오정근
(Jeong-Keun Oh)
1
정영석
(Yeong-Seok Jeong)
2
권민호
(Min-Ho Kwon)
3†
-
정회원, 국립경상대학교 토목공학과 박사수료, 한국시설안전공단 차장
-
정회원, 국립경상대학교 토목공학과 박사수료
-
정회원, 국립경상대학교 토목공학과 교수
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키워드
말뚝식 계류시설, 표준설계응답스펙트럼, 지반-말뚝 동적거동 특성, 2차원 부지응답해석
Key words
Pile Mooring Facility, Standard Design Response Spectrum, Soil-Pile Dynamic Behavior characteristics, 2D Site Response Analysis
1. 서 론
응답스펙트럼해석에 적용되는 설계응답스펙트럼은 구조물의 기초형식을 고려하지 않고 지반 증폭계수가 적용된 자유장 지표면 응답으로 결정된다.(Kim and
Lee, 2010)(1) 자유장 지표면 운동에 의한 상부 관성력만을 적용하므로 유연한 지반에 설치된 말뚝식 계류시설의 경우 실제거동과 매우 큰 차이가 발생할 수 있다. 또한,
경사지반에 설치된 말뚝구조에 대해서는 자유장의 기준면 선정이 모호할 수 있다.
말뚝식 계류시설은 기반암으로부터의 지진 지반운동이 지반과 말뚝 간의 상호 동적거동을 통해 상판구조에 전달되는 구조이므로 직접기초나 지중에 묻혀있는
말뚝기초 구조와는 다른 동적거동 양상을 보일 수 있다.
본 연구에서는 응답스펙트럼 해석법에서 현행 표준설계응답스펙트럼의 적용성을 검토하였다. 지반-말뚝 동적 거동 시 지반이 말뚝의 가속도 증폭에 미치는
영향과 경사지반의 지반운동 특성을 분석하기 위해 Abaqus를 활용한 2차원 부지응답해석을 수행한 후 1차원 부지응답해석 결과의 적용성을 분석하였다.
2. 지반분류체계 지층 조건별 부지응답해석
2.1 지반분류체계 및 응답스펙트럼 내진설계 기준
Table 1. “2018 seismic design general” ground classification system
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Site
Class
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Soil Type
|
Classification
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Bedrock Depth, H [m]
|
Shear wave velocity,
Vs, Soil [m/s]
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S1
|
Hard rock
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H < 1
|
-
|
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S2
|
Shallow and Hard
|
1≤ H ≤20
|
Vs ≥ 260
|
|
S3
|
Shallow and Soft
|
Vs < 260
|
|
S4
|
Deep and Hard
|
20 < H
|
Vs ≥ 180
|
|
S5
|
Deep and Soft
|
Vs < 180
|
|
S6
|
soils requiring site-specific evaluations
|
‘Seismic design general, 2018’(2)에서는 국내 지진지반 특성을 반영하여 Table 1.과 같이 6개의 지반분류체계를 적용하고 있다. 기반암은 전단파속도 760m/s 이상을 나타내는 지층이고 기반암 깊이와 무관하게 토층 평균 전단파속도가
120m/s 이하인 지반은 S5 지반으로 분류된다.
최신 내진기준은 Fig. 1.과 같이 암반지반과 토사지반을 구분하여 가속도 표준설계응답스펙트럼을 정의하고 토사지반의 지반증폭계수는 Table 2.와 같이 단주기와 장주기에 각각 다르게 적용하고 있다. 개정 전 기반암 가속도 표준응답스펙트럼과 비교하면 Fig. 2.와 같이 스펙트럴 가속도가 단주기구간에서는 약 12% 증가하고 장주기구간에는 약 16% 감소하여 단주기 특성이 강한 국내지반의 특성을 나타내고 있다.
