[논문]이중 수정함수 적용을 통한 설계응답스펙트럼 포괄 인공지진파의 생성

박건; 홍기남; 한상훈; 김재석

doi:10.12652/ksce.2016.36.1.0001

이중 수정함수 적용을 통한 설계응답스펙트럼 포괄 인공지진파의 생성
Generation of Artificial Time History Covering Design Response Spectrum by Two Modification Functions 원문보기

대한토목학회논문집 = Journal of the Korean Society of Civil Engineers, v.36 no.1, 2016년, pp.1 - 11

박건 ((주)에스디이엔지) , 홍기남 (충북대학교 토목공학과) , 한상훈 (충북대학교 토목공학과) , 김재석 ((주)에스디이엔지)

초록
AI-Helper

현 국내 외의 설계기준들은 인공지진파에 의해 계산된 응답스펙트럼이 설계응답스펙트럼보다 작은 값의 수가 5개 이내일 경우 설계응답스펙트럼을 포괄 한다고 규정하고 있다. 현 설계의 문제점을 확인하기 위하여 설계기준을 만족하는 5개의 각기 다른 특성을 가진 인공지진파를 사용하여 교각에 대한 시간이력해석을 수행하고, 부재력을 정량적으로 평가하였다. 설계기준을 만족하는 인공지진파일지라도 구조물의 고유주기와 유사한 주기에서 계산된 응답스펙트럼이 설계응답스펙트럼보다 작을 경우 시간이력해석을 통한 내진의 안전성을 확보하지 못함을 확인하였다. 따라서 본 연구에서는 스펙트럼 가속도 값이 설계응답스펙트럼보다 모든 주기에서 큰 값을 갖는 인공지진파를 생성하는 기법을 이중 수정함수를 적용하여 제안하였다. 또한 제안된 기법에 의해 작성된 인공지진파가 국내 외의 기준들의 적합성을 만족하는지 검토하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

The domestic and foreign seismic design codes have specified that time history covers design response spectrum when the response spectrum, which calculated from the time history, is smaller than the design response spectrum at five points or less. In order to verify the design codes, time history analysis for a pier was performed by using five artificial time histories conforming design code with various characteristics and its member forces were evaluated according to them. It was confirmed from analysis results that, regardless of the conformity to design code requirement, seismic design using the artificial time histories could not guarantee earthquake resistant design if the response spectrum from them is lower than design response spectrum at the similar period to the natural frequency of structure. Thus, the time history generating method to make its acceleration response spectrum to be greater than design response spectrum at all period was proposed by two modification function in this study. It was also verified whether time histories from the proposed method satisfy the seismic design codes or not.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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문제 정의

따라서 본 연구에서는 도로교 설계기준과 전력산업기술에서 제시하는 유효 지진파 선별 조건의 신뢰성을 교각의 시간이력해석을 통하여 검증하였다. 또한 인공지진파의 응답스펙트럼 값이 설계지반 응답스펙트럼 값보다 모든 주기에서 큰 값을 가지도록 계산되는 새로운 기법을 제안하였다.
본 연구에서 제안된 방법에 의해 수정된 인공지진파가 국내·외의 다양한 설계기준들에서 제안하고 있는 적합성을 만족하는지에 관하여도 검토되었다.
본 연구에서는 인공지진파에 의해 작성된 응답스펙트럼이 설계 응답스펙트럼보다 작은 값을 가지지 않으면서 최대값은 KEPIC STB 2.3.2.2의 요건에 따라 설계응답스펙트럼 값의 130%이하를 만족할 수 있도록 인공지진파를 수정하는 것에 목적을 두고 있다. 이는 구조물의 고유주기에 해당하는 영역에서 구조물에 미치는 에너지가 설계기준보다 작은 값을 가지지 않도록 방지하면서 과도한 에너지의 적용에 의한 구조물의 과다 설계를 방지하기 위함이다.

