[논문]HWAW방법을 이용한 기존 건물 내진 보강을 위한 건물 하부지반 전단파 속도 주상도 결정

박형춘; 황혜진

doi:10.7843/kgs.2017.33.5.15

HWAW방법을 이용한 기존 건물 내진 보강을 위한 건물 하부지반 전단파 속도 주상도 결정
Determination of Shear Wave Velocity Profile under Existing Building for Site Response Analysis Using HWAW Method 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.33 no.5, 2017년, pp.15 - 23

초록
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기존 구조물의 내진 보강을 위해서는 구조물이 경험하게 될 지진 하중의 결정이 매우 중요하며 이러한 지진 하중의 크기는 구조물 하부 지반의 전단파 속도 주상도에 의해 큰 영향을 받는다. 기존 건물 하부지반의 전단파 속도 주상도를 결정하기 위해서는 매우 협소한 공간에서 시험이 가능하며, 배경잡음의 영향을 효과적으로 배제할 수 있고, 하부지반 물성 변화에 민감하게 반응할 수 있는 시험법이 필요하다. 본 연구에서는 이러한 조건들을 만족시킬 수 있는 HWAW방법을 구조물 하부지반 전단파 속도 주상도 평가에 적용하였다. 제안된 방법의 타당성을 수치 모의 실험과 현장 적용을 통해 평가하였으며, 이를 통해 제안된 방법의 적용성을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

The evaluation of earthquake load on the surface is very important factor for the seismic reinforcement of existing building, and the magnitude of earthquake load depends on a shear wave velocity profile of soil under a building. To determine a shear wave velocity profile under a existing building, test method should be able to determine a reliable shear wave velocity profile under conditions such as heavy background noise and the small test area, and be sensitive to the variation of material property. In this research, HWAW (Harmonic Wavelet Analysis of Waves) method is applied to determine a shear wave velocity profile under a existing building. In this paper, through numerical simulations and field tests, the feasibility of the proposed method was shown.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 기존 구조물 내진 보강을 위한 지진하중 산정에 있어 가장 중요한 요소인 구조물 하부 지반 전단파 속도 주상도 결정에 있어 HWAW방법의 적용성을 평가 하였다. 제안된 방법은 기존 구조물 하부 지반 전단파 속도 주상도 결정시 평가 방법이 가져야 할 조건인 협소한 시험 장소에서의 시험 가능성, 배경잡음 조건하에서 신뢰할 수 있는 결과 도출 그리고 하부 지반 물성 변화에 대한 민감도 등을 수치모의 시험을 통해 검증하였다.
본 연구에서는 기존 구조물 하부 지반 전단파 속도 평가에 신속하며, 비파괴적인 시험이 가능한 비파괴 탄성파 탐사기법들 중 하나인 HWAW방법의 적용성을 평가하였다. 제안된 방법의 기존 구조물 하부 지반 전단파 속도 주상도 평가에 있어 타당성을 검토하기 위해 수치 모의 실험을 수행하였다.

가설 설정

2와 같은 전단파 속도 주상도를 가지는 층상구조에서 수행하였다. 대상 층상구조를 구성하는 각 층의 단위 중량은 1800kg/m³으로 가정하였다.

