[논문]국내 도시지역의 지반응답특성 거동 평가

신대섭; 김후승

doi:10.5762/kais.2017.18.6.250

초록
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지진 발생시 지반조건에 의하여 지반운동에 영향을 받으며 내진설계시 지반특성을 고려한 부지응답특성 평가를 수행해야한다. 국내 내진설계기준의 설계지진력을 결정하는 부분은 미국내진설계기준(UBC-1997)을 차용하여 사용하고 있다. 국내 지반특성과 다른 미국의 지반특성에 적합하게 만들어진 기준을 그대로 사용하는 경우 과다 또는 과소 설계의 원인이 될 수 있다. 따라서 국내지반특성에 적합한 설계응답스펙트럼의 개선이 중요하다. 그래서 본 연구에서는 국내 도시지역의 158개 지반을 선정하여 미국 서부지역의 지반 특성과 비교하고 부지응답을 수행하였다. 158개의 지반을 내진설계기준에서 제시하는 분류방법을 이용하여 분류하였을 때 $S_B$에 해당하는 지반이 37개, $S_C$은 107개, 지반 $S_D$은 14개로 분류되었다. 각 분류된 지반과 7개의 입력지진파를 토대로 해석을 수행하였으며, 내진설계기준과 비교 분석 결과, 국내 설계응답스펙트럼은 국내의 도시지역의 지반특성에 비하여 단주기 영역의 증폭을 과소평가하고 장주기 영역의 증폭을 과대평가하는 것으로 나타났다. 158개의 해석대상부지 중에서 77%정도를 차지하는 지반 $S_C$, $S_D$의 결과에서 설계응답스펙트럼과 큰 차이가 발생한다는 것은 국내 내진설계기준에 제시되어있는 증폭계수를 국내 지반특성에 적합하도록 재산정 할 필요성이 있다는 것을 보여준다.

Abstract ▼ AI-Helper

When an earthquake occurs, it is necessary to evaluate the site-specific ground response while considering ground characteristics in seismic design. The design seismic force of Korean seismic design criteria is borrowed from the Uniform Building Code(UBC-1997). However, the criteria are based on the...

When an earthquake occurs, it is necessary to evaluate the site-specific ground response while considering ground characteristics in seismic design. The design seismic force of Korean seismic design criteria is borrowed from the Uniform Building Code(UBC-1997). However, the criteria are based on the ground characteristics of the United States, which are different from the ground characteristics in Korea, and using them could cause over-or under-designing. Therefore, it is important to develop a proper design response spectrum for Korean ground characteristics. In this study, 158 ground sites in Korean urban areas were selected and compared to those in the western part of the United States, and their site-specific ground responses were analyzed. The classification standard in the seismic design criteria classifies the 158 sites into 37 sites, 107 sites, and 14 sites. Using 7 earthquake inputs, the criteria were compared for each group.The Korean design response spectrum underestimates the amplification of the short-period range and overestimates the amplification in the long-period range. There were large differences in the results of the and sites,which account for 77 percent of the 158 sites. Therefore, there is a need to modify the amplification factor in the Korean seismic criteria to properly reflect Korean ground characteristics.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

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가설 설정

표준관입시험시 기반암에 도달하여 N치가 50에 도달할 때 N값은 선형적인 비례관계를 토대로 N값을 환산하여 사용하였다. 전단파 속도가 1000m/s에 도달하였을 때 기반암으로 가정하여 해석을 수행하였다.

제안 방법

따라서 본 연구에서는 1차원 등가선형 부지응답해석을 통해 국내 도시지역의 부지특성을 평가하고 국내 내진 설계기준과 비교 분석을 수행하였다.