제안 방법

122에서 제안하는 계산 주기 간격인 Table 4에 의해 계산된 응답스펙트럼은 설계응답스펙트럼을 만족하지 못하는 주기의 수가 모든 방향에서 국내·외 설계기준에서 제안하는 5개를 초과하는 것으로 나타났다. 따라서 Simqke를 사용하여 생성된 인공지진파를 3.3절에서 언급한 7단계의 반복계산을 수행하여 수정하였다. Fig.
따라서 본 연구에서는 수정함수(adjustment function) f'(t)를 효율적으로 적용하기 위하여 Tapered Cosine 파형과 Lilhanand and Tseng의 파형을 모두 적용하였으며, 적용된 수정함수의 식은 Eqs.
Lilhanand and Tseng (1988) 및 Choi and Lee (2003)의 연구에서는 충격응답함수를 사용하여 설계응답스펙트럼과 유사한 인공지진파를 작성하는 방법을 제안하고 있으며, 그 결과는 충분한 신뢰성을 확보하고 있는 것으로 알려져 있다. 따라서 본 연구에서도 그들의 연구에서 사용된 충격응답함수를 적용하였다. 스펙트럼 맞춤형 인공 지진파를 작성하는 이론을 간략히 정리하면 다음과 같이 나타낼 수 있다.
그러나 두 번째 과정에 의해 수정된 인공지진파로 계산된 응답스펙트럼은 계산된 주기의 값에만 영향을 미치지 않고 다른 주기의 응답스펙트럼 값에도 영향을 미치게 된다. 따라서 설계응답스펙트럼과의 재비교를 통하여 수정된 인공지진파에 의해 작성된 응답스펙트럼이 모든 주기에 대하여 설계응답스펙트럼보다 큰 값을 가지는지에 대한 재확인 과정을 거치게 하였다. 위의 과정을 반복적으로 수행하면서 수정된 인공지진파가 계산된 모든 주기에 대하여 설계응답스펙트럼보다 큰 값을 가지도록 하면서 허용오차를 만족한다면 프로그램은 종료되고 이렇게 작성된 인공지진파를 사용하여 설계기준에서 제안하고 있는 적합성 검토를 수행하게 된다.
그러나 설계응답스펙트럼을 만족하지 않아도 되는 주기에 대하여는 구체적으로 언급되어 있지 않다. 따라서 인공지진파의 평균 응답스펙트럼 값이 특정 주기에서 설계응답스펙트럼보다 작거나 큰 값을 가지는 경우 구조물에 미치는 영향을 알아보기 위하여 아래 5가지 경우의 변수를 적용하여 구조해석을 수행하고 정량적인 평가를 하였다.
따라서 본 연구에서는 도로교 설계기준과 전력산업기술에서 제시하는 유효 지진파 선별 조건의 신뢰성을 교각의 시간이력해석을 통하여 검증하였다. 또한 인공지진파의 응답스펙트럼 값이 설계지반 응답스펙트럼 값보다 모든 주기에서 큰 값을 가지도록 계산되는 새로운 기법을 제안하였다. 본 연구에서 제안된 방법에 의해 수정된 인공지진파가 국내·외의 다양한 설계기준들에서 제안하고 있는 적합성을 만족하는지에 관하여도 검토되었다.
위의 조건을 만족하기 위하여 초기에 입력된 인공지진파를 이용하여 응답스펙트럼을 계산한 후 계산된 응답스펙트럼과 설계응답스펙트럼을 비교하여 설계응답스펙트럼보다 작은 값이 존재하는지를 검색하도록 하였다. 만약 설계응답스펙트럼보다 작은 값을 가지는 주기가 있다면 해당되는 주기에 대하여 3.1절의 이론을 적용하여 검색된 모든 주기에 대하여 설계응답스펙트럼보다 큰 값을 가지도록 수정하였다. 이렇게 수정된 인공지진파는 모든 주기에서 설계응답스펙트럼보다 큰 값을 가짐은 명백하나 최대값이 설계응답스펙트럼의 130%이상이 될 가능성을 가지고 있다.
본 연구에서는 수정함수를 적용하여 인공지진파를 수정하고 국내·외의 다양한 기준을 적용하여 적합성 검토를 수행하였다.
이는 구조물의 고유주기에 해당하는 영역에서 구조물에 미치는 에너지가 설계기준보다 작은 값을 가지지 않도록 방지하면서 과도한 에너지의 적용에 의한 구조물의 과다 설계를 방지하기 위함이다. 위의 조건을 만족하기 위하여 초기에 입력된 인공지진파를 이용하여 응답스펙트럼을 계산한 후 계산된 응답스펙트럼과 설계응답스펙트럼을 비교하여 설계응답스펙트럼보다 작은 값이 존재하는지를 검색하도록 하였다. 만약 설계응답스펙트럼보다 작은 값을 가지는 주기가 있다면 해당되는 주기에 대하여 3.

