[논문]1g 진동대시험에서 사면의 위치에 따른 경계조건 영향평가

정수근; 김용; 김대현

doi:10.9720/kseg.2022.4.535

초록
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내진설계에서 지반의 안정성을 향상시키기 위해서는 지진하중을 받는 지반의 동적거동을 이해하는 것이 필수적이다. 따라서 지반의 동적거동을 이해하는데 진동대 시험은 중요한 실험 중 하나이다. 이러한 진동대 시험에서 가장 중요한 인자 중 하나인 경계조건에 대한 영향성을 확인하고자 하였다. 본 연구의 목적은 지진하중에 의한 모형사면의 위치별 경계조건의 영향성을 확인하고자 한다. 연성토조(laminar shear box, LSB)안에 모형사면을 제작하여 위치에 따라 경계조건의 영향을 확인하였다. 토조 벽면으로부터 100, 50, 25 cm 지점에 각각의 모형사면을 조성하여 동일한 크기의 정현파 지진하중을 입력하였다. 그 결과, 모형사면에 대한 진동대 실험 시 25 cm 지점에 위치한 경우는 경계조건의 영향을 크게 받아 가속도가 증폭하는 모습을 확인할 수 있었으며 50~100 cm 지점에 위치한 경우 경계조건의 영향이 감소하여 적합한 위치로 판단되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Improving the stability of the ground in seismic design requires an understanding of the dynamic behavior of the ground under seismic loads. The shaking table test is an important methodology to provide this understanding. This study aimed to assess the influence on boundary conditions, as they are ...

Improving the stability of the ground in seismic design requires an understanding of the dynamic behavior of the ground under seismic loads. The shaking table test is an important methodology to provide this understanding. This study aimed to assess the influence on boundary conditions, as they are among the most important factors affecting the test. This was achieved by testing the influence of boundary conditions on the seismic responses of model slopes at different locations in the testing apparatus. A model slope was fabricated at different locations in a laminar shear box, and the influence of the boundary conditions was then measured. Each model slope was created at 100, 50, and 25 cm from the soil wall, and sine wave seismic loads of the same size were inputted. The results confirmed that the acceleration was amplified by the influence of the boundary in the case of the slope being located 25 cm from the boundary, whereas the influence of the boundary conditions decreased when the slope was located at 50~100 cm.

주제어

표/그림 (14)

그림 Fig. 1. 1g shaking table.
그림 Fig. 2. Property test.
그림 Fig. 3. Test plan.
표 Table 1. Soil characteristics
그림 Fig. 5. Input motions.
그림 Fig. 4. Model slope composition.
그림 Fig. 6. Case 1: 100 cm from the wall.
그림 Fig. 7. 50cm point from the wall.
그림 Fig. 8. 25cm point from the wall.
그림 Fig. 9. 15Hz slope top response acceleration spectrum.
그림 Fig. 10. 10Hz slope top response acceleration spectrum.
그림 Fig. 10. Continued.
그림 Fig. 11. 8Hz slope top response acceleration spectrum.
그림 Fig. 12 Comparison of response spectrum at the top and bottom of the slope model.

AI 본문요약
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문제 정의

LSB의 경계조건에 변화를 주어 실험을 진행하였고, 모형사면의 위치를 토조 벽면을 기점으로 하여 최소 25 cm~최대 100 cm까지 변화시켜가며 실험을 수행하였다. RB와 LSB의 특징인 강성조건과 연성조건에서의 가속도 증폭결과를 확인하고, 사면부분과 경계면 부분의 응답스펙트럼 가속도를 비교하여 경계조건의 영향을 적게 받는 최적의 위치를 찾고자 하였다.
3과 같이 사면의 위치에 따른 경계조건 영향을 평가하기 위하여 1:1 모형사면을 LSB내에 제작하였다. 모형사면은 각각의 위치를 벽체로부터 달리하여 경계조건의 영향에 따른 지반최대가속도(peak ground acceleration, PGA)를 확인하고자 하였다. 경계조건의 영향을 평가하기 위해 LSB의 양 옆을 고정한 경우와 고정하지 않은 경우로 나누어 실험을 진행하였다.
본 연구에서는 LSB를 적용한 모형지반에서의 경계조건을 확인하기 위하여 가장 기본적인 지반모형 중 하나인 사면을 적용하였고, 그에 따른 경계조건의 영향을 확인하고자 하였다. LSB의 경계조건에 변화를 주어 실험을 진행하였고, 모형사면의 위치를 토조 벽면을 기점으로 하여 최소 25 cm~최대 100 cm까지 변화시켜가며 실험을 수행하였다.

