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문제 정의
- 본 논문은 여러 입력 지반 물성치가 지반응답해석 결과에 어떤 영향을 주는지 고찰해보는 것을 목적으로 하고 있다. 그러나 3장에서 설명하였듯이, 각 참여기관에서 제출한 지반응답해석 결과는 각자의 방법으로 산정한 전단파속도 주상도, 비선형 동적곡선 및 밀도 등이 복합적으로 해석 결과에 영향을 주게 되어 각 변수의 영향 정도를 판단하기 쉽지 않았다.
- 통해 이러한 입력 변수들을 획득하고 있다. 본 절에서는 주어진 해석대상지반의 층상구조와 SPT-N치, CPT-qc값을 이용하여 기관별로 제시한 전단파속도 주상도, 비선형 동적 변형특성, 층별 밀도에 대해 검토하고자 한다.
가설 설정
- 여기서, R*k과 Rs°ire 각각 진원(fault)에서 암반노두와 지표면까지의 거리(hypocentral distance)를의미하고, 본 연구에서는 Rg/Rsk의 경우 1.0으로 가정하여 계산을 수행하였다. RS顼과 R&。*은 각각 구조물의 주기 丁에서 지표면 및 암반노두의 스펙트럼 가속도를 의미한다.
제안 방법
- 비선형 동적 곡선, 3. 기반암 깊이, 4. 기반암 속도를 선정하였고, 층별 단위중량에 대한 영향요소 연구는 생략하였다.
- 각 물성의 대표곡선은 상한 곡선과 하한 곡선을 적절히 고려하여 결정되었다. 그리고 기반암과 풍화암(영향요소 3, 4)에 대해서는 그림 2에 나타낸 풍화암 곡선을 일괄적으로 적용하여 해석을 수행하였다.
- (단, 해석대상지반 3에 대해서는 SPT-N치만 주어짐) 각 해석대상지반에 대한 12개의 전단파속도 주상도와 함께 이로부터 획득한 상한, 하한, 평균 전단파속도 주상도를 그림 1에 나타내었다. 단 해석대상지반 1에는 이상값(Outher)라 할 수 있는 결과가 1개 존재하여 이를 제외하고 하한 및 평균 전단파속도 주상도를 결정하였다.
- 단일층으로 구성된 기반암 상부 토사지반의 정규화 전단탄성계수 감소곡선과 감쇠비 곡선을 그림 6에 나타낸 바와 같이 상한/대표/하한 곡선으로 변화시켜 가며 각 전단파속도 주상도에 대해 지 반응답해석 을 수행하였다. 지반의 전단파속도는 100, 200, 300, 400m/s에 대해 해석을 수행하였으며, 300m/s에 대한 지표면 응답스펙트럼을 그림 8에 나타내었다.
- 범위에서 결정되는 것으로 알려져 있다(Seed 둥, 1984). 따라서 본 논문에서는 3개의 해석대상 지반에 나타나 있는 지반의 종류를 고려하여 6개의 지반(1.자갈섞인 모래, 2.점토질 실트, 3.실트질 모래, 4.점토, 5.모래, 6.풍화암)으로 분류하였다. 각각의 지반에 대해 12개 기관에서 제시한 비선형 동적 변형 특성과 각 지반에 대한 상한, 하한을 함께 도시하여 그림 2에 나타내었다.
- 본 Round Robin Test에서 주어진 시추 주상도를 바탕으로 기반암 깊이를 결정하는데 있어, 풍화암이 시작하는 깊이, 연암이 시작하는 깊이, 시추가 종료된 깊이 등 기관에 따라 다양하게 기반암 깊이를 결정하여 해석을 수행하였다. 따라서 본 절에서는 표 2에 나타낸 바와 같이 지표면 하부 20m부터 60m까지 5m 간격으로 풍화암 두께를 변화시켜가며 기반암 깊이에 따른 지반응답특성의 영향 평가를 수행하였다. 그 결과, 그림 9에 나타낸 바와 같이 단주기 및 장주기 증폭계수는 큰 폭은 아니지만, 기반암 깊이에 따라 증가하였으며, 지표면 자유장에서의 최대 가속도는 기반암 깊이에 따라 일정한 경향성을 나타내지는 않았지만, 최대 약 30% 정도의 변화를 가져왔다.
