[논문]1g 진동대실험과 전산해석에 의한 모형실험의 Size Effect에 관한 연구

전남수; 오문섭; 최명진; 임희대

1g 진동대실험과 전산해석에 의한 모형실험의 Size Effect에 관한 연구
A Study on Size Effect of Model Test by 1g Shaking Table Test and One-Dimensional Ground Response Analysis 원문보기

전남수 ((주) 네스지오) , 오문섭 ((주) 네스지오) , 최명진 ((주) 네스지오) , 임희대 (충남대학교 토목공학과)

본 연구에서는 토목구조물에 대하여 상사율을 고려한 1g 진동대실험(Shaking Table Test)과 전산해석을 수행하여, 실제 지진하중(단주기, 장주기, 인공지진)에 대한 토목구조물의 안정성을 분석 및 평가 하였다. 상사율에 따른 지표면 가속도 거동을 비교 분석하기 위하여 여러 가지 상사율을 적용한 실험을 수행하여 측정된 결과와 전산해석 결과를 상호 비교 분석하여 상사비에 따른 실험결과의 적절성을 평가하였다. 상사율을 1/50과 1/50보다 크게 조성하여 진동대실험과 전산해석 결과에 의하면, 지표면 가속도의 결과는 모두 유사한 결과를 보였다. 상사율 1:50 이상인 단면의 경우 진동대실험과 전산해석 결과 사이의 유사성이 떨어지는 것으로 볼 때, 1:50 이하인 상사단면이 실제 현장에서의 거동을 모사하는데 더 높은 신뢰성을 제공하는 것으로 판단된다.

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문제 정의

본 연구에서는 토목구조물에 대하여 상사율을 고려한 1g 진동대실험(Shaking Table Test)과 전산해석을 수행하여, 실제 지진하중(단주기, 장주기, 인공지진)에 대한 토목구조물의 안정성을 분석 및 평가하였다. 상사율에 따른 지표면 가속도 거동을 비교 · 분석하기 위하여 여러 가지 상사율을 적용한 실험을 수행하여 측정된 결과와 전산해석 결과를 상호 비교 · 분석하여 상사비에 따른 실험결과의 적절성을 평가하였다.

제안 방법

본 실험에 이용된 실지진파는 그림 1과 같다. 모형단면 축조 후 3종류(Ofunato, Hachinohe, 인공지진)의 실 지진파를 진동대의 수평방향으로 작용시켰으며, 변위제어 방식으로 가속도 수준을 적용 시켜 지진파에 대한 지표면 가속도를 측정하였다. 그리고 본 실험에서는 케이슨, CFRD 댐, 안벽, 호안 도로, 호안제체, 교대 등 여러 가지 토목구조물을 대상으로 연구를 수행하였으며, 표 1에 진동대 실험단면과 지진파의 종류에 따른 노두에서의 가속도 및 지표면 가속도가 나타나 있다.
본 실험들 에서는 내진설계 지반운동수준인 2등급 0.09g와 1등급 0.11g의 진동을 가하여 실제 지진파로 장주기인 Hachinohe 지진파, 단주기인 Ofunato 지진파, 그리고 내진설계기준에서 제시된 표준 설계 응답 스펙트럼의 조건을 가하여 인공지진파를 구현하였고, 이를 모형토조 하단에 입력하여 지진력을 모사하였다. 본 실험에 이용된 실지진파는 그림 1과 같다.
이 프로그램에서는 지반의 비선형 거동을 등가선형으로 모델링하여 해석을 수행한다. 본 연구에서는 Shake91을 이용한 1차원 등가선형해석을 실시하여 부지응답특성을 결정하였다.
본 연구에서는 여러 가지 토목구조물에 대하여 다양한 축소배율로 진동대실험과 전산해석을 실시하였으며, 적용 축소배율 크기에 따른 진동대실험 결과와 전산해석 결과에 의한 지표면 가속도를 비교하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
상사율에 따른 지표면 가속도 거동을 비교 · 분석하기 위하여 여러 가지 상사율을 적용한 실험을 수행하여 측정된 결과와 전산해석 결과를 상호 비교 · 분석하여 상사비에 따른 실험결과의 적절성을 평가하였다.
대표적인 1차원 부지응답특성 평가 프로그램으로는 Schnabel 등이 작성한 Shake91이 있다. 이 프로그램에서는 지반의 비선형 거동을 등가선형으로 모델링하여 해석을 수행한다. 본 연구에서는 Shake91을 이용한 1차원 등가선형해석을 실시하여 부지응답특성을 결정하였다.

