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일반 시설물의 지반-구조물 상호작용 해석 기준에 대한 고찰
Overview on Standards for Soil-Structure Interaction Analysis used in Design of Infrastructure 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.21 no.5, 2017년, pp.227 - 236  

김현욱 (한수원 중앙연구원) ,  하정곤 (한국과학기술원 건설환경공학과) ,  김동수 (한국과학기술원 건설환경공학과) ,  주광호 (한수원 중앙연구원)

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study reviews concepts, theories and formulas included in standards on soil-structure interaction and also shows practical example of application for engineers. Real structures are 3 dimensional and multi degree of freedom but they are often idealized to single degree of freedom for convenience...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 다음으로 등가 단자유도 지반-구조물 상호작용 해석시 등가높이 산정을 위한 절차를 제시하였고 고정지반해석 가능 조건을 평가하였으며 응답스 펙트럼 기반 간략해석 적용성 평가를 위한 사례연구를 진행하였다. 먼저, 등가높이 산정과 관련하여 모멘트 평형조건을 적용하였을 때, 구조물의 고 유진동수와 부합하는 두가지 경우 1)구조물의 실제 강성 부합, 2)실제 발생 회전각 부합에 따른 등가높이 차이와 발생 응답의 차이를 분석해 보았다.
  • 따라서, 식 (2c)의 고유 각진 동수(ωSSI)와 식 (8a)의 등가 감쇠비((LaTax 구현))를 이용하여 운동방정식을 식 (12) 와 같이 재구성한 다음 최대응답을 산정해 보았고 이를 식 (10)에 의한 최대 응답과 비교하여 응답스펙트럼 기반 간략해석의 유효성 즉, 식 (12)에 의한 최대응답결과의 적용성을 평가해보고자 하였다.
  • 본 논문에서는 구조물기초설계기준을 포함한 국내외 기준에서 제시하고 있는 지반스프링과 감쇠비에 의한 등가 단자유도 지반-구조물 상호작용 해석모델의 이론과 해석절차를 상세히 분석해 보았고 추가적으로 등가 단자유도 지반-구조물계 이상화 방법의 영향, 고정 지반으로 간주될 수 있는 지반 조건 및 응답스펙트럼 기반 간략 평가의 적용성을 분석해 보았다.
  • 1(b)는 상기 두가지 현상을 고려한 지반-구조물 상호작용 효과에 대한 표 및 모식도로 FEMA440 (2005) 에서는 지반-기초계의 유연성 도입에 의한 영향을 관성 상호작용과 별도의 유연기초효과로 정의하고 있다[1]. 본 논문에서는 시설물의 간략 SSI 해석기준을 분석하여 실무자들이 해석수행을 하는데 필요한 상세 지침을 마련하고자 하였으며, 추가적으로 등가 단자유도 지반-구조물계의 해석 평가사례를 통해 단자유도 이상화 방법에 대한 고찰과 고정 지반 조건 및 응답스펙트럼 기반 간략 평가의 적용성을 평가해 보고자 하였다.
  • 본 연구에서는 시설물의 간략 지반-구조물 상호작용 해석기준 및 연구 문헌을 분석하여 실무자들이 해석수행을 하는데 필요한 기본 이론과 이에 부합하는 상세 지침을 제시하였으며 추가적으로 실무 적용에 필요한 변수 설정등에 대한 고찰을 위해 사례연구를 진행하였다. 전반적인 내용을 정리하면 다음과 같다.

