5.지반운동의 영향을 고려한 내진설계

지반운동의 영향을 고려한 내진설계

2017. 11. 01

청주대학교 건축공학과

조교수 김 동 관

충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

내진설계 시, 고려사항

1. 발생할 수 있는 지진의 크기..? (진도, 규모 & 거리)

 실제 지진파

 건축구조기준(KBC)의 설계응답스펙트럼

2. 구조물 모델링

 탄성 혹은 비선형 해석프로그램 사용

3. 지진해석

 구조해석모델에

하중을 적용

하여 구조물의 부재력과 변위 계산

4. 내진설계

 부재력에 대하여 안전하게 부재 크기 결정

충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

CONTENTS

1. 지진과 응답스펙트럼

2. 지반운동의 영향

3. 설계응답스펙트럼

4. 부지응답해석과 KBC2016

5. 성능기반 내진설계를 위한 부지응답해석 절차

6. 입력지진파 최적화

충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

지진과 응답스펙트럼

지진의 기록

관측소에서 남-북, 동-서, 수직방향으로 기록된 지진기록으로부터 구조물의 횡력을 유발하는 수평방향 2성분을 입력지진으로 사용

Loma Prieta 지진 (1989년), M=6.93, Station : San Francisco Sierra

0 10 20 30 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2

 0.08 g

 0.15 g

(a) Acceleration time history

Scale Factor = 1.47

Time (s)

S

c

a

le

d

A

c

c

e

le

ra

ti

o

n

(g

)

X - dir. Y - dir. 0 1 2 3 0 0.2 0.4 0.6

(b) Response Spectrum

Period, T (s)

S

p

e

c

tra

l

A

c

c

e

le

ra

ti

o

n

(g

)

_KBC-S B x 1.3 KBC-S B X - dir. Y - dir. SRSS 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

지진과 응답스펙트럼

구조물의 지진응답

다양한 해석법 (Newmark method, 중심차분법, 상태-공간방정식) 등으로 운동방정식을 풀어서 구조물의 주기와 감쇠비에 따른 구조물의 변위를 구함

m

( , )

d

S T



Fixed base model

k

충북대학교 산학연계방재세미나

지진과 응답스펙트럼

응답스펙트럼

구조물의 주기를 변화시켜서 지진응답을 수행하고, 도출된 변위로부터 구조물에 가해지는 밑면전단력과 설계를 위한 pseudo-acceleration 계산 변위응답스펙트럼

( , )

( , )

s d s a

V

 

k

S T





m



S T



의사가속도 응답스펙트럼

Dynamics of Structures (Chopra)

2

( , )

( , )

a n d

S T

 





S T



충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

지진과 응답스펙트럼

응답스펙트럼

해당 지진에 대하여 1) 다양한 주기의 단자유도 구조물에 대한 해석을 수행 2) 구조물에 예상되는 밑면전단력을 구함 3) 밑면전단력을 등가의 가속도로 치환  구조물의 질량을 적용하면, 밑면전달력을 구할 수 있음 즉, 응답스펙트럼은 해당 지진의 크기를 알 수 있는 하나의 지표 0 10 20 30 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2  0.08 g  0.15 g

(a) Acceleration time history Scale Factor = 1.47 Time (s) S c a le d A c c e le ra ti o n (g ) X - dir. Y - dir. 0 1 2 3 0 0.2 0.4 0.6 (b) Response Spectrum Period, T (s) S p e c tra l A c c e le ra ti o n (g ) _KBC-S B x 1.3 KBC-S B X - dir. Y - dir. SRSS 2 2

SRSS



X



Y

충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

CONTENTS

1. 지진과 응답스펙트럼

2. 지반운동의 영향

3. 설계응답스펙트럼

4. 부지응답해석과 KBC2015

5. 성능기반 내진설계를 위한 부지응답해석 절차

6. 입력지진파 최적화

충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

지반운동의 영향

Mexico Earthquake (1985)

호수를 매립하여 세워진 Mexico City에서 연약지반에 의하여 저층건물보다 고층건물의 피해가 매우 큰 지진

Loma Prieta Earthquake (1989)

지반에 의한 지진파의 증폭을 계측하고, 현 설계기준의 근거가 된 지진

멕시코 지진시, 15층 건물의 붕괴 Loma Prieta 지진시, 지반에 의한 지진의 증폭

충북대학교 산학연계방재세미나

지반운동의 영향

Soft Soil Deposits Outcropping Motion

[ NEHRP Provision ]

Within Motion

Free Field Motion

Free Field Motion

SDOF Model with Fixed Base

지반동역학과 구조동역학을 바탕으로 지반에 의한 구조물 응답의 증폭을 계산

 지반운동의 특성에 대한 소개

충북대학교 산학연계방재세미나

Wave Propagation Theory

파동 전달 이론

파동(지진파)이 매질(지반)을 통하여 전달되는 현상에 대한 이론 < 파동 전달의 예 > P-파 : 전달방향과 동일한 방향으로 변형이 발생 S-파 : 전달방향과 직각 방향으로 변형이 발생 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

Wave Propagation Theory

파동 전달에서는 공간과 시간을 동시에 고려

파동 전달 = 정적인 응력 + 가속도

0 0 2 2 x x x

u

A

Adx

dx A

t

x















_









_



_



_

0

( , )

u



u x t

u

u

dx

x







0

( , )

0 x x

x t







0 0 x x

dx

x











rod 내에서 1차원 파동전달 (P파)

dx

Dynamic Equilibrium Equation : ( 힘의 평형조건 )

