지진에 대한 말뚝과 연약지반의 상호작용에 대한 수치해석 = Numerical Analysis of Pile-Soft Soil Interaction under Earthquake

국문 초록 (Abstract)

지진에 대한 말뚝과 연약지반의 상호작용에 대한 수치해석 울산대학교 대학원 건설환경공학과 김 정 현 지진 시 지반 조건에 따른 지진동 증폭과 구조물 응답의 차이는 다수의 지진 피해 사례를 통해 확인되어 왔다[1,2]. 특히 연약 지반에서는 지진파가 증폭되거나 주파수 특성이 변화하여 구조물의 손상 가능성이 증가하는 것으로 보고되고 있으며[3], 이러한 현상은 지반과 구조물의 동적 상호작용, 즉 지반-구조물 상호작용(Soil-Structure Interaction, SSI)과 밀접한 관련이 있다[4]. 국내에서는 2016년 경주 지진과 2017년 포항 지진을 계기로 중·저층 건축물의 내진 안전성 및 지반 조건의 영향에 대한 관심이 증대되었다[5,6]. 본 연구의 목적은 2차원 유한요소해석을 통해 말뚝기초를 가진 5층 라멘 구조물의 지진 시 SSI 거동을 분석하고, 지반 조건 및 입력 지진파 특성에 따른 구조물 응답 차이를 정량적으로 평가하는 데 있다. 이를 위해 Abaqus를 활용한 동적 해석을 수행하였으며, 모래 지반, 점토 지반, 실제 지반 조건의 세 가지 지반 모델과 경주 지진, 포항 지진, 설계 지진의 세 가지 입력 지진파를 조합하여 총 9개의 해석 사례를 구성하였다. 해석 모델은 총 깊이 35 m의 지반으로 구성되며, 하부 5 m는 암반, 상부 30 m는 지반 조건에 따라 모래 또는 점토층으로 설정하였다. 구조물은 지표면 상부에 위치한 5층 철근콘크리트 라멘 구조로 모델링하였고, 기초 시스템은 매트기초와 암반에 정착된 말뚝기초로 구성하였다. 지진 응답 평가는 지표면 및 구조물 상부의 가속도와 속도 응답, 그리고 말뚝 두부에서의 전단력과 휨모멘트를 중심으로 수행하였다. 해석 결과, 연약 지반일수록 지표면 및 구조물 상부에서의 가속도 증폭이 크게 나타났으며, 입력 지진파의 주파수 특성에 따라 응답 양상이 상이하게 나타났다. 또한 말뚝 두부의 전단력과 휨모멘트는 지반 조건과 지진파 조합에 따라 유의미한 차이를 보였으며, 이는 고정기초 가정에 기반한 해석으로는 충분히 평가되기 어려운 SSI 효과임을 확인하였다. 본 연구 결과는 지반-구조물 시스템을 통합적으로 고려한 지진해석의 필요성을 제시하며, 향후 내진 설계 및 성능 평가에 활용 가능한 기초 자료를 제공한다.

목차 (Table of Contents)

• 국 문 요 약 ⅰ
• 목 차 ⅲ
• 표 목 차 ⅵ
• 그 림 목 차 ⅶ
• 제 1 장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 및 필요성 1
• 1.2 연구 목적 2
• 1.3 연구 범위 및 방법 2
• 제 2 장 이론적 배경 3
• 2.1 지반-구조물 상호작용(SSI)의 개념 3
• 2.1.1 지반-구조물 상호작용(SSI) 정의 및 중요성 3
• 2.1.2 SSI 고려 여부에 따른 구조 응답 특성 3
• 2.2 지진하중의 특성 4
• 2.2.1 지진파의 종류 및 전파 특성 4
• 2.2.2 경주 및 포항지진의 주파수 특성 4
• 2.2.3 설계스펙트럼 코드(KDS 41 17 00) 5
• (1) 설계스펙트럼의 형상 및 감쇠비 5
• (2) 설계지반 분류 기준 5
• 2.3 연약지반의 동적 거동 특성 5
• 2.3.1 점토와 모래의 응력-변형률 관계 5
• 2.3.2 연약지반의 비배수 거동 및 감쇠특성 5
• 2.4 실제 지반 사례: 울산지역 지반의 구성 및 특성 6
• 2.5 지반 동적 모델 및 해석 이론 6
• 2.5.1 기존 지반모델의 비교 및 한계 6
• 2.5.2 Geo-COUS 경계면 모델의 개요 및 매개변수 특성 6
• 2.5.3 Drucker–Prager 소성모델의 이론과 적용 7
• 2.5.4 Abaqus 와 Geo-COUS UMAT 연동 구조 7
• 제 3 장 수치해석 방법 및 모델 검증 8
• 3.1 수치해석 방법 및 모델링 개요 8
• 3.2 UMAT 구성모델 검증 9
• 3.2.1 단일요소 검증 9
• 3.2.2 다중요소 검증 11
• 3.2.3 검증 결과 및 고찰 12
• 3.3 SSI 해석 조건 12
• 3.3.1 해석 모델 구성 및 경계조건 12
• 3.3.2 입력 지진파 및 해석 변수 13
• 제 4 장 수치해석 결과 및 분석 15
• 4.1 말뚝기초 지진해석 결과 15
• 4.1.1 단순 지반 조건 수치해석 15
• 4.1.2 모래 지반 조건 SSI 해석 (Case 1–3) 16
• 4.1.3 점토 지반 조건 SSI 해석 (Case 4–6) 21
• 4.1.4 실제 지반 조건(울산 남구 삼산동) SSI 해석 (Case 7–9) 26
• 4.2 말뚝기초 안정성 분석 31
• 4.2.1 변위 및 응력분포 분석 31
• 4.2.2 안전율 산정 및 거동 평가 31
• 제 5 장 결 론 33
• 5.1 연구 요약 33
• 5.2 주요 결론 33
• 참 고 문 헌 35
• 영 문 요 약 38