제안 방법

2장에서 언급한 도심지 하부 지반 전단파 속도 주상도 평가에 있어 HWAW 방법의 특징을 수치모의 실험을 통해 검증하였다. 수치모의 실험은 동적강성행렬 방법(Kausel and Roesset, 1981; Kausel and Peek, 1982)에 기반을 둔 컴퓨터 프로그램인 Fit7(Joh, 1996)을 사용하였다.
따라서 하부 지반 물성변화에 분산곡선의 형태가 얼마나 민감하게 변화하는 지가 각 표면파 기법의 하부지반 물성변화 민감도를 나타내게 된다. HWAW방법의 하부 지반 전단파 속도 변화에 대한민감도 분석을 위해 Fig. 7에서 주어진 두 개의 층으로 구성된 주상도의 하부 층(두번째 층) 전단파 속도를 변화시켜가며 수치모의 실험을 수행하였다. 변화의 정도는 하부 층 전단파 속도가 첫 번째 층 전단파 속도와 동일한 경우(homogeneous)를 기준 속도로 -15%, -10%, -5%, 5%, 10%, 15% 변화시켜가며 분산곡선을 결정하고, 기준 속도에서 얻어진 분산곡선을 기준으로 단위 파장 당 평균 어느 정도의 위상속도값 변화가 발생하는 지 평가하였다.
각 건설 단계별 HWAW시험이 수행되었다. 건설 1단계에서는 교각 및 기초를 위해 조성된 부지 바로 옆(D1)에서 시험이 수행되었다(Fig.
변화의 정도는 하부 층 전단파 속도가 첫 번째 층 전단파 속도와 동일한 경우(homogeneous)를 기준 속도로 -15%, -10%, -5%, 5%, 10%, 15% 변화시켜가며 분산곡선을 결정하고, 기준 속도에서 얻어진 분산곡선을 기준으로 단위 파장 당 평균 어느 정도의 위상속도값 변화가 발생하는 지 평가하였다. 각각의 전단파 속도 주상도에 대해 HWAW방법에서 사용하는 짧은 감지기 시험구성을 사용한 수치모의 시험과 기존 표면파 시험에서 사용하는 시험구성을 사용한 수치모의 시험을 수행하였다. 이러한 수치모의 시험을 통해 HWAW시험 분산곡선(whole wave field)들과 기존 표면파 시험 분산곡선(far field)들을 결정하였다.
이를 통해 제안된 방법이 기존의 방법에서 신뢰할 수 있는 결과를 얻기 힘든 배경 잡음 조건에서도 신뢰할 수 있는 실험 결과를 제공할 수 있음을 알 수 있었으며, 협소한 장소를 위해 제안된 실험 구성에서도 하부지반 물성변화를 민감하게 결정할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 실제 현장 시험을 통해 제안된 방법의 현장 적용성을 확인하였다.
수치모의 실험을 통해 높은 배경잡음과 좁은 시험영역등과 같은 도심지 구조물 하부지반 평가에서 만날 수 있는 제한 조건하에서 신뢰할 수 있는 전단파 속도 평가가 가능한지 조사하였고, 구조물 하부 지반 전단파 속도 변화에 대한 민감도 분석을 수행하여 구조물 하중에 의한 전단파 속도 변화를 효과적으로 평가할 수 있는지 조사하였다. 마지막으로 현장 적용을 통하여 제안된 방법의 적용성을 평가하였다.
7에서 주어진 두 개의 층으로 구성된 주상도의 하부 층(두번째 층) 전단파 속도를 변화시켜가며 수치모의 실험을 수행하였다. 변화의 정도는 하부 층 전단파 속도가 첫 번째 층 전단파 속도와 동일한 경우(homogeneous)를 기준 속도로 -15%, -10%, -5%, 5%, 10%, 15% 변화시켜가며 분산곡선을 결정하고, 기준 속도에서 얻어진 분산곡선을 기준으로 단위 파장 당 평균 어느 정도의 위상속도값 변화가 발생하는 지 평가하였다. 각각의 전단파 속도 주상도에 대해 HWAW방법에서 사용하는 짧은 감지기 시험구성을 사용한 수치모의 시험과 기존 표면파 시험에서 사용하는 시험구성을 사용한 수치모의 시험을 수행하였다.
제안된 방법의 기존 구조물 하부 지반 전단파 속도 주상도 평가에 있어 타당성을 검토하기 위해 수치 모의 실험을 수행하였다. 수치모의 실험을 통해 높은 배경잡음과 좁은 시험영역등과 같은 도심지 구조물 하부지반 평가에서 만날 수 있는 제한 조건하에서 신뢰할 수 있는 전단파 속도 평가가 가능한지 조사하였고, 구조물 하부 지반 전단파 속도 변화에 대한 민감도 분석을 수행하여 구조물 하중에 의한 전단파 속도 변화를 효과적으로 평가할 수 있는지 조사하였다. 마지막으로 현장 적용을 통하여 제안된 방법의 적용성을 평가하였다.
수치모의 실험은 동적강성행렬 방법(Kausel and Roesset, 1981; Kausel and Peek, 1982)에 기반을 둔 컴퓨터 프로그램인 Fit7(Joh, 1996)을 사용하였다. 수치모의 실험을 통해 잡음조건 하에서의 HWAW방법의 성능을 평가하였으며, 하부지반 물성치 변화에 대한 민감도 분석을 수행하였다. 수치모의 실험을 위한 HWAW 실험구성은 협소한 실제 현장에서 적용될 시험구성과 같은 짦은 감지기 간격 시험구성(감지기 1 : 4m, 감지기 2 : 6m)를 사용하였다.
각각의 전단파 속도 주상도에 대해 HWAW방법에서 사용하는 짧은 감지기 시험구성을 사용한 수치모의 시험과 기존 표면파 시험에서 사용하는 시험구성을 사용한 수치모의 시험을 수행하였다. 이러한 수치모의 시험을 통해 HWAW시험 분산곡선(whole wave field)들과 기존 표면파 시험 분산곡선(far field)들을 결정하였다. Fig.
잡음조건하에서의 HWAW방법의 성능 평가를 위해 짦은 감지기 간격 시험구성을 사용한 수치모의 실험을 Fig. 2와 같은 전단파 속도 주상도를 가지는 층상구조에서 수행하였다. 대상 층상구조를 구성하는 각 층의 단위 중량은 1800kg/m³으로 가정하였다.
본 논문에서는 기존 구조물 내진 보강을 위한 지진하중 산정에 있어 가장 중요한 요소인 구조물 하부 지반 전단파 속도 주상도 결정에 있어 HWAW방법의 적용성을 평가 하였다. 제안된 방법은 기존 구조물 하부 지반 전단파 속도 주상도 결정시 평가 방법이 가져야 할 조건인 협소한 시험 장소에서의 시험 가능성, 배경잡음 조건하에서 신뢰할 수 있는 결과 도출 그리고 하부 지반 물성 변화에 대한 민감도 등을 수치모의 시험을 통해 검증하였다. 이를 통해 제안된 방법이 기존의 방법에서 신뢰할 수 있는 결과를 얻기 힘든 배경 잡음 조건에서도 신뢰할 수 있는 실험 결과를 제공할 수 있음을 알 수 있었으며, 협소한 장소를 위해 제안된 실험 구성에서도 하부지반 물성변화를 민감하게 결정할 수 있음을 알 수 있었다.
제안된 방법의 구조물 하부 지반 전단파 속도 평가에 있어 타당성을 검토하고자 제안된 방법을 실제 현장에 적용하였다. 대상 현장은 모형 교각 설치 현장으로 3단계에 걸쳐 건설되었다.
본 연구에서는 기존 구조물 하부 지반 전단파 속도 평가에 신속하며, 비파괴적인 시험이 가능한 비파괴 탄성파 탐사기법들 중 하나인 HWAW방법의 적용성을 평가하였다. 제안된 방법의 기존 구조물 하부 지반 전단파 속도 주상도 평가에 있어 타당성을 검토하기 위해 수치 모의 실험을 수행하였다. 수치모의 실험을 통해 높은 배경잡음과 좁은 시험영역등과 같은 도심지 구조물 하부지반 평가에서 만날 수 있는 제한 조건하에서 신뢰할 수 있는 전단파 속도 평가가 가능한지 조사하였고, 구조물 하부 지반 전단파 속도 변화에 대한 민감도 분석을 수행하여 구조물 하중에 의한 전단파 속도 변화를 효과적으로 평가할 수 있는지 조사하였다.

