원심모형 실험을 이용한 해저 복층터널 중간슬래브 지지조건에 따른 지진 응답특성 Seismic response characteristics according to the supporting conditions of middle slab of double-deck undersea tunnel using the centrifuge testing원문보기
서울 및 수도권의 교통 집중과 정체로 인하여 지하 공간 활용성이 필요함에 따라 여러 지하 구조물의 건설이 증가하고 있다. 그 중 대표적인 구조물로 복층터널이 있다. 복층터널은 상, 하부 차도를 구분하여 운영하고 있고, 그 가운데 중간슬래브가 있다. 중간슬래브는 차량의 하중 및 지진하중에 의하여 동적거동을 보이게 되는데, 특히 지진의 의한 응답특성은 하중의 크기 및 작용 메커니즘이 매우 복잡하고 이론적 접근이 어려워 실험적 연구가 필요하다. 본 연구에서는 복층터널의 중간슬래브의 지지조건에 따른 지진 시 응답특성을 파악하기 위해 원심모형시험을 수행하였다. 중간슬래브의 양쪽 지지조건을 양단 강결, 탄성 받침의 2가지 경우로 나누어서 인공지진파 및 Ofunato (단주기)지진파, Hachinohe (장주기)지진파 3가지의 지진파를 적용하여 시험을 수행하였다. 그 결과, 양단 강결 조건에 비해 탄성 받침 조건의 가속도 응답이 인공지진파에서 최대 10.6%, 단주기 지진파에서 최대 13.6%, 장주기 지진파에서 최대 10.3% 감쇠됨을 확인하였다.
서울 및 수도권의 교통 집중과 정체로 인하여 지하 공간 활용성이 필요함에 따라 여러 지하 구조물의 건설이 증가하고 있다. 그 중 대표적인 구조물로 복층터널이 있다. 복층터널은 상, 하부 차도를 구분하여 운영하고 있고, 그 가운데 중간슬래브가 있다. 중간슬래브는 차량의 하중 및 지진하중에 의하여 동적거동을 보이게 되는데, 특히 지진의 의한 응답특성은 하중의 크기 및 작용 메커니즘이 매우 복잡하고 이론적 접근이 어려워 실험적 연구가 필요하다. 본 연구에서는 복층터널의 중간슬래브의 지지조건에 따른 지진 시 응답특성을 파악하기 위해 원심모형시험을 수행하였다. 중간슬래브의 양쪽 지지조건을 양단 강결, 탄성 받침의 2가지 경우로 나누어서 인공지진파 및 Ofunato (단주기)지진파, Hachinohe (장주기)지진파 3가지의 지진파를 적용하여 시험을 수행하였다. 그 결과, 양단 강결 조건에 비해 탄성 받침 조건의 가속도 응답이 인공지진파에서 최대 10.6%, 단주기 지진파에서 최대 13.6%, 장주기 지진파에서 최대 10.3% 감쇠됨을 확인하였다.
Due to the concentration and congestion of traffic in Seoul metropolitan area, effective utilization of underground space is required, and construction of various underground structures such as a double deck tunnel is increasing. Double deck tunnels are divided into upper and lower runways, and the ...
Due to the concentration and congestion of traffic in Seoul metropolitan area, effective utilization of underground space is required, and construction of various underground structures such as a double deck tunnel is increasing. Double deck tunnels are divided into upper and lower runways, and the most important part is middle slab. To investigate seismic behavior of middle slab, experimental study is required because of the complexity of the load and the mechanism of earthquake. In this study, centrifugal model tests were conducted to investigate the response characteristics of earthquake response according to the support conditions of the middle slab of a double deck tunnel. Artificial, Ofunato (short period) and Hachinohe (long period) seismic waves were employed in the experimental study. As a result, it was confirmed that the acceleration attenuation of elastomeric bearings condition was 10.6% in artificial earthquake, 13.6% in Ofunato earthquake, and 10.3% in Hachinohe earthquake. The results indicate that elastomeric bearings have some advantages in the viewpoint of seismic behaviors.
Due to the concentration and congestion of traffic in Seoul metropolitan area, effective utilization of underground space is required, and construction of various underground structures such as a double deck tunnel is increasing. Double deck tunnels are divided into upper and lower runways, and the most important part is middle slab. To investigate seismic behavior of middle slab, experimental study is required because of the complexity of the load and the mechanism of earthquake. In this study, centrifugal model tests were conducted to investigate the response characteristics of earthquake response according to the support conditions of the middle slab of a double deck tunnel. Artificial, Ofunato (short period) and Hachinohe (long period) seismic waves were employed in the experimental study. As a result, it was confirmed that the acceleration attenuation of elastomeric bearings condition was 10.6% in artificial earthquake, 13.6% in Ofunato earthquake, and 10.3% in Hachinohe earthquake. The results indicate that elastomeric bearings have some advantages in the viewpoint of seismic behaviors.
