5개 중규모 지진의 속도 관측자료를 이용한 수평 응답스펙트럼 특성 분석

김준경(Jun-Kyoung Kim) 한국암반공학회 2011 터널과지하공간 Vol.21 No.6

최근 한반도 및 주변해역에서 발생한 규모 4.8 이상의 5개 중규모 지진으로부터 관측된 속도 지반운동 파형을 이용하여 수평 응답스펙트럼을 분석하고 결과를 우선 가속도 지반운동을 이용하여 얻어진 수평 응답스펙트럼, 국내 원자력 관련 구조물의 내진설계 기준, 마지막으로 국내 일반 구조물 및 건축물 내진설계기준과 각각 비교하였다. 연구에 이용된 지반운동은 수평성분 102개(NS 및 EW 성분 포함)이며 고유진동수에 따른 응답을 구하고 각각의 최대 지반 속도 값을 이용하여 정규화 분석을 수행하였다. 첫째, 가속도 응답스펙트럼과 비교한 결과 속도 응답스펙트럼 값은 특히 중간주기에서 높은 응답을 보여 주었고 이에 비해 가속도 응답스펙트럼은 특히 단주기 즉 높은 고유진동수 영역에서 높은 응답을 보여 주었다. 둘째, 국내 원자력시설물의 내진기준으로 이용되고 있는 Reg. Guide 1.60과 비교한 결과 속도 응답스펙트럼 값은 약 6-7Hz를 시작점으로 보다 낮은 장주기 영역에서 기준값을 초과하는 현상을 보여 주었다. 셋째, 500년 재래주기에 해당하는 국내 일반 구조물 및 건축물 내진설계기준인 표준 설계응답스펙트럼을 SC, SD 및 SE지반 조건과 같은 3개 지반조건과 동시에 비교한 결과 차례로 약 1.5초, 2초 및 3초에서 시작하여 보다 장주기 영역에서 국내 일반 구조물 표준 설계 응답스펙트럼값을 초과하였다. 동일한 부지에서 일반적으로 가속도 응답스펙트럼은 단주기에서 가장 큰 값을 나타내며, 속도 응답스펙트럼은 중간주기에서 가장 크며, 마지막으로 변위 응답스펙트럼은 장주기에서 가장 큰 값을 가진다는 국외 연구결과가 국내 지반운동을 이용한 결과에서 역시 적용가능하다는 점을 확인시켜 주었다. 최근 국내에서도 건축물의 초고층화 등으로 구조물의 디자인이 기존의 단주기에 비해 중간주기 및 장주기 영역이 상대적으로 강조되고 있어 이러한 중간주기영역에서 수평 응답스펙트럼의 정보는 향후 대단히 중요하다고 할 수 있다. The velocity horizontal response spectra using the observed ground motions from the recent 5 macro earthquakes, equal to or larger than 4.8 in magnitude, around Korean Peninsula were analysed and then were compared to the acceleration horizontal response spectra, seismic design response spectra (Reg Guide 1.60), applied to the domestic nuclear power plants, and finally the Korean Standard Design Response Spectrum for general structures and buildings. 102 velocity horizontal ground motions, including NS and EW components, were used for velocity horizontal response spectra and then normalized with respect to the peak velocity value of each ground motion. First, the results showed that velocity horizontal response spectra have larger values at the range of medium natural period, but acceleration horizontal response spectra have larger values at the range of short natural periods. Secondly, the results also showed that velocity horizontal response spectra exceed Reg. Guide 1.60 for longer natural periods bands less than 6-7 Hz. Finally, the results were also compared to the Korean Standard Response Spectrum for the 3 different soil types(SC, SD, and SE soil type) and showed that velocity horizontal response spectra revealed much higher values for the frequency bands below 1.5(SC), 2.0(SD), and 3.0(SE) seconds, respectively, than the Korean Standard Response Spectrum. The results suggest that the fact that acceleration, velocity, and displacement horizontal response spectra have larger values at the range of short, medium, and long natural periods, respectively, can be applied consistently to those form domestic ground motion, especially, the velocity ground motion. Information on response spectrum at such medium range periods can be very important since the domestic design of buildings and structures emphasizes recently medium and long natural periods than short one due to increased super high-rise buildings.

