[논문]지진하중 주파수에 따른 액상화 거동 특성

윤원섭

doi:10.21289/ksic.2019.22.6.739

지진하중 주파수에 따른 액상화 거동 특성
Characteristics of Liquefaction Behavior with Earthquake Load Frequency 원문보기

한국산업융합학회 논문집 = Journal of the Korean Society of Industry Convergence, v.22 no.6, 2019년, pp.739 - 748

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, cyclic triaxial tests were performed for liquefaction characteristics according to earthquake loading frequency. The test period was tested for 0.1Hz, 0.2Hz, 0.5Hz 1.0Hz, 1.5Hz. It was analyzed that the number of earthquake loading increases as the test result frequendy increases. Therefore, additional study of the liquefaction evaluation method was needed considering the local characteristics of the high frequency earthquakes in Korea and the cyclic triaxial test frequency(0.1Hz), which is mainly used in the design.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Sample view of standard sand
그림 Fig. 2 Grain size distribution curves
그림 Fig. 3 Earthquake records and equivalent cyclic loads(Seed et al., 1975)
표 Table 1. Relative density test results
그림 Fig. 4 Behavior of saturated sand soil under isotropic constraints subjected to cyclic loading(Choi, 2003)
그림 Fig. 5 Cyclic Triaxial Test Process
표 Table 2. Result of Cyclic Stress Ration
그림 Fig. 6 Cyclic Resistance Ratio(5%)
그림 Fig. 7 Cyclic Resistance Ratio(10%)
그림 Fig. 8 Number of Cycles(Axial strain-dev)
그림 Fig. 9 Number of Cycles(Pore Pressure)
표 Table 3. Result of Number of Cyclic loads

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 액상화 평가방법 중 상세예측방법에 대해 연구하고자 한다. 상세예측에 이용되는 결과값은 액상화저항응력비로 이 결과는 반복삼축압축시험에 의해 결정되며, 국내의 경우 일반적으로 반복삼축압축시험에서 반복하중 주파수는 0.
본 연구에서는 가장 일반적인 모래시료인 표준사를 이용하여 반복하중 주기에 따른 액상화저항 응력비와 액상화 발생 반복하중 횟수에 대해 분석하였으며, 결과는 다음과 같다.
본 연구에서는 반복하중 주기에 따른 액상화 저항 특성을 파악하기 위해 주문진 표준사 시료를 이용하여 주기에 따른 거동 특성을 비교하였다. 시험항목으로는 상대밀도시험과 반복삼축시험을 실시하였다.

