본 연구에서는 응답변위법을 수직구 내진설계에 적용하고 구조물의 응답을 정확하게 구할 수 있는 방법을 제시하고자 기반면, 지반의 상대변위 산정 방법, 하중 산정 및 적용 방법에 따른 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 그 결과, 수직구 내진설계를 위한 기반면은 전단파속도가 1500m/s를 초과하는 지반을 선정하는 것이 가장 적합하며, 지반변위 산정 방법은 다층지반의 특성을 반영할 수 있는 double cosine이 가장 적합하다. 또한 응답변위법 해석을 위한 동토압 및 주면전단력 산정 시 구조물의 단면형상효과를 고려하는 것이 실제 수직구의 동적거동을 적절히 반영하며 경제적인 설계를 할 수 있음을 알 수 있었다.
본 연구에서는 응답변위법을 수직구 내진설계에 적용하고 구조물의 응답을 정확하게 구할 수 있는 방법을 제시하고자 기반면, 지반의 상대변위 산정 방법, 하중 산정 및 적용 방법에 따른 3차원 유한요소해석을 수행하였다. 그 결과, 수직구 내진설계를 위한 기반면은 전단파속도가 1500m/s를 초과하는 지반을 선정하는 것이 가장 적합하며, 지반변위 산정 방법은 다층지반의 특성을 반영할 수 있는 double cosine이 가장 적합하다. 또한 응답변위법 해석을 위한 동토압 및 주면전단력 산정 시 구조물의 단면형상효과를 고려하는 것이 실제 수직구의 동적거동을 적절히 반영하며 경제적인 설계를 할 수 있음을 알 수 있었다.
For seismic design of a vertical shaft, three-dimensional Finite Element (FE) analyses were performed to evaluate the accurate response of a vertical shaft and to apply a Response Displacement Method (RDM). Special attention is given to the evaluation of seismic base and response displacement of sur...
For seismic design of a vertical shaft, three-dimensional Finite Element (FE) analyses were performed to evaluate the accurate response of a vertical shaft and to apply a Response Displacement Method (RDM). Special attention is given to the evaluation of seismic base and response displacement of surrounding soil, estimation of load and loading method. Based on the result, it was found that shear wave velocity of seismic base greater than 1500m/s was appropriate for the seismic design. It was also found that double cosine method which evaluates a response displacement of surrounding soil was most appropriate to consider the characteristic of multi-layered soil. Finally, shape effect of the structure was considered to clarify the dynamic behavior of vertical shaft and it would be more economical vertical shaft design when a vertical shaft was analyzed by using RDM.
For seismic design of a vertical shaft, three-dimensional Finite Element (FE) analyses were performed to evaluate the accurate response of a vertical shaft and to apply a Response Displacement Method (RDM). Special attention is given to the evaluation of seismic base and response displacement of surrounding soil, estimation of load and loading method. Based on the result, it was found that shear wave velocity of seismic base greater than 1500m/s was appropriate for the seismic design. It was also found that double cosine method which evaluates a response displacement of surrounding soil was most appropriate to consider the characteristic of multi-layered soil. Finally, shape effect of the structure was considered to clarify the dynamic behavior of vertical shaft and it would be more economical vertical shaft design when a vertical shaft was analyzed by using RDM.
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문제 정의
이처럼 지진 시 수직구의 거동은 2차원 수평 지하구조물과는 분명히 다름을 알 수 있으며, 현재 국내 설계지침 및 기준에 제시되어 있는 응답변위법의 직접적인 적용이 어렵다는 것을 알 수 있다. 따라서 본 연구에서는 단면형상효과(하중 산정 및 재하 방식)에 따른 수직구 동적거동을 유한요소해석을 기반으로 한 응답변위법 해석을 통하여 분석하였고, 결과를 바탕으로 수직구에 적합한 내진설계 방법을 제시하였다.
그리고 1차원 등가선형 지진응답해석은 PRO-SHAKE나 SHAKE91 프로그램을 통하여 전체 지반을 모델링한 후 실지진파를 입력하중으로 기반면에 적용시켜 지반의 상대변위를 산정하는 방법이다. 따라서 본 연구에서는 수직구 특성에 적합한 지반 상대변위를 구하는 방법을 제시하고자 위 3가지 지반변위 산정방법에 따른 응답변위법 해석을 수행하였으며, 그 결과를 동적해석 결과와 비교하여 그 타당성을 검증하였다.
