[논문]다양한 다층 지반모형에 대한 지진동 증폭

정수근; 김호연; 김대현

doi:10.9720/kseg.2023.2.293

다양한 다층 지반모형에 대한 지진동 증폭
Earthquake Amplification for Various Multi-Layer Ground Models 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.33 no.2, 2023년, pp.293 - 305

정수근 (조선대학교 토목공학과) , 김호연 (조선대학교 토목공학과) , 김대현 (조선대학교 토목공학과)

초록
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지진이 발생할 때 대한 지진동 증폭 현상을 확인하기 위해 1g 진동대와 연성토조(Laminar Shear Box, LSB)를 이용하여 모형지반을 조성하였고, 3가지 모델에 대하여 지진동 증폭현상에 대하여 확인하였다. 3가지의 모형지반을 선정하였으며 모든 모형지반에서 조밀한 층과 느슨한 층으로 나누었고, 지반모형의 경우는 다층 수평지반, 다층 제방지반, 다층 분지지반모형으로 선정하였다. 각 지반모형을 제작하며 가속도계 매설을 진행하였으며, 인공지진파, Sinesweep파와 Sine 10 Hz의 지진파를 통하여 증폭현상을 확인하였다. 최대지반가속도(Peak ground acclelration, PGA)와 응답스펙트럼 가속도(Spectrum acceleration, SA)를 통해 지진동 증폭현상을 확인하였다. 수평 다층지반에서 조밀한 지반을 통과 후 느슨한 지반에서 가속도 증폭이 조밀한 지반에 비해 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 다른 두 모형지반에서는 층의 경계면을 통과 후 점차 중심부에서 가속도 증폭이 더 크게 발생하는 것을 확인할 수 있었다.

Abstract ▼ AI-Helper

Three ground models are analyzed using a 1g shaking table and laminar shear box (LSB) to investigate the impact of the ground structure on seismic wave amplification during earthquakes. Multi-layer horizontal, embankment, and basin ground models are selected for this investigation, with each model being divided into dense and loose ground layers, Accelerometers are installed during the construction of each ground model to capture any seismic wave amplification owing th the propagation of an artificial seismic wave, sine wave sweep, and 10-Hz sine wave through a given ground model. The amplification of the tested seismic waves is analyzed using the observed peak ground acceleration and spectrum acceleration. The observed acceleration amplification in the multi-layer horizontal ground model is significantly higher the seismic waves that propagated across the dense ground-loose ground boundary compared with those that only propagated through the dense ground. Furthermore, the observed acceleration amplification gradually increases in the central part of the multi-layer embankment and basin models for the seismic waves that propagated across the dense ground-loose ground boundary.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1. Schematic diagram of 1g shaking table.
그림 Fig. 2. Laminar shear box schematic diagram.
그림 Fig. 3. Measuring equipment.
그림 Fig. 4. Input motion.
표 Table 1. Physical properties of sample used in the experiment
그림 Fig. 5. Multi-layer ground model.
그림 Fig. 6. Natural frequency.
그림 Fig. 7. PGA result value according to measurement depth.
표 Fig. 8. Response Spectrum acceleration (RS) and Amplification factor response spectrum acceleration (AF_RS) of the center of the multi-layer flat ground.
그림 Fig. 8. Continued.
그림 Fig. 9. Response spectrum acceleration (RS), Amplification factor response spectrum acceleration (AF_RS) of the centerand slope of the multi-layer embankment.
그림 Fig. 10. Response Spectrum acceleration (RS), Amplification factor response spectrum acceleration (AF_RS) of the center and slope of the multi-layer basin.
그림 Fig. 10. Continued.

