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낮은 심도의 연약지반에 대한 비선형 지진응답해석
Nonlinear Seismic Response Analysis for Shallow Soft Soil Deposits 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.14 no.5 = no.75, 2010년, pp.1 - 12  

박홍근 (서울대학교 건축학과) ,  김동관 (서울대학교 건축학과) ,  이경구 (단국대학교 건축공학과) ,  김동수 (한국과학기술원 건설및환경공학과)

초록
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본 연구에서는 얕은 연약지반에서 구조물-지반 상호작용의 영향을 받는 구조물의 비탄성거동을 정확히 나타낼 수 있는 유한요소해석 방법을 연구하였다. 이를 위하여, 국내의 지반특성을 반영한 얕은 연약지반과 단자유도 구조물로 2차원 유한요소모델을 구성하고, 다양한 지진파와 지반에 대해 OpenSees 해석프로그램을 이용한 비선형 시간이력해석을 수행하였다. 연약지반의 비선형거동을 반영하기 위하여 일반적으로 흔히 사용되는 등가선형 주파수영역 해석 결과와 비선형 시간이력 유한요소해석 결과의 차이를 검토하였다. 그 비교결과는 등가선형강성을 사용하고 지반-구조물 상호작용을 고려하지 않는 주파수영역해석은 단주기영역의 구조물의 응답스펙트럼을 과대평가할 수 있음을 보여주었다. 응답스펙트럼에 대한 지반-구조물 상호작용의 영향은 기초크기와 구조물의 질량의 변화와 큰 관계 없이 일정하게 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study presents a finite element analysis method that can accurately evaluate the nonlinear behaviour of structures affected by shallow soft subsoils and the soil-structure interaction. A two-dimensional finite element model that consists of a structure and shallow soft subsoil was used. The fin...

주제어

#유한요소해석   #지반-구조물 상호작용   #응답스펙트럼   #연약지반   #시간영역해석  

AI 본문요약
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문제 정의

  • 기초판의 크기의 변화에 따라서 지반-구조물 상호작용이 응답스펙트럼에 미치는 영향을 연구하였다. Vs=300m/s 연약지반의 깊이 30m를 사용하였다.
  • 제안된 해석방법을 상세히 기술하고, 기존의 SHAKE 의 해석결과의 비교를 통하여 주파수 영역해석과의 차이점을 분석하였다. 또한 연약지반에서 응답스펙트럼에 미치는 주요변수의 영향을 연구하였다.
  • (14) 언급한 바와 같이 연약지반의 고유지 반운동이 구조물 하부지반모델의 경계에 영향을 미치도록, 자유장지반모델의 절점( u1)의 움직임에 따라 하부지반모델의 경계의 절점들( u2, u3)이 제어되도록 하였다. 본 연구는 지반의 비선형거동의 특성을 파악하는데 중점을 두었으므로, 지반종류의 영향을 단순화하고자 지반모델을 한가지의 지반종류로 모델링하였다.
  • 본 연구에서는 국내지반환경을 고려하여 얕은 연약지반에 대한 비선형해석방법에 대한 연구를 수행하였다. 지반의 비선형거동에 의한 강성의 변화를 정확히 나타내고, 지반구조물 상호작용을 직접 반영하기 위하여 원역지반과 근역지반의 영향을 동시에 모사할 수 있는 비선형 시간이력 유한요소해석을 사용하였다.
  • 본 연구에서는 낮은 심도의 연약지반의 영향을 받는 구조물의 진동응답과 응답스펙트럼을 위한 해석방법의 적합성을 조사하기 위하여 다음 두 가지 연구를 수행하였다.1) 연약지반의 자유장 지표면의 비선형응답으로서, 등가선형 주파수해석을 사용하는 SHAKE 프로그램의 해석결과와 비선형 유한요소해석을 사용하는 OpenSees 프로그램의 해석결과와 비교하였다.
  • 본 연구에서는 얕은 연약지반의 국내지반환경에서 구조물의 지진응답을 정확히 예측할 수 있는 비선형지반해석방법을 연구하였다. 지반의 비선형변형에 의한 강성의 변화를 고려하고, 얕은 연약지반에서 지반-구조물 상호작용을 직접 고려하기 위하여 지반-구조물 모델에 대한 시간이력 비선형 유한요소해석을 수행하였다.