대상 데이터

지반의 전단파 속도는 수행된 지반조사 기법에 많은 영양을 받으므로 신뢰성 있는 지반조사 기법으로 얻어진 전단파속도를 이용하는 것이 중요하다. 그래서 본 연구에서는 국토 교통부에서 운영하는 국토지반정보 포털시스템[4]에서 시추공 데이터를 받았다. 158개의 데이터는 SPT-N값을 이용하여 경험적 상관식으로 전단파속도를 추정한 지반이다.
지진응답해석을 수행하기 위해서는 지반의 동적물성치인 변형률에 따른 전단탄성계수 감소곡선과 감쇠비 곡선이 필수적으로 필요하다. 동적물성치인 전단탄성계수 감소곡선은 해외문헌자료[9]와 실내실험에서 구한 데이터베이스를 토대로 작성된 전단탄성계수[10]를 이용하였다.
본 연구에서는 우리나라 도시지역의 158개 지반에 대한 부지응답해석을 수행하였다. 그리고 국내 내진설계기준에서 제시하는 설계응답스펙트럼과 비교분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
해석대상지반의 지반조사 자료는 서울시 도시지역을 대상으로 국내 일반적인 지반특성을 가지는 풍화토와 풍화암이 발달된 지역 및 퇴적도가 발달된 지역에서 자료를 획득하였다. 서울시 158개의 지반을 내진설계기준에서 제시하는 분류방법을 이용하여 분류하였을 때 지반 S_B에 해당하는 37개, 지반 S_C은 107개, 지반 S_D은 14 개로 분류되었다.

데이터처리

4은 S_C에 해당하는 107개의 지반, 7개 의 지진파에서 얻어진 평균 스펙트럼 가속도, 평균+표준 편차와 내진설계기준에서 제시하는 설계응답스펙트럼을 비교하였고 Fig. 5은 S_D에 해당하는 14개의 지반, 7개의 지진파에서 얻어진 평균 스펙트럼 가속도, 평균+표준편차와 내진설계기준에서 제시하는 설계응답스펙트럼을 비교하였다.

이론/모형

본 연구에서는 1차원 부지 응답 해석프로그램인 SHAKE91[8]을 이용하여 서울시지역을 대상으로 7개의 입력지진파를 토대로 해석을 수행하였다. 해석은 각 지반별 지반 데이터로부터 지층의 구성과 V_s분포를 입력 정보로 활용하여 500년 재현주기의 국내 지진 재해도를 근거로 0.
국내 내진설계기준을 보면 하중 결정시 우선 지역별 지진발생확률에 근거하여 작성된 지진 재해도에서 지역을 구분하고 지반 종류에 따른 설계응답스펙트럼을 작성하여 구조물 주기에 맞는 설계하중을 결정하도록 되어있다. 하지만 국내 내진설계기준의 지반의 종류를 결정하는 부분은 미국내진설계기준(UBC-1997)[1]을 차용하여 사용하고 있다. 국내 지반특성과 다른 미국의 지반특성에 적합하게 만들어진 기준을 그대로 사용하는 경우 과다 또는 과소 설계의 원인이 될 수 있다.