AI 본문요약
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제안 방법

6은 모형지반의 고유주기를 나타내었다. Sinesweep파를 통해 모형지반의 고유주기를 확인하였다. 측정된 가속도를 스펙트럼 가속도로 변환하여 고유주기를 확인하였다.
추후 다시 60 cm 높이까지 평평한 지반모형을 제작 후 30 × 30 cm를 절토하여 상부의 제방모형을 제작하였다. 가속도계 배치는 전단파속도의 측정을 위해 수직으로 4개의 가속도계를 매설하였고, 경사면에서의 가속도 증폭현상을 확인하기 위하여 내부 제방의 경사면에 2개소, 경계면에서 2개소, 외부 경사면에 가속도계를 매설하였다.
본 연구에서는 다층으로 이루어진 수평지반과 분지, 제방지형에서의 지진발생 시 지진파가 서로 다른 지반을 통과할 때, 파의 산란과 같은 현상으로 지진파의 증폭이 발생하는 것을 확인하였다. 이를 위해, 다층 수평지반모형과 다층제방모형, 다층분지모형을 통해 각 입력지진파에 따른 계측 위치별 PGA, 응답가속도 스펙트럼 및 지진동 시 증폭비를 확인하였다.
상부 60 cm 깊이까지 시료를 평평하게 넣어 모형지반을 조성하였고, 분지모형의 깊이 30 cm 경사는 1:1로 조성하였다. 전단파 속도 측정을 위해 수직으로 가속도계 매설을 진행하였고, 분지지형 안의 가속도 증폭 변화를 확인하기 위해 경계면에 3개의 가속도계와 내부에 2개의 가속도계를 매설하여 가속도 증폭을 확인하였다.
5c는 분지형태의 다층모형지반을 조성한 것이다. 하부모형지반이 분지지형으로 만들어진 모형분지지형과 분지안에 시료를 넣어 느슨하게 조성한 다층 모형지반을 제작하였다. 상부 60 cm 깊이까지 시료를 평평하게 넣어 모형지반을 조성하였고, 분지모형의 깊이 30 cm 경사는 1:1로 조성하였다.

대상 데이터

4와 같이 Input motion을 설정하였다. 정현파인 Sine 10 Hz와 다양한 주파수대역을 가지고 있는 Sinesweep파와 인공지진(Artifical)파를 이용하여 가진하였다.