( , )

u



u x t

충북대학교 산학연계방재세미나

Wave Propagation Theory

1차원 길이방향 파동 전달식 (one-dimensional longitudinal wave equation)

0 0 2 2 x x x

u

A

Adx

dx A

t

x















_









_



_



_

2 2 2 2 p 2

u

u

V

t

x



_







V

p



M

/





 







1

/

1

1 2



M





v



_



v



v



_

E

: 파동(응력) 전달 속도 (wave propagation velocity) : 구속탄성계수

1차원 전단파동 전달식 (one-dimensional transverse wave equation)

2 2 2 2 2

( , )

( , )

S

u z t

u z t

V

t

x



_







V

S



G

/



: 전단파속도 (shear-wave velocity)

G

: 전단탄성계수 지반지진공학에서 가장 중요한 물성 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

Ground Response Analysis

암반까지 전달된 지진파가 지반에 의해 증폭되는 전달함수

(Transfer Function)를 찾는 과정

1) 고정단 위에 균질하고, 감쇠가 없는 지반조건 2) 고정단 위에 균질하고, 감쇠가 있는 지반조건 3) 암반 위에 균질하고, 감쇠가 있는 지반조건 4) 암반 위에 다층이고, 감쇠가 있는 지반조건  실제 지반 조건 Outcropping Motion Within Motion

Free Field Motion

충북대학교 산학연계방재세미나

Ground Response Analysis

1) 고정단 위에 균질하고, 감쇠가 없는 지반 조건

( ) i t kz

Ae

 

H

Soil

_G

_

z

u

( ) i t kz

Be

 

( , )

2

2 cos

2

ikz ikz t i t i

e

e

u z t

A

e



A

k

z

e

 







변위의 해 :

 

max

_

 

_

_

_

1 max

0,

₂

₁

₁

,

2 cos

cos

cos

/

i t i t s

u

t

_Ae

F

u

H t

A

kH e

kH

H V

 













전달함수 : 두 지점 사이 (고정단 – 지표면) 의 변위 비 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

Ground Response Analysis

1) 고정단 위에 균질하고, 감쇠가 없는 지반 조건

증폭함수 : 전달함수의 절대값

 



 



2



 



2

_

_

1 1 1

1

Re

Im

cos

/

_s

F

F

F

H V













_



_





_



_



0 5 10 15 20 0 3 6 9 12 Frequency, f (Hz) A m pl ifi ca ti on

Undamped Soil on Rigid Rock H = 30m, Vs = 300m/s 인 경우, 증폭함수

Outcropping Motion

Within Motion

Free Field Motion

충북대학교 산학연계방재세미나

Ground Response Analysis

○ 지반의 주기

증폭함수에서 최대값이 발생하는 주파수가 지반의 고유진동수

 

_

_

1

1

cos

/

_s

F

H V







균질하고, 감쇠가 없는 지반조건에서 증폭함수 :

2

s n

V

n

H









_







_





n 

0, 1, 2,

,



분모의 cosine 항이 0에 가까워야 증폭함수의 최대값 따라서, 0

2

s

V

H







0

2

4

s s

H

T

V









지반의 주기는 지반의 강성(Vs) 과 깊이(H)로 표현됨

4

s s

H

V

T



지반주기와 지반의 강성(Vs)은 역수관계 30m 평균 전단파속도도 이로부터 도출됨 충북대학교 산학연계방재세미나

Dynamic Soil Properties

0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0 1.2 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 G/Gm a x Shear Strain(%) Fill soil Alluvial soil Weathered soil Weathered rock (a)

흙의 전단지배 비선형성

흙의 전단 변형율이 커질수록, 강성이 감소하고 감쇠가 증가하는 경향 지반재료의 선형한계 변형률은 0.0001 ~ 0.01 % 범위 0 5 10 15 20 0.0001 0.001 0.01 0.1 1 Da m ping Ra tio Shear Strain(%) Fill soil Alluvial soil Weathered soil Weathered rock (b) 전단탄성계수 감소곡선 감쇠비 곡선 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

지반운동의 영향

source Travel path effects Site effects Substructure Free-Field SSI

지반의 움직임

구조물에 비해 상대적으로 규모(질량)가 큰 지반은 지진동 시, 1) 하나의 구조체로서 흔들리고 2) 건물을 강제 진동시키는 역할  구조물에 입력 운동

4

4

/

G s

H

H

T

V

G







지반의 주기 :

H

: 토층의 두께 S

V

: 지반의 전단파속도 (≒ 전단강성) 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

지반운동의 영향

공진 효과 (Resonant Effect)

구조물의 주기(T_n)와 외부진동의 주기가 유사하면, 구조물의 진동응답이 크게 증가하는 현상

예) Tacoma Narrow Bridge의 붕괴 (1940)

 Mexico City에서 고층건물의 피해도 토사지반이 지진의 장주기성분을 증폭시켜서 장주기 구조물에 큰 지진하중을 유발

4

4

/

G s

H

H

T

V

G







지반의 주기 : 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

지반운동의 영향

실제 사례

1989년 9월 19일, 멕시코 지진  고층건물에 주된 피해 2017년 9월 19일, 멕시코 지진 충북대학교 산학연계방재세미나 < 1989년, 멕시코 지진시 계측기록 > 0.15 g 0.018 g 0.035 g 0.17 g

실제 사례

2016년 9월 12일, 경주 지진  저층건물에 주된 피해

충북대학교 산학연계방재세미나

지반운동의 영향

원심모형실험

충북대학교 산학연계방재세미나 124 rpm / Centrifugal Acceleration : 80g

Equal

Stress

지반운동의 영향

공진 효과 (Resonant Effect)