이론/모형

설계응답스펙트럼을 포괄하는 인공지진파를 생성하기 위하여 초기에 입력될 인공지진파를 생성하여야 한다. 이를 위하여 인공지진파 생성 프로그램인 Simqke (Gasparini and Vanmarcke, 1976)를 이용하여 임의의 인공지진파를 생성하였다. 생성된 인공지진파는 지속시간 20.

성능/효과

(1) 구조물의 고유주기와 유사한 영역의 주기에서 계산된 인공지진파의 응답스펙트럼이 설계응답스펙트럼보다 작을 경우 구조물의 내진 안전성을 확보하였다고 할 수 없음이 확인되었다. 따라서 인공지진파를 생성 시 인공지진파의 응답스펙트럼은 구조물의 고유주기에 해당하는 주기에 대하여 반드시 검토되어야 하며, 그 값은 설계응답스펙트럼보다 큰 값을 가져야 하는 것으로 확인되었다.
(2) 수정 후 인공지진파에 의하여 계산된 응답스펙트럼과 설계응답 스펙트럼의 비교에서 설계응답스펙트럼 이하의 값을 가지는 스펙트럼 가속도 값이 존재하지 않아 설계응답스펙트럼을 포괄하는 것으로 확인하였으며, 큰 값의 정도는 30%이하로 에너지가 과대해 지는 것을 방지할 수 있음을 확인하였다.
(3) 수정 후 인공지진파에 대한 Arias 함수를 이용한 강진 지속시간 검토에서 방향별 수정된 인공지진파의 강진 지속시간은 최소 10.16초로 6초 이상을 만족하는 것으로 나타났다.
(4) 수정 후 인공지진파에 대한 PSD 함수를 이용한 적합성 검토에서는 기준에서 제안한 값과 계산된 값의 비가 최소 0.469%, 최대 85.176%로 모든 주기에서 설계기준에서 제안한 값을 포괄하는 것으로 확인되었다.
(5) 수정 후 인공지진파의 각 방향별 독립성 검토에서는 각 방향별의 최대값이 0.048로 기준값인 0.16이하로 기준을 만족하는 것으로 확인되었다.
10 및 Table 6에 나타내었다. Arias Intensity에 의해 검토된 강진지속시간은 X방향, Y방향, Z방향으로 각각 10.160초, 10.440초, 11.695초로 모두 6초 이상의 강진지속시간을 가지는 것으로 확인되었으며, 이는 KEPIC STB (2005) 및 U.S NRC SRP 3.7.1 (1989)의 기준을 모두 만족하는 값이다.
(18)에서 계산한 목표 PSD의 80%를 포괄해야한다. Fig. 11 및 Table 7은 수정 후 인공지진파에 의해 작성된 이동평균 PSD이며 각 방향별로 계산된 PSD는 목표 PSD보다 최소 0.469%, 최대 85.176%이상 큰 값을 가져 기준을 포괄하는 것으로 확인되었다.
이는 구조물의 고유주기에 해당하는 주기에서 인공지진파로부터의 응답스펙트럼이 설계 응답스펙트럼보다 작거나 크면 구조물에 발생하는 부재력은 직접적으로 영향을 받음을 확인할 수 있다. 따라서 단주기 운동이 지배적인 구조물의 내진설계 시 구조물 고유주기에 해당하는 주기에서 반드시 설계응답스펙트럼 이상의 값을 가지는 인공지진파를 사용하여야만 구조물의 내진 안전성을 확보할 수 있음을 확인할 수 있다.
(1) 구조물의 고유주기와 유사한 영역의 주기에서 계산된 인공지진파의 응답스펙트럼이 설계응답스펙트럼보다 작을 경우 구조물의 내진 안전성을 확보하였다고 할 수 없음이 확인되었다. 따라서 인공지진파를 생성 시 인공지진파의 응답스펙트럼은 구조물의 고유주기에 해당하는 주기에 대하여 반드시 검토되어야 하며, 그 값은 설계응답스펙트럼보다 큰 값을 가져야 하는 것으로 확인되었다.
수정 후 인공지진파에 의해 계산된 응답스펙트럼은 모든 방향 및 감쇠비에서 설계응답스펙트럼보다 작은 값이 없는 것으로 확인되어 설계 응답스펙트럼을 포괄하는 것으로 나타났다. 또한, 응답스펙트럼과 설계응답스펙트럼의 최대오차는 X방향, Y방향, Z방향에 대해 각 각 118%, 125%, 113%로 나타나 기준에서 정하고 있는 130% 이내를 만족하는 것으로 확인되었다.
0%의 증가량을 보여 수정 전 최대가속도 값과 유사함을 보였다. 수정 후 인공지진파에 의해 계산된 응답스펙트럼은 모든 방향 및 감쇠비에서 설계응답스펙트럼보다 작은 값이 없는 것으로 확인되어 설계 응답스펙트럼을 포괄하는 것으로 나타났다. 또한, 응답스펙트럼과 설계응답스펙트럼의 최대오차는 X방향, Y방향, Z방향에 대해 각 각 118%, 125%, 113%로 나타나 기준에서 정하고 있는 130% 이내를 만족하는 것으로 확인되었다.

