[논문]지반주기를 고려한 다층지반의 평균전단파속도 추정 방법 평가

김동관

doi:10.5000/eesk.2019.23.3.191

지반주기를 고려한 다층지반의 평균전단파속도 추정 방법 평가
Evaluation of Average Shear-wave Velocity Estimation Methods of Multi-layered Strata Considering Site Period 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.23 no.3, 2019년, pp.191 - 199

김동관 (청주대학교 건축공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

To calculate proper seismic design load and seismic design category, the exact site class for construction site is required. At present, the average shear-wave velocity for multi-layer soil deposits is calculated by the sum of shear-wave velocities without considering of vertical relationship of the strata. In this study, the transfer function for the multi-layered soil deposits was reviewed on the basis of the wave propagation theory. Also, the transfer function was accurately verified by the finite element model and the eigenvalue analysis. Three methods for site period estimation were evaluated. The sum of shear-wave velocities underestimated the average shear-wave velocities of 526 strata with large deviations. The equation of Mexican code overestimated the average shear-wave velocities. The equation of Japanese code well estimated the average shear-wave velocities with small deviation.

주제어

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문제 정의

본 연구에서는 내진설계 시 구조물의 지진하중과 건축물의 내진설계범 주에 큰 영향을 미치는 지반분류를 정확하게 하기 위하여 다층지반조건에 대한 지반의 평균전단파속도를 산정하는 방법을 비교 및 평가하였으며, 이 를 위하여 수행된 내용은 다음과 같다. 1) 파동전달이론으로부터 단층지반 및 다층지반에 대한 전달함수를 도출 하고, 1~4차 모드에 대한 주기산정 방법을 검토하였다.
본 연구에서는 다양한 다층지반조건에 대하여 지반주기 산정식 및 평균 전단파속도 추정방법을 비교·평가하기 위하여 526가지 다층지반조건을 적 용하였다.
따라서, 본 연구에서는 파동전달이론으로부터 구해지는 전달함수에 대하여 유한요소해석을 통하여 교차검증하고, 다층지반에 대한 주기의 정해 를 구한다. 이를 바탕으로 해외기준들에서 적용되는 지반주기 산정식들을 평가하여 다층지반조건에 대한 평균전단파속도를 추정하는 방법을 제안하고자 한다

제안 방법

본 연구에서는 내진설계 시 구조물의 지진하중과 건축물의 내진설계범 주에 큰 영향을 미치는 지반분류를 정확하게 하기 위하여 다층지반조건에 대한 지반의 평균전단파속도를 산정하는 방법을 비교 및 평가하였으며, 이 를 위하여 수행된 내용은 다음과 같다. 1) 파동전달이론으로부터 단층지반 및 다층지반에 대한 전달함수를 도출 하고, 1~4차 모드에 대한 주기산정 방법을 검토하였다. 2) 다층지반고전에 대하여 유한요소해석모델을 수립하고, 이에 대하여 고 유치해석을 수행하여 다층지반에 대한 전달함수로부터 구해진 1~4차 모드에 대한 진동주기와 비교한 결과, 0.
5%의 오차로 전달함수와 유한요소해석모델이 정합하였다. 3) 526 가지 다층지반조건에 대하여 지반주기의 정해(exact solution)를 구하고, 이를 바탕으로 평균전단파속도를 산정하였다. 4) 합산, 일본의 지반주기 산정식, 멕시코의 지반주기 산정식을 적용하여 526가지 다층지반조건에 대한 평균전단파속도 추정결과를 비교한 결 과, 합산에 의한 방법은 평균전단파속도를 큰 편차로 과소평하가고, 멕 시코의 지반주기 산정식을 활용한 방법은 평균전단파속도를 과대평가 하였다.
3) 526 가지 다층지반조건에 대하여 지반주기의 정해(exact solution)를 구하고, 이를 바탕으로 평균전단파속도를 산정하였다. 4) 합산, 일본의 지반주기 산정식, 멕시코의 지반주기 산정식을 적용하여 526가지 다층지반조건에 대한 평균전단파속도 추정결과를 비교한 결 과, 합산에 의한 방법은 평균전단파속도를 큰 편차로 과소평하가고, 멕 시코의 지반주기 산정식을 활용한 방법은 평균전단파속도를 과대평가 하였다. 5) 일본의 기준(BCJ-1997)에서 제시하는 지반주기 산정식을 활용하는 것 이 비교적 간략히 다층지반의 평균전단파속도를 산정하는 방법이 될 수 있다.
8(a)와 같다. 기반암 상부 4 개 지층(매립토, 퇴적토, 풍화토, 풍화함)에 대한 두께 정보를 획득하고, 기 존 국내지역의 전단파속도 획득 결과로부터, 매립토, 퇴적토, 풍화토 및 풍 화암의 전단파속도를 각각 190 m/s, 280 m/s, 350 m/s와 650 m/s로 적용 하였다[10]. 148가지의 실제 지반의 전단파속도 주상도는 국내 여러 지역 측정된 전단파속도 주상도를 활용하였으며, 토층의 분포는 Fig.
그러나, 식 (1)로 구해지는 다층지반에 대한 평균전단파속도는 파동전달이론으 로부터 도출되는 정해에 부합되지 않는 평균전단파속도가 산출되고, 이를 바탕으로 하는 지반분류 및 지진하중의 산정은 해당 구조물에 대하여 불안 전하고, 비합리적인 내진설계를 초래할 수 있다. 따라서, 본 연구에서는 파동전달이론으로부터 구해지는 전달함수에 대하여 유한요소해석을 통하여 교차검증하고, 다층지반에 대한 주기의 정해 를 구한다. 이를 바탕으로 해외기준들에서 적용되는 지반주기 산정식들을 평가하여 다층지반조건에 대한 평균전단파속도를 추정하는 방법을 제안하고자 한다
본 절에서는 다층지반의 증폭하는 배경이론을 설명하였으며, 다층지반 의 증폭함수에 의한 지반주기는 단층지반에 대한 식 (11)과 같이 단일값을 제안되기 어렵다. 따라서, 이 배경이론을 적용하여 도출한 전달함수의 결과 는 3.4절에서 유한요소해석을 통하여 검증하였다