Fig. 1 Acceleration Standard Design Response Spectrum of Horizontal Design Ground Motion
Fig. 2 Acceleration Standard Response Spectrum Comparison (bedrock)
Table 2. Ground Amplification Factor
|
Site
Class
|
Short-period range, Fa
|
Long-period range, Fv
|
|
S ≤ 0.1
|
S = 0.2
|
S = 0.3
|
S ≤ 0.1
|
S = 0.2
|
S = 0.3
|
|
S2
|
1.4
|
1.4
|
1.3
|
1.5
|
1.4
|
1.3
|
|
S3
|
1.7
|
1.5
|
1.3
|
1.7
|
1.6
|
1.5
|
|
S4
|
1.6
|
1.4
|
1.2
|
2.2
|
2.0
|
1.8
|
|
S5
|
1.8
|
1.3
|
1.3
|
3.0
|
2.7
|
2.4
|
2.2 부지응답해석 지반조건
2.2.1 지반분류별 다양한 지반조건
Fig. 3. Proshake ground model: Shear modulus and damping ratio curve by shear strain level
다양한 지층조건으로 형성될 수 있는 지반에 대해 현행 ‘Seismic design general, 2018’(2) 지반분류체계는 전단파속도와 기반암 깊이에 따라 토사지반을 S2~S5로 4가지로만 분류하고 있다. 지반종류에 대한 다양한 지층깊이 및 전단파 속도를
적용하여 ProShake 1차원 부지응답해석을 수행한 결과와 표준설계응답스펙트럼과 비교를 통해 표준설계응답스펙트럼의 적용성에 대한 고찰이 필요할 것으로
판단된다.
본 연구에서 다양한 지층조건에 대한 부지응답해석을 수행하기 위해 지층깊이 20m 미만으로 분류되는 S2와 S3 지반의 기반암 깊이를 10m, 15m,
20m로 구분하고 지층깊이 20m 초과로 분류되는 S4와 S5 지반은 20m, 25m, 30m로 구분하였으며 평균전단파 속도가 지반분류 기준값의 최솟값,
평균값, 최댓값이 되도록 세부 분류하여 지반종류별로 각각 9가지의 지층조건을 선정하였다.
기존 연구(Sun et al., 2012)(3)에서 지진공학적으로 실무에 활용 목적으로 매립토, 퇴적토, 풍화토, 풍화암 및 기반암 지층에 대한 국내지층의 대표적인 전단파 속도를 각각 190,
280, 350, 650, 1300m/s로 제안하였다. 본 연구에서 풍화토 아래 지층 지반의 물성치는 국내 지반지층의 대표 전단파속도를 적용하고 퇴적토
위 지반에 대해서는 항만 및 어항설계기준에서 제시하고 있는 N값과 전단탄성계수 및 전단파속도와의 상관관계식으로 산정된 전단파속도를 적용하였다. 1차원
부지응답해석을 위한 지반모델은 Fig. 3.과 같이 ProShake에서 제공하고 있는 전단변형률 수준별 전단탄성계수와 감쇠비 곡선을 적용하였다.
2.2.2 인공지진파 생성
ProShake 1차원 부지응답해석 수행을 위한 지진파는 국내지진 지반특성이 반영된 ‘Seismic design general, 2018’(2) 에 따라 내진Ⅰ등급(0.154g) 암반지반 스펙트럼에 부합하는 인공지진파를 SIMQKE를 활용하여 Fig. 4.와 같이 생성하였고 Fig. 5.와 같이 스펙트럼과의 순응성을 만족함을 확인하였다.
Fig. 4 Artificial earthquake wave (bedrock)
Fig. 5 Review of Seismic Compliance
2.3 부지응답해석 결과
기존 연구(Lee et al., 2018)(4)에서 국내외 판 내부 지진기록을 사용한 국내 지반의 지반운동 증폭특성 규명 및 토사지반의 표준설계응답스펙트럼을 제안하여 2018년 제정된 표준응답스펙트럼의
토사지반증폭계수 재산정하였으며 ‘Seismic design general, 2018’(2)와 비교 시 가속도 응답이 단주기에서 더 커지고 장주기에서 더 작아지는 경향을 보이는 것을 확인한 바 있다. 각 지반종류에 대한 지층조건별 부지응답해석
결과 Fig. 6.과 같이 각 지반 지표면 응답스펙트럼은 스펙트럴 가속도가 지반조건별로 다양하게 분포하고 있고 그 평균값은 ‘Seismic design general,
2018’(2)에서 제시하는 표준응답스펙트럼 보다는 최근에 연구된 결과(Lee et al., 2018, Design Spectrum Proposed2018)(4)와 더 일치하는 경향을 보이고 있다.