대상 데이터

제안된 방법의 구조물 하부 지반 전단파 속도 평가에 있어 타당성을 검토하고자 제안된 방법을 실제 현장에 적용하였다. 대상 현장은 모형 교각 설치 현장으로 3단계에 걸쳐 건설되었다. 1단계(Fig.
수치모의 실험을 통해 잡음조건 하에서의 HWAW방법의 성능을 평가하였으며, 하부지반 물성치 변화에 대한 민감도 분석을 수행하였다. 수치모의 실험을 위한 HWAW 실험구성은 협소한 실제 현장에서 적용될 시험구성과 같은 짦은 감지기 간격 시험구성(감지기 1 : 4m, 감지기 2 : 6m)를 사용하였다.

데이터처리

Fig. 5에서 결정된 분산곡선의 신뢰도를 평가하기 위해 Fig. 5에서 주어진 잡음이 부가된 시간영역신호에 대해 HWAW방법을 적용하여 결정된 분산곡선을 사용한 역산 결과(전단파 속도 주상도)를 실제 전단파 속도 주상도와 Fig. 6에서 비교하였다. Fig.

이론/모형

2장에서 언급한 도심지 하부 지반 전단파 속도 주상도 평가에 있어 HWAW 방법의 특징을 수치모의 실험을 통해 검증하였다. 수치모의 실험은 동적강성행렬 방법(Kausel and Roesset, 1981; Kausel and Peek, 1982)에 기반을 둔 컴퓨터 프로그램인 Fit7(Joh, 1996)을 사용하였다. 수치모의 실험을 통해 잡음조건 하에서의 HWAW방법의 성능을 평가하였으며, 하부지반 물성치 변화에 대한 민감도 분석을 수행하였다.
결정된 이론분산 곡선과 현장에서 결정된 실험분산곡선을 비교하여 일정 수준 이상 비슷하면, 가정된 전단파 속도 주상도를 대상 시스템의 주상도로 확정하고, 일정 수준 이상 비슷하지 않으면 전단파 속도 주상도를 재가정하여 위의 과정을 반복한다. 이러한 역산 과정은 최적화 과정으로 본 연구에서는 유전자 알고리즘을 최적화 알고리즘으로 사용한다(Park and Hwang, 2012). 분산곡선은 동일 지반이라도 감지기 위치에 따라 형태가 변화한다.