가설 설정

  • 즉, 연약층에 대하여 등가선형 주파수영역해석을 수행하여, 자유장 지표면(Free-Field surface)에서 연약층에 의해 증폭된 가속도를 산정하며, 이 증폭된 자유장 지표면 가속도를 단자유도 구조물의 운동방정식에 적용하고, 구조물의 주기를 변화시켜 산정한 결과로부터 응답스펙트럼을 구한다. 구조물의 damping은 5%로 가정하였다.
  • 본 연구에서는 유한요소의 최대폭을 2m 이하로 정하였다. 구조물을 중심으로 하부지반모델의 길이는 최소파장(λmin)의 10배의 값과 지반깊이의 6배의 값 중 큰 값을 선택하여 충분히 큰 규모의 인접지반을 모델링하였다.
  • 이때의 전달함수(Transfer Function)는 상부연약지반의 특성을 반영하는 각속도(ω)와 하부 연암의 특성에 의해 결정되며, 본 연구에서는 하부지반모델과 자유장지반모델의 하부는 연암층 (Vs = 1000 m/s)으로 가정하고, 상부지반과 하부연암층의 초기 감쇠비는 2%로 가정하여 입력지진파를 변환하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
지반에 대한 해석방법으로 주로 무엇이 사용되는가? 지반에 대한 해석방법으로서 주로 1차원 등가선형 주파수영역 해석방법(SHAKE(7))이 사용되고 있다. 이 해석방법에서는 무한한 크기의 지반을 대상으로 등가선형해석이 수행된다.
IBC2006(2) 기준은 무엇을 기반으로 결정되었는가? 현재, 건축구조설계기준(KBC2009)(1)에서는 연약지반인 경우 지진하중의 크기를 정의하는 설계가속도스펙트럼을 크게 증폭하도록 규정하고 있으며, 이 증폭계수는 미국 IBC(International Building Code) 2006(2)를 참고로 하여 결정하였다. 그러나 IBC2006(2) 기준은 연약층의 깊이가 100~300m인 캘리포니아 지역에서 실측된 지반운동(Loma Prieta)을 기반으로 하고 있는 반면(3), 국내의 경우 연약지반의 깊이가 최대 30-50m로서 IBC2006의 지반계수를 그대로 적용하는 것은 국내지반의 상황에 적합하지 않다.
본 논문에서 연약지반의 비선형거동을 반영하기 위하여 일반적으로 흔히 사용되는 등가선형 주파수영역 해석 결과와 비선형 시간이력 유한요소해석 결과의 차이를 검토한 결과는 어떠한가? 연약지반의 비선형거동을 반영하기 위하여 일반적으로 흔히 사용되는 등가선형 주파수영역 해석 결과와 비선형 시간이력 유한요소해석 결과의 차이를 검토하였다. 그 비교결과는 등가선형강성을 사용하고 지반-구조물 상호작용을 고려하지 않는 주파수영역해석은 단주기영역의 구조물의 응답스펙트럼을 과대평가할 수 있음을 보여주었다. 응답스펙트럼에 대한 지반-구조물 상호작용의 영향은 기초크기와 구조물의 질량의 변화와 큰 관계 없이 일정하게 나타났다.
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참고문헌 (21)

  1. AIK, Korea Building Code-Structural, Architectural Institute of Korea, Seoul, Korea, 2009. 

  2. ICC, International Building Code, International Code Council, Country Club Hills, Illinois, 2006. 

  3. NEHRP, Recommended Provisions for Seismic Regulation for New Buildings and Other Structures, FEMA 450, Part I(Provisions). and Part 2(Commentary)., 2003. 