각 지층조건 별 부지응답해석 결과의 평균이 표준설계응답스펙트럼과 근접하기 때문에 표준응답스펙트럼을 설계에 적용할 경우 평균 이상의 스펙트럴 가속도가
산정되는 지반에 대해서는 지진력이 과소평가될 수 있고, 그 반대로 평균 미만의 스펙트럴 가속도가 산정되는 구간에 대해서는 지진력이 과대평가될 수 있을
것으로 판단된다.
특히 S5 지반에 대해서는 Fig. 6. <S5 Soil>와 같이 장주기 구간의 가속도 증폭이 표준응답스펙트럼보다 상대적으로 크게 발생하고 있다. 따라서 응답스펙트럼 해석법 적용 시 표준설계응답스펙트럼의
적용보다는 해당 지층조건을 고려하여 부지응답해석을 수행한 결과에 따라 응답스펙트럼을 적용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
Fig. 6. Soil Response Spectrum at Acc. 0.154g
3. 지반-말뚝 구조물의 부지응답해석
3.1 해석방법 및 해석조건
부지 효과(Site Effects)로 인하여 지진파는 기반암 상부에 구성된 토사 지반을 통해 전달되는 과정에서 특정 진동수(frequency) 범위에서
대개 증폭되며, 그 증폭 정도에 대한 정량적 크기는 주로 지반 특성에 따라 결정된다. 인위적 구조물은 대부분 지반 재료를 토대로 증폭되므로, 신뢰성
있는 구조물의 지진 시 거동 평가를 위해서는 지반 특성에 대한 올바른 반영이 필요하다. 최근에는 지반과 구조물을 별개로 분리하여 지진 시 거동을 파악하거나
이를 중첩하여 전체적인 평가를 하던 고전적인 접근보다는 지반-구조물 상호작용(soil- structure interaction)이나 지반-기초-구조물
상호작용(soil- foundation-structure interaction)과 같은 현실적 접근들이 지진 거동 평가에 적용되고 있다.(Pitilakis
et al.,2010)(5)
현행 설계응답스펙트럼은 구조물 기초형식을 고려하지 않고 Fig. 7.과 같은 개념으로 지반 증폭계수가 적용된 자유장의 지표면 응답으로 결정되고 있다. 말뚝식 계류시설의 경우 기반암에서부터 지표면으로 증폭되는 가속도
응답이 지반에 묻혀 있는 말뚝을 통해 상부구조로 전달되기 때문에 지반과 말뚝 거동 특성을 고려한 부지응답해석을 통해 자유장 지표면 응답의 적용성을
검토할 필요가 있다.
Fig. 7 Ground Amplification Overview
3.1.1 해석방법
1차원 부지응답해석 프로그램인 ProShake는 지반에 근입되어 있는 말뚝의 영향을 고려한 지반증폭 특성을 구현할 수 없으므로 본 연구에서는 유한요소해석
프로그램인 Abaqus를 활용하여 지반-말뚝 구조물의 부지응답해석을 수행하였다. 5m 간격으로 3열의 강말뚝(D914.4×14t)이 지반에 묻혀있고
지표면과 접하여 말뚝상부에 두께 2m의 콘크리트 슬래브가 설치된 조건으로 모델링 한 후 기반암 위치에서 지진파를 입력하여 슬래브 상단 위치에서의 가속도
시간이력을 검토하였다.
3.1.2 부지응답해석 대상 지반
해석대상 지반으로는 지반분류체계의 S2~S5지반에 대해 Fig. 8.과 같이 각각 평균적인 기반암 깊이와 전단파속도가 산정이 되도록 지층분포와 두께를 선정하였다. 경사지반에 설치되는 잔교의 경우에는 일반적으로 양질의
토사 또는 사석으로 경사면을 성토하므로 얕고 단단한 지반에 해당하는 S2지반만을 해석대상 단면으로 선정하였다.
Fig. 8 Strata composition of each soil type
3.2 등가 비선형 지반 모델
지반-구조물 상호작용해석이 통상적인 동적해석과 구별되는 가장 큰 이유는 지반의 반무한성으로 인해 지반의 동특성이 가진 주파수에 따라 달라지기 때문이다.
