지반 구조물 내진설계 soil structure interaction

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2015년 및 2016년 개정된 내진설계 기준에서는 3층 (또는 1,000m2) 및 2층 (또는 500m2) 이상의 건축물에 의무적으로 내진설계를 실시하도록 규정되어 있고 이로 인하여 건축법상 내진설계가 수행된 건축물은 약 20% 정도에 불과합니다.

 

상시미동으로 건물과 주변 지반의 공진 주파수를 측정하고 건물과 지반의 공진주파수가 다르게 설계해야 지반 공진에 의한 건물 피해를 줄일 수 있습니다.

 

지반의 H/V (수평과 수직비)로 공진주파수 측정하는 방법은 Kanai and Tanaka (1961)의 최초 연구에 기반으로 Nogoshi and Igarashi (1971)의 의해 제안된 Nakamura방법입니다.

상시미동을 한 점에서 3성분 지오폰으로 Horizotal vertical spectrum ratio (H/V)를 측정하고 상시미동으로 건물의 고유 주파수를 측정합니다.

 

 

지반의 평균 전단파 속도

 

Vs30 = 30/Σ(Vsi/Hi)

Vs30 : 토층 30m에서 평균 전단파 속도 Vsi: 지층 Hi의 두께, Hi : 지층의 두께

 

지반의 전단파속도에 의한 고유주기 산정

f = Σ (Vsi / 4Hi) = 1 / T

H : 퇴적지반의 두께(m), Vs : 퇴적지반의 S파속도(m/sec) f : 공진 주파수 t : 주기

 

 

상시미동에 의한 지반의 H/V (수평과 수직비) 측정 예

 

부산신항 N-S방향 0.75Hz, E-W방향 0.74Hz 범례: N-S방향=녹색, E-W방향=파란색

 

2015년 및 2016년 개정된 내진설계 기준 3층 (또는 1,000m2) 및 2층 (또는 500m2) 이상의 건축물 내진설계

 

지반 구조물 Italy Bologna 측정 예

 

 

2012년 5월 진도 5.9 지진으로 구조물 B 내부 균열 발생

 

구조물 높이별 진폭과 구조물 A B 주파수

 

 

주변 지반 주파수

 

a 표면파 시험

b H/V first flexion mode 구조물 a 주파수 red, 구조물 b 주파수 blue

c 심도별 전단파속도

 

 

구조물의 중앙에서 외부로 방향 거리별 지반속도와 주파수

 

좌 구조물 A,

 

중앙 구조물 B (구조물 B의 지반 공진 A (0m)이 A보다 크다),

 

우 거리별 진폭 감소 구조물 B가 적다.

 

구조물 B가 지반과의 큰 공진으로 지진 시 콘크리트 균열 발생

 

 

 

 

참고문헌

The different response of apparently identical structure 2013

a far-field lessson from the Mirandola 20th May 2012 earth quake