[논문]가상고정점기법이 적용된 잔교식 구조물의 응답스펙트 럼해석법 개선사항 도출 연구

윤정원; 한진태

doi:10.5000/eesk.2018.22.6.311

[국내논문] 가상고정점기법이 적용된 잔교식 구조물의 응답스펙트 럼해석법 개선사항 도출 연구
Study on the Improvement of Response Spectrum Analysis of Pile-supported Wharf with Virtual Fixed Point 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.22 no.6, 2018년, pp.311 - 322

윤정원 (과학기술연합대학원대학교(UST) 스마트시티&건설공학) , 한진태 (한국건설기술연구원)

Abstract ▼ AI-Helper

As a method of seismic-design for pile-supported wharves, equivalent static analysis, response spectrum analysis, and time history analysis method are applied. Among them, the response spectrum analysis is widely used to obtain the maximum response of a structure. Because the ground is not modeled in the response spectrum analysis of pile-supported wharves, the amplified input ground acceleration should be calculated by ground classification or seismic response analysis. However, it is difficult to calculate the input ground acceleration through ground classification because the pile-supported wharf is build on inclined ground, the methods to calculate the input ground acceleration proposed in the standards are different. Therefore, in this study, the dynamic centrifuge model tests and the response spectrum analysis were carried out to calculate the appropriate input ground acceleration. The pile moment in response spectrum analysis and the dynamic centrifuge model tests were compared. As a result of comparison, it was shown that the response spectrum analysis results using the amplified acceleration in the ground surface were appropriate.

주제어

AI 본문요약
AI-Helper

문제 정의

이에 본 연구에서는 잔교식 구조물의 응답스펙트럼 해석에 대한 개선사항을 도출하기 위해 지반증폭현상에 따른 적절한 입력지반가속도 결정방법을 제시하고자 응답스펙트럼 해석과 더불어 동적원심모형실험을 수행하였다. 먼저 대표단면에 대한 동적원심모형실험을 통해 지반의 다양한 깊이에서 입력지반가속도를 산정하였다.

제안 방법

이에 본 연구에서는 잔교식 구조물의 응답스펙트럼 해석 시 적절한 입력지진 가속도 결정방법을 제시하기 위해 응답스펙트럼해석과 더불어 동적원심모형실험을 수행하였다. 동적원심모형실험으로부터 얻어진 깊이 별 가속도 결과 값을 이용하여 응답스펙트럼 해석을 수행하였으며, 응답스펙트럼해석 및 동적원심모형실험을 통해 산정된 말뚝 최대 모멘트를 비교하였다. 본 연구를 통해 얻은 결론은 다음과 같다.
잔교식 안벽의 경우 일반적으로 경사 지층에 설치되는 구조물이므로 지반분류를 통한 지진가속도 결정 방법이 어려우며, 기준서에서도 입력지반 가속도 결정 방법이 상이하여 잔교식 구조물의 응답스펙트럼 해석 시 혼선을 빚고 있다. 이에 본 연구에서는 잔교식 구조물의 응답스펙트럼 해석 시 적절한 입력지진 가속도 결정방법을 제시하기 위해 응답스펙트럼해석과 더불어 동적원심모형실험을 수행하였다. 동적원심모형실험으로부터 얻어진 깊이 별 가속도 결과 값을 이용하여 응답스펙트럼 해석을 수행하였으며, 응답스펙트럼해석 및 동적원심모형실험을 통해 산정된 말뚝 최대 모멘트를 비교하였다.

대상 데이터

동적원심모형실험을 위해 포항 신항에 위치한 공용중인 잔교식 말뚝 중 일부 구간을 선정하여 축소모델로 제작하였으며 직경 0.914 m, 길이 24 m의 3x3 말뚝을 선정하였다. 지반의 경우 사질토 지반으로 단순화하였고, 실제 지반과 동일하게 경사를 33도로 조정하였다.
Table 4에서는 3가지 모델에 적용된 입력지진파에 대하여 나타내고 있다. 본 연구에서는 1가지의 인공지진파를 활용하여 실험을 수행하였으며, 각각의 모델 별로 3~4회의 지진파가 가력되었다. 또한 0.
실험에 사용된 원심모형실험기는 5 m의 회전반경을 가지며, 최대 240 g-ton 조건에서 실험을 수행할 수 있다[22]. 실험에 사용된 모형토조는 길이 49 cm, 폭 49 cm, 높이 63 cm의 정사각형 ESB(Equivalent Shear Beam) Box를 사용하였으며, 약 6 cm 상자의 각 층은 고무버클로 연결되어 있어, 지반의 거동과 거의 동일하게 변형하면서 벽체 반사파의 영향을 줄여 준다[23].

데이터처리

6도의 잔류 회전이 발생하였다. 따라서 본 연구에서는 PIANC[1] 기준에 따라 Degree I 수준을 만족시키므로 연성계수 1.0을 적용하여 모멘트를 평가하였다.
다음으로 입력 가속도 결정을 위해 동적원심모형실험으로부터 산정 된 깊이 별 가속도를 응답스펙트럼 곡선으로 변환하였다. 이를 가상고정점 모델에 적용하여 응답스펙트럼 해석을 수행하였으며, 응답스펙트럼 해석 시에는 Fig. 7과 같이 유한요소해석 프로그램인 MIDAS GEN 2016 ver 1.4를 활용하였다.

