[국내논문]2-매개변수 지반분류 방법 및 지반 증폭계수의 검증 (I) - 국외 내진설계기준 및 부지응답특성과의 비교 Verification of 2-Parameters Site Classification System and Site Coefficients (I) - Comparisons with Well-known Seismic Code and Site Response Characteristics원문보기
최근 제안된 2-매개변수 지반분류 방법 및 지반 증폭계수가 국내 지반조건 및 지반증폭특성에 적합함을 검증하기 위하여 내진설계기준연구II, Eurocode-8, 현재 개정중인 미국 동부지역 NYC DOT 내진설계기준과 비교를 수행하였다. 유사한 조건의 지반 조건에 대하여 각 기준의 설계응답스펙트럼을 비교한 결과, 2-매개변수 지반분류, Eurocode-8, NYC DOT 내진설계기준은 일반적인 국내 지반특성인 단주기 영역의 증폭을 크게 고려하고 있는 반면, 내진설계기준 연구II는 장주기 영역의 증폭을 크게 평하는 것으로 나타났다. 추가적으로 경주시 $10km{\times}10km$ 지역내 50개 부지에 대한 지반응답해석 결과를 확보하고, 이를 내진설계기준연구II 및 2-매개변수 지반분류 방법에서 제안하는 지반 증폭계수와 2차원 공간적인 비교를 수행하였다. 단주기 및 장주기 증폭계수 모두에 대하여 내진설계기준연구II가 2-매개변수 지반분류 방법에 비하여 부지응답해석 결과와의 오차값이 월등히 큰 것으로 평가되어, 2-매개변수 지반분류 방법에서 제안하는 지반 증폭계수의 타당성을 확인하였다.
최근 제안된 2-매개변수 지반분류 방법 및 지반 증폭계수가 국내 지반조건 및 지반증폭특성에 적합함을 검증하기 위하여 내진설계기준연구II, Eurocode-8, 현재 개정중인 미국 동부지역 NYC DOT 내진설계기준과 비교를 수행하였다. 유사한 조건의 지반 조건에 대하여 각 기준의 설계응답스펙트럼을 비교한 결과, 2-매개변수 지반분류, Eurocode-8, NYC DOT 내진설계기준은 일반적인 국내 지반특성인 단주기 영역의 증폭을 크게 고려하고 있는 반면, 내진설계기준 연구II는 장주기 영역의 증폭을 크게 평하는 것으로 나타났다. 추가적으로 경주시 $10km{\times}10km$ 지역내 50개 부지에 대한 지반응답해석 결과를 확보하고, 이를 내진설계기준연구II 및 2-매개변수 지반분류 방법에서 제안하는 지반 증폭계수와 2차원 공간적인 비교를 수행하였다. 단주기 및 장주기 증폭계수 모두에 대하여 내진설계기준연구II가 2-매개변수 지반분류 방법에 비하여 부지응답해석 결과와의 오차값이 월등히 큰 것으로 평가되어, 2-매개변수 지반분류 방법에서 제안하는 지반 증폭계수의 타당성을 확인하였다.
In order to verify that the recently proposed two-parameters site classification system and the corresponding site coefficients are suitable for the local geological conditions in Korea, a comparison was conducted with current Korean seismic code, Eurocode-8, NYC DOT seismic code. The design spectru...
In order to verify that the recently proposed two-parameters site classification system and the corresponding site coefficients are suitable for the local geological conditions in Korea, a comparison was conducted with current Korean seismic code, Eurocode-8, NYC DOT seismic code. The design spectrum of the current Korean seismic code is significantly amplified in the long-period range, whereas the other response spectra, including the proposed two-parameters approach, are significantly amplified in the short-period range, which is a typical geological condition in Korea. In addition, based on the results of site response analyses in the specific $10km{\times}10km$ area of Gyeongju, spatial distributions of site coefficients from site-specific seismic response analyses were compared with the proposed site coefficients, as well as those specified in the current Korean seismic code. The site coefficients ($F_a$ and $F_v$) from the current Korean seismic codes show significantly high spatial error distributions compared with those specified by the two-parameters site classification system. Therefore, the proposed system is suitable for regions of shallow bedrock including the Korean peninsula.