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문제 정의
, 2015)도 진행 되었다. 본 연구에서는 원심모형시험을 이용하여 복층터널 중간슬래브 지지조건에 따른 지진 시 응답특성을 파악 및 분석하였다. 중간 슬래브 지지조건을 강결 연결 지지조건(fixed connection) 과 탄성 받침 지지조건(elastomeric bearing)의 2가지 경우로 나누어서 두 가지의 시험에 인공지진파, Ofunato (단주기) 및 Hachinohe (장주기) 지진파를 적용하여 중 간슬래브의 역학적 거동을 비교 분석하여 중간슬래브 지지조건에 따른 응답 특성을 확인하였다.
가설 설정
분석결과, 지진이 발생 할 시 복층터널 내 중요 지점인 중간슬래브에 대한 지진 응답특성이 지지조건에 따라서 달라지는 경향을 확인 하였다. 각기 다른 특성을 지닌 지진파를 작용 시 지지 조건에 따라 감쇠율이 크게 차이남을 확인 하였다. 이는 복층터널 내진 설계 시 연결 조건은 강결 연결 조건보다는 탄성 받침 조건으로 설계 되어야 인명 피해 발생 및 터널 내 피해를 최소화 할 수 있다고 판단된다.
제안 방법
본 연구에서는 지진 시 중간슬래브에 발생하는 가속도 특성 파악을 위해 중간슬래브 양단의 강결 연결 지지조건 및 탄성 받침 지지조건에 대하여 동적 원심모형시험을 수행하였고, 각각의 주기특성이 다른 3가지의 지진파 (인공지진파, Ofunato, Hachinohe)를 사용하여 각 지점 조건 별 최대 가속도의 감쇠량을 확인한 결론은 다음과 같다. 인공지진파의 경우 최대치를 국내 지진구역 1구역의 붕괴방지 내진 1등급 설계기준 가속도인 0.
원심모형시험을 수행하여 가속도계 설치 지점별 가속도 응답을 측정하였다. 연구의 목적인 지진파 및 지지조건별 (양단 강결연결, 양단 탄성받침) 시험의 결과를 비교 분석하여 중간슬래브 연결 조건에 따른 감쇠효과를 확인하였다.
원심모형시험을 수행하여 가속도계 설치 지점별 가속도 응답을 측정하였다. 연구의 목적인 지진파 및 지지조건별 (양단 강결연결, 양단 탄성받침) 시험의 결과를 비교 분석하여 중간슬래브 연결 조건에 따른 감쇠효과를 확인하였다.
본 연구에서는 원심모형시험을 이용하여 복층터널 중간슬래브 지지조건에 따른 지진 시 응답특성을 파악 및 분석하였다. 중간 슬래브 지지조건을 강결 연결 지지조건(fixed connection) 과 탄성 받침 지지조건(elastomeric bearing)의 2가지 경우로 나누어서 두 가지의 시험에 인공지진파, Ofunato (단주기) 및 Hachinohe (장주기) 지진파를 적용하여 중 간슬래브의 역학적 거동을 비교 분석하여 중간슬래브 지지조건에 따른 응답 특성을 확인하였다.
대상 데이터
본 시험에서 사용된 지진파는 Ofunato (단주기)지진파, Hachinohe (장주기)지진파가 사용되었고, 다양한 주기특성을 가진 지진파를 모사하기 위해 표준응답스펙트럼에 부합하는 인공합성 지진기록을 추가적으로 생성하여 시험에 사용하였다. 우리나라의 경우 터널구조물은 내진1등급 붕괴방지 수준을 만족해야 하고 이때 최대지반가속도는 0.
Table 1은 축소모형이 실제현장과 유사한 거동을 발생시키기 위하여 원심가속장에서 시험을 수행하는 경우 주요 인지에 적용하는 상사성(Scaling factor)를 나타내었다. 본 연구에서는 실제 복층터널의 1:50의 축소모형을 제작하여 시험을 수행하였다.
본 연구에서는 원심모형 시험을 위해 한국과학기술원(KAIST)에 위치한 시험센터의 원심모형시험기를 사용하여 50 g의 수평가속도를 적용한 3가지의 지진파를 가진하여 시험을 수행하였다. 최대 가속도는 붕괴방지 내진 1등급에 해당하는 0.
본 연구에서는 지진 시 중간슬래브에 발생하는 가속도 특성 파악을 위해 중간슬래브 양단의 강결 연결 지지조건 및 탄성 받침 지지조건에 대하여 동적 원심모형시험을 수행하였고, 각각의 주기특성이 다른 3가지의 지진파 (인공지진파, Ofunato, Hachinohe)를 사용하여 각 지점 조건 별 최대 가속도의 감쇠량을 확인한 결론은 다음과 같다. 인공지진파의 경우 최대치를 국내 지진구역 1구역의 붕괴방지 내진 1등급 설계기준 가속도인 0.154 g로 보정하여 적용 하였으며, 주기 특성이 다른 Ofunato (단주기), Hachinohe (장주기)지진파를 이용하여 적용하였다. 3가지 지진파 적용 시, 강결 연결 지지조건의 감쇠량 보다 탄성 받침 지지조건의 감쇠효과가 커짐을 확인 할 수 있었다.