따라서 본 연구에서는 응답변위법을 수직구 내진설계에 적용하고 구조물의 응답을 정확하게 구할 수 있는 방법을 제시하고자 1차원 지진응답해석 및 3차원 유한요소 해석을 수행하였다. 응답변위법을 통한 수직구 내진설계 시 반드시 고려해야 하는 기반면 선정 기준, 하중 산정 방법 및 재하 방식 등에 따라 수직구의 거동특성을 분석하였으며, 이를 토대로 3차원 응답변위법을 이용한 내진해석 방법을 제시하였다.
이 때문에 지침 및 기준을 해석하는 사람에 따라 서로 다른 기반면을 선정할 수 있는 여지가 있으며, 구조물의 설치 심도가 깊어 기반면의 위치 또는 심도에 따라 산정되는 하중 크기가 다르기 때문에 경제적이고 합리적인 설계를 위해서는 적절한 기반면 선정이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 지진이 발생하였을 때 기반지반에서 상대변위를 일으키지 않고 구조물을 안정적으로 지지할 수 있는 기반면(기반암) 선정 기준을 제시하고자 1차원 지진응답해석을 수행하였으며 기반암의 전단파속도에 따른 변위거동을 분석하였다.
본 논문에서는 응답변위법을 수직구 내진설계에 적용하였을 때 고려해야 할 중요한 설계 인자들에 대한 거동특성을 분석하고 이를 바탕으로 수직구에 적합한 응답변위법 해석방법을 제시하고자 일련의 유한요소 해석을 수행하였으며 그 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 수직구 응답변위법 해석에 적합한 지반변위 산정방법을 제시하고자 응답변위법 해석을 수행하였으며, 동적해석 결과와 비교하여 타당성을 검증하였다. 또한 수직구에 작용하는 하중 및 재하 방법에 따른 거동특성을 분석하기 위해 3차원 응답변위법 해석을 수행하였다.
가설 설정
)는 20m로 모멜링 하였다. 기반암 상부 표층지반은 연약 및 단단한 토사지반(h1)과 매우 조밀한 토사지반 및 연암(h2)으로 가정하였으며 각각의 층 높이를 20m~40m까지 10m씩 변화시키면서 해석을 수행하였다. 지반 전체 높이(H)는 80m이며 기반암에서 발생하는 최대변위를 세밀하게 관찰하기 위하여 1m간격으로 지반을 나누어 모델링하였다.
해석 대상 지반의 전체 깊이(H)는 80m로 가정하였으며, 지층 구성은 1차원 등가선형 지진응답해석에서와 같은 Case A, Case B, Case C로 각각 나누어 응답변위법 해석을 수행하였다. 기반암은 구조물 저면 아래에(GL -60~-80m) 존재하는 것으로 가정하였으며, 응답변위법에서는 기반암을 모델링 하지 않기 때문에 지반은 상부층과 하부층으로 나누어 총 60m로 모델링 하였다. 수직구는 직경(D) 9m, 높이(Hs) 60m로 모델링 하였다(그림 11).
상시 하중은 구조물에 작용하는 지반의 초기응력을 고려하기 위하여 깊이에 따라 σz=γ · z와 같이 증가하는 것으로 가정하였으며, 수평응력(σx, σy)은 수직응력에 정지토압계수(K0)를 곱한 값을 사용하였다.
해석 대상 지반의 구성은 그림 5에 나타낸 바와 같이 내진설계에 사용되는 지반분류 기준을 바탕으로 SB지반 이상을 기반암으로 가정하였으며 높이(h3)는 20m로 모멜링 하였다. 기반암 상부 표층지반은 연약 및 단단한 토사지반(h1)과 매우 조밀한 토사지반 및 연암(h2)으로 가정하였으며 각각의 층 높이를 20m~40m까지 10m씩 변화시키면서 해석을 수행하였다.