In order to verify that the recently proposed two-parameters site classification system and the corresponding site coefficients are suitable for the local geological conditions in Korea, a comparison was conducted with current Korean seismic code, Eurocode-8, NYC DOT seismic code. The design spectrum of the current Korean seismic code is significantly amplified in the long-period range, whereas the other response spectra, including the proposed two-parameters approach, are significantly amplified in the short-period range, which is a typical geological condition in Korea. In addition, based on the results of site response analyses in the specific $10km{\times}10km$ area of Gyeongju, spatial distributions of site coefficients from site-specific seismic response analyses were compared with the proposed site coefficients, as well as those specified in the current Korean seismic code. The site coefficients ($F_a$ and $F_v$) from the current Korean seismic codes show significantly high spatial error distributions compared with those specified by the two-parameters site classification system. Therefore, the proposed system is suitable for regions of shallow bedrock including the Korean peninsula.
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문제 정의
본 연구에서는 최근 제안된 2-매개변수 지반분류 방법 및 지반 증폭계수(김동수 등, 2008)가 현행 국내 내진설계기준과 비교하여 국내 지반 조건 및 지반 증폭 특성에 적합함을 검증하기 위하여 국내 지반 조건과 유사한 국외 내진설계기준과의 비교를 수행하였다. 또한, 특정 지역에 대한 부지 고유의 지반응답해석 결과로부터 계산된 지반 증폭계수를 2-매개변수 지반분류 방법 및 현행 국내 내진설계기준과 2차원 공간에서 비교하였다.
0 이상의 주요 지진 계측 기록 및 최근 신설된 765kV 변전소 부지에서 계측된 지진 기록을 분석함으로써 2-매개변수 지반분류 방법의 타당성을 입증하였다. 본 논문에서는 앞의 두 가지 검증 방법에 대해 상세하게 논의하였고, 마지막 국내 실지진 계측 기록을 통한 검증 방법에 대해서는 동반 논문(II-국내 실지진 계측 기록을 통한 검증)에서 상세하게 논의하였다.
본 연구에서는 국내 내륙 지형 및 지질 특성을 대표하고, 역사 및 계기 지진 기록이 다수 존재하여 지진학적 가치가 높은 경주 지역의 부지응답해석 결과와의 2차원 공간적 비교를 통해 2-매개변수 지반분류 방법의 적합성을 확인하였다. 선창국 등(2005)에 의해 경주시 10km×10km 지역에서 획득한 다양한 지반조사 결과와 이를 바탕으로 수행된 지반응답해석 결과를 이용하였다.
본 연구에서는 기반암 깊이(H)와 토층 평균 전단파속도(Vs,soil)를 동시에 고려하는 2-매개변수 지반분류 방법및 지반 증폭계수의 국내 지반조건에 대한 적합성을 검증하기 위하여, 국내 지반조건과 유사한 국외 내진설계 기준과의 비교 및 경주 지역의 부지응답특성 결과와의 2차원 공간적 비교를 수행하였다.
제안 방법
본 연구에서는 최근 제안된 2-매개변수 지반분류 방법 및 지반 증폭계수(김동수 등, 2008)가 현행 국내 내진설계기준과 비교하여 국내 지반 조건 및 지반 증폭 특성에 적합함을 검증하기 위하여 국내 지반 조건과 유사한 국외 내진설계기준과의 비교를 수행하였다. 또한, 특정 지역에 대한 부지 고유의 지반응답해석 결과로부터 계산된 지반 증폭계수를 2-매개변수 지반분류 방법 및 현행 국내 내진설계기준과 2차원 공간에서 비교하였다. 마지막으로 2002년 이후 국내에서 계측된 규모 4.
