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문제 정의
- 본 연구에서는 원심모형실험을 이용하여 기초-지반-기초 상호작용을 확인하기 위한 실험을 실시하고 결과를 분석하였다. 이를 위하여 서로 다른 크기를 가지는 직접 기초 모형을 제작하여 실험을 수행하였다.
가설 설정
- 만일 동일한 재료 및 동일한 밀도(ρ)로 원형구조물과 모형구조물을 제작하였다고 가정하면, 깊이
제안 방법
- 30분간 45g 조건에서 가속한 후 단계별로 입력 지진 파의 최대 가속도(Peak Ground Acceleration PGA)를 증가시키며 실험을 실시하였다. 입력 지진파의 최대 가속 도는 약 0.
- Fig. 5에 일차원 압축실험 시 벤더엘리먼트를 이용하여 획득한 전단파 속도 주상도와 공진주 시험으로 획득한 전단파 속도 주상도 및 45g 상태에서 원심모형실험 시 크로스홀 방식 배열의 벤더엘리먼트를 통해 측정된 지반의 전단파 속도 주상도를 비교하였다. 공진주시험의 경우, 등방의 구속압이 가해지나, 원심모형실험 시지반의 평균 유효 응력(σ´m)은 깊이에 따라 수직 유효 응력(σ´v)과 수평 유효 응력(σ´h)의 함수 관계에 있다:
- 서로 다른 크기를 가지는 직접기초의 구조물-지반-구조물 상호작용을 확인하기 위한 원심모형실험 실시하고 결과를 분석하였다. 다양한 최대가속도의 입력 지진을 적용하여 주요 위치에서 시간에 따른 수평 및 수직 가속도를 측정하고 이를 분석하였다.
- 두 기초의 상대적인 무게 차이를 명확하게 하기 위하여 서로 다른 크기의 알루미늄 재질의 직접 기초 모형 (F1 및 F2)을 제작하였다. Table 2는 1g에서 모형 기초의 제원 및 45g 조건의 원형 구조물의 동적 특성을 보여준다.
- 1의 입력운동 규정에 따라, 입력 지진파의 총 지속시간은 20초 이상이며, 강진 지속 시간 역시 최소 6초 이상이다. 또한 연속된 지진파를 정확하게 묘사하기 위하여 입력 지진파의 시간 증분을 0.01 초의 충분히 작은 시간 간격으로 분할 하였다.
- 또한, 지반 및 상부 구조물에 전달되는 지진을 정밀하게 모사하기 위하여 전기제어-유압방식(Electro hydraulic servo type)의 전자동 균형 제어 지진모사실험기(Fig. 1(b)) 를 원심모형실험기와 함께 사용하였다.
- 2g로 입력하였다. 비록 등가전단보 박스를 사용하였으나, 경계면 효과를 최소화하기 위하여, Case 1의 경우, 기초 폭(B) 크기를 고려하여 F1 및 F2 기초를 각각 경계면에서 283mm(원형 12.74m), 51mm(원형 2.3m) 떨어진 위치에 설치하였으며, 두 기초의 이격 거리에 따른 영향을 관찰하기 위하여 이격 거리를 각각 20mm (Case 1) 및 3.2mm(Case 2)(즉, 원형 기초 거리 0.9m 및 0.144m)로 변화시키며 입력 지진파에 따른 기초의 응답을 관찰하였다(Fig. 2(a)～3(b)).
- 서로 다른 크기를 가지는 직접기초의 구조물-지반-구조물 상호작용을 확인하기 위한 원심모형실험 실시하고 결과를 분석하였다. 다양한 최대가속도의 입력 지진을 적용하여 주요 위치에서 시간에 따른 수평 및 수직 가속도를 측정하고 이를 분석하였다.
- 이를 위하여 서로 다른 크기를 가지는 직접 기초 모형을 제작하여 실험을 수행하였다. 원심모 형실험 지반 조성을 위하여 원심모형실험 전 일차원 압축실험과 공진주시험(RC test)을 실시하면서 전단파속도(VS)를 측정하였다. 원심모형실험을 실시하고, 기초의 이격 거리 및 매립 여부에 따른 지반 및 기초의 가속도 응답을 관찰하고 분석하였다.
- 원심모 형실험 지반 조성을 위하여 원심모형실험 전 일차원 압축실험과 공진주시험(RC test)을 실시하면서 전단파속도(VS)를 측정하였다. 원심모형실험을 실시하고, 기초의 이격 거리 및 매립 여부에 따른 지반 및 기초의 가속도 응답을 관찰하고 분석하였다.
- 본 연구에서는 원심모형실험을 이용하여 기초-지반-기초 상호작용을 확인하기 위한 실험을 실시하고 결과를 분석하였다. 이를 위하여 서로 다른 크기를 가지는 직접 기초 모형을 제작하여 실험을 수행하였다. 원심모 형실험 지반 조성을 위하여 원심모형실험 전 일차원 압축실험과 공진주시험(RC test)을 실시하면서 전단파속도(VS)를 측정하였다.
- 일차원 압축실험 시 벤더엘리먼트(BE)를이용하여 전단파 속도를 측정한 후 평균 유효 응력을 구하기 위하여, 삼축압축시험에서 획득한 한계 상태 내부마찰각(øcv)을 이용하여 정지토압계수(K0 =1-sinøcv ) 를 계산하였다(Jaky, 1944; Michalowski, 2005).
- 입력 지진 하중에 따른 지반 가속도를 측정하기 위하여 다양한 깊이와 위치에 수평 및 수직 가속도계를 설치하였으며, 깊이별 전단파 속도 주상도를 획득하기 위하여 8쌍의 벤더엘리먼트를 깊이별로 설치하였다.