제안 방법
그림 15는 동적해석에 사용된 격자망(mesh)이며 수직구와 주변지반 부근에서는 두 재료간의 큰 강성차이로 인해 큰 전단변형 등이 예상되어 조밀한 격자망을 사용하였다. 3차원 모델링 기법 및 해석 결과는 예비해석 단계에서 기존 연구문헌 결과(Kawashima, 1996)와의 비교를 통해 검증하였으며, 이를 바탕으로 동적해석을 추가적으로 수행하였다.
해석에 사용된 지반물성은 표 3에 나타내었으며 각 지층의 전단파속도는 지반분류 기준을 바탕으로 산정하였다(내진설계기준연구II, 1997). Modulus Reduction Curve와 Damping Curve는 프로그램에 내장되어있는 모델을 대상지반에 적합하도록 선정하여 적용하였다.
또한 수직구 주변지반은 탄성스프링으로 모델링 하였으며, 이는 유한요소 해석의 경계조건으로도 사용된다. 그림 12의 지반반력계수 모델링 모식도에 따라 구조물 벽면 및 밑면에 대해 법선 및 접선방향으로 각 절점에 배치하였으며 (표 4), 구조물 단면이 원형임을 고려하여 cylindrical coordinate system을 이용하여 지반을 모델링 하였다.
해석에 사용된 지반은 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였으며 이에 대한 물성과 수직구 제원은 표 5에 나타낸 바와 같이 응답변위법 해석과 동일한 값을 사용하였다. 동적해석을 수행할 경우에는 측면경계의 반사파 처리가 중요하게 되는데 이러한 문제를 해결하기 위하여 해석 대상 지반의 폭을 구조물 직경의 5배를 적용하여 모형화 하였으며(Kawashima, 1996) 지반의 양측면 경계를 점성경계로 모델링하여 반사파의 영향을 최소화 하였다. 지진하중은 구조물 밑면에서 작용하도록 하였으며 지반에서 발생되는 상대변위가 구조물에도 발생될 수 있도록 구조물-지반 사이에 slip현상이 발생하지 않도록 하였다.
따라서 해석시간 단축과 구조물에 발생하는 면내·외 변형을 고려할 수 있는 shell요소를 이용하여 수직구를 모델링 하였다.
본 해석에서 수직구는 탄성모델을 적용하였고, 스프링계수 산정을 위한 지반 물성은 지반분류 방법에 따라 전단파 속도를 가정한 후 이를 이용하여 전단탄성계수와 탄성계수를 산정하였다. 또한 기존에 수직구가 시공된 현장의 지반 조사보고서(서울 A지역 전기공급시설 전력구 공사, 2008; 부산 B지역 4차 전력구 공사, 2005)를 바탕으로 합리적인 범위 내의 값이 산정되도록 하였으며 표 5에 정리하여 나타내었다.
본 연구에서는 수직구 응답변위법 해석에 적합한 지반변위 산정방법을 제시하고자 응답변위법 해석을 수행하였으며, 동적해석 결과와 비교하여 타당성을 검증하였다. 또한 수직구에 작용하는 하중 및 재하 방법에 따른 거동특성을 분석하기 위해 3차원 응답변위법 해석을 수행하였다. 유한요소 메쉬(mesh) 및 해석은 지반공학 분야에서 널리 사용되고 있는 해석프로그램인 ABAQUS 3D(ver 6.
또한 지하수위를 고려하기 위하여 σw=γw·z와 같이 증가하는 것으로 적용하였으며 구조물의 자중은 해석프로그램에서 자동으로 고려하도록 하였다.
본 해석에서 수직구는 탄성모델을 적용하였고, 스프링계수 산정을 위한 지반 물성은 지반분류 방법에 따라 전단파 속도를 가정한 후 이를 이용하여 전단탄성계수와 탄성계수를 산정하였다. 또한 기존에 수직구가 시공된 현장의 지반 조사보고서(서울 A지역 전기공급시설 전력구 공사, 2008; 부산 B지역 4차 전력구 공사, 2005)를 바탕으로 합리적인 범위 내의 값이 산정되도록 하였으며 표 5에 정리하여 나타내었다.