2-매개변수 지반분류 방법을 제안하기 위해, 우선적으로 기반암 깊이 10m와 20m를 경계로 H1 지반, H2 지반, 그리고 H3 지반으로 분류하였다. 이 후, 각 지반그룹에 속한 해석대상지반의 지반 증폭계수와 Vs,soil과의 경향성 및 분산정도를 분석함으로서 지반그룹을 세분화 하고, 각 세부 지반그룹에 대한 대표 지반 증폭계수를 할당하였다.
지반으로 분류하였다. 이 후, 각 지반그룹에 속한 해석대상지반의 지반 증폭계수와 Vs,soil과의 경향성 및 분산정도를 분석함으로서 지반그룹을 세분화 하고, 각 세부 지반그룹에 대한 대표 지반 증폭계수를 할당하였다. H1 지반과 H2 지반은 Vs,soil=300m/s를 경계로 각각 2개의 지반그룹으로 세분화하였고, H3 지반은 200m/s와 360m/s를 경계로 3개의 지반그룹으로 세분화한 결과, 총 7개의 지반그룹을 형성하였다.
국내 지반 조건에 대한 2-매개변수 지반분류 방법의 타당성을 검증하기 위해, 현재 유럽지역에서 널리 사용되고 있는 Eurocode-8(CEN, 2003)과 현재 개정중에 있는 미국 뉴욕시의 NYC DOT Seismic Guideline(Gajer 등, 2008)에서 제안하는 지반분류 방법 및 설계응답스펙트럼과의 비교를 수행하였다.
2-매개변수 지반분류 방법을 비롯하여 Eurocode-8, NYC DOT 및 현행 국내 내진설계기준에서 제시하는 설계응답스펙트럼을 비교하였다. 비교를 위한 지반 종류는 각 지반분류 방법별로 아래와 같이 선택하였다.
국내 내진성능수준으로 특등급 붕괴수준에 해당하는 0.220g의 암반 노두 가속도를 4개의 지반분류 방법에 동일하게 적용하여 산정된 설계응답스펙트럼의 스펙트럴 가속도를 비교하였고, 그림 2(a)에 나타내었다. 뉴욕시의 경우, 미국 지질연구소(U.
획득한 전단파속도 주상도로부터 각 대상 부지에 대한 상부 30m 평균 전단파속도(Vs,30), 기반암 깊이(H), 토층 평균 전단파속도(Vs,soil)를 획득하였고, 이를 바탕으로 현행 국내 내진설계기준 및 2-매개변수 지반분류 방법에 의한 지반분류 현황을 표 4에 나타내었다. 대상 지역에서 수행된 지반조사 및 수집 자료에 의하면, 산지를 제외한 평지에서는 하천의 범람 및 퇴적 작용으로부터 모래와 자갈질 퇴적토가 풍화대 상부에 10~40m 두께로 다양하게 발달되어 있고, 이는 대상 지역의 지층 분포도로부터 확인할 수 있다.
이와 같이 국부적으로 다양한 지반조건을 포함하는 대상 지역에 대해, 현행 국내 내진설계기준의 Vs,30을 사용하면, 대부분 SC 지반으로 분류가 수행되어 동일한 지반 증폭계수를 사용하게 되는 반면, 2-매개변수 지반분류 방법에 의하면, 기반암이 깊고, 얀약한 지반인 H3-1 지반을 제외한 나머지 지반에 대해 골고루 지반분류가 이루지는 것을 확인할 수 있다. 일반적으로 국부적인 변화가 심하고, 기반암 및 토층 강성의 분포가 다양한 국내 지반특성을 고려할 때, 본 연구에서 제안하는 2-매개변수 지반분류 방법은 이를 합리적으로 반영하여 신뢰성 있는 설계 지진력을 산정할 것으로 판단된다.
해석 프로그램으로는 등가 선형 해석기법의 SHAKE91(Idriss and Sun, 1992)과 비선형 해석기법의 NERA(Bardet and Tobita, 2001)를 모든 부지에 대해 병용하여 수행하였다. 발생 지진에 대한 다양한 주파수 특성을 반영하기 위하여 총 다섯 종류의 입력지진파를 사용하였고, 강진 지역의 계측 지진파인 El Centro, Hachinohe, Ofunato 지진, 인공 지진 및 경주 지역의 소규모 계측 지진파를 기반암 가속도 0.14g로 조절하여 해석을 수행하였다. 여기서, 기반암 가속도 0.
