Research Article

The Journal of Engineering Geology. 31 March 2022. 143-155
https://doi.org/10.9720/kseg.2022.1.143

ABSTRACT


MAIN

  • 서 론

  •   연구배경 및 목적

  •   선행연구 분석

  • 1 g 진동대 실험 및 준비

  •   실험장비 및 시료의 물리적 특성

  •   지반모형 조성 및 실험 절차

  •   입력지진파 설정

  •   1차원 지반응답 해석조건

  • 실내실험 및 수치해석 결과

  •   수치해석결과와 비교

  •   수평방향의 PGA 분석

  •   SA비교

  • 결 론

서 론

연구배경 및 목적

최근 제주지진을 비롯한 국내에 포항, 경주 등 지진에 대한 빈도가 늘어 대한민국도 지진의 안전지대가 아니라는 인식이 늘어나고 있다. 이러한 지진을 예방하기 위해서는 지반의 안정성이 중요하지만, 지진에 관한 지반모형 실험은 미미한 실정이다. 지반의 지진모사 실험은 구조물 실제 거동에 대한 고찰, 원형구조물 설계 검증, 해석, 수치적 해석절차의 검증 등 매개변수 연구에 중요한 역할을 하고 있다.

지진모사 실내실험은 1 g 진동대 실험(1 g shaking table test)과 동적 지반원심분리 시험(Dynamic Geo-centrifuge test)이 있다. 동적 지반원심분리 시험의 경우는 1 g 진동대 실험에서는 고려할 수 없는 지반의 자중을 인위적으로 증가시켜 원형구조물과 같은 응력을 재현시킬 수 있지만, 실험비용과 시간이 많이 소요된다는 단점이 있다. 시간과 비용적인 측면에 있어 좀 더 효율적인 1 g 진동대 실험은 지반의 응력조건을 재현할 수 없지만, 더욱 신속하게 다양하고 많은 실내실험을 통해서 실험데이터를 축적할 수 있다.

1 g 진동대에서 일반적으로 강성토조(Rigid Box, 이하 RB)를 사용한다. 이러한 RB의 경우는 벽체의 양옆이 고정된 경우 진동 시에 벽체부분에서 진동으로 인해 전단응력이 발생되나, RB의 경우는 토조 끝단에서 전단변형을 억제하므로 전단응력이 발생되지 않아 반무한체와 강성토조에서의 응력불일치가 발생하다(Lee et al., 2012). 이러한 단점을 보완하기 위해 층 분할 거동을 하는 연성토조(Laminar Shear Box, 이하 LSB)를 제작하였다. 이러한 LSB는 기존 RB의 단점인 경계조건에 대한 부분을 보완한 박스로 진동파에 대한 변위나 가속도가 비슷한 양상을 보이는 장점이 있다. 따라서 지진 모사 실험 시 경계조건이 매우 중요하나, 국내에서는 LSB를 활용한 동적 시험에 관한 연구가 부족하다.

따라서 본 연구에서는 제작한 LSB 토조의 외부 측면부에 경계조건을 고정한 것(이하; RB)과 고정하지 않고 층 분할 거동(이하; LSB)을 하는 2가지 경계조건에 대하여 현장시료 및 Silica sand 지반을 구성하여 1 g 진동대 모형시험을 수행하여 각각의 지진파의 특성에 따라 비교하였고, 1차원 지반응답해석을 통해 자유장 조건과 최대 지반 가속도(Peak Ground Acceleration, 이하 PGA) 및 응답스펙트럼 가속도(Spectral Acceleration, 이하 SA)를 비교 ‧ 분석하였다.

선행연구 분석

국외에서는 Kokusho and Iwatate(1979)는 Flexible box라는 이름의 LSB에 모래질 지반을 조성하고 실험을 실시하였고, Lam and Whitman(1985)은 이상적인 연성토조의 조건 및 설계 고려사항을 정리하였다. Sundarraj(1996)는 층과 층 사이에 v자 홈을 판 후 볼 베어링을 삽입하여 마찰을 최소화 하였으며, Rocking현상을 줄이기 위해 토조의 짧은 변에 낮은 강성의 스프링을 달았다. Tzou et al.(2006)은 2축 LSB를 1차원, 2차원에서 각각 실험을 진행해 토조의 유효성을 검증하였다.