설계지진가속도는 행정구역 기준을 바탕으로 내진 1등급 재현주기 1000년에 해당하는 붕괴방지 수준 0.154g를 적용하였고, 지진파는 Hachinohe항과 Ofunato항에서 조사된 장주기, 단주기 성분의 실지진기록을 사용하였다(그림 6). 그리고 기반암의 전단파속도는 760m/s, 1500m/s, 2500m/s, 3000m/s로 달리하여 해석을 수행하였으며, 해석 case는 표 2에 정리하여 나타내었다.
일반적으로 동적해석을 수행할 때에는 진도는 동일하나 각기 다른 시간이력을 갖는 3개의 지진에 대한 결과를 사용해야 하기 때문에 설계지진운동 수준으로 조정된 Ofunato 지진, Hachinohe 지진, Artificial 지진을 입력 하중으로 사용하였다. 설계지진운동 수준은 내진성능수준이 재현주기 1000년에 해당하는 붕괴방지 수준을 적용하여 0.154g를 적용하였다. 해석에 사용된 지반은 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였으며 이에 대한 물성과 수직구 제원은 표 5에 나타낸 바와 같이 응답변위법 해석과 동일한 값을 사용하였다.
수직구 내진설계 시 단면형상을 고려한 하중 산정 및 재하에 따른 영향을 분석하고자 응답변위법 해석을 수행하였다. 그림 17과 표 6은 3가지 지반의 상대변위 산정방법과 지반조건에 따른 최대 전단력과 휨모멘트를 비교하여 나타내었다.
수직구 내진설계는 지반운동으로부터 계산된 하중을 구조물에 강제적으로 힘을 가함으로써 발생되는 최대 전단력과 휨모멘트로 설계한다. 이때 지반의 설계지진가속도 입력점을 기반면이라 한다.
수직구에 작용하는 지진하중은 지진의 강도, 주파수 특성, 그리고 지속시간 등에 따라 구조물 동적거동에 큰 영향을 미친다. 응답변위법 해석에서는 이러한 영향인자들을 모두 고려 할 수 없기 때문에 대상지반에 해당하는 표준 설계응답스펙트럼과 속도 응답스펙트럼을 이용하여 지반진동의 에너지를 표현하였으며, 행정구역을 기준으로 지진구역계수와 위험도 계수를 산정하여 0.154g의 설계지반운동수준을 결정하였다. 상시 하중은 구조물에 작용하는 지반의 초기응력을 고려하기 위하여 깊이에 따라 σz=γ · z와 같이 증가하는 것으로 가정하였으며, 수평응력(σx, σy)은 수직응력에 정지토압계수(K0)를 곱한 값을 사용하였다.
응답변위법을 이용하여 수직구 내진해석 시 지반변위 산정방법에 따른 해석 결과의 타당성을 검증하고 수직구에 적합한 지반변위 산정방법을 제시하기 위하여 유한요소해석을 통한 동적해석을 수행하였으며 응답변위법 해석결과와 비교 도시하였다. 해석에 사용된 대상단면은 응답변위법을 적용한 대상단면과 같다.
따라서 본 연구에서는 응답변위법을 수직구 내진설계에 적용하고 구조물의 응답을 정확하게 구할 수 있는 방법을 제시하고자 1차원 지진응답해석 및 3차원 유한요소 해석을 수행하였다. 응답변위법을 통한 수직구 내진설계 시 반드시 고려해야 하는 기반면 선정 기준, 하중 산정 방법 및 재하 방식 등에 따라 수직구의 거동특성을 분석하였으며, 이를 토대로 3차원 응답변위법을 이용한 내진해석 방법을 제시하였다.
기반암 상부 표층지반은 연약 및 단단한 토사지반(h1)과 매우 조밀한 토사지반 및 연암(h2)으로 가정하였으며 각각의 층 높이를 20m~40m까지 10m씩 변화시키면서 해석을 수행하였다. 지반 전체 높이(H)는 80m이며 기반암에서 발생하는 최대변위를 세밀하게 관찰하기 위하여 1m간격으로 지반을 나누어 모델링하였다.
또한 지하수위를 고려하기 위하여 σw=γw·z와 같이 증가하는 것으로 적용하였으며 구조물의 자중은 해석프로그램에서 자동으로 고려하도록 하였다. 지진 시 하중은 표층지반의 상대변위에 의해 산정된 수평 동토압과 주면전단력, 그리고 구조물 자중에 의해 발생하는 관성력을 고려하여 수치해석을 수행하였으며 해석 case는 표 6에 나타내었다.
