지진응답스펙트럼에 대한 낮은 심도의 토사지반과 하부구조의 영향

Abstract

지진동시 지반의 움직임은 관성력으로 구조물의 지진하중을 유발한다. 1985년 멕시코 지진과 같이 진앙으로부터 기반암까지 전달된 지진파는 토사지반에 의해 크게 증폭되어 구조물에 큰 손상을 미칠 수 있으므로, 내진설계기준에서는 이러한 지반에 의한 지진파의 증폭을 고려하여 설계하도록 정하고 있다. 이러한 구조물의 지진응답에 영향을 미치는 지반운동은 토사지반에 의한 지진파의 증폭인 부지효과 (Site Effect)와 지반과 기초에 의한 상부구조물의 거동인 지반-구조물 상호작용 (Soil-structure interaction)으로 대별되어 설계에 적용되고 있다. 하지만, 국내와 같이 토사지반의 심도가 얕고, 지하층이 기반암에 고정된 경우에는 지반과 구조물이 인접하여 서로 영향을 미치기 때문에 분리하여 고려될 수 없다. 따라서 본 연구에서는 이를 동시에 고려하여 구조물의 지진응답에 대한 토사지반과 하부구조의 영향을 파악하기 위한 수치해석 및 원심모형실험연구를 수행하였다. 부지효과 대하여 지반-구조물 상호작용과 자유장 운동을 동시에 고려할 수 있는 2차원 비선형 유한요소 해석방법을 제안하였다. 제안된 해석방법을 사용하여 국내 487가지 지반조건에 대한 변수해석연구를 수행하였다. 해석결과로부터 지반에 의한 구조물의 지진응답은 지반과 구조물 간의 공진에 의해 크게 증폭됨이 관찰되었다. 따라서 구조물에 유발되는 지진하중을 합리적으로 결정하기 위하여, 지반분류의 기준이 기존에 지반의 재료적 물성뿐만 아니라 토사의 심도를 동시에 고려한 지반주기가 되어야 함을 파악하였다. 또한 지반의 동적거동에 따른 구조물의 지진응답 특성을 정확히 모사할 수 있는 설계응답스펙트럼 작성법을 제안하였다. 부지효과와 지반-구조물 상호작용의 영향을 관찰하기 위하여 실제 지반 및 구조물의 응력상태를 모사할 수 있는 원심모형실험을 수행하였다. 지반주기를 기준으로 주기가 다른 7개의 상부 단자유도 구조물과 지하구조물로서 얕은 기초와 기반암에 고정된 지하층 그리고 지반에 묻힌 지하층에 대한 실험연구를 수행하였다. 얕은 기초가 있는 구조물의 거동은 구조물의 순변형 뿐만 아니라 기초의 수평변형과 기초와 구조물의 강체회전변형이 동시에 발생하였다. 따라서 유연한 기초의 영향으로 구조물의 진동주기가 증가하고 감쇠가 증가하여, 고정단 모델에 의해 예측된 지진하중보다 작은 지진하중이 관찰되었다. 또한 구조물에 작용하는 최대 지진하중은 지반과 기초가 저항할 수 있는 극한모멘트에 의해 제한되으며, 이는 고정단 모델에 의해 예측된 최대 지진하중의 1/3~1/15 이었다. 얕은 기초의 수평 및 회전변형에 대한 강성과 감쇠를 관찰하기 위하여, 확장칼만필터를 사용하여 시스템 판별을 수행하였다. 수행된 시스템 판별은 비교적 정확히 기초와 지반 사이의 비선형 거동을 예측하였으며, 기초의 수평 및 회전강성은 기초에 작용하는 중력하중의 영향을 받는 것이 관찰되었다. 지하층이 암반에 고정되어 있는 경우, 지하층은 상대적으로 큰 규모의 지반의 움직임에 의해 강제진동 하였으며, 지반-지하층의 상호작용계의 새로운 진동주기로 거동하였다. 또한 암반에 고정된 지하층 위에 있는 구조물의 지진응답이 자유장 운동을 사용한 고정단 구조물의 응답보다 크게 관찰되었다. 이러한 실험결과를 바탕으로 지반-지하층 상호작용계를 모사할 수 있는 단순화된 해석방법을 제안하였다. 지하층이 전체 토사 깊이의 반만 묻혀있는 경우, 지하층의 강성은 고정된 지하층만큼 발현되지 못하였으며, 지반의 진동주기와 유사하거나 긴 진동주기로 거동하였다. 또한 자유장 운동을 사용한 고정단 구조물의 응답보다 큰 상부구조물의 지진응답이 관찰되었다. 이는 기존의 연구 및 기준에서 묻힌 지하층을 질량이 없는 강체로 가정하여 지진응답을 저감하는데 반하는 실험결과로서, 구조해석시 실제 지하층의 강성과 질량이 반영되어야 함을 나타낸다. 마지막으로, 해석 및 실험결과를 바탕으로 내진설계시 구조물의 지진응답을 합리적으로 예측할 수 있는 개선안을 제안하였으며, 이는 다음과 같다. 1) 구조설계기준을 위한 설계응답스펙트럼, 2) 기초의 강도를 고려한 지진하중 결정 및 내진성능평가방법, 3) 지하층의 영향을 고려한 내진설계절차 등이 있다.