국내에서는 Lee(2001)가 소규모 연성전단상자 개방을 위한 연구를 시작하여 30 cm 높이의 소형 LSB를 제작, 동일한 사이즈의 RB와 지반응답을 비교하였다. 가속도와 변위를 측정한 결과, RB에서는 가속도 증폭이 거의 일어나지 않았으며, LSB에서는 RB보다 상대변위와 가속도 증폭이 더 크게 발생하였다. Ryu and Kim(2005)은 LSB의 제원을 결정하기 위하여 자유장, RB, LSB의 거동을 수치해석으로 비교 ‧ 분석하였다. 분석결과, LSB에 주변 지반의 강성과 감쇠를 재현하기 위하여 Spring-Damper System이 필요하다고 판단하였다. 또한, Kim and Ryu(2007)는 RB 및 LSB시스템의 진동특성에 대해 수치해석을 통해 성능을 확인하였다. RB는 자유장의 거동을 재현하는데 한계를 지니며, LSB가 RB에 비해 자유장의 거동을 보다 유사하게 재현할 수 있다고 판단하였다.

Kim et al.(2011), Son(2012)은 부산대 소재의 LSB와 RB의 경계조건을 비교하고 거동특성을 파악하고자 하였다. 점토모형지반을 조성하여 지진 모사시험을 수행하였고, 그 거동 차이를 정량적으로 비교 ‧ 분석하였다. Yu(2012)는 부산대 소재의 LSB를 이용하여 연약점토지반 개량 후의 지진응답 영향분석을 연구하였으며, Son(2018)은 지반의 기초지진격리장치의 면진성능을 평가하는 연구를 수행하는 등 LSB를 활용하여 다양한 연구를 진행하고 있다.

Ryu and Kim(2005)은 Spring-Damper System을 토대로 층 분할 거동을 모사하였다면 Park(2015)Kim(2016)은 스프링의 탄성을 이용해 층 분할 거동을 모사한 충북대학교 소재 LSB를 이용하였다. 층 분할된 벽체를 바깥면에 일정거리를 두고 철판을 세워 벽체와 철판을 스프링으로 LSB를 모사하였다.

Kim et al.(2020)은 LSB를 이용하여 RB박스에 스폰지를 부착해 스펀지 부착 시와 LSB를 비교하여 RB사용 시 스펀지로 인해 반사파 경감으로 자유장을 모사할 수 있는지 분석하였다. 그 결과, 스펀지가 경계조건의 영향을 다소 감소시키는 것을 확인하였지만 LSB에서 자유장 조건을 더 잘 모사하는 것으로 확인되었다. 또한, RB와 LSB 지반응답해석을 비교하여 RB에서 측면경계가 구속되어 자유장에서의 결과와 상이하였고, LSB에서 자유장 조건을 잘 모사하는 것으로 판단하였다.

1 g 진동대 실험 및 준비

실험장비 및 시료의 물리적 특성

본 연구에서 사용된 진동대는 유압을 이용하여 수평으로 자유롭게 가동하는 진동대를 활용하였다. 가진기 본체의 크기는 3,000 (L) × 1,000 (B) × 500 (H) mm이며 가진 테이블의 크기는 2,000 × 600 (L × B) mm, 허용재하중량은 1.5 t이다. 스토크는 최대 200 mm (±100 mm)이며 실린더와 스토크에 내장형 비접촉식 변위센서(20 mm)가 부착되어있다. 유압서보는 380 V 모터로 210 bar 압력을 이용해 실린더는 최대 10 tf까지 출력되며, 1축 변위 제어방식이다. 실험에 사용된 토조는 지반의 자유장 거동을 재현하기 위해 진동대 가진판 위에 규격 2,000 mm (L) × 600 mm (B) × 600 mm (H)인 LSB를 사용하였다.

총 12층으로 이루어져 수평 전단운동에 대하여 무한한 지반의 경계면을 모사하도록 제작하였으며, 각 층의 두께는 4.5 cm, 프레임 간 간격은 약 0.5 cm로 이루어져 있다. 각 층 사이는 롤러 베어링(Roller bearing)을 통해 수평 방향으로 독립적인 거동이 가능하다. Fig. 1은 본 연구에서 사용된 진동대 가진판 위에 있는 LSB의 모습이다.

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Fig. 1.

1 g shaking table and LSB.