원심모형실험으로부터 지반에 의한 지진의 증폭을 확인 60cm 실험체에 40g의 원심력을 적용하여 24m 지반조건 모사 40g / 지반깊이=24m / 지반주기=0.41s 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

CONTENTS

1. 지진과 응답스펙트럼

2. 지반운동의 영향

3. 설계응답스펙트럼

4. 부지응답해석과 KBC2015

5. 성능기반 내진설계를 위한 부지응답해석 절차

6. 입력지진파 최적화

0 0.5 1 1.5 2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 IBC 2012 (S B) S_CSD S E Period (s) S p ec tr al A cc el er at io n ( g )

T

IBC의 설계응답스펙트럼 (KBC2009와 동일) 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

설계응답스펙트럼

지역에 따른 유효지반가속도 지반조사 및 분류 지반계수 설계응답스펙트럼 작성 내진설계범주

유효지반가속도 (S)

해당지역에 예상되는 지진의 크기 S = 0.195 g 충북대학교 산학연계방재세미나 < 2400년 재현주기, 최대예상지진 (MCE) >

설계응답스펙트럼

지역에 따른 유효지반가속도 지반조사 및 분류 지반계수 설계응답스펙트럼 작성 내진설계범주

지반조사 및 분류

해당 토층의 전단파속도 주상도로부터 지반을 분류

V

_S,30 = 상부 30m 평균전단파 속도 0 250 500 750 1000 -20 -15 -10 -5 0 182 193 211 241 261 288 313 329 358 442 531 695 Depth to Bedrock = 13.0 m Site Period = 0.135 s V S = 760 m/s  Rock Shear-wave Velocity (m/s) D e p th ( m ) V_S,30 = 515 m/s 지반분류 = S_C 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

설계응답스펙트럼

지역에 따른 유효지반가속도 지반조사 및 분류 지반계수 설계응답스펙트럼 작성 내진설계범주

지반계수

지반에 의한 지진의 증폭을 반영하기 위한 계수 단주기 지반증폭계수, Fa

S

_DS = S x 2.5 x Fa x 2/3 1초 주기 지반증폭계수, Fv

S

_D1 = S x Fv x 2/3 충북대학교 산학연계방재세미나

설계응답스펙트럼

지역에 따른 유효지반가속도 지반조사 및 분류 지반계수 설계응답스펙트럼 작성 내진설계범주

설계응답스펙트럼

설계를 위해 구조물에 예상되는 하중 0 1 2 3 0 0.2 0.4 0.6 T a = 0.23 s T1 = 1.19 s Tb = 1.79 s  S DS = 0.39 g  S D1 = 0.21 g S = 0.195 g F a = 1.20 , Fv = 1.61 Period, T (s) S p e c tra l A c c e le ra ti o n (g ) KBC-S C x 1.3 KBC-S C x 1.3 x 90% KBC-S C (Soil) KBC-S B (Rock) 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

설계응답스펙트럼

지역에 따른 유효지반가속도 지반조사 및 분류 지반계수 설계응답스펙트럼 작성 내진설계범주

내진설계범주

S

_DS ,

S

_D1 과 구조물의 중요도에 따라 내진등급을 정함

S

_DS = 0.39g ,

S

_D1 = 0.21g 충북대학교 산학연계방재세미나

<인방보 대각철근 조립> <벽체 경계요소 철근 조립>

• KBC 구조기준에서 내진설계범주 D에 속하고, 높이가 60m초과인 경우,

특수

전단벽

으로 설계

• 최외단부에 경계요소를 적용하여 부재의

연성능력 증가 목적

• 경계요소 적용은 철근배근시공 난이도를 요하며

콘크리트 타설이 용이하지

않음

(균열 및 피복탈락 등 문제)

 설계 및 시공현황

특수전단벽의 설계와 시공

• 시공성 저하 및 철근물량 증가 -> 정착 및 구조일체화 문제점 • 콘크리트타설불량에 의한 구조하자의 가능성

<벽체 배근> <인방보 배근>

CONTENTS

1. 지진과 응답스펙트럼

2. 지반운동의 영향

3. 설계응답스펙트럼

4. 부지응답해석

과 KBC2016

5. 성능기반 내진설계를 위한 부지응답해석 절차

6. 입력지진파 최적화

충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

부지응답해석

부지응답해석 연구의 예

1) 등가선형 해석프로그램 – SHAKE 사용 2) 암반 위의 지반조건을 모두 모사 3) 암반에서 기록된 지진기록을 Deconvolution 하여, 암반과 지반 사이에 입력 0 250 500 750 1000 -60 -45 -30 -15 0

Shear wave velocity, Vs(m/s)

Dep

th

(

m

)

(a) Site class : SC

Number of sites : 71 0 0.5 1 1.5 2 0 0.4 0.8 1.2 Period, T (s) S p e c tr a l A c c e le ra ti o n ( g ) 입력 암반지진파 – S_B 지반에 맞게 scaling 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

부지응답해석

암반까지 전달된 지진파가 지반에 대한 전달함수(Transfer Function)를

적용하여 지반에 의한 지진파의 증폭을 계산

충북대학교 산학연계방재세미나

부지응답해석

S

_C

지반조건

1) V_S,30 유사하더라도, 지반주기가 다름에 따라 증폭의 경향이 달라짐 2) 단주기 지반조건에서 구조물 응답의 증폭은 KBC의 가속도 일정구간보다 큼 0 0.5 1 1.5 2 0 0.6 1.2 1.8 Period, T (s) S p e c tr a l A c c e le ra ti o n ( g ) IBC 2012 (S_B) IBC 2012 (S_C)  Site Period, T_G = 0.13 s