성능/효과

또한 건설단계 2에서 부가되는 하중의 크기가 건설단계 3에서 부가되는 하중의 크기에 비해 크며, 이러한 상재 하중의 크기 차이 또한 각 단계에서 발생하는 전단파 속도 증가분의 크기 차이를 유발한다. Fig. 11과 12로부터 제안된 HWAW방법은 구조물 하부 지반의 전단파 속도 주상도를 매우 효과적으로 평가할 수 있음을 알 수 있으며, 신뢰성 있는 평가를 위해서는 구조물에 최대한 인접한 위치에서 시험을 수행해야 함을 알 수 있었다.
제안된 방법은 기존 구조물 하부 지반 전단파 속도 주상도 결정시 평가 방법이 가져야 할 조건인 협소한 시험 장소에서의 시험 가능성, 배경잡음 조건하에서 신뢰할 수 있는 결과 도출 그리고 하부 지반 물성 변화에 대한 민감도 등을 수치모의 시험을 통해 검증하였다. 이를 통해 제안된 방법이 기존의 방법에서 신뢰할 수 있는 결과를 얻기 힘든 배경 잡음 조건에서도 신뢰할 수 있는 실험 결과를 제공할 수 있음을 알 수 있었으며, 협소한 장소를 위해 제안된 실험 구성에서도 하부지반 물성변화를 민감하게 결정할 수 있음을 알 수 있었다. 또한 실제 현장 시험을 통해 제안된 방법의 현장 적용성을 확인하였다.
잡음조건하에서의 제안된 방법의 성능을 평가하기 위해 감지기에서 계측된 시간영역 신호들에 높은 수준의 잡음을 부가하였다. Fig.

후속연구

이러한 전단파 속도 주상도들 사이의 유사성은 앞에서 언급한 바와 같이 하중에서 일정거리 떨어진 U 위치에서 결정된 전단파 속도 주상도는 구조물 건설에 따른 지중 구속압 증가 및 이에 따른 구조물 하부 전단파 속도 증가가 반영되지 않은 주상도라는 것을 알 수 있다. 따라서 구조물 건설에 따른 하부 지반 전단파 속도 변동이 반영된 주상도의 결정, 즉 구조물 내진보강을 위해 필요한 내진해석을 위한 구조물 하부지반의 신뢰성 있는 전단파 속도 주상도를 결정하기 위해서는 구조물에 최대한 인접한 위치에서 시험을 수행하여야 한다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	전단파 속도 주상도는 다양한 탄성파 탐사에 의해 결정될 수 있는데, 탄성파 탐사에는 무엇이 있는가?	전단파 속도 주상도는 다양한 탄성파 탐사에 의해 결정될 수 있다. 탄성파 탐사는 시추공을 필요로 하는 공 내 탄성파 탐사기법(Kim et al., 2004; Stokoe and Wood, 1972)과 지표면에서 모든 시험이 수행되는 비파괴 탄성파 탐사기법(Stokoe et al., 1994; Park, 1999; Park and Kim, 2004(a), 2004(b); Park et al., 2004)이 있다.
	HWAW방법이란?	HWAW방법은 대상 시스템의 전단파 속도 주상도를 비파괴적으로 평가하는 표면파 시험법의 하나이다. 표면파 시험법은 다수의 감지기를 사용하여 가진원에 의해 발생한 지표면 진동을 계측하고, 감지기들에서 계측된 신호 사이의 관계로부터 정보를 얻어내는 다채널 시험법(Park, 1999)과 두 개의 감지기를 사용한 현장 시험 및 두 개의 감지기에서 얻어진 신호사이의 관계로부터 대상 시스템의 전단파 속도 주상도를 결정하는 2-채널 시험법(Stokoe et al.
	표면파 시험법에는 무엇이 있는가?	HWAW방법은 대상 시스템의 전단파 속도 주상도를 비파괴적으로 평가하는 표면파 시험법의 하나이다. 표면파 시험법은 다수의 감지기를 사용하여 가진원에 의해 발생한 지표면 진동을 계측하고, 감지기들에서 계측된 신호 사이의 관계로부터 정보를 얻어내는 다채널 시험법(Park, 1999)과 두 개의 감지기를 사용한 현장 시험 및 두 개의 감지기에서 얻어진 신호사이의 관계로부터 대상 시스템의 전단파 속도 주상도를 결정하는 2-채널 시험법(Stokoe et al., 1994; Park and Kim, 2004(a), 2004(b))이 있다. 두 종류의 표면파 시험법 모두 현장시험 및 현장시험에서 얻어진 계측기록으로 부터 다층구조 시스템의 파장(또는 주파수)에 따른 표면파 위상속도 그래프인 분산곡선을 결정하는 과정과 결정된 분산곡선의 형태로부터 대상 시스템의 전단파 층상구조를 결정하는 역산 과정으로 이루어져 있다.

참고문헌 (18)

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저자의 다른 논문 :

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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