경계조건에 대한 실험의 모형 지반조성에 사용된 시료는 총 2가지의 시료를 사용하여 분석하였다. 첫 번째 시료는 국내 풍화토 사면을 대표하기 위하여 울산광역시 울주군 건설현장 부지의 절토사면에서 채취한 시료를 사용하였고, 두 번째 시료는 진동대와 동적 지반 원심분리시험에 많이 사용되는 Silica sand 4호와 7호를 8:2로 배합한 인공 실리카 시료를 사용하였다. 각 시료에 대한 물성값은 각 시료에 대하여 3번의 실험을 진행하였고 평균값을 Table 1에 나타내었다.

Table 1.

Materials properties of soils used in this study

Soil type Parameter
Gs OMC
(%)
γdmax
(kN/m3)
γdmin
(kN/m3)
γd
(kN/m3)
emax emin e USCS
Field soil 2.69 12.5 18.27 12.74 17.16 1.123 0.443 0.537 SW-SM
Silica sand 2.69 - 17.88 13.63 17.35 0.907 0.454 0.521 SP

지반모형 조성 및 실험 절차

본 연구에서는 LSB의 경계조건에 따른 가속도 증폭을 확인을 위해 LSB 외부 측면부에 고정을 한 경우와 고정을 하지 않은 경우로 나누어 실험을 진행하였다. 지반모형의 경우는 평평하게 조성하였고, 측면부에서 일어나는 가속도 변화를 측정하기 위해 측면부에서 10 cm 떨어진 지점에 가속도계를 매설하였다. 또한, 측면부에서 중앙부까지의 가속도 변화를 확인하기 위해 LSB 측면에서 55 cm 떨어진 지점과 LSB의 중앙부분(100 cm 지점)에 가속도계를 매설하였다. 각 높이에 대한 변화를 비교 ‧ 분석하기 위해 최하단부에서 10 cm 떨어진 지점 중간지점 그리고 지반모형의 지표면에서 깊이 10 cm 위치에 가속도계를 설치하였다. 각 가속도계의 매설 위치는 Fig. 2와 같이 설치하였다.

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Fig. 2.

Acceleration setting.

지반모형을 형성하기 전 LSB의 사이로 시료의 유출이 발생할 수 있어 얇은 멤브레인을 토조 내부벽에 설치하였다. 현장시료를 사용하여 모형지반을 조성할 때에는 단위 중량 17.16 kN/m3, 상대밀도 86%로 조성하였으며, 함수비는 시료의 최적함수비인 12.5%로 맞추었다. 또한, Silica sand를 사용하여 모형지반을 조성할 때에는 단위중량 17.35 kN/m3, 상대밀도 85%로 조성하였다.

Fig. 3a, Fig. 3b는 각각 현장시료와 Silica Sand를 이용하여 지반모형에 가속도계를 매설하는 모습이며, Fig. 3c, Fig. 3d는 각 시료에 대한 지반모형을 완성한 모습이다. Fig. 3e는 LSB의 옆면을 고정시켜 경계조건을 달리한 모습이다.

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Fig. 3.

Ground modeling.

입력지진파 설정

입력지진파의 경우는 총 4가지로 실제로 발생하였던 지진파를 이용하여 실험을 진행하였다. 국내에서 2016년에 발생한 경주 지진파와 2017년에 발생한 포항지진파 두 가지 지진파를 선택하였으며, 경주와 포항 지진파는 단주기적인 성분이 우세한 지진파이다. 또한, 장주기와 단주기가 경계조건에 각각 어떤 영향을 주는지 보기 위해 1968년에 일어난 장주기 성분이 우세한 지진파인 Hachinohe파를 사용하였으며, 1978년에 일어난 단주기 성분이 우세한 지진파인 Ofunato파를 사용하였다. Fig. 4는 각각 실험에 사용된 입력지진파를 나타내었다.

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Fig. 4.

Seismic wave Input motion.

1차원 지반응답 해석조건

LSB의 벽체를 고정하지 않을 경우의 거동특성이 반무한체를 모사하였는지 확인하기 위하여 LSB에 조성한 모형지반을 동일하게 모델링 하여 1차원 지반응답해석을 통하여 비교하였다. 지반 응답해석은 UIUC의 오픈소스 소프트웨어 DEEPSOIL v7을 이용하였으며, Nonlinear 방식의 Darendeli(2001)의 Reference Curve를 이용하여 해석하였다. 각 층은 가속도계의 매설 위치에 따라 0.1 m, 0.3 m, 0.3 m, 0.1 m로 설정하였으며, 4개의 수평지반으로 나누었고 기반암은 토조의 저면 강성을 고려해 Rigid halfspace로 설정하였다. 1차원 지반응답 해석을 수행하기 위한 모델링 조건은 Table 2와 같다.

