Evaluation of Dynamic Earth Pressure Acting on Building Basement Walls Using 1-g Shaking Table Model Tests = 1-g 진동대 모형실험을 통한 건축물 지하벽체에 작용하는 동적토압 평가

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

In urban environments, basements are widely utilized to maximize spatial efficiency in buildings. Building basements are directly exposed to seismic ground motions during earthquakes, making their seismic design critical for ensuring the structural integrity of the entire building and minimizing damage. Unlike simple structures such as retaining walls or piles, buildings are experienced complex dynamic interactions between the superstructure and the basement. These soil–basement–superstructure interactions can significantly increase base shear forces and overturning moments during seismic events, as well as amplify relative displacement between the wall and surrounding soil, thereby altering the magnitude and distribution of dynamic earth pressures. Nevertheless, conventional dynamic earth pressure estimation methods do not adequately account for soil–structure interaction (SSI) effects, and often overlook key factors such as the phase difference between soil and structure.
In liquefied ground conditions, the reduction in soil stiffness and strength further intensifies SSI effects. During liquefaction, interaction between the structure and surrounding soil causes stress redistribution patterns that differ significantly from free-field responses. Excessive deformation in the liquefied soil tends to increase both settlement and rotation of buildings. These observations underscore the necessity of considering SSI in seismic design under liquefiable conditions. Despite the growing importance of this issue, most previous studies have focused on quay walls or pile foundations, and the combined effects of liquefaction on dynamic earth pressure acting on basement walls have not been thoroughly investigated.
To address this research gap, this study conducted a series of 1g shaking table model tests to evaluate the behavior of dynamic earth pressure on basement walls, considering SSI effects. A residential building prototype with three basement levels was modeled in three height configurations: 0-story, 3-story, and 9-story above ground. Two basement fixity conditions were tested: an embedded basement simulating a shallow foundation on soil, and a fixed basement anchored to a rigid base. Experiments were performed under two ground conditions—dense dry sand and loose saturated sand. A 10 Hz sinusoidal base motion was applied to the model container. In dry soil conditions, three increasing input amplitudes (0.15g, 0.20g, and 0.30g) were used, while in saturated conditions, a constant amplitude of 0.15g was applied for 10 seconds. The experimental setup enabled a comprehensive investigation of SSI and liquefaction effects on seismic earth pressure behavior in building basements.
Based on the results from the dry ground tests, the dynamic earth pressure behavior on basement walls varied significantly with basement fixity and building height. Low-rise buildings exhibited sliding or tilting as the basement and superstructure moved with the ground, while high-rise buildings showed rotational or opposite-direction tilting depending on fixity. The earth pressure fluctuated with relative displacement between soil and basement, and its distribution changed from triangular to inverted triangular with increasing height. Dynamic thrust increased with building height and was greater in fixed basements due to larger relative displacement. In low-rise embedded cases, dynamic thrust acted as a resisting force, while in high-rise or fixed conditions, it acted as a driving force.
In the saturated ground tests, excess pore pressure behavior differed between the basement wall vicinity and the free field. Liquefaction occurred in the free field but was suppressed near the basement wall, where excess pore pressure was about 40% lower due to soil–structure interaction. The dynamic resultant thrust was dominated by the seismic water force, particularly its non-fluctuating component, which followed the excess pore pressure trend. An analytical formula considering the excess pore pressure ratio and kinematic interaction was proposed. Comparison with experimental results showed that inertial effects were minimal in fixed basements but led to underestimation in high-rise embedded cases due to increased relative displacement.

국문 초록 (Abstract)