제안 방법

본 연구에서는 LSB를 적용한 모형지반에서의 경계조건을 확인하기 위하여 가장 기본적인 지반모형 중 하나인 사면을 적용하였고, 그에 따른 경계조건의 영향을 확인하고자 하였다. LSB의 경계조건에 변화를 주어 실험을 진행하였고, 모형사면의 위치를 토조 벽면을 기점으로 하여 최소 25 cm~최대 100 cm까지 변화시켜가며 실험을 수행하였다. RB와 LSB의 특징인 강성조건과 연성조건에서의 가속도 증폭결과를 확인하고, 사면부분과 경계면 부분의 응답스펙트럼 가속도를 비교하여 경계조건의 영향을 적게 받는 최적의 위치를 찾고자 하였다.
3a~3c는 벽체를 기준으로 각각 100, 50, 25 cm위치에 조성한 모형사면을 나타낸다. 가속도계의 배치는 벽체부분과 사면부분에 매설하여 가속도를 비교하였다.
모형사면은 각각의 위치를 벽체로부터 달리하여 경계조건의 영향에 따른 지반최대가속도(peak ground acceleration, PGA)를 확인하고자 하였다. 경계조건의 영향을 평가하기 위해 LSB의 양 옆을 고정한 경우와 고정하지 않은 경우로 나누어 실험을 진행하였다. Fig.
모형지반에 대하여 1 g 진동대 시험기나 원심모형 시험장비를 통해 지진동시험을 수행하기 위하여 고려해야 하는 사항은 토조 벽체가 모형지반에 영향을 미치지 않도록 설계하는 것이 상당히 중요하다. 본 연구에서는 LSB를 이용해 지진동 시험을 수행하였고, 3개의 동일한 사면을 위치를 다르게 조성하여 경계조건의 영향을 평가하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
하지만 이러한 방법들은 지반에 미치는 인자들의 비균질성과 비선형성으로 인해 해석수행의 어려움이 있다. 이러한 수치해석 상 문제점을 보완하기 위하여, 토조 내 지반의 축소모형을 조성하였고 지진하중에 따른 모형지반의 거동특성을 확인하였다.

대상 데이터

Fig. 1은 본 연구에서 사용된 진동대이다. 진동대 본체의 크기는 3,000(L) × 1,000(B) × 500(H) mm이며 가진 테이블의 크기는 2,000(L) × 600(B) mm, 허용재하중량은 1.
Fig. 3과 같이 사면의 위치에 따른 경계조건 영향을 평가하기 위하여 1:1 모형사면을 LSB내에 제작하였다. 모형사면은 각각의 위치를 벽체로부터 달리하여 경계조건의 영향에 따른 지반최대가속도(peak ground acceleration, PGA)를 확인하고자 하였다.
Fig. 5a~5c와 같이 각각 8~15 Hz의 3가지 정현파를 이용하였으며 저주파대역(10 Hz 이하의 정현파)과 고주파대역(10 Hz 이상의 정현파)에서 다른 경계조건이 모형사면에 어떠한 영향을 미치는지 살펴보기 위하여 선정하였다.
모형사면조성에 사용된 시료는 울산광역시 울주군 건설현장 부지의 절토사면에서 채취한 풍화토 시료를 사용하였고 시료의 특성을 분석하기 위해 비중시험, 입도분석시험, 상대밀도시험, 다짐시험을 수행하였다. 입도분석시험, 상대밀도시험의 결과는 Fig.
수평 전단운동에 대하여 무한한 지반의 경계면을 모사하도록 총 12층으로 제작하였으며, 각 층의 두께는 4.5 cm, 프레임 간 간격은 약 0.5 cm로 이루어져 있다. 각 층 사이는 롤러 베어링(roller bearing)을 통해 수평방향으로 독립적인 거동이 가능하게 제작되었다.
진동대 본체의 크기는 3,000(L) × 1,000(B) × 500(H) mm이며 가진 테이블의 크기는 2,000(L) × 600(B) mm, 허용재하중량은 1.5 t이다
진동대실험에 사용된 토조는 지반의 자유장 거동을 재현하기 위해 진동대 가진판 위에 규격 2,000 mm (L) × 600 mm (B) × 600 mm (H)인 LSB를 사용하였다.