Table 2.

Soil properties

Soil type Parameter
Unit weight
(kN/m3)
Shear wave velocity
(m/s)
Shear strength
(kPa)
K0
Field soil 17.16 90 10.4 0.5
Silica sand 17.35 80 10 0.5

실내실험 및 수치해석 결과

자유장은 지표면이 평탄하고 수평 방향으로 무한히 뻗어있는 균질한 토체로 정의되며, 자유장에서는 동일한 깊이에서 동일한 가속도가 측정되어야 한다. 따라서 본 연구에서는 1 g 진동대 실험 중 LSB 외부 측면부를 고정한 경계조건과 고정하지 않은 층 분할 경계조건의 실내시험 결과가 자유장 조건으로 분석한 1차원 지반 응답해석 결과와 PGA 및 SA 비교 ‧ 분석을 통하여 반무한체 거동을 하였는지 검증하였다.

수치해석결과와 비교

PGA는 동하중에 의해 지반이 움직인 최대가속도를 의미한다. 이러한 PGA를 분석하기 전 1차원 지반 응답해석의 결과와 비교하여 LSB가 반무한체에서 자유장 거동을 하였는지 타당성을 판단하였다. 경계조건의 영향을 가장 적게 받고 자유장 거동을 잘 모사하는 LSB의 중심부에 위치한 가속도계 ACC4, 7,10번의 계측 데이터와 1차원 지반응답해석을 통해 얻은 PGA를 Fig. 5와 같이 비교하였다.

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Fig. 5.

PGA by depth.

현장시료의 경우 중앙지점인 ACC7의 PGA를 자유단과 1차원지반응답해석과 비교해보면 경주지진 0.014 g 0.015 g, 포항지진은 0.0186, 0.022 g, Hachinohe는 0.0054, 0.0053 g, Ofunato는 0.0077, 0.0061 g로 유사한 것으로 확인할 수 있었다. 또한, 표면으로 갈수록 지반응답해석의 경우가 1 g 진동대 실험에 비해 PGA값이 커지는 경향을 확인할 수 있는데 이는 Pohang 지진파가 단주기 영역에서 증폭이 일어나 표면부에서의 증폭이 일어나는 것으로 판단된다.

ACC 4, 7, 10지점에서의 PGA를 Table 3에 나타내었다.

Table 3.

Acceleration according to the PGA at different depth

Field soil
Gyeongju
(g)
Pohang
(g)
Hachinohe
(g)
Ofunato
(g)
Channel Nonfix Numerical Nonfix Numerical Nonfix Numerical Nonfix Numerical
ACC4 0.013 0.013 0.0181 0.018 0.0051 0.0072 0.0070 0.0051
ACC7 0.014 0.015 0.0186 0.022 0.0051 0.0076 0.0077 0.0061
ACC10 0.016 0.018 0.0211 0.026 0.0069 0.0084 0.0086 0.0089
Silica sand
Gyeongju
(g)
Pohang
(g)
Hachinohe
(g)
Ofunato
(g)
Channel Nonfix Numerical Nonfix Numerical Nonfix Numerical Nonfix Numerical
ACC4 0.013 0.012 0.018 0.0018 0.0048 0.0050 0.0073 0.0072
ACC7 0.014 0.014 0.019 0.0020 0.0054 0.0053 0.0081 0.0075
ACC10 0.017 0.017 0.021 0.0030 0.0058 0.0080 0.0092 0.0087

수평방향의 PGA 분석

LSB의 벽체부터 중심부까지 동일한 깊이에서 계측된 PGA를 비교하였다. 자유장 거동의 경우 동일한 깊이에서 측정한 지반가속도는 거리에 상관없이 동일한 지반가속도가 측정되어야 하므로 벽체부의 지반가속도 값과 자유장에 가까운 LSB 중앙부의 지반가속도가 다르다면 경계조건에 영향을 받은 것으로 판단할 수 있다.

x축은 중심부에서부터 벽체 경계면까지의 거리, y축은 Response acceleration을 Input motion으로 나눈 값(Amplification Factor)으로 정규화하여 그래프로 나타내었다. 또한 벽체 부분부터 중앙부분까지의 가속도 증폭의 변화 비를 통하여 확인하였다.

