장주기 지반의 지하박스구조물에 대한 응답변위법의 보수성 평가 = Evaluation of the Conservatism of the Response Displacement Method for Underground Box Structures under Long-Period Site Conditions

국문 초록 (Abstract)

현행 공동구 설계기준에서 기본 해석법으로 제시되는 응답변위법은 계산이 간편하나, 지반의 층상구조, 비선형 거동 및 지반–구조물 상호작용을 충분히 반영하지 못할 가능성이 있으며, 특히 장주기 성분이 지배적인 연약지반 조건에서 항상 보수적인 결과를 제공하는지에 대한 검증이 필요한 상황이다. 이를 위해 부산권 연약지반에서 확보한 실제 지반조사 자료를 바탕으로 총 132개의 S4 지층모델을 구성하고, 상부 연약층 두께와 기반암 조건 등을 변화시키며 수치해석을 수행하였다. 단일코사인 기반 응답변위법, 지진응답해석 기반 응답변위법, 그리고 SSI 해석을 동일 조건에서 적용하여 해석법별 응답 특성과 차이를 상호 비교·분석하였다.
해석 결과, S4 지반 중에서도 Vs=180–210 m/s 수준의 장주기 연약지반 및 상부 연약층이 두껍게 분포하는 경우, 단일코사인 기반 응답변위법은 지진응답해석 및 SSI 해석에 비해 구조물의 거동을 상당 수준 과소평가하는 경향을 보였다. 이 구간에서는 해석법 간 응답비의 평균값과 분산이 모두 증가하여, 단일코사인법이 이론적 가정과 달리 비보수적인 결과를 산정할 수 있음을 확인하였다. 특히 지반 고유주기 추정 결과, 약 0.4s 이상의 장주기 영역에서 부재력 증폭이 뚜렷해지는 경향이 나타나, S4 지반에서 관찰된 고부재력 응답은 주로 장주기–비선형 부지증폭의 영향이 크게 작용한 것으로 판단된다.
종합하면, 상부 연약층이 두껍게 발달한 장주기 연약지반 조건에서는 단일코사인 기반 응답변위법이 항상 보수적이라고 보기 어려우며, 지반 비선형성과 연약층의 장주기 특성을 적절히 고려하기 위해서는 지진응답해석 및 SSI 해석을 병행하는 것이 바람직하다. 반대로 Vs가 충분히 크고 연약층이 제한된 구간에서는 단일코사인 기반 응답변위법의 적용성이 양호한 것으로 나타났다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The response displacement method (RDM) prescribed in the current
design guidelines for utility tunnels offers the advantage of computational
simplicity; however, it may not adequately account for stratified soil
conditions, nonlinear soil behavior, and soil–structure interaction (SSI). In
particular, its conservatism under soft soil conditions governed by
long-period seismic components requires careful verification. To address
this issue, a total of 132 S4 soil profiles were constructed using actual
subsurface investigation data obtained from the Busan metropolitan area,
and numerical analyses were performed while varying the thickness of the
upper soft layer and bedrock depth. The single-cosine RDM,
site-response-analysis-based RDM, and SSI analyses were conducted
under identical conditions to compare and evaluate the characteristics and
differences among the three methods.
The results indicate that, within the S4 soil class—especially when Vs
ranges between 180 and 210 m/s and the upper soft layer is sufficiently thick—the single-cosine RDM tends to significantly underestimate
structural demands compared with both the site response analysis and the
SSI analysis. In this range, the mean and variance of the response ratios
increase notably, demonstrating that the single-cosine RDM may provide
unconservative estimates contrary to its theoretical assumptions.
Moreover, soil fundamental period estimations showed that structural
demand increases sharply when the soil fundamental period exceeds
approximately 0.4 s, suggesting that the amplified responses observed in
the S4 profiles are predominantly influenced by long-period nonlinear site
effects.