성능/효과

1) 동적원심모형실험을 통해 산정된 경사지반의 최대지반가속도(PGA)와 지반분류를 통한 지진 계수로 산정된 최대지반가속도(PGA)를 비교한 결과, 두 결과 값에 큰 차이가 발생하는 것을 알 수 있다. 지진계수를 활용한 결과의 경우, 수평지반 지표면에서 산정된 지진파 기록을 통해 도출된 결과이기 때문이다.
2) 말뚝 깊이에 따른 모멘트를 분석한 결과, 응답스펙트럼해석 및 동적원심 모형실험 모델 모두 해수측 말뚝 에서 육지측 말뚝 으로 갈수록 상부지반의 모멘트의 변화율이 컸으며, 대부분 육지측 말뚝 상부에서 최대 모멘트가 발생하였다. 이는 육지측 말뚝에서 지반 높이가 가장 두터우므로 사면의 횡 방향 변형에 의해 가장 큰 운동학적 힘이 발생하였기 때문으로 판단된다.
3) 상대밀도에 따른 말뚝 최대 모멘트를 분석한 결과, 동적원심모형실험 및 응답스펙트럼해석 모두 상대밀도가 클수록 말뚝 최대 모멘트가 크게 발생하는 것으로 나타났다. 또한 응답스펙트럼해석 모델의 경우 가상고정점 위치에 해당하는 가속도를 적용하여 응답스펙트럼 해석을 수행한 경우보다 지표 상부 위치 가속도를 적용하여 해석을 수행하는 경우 더 큰 모멘트가 발생하는 것으로 보인다.
4) 결과적으로, 중앙부 가상고정점 위치의 가속도를 활용하여 응답스펙트럼 해석을 수행할 경우 모멘트 값을 과소평가하는 것으로 나타났으며, 지반 상부의 증폭된 가속도를 적용하여 응답스펙트럼 해석을 수행하는 것이 적절할 것으로 판단된다.

후속연구

이로 인해 중앙부 가상고정점 증폭 가속도보다 좀더 큰 값을 나타내는 지표면 증폭 가속도를 이용한 응답스펙트럼 해석이 실험값과 유사하거나 약간 큰 결과를 보여준 것으로 판단된다. 그러므로 향후 구조물의 고유주기를 비교적 적절히 모사할 수 있는 탄성스프링모델 기법 등을 활용하여 잔교식 안벽의 응답스펙트럼 해석을 수행하는 것이 적절할 것으로 판단된다.
5) 일반적으로 응답스펙트럼 해석의 경우, 지반의 모델링 없이 가상고정점 기법을 통해 프레임 구조물로 가정하여 해석을 수행하므로 응답스펙트럼 해석 시 중요한 인자인 잔교식 구조물의 고유주기를 적절히 모사하기 어려우며, 잔교식 안벽에 가해지는 간극수압에 대한 모사 또한 어렵다. 그러므로 향후 다수의 입력지진파를 활용하여 구조물의 고유주기를 비교적 적절히 모사할 수 있는 탄성 스프링 모델 기법 및 간극수압이 고려된 응답스펙트럼 해석을 수행할 계획이며, 이를 통해 잔교식 구조물의 실제 거동을 더 유사하게 모사할 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	응답스펙트럼 해석법이란 무엇인가?	또한 기준서에서는 잔교식 안벽 내진설계 시 응답스펙트럼 해석을 사용하도록 제시하고 있다. 응답스펙트럼 해석법은 응답스펙트럼 곡선을 통해 구조물의 고유모드에 따른 최대 응답을 산정하는 탄성해석 기법이다[15]. 본 기법은 해석의 간편함과 더불어 모드 조합법을 통해 다수의 모드를 고려할 수 있어 종래부터 교량 및 구조물 등에 널리 사용되어 왔다[16, 17].
	국제해운협회에서 제시하는 구조물 수치해석 기법은 무엇이 있는가?	잔교식 안벽과 같은 항만 구조물의 경우 실제 크기의 실물 시험이 어려우므로 수치해석기법을 이용하여 내진성능을 평가할 수 있다. 국제해운협회(International Navigation Associate)의 Seismic Design Guideline for Port Structures(이하 PIANC)[1]에서는 잔교식 구조물의 수치해석 기법으로 push-over 해석법, 응답스펙트럼 해석법, 그리고 FEM/FDM(시간이력해석법) 등을 제시하고 있으며, 해양수산부 항만 및 어항시설의 내진설계 표준서(이하 MOF)[2]에서는 응답스펙트럼법, 그리고 시간이력해석법 등을 제시하고 있다. 이 중 push-over 해석법은 구조물의 비선형 해석을 통해 지진 하중에 대한 구조물의 보유 성능을 평가하는 비선형 정적 해석 기법으로, 항복점 도출 및 구조물의 안정성 평가를 위해 본 해석이 사용되고 있다[3-6].
	잔교식 구조물의 수치해석 기법 중 push over 해석법의 특징은 무엇인가?	국제해운협회(International Navigation Associate)의 Seismic Design Guideline for Port Structures(이하 PIANC)[1]에서는 잔교식 구조물의 수치해석 기법으로 push-over 해석법, 응답스펙트럼 해석법, 그리고 FEM/FDM(시간이력해석법) 등을 제시하고 있으며, 해양수산부 항만 및 어항시설의 내진설계 표준서(이하 MOF)[2]에서는 응답스펙트럼법, 그리고 시간이력해석법 등을 제시하고 있다. 이 중 push-over 해석법은 구조물의 비선형 해석을 통해 지진 하중에 대한 구조물의 보유 성능을 평가하는 비선형 정적 해석 기법으로, 항복점 도출 및 구조물의 안정성 평가를 위해 본 해석이 사용되고 있다[3-6]. 2차원 시간이력해석은 중요도가 높은 구조물에 적용되며, 다른 해석 기법에 비해 높은 정확도를 가지므로 민감도 분석 및 취약도(fragility)분석 등에서 널리 사용되어 왔다[7-12].

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