[논문]지하층-지반 운동학적 상호작용을 고려한 기초저면의 설계지반운동 산정

윤지남; 김주형; 박두희

doi:10.14481/jkges.2018.19.11.31

지하층-지반 운동학적 상호작용을 고려한 기초저면의 설계지반운동 산정
Extracting Foundation Input Motion Considering Soil-Subterranean Level Kinematic Interaction 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.19 no.11, 2018년, pp.31 - 37

(Department of Civil and Environmental Engineering, Hanyang University) , 윤지남 (Department of Civil and Environmental Engineering, Hanyang University) , 김주형 (Multi-Disaster Mitigation Research Group, Korea Institute of Civil Engineering and Building Technology) , 박두희 (Department of Civil and Environmental Engineering, Hanyang University)

초록
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대부분의 초고층 건물은 지상 구조물과 주차와 상가 용도 등으로 사용되는 복수층의 지하 구조물로 구성된다. 지하층은 초고층 건물의 지진응답에 큰 영향을 줄 수 있지만 내진설계에서 이의 영향이 명확하게 규명되지 않았다. 국외에서 가장 널리 사용되는 고층 구조물 내진설계 지침서에서는 지하층은 모델링하되 주변 지반은 모사하지 않으며 지하층-지반 운동학적 상호작용을 고려하여 계산된 기초 저면의 운동을 적용할 것을 권장하고 있다. 본 연구에서는 지하 1층과 5층 구조물에 대한 동적 해석을 수행하여 지하층 저면에서의 운동을 계산하였으며 자유장 운동과 비교하였다. 수치해석 결과를 내진설계 지침서에 제시된 상호작용을 고려하는 두가지 방법과 비교한 결과, 지하 1층의 경우 이 중 한가지 방법이 해석결과와 잘 맞지만 지하 5층의 경우 지침서에 제시된 방법은 큰 차이가 발생하는 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

Most of tall building systems are composed of above-ground structure and underground structure used for parking and stores. The underground structure may have a pronounced influence on tall building response, but its influence is still not well understood. In a widely referred report on seismic design of tall buildings, it is recommended to model the underground structure ignoring the surrounding ground and to impose input ground motion calculated considering the underground structure-soil kinematic interaction between at its base. In this study, dynamic analyses are performed on 1B and 5B basements. The motions at the base are calculated to free field responses. The motions are further compared to two procedures outlined in the report to account for the kinematic interaction. It is shown that one of the procedure fits well for the 1B model, whereas both procedures provide poor fit with 5B model analysis result.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Modeling approaches (a) Direct model, (b) Fixed base at surface (Case 1), (c) Fixed-base at subterranean level (Case 2), (d) Rigid bathtub (Case 3), (e) Spring-dashpot with depth variant excitation (Case 4)
그림 Fig. 2. Schematic illustration of substructure approach to solution to account for soil-structure-interaction
그림 Fig. 3. Two basement models: (a) 1 level basement model, (b) 5 level of basement model
그림 Fig. 4. Selected soil profile and input rock out crop motion
표 Table 1. Characteristics of selected rock outcrop motion for time history analysis
그림 Fig. 5. Comparison of free-field surface, raft, and u_FIM motions: (a) 1B, (b) 5B
그림 Fig. 6. Ratio of u_FIM at raft with free field motion at the depth of raft for 1B and 5B models
그림 Fig. 7. Comparison of transfer functions presented in NIST procedure and numerical simulation for 1B model
그림 Fig. 8. Comparison of transfer functions presented in NIST procedure and numerical simulation for 5B model

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 미국표준기술연구소(National Institute of Standards and Technology, NIST)에서 제시한 해석 절차 Stewart et al., 2012)인 해석해를 이용하여 지하층의 운동학적 상호작용을 고려한 지상 구조물의 설계지반운동을 산정하는 방법의 적용성을 평가하였다.

가설 설정

Case 1 (Fig. 1b): 하부 구조물을 고려하지 않으며 지상 구조물의 1층 저면이 지표면에 고정되어 있다고 가정한다. 자유장 지표면의 설계지반운동(u_g)을 사용한다.