(a) Depth to Bedrock = 11.2 m V S,30 = 453.6 m/s 0 0.5 1 1.5 2 0 0.6 1.2 1.8 Period, T (s) S p e c tr a l A c c e le ra ti o n ( g ) IBC 2012 (S_B) IBC 2012 (S_C)  Site Period, T_G = 0.22 s (b) Depth to Bedrock = 26.0 m V S,30 = 454.2 m/s 0 0.5 1 1.5 2 0 0.6 1.2 1.8 Period, T (s) S p e c tr a l A c c e le ra ti o n ( g ) IBC 2012 (S_B) IBC 2012 (S_C)  Site Period, T_G = 0.32 s (c) Depth to Bedrock = 43.5 m V S,30 = 456.2 m/s 0 0.5 1 1.5 2 0 0.6 1.2 1.8 Period, T (s) S p e c tr a l A c c e le ra ti o n ( g ) IBC 2012 (S_B) IBC 2012 (S_C)  Site Period, T_G = 0.44 s (d) Depth to Bedrock = 60.9 m V S,30 = 470.0 m/s 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

0 0.5 1 1.5 2 0 0.6 1.2 1.8 Period, T (s) S p e c tr a l A c c e le ra ti o n ( g ) IBC 2012 (S_B) IBC 2012 (S D)  Site Period, T_G = 0.26 s

(a) Depth to Bedrock = 20.5 m V S,30 = 345.4 m/s 0 0.5 1 1.5 2 0 0.6 1.2 1.8 Period, T (s) S p e c tr a l A c c e le ra ti o n ( g ) IBC 2012 (S_B) IBC 2012 (S D)  Site Period, T_G = 0.38 s (b) Depth to Bedrock = 32.0 m V S,30 = 342.7 m/s 0 0.5 1 1.5 2 0 0.6 1.2 1.8 Period, T (s) S p e c tr a l A c c e le ra ti o n ( g ) IBC 2012 (S_B) IBC 2012 (S D)  Site Period, T_G = 0.58 s (c) Depth to Bedrock = 50.8 m V S,30 = 342.8 m/s 0 0.5 1 1.5 2 0 0.6 1.2 1.8 Period, T (s) S p e c tr a l A c c e le ra ti o n ( g ) IBC 2012 (S_B) IBC 2012 (S D)  Site Period, T_G = 0.95 s (d) Depth to Bedrock = 80.0 m V S,30 = 330.8 m/s

부지응답해석

S

_D

지반조건

1) S_D 지반이더라도 지반깊이가 얕음에 따라 단주기 구조물에서 증폭이 크게 발생 2) 지반주기에 의해 지진파가 증폭되고, 공진에 의해 구조물 응답도 크게 증폭됨 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

0 0.5 1 1.5 2 0 0.6 1.2 1.8 Period, T (s) S p e c tr a l A c c e le ra ti o n ( g ) IBC 2012 (S_B) IBC 2012 (S E)  Site Period, T_G = 0.54 s

(a) Depth to Bedrock = 30.5 m V S,30 = 172.3 m/s 0 0.5 1 1.5 2 0 0.6 1.2 1.8 Period, T (s) S p e c tr a l A c c e le ra ti o n ( g ) IBC 2012 (S_B) IBC 2012 (S E)  Site Period, T_G = 0.69 s (b) Depth to Bedrock = 37.0 m V S,30 = 179.0 m/s 0 0.5 1 1.5 2 0 0.6 1.2 1.8 Period, T (s) S p e c tr a l A c c e le ra ti o n ( g ) IBC 2012 (S_B) IBC 2012 (S_E)  Site Period, T_G = 0.91 s (c) Depth to Bedrock = 40.3 m V S,30 = 174.7 m/s 0 0.5 1 1.5 2 0 0.6 1.2 1.8 Period, T (s) S p e c tr a l A c c e le ra ti o n ( g ) IBC 2012 (S_B) IBC 2012 (S_E) Site P eriod, T_G = 1.14 s  (d) Depth to Bedrock = 50.7 m V S,30 = 171.0 m/s

부지응답해석

S

_E

지반조건

1) 지반주기에서 증폭의 최대값이 S_E 지반 설계응답스펙트럼에 부합함 2) 단주기 구조물의 경우, 지반의 고주파영역에서 감쇠에 따라 응답이 감소함 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

부지응답해석

지반에 의한 구조물 응답 증폭의 경향

1) 지반주기에 의해 지진파가 증폭되고, 공진에 의해 구조물의 응답도 지반주기와 유사한 구간에서 증폭됨 2) 지반주기를 벗어나는 구간에서는 구조물 응답의 증폭이 발생하지 않음 3) 국내와 같이 기반암까지의 깊이가 얕은 경우, IBC 지반계수가 부합되지 않음 4) 김동수, 윤동구, 선창국, 이세현, 김동관 등이 국내 지반조건에 따른 지반분류체계 및 지반계수를 제안하고 있음 0 0.5 1 1.5 2 0 0.6 1.2 1.8 Period, T (s) S p e c tr a l A c c e le ra ti o n ( g ) IBC 2012 (S B) IBC 2012 (S D)  Site Period, T_G = 0.26 s