제안 방법

국가에서 표준으로 정하고 있는 모래시료인 표준사를 대상으로 반복하중 주기에 따른 액상화저항특성에 대해 연구하였으며, 시험결과를 종합⋅비교하면 다음과 같다.
5Hz의 반복주기하중에 구속압밀하중은 40kPa, 50kPa, 60kPa을 적용하여 시험하였다. 반복하중 주기에 따른 거동특성을 분석하기 위해서는 구속압밀하중 50kPa에 0.1Hz, 0.2Hz, 0.5Hz, 1.0Hz, 1.5Hz의 반복하중주기를 적용하였다.
본 연구에서는 다양한 반복하중 주기(0.1Hz, 0.2Hz, 0.5Hz, 1.0Hz, 1.5Hz)에 따른 반복삼축압축시험을 실시하였으며, 국가에서 표준으로 정한 모래시료인 표준사에 대한 반복삼축압축시험의 결과를 분석한 내용은 다음과 같다.
현장의 상대밀도를 재현하기 위해서는 최소 건조단위중량과 최대 건조단위중량을 ASTM D4254-91, ASTM D4253-93의 방법에 기초하여 시험을 실시한다. 본 연구에서는 최대 상대밀도 3회, 최소 상대밀도 3회를 측정하여 평균한 값으로 최대 상대밀도, 최소 상대밀도 값을 각각 결정하여 50%의 상대밀도에 해당하는 건조단위중량을 계산하여 반복삼축시험에 사용하였다.
5와 같다. 시험과정은 시료성형 후 포화, 압밀, 반복하중재하의 과정을 거치며, 시료의 성형은 시료의 직경과 높이를 측정하여 상대밀도에 해당하는 시료의 중량을 산정하여 시료 성형을 실시하였다. 반복삼축시험장치는 크게 하중을 재하하고, 제거하는 부분인 기어부분과 시료가 거치되고, 압력을 가하는 압력실과 기기의 제어 및 각종 결과 data를 수집하는 컴퓨터로 구분된다.
일반적으로 반복삼축시험은 사질토의 액상화 저항력을 판단하기 위해 사용되는데, 본 연구에 사용한 반복삼축시험장치는 GEO TM사의 반복삼축 시험장치를 사용하였다. 시험에 사용된 시료의 상대밀도는 표준사 상대밀도시험의 결과를 이용하여 상대밀도 50%에 해당하는 시료의 양을 사용하였으며, 재하 주파수는 0.1Hz, 0.2Hz, 0.5Hz, 1.0Hz, 1.5Hz에 대해 실시하였다. 액상화저항응력비의 변화를 분석하기 위해서 0.
본 연구에서는 반복하중 주기에 따른 액상화 저항 특성을 파악하기 위해 주문진 표준사 시료를 이용하여 주기에 따른 거동 특성을 비교하였다. 시험항목으로는 상대밀도시험과 반복삼축시험을 실시하였다. 표준사는 사질토로 상대밀도에 따라 특성이 달라질 수 있어 상대밀도 조건을 통일하여 시험을 실시하였다.
이에 액상화저항응력비 값을 다양한 주파수 크기에 따라 분석할 예정이다. 액상화저항응력비의 경우 기존 연구에서 결과값의 차이가 없다는 0.1Hz에서 1Hz 사이의 값 중(0.1Hz, 0.2Hz, 0.5Hz)을 이용하여 주기에 따른 액상화저항응력비의 변화를 분석하였으며, 주기에 따른 반복하중 횟수 크기에 따른 분석은 0.1Hz에서 1.5Hz사이의 주기 값 (0.1Hz, 0.2Hz, 0.5Hz, 1.0Hz, 1.5Hz)를 이용하여 동일한 상대밀도와 구속하중에서 반복하중 횟수 크기의 변화에 대해 분석하였다. 이 결과를 토대로 주기에 따른 액상화 발생 특성을 비교 분석할 것이다.
5Hz에 대해 실시하였다. 액상화저항응력비의 변화를 분석하기 위해서 0.1Hz, 0.2Hz, 0.5Hz의 반복주기하중에 구속압밀하중은 40kPa, 50kPa, 60kPa을 적용하여 시험하였다. 반복하중 주기에 따른 거동특성을 분석하기 위해서는 구속압밀하중 50kPa에 0.
5Hz)를 이용하여 동일한 상대밀도와 구속하중에서 반복하중 횟수 크기의 변화에 대해 분석하였다. 이 결과를 토대로 주기에 따른 액상화 발생 특성을 비교 분석할 것이다.
49kN/m³ 으로 나타났다. 최대건조단위중량과 최소건조단위중량을 이용하여 50%에 해당하는 표준사의 건조단 위중량을 계산하면 13.80kN/m³ 의 결과로 도출하였으며, 이 값을 반복삼축시험에 적용하였다. Fig.
시험항목으로는 상대밀도시험과 반복삼축시험을 실시하였다. 표준사는 사질토로 상대밀도에 따라 특성이 달라질 수 있어 상대밀도 조건을 통일하여 시험을 실시하였다. 연구에 사용된 표준사는 Fig.

대상 데이터

일반적으로 반복삼축시험은 사질토의 액상화 저항력을 판단하기 위해 사용되는데, 본 연구에 사용한 반복삼축시험장치는 GEO TM사의 반복삼축 시험장치를 사용하였다. 시험에 사용된 시료의 상대밀도는 표준사 상대밀도시험의 결과를 이용하여 상대밀도 50%에 해당하는 시료의 양을 사용하였으며, 재하 주파수는 0.

