[논문]기반암 전단파속도의 부지응답특성 영향평가

이진선

doi:10.5000/eesk.2009.13.1.001

[국내논문] 기반암 전단파속도의 부지응답특성 영향평가
The Effect of the Shear Wave Velocity of a Seismic Control Point on Site Response Analysis 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.13 no.1 = no.65, 2009년, pp.1 - 8

이진선 (소방방재청)

초록
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본 논문에서는 부지응답 해석 시 통제운동 지점의 전단파속도가 부지응답해석에 미치는 영향을 살펴보았다. 내진설계기준 연구(II)(건설교통부, 1997)에서는 '재현주기별 지진가속도의 작용 위치는 "기본적인 지진재해도는 보통암지반을 기준으로 평가한다."라고 정의하고 있다. 그러나 보통암지반(SB)의 전단파속도 범위가 $760m/sec{\sim}1500m/sec$로 폭넓게 분포되어 있어, 부지응답 해석 시 통제운동지점의 선택에 따라 해석의 결과에 차이가 발생할 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 국내의 대표적인 해성퇴적지반층인 인천 및 부산지역의 상세부지조사결과를 바탕으로 1차원 등가선형해석을 수행하였다. 통제운동지점인 기반암 전단파속도에 따른 지층내 가속도의 크기 변화, 그리고 이에 따른 액상화 안전율 변화정도를 살펴보았다. 또한, 해석결과와 외국의 내진설계기준을 바탕으로 국내 내진설계기준의 개선방향에 대하여 살펴보았다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to evaluate the effect of shear wave velocity of a seismic control point on site response analysis, one-dimensional equivalent linear site response analysis were performed on the model soil profile based on the results of a detailed site investigation of sedimentary layers at Incheon and Busan. The results of the analysis show that an increase of shear wave velocity on the seismic control point (base rock) results in an increase of acceleration in the soil layers. This was mainly due to an unclear definition of the seismic control point. For this reason, the Korean Seismic Design Standard requires a specific definition of the seismic control point, including spatial conditions and soil properties, similar to the MCE (Maximum Considered Earthquake) in FEMA 369.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

따라서, 본 논문에서는 보통암 전단파속도의 크기에 따른 지진운동 통제점 선택이 부지응답특성 평가에 미치는 영향을 등가정적해석기법을 이용한 사례 해석을 통하여 살펴보고자 한다.

가설 설정

(12) 해석상의 가정사항은 모든 지층의 경계가 반무한-수평이고 지반의 응답이 주로 기반암으로부터 연직 방향으로 전파되는 SH파에 의해 이루어진다고 가정하고 해석하는 방법이다.

제안 방법

N개의 지층을 그림 3과 같이 전단탄성계수 G, 감쇠비 ξ, 밀도 ρ, 두께 hi를 가지는 수평으로 무한한 보(Beam)의 연속으로 모형화 한, N자유도 구조의 주파수영역 동적해석을 수행한다.
이때, 지반의 비선형 거동특성을 해석에 고려하기 위하여지진 시 지반의 변형율과 이에 상응하는 전단탄성계수의 차이를 일정한 오차범위 내에 수렴하도록 반복연산(Iteration)을 시행한다(그림 4).
본 논문에서는 국내 대표 해안지역인 인천과 부산지역의 상세부지조사 결과를 바탕으로, 지진운동 통제점의 선택에 따른 부지응답 특성변화를 1차원 등가선형해석을 시행하여 살펴보았다.
따라서, 본 논문에서는 국내 대표적인 해성퇴적지반인 부산 및 인천지역의 상세부지조사결과를 바탕으로 지진운동 통제점의 선택이 부지응답해석 결과에 미치는 영향을 1차원등가선형해석 프로그램을 사용하여 살펴보았으며, 해석결과가 액상화 평가에 미치는 영향을 액상화 평가 간편법을 이용하여 살펴보았다.
지진운동 통제점은 ‘내진설계기준연구(II)’상 보통암 지반(SB)의 전단파속도 분포범위의 최소, 중간, 최대치인 760m/sec, 1130m/sec, 1500m/sec 지점을 각각 선택하여 통제운동을암반노두의 경계조건으로 입력하여 해석을 시행하였다(그림 6).
상기의 방법으로 액상화에 대한 안전율은 (액상화 저항응력비)/(지진지 진동전단응력)으로 표현가능하며, 액상화 간편법으로 판정시 안전율 1.5이하일 경우 상세예측법(진동삼축압축 시험)을 시행함이 일반적이나, 본 논문에서는 간편법 해석결과 안전율 1.0을 액상화 발생 판단기준으로 선정하였다.

대상 데이터

본 논문에서는 국내 대표 해안지역인 인천과 부산지역의 상세부지조사 결과를 바탕으로, 지진운동 통제점의 선택에 따른 부지응답 특성변화를 1차원 등가선형해석을 시행하여 살펴보았다. 사용된 프로그램은 SHAKE91이며, 두 지역의 상세부지조사결과에 따른 주상도는 아래의 그림 6과 같다.
사질토 지반이 가지는 액상화 저항응력비는 Seed와 Idriss가 제안한 다음의 그래프를 이용하여 산정가능하며(그림10), 여기서 사용된 표준관입시험치 (N₁)₆₀은 상재하중 및 에너지 효율을 보정한 시험치이며, 인천지역은 깊이별로 10~16, 부산지역은 10~18의 값을 가지는 지층으로 구성되었다.