제안 방법

NIST 해석 절차는 운동학적 상관관계를 구하는 방법으로 H_u모델과 RRS 모델의 2가지를 제시하였다. 먼저 H_u모델에서 전달함수 구하는 방법은 다음과 같다.
NIST 해석 절차에서는 H_u 모델 이외에 FEMA 440(2005)에 기반한 경험적으로 전달함수를 계산하는 RRS 모델을 제시하였다. 이 모델 역시 H_u 모델과 마찬가지로 기초슬래브 평균화와 관입깊이의 영향에 대해 각각 RRS_bsa 와 RRS_emb로 분류하여 Eq.
NIST 해석 절차에서는 지반-구조물 상호작용(Soil-Structure Interaction, SSI)을 고려하여 고층 구조물의 응답을 평가하는 여러 모델을 소개하였다. Fig.
지반과 구조물은 탄성 거동으로 가정하되 지반은 아래에 상세하게 설명할 등가선형 물성을 적용하였다. 구조요소와 지반요소 사이의 접점은 해석해와 비교하기 위해 의도적으로 구속하였다.
지반의 비선형성은 SSI에 중요한 영향을 미치므로 이를 고려하여 동적 해석을 수행해야 한다. 본 연구에서는 1차원 부지응답해석을 수행하여 지층별 등가선형 물성을 추출하였으며 이를 2차원 해석에 적용하였다. 1차원 부지 응답해석은 DEEPSOIL 6.
본 연구에서는 운동학적 상호작용을 고려한 고층 구조물 지하층 저면에서의 설계지반운동을 산정하는 방법의 적용성을 수치해석 결과와 비교, 평가하였다. 평가에 사용된 방법은 국외에서 대표적으로 널리 활용되는 두 가지 방법으로 해석해에 의한 H_u 모델과 경험적 방법인 RRS 모형이다.
4절점 축소된 적분 요소(CPE4R)와 2절점 빔 요소(B21)를 지반과 구조물에 각각 사용하였다. 지반과 구조물은 탄성 거동으로 가정하되 지반은 아래에 상세하게 설명할 등가선형 물성을 적용하였다. 구조요소와 지반요소 사이의 접점은 해석해와 비교하기 위해 의도적으로 구속하였다.
1e): 지상 구조물과 하부 구조물 전체를 모델링 한다. 지반의 연성과 감쇠 특성은 하부구조물에 연결된 스프링과 대쉬포트로 모사한다. 수평 하부에는 연직 스프링과 대쉬포트를 사용한다.
지하층의 응답특성과 NIST 해석 절차의 u_FIM 산정 방법의 적절성을 평가하기 위하여 2가지 지하 구조물에 대한 수치해석을 수행하였으며 개요도는 Fig. 3에 도시하였다. 깊이 6m와 24m의 지하 1층과 5층 구조물은 각각 1B, 5B 모델로 명명하였다.
NIST procedure에서는 ㄷ자형 지하층과 지반과의 운동학적 상호작용 모사 시 두 가지를 고려해야 한다고 기술하고 있다. 첫 번째는 기초 슬래브 평균화(base slab averaging), 두 번째는 관입깊이 영향(embedment effect)이며 각각에 대한 전달함수를 제안하였다. 기초 슬래브 평균화는 지반운동이 연직방향으로 입사하지 않는 경우 발생하는 도달 시간차와 모든 지진파에 내재된 공간적 비상관성 등 입사파와 강성이 큰 기초와의 복잡한 상호작용을 고려하기 위하여 사용되며, 관입깊이 영향은 깊이가 증가할수록 감소하는 지반운동을 모사하기 위하여 사용된다.
하부경계는 수직방향으로 고정되었으며 하향 지진파를 흡수하기 위하여 Lysmer &Kuhlemeyer (1969)의 점성 대쉬포트를 적용하였으며, 양쪽 측면경계의 마주 보는 질점에는 ABAQUS의 복수지점구속(Multi-point Constraint, MPC) 기능을 사용하여 동일한 수평 자유도를 가지도록 상호 연결 고정하였다.

