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3축 방향 지반운동이 작용하는 지반-구조물 상호작용계의 비선형 지진응답 해석
Nonlinear Earthquake Response Analysis of a Soil-Structure Interaction System Subjected to a Three-Directional Ground Motion 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.29 no.4, 2016년, pp.317 - 325  

이진호 (한국철도기술연구원 고속철도연구본부) ,  김재관 (서울대학교 건설환경공학부) ,  김정한 (한국원자력연구원 종합안전평가부)

초록
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이 연구에서는 3축 방향 지반운동이 작용하는 지반-구조물 상호작용계의 비선형 지진응답 해석을 수행한다. 비선형 거동이 예상되는 구조물과 지반의 근역은 비선형 유한요소에 의해 모형을 구성한다. 기하학적 형상과 재료 성질이 균일하고 선형 거동을 가정하는 원역지반은 무한 영역으로의 에너지 방사를 정확히 고려할 수 있는 3차원 perfectly matched discrete layer에 의해 수치 모형을 구성한다. 이와 같은 지반-구조물 상호작용계의 수치모형을 사용하여 3축 방향 지반운동이 작용하는 비선형 지진-구조물 상호작용계의 지진응답해석을 수행한다. 3축 방향 지반운동이 작용하는 경우에는 입력 지반운동의 특성에 따라 시스템의 응답이 우세하게 발현되는 방향이 존재하고 그 수준 또한 정밀한 지진응답해석을 통해 산정하여야 한다. 이 연구의 해석기법은 구조물과 지반의 재료 비선형 거동, 기초와 지반 경계면에서의 경계 비선형 거동 등 다양한 비선형 지반-구조물 상호작용 해석에 확장 적용할 수 있을 것이다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

In this study, nonlinear earthquake responses of a soil-structure interaction(SSI) system which is subjected to a three-directional ground motion are examined. The structure and the near-field region of soil, where the geometry is irregular, the material properties are heterogeneous, and nonlinear d...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이 연구에서는 기(旣)개발된 3차원 PMDL을 이용한 시간이력 해석기법을 이용하여 3축 방향 지반운동이 작용하는 비선형 지반-구조물 상호작용계의 비선형 지진응답 해석을 수행하고자 한다. 3축 방향 지반운동에 의한 비선형 응답을 1축 또는 2축 방향 지반운동에 의한 응답과 비교하여 그 응답특성을 살펴보고자 한다.
  • 이 연구에서는 기(旣)개발된 3차원 PMDL을 이용한 시간이력 해석기법을 이용하여 3축 방향 지반운동이 작용하는 비선형 지반-구조물 상호작용계의 비선형 지진응답 해석을 수행하고자 한다. 3축 방향 지반운동에 의한 비선형 응답을 1축 또는 2축 방향 지반운동에 의한 응답과 비교하여 그 응답특성을 살펴보고자 한다.