지반-구조물 상호작용해석은 일반적으로 주파수 영역에서 수행되며 시간영역응답은 주파수응답을 역 Fourier 변환을 통해 구하게 된다. 이 경우 해석은
선형해석에안 국한되며 구조물과 지반의 비선형성은 등가선형화기법을 활용하여 근사적으로 고려할 수 있다.(Kramer, 1996; Seed and Idriss,
1970)(6,7)
Abaqus 유한요소해석에 적용되는 지반의 등가 비선형 물성치를 산정하기 위해 ProShake 등가비선형 부지응답해석 수행하였다. 현재 부지응답해석에
가장 널리 사용되는 방법은 Shake 1차원 파전달 이론이다.(Seismic design of ground structures, 2012)(8) 기존 연구(Kim et al., 2014)(9)에서 지반의 비선형성을 고려하기 위해 원역지반 경계요소법을 적용하고 반복해석에 의한 등가선형해석을 수행한 해석결과를 1차원 SHAKE 해석결과와 비교검증
한 사례가 있다.
Fig. 9 Seismic waves with site response analysis
3.2.1 인공지진파
‘Seismic Design Standard of Port and Harbor(1999)’에서는 내진설계 시 최소 3가지 이상의 서로 다른 지진파를
사용하여 입력지진파를 결정하도록 하고 제시하고 있다. ProShake 부지응답해석에 적용되는 지진파는 Fig. 9.와 같이 대표적인 장주기파(Hachinohe), 단주기파(Ofunato), ‘Seismic design general 2018’(2)의 암반 응답스펙트럼에 부합하는 인공지진파(Artificial)를 선정하였으며 내진Ⅰ등급에 해당되는 0.154g로 스케일링하여 적용하였다.
3.2.2 ProShake 부지응답해석 결과
각 지진파 별 ProShake 부지응답해석 결과로 산정된 지반 깊이별 전단탄성계수 및 감쇠비를 활용하여 Abaqus 지반모델 입력데이터를 산정하였다.
Fig. 10.과 같이 지층깊이에 따라 각 지진파 별로 전단탄성계수와 감쇠비가 다르게 산정되었다.
Fig. 10 Shear modulus and damping ratio of S2-Soil strata(example)
3.2.3 ABAQUS 지반모델 감쇠비 입력 데이터
Abaqus 지반모델의 Soil Material은 ProShake에서 산정된 전단탄성계수를 프아송비 ν가 0.3인 탄성계수로 변환하여 Elastic
요소로 입력하고 지층별 감쇠비를 산정하기 위해 Fig. 11.과 같이 지반 모델에 대한 고유치 해석을 수행하였다.
Abaqus 유한요소의 크기를 1m 이하로 적용하고 1m 깊이별로 지반물성치를 적용하였으며 경계부는 무한요소로 모델링 하였다.
레일레이 감쇠계수(Rayleigh damping coefficient)를 이용한 유한요소 해석 수행 시 동특성 해석결과로부터 도출된 모드 1과 2에
해당하는 고유진동수를 이용하여 레일레이 감쇠계수를 설정하고 있다.(Structural dynamics, 2013)(10) 고유치해석 결과 1,2차 모드의 고유주기를 이용하여 각 지층별 감쇠비를 적용하여 레일리 감쇠(Rayleigh damping)의 질량비례상수 α와
강성비례상수 β를 산정하였고 각 지층 요소별로 damping 데이터를 입력하여 지반의 비선형 감쇠를 고려하였다.
3.3 지반-말뚝 구조물 부지응답해석
3.3.1 해석 모델링
Mohr-Coulomb 지반구성모델과 이력감쇠 모델을 적용한 FLAC3D 수치 모델링을 원심모형실험으로 비교 검증하는 기존 연구(Kown et al.,
2016)(11)에서 말뚝 중심으로부터의 거리가 말뚝 직경의 10배보다 멀어지면 지표면 가속도 증폭비가 일정해짐을 확인하고 이에 따라 말뚝 직경의 10배까지의 거리를
근역 지반, 그 이상이 되는 영역을 원역 지반으로 설정하였다.