이론/모형

모형해석부지의 지진운동 통제점 선택에 따른 액상화 발생 영향을 살펴보기 위하여, 1차원 부지해석 결과를 토대로Seed 등이 제안한 액상화 판정 간편법을 적용하여 그 영향을 살펴보았다.⁽¹¹⁾

성능/효과

그림 8의 결과를 살펴보면, 장주기 지진인 Hachinohe형지진과 단주기 지진인 Ofunato형 지진 공히 지진운동 통제점의 전단파속도가 증가함에 따라(760m/sec→1500m/sec)) 지진파의 상향전파에 따른 가속도의 크기가 증가함을 알 수 있으며, 지표면 최대가속도의 크기는 각각 27%(0.2g→0.26g), 10%(0.17g→0.18g)가 증가함을 알 수 있다.
더욱이, 1997년 제정된 ‘내진설계기준연구(II)’에서 제안된 우리나라의 재현주기별 지진가속도가 지진운동 통제점에 대한 공간(기반암 및 암반노두) 및 보통암의 특성에 대한 명확한 정의가 없음에 따라, 내진설계 시 지반조사결과로 확인되는 기반암의 전단파속도를 그대로 적용하여, 이에 따른 상부구조물의 설계 및 액상화 평가 등에 큰영향을 미칠 수 있다. 따라서, 본 논문에서는 국내 대표 해성퇴적 지반층에 대하여 부지응답 해석시 지진운동 통제점의 선택에 따른 영향정도를 살펴보았으며, 그 결과 통제운동지점의 전단파속도가 증가함에 따라 지층내 가속도 크기또한 증가하고 이로 인한 설계 안전율에 변화가 있음을 알수 있었다. 그러므로 우리나라의 내진설계 기준 또한 미국의 FEMA에서 제안하고 있는 최대가능지진(MCE)과 같이 통제운동 지점에 대한 명확한 정의가 선행되어야만 해석조건에 따른 오류를 최소화 할 수 있으리라 사료된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지반증폭 현상이란 무엇인가?	지진 시 기반암 상부로 지진파가 전파됨에 따라, 지진운동의 크기가 변화하는 현상을 부지응답특성 또는 지반증폭 현상이라 한다. 구조물의 내진설계 또는 지반의 액상화 평가를 위한 부지응답해석은 일반적으로, 기반암면을 지진운동 통제점으로 선택하여 시행한다.
	지진파의 에너지가 보존되며 전파되기 위해서는 무엇이 필요한가?	암반 내 단층으로부터 발생한 지진파는 암반 및 지반을 통해 지표면으로 상향전파가 이루어진다. 일반적으로 지진파가 상향전파됨에 따라 밀도(ρ)와 전단파속도(Vs)가 낮은지층을 통과하게 되는데, 지진파의 에너지가 보존되며 전파되기 위해서는 상향전파됨에 따라 지진파의 입자속도가 증가하여야 된다(그림 2).
	내진설계기준연구(II)의 보통암 노두(SB 지반)를 지진운동 통제점으로 간주하여 설계하는 방법의 한계점은 무엇인가?	그러나 상기의 방법은 보통암의 전단파속도(전단파속도760m/sec~1,500m/sec) 범위가 매우 넓게 분포되어 있어 그영향이 실제 결과에 미치는 영향을 무시할 수 없는 수준이며, 이에 따른 결과가 후속 설계 작업(구조물 설계, 액상화 평가등)에 큰 영향을 미칠 수가 있다.

참고문헌 (12)

이진선, “Development of Cyclic Hardening/Degradation Soil Model for Analysis of Wave Propagation Characteristics During Earthquake,” 박사학위 논문, KAIST 건설 및 환경 공학과, 2002
FEMA 368, The 2000 NEHRP Recommended Provisions For New Buildings And Other Structures, Federal Emergency Management Agency, 2000
FEMA 369, The 2000 NEHRP Recommended Provisions For New Buildings And Other Structures Part 2: Commentary, Federal Emergency Management Agency, 2000
김동수, 이진선, 윤종구, “부지 고유의 지반 거동평가,” 한국지진공학회, Vol. 3, No. 4, 1999, pp. 1-10.

원문보기 상세보기
해양수산부, 항만 및 어항시설의 내진설계 표준서, 1999.
건설교통부, 내진설계기준연구(II), 1997
Balkema, A. A., Handbook on Liquefaction Remediation of Reclaimed Land, Port and Harbour Research Institute, PHRI, Rotterdam, Brookfield, Netherlands, 1997.
Kramer, S. L., Geotechnical Earthquake Engineering, PrenticeHall, Upper Saddle River, NJ, 1996
Idriss, I. M., Assessment of Site Response Analysis Procedures, Report No. NIST GCR 95667, NIST, 1995.
Vucetic, M. and Dobry, R., “Effect of Soil Plasticity on Cyclic Response,” Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol. 111, No. GT1, 1991, pp. 89107.
Seed, H. B., Tokimatsu, L. Harder, L. F., and Chung, R.M., “Influence of SPT Procedures in Soil Liquefaction Resistance Evaluation,” Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 111, No. 12, 1985, pp. 1425-1445.

상세보기
Schnabel, P. B., Lysmer, J., and Seed, H. B., SHAKE: A Computer Program for Earthquake Response Analysis of Horizontally Layered Sites, Report No. UCB/EERC72/12, arthquake Engineering Research Center, University of California, Berkely, 1972.

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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