최근 백령도해역 발생지진의 지진원 및 응답스펙트럼 특성 분석

김준경 ( Jun Kyoung Kim ) 한국지구물리·물리탐사학회 2011 지구물리와 물리탐사 Vol.14 No.4

최근 백령도 해역에서 발생한 규모 4.3에 해당하는 중규모 지진(2011년 6월 17일)으로부터 관측된 지반진동 파형을 이용하여 지진원 기구 및 수평 응답스펙트럼을 분석하였다. 분석결과를 한반도의 응력방향과 비교하였고 또한 국내원자력 관련 구조물의 내진설계 기준과 국내 일반 구조물 및 건축물 내진설계기준과 각각 비교하였다. 지진원 연구에 이용된 지반진동은 3개 관측소(각 관측소에서 3성분)에서 관측된 전파형에 대해 모멘트텐서 기본식을 이용한 격자탐색법을 적용하여 분석하였다. 지진원기구에서 제시하는 주압축응력 방향은 ENE-WSW 방향으로 기존 한반도 전체의 주 응력방향과 대체로 유사하였다. 원자력 관련 구조물의 내진설계 기준과 국내 일반 구조물 및 건축물 내진설계기준과 각각 비교하였다. 국내 원자력시설물의 내진기준으로 이용되고 있는 Reg. Guide 1.60과 비교한 결과 특히 약 3 Hz 이상의 높은 고유진동수 영역에서 Reg. Guide 1.60 기준보다 높은 값을 보여 주었다. 또한 국내 일반 구조물 및 건축물 내진설계기준인 표준 설계응답스펙트럼을 비교한 결과 약 0.8초 이하의 단주기 영역의 전체 대역(SD 지반조건)에서 자료처리 결과가 기준을 크게 초과하였다. 향후 국내 지진활동 실정에 적합한 내진설계 기준 마련을 위해 관측자료의 질적 향상 및 양적인 축적 등을 통하여 특히 높은 고유진동수 대역에서 수평응답스펙트럼 기준의 보수성을 재고할 필요가 있다. We analysed ground motions form Mw 4.3 earthquake around Backryoung Island for the seismic source focal mechanism and horizontal response spectrum. Focal mechanism of the Backryoung Islands area was compared to existing principal stress orientation of the Korean Peninsula and horizontal response spectrum was also compared to those of the US NRC Regulatory Guide (1.60) and the Korean National Building Code. The ground motions of 3 stations, including vertical, radial, and tangential components for each station, were used for grid search method of moment tensor seismic source. The principal stress orientation from this study, ENE-WSW, is consistent fairly well with that of the Korean Peninsula. The horizontal response spectrum using 30 observed ground motions analysed and then were compared to both the seismic design response spectra (Reg Guide 1.60), applied to the domestic nuclear power plants, and the Korean Standard Design Response Spectrum for general structures and buildings (1997). Response spectrum of 30 horizontal ground motions were used for normalization with respect to the peak acceleration value of each ground motion. The results showed that the horizontal response spectrum revealed higher values for frequency bands above 3 Hz than Reg. Guide (1.60). The results were also compared to the Korean Standard Response Spectrum for the 3 different soil types and showed that the vertical response spectra revealed higher values for the frequency bands below 0.8 second than the Korean Standard Response Spectrum (SD soil condition). However, through the qualitative improvements and quantitative enhancement of the observed ground motions, the conservation of horizontal seismic design response spectrum should be considered more significantly for the higher frequency bands.