  4. 윤종구, 김동수, 방은석, “국내 지반특성에 적합한 지반분류 방법 및 설계응답스펙트럼 개선에 대한 연구(Ⅰ)-국내 내진설계기준의 문제점 분석,” 한국지진공학회논문집, 제10권 2호, 39-50, 2006. 

    원문보기 상세보기 crossref

  5. 윤종구, 김동수, 방은석, “국내 지반특성에 적합한 지반분류방법 및 설계응답스펙트럼 개선에 대한 연구(II)-국내 내진설계기준의 문제점 분석,” 한국지진공학회논문집, 제10권 2호, 51-52, 2006. 

    원문보기 상세보기 crossref

  6. 윤종구, 김동수, 방은석, “국내 지반특성에 적합한 지반분류 방법 및 설계응답스펙트럼 개선에 대한 연구(III)-국내 내진설계기준의 문제점 분석,” 한국지진공학회논문집, 제10권 2호, 51-52, 2006. 

  7. Schnalbel, P.B., Lysmer, J. and Seed, H.B., SHAKE: a computer program for earthquake response analysis of horizontally layered sites, Report EERC 72-12, Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley, 1972. 

  8. Yoshida, N., Kobayash, S., Suetomi and I., Miura, K., “Equivalent linear method considering frequency dependent charateristics of stiffness and damping,” Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol. 22, No. 3, 205-222, 2002. 

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  9. 박두희, 정찬균, 곽동엽, “주파수와 변형률에 지배받는 등가선형 해석기법 개발 및 검증,” 한국지진공학회논문집, 제24권 12호, 113-120, 2008. 

  10. Kim, Y-S., and Roesset, J.M., “Effect of Nonlinear Soil Behavior on Inelastic Seismic Response of a Structure,” International Journal of Geomechanics, Vol. 4, No. 2, 104-114, 2004. 

    상세보기 crossref

  11. http://opensees.berkeley.edu/ 

  12. PEER, Benchmarking of Nonlinear Geotechnical Ground Response Analysis Procedures, 2008. 

  13. Jeremic, B., Jie, G., and Tafaazoli, N., “Numerical Modeling and Simulations of a Complete Earthquake Soil Pile Bridge Seismic Performance,” 2009 International Foundation Congress and Equipment Expo, ASCE, 2009. 

  14. Lysmer, J. and Kuhlemeyer, R.L., “Finite Dynamic Model for Infinite Media,” Journal of the Engineering Mechanics Division, ASCE, 95 (EM4), 859-877, 1969. 

  15. 김동수, 추연욱, “공진주 시험을 이용한 국내 비점토 지반의 동적변형 특성,” 한국지반공학회 논문집, Vol. 17, No. 5, 115-128, 2001. 

  16. Kwok, A.O.L., Stewart, J.P., Hashash, Y.M.A., Matasovic, N. Pyke, R. Wang, Z., and Yang, Z., “Use of Exact Solutions of Wave Propagation Problemes to Guide Implementation of Nonlinear Seismic Ground Response Analysis Procedures,” Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 133, No. 11, 1385-1398, 2007. 

    상세보기 crossref

  17. 김용석, “구조물의 시간이력 지진해석을 위한 암반지진기록의 특성분석,” 한국지진공학회논문집, 제12권 1호, 89-95, 2008. 

    원문보기 상세보기 crossref

  18. NEHRP, Improvement of Nonlinear Static Seismic Analysis procedures, FEMA 440, Part I(Provisions). and Part 2 (Commentary)., 2005. 

  19. Veletsos, A. S., Prasad, A. M., and Wu, W. H., “Transfer functions for rigid rectangular foundations.,” Earthquake Eng. Struct. Dyn., 26(1). 5-17, 1997. 

    상세보기 crossref

  20. 김용석, 구조물-지반 상호작용과 지진해석, 구미서관, 2005. 

  21. 김용석, “건물의 수평방향 내진거동에 영향을 미치는 연약지반의 비선형성 영향,” 한국지진공학회논문집, 제5권 2호, 23-31, 2001. 

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