- 즉, 기반암과 그 상부에 위치하는 지반과의 강성도 차이가 커짐에 따라 지반증폭현상이 크게 발생하게 된다. 따라서 표 2에 나타낸 바와 같이기반암 깊이 30m, 60m에 대해 기반암 속도를 변화시켜가며 지반응답특성의 영향 평가를 수행하였다. 그림 10(a)에 보는 바와 같이 기반암 속도가 증가함에 따라 기반암 상부 모든 깊이에서의 최대 가속도가 증가하는 것을 확인하였다.
- 또한 전단파속도 주상도, 비선형 동적 곡선, 층별 밀도 등 다양한 입력 지반 물성치들이 복합적으로 지반증폭효과에 영향을 주고 있어 각 입력물성치들의 영향 정도를 판단하기 쉽지 않았다. 따라서 해석대상지반을 단순하게 구성하여 기반암 상부 토사 지반의 전단파 속도, 비선형 동적 곡선, 기반암 깊이, 기반암 속도에 대한 영향요소 연구를 수행하였다. 영향요소 연구로부터 지반응답특성에 대한 입력 지반 물성치의 영향 정도를 명확하게 확인할 수 있었다.
- 그러나 3장에서 설명하였듯이, 각 참여기관에서 제출한 지반응답해석 결과는 각자의 방법으로 산정한 전단파속도 주상도, 비선형 동적곡선 및 밀도 등이 복합적으로 해석 결과에 영향을 주게 되어 각 변수의 영향 정도를 판단하기 쉽지 않았다. 따라서 해석대상지반을 비교적 단순하게 구성하여 영향요소 연구를 수행하였다. 해석에 고려할 영향요소는 1.
- 또한 지표면 및 기반암 응답스펙트럼으로부터 단주기 증폭계수 (Fa), 장주기 증폭계수(风)를 결정하여 지반의 전단파속도에 대한 영향 정도를 검토해 보았다. 단주기 및 장주기 증폭계수는 NEHRP-1994, 1997 등에 정의되어 있는 식 (2), (3)을 이용하여 계산하였다.
- 본 RRT에 참여한 12개 기관에서는 3개의 해석대상지반에 대해 주어진 SPT-N치와 CPT-%값을 문헌에서 획득한 여러 경험식에 적용하여 전단파속도 주상도를 제시하였다. (단, 해석대상지반 3에 대해서는 SPT-N치만 주어짐) 각 해석대상지반에 대한 12개의 전단파속도 주상도와 함께 이로부터 획득한 상한, 하한, 평균 전단파속도 주상도를 그림 1에 나타내었다.
- 또한 기반암의 위치에 따라 지반의 고유주기가 달라지므로 지반 응답해석을 수행하는데 있어서 기반암 상부층(풍화암)의 두께를 정확히 결정하는 것은 중요하다. 본 Round Robin Test에서 주어진 시추 주상도를 바탕으로 기반암 깊이를 결정하는데 있어, 풍화암이 시작하는 깊이, 연암이 시작하는 깊이, 시추가 종료된 깊이 등 기관에 따라 다양하게 기반암 깊이를 결정하여 해석을 수행하였다. 따라서 본 절에서는 표 2에 나타낸 바와 같이 지표면 하부 20m부터 60m까지 5m 간격으로 풍화암 두께를 변화시켜가며 기반암 깊이에 따른 지반응답특성의 영향 평가를 수행하였다.
- 본 논문에서는 기관별로 SPT-N치와 CPT-%값을 이용하여 제시한 지반 전단파속도 주상도와 문헌에서 획득한 비선형 변형특성 등 입력 지반 물성치에 따른 지반 응답 특성의 영향 정도를 집중적으로 분석하였다. 해석기법의 경우에는 총 12개의 기관 중 11개 기관에서 제출한 등가선형 해석(SHAKE91, Pro SHAKE, EERA, DEEPSOIL 등) 결과를 중심으로 분석을 수행하였다.
- 본 장에서는 등가선형해석을 수행한 11개 기관의 제출 결과를 바탕으로 각 해석대상지반의 깊이별 최대 지반가속도. 전단변형률 그리고 지표면 응답스펙트럼의 분산정도를 분석하였다.
- 여기서, 영향요소 연구에 필요한 지반의 비선형 동적곡선은 그림 2에 나타낸 12개 기관에서 제시한 모든 지반의 동적 곡선 중 풍화암 곡선을 제외한 5개 지반의 모든 곡선을 대표할 수 있는 하나의 대표곡선을 선정하였고, 이를 토사지반 전단파속도, 기반암 깊이 및 속도에 대한 영향요소 연구에 적용하였다. 또한 비선형 동적곡선에 대한 영향요소 연구를 위해서는 정규화 전단탄성계수 감소곡선 (G/GmaxTogX), 감쇠비 곡선(DTogx)에 대해 수집된 자료를 바탕으로 각각 상한(Upper Bound)곡선과 하한(Lower Bound) 곡선을 결정하여 그림 6에 나타내었다.