국내 속도 지반운동을 이용한 수직 응답스펙트럼 특성 분석

김준경,Kim. Jun Kyoung 한국방재학회 2012 한국방재학회논문집 Vol.12 No.1

최근 국내에서 발생한 4.8이상의 5개 중규모 지진으로부터 관측된 가속도가 아닌 속도지반운동을 이용하여 수직 응답스펙트럼을 분석하고 결과를 국내 원자력 관련 구조물의 내진설계 기준과 국내 일반 구조물 및 건축물 내진설계기준과 각각 비교하였다. 응답스펙트럼 분석에 이용된 지반운동 개수는 5개 중규모 지진으로부터 관측된 수직성분 51개이며 고유진동수 변화에 따른 지반응답을 구하고 최대 지반속도 값을 이용하여 정규화 분석을 수행하였다. 연구결과에 의하면 고유진동수에 대한 의존성이 대단히 큼을 보여주었다. 또한 국내 원자력시설물의 내진기준으로 이용되고 있는 0.1 g에 스케일된 Regulatory Guide 1.60(1968)과 비교한 결과 특히 약 2 - 3 Hz이하의 낮은 고유진동수 대역에서 Regulatory Guide 1.60(1968)을 초과하고 있음을 보여 주었다. 또한 3개 지반조건(SC, SD 및 SE)에 스케일된 국내 일반 구조물 및 건축물 내진설계기준인 표준 설계응답스펙트럼을 비교한 결과 약 0.2초(5 Hz) 이하의 장주기 대역의 전체 대역에서 수직 성분 자료처리 결과가 기준을 크게 초과하는 현상을 보여 주었다. 관측자료의 질적 향상 및 양적인 보강축적 등을 통하여 향후 국내 지진활동 실정에 더욱 적합한 내진설계 기준 마련할 필요가 있고 특히 위에서 제시되 고유진동수에 대역에서 속도응답스펙트럼의 특성을 심각하게 고려할 필요가 있다. The vertical velocity response spectra, not acceleration, using the observed ground motion from the recent 5 macro earthquakes, larger than 4.8 in magnitude, were analysed and then were compared to both the seismic design response spectra (Regulatory Guide 1.60, 1968), applied to the domestic nuclear power plants, and the Korean Standard Design Response Spectrum for general structures and buildings(1997). 51 vertical ground motions were used and vertical response spectra were normalized with respect to the peak velocity value of each ground motion. The results showed that response spectrum has strong dependency on natural frequency or natural period. The results also showed that the vertical velocity response spectra revealed higher values for frequency bands below approximately 2 - 3 Hz than Regulatory Guide 1.60(1968), which were scaled to 0.1 g. The results were also compared to the Korean Standard Response Spectrum(500 years of recurrence rate) for the 3 different soil types(SC, SD, and SE) and showed that the vertical response spectra revealed higher values for the frequency bands above approximately 0.2 second (5Hz) than the Korean Standard Response Spectrum. Through the qualitative improvements and quantitative enhancement of the observed ground motions, it is necessary that the conservation of vertical seismic design response spectrum should be considered more significantly for the frequency bands suggested above.