(1) 유럽지역에서 널리 사용되고 있는 Eurocode-8과 현재 개정중에 있는 미국 뉴욕시의 NYC DOT Seismic Guideline에서 제안하는 지반분류 방법 및 설계응답 스펙트럼과의 비교를 수행하였다. 지반분류 방법에서 Eurocode-8은 일반적인 국내 지반특성과 유사한 E 지반을 포함하여 미국 지반분류 방법과의 차별화를 두었고, NYC DOT 내진설계기준은 기반암 깊이, 토층 평균 전단파속도, 기반암 전단파속도의 3가지 분류 기준을 사용하여 2-매개변수 지반분류 방법의 타당성을 뒷받침하고 있다.
(2) 경주시 10km×10km 지역내 총 50개 부지에 대한 지반 물성을 확보하고 지반분류를 수행하였다.
일반적으로 기반암 및 토층 강성의 분포가 다양한 국내 지반특성을 고려할 때, 2-매개변수 지반분류 방법은 이를 합리적으로 반영하여 신뢰성 있는 설계 지진력을 산정할 것으로 판단된다. 또한 대상 부지에 대한 지반응답해석 결과를 확보하고, 내진설계 기준연구II 및 2-매개변수 지반분류 방법에서 제안하는 지반 증폭계수와 2차원 공간적인 비교를 수행하였다. 단주기 및 장주기 증폭계수 모두에 대하여 Vs,30을 이용하는 내진설계기준연구II가 2-매개변수지반분류 방법에 비하여 부지응답해석 결과와의 오차값이 월등히 큰 것으로 평가되어, 2-매개변수 지반분류 방법에서 제안하는 지반 증폭계수의 국내지반조건에 대한 타당성을 검증하였다.
대상 데이터
선창국 등(2005)에 의해 경주시 10km×10km 지역에서 획득한 다양한 지반조사 결과와 이를 바탕으로 수행된 지반응답해석 결과를 이용하였다.
데이터처리
또한 125개의 해석대상지반에 대해 1차원 등가선형해석 프로그램인 SHAKE91(Idriss와 Sun, 1992; Schnabel 등, 1972)을 이용하여 지반응답해석을 수행하였다. 입력 지진파의 주파수 성분 및 가속도 수준을 다양하게 고려하기 위하여, 7개의 지진파에 대해 각각 3가지 재현주기에 따른 암반노두 가속도(0.
또한 125개의 해석대상지반에 대해 1차원 등가선형해석 프로그램인 SHAKE91(Idriss와 Sun, 1992; Schnabel 등, 1972)을 이용하여 지반응답해석을 수행하였다. 입력 지진파의 주파수 성분 및 가속도 수준을 다양하게 고려하기 위하여, 7개의 지진파에 대해 각각 3가지 재현주기에 따른 암반노두 가속도(0.110g, 0.154g, 0.220g)를 결합하여 총 2625개의 지반응답해석 결과를 획득하였고, 식 (3)~(4)을 이용하여 각 해석 결과에 대한 지반 증폭계수를 산정하였다.
각 대상 부지에 대하여 2개의 해석 프로그램과 5개의 입력지진파를 통해 10개의 지반응답해석 결과를 획득하였고, 식 (3)~(4)를 이용하여 각 부지의 단주기 및 장주기 지반 증폭계수를 획득하였다. 이와 같이 획득한 부지 고유의 지반 증폭계수를 현행 내진설계기준 및 2-매 개변수 지반분류 방법에서 제안하는 지반 증폭계수와 비교하기 위해, 식 (5)~(6)와 같이 오차값(Ea, Ev)을 각 대상 부지에 대해 결정하였다.