- 지반가속도. 전단변형률 그리고 지표면 응답스펙트럼의 분산정도를 분석하였다. 입력 기반암 가속도는 내진설계기준연구(H)의 재현주기 1000년 지진에 해당하는 0.
- 본 논문에서는 기관별로 SPT-N치와 CPT-%값을 이용하여 제시한 지반 전단파속도 주상도와 문헌에서 획득한 비선형 변형특성 등 입력 지반 물성치에 따른 지반 응답 특성의 영향 정도를 집중적으로 분석하였다. 해석기법의 경우에는 총 12개의 기관 중 11개 기관에서 제출한 등가선형 해석(SHAKE91, Pro SHAKE, EERA, DEEPSOIL 등) 결과를 중심으로 분석을 수행하였다.
대상 데이터
- 또한 입력 지진파로는 서로 다른 주파수특성을 가진 Hachinohe 지진(장주기). Ofunato 지진(단주기), 인공지진파를 이용하였다.
이론/모형
- 쑹화암의 경우에는, 대부분의 기관이 SchnabeK1973)에 의해 제안된 곡선을 사용하였기에 그 곡선을 강조하여 나타내었다. 자갈 섞인 모래, 실트질 모래, 모래와 같은 모래 계열의 지반에 대해서는 많은 기관에서 Seed & Idriss(1970, 1984)의 모래에 대한 곡선을 사용하였고, 점토질 실트, 점토와 같은 점토 계열의 지반에 대해서는 Vucetic & Dobry(1991)과 Seed & Sun(1984)에 의해 제안된 곡선을 대부분 사용하였다.
성능/효과
- 3o)의 평균, 최대, 최소값과 건설교통부 상위개념 기준인 내진설계기준연구(II)의 방법으로 지반을 분류하였을 때의 결과를 표 1 에 나타내었다. 3개의 지반 모두 Vs.30의 평균값으로부터 Sd지반으로 분류되고, 해석대상지반 1의 경우, 이상값(Outher)의 영향으로 Vs, %의 최소값이 상당히 작은 것을 확인할 수 있다.
- 지반의 전단파속도는 100, 200, 300, 400m/s에 대해 해석을 수행하였으며, 300m/s에 대한 지표면 응답스펙트럼을 그림 8에 나타내었다. 감쇠비 곡선의 경우, 해석을 수행한 모든 전 단파 속도 주상 도에 대해 상한 곡선(upper)을 사용하였을 때, 전체 주기 영역에서 스펙트럴 가속도의 증폭 정도가 가장 작았고, 하한 곡선(lower)을 사용하였을 때, 가장 크게 증폭됨을 확인할 수 있었다. 그러나 정규화 전단탄성계수 감소곡선의 경우, 해석에 수행된 전단파속도의 크기, 구조물의 주기에 따라 증폭정도의 경향성이 다양하였다.
- 따라서 본 절에서는 표 2에 나타낸 바와 같이 지표면 하부 20m부터 60m까지 5m 간격으로 풍화암 두께를 변화시켜가며 기반암 깊이에 따른 지반응답특성의 영향 평가를 수행하였다. 그 결과, 그림 9에 나타낸 바와 같이 단주기 및 장주기 증폭계수는 큰 폭은 아니지만, 기반암 깊이에 따라 증가하였으며, 지표면 자유장에서의 최대 가속도는 기반암 깊이에 따라 일정한 경향성을 나타내지는 않았지만, 최대 약 30% 정도의 변화를 가져왔다. 최대 전단변형률은 토사지반과 풍화암의 경겨|(지표면 하부 19m)에서 가장 크게 발생하였으며, 이 경계층에서 기반암 깊이가 증가함에 따라 최대 약 25% 정도 최대 전단변형률 양이 증가함을 확인하였다.