Fig. 6에서 점선으로 나타낸 부분은 LSB의 외부 측면부를 고정하지 않은 LSB의 결과이며, 실선으로 나타낸 부분은 LSB의 외부 측면을 고정한 RB의 결과이다. 각 지진파에 대한 같은 깊이의 다른 지점의 PGA를 정규화하여 나타내었다. 분석결과, Fig. 6a 포항 지진파에서 RB의 경우 증폭정도는 5 cm지점 37%, 55 cm지점 17%, 100 cm지점 23%로 확인되었으며, LSB의 경우는 5 cm지점 6%, 55 cm지점 5%, 100 cm지점 2%로 확인하였다. Fig. 6b 경주 지진파에서 RB의 경우 증폭정도는 5 cm지점 31%, 55 cm지점 15%, 100 cm지점 20%로 확인되었으며, LSB의 경우 5 cm지점 7%, 55 cm지점 4%, 100 cm지점 0.3%로 확인하였다. Fig. 6c Hachinohe 지진파에서 RB의 경우 증폭정도는 5 cm지점 28%, 55 cm지점 32%, 100 cm지점 19%로 확인되었으며, LSB의 경우는 5 cm지점 7%, 55 cm지점 4%, 100 cm지점 1%로 확인하였다. Fig. 6d Ofunato 지진파에서 RB의 경우 증폭정도는 5 cm지점 33%, 55 cm지점 23%, 100 cm지점 30%정도로 확인되었으며, LSB의 경우는 5 cm지점 6%, 55 cm지점 7%, 100 cm지점 6%로 확인하였다.

단주기파인 포항, 경주, Ofunato의 경우 LSB의 경우 중심부에서 벽면부까지 2~7% 증폭하였으며, 강성 RB의 경우 중심부에서 벽면부까지 20~37% 증폭하였다. 또한, 장주기파인 Hachinohe의 경우 LSB의 경우 중심부에서 벽면부까지 1~7% 증폭하였으며, RB의 경우 중심부에서 벽면부까지 19~32% 증폭하였다.

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Fig. 6.

Amplification factor according to boundary conditions under difference seismic wave of field soil.

전반적으로 LSB의 경우 중심부에서 벽면부까지 2~7% 증폭하였으며, RB의 경우 중심부에서 벽면부까지 20~33% 증폭하였다.

Fig. 7은 각 지진파에 대한 Silica sand의 PGA이다. Fig. 7에서 점선으로 나타낸 부분은 연성의 경우인 외부 측면부를 고정하지 않은 LSB의 결과이며, 실선으로 나타낸 부분은 LSB의 외부 측면을 고정한 RB인 경우의 결과이다. 분석결과, Fig. 7a 포항 지진파에서 RB의 경우 증폭정도는 5 cm지점 38%, 55 cm지점 33%, 100 cm지점 11%로 확인되었으며, LSB의 경우 5 cm지점 3%, 55 cm지점 0.7%, 100 cm지점 2%로 확인하였다. Fig. 6b 경주 지진파에서 RB의 경우 증폭정도는 5 cm지점 3%, 55 cm지점 26%, 100 cm지점 30%로 확인되었으며, LSB의 경우는 5 cm지점 3%, 55 cm지점 0.7%, 100 cm지점 2%로 확인하였다. Fig. 6c Hachinohe 지진파에서 RB의 경우 증폭정도는 5 cm지점 36%, 55 cm지점 50%, 100 cm지점 13%로 확인되었으며, LSB의 경우는 5 cm지점 4%, 55 cm지점 8%, 100 cm지점 3%로 확인하였다. Fig. 6d Ofunato 지진파에서 RB의 경우 증폭정도는 5 cm지점 39%, 55 cm지점 38%, 100 cm지점 14%로 확인되었으며, LSB의 경우는 5 cm지점 5%, 55 cm지점 7%, 100 cm지점 0.2%로 확인하였다.

단주기파인 포항, 경주, Ofunato의 경우 LSB의 경우 중심부에서 벽면부까지 7% 증폭하였으며, RB의 경우 중심부에서 벽면부까지 20~33% 증폭하였다. 또한, 장주기파인 Hachinohe의 경우 LSB의 경우 중심부에서 벽면부까지 2~7% 증폭하였으며, RB의 경우 중심부에서 벽면부까지 20~33% 증폭하였다.

전반적으로 강성토조의 경우 중심부에서 벽면부까지 2~8% 증폭하였으며, RB의 경우 중심부에서 벽면부까지 15~20% 증폭하였다. 이는 현장시료와 Silica sand 모두 반무한체 거동인 자유장 거동은 LSB에서 가장 잘 모사되는 것을 확인할 수 있었으며, RB조건을 사용할 경우 반사파로 인해 벽체에서 토체의 중심부로 갈수록 진동파가 커지는 경향을 확인하였다. 따라서 1 g 진동대 실험의 경우 경계조건에 따라 상당한 영향을 미치는 것을 확인하였으며, RB 보다는 LSB를 사용하였을 경우 자유장 거동 조건을 모사할 수 있을 것으로 판단된다.