(a) Depth to Bedrock = 20.5 m V S,30 = 345.4 m/s 0 0.5 1 1.5 2 0 0.6 1.2 1.8 Period, T (s) S p e c tr a l A c c e le ra ti o n ( g ) IBC 2012 (S B) IBC 2012 (S D)  Site Period, T_G = 0.58 s (c) Depth to Bedrock = 50.8 m V S,30 = 342.8 m/s 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

CONTENTS

1. 지진과 응답스펙트럼

2. 지반운동의 영향

3. 설계응답스펙트럼

4. 부지응답해석과

KBC2016

5. 성능기반 내진설계를 위한 부지응답해석 절차

6. 입력지진파 최적화

충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

토사지반 Bedrock

KBC 2016

지반의 분류

KBC 2009 : 지표면으로부터 30m 깊이의 평균전단파속도 (

V

_S,30 )  암반이 포함됨 KBC 2016 : 암반의 깊이가 5 ~ 30m인 경우, 토사지반의 평균전단파속도 (

V

_S )로 분류 지반분류 – S_C : 360 < Vs < 760 m/s 지반분류 – S_D : 180 < Vs < 360 m/s 30m [ KBC 2009 ] 토사지반만 고려 (5 ~ 30m) [ KBC 2016 ] 미서부해안 암반까지의 깊이 : 100m 이상 Bedrock _Bedrock 토사지반 토사지반 H 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

KBC 2016

지반증폭계수

국내 지반조건과 같이 기반암까지 심도가 얕은 경우, 단주기지반이므로 구조물 응답 의 증폭이 단주기 구조물에서 크게 발생하는 경향을 반영하여, 기반암까지의 깊이를 20m 기준으로 스펙트럼을 추가  EUROCODE의 S_E 지반분류와 동일 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

KBC 2016

설계응답스펙트럼

국내 지반조건과 같이 기반암까지 심도가 얕은 경우, 단주기지반이므로 구조물 응답 의 증폭이 단주기 구조물에서 크게 발생하는 경향을 반영하여, 기반암까지의 깊이를 20m 기준으로 스펙트럼을 추가  EUROCODE의 S_E 지반분류와 동일 S_C 지반 (EGA = 0.22g) S_D 지반 (EGA = 0.22g) 0 0.5 1 1.5 2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Period, T (s) S pe ct ra l A cc el er at ion (g) KBC 2015 (S B) S D S E S_C (H > 20m) S_C (H < 20m) 0 0.5 1 1.5 2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 Period, T (s) S pe ct ra l A cc el er at ion (g) KBC 2015 (S B) S C S E S_D (H > 20m) S_D (H < 20m) 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

지반의 분류

지반분류의 예

지반의 평균전단파속도를 IBC기준의 합산식이 아닌 전달함수나 유한요소모델의 고유치해석으로부터 구하는 것이 정확함 0 250 500 750 1000 -20 -15 -10 -5 0 182 193 211 241 261 288 313 329 358 442 531 695 Depth to Bedrock = 13.0 m Site Period = 0.135 s V_S = 760 m/s  Rock Shear-wave Velocity (m/s) D e p th ( m ) KBC 2009 KBC 2015 정해 (exact solution) 고려되는 깊이 30 m H = 13 m H = 13 m 적용식 (IBC) 평균 전단파속도 VS,30 = 515 m/s VS = 302 m/s 지반분류 S_C 신설 S_D (기존 S_C와 유사) ,30 4 30 4 s i i V D V    4 4 s i i H V D V    0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 1 2 3 4 Frequency, f (Hz) A m pl ifi ca ti on 4 s G H V T   f = 7.42 Hz T_G = 1/f = 0.135 s V_S = 386 m/s 신설 S_C 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

KBC 2015

내진설계범주

단주기 및 주기 1초에서 설계스펙트럼 가속도에 따라 내진설계범주 결정되며, 두 값에 의한 범주가 다를 경우 높은 내진설계범주로 분류함 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

KBC 2015

내진설계범주

20m 깊이를 기준으로 토사지반만 고려하는 지반분류가 추가되더라도 내진설계범주의 수준이 커지지 않음. 또한 S_D (H<20m) 은 기존 S_C 와 동일함 0 1 2 3 4 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 내진설계범주 유효지반가속도, S (g) 결정된 범주 A B C D 0 1 2 3 4 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 내진설계범주 유효지반가속도, S (g) 결정된 범주 A B C D 0 1 2 3 4 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 내진설계범주 유효지반가속도, S (g) 결정된 범주 A B C D 0 1 2 3 4 0.12 0.14 0.16 0.18 0.2 0.22 0.24 내진설계범주 유효지반가속도, S (g) 결정된 범주 A B C D S_C(H>20m) = KBC2009-S_C S_D (H>20m) = KBC2009-S_D S_C (H<20m) = KBC2015 추가 S_D (H<20m) = KBC2015 추가 동일함 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

CONTENTS

1. 지진과 응답스펙트럼

2. 지반운동의 영향

3. 설계응답스펙트럼

4. 부지응답해석과 KBC2016

5. 성능기반 내진설계를 위한 부지응답해석 절차

6. 입력지진파 최적화

충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

<인방보 대각철근 조립> <벽체 경계요소 철근 조립>

• KBC 구조기준에서 내진설계범주 D에 속하고, 높이가 60m초과인 경우,

특수

전단벽

으로 설계

• 최외단부에 경계요소를 적용하여 부재의

연성능력 증가 목적

• 경계요소 적용은 철근배근시공 난이도를 요하며

콘크리트 타설이 용이하지

않음

(균열 및 피복탈락 등 문제)