Fig. 11 Inclined S2 Hachinohe Eigenvalue analysis result 1st, 2nd mode(example)
기존 연구(Park et al., 2013)에서 말뚝-지반 3D 모델링 시 빔요소-Rigid링크 해석법을 적용하였으며 말뚝과 지반 사이의 마찰현상을
모사하지 못하나 실측 데이터와 해석결과의 변위 경향이 비슷하며 차이가 미미함을 확인하였다. 본 연구에서 말뚝-지반 모델링은 Abaqus를 활용하였으며
말뚝직경의 10배 이상이 되는 거리까지 근역지반으로 설정하고 그 이상이 되는 영역을 원역 지반으로 무한요소를 적용하여 모델링 하였다. 지반은 Solid
요소로 말뚝은 Shell 요소로 각각 모델링 하여 말뚝과 지반 사이 마찰은 무시하고 surface to surface Tie 요소로 말뚝과 지반 접촉면을
구속하였다. S2~S5 지반에 대해 1차원 ProShake 부지응답해석 결과를 활용한 Abaqus 등가비선형 Solid 지반모델 상단에 Slab가
접촉된 경우와 Pile이 지반에 묻혀있고 Pile 상단에 Slab가 설치된 구조로 분류하여 모델링을 수행하였다. Pile+Slab구조에서 Slab는
지반에 접촉시키지 않았다.
지반에 구조물이 세워지면 구조물과 지반은 서로 역학적인 측면에서 상호작용을 하는데 구조물의 기초와 기초주위 지반이 구조물의 지진거동에 미치는 영향은
크게 세 가지 종류로 분류할 수 있다. 지반에 의한 입력지진파의 증폭, 입력지진파의 종류에 따라 발생하는 운동상호작용, 구조물과 기초의 관성력에 의해
유발되는 관성상호작용이다.(Kim, 2016) 지반의 증폭운동이 말뚝에 미치는 운동학적 거동특성을 파악하기 위해 Slab는 Mass가 없는 조건으로
해석을 수행하고, 같은 모델에서 Slab에 Mass를 포함한 해석을 수행하여 지반-말뚝 구조의 운동학적 거동과 관성학적 거동 특성을 파악할 수 있도록
하였다.
장주기파(Hachinohe), 단주기파(Ofunato), 인공지진파(Artificial)에 의한 지진파를 적용하여 ProShake 부지응답해석을 수행하고
Bedrock Outcrop motion에 의해 Deconvolution이 적용된 Bedrock 위치에서의 가속도시간이력을 Abaqus 지반모델 기반암
위치에서 가속도로 입력하였다. 지진 시 지반증폭에 의한 지표면에 설치된 Slab기초의 가속도 응답과 Pile+Slab기초의 가속도 응답에 대한 차이점을
비교 분석하여 지반-말뚝 구조의 동적거동 특성을 확인하고자 지반종류 4case, 지진파 종류 3case, Slab기초와 Pile+Slab기초 2case,
Non Slab Mass와 Slab Mass 조건 2case 등을 고려하여 총 48회(4×3×2×2)에 대해 Fig. 12.~15.와 같이 각 조건별로 시간이력해석을 수행하였다.
Fig. 12 Mass Slab Structure Response (S3-Soil)
Fig. 13 Mass+Pile Slab Structure Response (S3-Soil)
Fig. 14 Mass Slab Structure Response (Inclined S2-Soil)
Fig. 15 Mass Slab+Pile Structure Response (Inclined S2-Soil)
3.3.2 시간이력해석 수행 결과
총 48회 시간이력해석 수행 결과에 의한 Slab 상단위치에서의 가속도 시간이력과 응답스펙트럼을 각 지반종류 및 입력 지진파 별로 Non Slab
Mass와 Slab Mass 조건으로 구분하여 Fig. 16.~19.와 같이 Slab 상단의 가속도시간이력과 응답스펙트럼을 대표적으로 나타내었다.
Fig. 16. S2-Soil Spectrum at Hachinohe 0.154g, Non Mass Slab
Fig. 17. S2-Soil Spectrum at Hachinohe 0.154g, Mass Slab
3.4 결과 분석
지반-말뚝-슬래브에 대해 각 조건별 시간이력해석 수행에 의한 Slab 상단 가속도 시간이력 및 응답스펙트럼에 대한 분석 결과 전반적으로 단주기구간의
응답은 표준설계응답스펙트럼과 큰 차이를 보이고 있다. 기초 관성력을 제외한 말뚝-지반 동적거동에 대한 응답 분석 결과 단단한 지반인 S2, S4지반은
말뚝에 대한 영향이 미미하며, S3지반과 S5지반은 입력지진파에 따라 단주기구간과 장주기구간의 응답이 다르게 평가되어 말뚝이 지반응답에 영향을 미치는
것으로 검토되었다.