이론/모형
선창국 등(2005)은 지층 구성, 전단파속도 주상도, 공진주 시험을 통해 획득한 정규화 전단탄성계수 및 감쇠비 곡선을 토대로 50개 대상 부지 각각에 대해 일차원 부지응답해석을 수행하였다. 해석 프로그램으로는 등가 선형 해석기법의 SHAKE91(Idriss and Sun, 1992)과 비선형 해석기법의 NERA(Bardet and Tobita, 2001)를 모든 부지에 대해 병용하여 수행하였다. 발생 지진에 대한 다양한 주파수 특성을 반영하기 위하여 총 다섯 종류의 입력지진파를 사용하였고, 강진 지역의 계측 지진파인 El Centro, Hachinohe, Ofunato 지진, 인공 지진 및 경주 지역의 소규모 계측 지진파를 기반암 가속도 0.
이상 획득한 각 대상 부지의 오차값을 바탕으로 10km×10km 대상 지역에 대한 2차원 공간적 분포를 예측하기 위해, 지구통계학적 크리깅(Geostatistical Kriging) 기법을 적용하였다.
성능/효과
또한, 특정 지역에 대한 부지 고유의 지반응답해석 결과로부터 계산된 지반 증폭계수를 2-매개변수 지반분류 방법 및 현행 국내 내진설계기준과 2차원 공간에서 비교하였다. 마지막으로 2002년 이후 국내에서 계측된 규모 4.0 이상의 주요 지진 계측 기록 및 최근 신설된 765kV 변전소 부지에서 계측된 지진 기록을 분석함으로써 2-매개변수 지반분류 방법의 타당성을 입증하였다. 본 논문에서는 앞의 두 가지 검증 방법에 대해 상세하게 논의하였고, 마지막 국내 실지진 계측 기록을 통한 검증 방법에 대해서는 동반 논문(II-국내 실지진 계측 기록을 통한 검증)에서 상세하게 논의하였다.
내진설계기준연구II는 단주기 영역의 증폭 정도에 비하여 상대적으로 장주기 영역의 증폭을 크게 산정하는데 반하여, 나머지 방법들은 각 지역의 단주기적 지반 특성을 반영하여 단주기 영역에서의 크게 증폭이 발생하고, 장주기 영역에서는 증폭이 거의 발생하지 않고 있다. 단주기 영역에서의 증폭은 NYC DOT 내진설계기준이 가장 크고, 2-매개변수 지반분류 방법은 NYC 기준과 Eurocode-8의 중간에 위치하는 것을 확인할 수 있다.
52초 정도로 단주기 영역의 특성을 보인다고 보고하였다. 따라서 장주기 영역의 증폭을 과다하게 고려하는 현행 국내 내진설계기준과 비교하여, 2-매개변수 지반분류 방법의 설계응답스펙트럼은 지진시 국내 지반 운동 특성을 반영하기에 적합한 것으로 판단된다.
크리깅 기법을 이용하여 획득한 단주기 및 장주기 증폭계수의 오차값에 대한 2차원 공간적 분포를 그림 4와 그림 5에 각각 나타내었다. 단주기 및 장주기 증폭계수 모두 Vs,30을 이용하는 현행 내진설계기준이 2-매개변수지반분류 방법과 비교하여 부지응답해석 결과와의 오차값이 월등히 큰 것으로 평가되었다. 2-매개변수 지반 분류 방법의 일부 경계에서의 오차값이 크게 평가되었지만, 전체적으로 부지 고유의 지반응답해석 결과를 잘 반영하고 있고, 더불어 제안된 지반 증폭계수는 합리적인 국내 지반증폭특성을 산정할 것으로 판단된다.
단주기 및 장주기 증폭계수 모두 Vs,30을 이용하는 현행 내진설계기준이 2-매개변수지반분류 방법과 비교하여 부지응답해석 결과와의 오차값이 월등히 큰 것으로 평가되었다. 2-매개변수 지반 분류 방법의 일부 경계에서의 오차값이 크게 평가되었지만, 전체적으로 부지 고유의 지반응답해석 결과를 잘 반영하고 있고, 더불어 제안된 지반 증폭계수는 합리적인 국내 지반증폭특성을 산정할 것으로 판단된다.