대상 데이터

본 연구에서는 다양한 다층지반조건에 대하여 지반주기 산정식 및 평균 전단파속도 추정방법을 비교·평가하기 위하여 526가지 다층지반조건을 적 용하였다. 서울시 지역에 대하여 GTIS(Geotechnical Information System, GTIS)로 구축되어 선정된 대상지반이 378가지이며, 전단파속도 주상도를 획득하여 해석에 적용한 대상지반은 148가지이다. Sun et al.
5와 같은 다층지반조건에 대하여 전달함수를 사용한 지반주기의 산정과 유한요소해석모델에 대한 고유치해석결과를 비교하여 검증한 결과 는 다음과 같다. 해석대상 지반조건은 다음과 같이 지표면으로부터 전단파속도가 점차 증가하여 암반까지의 깊이가 34 m이며, 암반의 전단파속도는 800 m/s였다. 각 지층의 두께는 Fig.

성능/효과

1) 파동전달이론으로부터 단층지반 및 다층지반에 대한 전달함수를 도출 하고, 1~4차 모드에 대한 주기산정 방법을 검토하였다. 2) 다층지반고전에 대하여 유한요소해석모델을 수립하고, 이에 대하여 고 유치해석을 수행하여 다층지반에 대한 전달함수로부터 구해진 1~4차 모드에 대한 진동주기와 비교한 결과, 0.9~3.5%의 오차로 전달함수와 유한요소해석모델이 정합하였다. 3) 526 가지 다층지반조건에 대하여 지반주기의 정해(exact solution)를 구하고, 이를 바탕으로 평균전단파속도를 산정하였다.
3.2절에서 소개된 다층지반의 전달함수 도출방법을 단층지반조건에 적 용하여 검증할 수 있다. 또한, 3.
9(b-2)와 같다. BCJ-1997에 의한 지반주기는 정해보다 평균적으로 5% 크게 산정되었고, 이에 따라서 평균전단파속도는 지반주기의 정해에 의한 평균전단파속도보다 약 4% 작게 추정되었다. 이에 대한 표준편차는 0.
9(c-2)와 같다. MOC-2008에 의한 지반주기는 정해보다 평균적으 로 5 % 작게 산정되었고, 이에 따라서 평균전단파속도는 지반주기의 정해 에 의한 평균전단파속도보다 약 5% 크게 추정되었다. 이에 대한 표준편차 는 0.
7(a)에 표기되어 있다. 전달함수로 구해진 해당 지반의 1차 진동주기는 0.303초였고, 유한요소해석모델에 대한 고유치해석으로 구해진 1차 진동주기는 0.307초로 1.1% 의 오차였다. 2~4차 모드에 대한 오차도 Table 5와 같이 0.