성능/효과

158개의 해석대상부지 중에서 77%정도를 차지하는 지반 S_C, S_D의 결과에서 설계응답스펙트럼과 큰 차이가 발생한다는 것은 국내 내진설계기준에 제시되어있는 증폭계수를 국내 지반특성에 적합하도록 재산정 할 필요성이 있다는 것을 보여준다.
국내 지반에 대한 지진응답해석 결과 UBC-1997기준에서 제시하고 있는 설계응답스펙트럼을 결정하기 위한 증폭계수는 국내의 도시지역의 지반특성에 비하여 단주기 영역의 증폭을 과소평가하고 장주기 영역의 증폭을 과대평가하는 것으로 나타났다.
우리나라 도시지역의 일반적인 특성을 가지는 지반과 미국 서부해안지역의 지반은 기반암의 깊이와 고유주기가 차이가 있음을 확인하였다. 미국 서부해안지역에 적합하도록 작성된 UBC-1997을 토대로 제정된 내진설계 기준의 설계응답스펙트럼 작성 방법은 국내 지반조건에 적합하도록 개설할 필요가 있다고 판단된다.
해석대상지반의 지반조사 자료는 서울시 도시지역을 대상으로 국내 일반적인 지반특성을 가지는 풍화토와 풍화암이 발달된 지역 및 퇴적도가 발달된 지역에서 자료를 획득하였다. 서울시 158개의 지반을 내진설계기준에서 제시하는 분류방법을 이용하여 분류하였을 때 지반 S_B에 해당하는 37개, 지반 S_C은 107개, 지반 S_D은 14 개로 분류되었다. 각 지반 종류별 깊이에 따른 전단파속도 주상도는 Fig.
우리나라 도시지역의 일반적인 특성을 가지는 지반과 미국 서부해안지역의 지반은 기반암의 깊이와 고유주기가 차이가 있음을 확인하였다. 미국 서부해안지역에 적합하도록 작성된 UBC-1997을 토대로 제정된 내진설계 기준의 설계응답스펙트럼 작성 방법은 국내 지반조건에 적합하도록 개설할 필요가 있다고 판단된다.
해석대상부지에 대한 1차원 등가 선형 부지응답해석을 수행한 결과 부지별로 지층 구성 및 V_s분포와 같은 지반 특성에 따라 암반 노두에 대한 지표면 자유장 가속도의 비로 파악할 수 있는 증폭의 정도가 다르게 나타났다. Fig.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지진은 어떤 재해인가?	지진은 자연재해 중 가장 큰 인명과 재산피해를 입히는 자연재해이다. 국내에서는 지진발생시 지진에 대한 피해를 줄이기 위해 1980년대에 내진설계에 대한 개념을 도입하여 구조물 설계를 하였다.
	국내 내진설계기준은 무엇에 근거하여 설계하중을 결정하도록 되어있는가?	국내 내진설계기준을 보면 하중 결정시 우선 지역별 지진발생확률에 근거하여 작성된 지진 재해도에서 지역을 구분하고 지반 종류에 따른 설계응답스펙트럼을 작성하여 구조물 주기에 맞는 설계하중을 결정하도록 되어있다. 하지만 국내 내진설계기준의 지반의 종류를 결정하는 부분은 미국내진설계기준(UBC-1997)[1]을 차용하여 사용하고 있다.
	미국내진설계기준가 국내 내진설계에 미치는 영향은?	하지만 국내 내진설계기준의 지반의 종류를 결정하는 부분은 미국내진설계기준(UBC-1997)[1]을 차용하여 사용하고 있다. 국내 지반특성과 다른 미국의 지반특성에 적합하게 만들어진 기준을 그대로 사용하는 경우 과다 또는 과소 설계의 원인이 될 수 있다.

참고문헌 (10)

International Conference of Building Offisials, "Uniform Building Code" Califonia, USA, 1997.
Dobry, R. Vucetic, M. "State-of-the-Art Report: Dynamic Properties and Seismic Response of Soft Clay Deposits" Proceedings International Symposium on Geotechnical Engineering of Soft Soils, vol. 106, no. GT, pp. 720-724, 1987.
Yegian, M.K. Ghahraman, V.G. Gazetas, G. "1988 Armenia Earthquake, I: Seismological, Geotechnical, and Structural Overview." Journal of the Geotechnical Engineering Division, ASCE, vol. 120, no. 1, pp. 119, 1994. DOI: https://doi.org/10.1061/(ASCE)0733-9410(1994)120:1(1)
Minister of Land, Infrastructure and Transport, Integrated DB Center of National Geotechnical Information: www.geoinfo.or.kr
Zen, K. Yamazaki, H. Umehara, Y. "Experimental study on shear modulus and damping ratio of natural deposits for seismic response analysis", Report of the Port and Harbour Research Institute, pp. 26, 41-113, 1987.
Korea Infrastructure Safety and Technology Corporation, "Seismic Capacity Evaluation of the Structure : Foundation and Ground", 2004.
Ministry of Construction Transportation, "Study of seismic design standard (II)", Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 1997.
Idriss, I. M. Sun, J. I. "User's Manual for SHAKE91," Center for Geotechnical Modeling, Department of Civil Engineering, University of California, Davis, 1992.
Seed, H.B. Idriss, I.M. "Soil moduli and damping factors for dynamic response analyses", Earthquake Engineering Research Center, University of California, Berkeley, Report no. EERC, pp. 70-10, 1970.
Kim, D. S. Choo, Y. W. "Dynamic Deformation Characteristics of Cohesionless Soils in Korea Using Resonant Column Tests", Korean Geotechnical Society, vol. 17 no. 5, pp. 115-128, 2001.

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