지진이 발생하였을 때 수직구가 설치될 지반의 상대변위를 합리적으로 산정하는 방법을 제시하기 위하여 응답변위법 해석을 수행하였다. 응답변위법 해석을 위해서는 먼저 지반의 상대변위를 산정해야 하며 single cosine, double cosine, Pro-Shake 방법 결과를 그림 13에 나타내었다.
동적해석을 수행할 경우에는 측면경계의 반사파 처리가 중요하게 되는데 이러한 문제를 해결하기 위하여 해석 대상 지반의 폭을 구조물 직경의 5배를 적용하여 모형화 하였으며(Kawashima, 1996) 지반의 양측면 경계를 점성경계로 모델링하여 반사파의 영향을 최소화 하였다. 지진하중은 구조물 밑면에서 작용하도록 하였으며 지반에서 발생되는 상대변위가 구조물에도 발생될 수 있도록 구조물-지반 사이에 slip현상이 발생하지 않도록 하였다. 그림 15는 동적해석에 사용된 격자망(mesh)이며 수직구와 주변지반 부근에서는 두 재료간의 큰 강성차이로 인해 큰 전단변형 등이 예상되어 조밀한 격자망을 사용하였다.
해석 대상 지반의 전체 깊이(H)는 80m로 가정하였으며, 지층 구성은 1차원 등가선형 지진응답해석에서와 같은 Case A, Case B, Case C로 각각 나누어 응답변위법 해석을 수행하였다. 기반암은 구조물 저면 아래에(GL -60~-80m) 존재하는 것으로 가정하였으며, 응답변위법에서는 기반암을 모델링 하지 않기 때문에 지반은 상부층과 하부층으로 나누어 총 60m로 모델링 하였다.
대상 데이터
기반암은 구조물 저면 아래에(GL -60~-80m) 존재하는 것으로 가정하였으며, 응답변위법에서는 기반암을 모델링 하지 않기 때문에 지반은 상부층과 하부층으로 나누어 총 60m로 모델링 하였다. 수직구는 직경(D) 9m, 높이(Hs) 60m로 모델링 하였다(그림 11).
이론/모형
또한 수직구에 작용하는 하중 및 재하 방법에 따른 거동특성을 분석하기 위해 3차원 응답변위법 해석을 수행하였다. 유한요소 메쉬(mesh) 및 해석은 지반공학 분야에서 널리 사용되고 있는 해석프로그램인 ABAQUS 3D(ver 6.8, 2008)를 사용하였다.
해석에 사용된 지반물성은 표 3에 나타내었으며 각 지층의 전단파속도는 지반분류 기준을 바탕으로 산정하였다(내진설계기준연구II, 1997). Modulus Reduction Curve와 Damping Curve는 프로그램에 내장되어있는 모델을 대상지반에 적합하도록 선정하여 적용하였다.
154g를 적용하였다. 해석에 사용된 지반은 Mohr-Coulomb 모델을 적용하였으며 이에 대한 물성과 수직구 제원은 표 5에 나타낸 바와 같이 응답변위법 해석과 동일한 값을 사용하였다. 동적해석을 수행할 경우에는 측면경계의 반사파 처리가 중요하게 되는데 이러한 문제를 해결하기 위하여 해석 대상 지반의 폭을 구조물 직경의 5배를 적용하여 모형화 하였으며(Kawashima, 1996) 지반의 양측면 경계를 점성경계로 모델링하여 반사파의 영향을 최소화 하였다.
성능/효과
2. 전단파 속도가 1500m/s를 초과하는 지반이 지진 시 상대 변위가 5mm이하로 거의 발생 하지 않고 지반의 고유주기에 관계없이 증폭값이 수렴되어 구조물을 안전하게 지지할 수 있다면 내진 설계를 위한 기반암으로 선정 가능함을 알 수 있었다. 또한 응답변위법 해석 시 지반의 상대변위 산정은 기존 연구결과(윤종구 등, 2003)와 같이 다층지반의 특성을 고려할 수 있고 경제적이며 안정적인 설계가 가능한 double cosine방법을 이용하는 것이 가장 적합함을 알 수 있었다.