데이터처리

계측된 가속도를 주파수별 응답특성을 평가하기 위하여 벽체부와 사면부의 응답스펙트럼 가속도(response spectrum acceleration)를 비교 분석하였다. Fig.
계측된 가속도를 통해서 경계면에서의 PGA를 깊이별로 평가하였다. Fig.

성능/효과

(1) 모형사면이 조성된 토조에서 경계조건에 따라서 가속도 증폭이 8 Hz와 10 Hz의 경우는 자유장 조건에서 강성조건보다 평균적으로 11.97%, 9.17% 더 크게 발생하였다. 15 Hz의 경우는 강성조건에서 평균적으로 25.
(2) LSB에서 자유장 조건인 경우는 경계면에서 가까워질수록 저주파 대역을 가진 시 사면에서 크랙을 확인할 수 있었으며, 이러한 크랙은 LSB를 가진 시 발생하는 층간 이격거리로 인하여 크랙이 생긴 것으로 판단된다. 저주파 대역에서 가진을 진행하여 실험을 진행 시에는 고주파 대역보다는 모형사면이 경계면에서 다소 거리를 두어 모형사면을 조성을 진행해야 할 것으로 판단된다.
LSB의 특성상 층 마다의 이격거리 발생으로 사면에 크랙이 발생하거나 고주파에서 토조 자체의 진동을 주의하여야 한다. 실험결과를 통해서 LSB를 이용하여 사면모형 조성시에는 사면이 100~50 cm 지점에 위치시켜 실험하는 것이 가장 경계조건에 영향을 받지 않을 것으로 판단된다.

참고문헌 (10)

Jeong, S.G., Jin, Y., Park, K.H., Kim, D.H., 2022, Acceleration amplification analysis according to changes in laminar shear box boundary conditions, The Journal of Engineering Geology, 32(1), 143-155 (in Korean with English abstract).
Jin, Y., Kim, D.H., Jeong, S.G., Kim, H.Y., 2022, Analysis of multilayered ground amplification characteristics by scaleddown model tests, Applied Science, 12(7), 3432.

상세보기
Kim, H.Y., 2019, Effects of RB and LSB on the boundary conditions for dynamic model test of soil, MSc Thesis, Chosun University, 1-50 (in Korean with English abstract).
Kim, H.Y., Kim, D.H., Lee, Y.H., Kim, H.S., 2020, Effect of soil box boundary conditions on dynamic behavior of model soil in 1 g shaking table test, Applied Science, 10(13), 4642.

상세보기
Kim, J.M., Ryu, J.H., 2007, Numerical evaluation of boundary effects in the laminar shear box system, Journal of the Korean Geotechnical Society, 24(8), 35-41 (in Korean with English abstract).
Kim, J.M., Ryu, J.H., Son, S.W., Na, H.Y., Son, J.W., 2011, A comparative study on dynamic behavior of soil containers that have different side boundary conditions, Journal of the Korean Geotechnical Society, 27(12), 107-116 (in Korean with English abstract).

원문보기 상세보기
Kokusho, T., Iwatate, T., 1979, Scaled model tests and numerical analyses on nonlinear dynamic response of soft grounds, Proceedings of the Japan Society of Civil Engineers, 1979(285), 57-67.
Lamb, T.W., Whitman, R.V., 1969, Soil mechanics, John Wiley & Sons, Inc., 553p.
Prasad, S.K., Towhata, I., Chandradhara, G.P., Nanjundaswamy, P., 2004, Shaking table tests in earthquake geotechnical engineering, Current Science, 87(10), 1398-1404.
Ryu, J.H., Kim, J.M., 2005, Development of a laminar shear box system for geotechnical earthquake simulation, Proceedings of the Korean Society of Civil Engineers Annual Conference & Civil Expo, Jeju, 4981-4984.

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