후속연구

5) 일본의 기준(BCJ-1997)에서 제시하는 지반주기 산정식을 활용하는 것 이 비교적 간략히 다층지반의 평균전단파속도를 산정하는 방법이 될 수 있다. 다만, 가장 정확한 다층지반의 평균전단파속도를 산정하는 방법은 전달함수로부터 구하는 것으로 이를 통한 검증이 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	구조물의 내진안전성을 확보를 위해 정확한 평가가 요구되는 것은?	A~D로 분류되는 내진설계범주에 따라 구조물에 허용되는 지진력저항시 스템, 높이와 비정형성에 대한 제한, 내진설계 대상 부재, 구조해석방법, 연 성상세 등을 규정하여 구조물의 내진안전성을 확보하도록 하고 있다[2]. 따라서, 구조물에 대한 안전하고 합리적인 내진설계를 위해서는 해당 구 조물이 위치한 지반종류에 대한 정확한 평가가 요구된다. 그러나 일반적으 로 지반을 구성하는 다층지반에 대하여 식 (1)과 같이 단층지반조건에 대한 전단파속도를 산술평균하여 평균전단파속도(  )를 구하고 있다[3].
	지반운동의 어떻게 증폭되는가?	지진 시, 지반운동은 건물의 관성력으로 지진하중을 유발하여 건물에 손 상을 야기한다. 이러한 지반운동은 해당 건물이 위치한 지반조건에 의하여 증폭되며, 국내 내진설계기준인 KDS 17 10 00 내진설계 일반[1]에서는 Table 1과 같이 암반까지의 깊이 및 평균전단파속도(Average Shear wave velocity)에 따라 지반종류를 S1~S6 로 분류한다. 구조물의 지진하중을 결 정하는 설계응답스펙트럼 작성 시, 지반분류에 따라서 단주기 지반증폭계 수(Fa)를 1.
	지반운동이 건물에 손상을 야기하는 이유는?	지진 시, 지반운동은 건물의 관성력으로 지진하중을 유발하여 건물에 손 상을 야기한다. 이러한 지반운동은 해당 건물이 위치한 지반조건에 의하여 증폭되며, 국내 내진설계기준인 KDS 17 10 00 내진설계 일반[1]에서는 Table 1과 같이 암반까지의 깊이 및 평균전단파속도(Average Shear wave velocity)에 따라 지반종류를 S1~S6 로 분류한다.

참고문헌 (10)

KDS 17 10 00 Seismic Design: General. 1st ed. Seoul: Earthquake Engineering Society of Korea; c2018. 21 p.
Korea Building Code. Seoul: Architectural Institute of Korea; c2016. 1221 p.
Minimum Design Loads and Associated Critera for Buildings and Other Structures. 7-16. U. S. A: American Society of Civil Engineers; c2016. 822 p.
Eurocode 8: Design of structures for earthquake resistance. 1998-1:2004. European Committee for Standardiztion; c2004. 299 p.
10.1016/j.engstruct.2005.01.004 Marino EM, Nakashima M, Mosalam KM. Comparison of European and Japanese seismic design of steel builidng structures. Eng. Struct. 2005 Feb;27:827-840.

상세보기
10.1193/1.3240413 Tena-Colunga A, Mena-Hernandez U, Perez-Rocha LE, Aviles J, Ordaz M, Vilar JI. Updated Seismic Design Guidelines for Model Building Code of Mexico. Earthquake Spectra. 2009 Nov;25(4): 869-898.

상세보기
10.1007/978-3-642-36197-5_120-1 Kouretzis GP, Masia MJ, Allen C. Structural Design Codes of Australia and New Zealand: Seismic Actions. Encyclopedia of Earthquake Engineering. Berlin: Springer; c2013.
Code for Seismic Design of Buildings. GB 50011-2010. Beijing: Ministry of Housing and Urban-Rural Development of the People’s Republic of China; c2010.
Kramer SL. Geotechnical Earthquake Engineering. NJ: Prentice Hall; c1996. 653 p
Sun CG, Kim HS, C. K. Chung CK, Chi HC. Spatial Zonation for regional assessment of seismic site effects in the Seoul metropolitan area. Soil Dyn. Earthquake Eng. 2014;56:44-56.

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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