내진설계를 위한 지반의 전단파 속도와 지반 고유주기 측정

내진설계를 위한 지반의 전단파 속도와 지반 고유주기 측정 예

 

2014.11.24

영신컨설턴트 (02) 529 8803

 

지진 시 현장지반 증폭 (site amplification)

지진에 의해 발생한 지진파는 지하매질을 통하여 전파되고, 암반 상부의 연약지반에서 증폭되어 지반의 동적특성에 따라 상부 구조물에 영향을 미친다. 어떤 특성 주파수(또는 주기)를 가진 진동은 크게 증폭되어 지표면은 더욱 크게 진동하여 구조물의 응력이 증가된다. 이러한 주기를 지반의 탁월주기( predominent period) 또는 고유주기라 부른다. 내진해석 시 지반의 종류에 따라 증폭계수를 곱한다.

(참고문헌 지반공학시리즈 8 지반구조물의 내진설계 사단법인 한국지반공학회 저)

 

탁월주기(卓越週期)는 지반(地盤)과 관련이 있고 상시미동을 관측, 해석하면 지하구조에 따라 다른 탁월주파수와 지반고유의 진동특성을 알 수 있다. 지진증폭은 지반의 암반심도 암반의 형태 (분지형, 골짜기형) 지반의 종류 지층에 따라 달라진다. 암반 심도가 깊으면 주기가 길고 암반심도가 작으면 주기가 작다. 암반노두(rock outcrop)에서 지진증폭은 작고 지반에서 현장 지진증폭(site amplication)이 크고 지형에 따라 달라 현정측정이 필요하다. 기존의 다운홀 시험 SASW, MASW방법에 지반의 고유주기는 현장지형을 형태를 고려하지 않아 실제 현장 지진시의 고유 주파수와 다를 수 있다.

지반에서 현장 지진증폭(site amplication)

 

현장지반 조건

 

표준 관입시험

 

피에조 콘 시험

A-6 현장 피에조콘 qc fs u (단위 MPa)

 

 

A-10 현장 피에조콘 qc fs u (단위 MPa)

 

 

현장 전단파속도 측정 SCPT 조사결과

 

 

 

심도별 전단파속도(Vs)

 

 

현장 지반의 상시미동 측정에 의한 고유주기

 

 

수평 수직비 (Horizotal vertical spectrum ratio, HV) 방법

수평/수직비(H/V)방법은 Kanai and Tanaka (1961)의 최초 연구에 기반으로 Nogoshi and Igarashi (1971)의 의해 제안된 Nakamura방법이다. 상시미동을 한 점에서 3성분 지오폰으로 Horizotal vertical spectrum ratio (H/V)를 측정한다. 저주파수에서 분해능이 좋은 3성분 지오폰으로 지반의 상시미동의 수평수직 진폭비(H/V spectral ratio)를 측정하고 시간을 20초-30초 간격으로 잘라 주파수분석하여 최대 수평/수직 진폭비의 주파수를 찾는다. 이 방법은 퇴적지반 하부에 impedence 큰 암반이 있을 때 연약지반의 고유주파수를 평가한다.

 

(참고문헌 GUIDELINES FOR THE IMPLEMENTATION OF THE H/V SPECTRAL RATIO TECHNIQUE on AMBIENT VIBRATIONS MEASUREMENTS, PROCESSING AND INTERPRETATION SESAME European research project WP12 –SESAME December 2004 (SESAME: Site EffectS assessment using AMbient Excitations))

 

 

위치 : 장소: 부산광역시 강서구 명지동 (화살표 방향을 북쪽으로 장비세팅 후 시험)

 

 

Instrument: TROMINO

Start recording: 12/11/14 10:35:28

Channel labels: NORTH SOUTH; EAST WEST ; UP DOWN

GPS location: 128°55.3764 E, 35°07.5459 N (17.7 m)

Trace length: 2분. Analysis performed on the entire trace.

Sampling rate: 128 Hz Window size: 20s Smoothing type: Triangular

 

측정된주파수

NO. 주파수(Hz)

YS 1 0.94Hz

YS 2 0.94Hz

YS 3 0.94Hz

YS 5 0.88Hz

YS 6 0.91Hz

YS 7 1.00Hz

 

 

남북 동서 방향 평균

 

동서 방향 평균

 

남북 방향 평균

 

지반의 평균전단파속도와 고유주기 관계

 

Vs = 30 / Σ(di/Vsi) (bedrock depth > 30m)

Vs = Σdi / Σ(di/Vsi) (bedrock depth < 30m)

 

Tg = 4 Σ (di / Vsi) = 4D / Vs

 

Vs = 토층 상부 (기반암까지) 30m에 대한 평균 전단파속도

di = 토층i의 두께 (m)

D = 기반암까지 심도

Vsi= 토층i의 전단파속도 (m/sec)

i=30m(기반암)까지 층번호

Tg = 지반의 고유주기

f = 지반의 고유주파수

 

 

f = 1/ Tg = Vs/ 4D = 188m/sec / (4 x 50m) = 0.94Hz

연약 지반의 평균 전단파 속도 188m/sec 연약지반 심도 50m 가정할 때 0.94Hz로 상시미동에서 측정한 주파수 평균 0.94Hz와 유사하다.

 

 

scpt 전단파 속도 측정 A-10