기초 관성력을 고려한 말뚝-지반상호작용에 대한 응답분석결과 S2,S3,S4지반은 장주기에는 말뚝에 대한 영향이 미미하나 단주기구간에서는 응답에 영향을
미치는 것으로 검토되었다. S5지반은 입력지진파에 따라 단주기구간과 장주기구간의 응답이 다르게 평가되어 기초관성력이 포함된 말뚝이 지반응답에 영향을
미치는 것으로 검토되었다. 특히, S5지반은 최대증폭 단주기 구간이 표준응답스펙트럼과는 상당한 차이를 보이고 있다. 따라서 S5지반에 대해서는 표준설계응답스펙트럼의
적용을 지양해야 할 것으로 판단된다.
전반적으로 단주기 구간의 응답이 표준설계응답스펙트럼의 통제주기 구간의 응답보다 상당히 크게 발생되고 있다. 말뚝식 계류시설이 고차모드에서 질량참여율이
높다면 표준설계응답스펙트럼을 적용한 결과보다 응답이 크게 발생할 수 있으나 일반적으로 말뚝구조는 1차 모드에서 질량 참여율이 90% 이상이므로 전체적인
결과에는 크게 영향이 없을 것으로 판단된다.
Fig. 18. S5-Soil Spectrum at Hachinohe 0.154g, Non Mass Slab
Fig. 19. S5-Soil Spectrum at Hachinohe 0.154g, Mass Slab
4. 경사지반 지표면 가속도 응답스펙트럼 기준면 선정
4.1 해석방법 및 해석조건
잔교식 계류시설은 일반적으로 경사지반에 시공이 된다. 지반증폭 시 경사면 상단, 중앙부, 하단은 기반암 깊이가 다르기 때문에 가속도 응답에 차이가
발생하므로 가상고정점 법과 말뚝-지반스프링 법 적용 시 지표면 가속도 응답 기준면 위치에 대한 결정이 필요할 것으로 판단된다.
본 절에서는 S4지반으로 분류되는 부산항 신선대부두 5번선석의 경사지반과 3.3절의 지반-말뚝 구조물의 부지응답해석에서 경사지반으로 적용된 S2지반에
대해 경사지반 상단, 중앙, 하단 각 위치별 기반암 깊이를 적용하여 ProShake 1차원 부지응답해석을 수행한 후, ProShake 등가비선형 지반
물성치를 활용하여 경사면 형상을 고려한 Abaqus 2차원 부지응답해석을 수행하였다.
4.2 경사지반 2차원 부지응답해석 결과
4.2.1 지반분류 S4 경사지반
신선대부두 S4 경사지반에 대한 2차원 부지응답해석 결과 경사지반 상단, 중앙, 하단의 가속도 응답이 다르게 산정되고 1차원 부지응답해석 결과와도
차이가 발생함을 확인하였다. ProShake 1차원 부지응답해석과 Abaqus 2차원 부지응답해석 결과에 대한 지표면 가속도 응답을 비교하면 경사면
중앙부에서는 가속도 응답이 유사하게 발생하나 경사면 하단과 상단부는 차이가 매우 크게 발생함을 확인하였다.
Fig. 21.~22.와 같이 경사면 하단은 2차원 해석이 1차원 해석보다 주로 단주기 구간에서 가속도 응답이 줄어들고 있고 경사면 상단은 단주기 구간에서 가속도 응답이
크게 발생하고 있다. 경사면 상단은 수평 지반 가속도운동에 의해 수평방향으로 경사면 전면이 구속이 되지 않았기 때문에 지반운동이 더욱 증폭된 것으로
판단된다. 따라서 경사지반에 설치된 잔교식 계류시설은 모드응답스펙트럼 해석을 위한 부지응답해석 시 선정된 응답스펙트럼 기준면 위치에 따라 Fig. 22.와 같이 해석결과가 다르게 도출될 수 있다.