이론/모형

현장의 상대밀도를 재현하기 위해서는 최소 건조단위중량과 최대 건조단위중량을 ASTM D4254-91, ASTM D4253-93의 방법에 기초하여 시험을 실시한다.

성능/효과

1. 반복하중 주기에 따른 액상화저항응력비 산정결과 5% 변형율에서는 결과 차이가 없었으나, 10% 변형율에서는 반복하중횟수 10회의 경우 0.2Hz, 20회의 경우 0.5Hz에서 액상화저항응력비 값이 증가하는 것으로 분석 되었다.
004정도의 액상화저항응력비 차이가 나타났다. 10회의 결과보다는 0.001정도 작게 발생되었으나, 주기가 증가할수록 액상화저항응력비는 증가되는 것으로 분석되었다. 국내의 경우 지진규모 6.
2. 또한, 반복하중주기에 따른 액상화 발생 반복하중횟수를 분석한 결과에서도 0.5Hz까지는 반복하중횟수의 증가가 없었으나, 1.0Hz 이상에서는 반복하중횟수가 급격히 증가하여 액상화저항응력비 산정 시 그 결과가 상이할 것으로 분석되어 시험에 적용되는 반복하중 주기에 대한 명확한 기준과 방법 제안이 필요하였다.
001정도 작게 발생되었으나, 주기가 증가할수록 액상화저항응력비는 증가되는 것으로 분석되었다. 국내의 경우 지진규모 6.5의 반복 하중인 10회의 결과를 주로 사용하기 때문에 20회의 결과보다 액상화 평가에 주의가 필요하였다.
5Hz와 상대밀도 50%, 구속하중 50kPa에서의 반복삼축시험 결과이다. 시험결과 반복하중주기는 0.1Hz에서 0.5Hz에 서는 반복하중주기는 약 13회로 차이는 없었으나, 1.0Hz이상에서는 반복하중주기가 15회 이상으로 급격히 증가하였다. 특히 1.
6은 변형률 10%에 해당하는 액상화저항응력비이다. 시험결과 일반적으로 액상화 발생 변형률인 5%에서는 0.1Hz에서 0.5Hz까지 액상화저항응력비의 차이는 없었으나, 일반적인 허용범위 이내의 변형률인 10%의 결과에서는 0.1Hz 보다 0.2Hz와 0.5Hz에서 0.005정도 액상화저항응력비가 증가되었다.