성능/효과

(1) 깊이별 PGA 확인 결과 10 Hz의 정현파에서는 PGA에서 가속도 증폭의 차이가 크게 발생하지 않음을 확인하였고, Sinesweep파와 인공지진파의 경우는 조밀한 지반에서 느슨한 지반으로 갈수록 지진파의 증폭이 발생했다는 것을 확인하였다. 정현파의 경우는 지반의 고유주기와 달라 증폭이 크게 발생하지 않은 것으로 판단되고, 다른 두 지진파의 경우는 조밀한 지반을 거치면서 파가 느슨한 지반에서 더욱 증폭된 것으로 판단된다.
(3) 제방 다층지반모형의 경우 최상층에서 중심부와 산마루의 가속도응답스펙트럼이 산마루 부분이 모형 중심보다 약 1.2배 증폭하였다. 표층에서 15 cm 깊이에 매설한 가속도계를 비교한 결과 중심부에서 사면부로 갈수록 지진파 증폭이 약 1.
(4) 분지 다층지반모형의 경우, 조밀한 지반에서 느슨한 지반으로 갈수록 파의 증폭이 커지는 것을 확인하였고, 표층에서는 조밀한 지반에서 느슨한 지반으로 갈수록 지진파의 증폭이 더욱 커지는 것을 확인하였다. 표층부근에서 중심부와 경계부의 가속도 응답스펙트럼의 차이는 경계부에서 중심부로 갈수록 약 1.
(5) 다층지반에서의 지진동 시 가속도 증폭을 3가지 케이스로 나누어 확인한 결과, 지층이 변화함에 따른 가속도 증폭이 발생하는 것을 확인하였다. 또한 제방이나 분지지형에서의 증폭특성은 경계면에서 중심부로 갈수록 지진동 증폭이 더욱 크게 발생하는 것을 확인하였다.
Fig. 10e, 10j, 10o는 표층에서 15 cm 깊이에 매설한 가속도계를 비교한 것으로 경계부(acc 10, acc9)에서 중심부(acc6)로 갈수록 증폭이 최대 1.6배 발생하는 것을 확인하였다. Fig.
Fig. 8a, 8g, 8j는 응답스펙트럼 가속도 그래프로 연직 높이에 따라 가속도가 Sinesweep파에서 최대 약 2.6배 인공지진파에서 최대 약 2.3배 증폭되는 모습을 확인할 수 있었지만, 10 Hz의 정현파의 경우는 고유주기와 달라 공명하지 않아 다른 두 파에 비해 액 1.5배의 차이가 발생하였다. Fig.
5배가량 증폭함을 확인하였고, Fig. 8d, 8h는 하부지반의 응답스펙트럼 증폭계수로 조밀한 지반에서는 증폭이 거의 이루어지지 않았음을 확인하였다. Fig.
Fig. 9c, 9h, 9m은 깊이별 응답스펙트럼 증폭계수로 파가 층의 경계를 지난 후 스펙트럼 가속도가 1.6~1.8배 증폭된 것을 확인할 수 있었다. Fig.
Fig. 9e, 9j, 9o는 표층에서 15 cm 깊이에 매설한 가속도계를 비교한 것으로 중심부(acc 4)에서 사면부(acc11, acc9)로 갈수록 증폭되었고 최대 약 1.25배의 차이가 발생하는 것을 확인할 수 있었다. Fig.
지표면으로부터 깊이 30~60 cm 구간은 조밀한 지반으로 세 파형 모두 증폭이 크게 발생하지 않았으며 그래프가 가파른 경사를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 깊이 0~20 cm 구간은 느슨한 지반으로 하부의 조밀한 지반보다 곡선이 비교적 완만해지며 가속도가 증폭된 것을 확인할 수 있었다. 수평 다층모형과 유사하게 10 Hz의 정현파는 지반의 고유주기와 달라 공명하지 못하여 상부지반에서도 크게 증폭하지 못한 것으로 판단된다.
지표면에서 30~60 cm 구간은 조밀한 지반으로 세 파형 모두 증폭이 크게 발생하지 않았으며 가파른 경사를 보이는 것을 확인하였다. 깊이 0~30 cm 구간은 느슨한 지반으로 하부의 조밀한 지반보다 곡선이 완만하게 그려지며 가속도가 확연히 증폭되었음을 확인할 수 있었다.
지표면으로부터 깊이 30~60 cm 구간은 조밀한 지반으로 세 파형 모두 증폭이 크게 발생하지 않았으며 가파른 경사를 보여준다. 깊이 0~30 m 구간은 느슨한 지반으로 하부의 조밀한 지반보다 곡선이 완만하게 그려지며 가속도가 확연히 증폭되었음을 확인할 수 있었다. 이 중 상부지반에서도 가파른 형태를 보이는 10 Hz의 정현파는 지반의 고유주기(Natural frequency)와 달라 공명하지 못하여 증폭이 크지 않은 것으로 판단된다.
8k~8m은 sine 10 Hz의 증폭계수이다. 다른 두 지진파와 다르게 층에서의 증폭은 많이 발생하지 않았지만, 층간 경계에서는 약 1.4~1.6배의 증폭을 확인할 수 있었다.
(5) 다층지반에서의 지진동 시 가속도 증폭을 3가지 케이스로 나누어 확인한 결과, 지층이 변화함에 따른 가속도 증폭이 발생하는 것을 확인하였다. 또한 제방이나 분지지형에서의 증폭특성은 경계면에서 중심부로 갈수록 지진동 증폭이 더욱 크게 발생하는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 토대로 실제 지반에서의 내진설계 시 지반특성의 변화하는 경계면에서의 특성을 고려한 설계가 필요할 것으로 판단된다.