4.2.2 지반분류 S2 경사지반
S2경사지반에 대해 Abaqus 2차원 부지응답해석에 의한 경사지반 위치별 응답스펙트럼 확인 결과 Fig. 23.과 같이 주기가 0.5sec 이상인 구간은 경사지반 상단과 중앙부의 응답이 일치하는 경향을 보이고 0.5sec 미만에서 상단부 가속도 응답의 증폭이
더 커지는 것으로 확인되었다.
S2경사지반에 대한 ProShake 1차원 부지응답해석과 Abaqus 2차원 부지응답해석 결과에 대한 지표면 가속도 응답은 경사면 중앙부에서는 서로
유사하게 발생하나 경사면 하단과 상단부는 차이가 발생하고 있으며 신선대부두 S4경사지반과 유사한 결과가 도출되었다.
Fig. 20 S4-Inclined Ground (Sinseondae Pier)
Fig. 21 Acceleration time history by slope position
Fig. 22 Acceleration Response Spectrum by Slope Position
Fig. 23. Acceleration Response Spectrum by Slope Position
5. 결 론
본 연구에서는 말뚝식 계류시설에 대해 현행 실무에서 적용하고 있는 모드응답스펙트럼 해석법의 적용성에 대한 문제점을 도출하였으며 결론은 다음과 같다.
(1) 각 지층조건 별 부지 응답해석 결과의 평균이 표준설계응답스펙트럼과 근접하기 때문에 표준설계응답스펙트럼을 설계에 적용할 경우 평균 이상의 응답
가속도가 산정되는 지반에 대해서는 지진력을 과소평가할 수 있고, 그 반대로 평균 미만의 스펙트럴 가속도가 산정되는 구간에 대해서는 지진력을 과대평가할
수 있다. S5지반과 같이 연약한 지반의 경우 표준설계응답스펙트럼에서의 장주기 구간에서 부지응답해석에 의한 자유장 지표면 가속도 응답이 더 크게 발생하고
말뚝의 가속도 증폭이 더 크게 발생한다. 따라서 모드응답스펙트럼 해석법 적용 시 표준설계응답스펙트럼의 적용보다는 해당 지층조건을 고려한 부지응답해석
결과에 따른 가속도 응답스펙트럼을 적용하는 것이 바람직할 것으로 판단된다.
(2) 지반-말뚝의 운동학적 거동과 관성학적 거동 특성을 파악하기 위해 기초 관성력을 고려한 경우와 제외한 경우로 말뚝을 포함한 지반 모델링으로 부지응답을
수행한 결과 지반의 운동에 대해서는 단단한 지반에서는 말뚝이 지반과 유사한 거동을 하지만 연약한 지반에서는 말뚝이 지반과 다르게 거동을 하는 것으로
확인되었다. S5지반은 입력지진파에 따라 단주기구간과 장주기구간의 응답이 다르게 평가되어 장주기 지진파일수록 말뚝이 지반보다 증폭이 커지는 것으로
확인되었다. 특히, S5지반은 최대증폭 주기 구간이 표준설계응답스펙트럼과는 상당한 차이를 보이고 있으므로 S5지반에 대해서는 표준설계응답스펙트럼의
적용을 지양해야 할 것으로 판단된다. 전반적으로 단주기 구간의 응답이 표준설계응답스펙트럼의 통제주기 구간의 응답보다 상당히 크게 발생되고 있으며,
말뚝식 계류시설이 고차모드에서 질량참여율이 높다면 표준설계응답스펙트럼을 적용한 결과보다 응답이 크게 발생할 수 있으나 일반적으로 말뚝구조는 1차 모드에서
질량 참여율이 90% 이상이므로 전체적인 결과에는 크게 영향이 없을 것으로 판단된다.