 설계 및 시공현황

특수전단벽의 설계와 시공

• 시공성 저하 및 철근물량 증가 -> 정착 및 구조일체화 문제점 • 콘크리트타설불량에 의한 구조하자의 가능성

<벽체 배근> <인방보 배근>

1) 건축구조기준(KBC2009)에 예외 규정에 의해 철근콘크리트구조 형식이라도 실험이 나 해석에 의해 이 장에서 요구되는 사항을 만족하거나, 그 이상의 구조성능을 갖는 것이 증명된다면 이를 사용할 수 있다고 규정 2) KBC2016 “비탄성해석을 사용하여 구조물의 비탄성변형응답을 보다 정확히 설계에 반영하거나, 다양한 성능수준을 만족하도록 설계하고자 하는 경우 또는 규정된 각 시 스템계수를 적용 어려운 경우 성능설계법을 적용할 수 있다.” -> 이러한 규정에 근거하여 비선형 정적해석 및 동적해석을 수행하여 구조물의 성능 수준 확인 및 합리적인 설계를 통한 시공성 향상을 목적으로 함 50

 기준상의 근거

성능기반내진설계의 근거

목적

7개 지반운동에 대한 구조물 거동을 평균하여 내진성능평가

성능기반 내진설계를 위한 지반운동

탄성해석 + KBC 기준 설계응답스펙트럼을 적용하던 기존방법과 달리 비선형해석프로그램 + 실지진파 입력 (설계응답스펙트럼 고려)  구조물의 비탄성 거동을 고려하기 때문에 합리적인 지반운동이 적용되어야 함 건축구조공학 지반공학

Free Field Motion

충북대학교 산학연계방재세미나

Selection of Ground Motions

성능기반 내진설계를 위한 지반운동의 선정

PEER Ground Motion Database로부터 전세계의 지진기록 다운로드 가능

< PEER 검색조건 > Magnitude : 5 ~ 7

V_S30 : 검색대상 지반의 전단파속도

Factor Limit : Scale Factor의 상·하한 Period : Scale을 하는 구조물 주기의 범위

(0.2

T

₁ <

T

< 1.5

T

₁)

충북대학교 산학연계방재세미나

Selection of Ground Motions

성능기반 내진설계를 위한 지반운동의 선정

PEER DB에는 기반암까지 깊이에 대한 정보가 없으므로 정확한 토층을 구할 수 없음  지반에 의한 구조물 응답의 증폭을 구하기 위해서는 지반주기를 기준으로 분류해야 함  연구진과 자문단의 논의에 따라 PEER DB로부터 지진파를 선정하지 않고, 해당지반에 대한 부지응답해석을 수행 0 250 500 750 1000 -20 -15 -10 -5 0 182 193 211 241 261 288 313 329 358 442 531 695 Depth to Bedrock = 13.0 m Site Period = 0.135 s V S = 760 m/s  Rock Shear-wave Velocity (m/s) D e p th ( m ) V_S = 386 m/s V_S,30 = 515 m/s 지반분류 = S_C Bedrock 30m Bedrock 30m V_S,30 = 515 m/s V_S,30 = 515 m/s 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

Procedure for PBD

성능기반 설계를 위한 지반운동

생성

절차

지반조사 목표 설계응답스펙트럼 설정 암반지진기록 선정 암반지진기록 조정 부지응답해석 KBC 기준 검토 입력지진파로 활용 1 2 3 4 5 6 7 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

Procedure for PBD

1. 지반 조사

V_S,30 = 515 m/s 지반분류 = S_C 기반암까지 깊이 = 13.0 m 지반주기 = 0.135 s 0 250 500 750 1000 -20 -15 -10 -5 0 182 193 211 241 261 288 313 329 358 442 531 695 Depth to Bedrock = 13.0 m Site Period = 0.135 s V S = 760 m/s  Rock Shear-wave Velocity (m/s) D e p th ( m ) 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

0 1 2 3 0 0.2 0.4 0.6 T a = 0.23 s T1 = 1.19 s Tb = 1.79 s  S DS = 0.39 g  S D1 = 0.21 g S = 0.195 g F a = 1.20 , Fv = 1.61 Period, T (s) S p e c tra l A c c e le ra ti o n (g ) KBC-S C x 1.3 KBC-S C x 1.3 x 90% KBC-S C (Soil) KBC-S B (Rock)

Procedure for PBD

2. 목표 설계응답스펙트럼

KBC 기준에 따른 설계응답스펙트럼 1) 성능기반설계의 1차 기본설계에 탄성응답스펙트럼으로 적용 2) 비선형 동적해석을 위한 지진파의 조정(scaling)시, 목표스펙트럼 3) 직교효과를 고려하는 경우, KBC 스펙트럼의 1.3배와 SRSS 응답스펙트럼 검토 4) 구조물 주기의 범위 : 0.2 T₁ < T < 1.5 T_{1 2 2}

SRSS



X



Y

충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

Procedure for PBD

3. 암반지진기록 선정

PEER Database 에서 검색조건 1) 규모 : 5 ~ 7 2) 암반에서 기록된 지진 : V_S,30 > 760 m/s 3) Scale Factor : 0.4 ~ 3.0 0 10 20 30 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2  0.16 g  0.09 g

(a) Acceleration time history Scale Factor = 0.62 Time (s) S c a le d A c c e le ra ti o n (g ) _{X - dir.} Y - dir. 0 1 2 3 0 0.2 0.4 0.6 0.8 (b) Response Spectrum Period, T (s) S p e c tra l A c c e le ra ti o n (g ) KBC-S_B x 1.3 KBC-S B X - dir. Y - dir. SRSS