- 최대 전단변형률의 경우, 기반암 깊이 30m, 60m 모두 토사지반과 풍화암 경계에서 가장 크게 유발되었고, 기반암 속도가 증가함에 따라 그 크기가 증가하였다(그림 10b, 10c). 단주기 및 장주기 증폭계수 또한 기반암과 지반 사이의 강성도 차이에 의한 증폭현상에 의해 기반암 속도가 증가함에 따라 증가하였고, 앞 절에서 설명한 기반암 깊이에 따른 영향에 의해 기반암 깊이 60m일 때의 증폭계수가 30m일 때의 값보다 큰 것을 확인하였다(그림 10d, 10e)
- 3초에서 지반과 구조물의 공진효과에 의해 최대 증폭을 일으키는 지반이 최대 已 값을 갖는 것으로 판단된다. 반면, 风는 지반의 전 단파 속도가 200m/s 이하인 연약지반을 제외하고는 지반의 전단파속도가 증가함에 따라 감소하면서 점차적으로 1.0에 수렴하는 것을 확인할 수 있었다.
- 본 논문에서는 RRT에서 주어진 시추 주상도, SPT-N, CPT-条를 바탕으로 총 12개 기관에서 각 해석대상 지반에 대해 제시한 지반응답해석 결과를 비교하였고, 그 결과, 최대 지반가속도, 최대 전단변형률, 지표면 응답스펙트럼 모두에서 분산정도가 큰 것으로 나타났다. 또한 전단파속도 주상도, 비선형 동적 곡선, 층별 밀도 등 다양한 입력 지반 물성치들이 복합적으로 지반증폭효과에 영향을 주고 있어 각 입력물성치들의 영향 정도를 판단하기 쉽지 않았다.
- 지반이 겪는 최대 전단변형률은 전단파속도가 증가함에 따라 감소하는 것을 확인할 수 있다. 그리고 지표면에 가까운 층일수록 역시 최대 전단변형률은 감소하지만, 이는 기반암 상부 토사지반이 동일한지반 물성치를 갖기 때문에 일어나는 현상으로 판단되며, 일반적으로 다양한 지층구성과 지반 물성치로 구성된 지반에 대해서는 그림 4에서 보는 바와 같이 복잡한 결과를 얻을 것이다.
- 그 결과, 그림 9에 나타낸 바와 같이 단주기 및 장주기 증폭계수는 큰 폭은 아니지만, 기반암 깊이에 따라 증가하였으며, 지표면 자유장에서의 최대 가속도는 기반암 깊이에 따라 일정한 경향성을 나타내지는 않았지만, 최대 약 30% 정도의 변화를 가져왔다. 최대 전단변형률은 토사지반과 풍화암의 경겨|(지표면 하부 19m)에서 가장 크게 발생하였으며, 이 경계층에서 기반암 깊이가 증가함에 따라 최대 약 25% 정도 최대 전단변형률 양이 증가함을 확인하였다.
- 그림 10(a)에 보는 바와 같이 기반암 속도가 증가함에 따라 기반암 상부 모든 깊이에서의 최대 가속도가 증가하는 것을 확인하였다. 최대 전단변형률의 경우, 기반암 깊이 30m, 60m 모두 토사지반과 풍화암 경계에서 가장 크게 유발되었고, 기반암 속도가 증가함에 따라 그 크기가 증가하였다(그림 10b, 10c). 단주기 및 장주기 증폭계수 또한 기반암과 지반 사이의 강성도 차이에 의한 증폭현상에 의해 기반암 속도가 증가함에 따라 증가하였고, 앞 절에서 설명한 기반암 깊이에 따른 영향에 의해 기반암 깊이 60m일 때의 증폭계수가 30m일 때의 값보다 큰 것을 확인하였다(그림 10d, 10e)
- 해석대상지반 1에서 2개 기관의 결과는 2초 근처 장주기 영역에서 최대 증폭이 발생하고 있지만 이를 제외한 나머지 결과들은 해석대상지반 1의 지반 고유주기인 0.8초 근처에서 최대 증폭이 발생함을 확인할 수 있다. 해석대상지반 2, 3도 마찬가지로 각각 주기 0.
후속연구
- 영향요소 연구로부터 지반응답특성에 대한 입력 지반 물성치의 영향 정도를 명확하게 확인할 수 있었다. 또한 내진설계시 가능한 신뢰성 있게 지반 물성치를 획득하여 지반응답해석에 이용하여야 한다고 판단된다.
- 따라서 국지적 지반조건에 따라 지진에 의한 지반증폭현상을 평가하여 설계지진력 산정시 고려하는 것은 매우 중요하다. 또한 전단파속도 주상도, 변형률에 따른 정규화 전단탄성계수, 감쇠비 등 지반의 동적 물성치의 지반 응답 특성에 대한 영향 정도를 평가하는 것 역시 지반공학적 내진설계 차원에서 가치 있는 일이 될 것이다.
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