지반분류 방법에서 Eurocode-8은 일반적인 국내 지반특성과 유사한 E 지반을 포함하여 미국 지반분류 방법과의 차별화를 두었고, NYC DOT 내진설계기준은 기반암 깊이, 토층 평균 전단파속도, 기반암 전단파속도의 3가지 분류 기준을 사용하여 2-매개변수 지반분류 방법의 타당성을 뒷받침하고 있다. 설계응답스펙트럼을 비교한 결과, 내진설계기준연구II(현행 국내 내진설계 기준)는 장주기 영역의 증폭을 크게 고려하고 있지만, Eurocode-8 및 NYC DOT 내진설계기준은 각 지역의 단주기적 지반특성을 반영하여 장주기 영역에 비해 단주기 영역에서의 증폭을 크게 고려하였다. 이는 2-매개변수 방법에서 제안하는 설계응답스펙트럼과 매우 유사하였다.
또한 대상 부지에 대한 지반응답해석 결과를 확보하고, 내진설계 기준연구II 및 2-매개변수 지반분류 방법에서 제안하는 지반 증폭계수와 2차원 공간적인 비교를 수행하였다. 단주기 및 장주기 증폭계수 모두에 대하여 Vs,30을 이용하는 내진설계기준연구II가 2-매개변수지반분류 방법에 비하여 부지응답해석 결과와의 오차값이 월등히 큰 것으로 평가되어, 2-매개변수 지반분류 방법에서 제안하는 지반 증폭계수의 국내지반조건에 대한 타당성을 검증하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
내진설계기준 연구II에서 정의하고 있는 국내 지반분류 방법은?
현행 국내 내진설계기준 상위 개념인 내진설계기준 연구II(건설교통부, 1997)에서 정의하고 있는 지반분류 방법은 상부 30m 평균 전단파속도인 Vs,30과 표준관입시험 저항값(SPT-N값) 및 비배수 전단강도를 부차적으로 이용하여 사질토 및 점성토에 모두 적용할 수 있도록 하고 있다. 분류 기준인 Vs,30은 부지의 전단파속도 주상도와 식 (1)을 이용하여 획득할 수 있고, 이를 바탕으로 표 1과 같이 5 종류(SA~SE)의 지반과 지반 특성이 매우 불리할 경우 추가적인 부지특성평가가 요구되는 SF 지반으로 분류하고 있다.
내진설계시 구조물에 작용하는 지진하중의 결정을 좌우하는 것은?
내진설계시 구조물에 작용하는 지진하중은 구조물이 들어서는 지역, 구조물의 중요도 및 국지적 지반 조건 등에 의해 결정되고, 지역 및 구조물의 중요도는 구체적인 설계가 이루어지기 전에 결정되는 요소이므로 결국 국지적 지반 조건이 지진하중 결정을 좌우하게 된다. 구조물 하부에 위치한 지반의 국지적 특성으로부터 지반분류를 수행하고, 이에 따라 가변성을 지닌 지반 증폭계수는 구조물에 작용하는 지진하중 산정을 위한 직접적인 요소이며, 1997년 건설교통부에서 제정한 내진설계 상위 개념인 내진설계기준연구II(건설교통부, 1997) 및 이 후 정부 여러 부처와 산하 기관에서 제정한 기준서에 명시되어 있다.
상부 30m 토층의 평균 전단파속도를 이용하는 지반 분류 방법을 국내지반에 적용할 시 한계점은?
또한, 상부 30m 토층의 평균 전단파속도(Vs,30)를 이용하는 지반분류 방법은 미국 서부 해안지역에서 기반암 깊이까지의 토층 물성을 모두 설계에 반영할 수 없기 때문에 경제성과 편의성을 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 내륙 지반 조건에 대해서 Vs,30을 이용하여 지반분류를 수행한다면, 30m 이내에 존재하는 암반의 물성을 함께 반영하게 된다. 즉, 기반암이 깊은 지역에서 설계의 효율성을 위하여 상부 30m의 평균 지반물성을 이용하려는 취지가 기반암이 얕은 지역에서는 불합리한 요소로 작용할 여지가 있다.
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