Fukuoka 연속 지진의 관측자료를 이용한 수평응답스펙트럼 특성 분석

김준경(Jun Kyoung Kim) 한국암반공학회 2014 터널과지하공간 Vol.24 No.5

2005년 3월 20일 규모 6.5의 후쿠오카 본진이 발생하였고 이후 발생한 규모 3.7 이상의 15 개 중규모 후쿠오카 지진으로부터 관측된 지반진동 파형을 이용하여 수평 응답스펙트럼을 분석하였다. 결과를 국내 원자력관련 구조물의 내진설계 기준과 국내 일반 구조물 및 건축물 내진설계기준과 각각 비교하였다. 수평성분 178개 지반진동을 이용하여 고유진동수별 지반응답을 구하고 최대 지반 가속도 값을 이용하여 정규화 분석을 수행하였다. 연구결과는 응답값에 대한 진앙거리 의존성이 대단히 크다는 것을 보여주었다. 또한 국내 원자력시설물의 내진기준인 Regulatory Guide 1.60과 비교한 결과는 일부 구간 즉 약 8 ~ 10 Hz 구간과 약 16 ~ 20 Hz의 2개의 구간에서 표준편차를 더한 값이 Regulatory Guide 1.60 보다 약간 초과함을 보여 주었다. 또한 국내 일반 구조물 및 건축물 내진설계 응답스펙트럼을 3 개 지반조건에 적용한 결과는 거의 모든 주기 대역에서 분석된 응답스펙트럼이 SE 지반조건의 설계 응답스펙트럼(500년 재래주기, 지진구역 1, SE 지반조건)을 초과하고 있다. 500년 재래주기는 가장 약한 내진 설계기준에 해당하기 때문에 거의 모든 주기 대역에서 본 연구로부터 분석된 응답스펙트럼이 해당 기준을 초과하고 있다. 신뢰성을 보다 증가시키기 위해 향후 한반도 및 한반도 주변 해외 발생지진으로부터 관측된 지진자료를 대폭적으로 보강하여 관측 지진자료의 다양성을 유지하는 것이 필요하다. The horizontal response spectra using the observed ground motions from 15 Fukuoka earthquake series, including main earthquake (2005/03/20; Mw=6.5), were analysed and then were compared to both the seismic design response spectra (Regulatory Guide 1.60), applied to the domestic nuclear power plants, and the Korean Standard Design Response Spectrum for general structures and buildings (1997). 178 horizontal ground motions, without considering soil types, were used for normalization with respect to the peak acceleration value of each ground motion. The results showed that response spectrum have strong dependency on epicentral distance. The results also showed that the horizontal response spectra revealed higher values for frequency bands at two frequency bands (about 8 – 10 and 16- 20 Hz) than Regulatory Guide 1.60. The results were also compared to the Korean Standard Building Design Spectrum for the 3 different soil types and showed that thehorizontal response spectra revealed higher values for almost all period bands than the Korean Standard Response Spectrum (500 yrs; Return Period; Seismic province 1; SE soil conditions). Through the qualitative improvements and quantitative enhancement of the observed ground motions, the diversity of the observed ground motions should be considered more significantly to improve the certainty of response spectrum.

스펙트럼 형상이 원전 기기 지진취약도에 미치는 영향 평가

최인길,서정문,전영선,이종림 한국지진공학회 2003 한국지진공학회논문집 Vol.7 No.4

최근 수행된 우리나라 원전 부지에 대한 지진재해도 해석 결과 작성된 등재해도 스펙트럼에서 고진동수 성분의 지진동이 매우 우세하게 나타나고 있다. 일반적으로 지진취약도 해석에서는 설계 스펙트럼에 내재된 보수성을 평가하기 위해 스펙트럼 형상계수가 사용된다. 본 연구에서는 입력지반운동 스펙트럼의 형상이 변화함에 따른 층응답스펙트럼의 형상 변화를 분석하였다. 이때 입력 스펙트럼으로부터 직접 층응답스펙트럼을 작성할 수 있는 직접법을 사용하였다. 본 연구 결과 건물 내부에 설치된 기기의 취약도해석에서는 입력스펙트럼에 내재된 보수성을 구조물의 고유진동수에 대한 스펙트럼 형상계수가 아닌 기기의 고유진동수에 따른 층응답스펙트럼 형상계수로 고려하는 것이 정확한 취약도해석 결과를 주는 것으로 나타났다. The result of recent seismic hazard analysis indicates that the ground motion response spectra for Korean nuclear power plant site have relatively large frequency acceleration contents. In the ordinary seismic fragility analysis of nuclear power plant structures and equipments, the safety margin of design ground response spectrum is directly used as a response spectrum shape factor. The effects of input response spectrum shape on the floor response spectrum were investigated by performing the direct generation of floor response spectrum from the ground response spectrum. The safety margin included in the design ground response spectrum should be considered as a floor response spectrum shape factor for the seismic fragility analysis of the equipments located in a building.