후속연구

(6) 본 연구에서 제시한 인공지진파 수정방법은 구조물의 내진 안전성을 확보함과 동시에 설계기준의 적합성과 독립성을 모두 만족하는 것으로 나타나 실무에서 적절하게 사용될 수 있을 것으로 사료된다.
따라서 설계응답스펙트럼과의 재비교를 통하여 수정된 인공지진파에 의해 작성된 응답스펙트럼이 모든 주기에 대하여 설계응답스펙트럼보다 큰 값을 가지는지에 대한 재확인 과정을 거치게 하였다. 위의 과정을 반복적으로 수행하면서 수정된 인공지진파가 계산된 모든 주기에 대하여 설계응답스펙트럼보다 큰 값을 가지도록 하면서 허용오차를 만족한다면 프로그램은 종료되고 이렇게 작성된 인공지진파를 사용하여 설계기준에서 제안하고 있는 적합성 검토를 수행하게 된다. 계산과정을 순서도로 나타내면 Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	등가정적해석법의 한계는 무엇인가?	현행 내진기준의 입력지진하중 산정 방법 중 가장 널리 사용되고 있는 것이 지진하중을 등가의 정적수평하중으로 산정하여 계산하는 등가정적해석법(Equivalent Static Load Analysis)이다. 그러나 등가정적해석법은 비정형성이 심한 건물에는 사용하기 어려우며, 높이 72m를 초과하는 건물에는 고진동모드에 의한 영향이 증가하므로 적용할 수 없다는 한계가 있다(Lee et al., 1999).
	현행 내진기준의 입력지진하중 산정 방법 중 가장 널리 사용되는 것은?	그러나 교량이나 건축물 등의 일부 구조물을 제외하고는 실제로 정확한 내진설계기준이 정해진 상태는 아니며 일부 내진설계를 실시하고 있는 구조물의 경우에도 우리나라의 지진특성을 고려한 내진설계기준이 없어 외국의 기준을 차용하여 사용하고 있기 때문에 내진설계 기준이 단편적이고 체계적인 구성을 갖추고 있지 못한 실정이다(National disaster management institute, 1998). 현행 내진기준의 입력지진하중 산정 방법 중 가장 널리 사용되고 있는 것이 지진하중을 등가의 정적수평하중으로 산정하여 계산하는 등가정적해석법(Equivalent Static Load Analysis)이다. 그러나 등가정적해석법은 비정형성이 심한 건물에는 사용하기 어려우며, 높이 72m를 초과하는 건물에는 고진동모드에 의한 영향이 증가하므로 적용할 수 없다는 한계가 있다(Lee et al.
	동적해석법을 통해 어떠한 재난에 대한 안정성을 평가하는가?	동적해석법은 입력하중의 형태에 따라 응답스펙트럼해석과 실제지진기록을 이용한 시간이력해석으로 구분할 수 있다. 특히, 구조물의 형상이 비정형으로 복잡하거나 고층건물과 같이 지진 위험성이 큰 구조물에는 시간이력해석법을 이용한 비탄성 응답의 결과로 지진에 대한 안전성을 평가하고 있다. 그러나 우리나라는 설계용 지진, 즉 기록된 지진지반운동이 거의 없어 설계용 응답스펙트럼과 유사한 지진이력하중을 구하기가 매우 힘든 실정이다(Lee et al.

참고문헌 (16)

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상세보기
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상세보기
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U.S NRC (1973a). "Design response spectra for seismic design of nuclear power plants." Regulatory Guide 1.60, Rev. 1.
U.S NRC (1973b). "Damping values for seismic design of nuclear power plants." Regulatory Guide 1.60, Rev. 1.
U.S NRC (1978). "Development of floor design response spectra for seismic design of floor supported equipment or components." Regulatory Guide 1.122, Rev. 1.
U.S NRC (1989). "Seismic design parameter." SRP 3.7.1, Rev. 2.

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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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