대상 데이터

모형단면 축조 후 3종류(Ofunato, Hachinohe, 인공지진)의 실 지진파를 진동대의 수평방향으로 작용시켰으며, 변위제어 방식으로 가속도 수준을 적용 시켜 지진파에 대한 지표면 가속도를 측정하였다. 그리고 본 실험에서는 케이슨, CFRD 댐, 안벽, 호안 도로, 호안제체, 교대 등 여러 가지 토목구조물을 대상으로 연구를 수행하였으며, 표 1에 진동대 실험단면과 지진파의 종류에 따른 노두에서의 가속도 및 지표면 가속도가 나타나 있다.

성능/효과

그리고 그림 2는 상사율에 따른 진동대실험 결과와 전산해석 결과를 나타낸 그림이다. 그림 2(a)와 (b)는 상사율이 1/50보다 작은 경우의 결과이며, 그림 2(a)의 경우 전산해석에서는 노두에서부터 지표면으로 갈수록 감쇄하는 경향을 보였나, 진동대실험 결과는 증폭되는 것으로 나타났다. 그림 2(b)의 경우에는 전산해석결과 인공지진파 적용 시 증폭이 세 지진파 중 가장 작게 해석된 반면, 진동대실험은 반대의 경향을 나타내었다.
1. 상사율을 1/50보다 작게 조성한 토목구조물에 대하여 진동대실험과 전산해석에 의한 결과를 비교하면, 상사율 1/100을 적용한 케이슨구조물인 경우 전산해석에서는 누두에서부터 지표면으로 갈수록 감쇄하는 경향을 보였나, 진동대 실험결과에서는 증폭되는 것으로 나타났다. 상사율 1/150을 적용한 CFRD 댐 구조물의 경우에는 전산해석결과 인공지진파 적용 시 증폭이 가장 세 지진파 중 가장 작게 해석된 반면, 진동대실험 결과에서는 반대의 경향을 나타내었다.
2. 상사율을 1/50보다 작게 조성하여 진동대실험을 실시한 결과와 전산해석을 수행한 결과를 비교하였을때, 전산해석결과에서는 지진파의 종류에 따라서 심도에 따른 가속도의 증폭비가 다르게 나타난 반면에, 진동대실험의 결과에서는 지진파에 관계없이 유사한 경향을 보였다.
3. 상사율을 1/50과 1/50보다 크게 조성하여 진동대실험과 전산해석 결과에 의하면, 지표면 가속도의 결과는 모두 유사한 결과를 나타냈고, 상사비율 1:50 이상인 단면의 경우 진동대실험과 전산해석 결과 사이의 유사성이 떨어지는 것으로 볼 때, 1:50 이하인 상사단면이 실제 현장에서의 거동을 모사하는데 더 높은 신뢰성을 제공하는 것으로 판단된다.
그림 2(b)의 경우에는 전산해석결과 인공지진파 적용 시 증폭이 세 지진파 중 가장 작게 해석된 반면, 진동대실험은 반대의 경향을 나타내었다. 그리고 전산해석은 심도에 따른 가속도의 증폭비가 지진파의 종류에 따라서 다르게 나타난 반면에, 진동대실험은 지진파에 관계없이 유사한 경향을 나타내었다. 상사율 1/50인 경우(그림 2(c)～(d))와 1/50보다 큰 경우(그림 2(e)～(f))에서는 진동대실험과 전산해석 모두 약간의 차이는 있지만 비슷한 결과를 보였다.
이 그림에서 보는 바와 같이 지표면 가속도의 변화는 1/50 상사율을 적용한 경우 보다 그 이상의 상사율을 적용하여 실시한 진동대실험 결과가 전산해석 결과와 더욱 더 유사한 결과를 보였다. 이상의 결과를 종합하여 볼 때, 상사비율 1:50 이상인 단면의 결과보다 1:50 이하인 상사단면이 실제 현장에서 발생할 수 있는 거동을 모사하는데 더 높은 신뢰성을 제공하는 것으로 판단할 수 있다.

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