단자유도 해석모델을 활용한 응답스펙트럼과 지진취약도 곡선과의 관계에 대한 연구

박상기,조정래,조창백,이진혁,김동찬 한국지진공학회 2023 한국지진공학회논문집 Vol.27 No.6

In general, the design response spectrum in seismic design codes is based on the mean-plus-one-standard deviation response spectrum to secure high safety. In this study, response spectrum analysis was performed using seismic wave records adopted in domestic horizontal design spectrum development studies, while three response spectra were calculated by combining the mean and standard deviation of the spectra. Seismic wave spectral matching generated seismic wave sets matching each response spectrum. Then, seismic fragility was performed by setting three damage levels using a single-degree-of-freedom system. A correlation analysis was performed using a comparative analysis of the change in the response spectrum and the seismic fragility concerning the three response spectra. Finally, in the case of the response spectrum considering the mean and standard deviation, like the design response spectrum, the earthquake load was relatively high, indicating that conservative design or high safety can be secured.

A response spectrum method for seismic response analysis of structures under multi-support excitations

Li, Jian-Hua,Li, Jie Techno-Press 2005 Structural Engineering and Mechanics, An Int'l Jou Vol.21 No.3

Based on the random vibration theory, a response spectrum method is developed for seismic response analysis of linear, multi-degree-of-freedom structures under multi-support excitations is developed. Various response quantities, including the mean and variance of the peak response, the response mean frequency, are obtained from proposed combination rules in terms of the mean response spectrum. This method makes it possible to apply the response spectrum to the seismic reliability analysis of structures subjected to multi-support excitations. Considering that the tedious numerical integration is required to compute the spectral parameters and correlation coefficients in above combination rules, this paper further offers simplified procedures for their computation, which enhance dramatically the computational efficiency of the suggested method. The proposed procedure is demonstrated for tow numerical examples: (1) two-span continuous beam; (2) two-tower cabled-stayed bridge by using Monte Carlo simulation (MC). For this purpose, this paper also presents an approach to simulation of ground motions, which can take into account both mean and variation properties of response spectrum. Computed results based on the response spectrum method are in good agreement with Monte Carlo simulation results. And compared with the MSRS method, a well-developed multi-support response spectrum method, the proposed method has an incomparable computational efficiency.

연속교 적용을 위한 양단고정지지 보의 진동수 기반 충격계수 응답스펙트럼 개발

노화성(Hwasung Roh),이후석(Huseok Lee),박경훈(Kyung-Hoon Park) 한국산학기술학회 2016 한국산학기술학회논문지 Vol.17 No.12