대상 데이터

이 경계조건은 수평방향 으로 무한한 지반을 모사하기 위하여 사용되며 자유장 경계조건과 동일한 것으로 알려져 있다. 4절점 축소된 적분 요소(CPE4R)와 2절점 빔 요소(B21)를 지반과 구조물에 각각 사용하였다. 지반과 구조물은 탄성 거동으로 가정하되 지반은 아래에 상세하게 설명할 등가선형 물성을 적용하였다.
2차원 동적해석에서는 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하였다. 해석 영역은 연직방향으로 50m이며 수평 방향으로 394.3m이다. 하부경계는 수직방향으로 고정되었으며 하향 지진파를 흡수하기 위하여 Lysmer &Kuhlemeyer (1969)의 점성 대쉬포트를 적용하였으며, 양쪽 측면경계의 마주 보는 질점에는 ABAQUS의 복수지점구속(Multi-point Constraint, MPC) 기능을 사용하여 동일한 수평 자유도를 가지도록 상호 연결 고정하였다.

데이터처리

3m이며 이는 실제 국내에 시공된 고층 구조물의 지하층을 모사한 것이다.2차원 동적해석에서는 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS를 사용하였다. 해석 영역은 연직방향으로 50m이며 수평 방향으로 394.

이론/모형

본 연구에서는 1차원 부지응답해석을 수행하여 지층별 등가선형 물성을 추출하였으며 이를 2차원 해석에 적용하였다. 1차원 부지 응답해석은 DEEPSOIL 6.1(Hashash et al., 2016)을 사용하 였으며 토층에는 전단강도 보정이 적용되는 General Quadratic Hyperbolic(GQ/H)(Groholski et al., 2016)을 사용하였고, 점탄성모델이 암반에 사용되었다. 토층에는 Non-Masing 법칙을 사용하여 목표 비선형 곡선을 정확하게 맞추는 MRDF 모델(Phillips &Hashash, 2009)을 사용하였다.
토층에는 Non-Masing 법칙을 사용하여 목표 비선형 곡선을 정확하게 맞추는 MRDF 모델(Phillips &Hashash, 2009)을 사용하였다. 기준 비선형 곡선으로는 Darendeli(2001) 모델이 사용되었으며, 사질토라고 가정하여 과압밀비(OCR)는 1.0, 정지토압계수(K₀)는 0.5, 소성지수(PI)는 0, 반복횟수(N)와 주파수는 각각 10과 1.0을 적용하였다. 유효변형률계수는 0.
토층에는 Non-Masing 법칙을 사용하여 목표 비선형 곡선을 정확하게 맞추는 MRDF 모델(Phillips &Hashash, 2009)을 사용하였다.
본 연구에서는 운동학적 상호작용을 고려한 고층 구조물 지하층 저면에서의 설계지반운동을 산정하는 방법의 적용성을 수치해석 결과와 비교, 평가하였다. 평가에 사용된 방법은 국외에서 대표적으로 널리 활용되는 두 가지 방법으로 해석해에 의한 H_u 모델과 경험적 방법인 RRS 모형이다. 평가 결과, 지하 1층(1B) 모델의 경우 RRS 방법이 수치해석 결과와 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다.