가설 설정

  • 지진응답 평가에 이용된 대상 구조물은 원통형 탱크구조물로 고유진동 수 f0=3.5 Hz(ω0=22 rad/sec)의 단자유도로 거동하는 것으로 가정하였다.
  • 첫 번째는 구조물만의 고유 각진동수(ω0 )가 기초 상부의 구조물 강성(ks )과 질량(ms )에 의해 결정되는 것으로 가정하여 실린더(2) 부위와 캡(1)만을 고려한 모멘트 평형조건으로 등가높이(h1 )를 산정한 경우이고, 두 번째는 기초 발생 회전각이 실제와 동일하게 발현되도록 캡과 실린더 뿐 아니라 기초(3)까지 고려한 모멘트 평형조건에 의해 등가높이 (h2 )를 산정한 경우이다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
구조물의 진동 특성은 어떻게 구분되는가? 구조물의 진동 특성이 주변 지반에 따라 달라지는 지반-구조물 상호작용(SSI, Soil-Structure Interaction) 효과는 크게 관성 상호작용(Inertial Interaction)과 운동학적 상호작용(Kinematic Interaction)으로 구분된다. 먼저, 관성 상호작용은 지진하중에 의해 발생된 구조물의 관성력이 기초-지반간 상대변위를 유발하여 지반재료감쇠(Hysteretic Soil Damping)와 방사감쇠(Radiation Damping)를 일으키는 현상을 의미하며, 운동학적 상호 작용은 기초의 존재와 근입 효과로 인하여 입력운동이 자유장 지표면에서와 차이를 보이는 현상을 의미한다.
등가높이 산정을 위한 절차는 어떻게 이루어지는가? 다음으로 등가 단자유도 지반-구조물 상호작용 해석시 등가높이 산정을 위한 절차를 제시하였고 고정지반해석 가능 조건을 평가하였으며 응답스 펙트럼 기반 간략해석 적용성 평가를 위한 사례연구를 진행하였다. 먼저, 등가높이 산정과 관련하여 모멘트 평형조건을 적용하였을 때, 구조물의 고 유진동수와 부합하는 두가지 경우 1)구조물의 실제 강성 부합, 2)실제 발생 회전각 부합에 따른 등가높이 차이와 발생 응답의 차이를 분석해 보았다. 두 번째로 고정지반 해석 조건을 평가하기 위해 비교적 견고한 두가지 지반조건에서의 응답결과를 산정하고 고정지반 조건 해석결과와 비교하여 고정 지반 조건 가정이 성립되는 변수 범위 Vs=2,400 m/sec, ω0/ωSSI=1.02 및 f(2)/f(1)=5.22 를 확인하였다. 마지막으로 등가 단자유도 지반-구조물계의 고유 각진동수(ωSSI)와 등가 감쇠비((LaTax 구현))를 산정하고 설계응답스펙트럼상의 해당 스펙트럼 가속도를 구하여 이를 지진하중 산정에 활용하는 간략 절차 의 적용성을 확인하였다.
관성 상호작용는 무엇을 의미하는가? 구조물의 진동 특성이 주변 지반에 따라 달라지는 지반-구조물 상호작용(SSI, Soil-Structure Interaction) 효과는 크게 관성 상호작용(Inertial Interaction)과 운동학적 상호작용(Kinematic Interaction)으로 구분된다. 먼저, 관성 상호작용은 지진하중에 의해 발생된 구조물의 관성력이 기초-지반간 상대변위를 유발하여 지반재료감쇠(Hysteretic Soil Damping)와 방사감쇠(Radiation Damping)를 일으키는 현상을 의미하며, 운동학적 상호 작용은 기초의 존재와 근입 효과로 인하여 입력운동이 자유장 지표면에서와 차이를 보이는 현상을 의미한다. Table 1, 2와 Fig.
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참고문헌 (13)

  1. FEMA. Improvement of nonlinear static seismic analysis procedures, FEMA 440, Washington, DC. c2004. 

  2. Korean Geotechnical Society. Commentary for Foundation Design Code. c2015. 847 p. 

  3. Architectural Institute of Korea. Korea Building Code and Commentary. c2009. 

  4. Stewart JP, Seed RB, Fenves GL. Empirical Evaluation of Inertial Soil Structure Interaction. Report No.Peer-98/07. c1998. 

  5. ASCE. Seismic Analysis of Safety-Related Nuclear Structures and Commentary ASCE Standard 4-98. c1999. 

  6. US NRC. Seismic System Analysis. Standard Review Plan 3.7.2. c2007. 

  7. Stewart JP. Kim S. Bielak J. Dobry R. Power MS. Revisions to soil-structure interaction procedures in NEHRP design provisions. Earthquake Spectra. 2003 Aug;19(3):677-696. 

  8. Wong HL. Luco JE. Tables of impedance functions for square foundations on layered media. Soil Dynamics and Earthquake Engineering. 1985;4(2):64-81. 

  9. Wolf JP. Dynamic Soil-Structure Interaction: Prentice Hall. Englewood Cliffs; c1985. 

  10. Veletsos AS. Verbic B. Vibration of viscoelastic foundations. Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 1973;2(1):87-102 

  11. Aspel RJ. Luco JE. Impedance functions for foundations embedded in a layered medium: an integral equation approach. Earthquake Engineering and Structural Dynamics. 1987;15(2):213-231. 

  12. EPRI. Engineering Technical Training Modules for Nuclear Plant Engineers(Civil/Structural Series: Module #5) - Soil Structure Interaction(1010808). c2005. 

  13. Stewart JP. Fenves GL. Seed RB. Seismic Soil-Structure Interaction in Buildings. I: Analytical Methods. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. 1999 Jan;125(1):26-37. 

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