3. 응답변위법을 수직구에 적용시키기 위해서는 3차원 변형 특성과 구조물 단면형상효과를 고려하여 면내·외 변형을 고려할 수 있는 shell요소를 이용하여 구조물을 모델링해야 하며, 동토압 및 주면전단력 산정 시 원주방향에 따른 하중감소를 고려할 수 있도록 단면형상효과를 고려하여 하중을 적용하는 것이 바람직하다.
그림 17과 표 6은 3가지 지반의 상대변위 산정방법과 지반조건에 따른 최대 전단력과 휨모멘트를 비교하여 나타내었다. 결과에서와 같이 구조물의 형상을 고려하여 응답변위법을 수행하였을 때 전단력과 휨모멘트는 최소 5%에서 최대 32% 정도 단면력이 감소하는 것을 알 수 있다. 이는 구조물의 단면이 원형임을 고려하였을 때 원주방향에 따라 산정되는 하중이 감소하였기 때문이다.
그림 7~그림 9는 지반종류(Case A, Case B, Case C)에 따라 기반암에서 발생된 상대변위를 나타낸 것이다. 결과에서와 같이 기반암에서 발생한 상대변위는 전단파속도가 760m/s일 때 최대 25mm의 변위(Umax)가 발생하였으며, 이는 기반암에서 상대변위가 거의 발생하지 않는다는 응답변위법의 전제 조건에 적합하지 않은 결과이다. 하지만 전단파속도가 1500m/s~3000m/s일 때 발생된 상대변위는 최대 7.
해석 결과에서와 같이 single cosine방법으로 지반의 상대변위를 산정하여 응답변위법을 수행한 결과는 동적해석 결과에 비해 4배 이상 큰 단면력이 발생되었다. 그리고 double cosine방법을 이용하여 지반의 상대변위를 산정한 후 응답변위법을 수행한 결과는 동적해석 결과와 유사하게 나타났지만 Pro-Shake를 이용한 응답변위법 해석 결과는 동적해석 결과보다 전반적으로 작게 나타났다. 동적해석은 응답변위법 해석에 비해 정밀한 해석 방법이며 검증을 통하여 실제 값에 가까운 결과이기 때문에 Pro-Shake해석 방법을 이용한 응답변위법 해석은 다소 불안전한 설계가 수행될 수 있다.
그림 14는 산정된 상대변위를 이용한 응답변위법 해석 결과이며 single cosine방법을 이용하여 지반변위를 산정하였을 때 구조물의 전단력과 휨모멘트는 가장 크게 발생하였다. 또한 1차원 등가선형 해석 프로그램인 Pro-Shake를 이용하여 지반변위를 산정하였을 때 가장 작은 단면력이 발생하였다. 이는 그림 13에 나타낸 지반의 상대변위 차이가 구조물 거동에 큰 영향을 미치고 있음을 알 수 있으며 각각의 최대 단면력은 지층이 변화하는 지점인 20m(case A), 30m(case B), 40m(case C)에서 발생되었다.
전단파 속도가 1500m/s를 초과하는 지반이 지진 시 상대 변위가 5mm이하로 거의 발생 하지 않고 지반의 고유주기에 관계없이 증폭값이 수렴되어 구조물을 안전하게 지지할 수 있다면 내진 설계를 위한 기반암으로 선정 가능함을 알 수 있었다. 또한 응답변위법 해석 시 지반의 상대변위 산정은 기존 연구결과(윤종구 등, 2003)와 같이 다층지반의 특성을 고려할 수 있고 경제적이며 안정적인 설계가 가능한 double cosine방법을 이용하는 것이 가장 적합함을 알 수 있었다.
위의 해석결과에서와 같이 하중(동토압 및 주면전단력)산정 및 재하방식에 따라 구조물에 발생하는 단면력은 최대 31%정도 차이가 나타났으며 구조물 단면 중앙으로부터 원주 방향에 따라 작용하중이 점점 감소하는 것을 고려하였을 때 구조물 단면형상 효과를 고려하여 응답변위법을 적용하는 것이 보다 정확한 해석 및 설계를 수행할 수 있음을 알 수 있다.