가설 설정

  • 387Hz의 고유 진동수를 가지는 단자유도 구조물의 spectral acceleration을 조사하였다. 단, 구조물의 감쇠비는 5%로 가정하였다. 방위각의 변화에 따른 spectral acceleration의 변화는 Fig.
  • 85MN/m로 결정하였다(Mayer and Naeim, 2001). 단, 이때, 탄성계수와 post-elastic stiffness의 비는 10으로 가정하였다. 감쇠 계수는 5.
  • 이 면진 시스템의 유효 주기와 감쇠비가 각각 2s와 20%가 되도록 설계하였다(Building Seismic Safety Council, 2003; 2006). 수평방향으로의 최대 지반 가속도는 0.3g로 가정하고, 원전 시설물의 설계 응답 스펙트럼(U.S. Nuclear Regulatory Commission, 1973)에 근거하여 bi-linear spring의 elastic stiffness와 post-elastic stiffness를 각각 278.5MN/m, 27.85MN/m로 결정하였다(Mayer and Naeim, 2001). 단, 이때, 탄성계수와 post-elastic stiffness의 비는 10으로 가정하였다.
  • 이 논문에서는 2축 방향(x-y 방향) 지반운동이 작용하였을 때의 응답은 3축 방향 지반운동이 작용한 경우와 크게 차이가 나지 않아서 포함하지는 않았다. 이는 수직방향으로의 최대지반가속도가 0.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
토목·건축 구조물이 점점 대형화되어 가는 배경은? 구조공학의 발달로 인해 장대 교량, 고층 빌딩과 같이 토목·건축 구조물은 점점 대형화되어 가고 있다. 또한, 산업의 발달로 인해 원자력발전소, 액체저장탱크 등과 같은 다양한 목적의 특수 구조물의 건설이 꾸준히 증가하고 있다.
특수 구조물에는 어떠한 것들이 있는가? 구조공학의 발달로 인해 장대 교량, 고층 빌딩과 같이 토목·건축 구조물은 점점 대형화되어 가고 있다. 또한, 산업의 발달로 인해 원자력발전소, 액체저장탱크 등과 같은 다양한 목적의 특수 구조물의 건설이 꾸준히 증가하고 있다. 이러한 대형 구조물과 특수 구조물의 안전성을 확보하고 경제적인 설계 및 건설을 위해서는 이 구조 시스템의 거동 특성에 대한 정확한 이해가 필수적이다.
정밀한 지반-구조물 상호작용 해석 시에 고려해야 하는 두 가지 특성은 무엇인가? 지반-구조물 상호작용 해석 시에는 이 시스템의 두 가지 특성을 정확히 고려하여야 한다. 첫 번째로 지반-구조물 상호작용계는 지반과 구조물의 비선형 거동, 구조물과 지반 경계에서의 비선형 경계조건(구조물 기초의 부분적 들림, 미끄러짐, 분리 현상 등) 등이 발생하는 복잡한 비선형 시스템이라는 점이다(Roesset and Tassouals, 1982). 특히, 구조물의 대형화로 인해 지반에서 발생하는 응력이 증가해 지반의 비선형 거동이 발생할 가능성이 증가하고 있다. 이러한 비선형 거동은 시간영역에서 비선형 유한요소를 사용하여 고려할 수 있다. 두 번째 특성은 지반은 반무한 매질이고 이러한 매질에서의 지반-구조물 상호작용 해석(파전파 해석)은 반무한 영역으로의 에너지 방사를 정확히 고려할 수 있어야 한다는 점이다. 하지만, 반무한 지반에서의 에너지 방사는 주파수영역에서 정확히 모사할 수 있다.
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참고문헌 (22)

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  5. Basu, U., Chopra, A.K. (2003) Perfectly Matched Layers for Time-Harmonic Elastodynamics of Unbounded Domains: Theory and Fnite-element Implementation, Comput. Methods Appl. Mech. & Eng., 192, pp.1337-1375. 

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  7. Beskos, D.E. (1987) Boundary Element Methods in Dynamic Analysis, Appl. Mech. Rev., 40, pp.1-23. 

  8. Beskos, D.E. (1997) Boundary Element Methods in Dynamic Analysis: Part II (1986-1996), Appl. Mech. Rev., 50, pp.149-197. 

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  13. Guddati, M.N. (2006) Arbitrarily Wide-Angle Wave Euations for Complex Media, Comput. Methods Appl. Mech. &. Eng., 195, pp.65-93. 

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  15. Kausel, E. (1974) Forced Vibrations of Circular Foundations on Layered Media, Research Report R74-11, Department of Civil Engineering, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, Massachusetts. 

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  18. Mayer, R.L., Naeim. F. (2001) Design of Structures with Seismic Isolation, in: Naeim, F. (Eds), The Seism. Des. Handbook, 2nd edition, Springer, pp.723-755. 

  19. Rabinovich, D., Givioli, D., Becache, E. (2010) Comparison of High-order Absorbing Boundary Conditions and Perfectly Matched Layers in the Frequency Domain, Int. J. Num. Methods Biomed. Eng., 26, pp.1351-1369. 

  20. Roesset, J.M., Tassoulas, J.L. (1982) Nonlinear Soil Structure Interaction: An Overview, in Datta, S.K. (Eds.), Earthquake Ground Motion and Its Effects on Structures, ASME, New York, pp. 41-57. 

  21. Seo, C.-G., Yun, C.-B., Kim, J.-M. (2007) Cuboidal Infinite Elements for Soil-Structure interaction Analysis in Multi-Layered Half-space, J. Comput. Struct. Eng. Inst. Korea, 20, pp.39-50. 

  22. U.S. Nuclear Regulatory Commission (1973) Regulatory Guide 1.60, Revision 1. 

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