- 지진 모사 시 최적의 결과를 획득 및 대형모형지반 조성의 편의성을 위하여 낙사방법(air-pluviation)을 이용하여 상대밀도(Dr) 약 80%(즉, 밀도 ρ=약 1.54t/m3) 높이 60cm 의 시료를 조성하였고, 이를 원형 크기로 환산했을 경우 지반의 깊이는 27m이다.
- 정현파, 실지진파, 백색잡음 등을 입력 지진파로 적용할 수 있다. 지진 하중 전달 시 유한한 경계 조건을 모사하기 위하여, 등가 전단보 박스(ESB)를 이용하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 KAIST의 KOCED 지오센트리퓨지 실험센터의 원심모형실험기를 이용하였다. KOCED 원심 모형실험기는 회전반경 5.
- 본 연구에서는 U.S. Nuclear Regulatory Commission (NRC)의 Standard Review Plan 3.7.1(Rev. 4)(2012)의내진 설계용 입력 운동 규정을 만족하는 지반운동에 대해 응답스펙트럼에 부합되도록 만든 인공 지진파를 사용하였다(Fig. 3). SRP3.
-
본 연구에서는 모형지반을 조성하기 위하여 주문진 표준사를 이용하였다. 사용된 주문진 표준사의 평균입경(D50)은 0.237mm이며 비중은 2.65이다(ASTM-D854).
이론/모형
- 본 연구에서는 모형지반을 조성하기 위하여 주문진 표준사를 이용하였다. 사용된 주문진 표준사의 평균입경(D50)은 0.
- Table 2는 1g에서 모형 기초의 제원 및 45g 조건의 원형 구조물의 동적 특성을 보여준다. 원형 구조물의 동적 특성은 Gazetas(1983)가 제안한 이론식을 이용하여 계산하였다.
성능/효과
- 또한 45g 가속도 크기의 In-Flight 상태에서 측정된 시료의 깊이별 전단파 속도는 일차원 압축실험 시 벤더엘리먼트와 공진주 시험으로 획득한 전단파 속도와 매우 잘 일치하였다. 깊이 별 지반 가속도는 입력 지진파의 크기가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으며, 실험 시 모든 경우 가속도 증폭 현상에 의해 지표면 가속도가 가장 큰 값을 보였다.
- 자유장에서의 가속도 응답 스펙트럼의 최댓값은 지반의 고유 주기와 잘 일치하였으며, 기초의 주기에 따른 응답 스펙트럼 역시 지반의 거동에 큰 영향을 받는다. 두 기초의 상대적인 거리가 가까워 짐에 따라 구조물-지반-구조물 상호작용으로 인하여 RRS의 크기는 커지며, RRS 최댓값이 발생하는 주기는 감소한다. 기초가 지반에 매립되면, 지반의 구속 및 기초와 비교하여 상대 적으로 지반의 낮은 강성 및 높은 감쇠로 인하여 동일한 이격 거리에서 지표면에 설치된 두 기초의 RRS의 크기 보다 상당히 작은 값을 보인다.
- 또한 θ는 입자의접촉 및 구조변화(fabric change)에 영향을 받는다. 두 실험의 경우 서로 다른 구속 조건을 가지므로 응력의 변화에 따라 서로 다른 접촉 및 구조 변화를 경험하므로 Fig. 4와 같이 벤더엘리먼트 실험과 공진주 시험의 결과로부터 계산된 Gmax는 전체적으로 유사한 경향을 보이나, 구속 응력이 증가하면서 약간의 차이를 보인다.
- 의 결과가 매우 잘 일치하였다. 또한 45g 가속도 크기의 In-Flight 상태에서 측정된 시료의 깊이별 전단파 속도는 일차원 압축실험 시 벤더엘리먼트와 공진주 시험으로 획득한 전단파 속도와 매우 잘 일치하였다. 깊이 별 지반 가속도는 입력 지진파의 크기가 증가함에 따라 증가하는 경향을 보였으며, 실험 시 모든 경우 가속도 증폭 현상에 의해 지표면 가속도가 가장 큰 값을 보였다.
- 정지토압계수를 고려하여 평균 유효 응력으로 표현할 경우, 일차원 압축실험 시 벤더엘리먼트로 측정된 결과로 계산된 Gmax 와 공진주시험을 통해 얻어진 Gmax의 결과가 매우 잘 일치하였다. 또한 45g 가속도 크기의 In-Flight 상태에서 측정된 시료의 깊이별 전단파 속도는 일차원 압축실험 시 벤더엘리먼트와 공진주 시험으로 획득한 전단파 속도와 매우 잘 일치하였다.
후속연구
- 5와 같이, 각 Case 별로 45g 가속도 크기의 InFlight 상태에서 측정된 시료의 깊이별 전단파 속도는 일차원 압축시험 시 벤더엘리먼트와 공진주 시험으로 획득한 전단파 속도와 매우 잘 일치하였다. 따라서, 공진주시험 또는 벤더엘리먼트로 구한 깊이별 전단파 속도 예측값은 차후 수치해석의 입력 물성치 등으로 활용가능할 것으로 판단된다.
- Case 3와 같이 기초가 지반에 매립되면, 지반의 구속 및 기초의 강성과 비교하여 상대적으로 지반의 작은 강성 및 높은 감쇠로 인하여 두 기초 모두 RRS의 크기는 크게 줄어든다. 따라서, 기초를 지중에 매립할 경우 매립 효과로 인하여 기초의 동적 응답 크기를 상대적으로 줄일 수 있을 것으로 판단된다.
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