지하공동구 내진설계 기준(2004)에서는 구조물 저면 보다 상부 지층에서 기반암이 조사되었다고 하더라도 구조물 저면을 기반암으로 선정할 것을 권장하고 있어 이를 수직구에 적용할 경우 기반암 전단파속도 2000m/s~3000m/s를 설계에 반영하기도 한다. 하지만 본 논문의 1차원 지진응답 해석결과와 전단파 속도가 1400m/s 이상에서는 지반의 고유주기와 관계없이 증폭현상이 일정하게 수렴한다는 연구결과를(Borcherdt, 1994) 종합적으로 고려하였을 때 기반암의 전단파속도가 1500m/s초과 되는 지반을 기반암으로 선정하는 것이 가장 적합하다고 할 수 있다.
깊이에 따른 단면력의 발생 경향은 모든 해석 조건에서 유사하게 나타났으며 지층이 변화하는 지점에 발생된 최대값들을 비교한 것이다. 해석 결과에서와 같이 single cosine방법으로 지반의 상대변위를 산정하여 응답변위법을 수행한 결과는 동적해석 결과에 비해 4배 이상 큰 단면력이 발생되었다. 그리고 double cosine방법을 이용하여 지반의 상대변위를 산정한 후 응답변위법을 수행한 결과는 동적해석 결과와 유사하게 나타났지만 Pro-Shake를 이용한 응답변위법 해석 결과는 동적해석 결과보다 전반적으로 작게 나타났다.
후속연구
셋째, 산정된 변위를 토대로 구조물의 단면형상을 고려한 하중 산정 및 재하가 이루어져야 한다. 이러한 설계 요소는 구조물에 작용하는 하중의 크기로 직결되기 때문에 이에 따른 거동 특성이 규명되어야 올바른 내진설계가 수행될 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
수직구의 내진설계는 어떻게 분류될 수 있나요?
수직구의 내진설계는 크게 의사정적해석법(pseudo-static analysis method)인 응답변위법(response displacement method)과 동적해석법(dynamic analysis method)인 시간이력해석법(time history analysis method)으로 분류할 수 있으며, 구조물이 복잡하거나 보다 상세한 해석이 요구되지 않는 한 간편법인 응답변위법이 가장 많이 사용되고 있다. 응답변위법은 일본에서 3차원 구조물을 2차원으로 간편하게 설계하고자 처음 개발된 방법으로써 동적 하중을 정적 하중으로 치환하는 과정과 경계조건을 산정하는 방법들이 2차원 해석에 적합하도록 기준이 마련되어 있어 3차원 거동특성을 보이는 수직구에 직접적인 적용이 어려운 실정이다.
응답변위법이 갖는 특징은?
응답변위법은 주로 지하구조물의 내진설계를 위해 고안된 방법으로서 동적인 지반운동을 정적으로 변환하여 내진해석을 한다는 점은 진도법과 같으나 지반운동으로 발생된 지반 변위로부터 구조물의 응력 및 변형률을 구하는 것이 응답변위법의 특징이다. 주변지반은 탄성스프링으로 모델링 하며 작용하중은 표층지반의 상대변위에 의한 동토압, 구조물 전단 변형에 의해 발생하는 주면전단력 그리고 구조물 중량에 따른 관성력이 있다(그림 1).
지진 시 표층지반의 상대 변위를 산정에는 어떤 방법이 사용될 수 있나?
구조물에 작용하는 동토압을 산정하기 위해서는 지진 시 표층지반의 상대 변위를 먼저 산정해야 한다. 그 방법에는 해석대상 부지의 고유주기에 해당하는 기반면 속도 응답스펙트럼을 이용하는 방법과 파 전파 이론을 이용한 1차원 지진응답해석 프로그램을 이용하는 방법이 있으며, 실제 설계에서는 응답스펙트럼을 이용하는 방법이 널리 사용되고 있다. 이는 기반암의 상부지층을 하나의 질량을 가진 단자유도계(single degree of freedom)로 가정하고 기반암의 표준응답스펙트럼과 모드해석법을 이용하여 깊이에 따른 지반의 최대 상대변위를 산정하는 방법으로써(지중구조물 내진설계 표준 및 동해설, 1998), 단일코사인 함수법(single cosine method)과 이중코사인함수법(double cosine method)이 있다.
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