후속연구

3. 일반적으로 기존의 규정에서 0.1Hz에서 1.0Hz 의 반복하중주기에서는 시험의 결과가 크게 차이가 없어 이 범위에서 선택적으로 반복하중주기를 사용되어도 무방하였으나, 고주파 수의 지진 발생특성을 보이는 국내에서는 반복하중주기에 대한 기준 및 보정방안 등의 추가적인 연구가 필요하였다.
국가에서 표준으로 정하고 있는 모래시료인 표준사를 대상으로 반복하중 주기에 따른 액상화저항특성에 대해 연구하였으며, 시험결과를 종합⋅비교하면 다음과 같다. 국내의 반복삼축시험 기준이 정립되지 않아 일본의 기준을 준용하고 있는 국내의 액상화저항응력비 산정에서 반복하중 주기에 따른 추가적인 연구는 필요하였다.
1Hz의 반복하중을 재하하고 있는데, 이는 고주파수의 지진하중이 발생되고 있는 국내 지진 특성을 고려하지 않은 시험방법으로 액상화저항응력비 산정 및 실무 적용 시 정확한 액상화 발생 예측과 평가는 반복하중 주기에 따라 상이한 결과를 도출할 수 있다. 따라서 반복하중주기에 대한 명확한 기준과 방법을 제안하기 위한 다양한 추가 적인 연구의 진행이 필요하였다.
005의 결과로 현장의 조건에 따라 액상화 안전율에 문제가 발생될 수 있다. 따라서 액상화 주기에 따른 액상화저항특성을 고주파수의 지진이 주로 발생되는 국내 지진 발생특성에 따른 추가 연구가 필요하였다.
또한, 이는 일본 토질공학회에서 제안한 반복삼축시험 규정³⁾ 내용과도 상이한 결과였다. 따라서, 반복하중주기가 증가할수록 반복하중의 횟수가 증가하여 최종적인 액상화저항 응력비가 상이하게 나타나기 때문에 국내 지진 주기에 따른 액상화저항응력비의 수정 및 실무 적용 방안에 대한 추가적인 연구가 필요하였다.
이는 표준사 시료에 국한되는 결과이지만, 액상화 저항응력비 산정 시 국내 특성에 맞는 보정방법의 제안이나, 일본의 기준에 대한 보정 혹은 액상화저항응력비 산정에 대한 별도의 적용식의 제안도 필요한 것으로 판단되었다. 또 본 연구의 경우 장비에서 재하가 가능한 주파수 범위로 제한하여 시험하였기 때문에 추가적인 시료 종류, 반복하중주기, 시료 조건 등에 따른 시험과 해석 연구는 필요하였다.
본 연구는 특정 반복하중주기와 시료의 조건에서 액상화저항응력비와 반복하중횟수의 시험결과로 국내의 지진특성이 고려되는 액상화저항응력비 산정을 위해서는 시료조건, 주기조건, 규정조건 등을 고려한 추가 연구가 필요하였다.
이에 액상화저항응력비 값을 다양한 주파수 크기에 따라 분석할 예정이다. 액상화저항응력비의 경우 기존 연구에서 결과값의 차이가 없다는 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액상화 평가는 어떻게 구분되는가?	이러한 액상화 발생 대상 지반에서 액상화 평가는 간편예측과 상세예측으로 나뉘며, 간편예측에서 액상화 발생 가능성이 있는 지반 또는 내진 1등급 구조물인 경우 지진응답해석과 반복삼축시험을 이용하여 액상화 상세 평가를 수행한다. 액상화 저항응력비(반복전단저항응력비, Cyclic Stress Ratio, CSR)는 반복재하횟수에 따른 전응력으로 나타내는 액상화 저항응력비 특성곡선을 이용하여 산정한다[1].
	포항지진이 액상화 현상으로 인한 지반 침하라고 추정되는 근거는 무엇인가?	또한 포항지진의 경우 시설물의 피해가 심각한 원인은 연약한 사질성 지반에서 발생되는 액상화 현상으로 인한 지반 침하가 원인으로 지목되고 있다. 지진 발생이 후 현장조사가 현재 진행 중이지만 하부 느슨한 모래지반에서 발생된 액상화 현상으로 비교적 강도가 큰 상부 지반의 균열면을 따라 지표면으로 솟아 오른 현상을 봤을 때 액상화가 확실한 것으로 추정된다.
	액상화 저항응력비란 무엇인가?	이러한 액상화 발생 대상 지반에서 액상화 평가는 간편예측과 상세예측으로 나뉘며, 간편예측에서 액상화 발생 가능성이 있는 지반 또는 내진 1등급 구조물인 경우 지진응답해석과 반복삼축시험을 이용하여 액상화 상세 평가를 수행한다. 액상화 저항응력비(반복전단저항응력비, Cyclic Stress Ratio, CSR)는 반복재하횟수에 따른 전응력으로 나타내는 액상화 저항응력비 특성곡선을 이용하여 산정한다[1].

참고문헌 (3)

Seed, H.B., Idriss, I.M., Makdisi, F., Banerjee, N., Representation of Irregular Stress Time Historics by Equivalent Uniform Stress Series in Liquefaction Analyses, University of California, Berkeley, EERC Report No.UCB/EERC, pp. 75-29, 1975.
Choi, J. S., Development of new analytical methods for the dynamic behavior of fully saturated sands based on the Disturbed State Concept (DSC), Ph.D. Thesis, Yon-Sei University, 2003. (in Korean with English abstract)
The Japanese Society of Soil Mechanics and Foundation Engineering, JSF T 541-1990, 1990.

저자의 다른 논문 :

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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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