복층터널의 축소모델은 아크릴 판넬로 제작하였고 현장지반의 모사를 위해 실리카 모래강사 방식으로 풍화암/풍화토 지반을 모사하였다. 진동대 바스켓은 49 cm × 49 cm × 60 cm 길이의 강체토조(Rigid wall container) 박스로 제작하였다. 실리카 모래 80%로 2번에 걸친 강사 방법으로 모사하였다.
이론/모형
154 g를 적용하였다. 복층터널의 축소모델은 아크릴 판넬로 제작하였고 현장지반의 모사를 위해 실리카 모래강사 방식으로 풍화암/풍화토 지반을 모사하였다. 진동대 바스켓은 49 cm × 49 cm × 60 cm 길이의 강체토조(Rigid wall container) 박스로 제작하였다.
성능/효과
154 g로 보정하여 적용 하였으며, 주기 특성이 다른 Ofunato (단주기), Hachinohe (장주기)지진파를 이용하여 적용하였다. 3가지 지진파 적용 시, 강결 연결 지지조건의 감쇠량 보다 탄성 받침 지지조건의 감쇠효과가 커짐을 확인 할 수 있었다. 인공지진파의 경우 중간슬래브(중앙)에서의 감쇠량이 10.
Ofunato (단주기) 분석 결과 중간슬래브 중앙(13.6%)이 모든 지진파에서 가장 크게 나타났으며, 중간슬래브 좌측(6.6%), 하부슬래브 중앙(4.4%)에 비해서도 높은 감쇠량이 나타났다. 이는 단주기 지진파 발생 시 터널 내 중간슬래브 안에서 내진 성능이 가장 높아짐을 알 수 있는 결과이다.
이는 복층터널 내진 설계 시 연결 조건은 강결 연결 조건보다는 탄성 받침 조건으로 설계 되어야 인명 피해 발생 및 터널 내 피해를 최소화 할 수 있다고 판단된다. 따라서 복층터널 중간슬래브 연결방식은 강결 연결 지지조건 보다는 탄성 받침 지지조건의 내진성능이 더 우수하다고 판단된다.
분석결과, 지진이 발생 할 시 복층터널 내 중요 지점인 중간슬래브에 대한 지진 응답특성이 지지조건에 따라서 달라지는 경향을 확인 하였다. 각기 다른 특성을 지닌 지진파를 작용 시 지지 조건에 따라 감쇠율이 크게 차이남을 확인 하였다.
3가지 지진파 적용 시, 강결 연결 지지조건의 감쇠량 보다 탄성 받침 지지조건의 감쇠효과가 커짐을 확인 할 수 있었다. 인공지진파의 경우 중간슬래브(중앙)에서의 감쇠량이 10.6%, 중간슬래브(좌측)에서의 감쇠량이 8.7%, 하부슬래브(중앙)에서의 감쇠량이 0.58%로 나타났다. Ofunato (단주기) 지진파의 경우 중간슬래브(중앙)에서의 감쇠량 13.
중간슬래브 중앙(10.3%)의 감쇠비가 다른 지진파와 동일한 결과가 측정 되었고 또한 중간슬래브 좌측 (0.94%), 하부슬래브 중앙(6.3%) 와 비교 하면 다른 지진파에 비해 더 높은 감쇠 효과가 나타남을 확인하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
복층터널 내 구조물 중 가장 중요한 핵심은 무엇인가?
올해 9월에 일어난 경주지진 및 가장 최근에 일어난 포항 지진까지, 최근 우리나라 지진의 발생 증가로 인하여 복층 터널의 지진 시 동적거동 파악이 중요해졌다. 복층터널 내 구조물 중 가장 중요한 핵심은 운전자 및 이용자의 안전과 직결된 중간슬래브의 거동이다(Jang et al., 2016).
지진의 의한 응답특성의 특징은 무엇인가?
복층터널은 상, 하부 차도를 구분하여 운영하고 있고, 그 가운데 중간슬래브가 있다. 중간슬래브는 차량의 하중 및 지진하중에 의하여 동적거동을 보이게 되는데, 특히 지진의 의한 응답특성은 하중의 크기 및 작용 메커니즘이 매우 복잡하고 이론적 접근이 어려워 실험적 연구가 필요하다. 본 연구에서는 복층터널의 중간슬래브의 지지조건에 따른 지진 시 응답특성을 파악하기 위해 원심모형시험을 수행하였다.
중간슬래브의 거동이 가장 중요한 부분인 이유는 무엇인가?
, 2016). 중간슬래브의 경우 지진 시 인명피해가 가장 많이 발생할 수 있는 지점이므로 동적거동을 파악해야 하는 가장 중요한 부분이라 판단된다(Fig. 1).
참고문헌 (11)
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Jang, D.I., Kwak, C.W., Park, I.J. (2016), "The characteristics of dynamic behavior on middle slab in double-deck tunnel", Proceedings of the KSCE 2016 Convention (2016 Conference & Civil Expo), Vol. 2016, No. 10, pp. 188-189.
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