(3) 대부분의 잔교식 계류시설은 경사지반에 설치되며 모드응답스펙트럼 해석에서 표준설계응답스펙트럼을 적용한 해석은 경사지반에 대한 동적거동 특성이
반영될 수 없으므로 응답스펙트럼해석 결과는 정밀해석을 수행한 결과와 차이가 발생한다. Abaqus를 활용하여 경사지반에 대한 2차원 부지응답해석을
수행한 결과 경사지반은 경사면 전면 수평방향으로 구속이 되어 있지 않아 경사면 상단에서 가속도가 경사면 하단보다 더 크게 증폭되는 것으로 확인되어
경사지반 각 위치별로 1차원 부지응답해석을 수행한 결과와는 차이를 보이는 것으로 확인되었다. 2차원 부지응답해석을 수행한다 하여도 경사지반 하단,
중앙, 상단 위치별로 가속도 응답이 다르므로 한 개의 설계응답스펙트럼만을 정의해야 하는 모드응답스펙트럼 해석법에서는 응답스펙트럼 기준면의 위치 선정에
어려움이 있을 것으로 판단된다. Abaqus 2차원 부지응답해석에 의한 경사지반 위치별 응답스펙트럼 확인 결과 주기가 0.5sec 이상인 구간은
경사지반 상단과 중앙부의 응답이 일치하는 경향을 보이고 0.5sec 미만에서 상단부 가속도 응답의 증폭이 더 커지는 것으로 확인되었다. 경사지반 중앙부에
대한 가속도 응답은 1차원 부지응답해석과 2차원 부지응답해석 결과와 비교적 일치하는 경향을 보인다. 말뚝식 계류시설은 대부분이 1차 모드에서 질량참여율이
높아 고유주기가 짧은 고차모드가 해석결과에 크게 영향을 주지 않을 것으로 판단되며, 구조물의 1차 모드 고유주기가 0.5sec 이상인 구조물에 대해서는
경사지반 중앙부 깊이에 대한 1차원 부지응답해석 결과를 적용할 필요가 있을 것으로 판단된다.
감사의 글
이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구임(No. NRF-2019R1A2C10 03007).
References
Kim, D. S., Lee, S. Y. (2010), Problems and Suggested Improvements in Evaluation of
Earthquake Ground Motion in Korean Seismic Codes, Technology Article
(2018), Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, Seismic design general,
Technology Article
Sun, C. G., Han, J. T., Cho, W. J. (2012), Representative Shear Wave Velocity of Geotechnical
Layers by Synthesizing In-situ Seismic Test Data in Korea, The Journal of Engineering
Geology
Lee, J. H., Kim, J. H., Kim, J. K. (2018), Amplification Characteristics of Domestic
and Overseas Intraplate Earthquake Ground Motions in Korean Soil and Standard Horizontal
Design Spectrum for Soil Sites, EESK J Earthquake Eng
Pitilakis, K., Pitilakis, D., Karatzetzou, A. (2010), Demand spectra and SFSI for
the performance based design, Joint Conference Proceedings of the 7th International
Conference on Urban Earthquake Engineering and the 5th International Conference on
Earthquake Engineering, March 3-5, Tokyo Institute of Technology, Tokyo, Japan, CD-ROM,
23-37.
Kramer, S. L. (1996), Geotechnical Earthquake Engineering, Prentice-Hall, Englewood
Cliffs
Seed, H. B., Idriss, I. M. (1970), Soil moduli and damping factors for dynamic response
analysis, Report NO. EERC 75-29, Earthquake Engineering Research Center, University
of California Berkeley, CA
Korea Geotechnical Society, (2012), Seismic design of ground structures, Gumi Library
Kim, M. K., Rhee, J. W., Lee, P. K., Kim, M. K. (2014), A Study of Characteristics
of Soil-Pile-Structure Interaction Behavior on the Frequency Contents of Seismic Waves,
Computational Structural Engineering Institute of Korea
Kim, D. K. (2013), Structural dynamics, Gumi Library
Kown, S. Y., Kim, S. J., Yoo, M. T. (2016), Numerical Simulation of Dynamic Soil-pile
Interaction for Dry Condition Observed in Centrifuge Test, JOURNAL OF THE KOREAN GEOTECHNICAL
SOCIETY
Park D. H Park, J. B., Kim, S. Y., Park, Y. B. (2013), 3D Finite Element Analysis
of Lateral Loaded Pile using Beam and Rigid Link, LHI Journal
Kim, Y. S. (2016), Earthquake Analysis of Structure-Based Ground Systems, Gumi Library
ProShake Ground Response Analysis Program Version 2.0 User’s Manual
ABAQUS, Dassault System Simulia Corp., (2011), Abaqus Analysis User's Manual. Version
6.10