Event Year Station M V_S,30 Northridge (USA) 1994 Vasquez Rocks Park 6.69 996.4

0 10 20 30 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 -0.15 g  0.14 g  Time (s) U n sc a le d A c c e le ra ti o n (g ) X - dir. Y - dir. 0 1 2 3 0 0.3 0.6 0.9 1.2 (b) Response Spectrum Period, T (s) S p e c tra l A c c e le ra ti o n (g ) KBC-S_B x 1.3 KBC-S B X - dir. Y - dir. SRSS 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

0 10 20 30 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 -0.10 g  0.10 g 

(a) Acceleration time history Scale Factor = 0.69 Time (s) S c a le d A c c e le ra ti o n (g ) _{X - dir.} Y - dir. 0 1 2 3 0 0.3 0.6 0.9 1.2 (b) Response Spectrum Period, T (s) S p e c tra l A c c e le ra ti o n (g ) KBC-S_B x 1.3 KBC-S B X - dir. Y - dir. SRSS 0 10 20 30 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2 -0.10 g  0.10 g 

(a) Acceleration time history Scale Factor = 0.69 Time (s) S c a le d A c c e le ra ti o n (g ) _{X - dir.} Y - dir. 0 1 2 3 0 0.3 0.6 0.9 1.2 (b) Response Spectrum Period, T (s) S p e c tra l A c c e le ra ti o n (g ) KBC-S_B x 1.3 KBC-S B X - dir. Y - dir. SRSS

Procedure for PBD

4. 암반지진기록 조정

X, Y 방향 스펙트럼으로부터 SRSS 스펙트럼 도출 KBC S_B 암반 설계응답스펙트럼 x 1.3 배 (직교효과 고려) SRSS 스펙트럼을 암반스펙트럼에 맞게 조정

Event Year Station M V_S,30 Northridge (USA) 1994 Vasquez Rocks Park 6.69 996.4

충북대학교 산학연계방재세미나

Procedure for PBD

5. 부지응답해석의 예

0 10 20 30 40 50 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2  -0.08 g (a-1) Input (X-dir.)

Time (s) A cc el era ti on (g) 0 10 20 30 40 50 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2  -0.09 g (b-1) Output (X-dir.) Time (s) A cc el era ti on (g) 0 10 20 30 40 50 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2  0.11 g

(a-2) Input (Y-dir.)

Time (s) A cc el era ti on (g) 0 10 20 30 40 50 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2  0.13 g (b-2) Output (Y-dir.) Time (s) A cc el era ti on (g) 0 1 2 3 4 5 0 0.2 0.4 0.6 0.8

(a-3) Response Spectrum (Input)

Period (s) S pe ct ra l A cc el era ti on (g) KBC-S_B x 1.3 X-dir. Y-dir. SRSS 0 1 2 3 4 5 0 0.2 0.4 0.6 0.8

(b-3) Response Spectrum (Output)

Period (s) S pe ct ra l A cc el era ti on (g) KBC-S_C x 1.3 X-dir. Y-dir. SRSS

Event Year Station M VS,30

Chi-Chi (Taiwan) 1999 TAP086 7.62 887.7

충북대학교 산학연계방재세미나

0 10 20 30 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2  -0.12 g

(a-1) Input (X-dir.)

Time (s) A cc el era ti on (g) 0 10 20 30 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2  -0.19 g (b-1) Output (X-dir.) Time (s) A cc el era ti on (g) 0 10 20 30 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2  0.13 g

(a-2) Input (Y-dir.)

Time (s) A cc el era ti on (g) 0 10 20 30 -0.2 -0.1 0 0.1 0.2  -0.16 g _{(b-2) Output (Y-dir.)} Time (s) A cc el era ti on (g) 0 1 2 3 4 5 0 0.2 0.4 0.6 0.8

(a-3) Response Spectrum (Input)

Period (s) S pe ct ra l A cc el era ti on (g) KBC-S_B x 1.3 X-dir. Y-dir. SRSS 0 1 2 3 4 5 0 0.2 0.4 0.6 0.8

(b-3) Response Spectrum (Output)

Period (s) S pe ct ra l A cc el era ti on (g) KBC-S_C x 1.3 X-dir. Y-dir. SRSS

Procedure for PBD

5. 부지응답해석의 예

Event Year Station M VS,30

Loma Prieta (USA) 1989 SF - Rincon Hill 6.93 873.1

충북대학교 산학연계방재세미나

Procedure for PBD

6. KBC 기준 검토

구조물 주기의 범위 : 0.2 T₁ < T < 1.5 T₁ 에서 지반운동의 SRSS 응답스펙트럼의 평균이 목표 설계응답스펙트럼의 1.3배보다 10% 이상 작지 않도록 검토 및 조정  비선형 시간이력해석을 위한 입력지반운동의 평균적인 수준을 정의 0 1 2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 T_a = 1.80 s T_b = 0.24 s T₁ = 1.2 s Period, T (s) S p e c tra l A c c e le ra ti o n (g ) KBC-S_C x 1.3 KBC-S_C x 1.3 x 90% KBC-S_C Average 0 1 2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 T_a = 1.80 s T_b = 0.24 s T₁ = 1.2 s Period, T (s) S p e c tra l A c c e le ra ti o n (g ) KBC-S_C x 1.3 KBC-S_C x 1.3 x 90% KBC-S_C Average 7쌍 부지응답해석 결과, SRSS 응답스펙트럼의 평균 기준을 만족시키기 위해 1.49배 증가  입력지진파로 활용 SRSS 응답스펙트럼의 평균 = 12 12 22 22 32 32 42 42 52 52 62 62 72 72 7 X Y  X Y  X Y  X Y  X Y  X Y  X Y 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