도시 내 건축물에서 지하실은 공간 활용의 효율성을 높이는 핵심 요소로 널리 활용되고 있으며, 지진 발생 시 지반의 진동하중에 직접적으로 노출되기 때문에 구조물 전체의 내진 안정성을 확보하고 피해를 최소화하기 위해 정밀한 내진 설계가 필수적이다. 특히, 건물은 옹벽이나 말뚝과 같은 단순 구조물과 달리, 상부 구조물과 지하실 간의 복합적인 상호작용을 수반한다. 이러한 지반–지하실–상부구조 간의 동적 상호작용은 지진 시 기초 전단력 및 전도 모멘트를 증가시킬 뿐만 아니라, 벽체와 지반 간의 상대 변위를 증가시켜 지진토압에 중대한 영향을 미치게 된다. 그럼에도 불구하고, 기존의 지진토압 산정법은 이러한 지반–구조물 상호작용(SSI)의 영향을 충분히 반영하지 못하고 있으며, 위상차와 같은 핵심 인자의 중요성 역시 간과되고 있는 실정이다.
더욱이, 액상화가 발생한 지반에서는 강성과 강도의 급격한 저하로 인해 SSI의 영향이 훨씬 더 뚜렷하게 나타난다. 액상화 중에는 건물과 지반 간의 상호작용으로 인해 자유장과는 다른 방식으로 주변 지반의 응력 상태가 변화하며, 지반의 과도한 변형은 건물의 침하 및 회전 변위를 증가시킨다. 이러한 현상은 건축물의 내진 안정성 확보를 위해 액상화 조건에서의 SSI를 반드시 고려해야 함을 의미한다. 지금까지의 대부분의 연구는 안벽이나 말뚝 기초를 중심으로 수행되어 왔으며, 지하실 벽체에 작용하는 지진 토압에 대한 액상화의 복합적 영향은 충분히 규명되지 않은 상태이다.
본 연구는 지반–구조물 상호작용을 고려하여 건물 지하실 벽체에 작용하는 지진 토압의 거동을 평가하고자 1g 진동대 모형실험을 수행하였다. 실험 대상은 공동주택 형식의 건물을 원형으로 하였으며, 건물 높이에 따라 0층, 3층, 9층으로 구분된 세 가지 모형을 제작하였다. 모든 모형은 동일한 3층 지하실을 포함하고 있으며, 지하실 고정 조건에 따라 매립형(얕은 기초)과 고정형(암반 기초) 두 가지 실험 그룹으로 나누었다. 지반 조건은 조밀한 건조 사질토와 느슨한 포화 사질토로 구성하였으며, 각각의 조건에서 실험을 수행하였다. 입력 지진동은 10 Hz 정현파를 사용하였으며, 건조 지반에서는 최대 가속도 0.15 g, 0.20 g, 0.30 g의 점진 증가형 입력을, 포화 지반에서는 최대 가속도 0.15 g, 지속시간 10초의 입력을 적용하여 모형을 진동시켰다.
건조 지반 실험 결과, 건물 지하실 벽체에 작용하는 지진 토압의 거동은 지하실 고정 조건과 건물 높이에 따라 크게 달라졌다. 저층 건물에서는 지하실과 상부 구조물이 지반과 동일한 방향으로 움직이며 활주 또는 기울어짐을 보였고, 고층 건물은 회전 또는 반대 방향 기울어짐의 거동을 나타냈다. 지진 토압은 지반과 지하실 간 상대 변위에 따라 증감하였고, 분포는 건물 높이와 고정 조건에 따라 삼각형에서 역삼각형 형태로 변화하였다. 지진 추력은 건물의 관성력이 커짐에 따라 증가하였으며, 같은 높이에서도 고정형 지하실이 매립형보다 크게 나타났다. 특히, 지진 토압은 저층 매립형 지하실에서는 변위를 억제하는 저항력으로, 고층 또는 고정형 조건에서는 변위를 유발하는 추진력으로 작용하였다.
포화지반 실험 결과, 액상화 지반에서 과잉간극수압의 거동은 지하실 벽체 인근과 자유장에서 다르게 나타났으며, 자유장에서는 유효응력에 도달해 액상화가 발생한 반면, 벽체 인근에서는 평균적으로 약 40% 낮아 액상화가 억제되었다. 총 지진력은 동적 수력과 토력으로 구성되며, 필터링을 통해 분리한 결과 비진동 성분은 과잉간극수압의 증가 경향과 유사하게 나타나 동적 수력에 의해 지배됨을 확인하였다. 또한, 액상화 영향을 반영할 수 있도록 과잉간극수압비와 운동학적 상호작용을 고려한 산정식을 제안하였으며, 실험 결과와의 비교를 통해 고정형 지하실에서는 관성력 영향이 미미하고, 매립형 고층 건물에서는 상대 변위 증가로 인해 지진력이 과소평가됨을 확인하였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1. Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Objectives 4
• 1.3 Scope of research 5
• 1.4 Organization of disseration 6
• Chapter 2. Literature review 8
• 2.1 Analytical approaches for determining dynamic earth pressure 8
• 2.1.1 Yielding walls 9
• 2.1.2 Non-yielding walls 15
• 2.2 Previous studies on dynamic earth pressure 17
• 2.2.1 Experimental approaches 17
• 2.2.2 Numerical approaches 22
• 2.3 Evaluation of force components of dynamic thrust 28
• 2.4 Effect of phase difference on dynamic earth pressure 31
• 2.5 Similitude laws for 1 g shaking table tests 36
• 2.5.1 Similitude laws suggested by Iai (1989) 36
• 2.5.2 Similitude laws suggested by Gibson (1996) 38
• Chapter 3. 1 g shaking table model test 41
• 3.1 Introduction 41
• 3.2 Apparatus of tests 41
• 3.2.1 Shaking table and soil box 41
• 3.2.2 Measuring instrument 43
• 3.3 Model buildings 47
• 3.4 Model soil 51
• 3.5 Model preparation 53
• 3.5.1 Construction of dry dense ground 53
• 3.5.2 Construction of saturated loose ground 54
• Chapter 4. Effect of soil-structure interaction on dynamic earth pressure acting on building basement walls in dry sand 56
• 4.1 Introduction 56
• 4.2 Test program 57
• 4.2.1 Input motions 57
• 4.2.2 Test conditions 58
• 4.3 Test results and analyse 60
• 4.3.1 Displacement behavior of soil and building 60
• 4.3.2 Distribution of dynamic earth pressure 67
• 4.3.3 Magnitude of dynamic thrust 73
• 4.3.4 Phase relationship between dynamic thrust and building displacement 75
• 4.4 Summary and conclusions 85
• Chapter 5. Evaluation of dynamic earth pressure acting on building basement walls in liquefied soil 88
• 5.1 Introduction 88
• 5.2 Test program 89
• 5.2.1 Input motions 89
• 5.2.2 Test conditions 90
• 5.3 Test results and analyses 93
• 5.3.1 Excess pore pressure results 93
• 5.3.2 Dynamic earth pressure results 96
• 5.3.3 Phase relationship between building displacement and dynamic thrust 99
• 5.4 Development of a simple model for estimating dynamic thrust 103
• 5.4.1 Evaluation of non-fluctuating components of dynamic thrust 105
• 5.4.2 Evaluation of fluctuating components of dynamic thrust 107
• 5.4.3 Comparison between proposed model and test results 108
• 5.5 Summary and conclusions 114
• Chapter 6. Conclusions and recommendations 116
• 6.1 Conclusions 116
• 6.2 Recommendations 120
• List of References 122
• 초 록 132