성능/효과

1 s 미만 에서 가장 중요한 영향을 미치며 장주기에서는 큰 영향이 없는 것으로 나타났다. 1B와 5B의 0.1 s까지의 평균 비율은 각각 0.78과 0.81로 1B에서 감소폭이 더욱 크게 발생하는 것으로 나타났다.
7에 도시한 1B 모델의 경우, H_u방법은 비상관성과 입사파의 도착 시간차를 고려하기 때문에 RRS 모델에 비하여 전달함수가 저주기에서 극히 작은 것을 확인할 수 있다. 보수적인 것으로 알려진 RRS 모델의 경우 수치해석 결과와 매우 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. 비상관성과 지진파 지연 효과를 고려하는 것은 불확실성이 크므로 RRS 모델을 사용하는 것이 합리적일 것으로 판단된다.
본 연구에서는 지하층-지반의 운동학적 상호작용만을 평가하였지만 고층 구조물에는 지상 구조물의 관성학적 상호 작용도 영향을 줄 수 있다. 추후 연구에서는 운동학적 상호 작용과 관성학적 상호작용에 대한 복합적인 평가가 진행될 필요가 있다고 판단된다.
1B의 경우 심도가 6m 에 불과하여 자유장 운동이 지표면과 기초에서의 운동과 유사한 것을 확인할 수 있다. 운동학적 상호작용을 고려하는 u_FIM의 경우 자유장 기초저면 깊이에서의 운동과 큰 차이가 발생하지 않는 것으로 나타났으며, 그 차이는 최대 22%로 계산되었다. 5B 모델의 경우, 심도가 24m에 달하므로 지표면의 운동에 비하여 자유장 기초 저면 깊이에서의 운동은 상대적으로 작은 것을 확인할 수 있다.
1 s까지는 uFIM 이 자유장 운동보다 작으며 주기가 증가할수록 점진적으로 증가하여 1 s 이상에서는 1에 가까워지는 것을 확인할 수 있다. 즉, 운동학적 상호작용은 0.1 s 미만 에서 가장 중요한 영향을 미치며 장주기에서는 큰 영향이 없는 것으로 나타났다. 1B와 5B의 0.
평가에 사용된 방법은 국외에서 대표적으로 널리 활용되는 두 가지 방법으로 해석해에 의한 H_u 모델과 경험적 방법인 RRS 모형이다. 평가 결과, 지하 1층(1B) 모델의 경우 RRS 방법이 수치해석 결과와 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다. 하지만 지하 5층(5B) 모델의 경우 현격한 차이가 발생하는 것으로 나타났다.

후속연구

본 연구에서는 지하층-지반의 운동학적 상호작용만을 평가하였지만 고층 구조물에는 지상 구조물의 관성학적 상호 작용도 영향을 줄 수 있다. 추후 연구에서는 운동학적 상호 작용과 관성학적 상호작용에 대한 복합적인 평가가 진행될 필요가 있다고 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내의 초고층 건물의 특징은 무엇인가?	이러한 초고층 건물은 주차와 상가 공간 등을 지하에 배치하여 지하 구조물의 층수 및 규모 또한 증가하고 있다. 국내의 초고층 건물에는 대부분 지하 5층 이상의 하부 구조물이 사용되고 있다. 하부 구조물은 지상 구조물의 지진 응답에 큰 영향을 미칠 수 있으므로 이를 적절히 평가해야 한다.
	운동학적 상호작용을 고려한 고층 구조물 지하층 저면에서의 설계지반운동을 산정하는 방법의 적용성의 수치해석 결과와 비교, 평가한 결과는 무엇인가?	평가에 사용된 방법은 국외에서 대표적으로 널리 활용되는 두 가지 방법으로 해석해에 의한 Hu 모델과 경험적 방법인 RRS 모형이다. 평가 결과, 지하 1층(1B) 모델의 경우 RRS 방법이 수치해석 결과와 비교적 잘 일치하는 것으로 나타났다. 하지만 지하 5층(5B) 모델의 경우 현격한 차이가 발생하는 것으로 나타났다. 이는 실제 현상과는 달리 깊이의 증가에 따른 RRS의 감소 폭이 제한적이기 때문인 것으로 나타났다.
	현대 도시에서 초고층 건물의 사용 용도는 무엇인가요?	현대 도시에서 초고층 건물은 주거 전용, 주상복합, 오피스 등의 다양한 용도로 사용되고 있으며 도심지의 공간 부족으로 인해 국내외에서 널리 시공되고 있다. 이러한 초고층 건물은 주차와 상가 공간 등을 지하에 배치하여 지하 구조물의 층수 및 규모 또한 증가하고 있다.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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