In summary, the single-cosine RDM cannot be regarded as consistently
conservative for long-period soft soil conditions with thick upper soft
layers. For such cases, it is advisable to accompany the RDM with site
response analysis and SSI analysis to properly account for soil
nonlinearity and long-period characteristics of the soil profile. Conversely,
for soil profiles with sufficiently high shear-wave velocity and limited
soft layer thickness, the applicability and conservatism of the RDM remain
satisfactory.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서론 1
• 1.1 연구배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 목적 및 내용 4
• 제2장 이론적 배경 및 특징 5
• 2.1 개요 5
• 2.2 응답변위법 5
• 2.3 지진응답해석 6
• 2.4 지반-구조물 상호작용 해석 6
• 제3장 해석 대상 8
• 3.1. 구조물 및 지반 조건 8
• 3.1.1 해석 대상 지반 8
• 3.1.2 대상 지반 범위 설정 11
• 3.1.3 평균 전단파속도 범위 12
• 3.1.4 해석 대상 구조물 12
• 3.2. 설계지반운동 수준 결정 및 입력지진 결정 15
• 제4장 지진해석 해석절차 17
• 4.1 단일코사인 기반 응답변위법 17
• 4.1.1 개요 17
• 4.1.2 구조물 모델링 17
• 4.1.3 기반면 및 지반분류 결정 18
• 4.1.4 동적 지반물성치 산정 19
• 4.1.5 지반반력계수 산정 20
• 4.1.6 지반변위 산정 21
• 4.1.7 지진하중 산정 23
• 4.2 지진응답해석 기반 응답변위법 25
• 4.2.1 개요 25
• 4.2.2 지층 및 구조물 모델링 25
• 4.2.3 기반면 및 지반분류 결정 25
• 4.2.4 동적물성함수 설정 25
• 4.2.5 입력지진 및 주파수 설정 26
• 4.2.6 등가선형 반복 및 수렴 기준 26
• 4.2.7 지진하중 산정 26
• 4.3 SSI해석 28
• 4.3.1 개요 28
• 4.3.2 지반-구조물 모델링 28
• 4.3.3 경계조건 28
• 4.3.4 동적물성함수 29
• 4.3.5 입력지진 및 주파수 설정 29
• 4.3.6 등가선형 반복 및 수렴 기준 29
• 제5장 대표 단면(Vs≈190 m/s) 해석 및 결과 분석 30
• 5.1 해석모델 구성 및 조건 30
• 5.2 설계지진력 산정 32
• 5.2.1 내진성능목표 32
• 5.2.2 지진구역 32
• 5.2.3 위험도 계수 33
• 5.2.4 유효지반가속도계수 산정 33
• 5.2.5 지반의 분류 34
• 5.2.6 성능수준별 설계지반 가속도 및 속도 34
• 5.3 지반반력계수 산정 36
• 5.4 하중 산정(단일코사인) 40
• 5.4.1 지반의 고유주기 및 가속도, 속도 40
• 5.4.2 지반변위 41
• 5.4.3 지진토압 43
• 5.4.4 주면전단력 44
• 5.4.5 관성력 45
• 5.5 하중 산정(지진응답해석) 47
• 5.5.1 지반변위 47
• 5.5.2 지진토압 48
• 5.5.3 주면전단력 49
• 5.6 전산모델링 50
• 5.6.1 요소·강역 설정 50
• 5.6.2 지점 설정 53
• 5.6.3 단면 강도감소계수 적용 53
• 5.6.4 하중 재하 54
• 5.7 SSI해석 56
• 5.7.1 요소 설정 56
• 5.7.2 경계조건 설정 56
• 5.7.3 동적물성함수 57
• 5.7.4 입력지진 및 주파수 설정 57
• 5.7.5 등가선형 설정 57
• 5.8 대표단면 결과 요약 및 위험단면 휨모멘트 비교 58
• 제6장 해석결과 60
• 6.1 SSI 해석 및 응답변위법 상대변위 비교 60
• 6.2 구조물 위험단면에서의 휨모멘트 비교 65
• 6.3 응답비 분석 67
• 6.4 연약층 두께에 따른 증폭 특성 및 구조물 응답 분석 70
• 6.4.1 연약층 10~20 m 구간 70
• 6.4.2 연약층 20~30 m 구간 71
• 제7장 결론 73
• 참고문헌 75
• 영문초록 78