Evaluation of Kinematic Soil-Structure Interaction Procedures Using Numerical Methods = 수치해석을 이용한 운동학적 상호작용 반영 절차의 평가

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Soil–structure interaction (SSI) is one of the key factors governing structural response during earthquakes. Among its components, kinematic interaction induces differences between free-field ground motions and the motions actually transmitted to the foundation (foundation input motion, FIM), thereby directly affecting the estimation of design seismic loads. However, studies that comprehensively evaluate, from the perspectives of two representative approaches—the Ratio of Response Spectrum (RRS) and the Transfer Function (TF)—the effects of major design parameters (building width, embedment depth, and soil shear-wave velocity) on kinematic SSI remain limited. In addition, the theoretical basis and applicability of the SSI-related procedure presented in the Korean design standard have not been sufficiently validated.
In this study, a two-dimensional model considering only the underground structure was developed to isolate kinematic SSI by minimizing the influence of inertial interaction from the superstructure. Dynamic analyses were conducted using the finite-element analysis software, OpenSees. A parametric investigation was performed by varying building width (16–40 m), embedment depth (3–12 m), and soil shear-wave velocity (185–480 m/s), and by applying six ground-motion records with different spectral characteristics.
From the numerical simulations, the response spectrum ratio (RRS) and transfer function (TF) between the free-field motion and the foundation motion were derived and compared with the RRS-based method in ASCE 41, the TF-based method in NIST document, and the input-motion reduction procedure specified in Korean design standard. The results show that the TF-based method most consistently reproduces the frequency-dependent attenuation of input motion due to kinematic SSI across variations in building width, embedment depth, and shear-wave velocity, and thus exhibits the best overall agreement with the numerical results. In contrast, the RRS-based method shows good agreement with the numerical results in low-to intermediate frequency ranges as embedment depth increases, whereas discrepancies grow beyond a threshold frequency (approximately 4–6 Hz). These discrepancies become particularly pronounced for stiffer soil conditions, indicating the need for further examination of an upper applicability limit. The KDS procedure, which implicitly assumes that free-field displacement is identical to the soil displacement adjacent to the structure, fails to properly
capture kinematic SSI and becomes inapplicable under certain conditions.
Moreover, the input ground motions reduced by the three methods exhibited distinct time-domain characteristics, and these differences were directly reflected in structural responses obtained from time-history analyses using a substructure SSI model. Specifically, depending on the kinematic SSI procedure adopted, peak floor accelerations varied by up to 35.2% and maximum interstory drift ratios varied by up to 14.1%. Overall, under the conditions investigated, the TF-based method is considered the most rational method for deriving FIM in practical seismic SSI analyses. The RRS-based method requires quantitative criteria to define its applicability under high shear wave velocity and high-frequency conditions, and the KDS procedure warrants further theoretical refinement and validation of its applicable range.

국문 초록 (Abstract)

지반–구조물 상호작용(SSI)은 지진 시 구조물 응답을 지배하는 핵심 요인 중 하나이며, 그중 운동학적 상호작용(kinematic interaction)은 자유장 지진운동과 기초에 실제로 입력되는 지진운동(Foundation Input Motion, FIM) 간의 차이를 유발하여 설계지진하중 산정에 직접적인 영향을 미친다. 그러나 주요 설계변수인 구조물 폭, 근입깊이, 지반 전단파속도가 운동학적 SSI에 미치는 영향을 응답스펙트럼비(Ratio of Response Spectrum, RRS)와 전달함수(Transfer Function, TF)을 사용하는 두 가지 대표 기법의 관점에서 동시에 종합적으로 평가한 연구는 제한적이며, 국내 건축물 내진설계기준(KDS 41 17 00)에 제시된 SSI 고려 절차의 이론적 타당성과 적용성 또한 충분히 검증되지 않았다.
본 연구에서는 상부구조물의 관성상호작용 영향을 배제하고 운동학적 SSI만을 평가하기 위하여 지하구조물만을 고려한 2차원 모델을 구축하였다. 유한요소해석 프로그램 OpenSees를 이용하여 동적 해석을 수행하였으며, 구조물 폭(16–40 m), 근입깊이(3–12 m), 지반 전단파속도(185–480 m/s)를 변화시키고 서로 다른 특성을 갖는 6개의 지진기록을 적용하여 매개변수 연구를 수행하였다.
수치해석 결과로부터 자유장 운동과 기초운동의 RRS와 TF를 산정하고, 이를 ASCE 41-23의 RRS 산정 절차, NIST(2012)의 TF 산정 절차, 그리고 KDS 41 17 00에 제시된 입력지진파 저감 절차와 비교하였다. 그 결과, TF 기반 방법은 구조물 폭, 근입깊이, 전단파속도 변화 전반에 걸쳐 운동학적 SSI에 따른 입력운동 저감의 주파수 의존적 경향을 가장 일관되게 재현하여 수치해석 결과와 가장 잘 일치하였다. RRS 방법은 근입깊이 증가 시 저·중주파수 범위에서는 수치해석과의 일치가 양호한 반면 특정 주파수(약 4–6 Hz) 이상에서는 불일치가 확대되었으며, 특히 지반 전단파속도가 높은 조건에서 설계기준 기반 예측과 수치해석 간 차이가 급격히 증가하여 적용 상한에 대한 추가 검토 필요성을 시사하였다. KDS의 절차는 자유장 변위와 구조물 인접 지반 변위를 동일시하는 개념적 가정으로 인해 운동학적 SSI를 적절히 반영하지 못하였고, 일부 조건에서는 적용이 불가능한 한계를 보였다.
또한 세 방법으로 저감된 입력지진운동은 시간영역에서 상이한 특성을 나타냈으며, 이러한 차이는 부분구조법 모델을 이용한 동적 해석에서 응답 차이로 직접 나타났다. 즉, 운동학적 SSI 반영 절차별 입력지진파의 차이로 인해 층별 최대가속도는 최대 35.2%, 최대 층간변위비는 최대 14.1%까지 달라졌다.
결과적으로, 현행 조건에서 TF 기반 접근법이 운동학적 SSI를 반영한 FIM 산정에 가장 합리적인 방법으로 판단되며, RRS 방법은 고속 지반 및 고주파 영역에서의 적용 한계에 대한 정량적 기준 마련이 요구된다. 아울러 KDS 절차는 이론적 재정립과 적용 범위에 대한 추가적인 검증이 필요하다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1 Introduction 1
• 1.1 Background 1
• 1.2 Objectives and Scope 6
• 1.3 Dissertation Organization 7
• Chapter 2 Literature Review 10
• 2.1 Code-Based Procedures 10
• 2.2 Evaluation of Kinematic SSI Procedures 15
• 2.3 Summary and Research Gap 17
• Chapter 3 Numerical Anlaysis 20
• 3.1 Modeling Validation 20
• 3.2 Conditions 21
• 3.2.1 Analysis Cases 22
• 3.2.2 Input Properties 23
• 3.2.3 Input Motions 24
• Chapter 4 Results 26
• 4.1 Analysis Methodology 26
• 4.2 Parametric Study 28
• Chapter 5 Discussion 31
• 5.1 Error of KDS Procedure 31
• 5.2 Implementation in Design Practice 32
• Chapter 6 Conclusions 36
• References 39