본 연구에서는 다층으로 이루어진 수평지반과 분지, 제방지형에서의 지진발생 시 지진파가 서로 다른 지반을 통과할 때, 파의 산란과 같은 현상으로 지진파의 증폭이 발생하는 것을 확인하였다. 이를 위해, 다층 수평지반모형과 다층제방모형, 다층분지모형을 통해 각 입력지진파에 따른 계측 위치별 PGA, 응답가속도 스펙트럼 및 지진동 시 증폭비를 확인하였다.
9d, 9i, 9n은 최상층에서 중심부(acc5)와 산마루(acc12)의 가속도 응답스펙트럼을 비교한 것이다. 산마루 부분이 모형 중심부보다 최대 약 1.2배 더 크게 증폭함을 확인하였다. Fig.
9b, 9g, 9l는 모형지반의 중앙에서 최하층부터 최상층까지의 가속도 응답스펙트럼을 비교한 것이다. 수직배열을 통해 층이 변화함에 따른 가속도 증폭을 확인하였으며, 층을 지난 후 acc5번 가속도계에서 하부지반보다 Sinesweep파에서 2.8배 인공지진파에서 2.4배 증폭되는 것을 확인할 수 있었다.
acc12, 11, 7 순서로 증폭이 커짐을 확인할 수 있다. 즉, 느슨한 지반의 경계부에서 중심부로 갈수록 최대 1.3배 증폭함을 확인하였다. Fig.
지진파가 조밀한 지반을 지날 때는 지진파의 증폭이 미소하게 발생하였지만, 느슨한 지반에서부터는 가속도 증폭이 약 1.5배 이상 발생하는 것을 확인하였다. Fig.
7c는 분지지형 내에 느슨한 지반의 중심부에서 계측된 깊이 별 PGA를 나타낸 것이다. 지표면에서 30~60 cm 구간은 조밀한 지반으로 세 파형 모두 증폭이 크게 발생하지 않았으며 가파른 경사를 보이는 것을 확인하였다. 깊이 0~30 cm 구간은 느슨한 지반으로 하부의 조밀한 지반보다 곡선이 완만하게 그려지며 가속도가 확연히 증폭되었음을 확인할 수 있었다.
7a는 수평 다층지반 모형의 중심부에서 계측된 깊이 별 최대지반가속도(Peak ground acceleration, PGA)를 나타낸 것이다. 지표면으로부터 깊이 30~60 cm 구간은 조밀한 지반으로 세 파형 모두 증폭이 크게 발생하지 않았으며 가파른 경사를 보여준다. 깊이 0~30 m 구간은 느슨한 지반으로 하부의 조밀한 지반보다 곡선이 완만하게 그려지며 가속도가 확연히 증폭되었음을 확인할 수 있었다.
7b는 다층으로 이루어진 제방모형의 중심부에서 계측된 깊이 별 PGA를 나타낸 것이다. 지표면으로부터 깊이 30~60 cm 구간은 조밀한 지반으로 세 파형 모두 증폭이 크게 발생하지 않았으며 그래프가 가파른 경사를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 깊이 0~20 cm 구간은 느슨한 지반으로 하부의 조밀한 지반보다 곡선이 비교적 완만해지며 가속도가 증폭된 것을 확인할 수 있었다.
(4) 분지 다층지반모형의 경우, 조밀한 지반에서 느슨한 지반으로 갈수록 파의 증폭이 커지는 것을 확인하였고, 표층에서는 조밀한 지반에서 느슨한 지반으로 갈수록 지진파의 증폭이 더욱 커지는 것을 확인하였다. 표층부근에서 중심부와 경계부의 가속도 응답스펙트럼의 차이는 경계부에서 중심부로 갈수록 약 1.3배의 가속도 증폭을 확인하였고, 15 cm 깊이에서는 중심부보다 경계부에서 약 1.6배의 가속도 증폭이 확인되었으나 25 cm 지점에서는 큰 차이를 보이지 않았다. 이는 파가 통과하면서 느슨한 지반의 표면으로 갈수록 지진파의 증폭량이 늘어 표층 부분에서는 경계면보다 중심부에서 가속도 증폭이 더 크게 발생한 것으로 판단된다.
2배 증폭하였다. 표층에서 15 cm 깊이에 매설한 가속도계를 비교한 결과 중심부에서 사면부로 갈수록 지진파 증폭이 약 1.25배 발생한 것을 확인하였고, 표층에서 25 cm깊이의 경우 중심부와 사면부에서 유사한 증폭이 발생한 것을 확인할 수 있었다. 이는 다층제방모형에서 파동의 전달이 내부에서 외부로 전달될 때 느슨한 지반에서 모형지반의 지진동 증폭을 더욱 크게 발생시킨 것으로 판단된다.
하지만 10 Hz의 정현파에서 모형지반의 고유주기와 달라 두 지진파와 달리 1.4배 증폭하는 모습을 확인할 수 있었다. Fig.

후속연구

또한 제방이나 분지지형에서의 증폭특성은 경계면에서 중심부로 갈수록 지진동 증폭이 더욱 크게 발생하는 것을 확인하였다. 이러한 결과를 토대로 실제 지반에서의 내진설계 시 지반특성의 변화하는 경계면에서의 특성을 고려한 설계가 필요할 것으로 판단된다.

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저자의 다른 논문 :

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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