CONTENTS

1. 지진과 응답스펙트럼

2. 지반운동의 영향

3. 설계응답스펙트럼

4. 부지응답해석과 KBC2016

5. 성능기반 내진설계를 위한 부지응답해석 절차

6. 입력지진파 최적화

충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

Spectrum Optimization

KBC 기준 검토에 따라 입력지진파가 전체적으로 scale-up 되어, 과대한 크기의 지진파가 해석에 적용될 우려가 있음 7쌍 지진기록의 SRSS 응답스펙트럼의 평균이기 때문에 1, 2개의 지진기록을 보정하여 KBC의 하한기준을 만족시키기 어려움  입력지진파 SET이 중요 0 1 2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 T_a = 1.80 s T_b = 0.24 s T₁ = 1.2 s Period, T (s) S p e c tra l A c c e le ra ti o n (g ) KBC-S_C x 1.3 KBC-S_C x 1.3 x 90% KBC-S_C Average 0 1 2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 T_a = 1.80 s T_b = 0.24 s T₁ = 1.2 s Period, T (s) S p e c tra l A c c e le ra ti o n (g ) KBC-S_C x 1.3 KBC-S_C x 1.3 x 90% KBC-S_C Average 과대한 Scale–up의 예 - 1 과대한 Scale–up의 예 - 2 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

Spectrum Optimization

스펙트럼 최적화 알고리즘

입력지진파의 모집단을 7개보다 큰 수로 pool을 만들고, 최적화 알고리즘을 도입하여 목표설계응답스펙트럼과 차이가 적은 부지응답해석결과 SET 도출 < 일반적인 절차 > < 최적화 절차 > 7가지 암반입력지진파 선정 및 조정 7가지 지진파에 대해 부지응답해석 수행 KBC 기준에 따라 조정 (평균이 90% 이상 만족) 입력지진파로 활용 N 개 암반입력지진파 선정 및 조정 N 개지진파에 대해 부지응답해석 수행 KBC 기준에 따라 조정 (평균이 90% 이상 만족) 기준으로부터 편차가 적은 7개 지진파 SET 선정 입력지진파로 활용 N 개 지진파 DB로부터 최적화 알고리즘 적용 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

Spectrum Optimization

성능기반 내진설계를 위한 지반운동 생성

탄성모델+응답스펙트럼 해석과 달리 비탄형모델 + 실지진파 해석에서는 구조물의 거동을 쉽게 예측할 수 없기 때문에 구 조물 물성의 정확한 입력 뿐만 아니라 입력지진파의 수준도 목표 설계응답스펙트럼과 유사한 수준이어야 합리적인 내진성능평가와 설계가 이루어 질 수 있다. 0 1 2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 T_a = 1.80 s T_b = 0.24 s T₁ = 1.2 s Period, T (s) S p e c tra l A c c e le ra ti o n (g ) KBC-S_C x 1.3 KBC-S_C x 1.3 x 90% KBC-S_C Average 0 1 2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 T_a = 1.80 s T_b = 0.24 s T₁ = 1.2 s Period, T (s) S p e c tra l A c c e le ra ti o n (g ) KBC-S_C x 1.3 KBC-S_C x 1.3 x 90% KBC-S_C Average 적절한 지반운동 SET의 예 - 1 적절한 지반운동 SET의 예 - 2 충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

학교에 대한 성능기반 내진설계

구조물의 주기가 짧으므로 지반에 의한 구조물 응답의 증폭이 면밀히 고려되어야 함 건물 1차 진동주기 : 0.37 s 지반부기 : 0.11 s 0 0.5 1 1.5 2 0 0.5 1 1.5 T b = 0.56 s T a = 0.06 s Period, T (s) S p e c tr a l A c c e le ra ti o n ( g ) KBC-S C x 1.3 KBC-S C x 1.3 x 90% KBC-S C Average 0 0.5 1 1.5 2 0 0.5 1 1.5 T b = 0.56 s T a = 0.06 s Period, T (s) S p e c tr a l A c c e le ra ti o n ( g ) KBC-S C x 1.3 KBC-S C x 1.3 x 90% KBC-S C Average

Spectrum Optimization

충북대학교 산학연계방재세미나 청주대학교 건축공학과

소 결

성능기반 내진설계를 위한 부지응답해석에 대한 소개

1) 다층지반 부지응답해석의 예를 통하여, 지반에 의한 구조물 응답의 증폭은 지반과 구조 물의 공진으로 발생하므로 지반의 전단파속도 뿐만 아니라 기반암까지의 깊이도 중요 2) 기반암까지의 깊이가 20m 이내인 단주기 지반에 대하여 단주기 구조물의 지진하중을 증가시키고, 장주기 구조물의 지진하중을 감소시키는 KBC 2016 소개

3) PEER Ground Motion Database에서는 기반암까지의 깊이 정보가 없기 때문에 지반 운동의 특성을 정확히 파악하기 어려움에 따라 입력지진파로 적합하지 않음

4) 성능기반 내진설계를 위한 지반운동 생성 절차 소개, KBC 기준에 따라 지반운동의 SRSS 응답스펙트럼의 평균이 목표 설계응답스펙트럼의 1.3배의 90% 이상이 되도록 검토 및 조정