Earthquake Engineering Research Center (PEER), http://peer.berkeley.edu/smcat/search.html
Schnabel, P.B., Lysmer, J., and Seed, H.B. (1972) SHAKE : A Computer Program for Earthquake Response Analysis of Horizontally Layered Sites, Report EERC 72-12, Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley, California
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.