교량의 내하성능 추정 관련 연구에서 단순지지 조건의 충격계수 응답스펙트럼을 개발하고 이를 적용한 새로운 단순교의 내하력 평가 모델이 제안되었다. 본 논문에서는 충격계수 응답스펙트럼을 연속교에 적용하기 위해 연속지지 경간 중 내측 경간의 경계조건을 이상적인 양단 고정 경계조건으로 가정하고, 보의 동적 지배방정식을 이용하여 보 중앙에서의 이론적인 최대 동적 및 정적 변위 산출식과 이로부터 충격계수 이론식을 유도하였다. 이론식을 바탕으로 교량 경간 길이 및 감쇠비에 따른 양단지지 조건의 충격계수 응답스펙트럼을 개발하였다. 제안된 충격계수 응답스펙트럼의 적용성을 검증하기 실제 공용 중인 연속교를 대상으로 수치해석을 수행하고 실측 데이터와 비교하였다. 해석은 실측 데이터와 동일하게 6경간 연속교에 차량 하중을 이동 재하 하였으며, 연속지지 내부 경간에서 동적응답을 측정하였다. 교량의 진동수는 가속도 응답을 고속퓨리에 변환(FFT)하여 얻었으며, 제안된 응답스펙트럼으로부터 교량의 경간-진동수를 적용하여 충격계수를 도출하였다. 제안된 모델에 의한 충격계수는 실측 충격계수 유사한 결과를 나타냈으며, 양단고정지지 교량의 진동수 기반 충격계수 응답스펙트럼을 이용한 방법은 실제 연속교에 적용 가능할 것으로 판단된다. In bridge performance assessments, a new load carrying capacity evaluation model of simple bridges was proposed, which is based on the developed simple support impact factor spectrum. In this paper, a conservative assumption that the inner span with the both ends fixed boundary condition is ideal for applying the impact factor response spectrum for continuous bridges. The impact factor response spectrum has been proposed based on this assumption. The response spectrum by comparing the numerical analysis result and actual measurement data verified the applicability. The analysis was loading the moving load of DB-24 in a six-span continuous bridge, which was the same as the actual measurement data, the dynamic response was measured in the fourth span. The frequency of the bridge was obtained by FFT on the acceleration response and the span-frequency of sample bridge was calculated by the frequency. The impact factor of the sample bridge was determined by applying the span-frequency of the bridge to the proposed response spectrum; it was similar to the result of comparing the actual measured impact factor. Therefore, the method using the impact factor response spectrum based on the frequency response of both ends-fixed beam was found to be applicable to an actual continuous bridge.

한반도 지진원의 특성을 고려한 응답스펙트럼

신재철,이두한,정인수,이창원 충남대학교 산업기술연구소 2003 산업기술연구논문집 Vol.18 No.1

The response spectrum is the best representation of earthquake for engineering purposes because it takes account of the natural frequencies of structures. In general PGA(Peak Ground Acceleration) is used to scale the standard response spectrum. But it is likely to lead to serious error, because the shapes of response spectra depend on magnitude, source distance and site conditions. Therefore, theoretical prediction called stochastic source models have been used for predicting ground motion and response spectrum by magnitude and distance in regions where strong ground motion data are sparse. The deterministic method that PGA scales the design spectrum is prescribed in Korea, so unexpected error can be occured. Therefore the stochastic simulation method is employed to predict ground motion and to estimate the response spectrum for comparison with the design spectrum in this study. Stochastic source model that the shape is controlled by two corner frequency is computed and verified by comparing with Gyeongju earthquake using site-amplification(Boor & Joyner, 1997) to consider site condition. And it is proved how much this difference has an effect on response of structure such as steel box girder bridge.

목표스펙트럼의 평균과 분산을 고려하기 위한 시뮬레이션 기반의 효율적인 지반운동기록 선정 알고리즘

석승욱(Seok Seung-Wook),한상환(Han Sang-Whan) 대한건축학회 2012 大韓建築學會論文集 : 構造系 Vol.28 No.2

Linear and nonlinear dynamic analyses become popular in seismic design and seismic performance evaluation procedures. The accuracy of the results of such analyses depends not only on accurate analytic model of structures but also a proper selection of input ground motions. The purpose of this study is to develop a computationally efficient and accurate algorithm for selecting ground motions considering the mean and variance of target response spectrum. The proposed algorithm adopts a simulation based process for generating a desired number (=ng) of simulated response spectra using the Monte Carlo Simulation with information of the mean, variance, and correlation structure of target response spectrum. The accuracy of selecting ground motions using the proposed algorithm is improved by generating multiple (=100) sets of simulated response spectra. Ten sets are chosen from the 100 sets, which best match the mean and standard deviation of a target response spectrum. Ground motions are then selected for each of the top ten sets. The set of ground motions having the mean and standard deviation of their response spectra that best match the target response spectrum is the one to be selected. To verify the accuracy and efficiency of the algorithm, numerical examples are provided.