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Fig. 7.

Amplification factor according to boundary conditions under difference seismic wave of silica sand.

RB 경계조건에서는 현장시료가 Silica sand 보다 경계조건에 대한 영향을 크게 받는 경향을 확인하였으며, 자유장 조건인 LSB 경계조건에서는 Silica sand가 현장시료 보다 미세하게 영향을 받는 것을 확인하였다. 따라서 LSB 경계조건에서 SP시료로 1 g 진동대 실험을 진행할 경우 경계조건의 영향에 관하여 유의해야 할 것으로 판단된다.

SA비교

실험을 통해 계측한 가속도와 1차원 지반 응답해석을 통한 응답가속도를 응답스펙트럼 가속도를 통하여 비교하였다. 각 지진파의 바닥층, 중간층(30 cm), 표층 부분에서의 SA를 비교하였다. Fig. 8Fig. 9는 현장시료와 Silica sand에 대한 SA비교 그래프이다.

Fig. 8Fig. 9에서 실험과 지반 응답해석을 통해 얻은 SA그래프를 비교 ‧ 분석한 결과, 1 g 진동대 실험과 지반응답해석의 전체적인 형상 및 증폭이 발생하는 주기영역에서 유사한 모습을 확인할 수 있었다. 최대 스펙트럼가속도(Peak Spectral Acceleration, 이하 PSA)를 비교해보면 자유장조건에서와 지반응답해석의 경우는 비슷하게 나타났으나, 벽체를 고정한 경우는 표층으로 갈수록 높은 PSA가 나타나는 것을 확인할 수 있었다.

Fig. 8과 같이 현장시료를 사용하여 가진을 한 경우 표층부분은 단주기 영역에서 가속도 증폭이 더욱 일어났음을 확인할 수 있다. 이는 표층부분의 지반모형이 가속도가 증폭되면서 지반의 교란이 일어나 단주기 영역에서 가속도가 증폭되는 현상을 보이는 것으로 판단된다.

Fig. 8a~8i는 표층부터 하층부까지 단주기 성분이 강하다는 것을 확인할 수 있으며, Fig. 8j~8l의 Hachinohe에서는 표층부분을 제외하고는 장주기 성분을 확인할 수 있다. 현장시료를 사용하여 실험을 진행한 경우 단주기 성분을 가진 지진파의 경우 미소한 가속도의 차이는 있다. 그러나 그래프의 개형은 유사한 모습을 확인할 수 있으며, Hachinohe지진파와 같은 장주기 파형에서 단주기 영역에서의 Peak값은 표층부로 갈수록 다소 많은 차이가 나는 모습을 확인할 수 있었다. 이는 지반모형을 가진 시 지반모형의 교란으로 가속도계에 영향을 준 것으로 판단된다.

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Fig. 8.

SA of field soil.

Fig. 9와 같이 Silica sand를 사용하여 가진을 한 경우에 표층 부분을 보면 단주기 영역에서 가속도 증폭이 더욱 일어났음을 확인할 수 있는데 이는 표층 부분의 지반모형이 가속도가 증폭되면서 지반의 교란이 일어나 단주기 영역에서 가속도가 증폭되는 현상을 보이는 것으로 판단된다. 또한, 현장시료와 비교해보았을 때 PSA가 더 크게 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 SP시료의 가진 시 지반모형이 SW시료보다 많은 교란이 일어나 가속도계에 영향을 준 것으로 판단된다.

Fig. 9a~9i는 표층부터 하층부까지 단주기 성분이 강하다는 것을 확인할 수 있으며, Fig. 9j~9l의 Hachinohe에서 는 표층 부분을 제외하고는 대부분 장주기 성분이 우세한 것을 확인할 수 있다. Silica sand를 사용하여 실험을 진행한 경우 단주기 성분을 가진 지진파의 경우 미소한 가속도의 차이는 있다. 그러나 그래프의 개형은 유사한 모습을 확인할 수 있었으며, Hachinohe지진파와 같은 장주기 파형에서 단주기 영역은 표층부로 갈수록 다소 많은 차이가 나는 모습을 확인할 수 있었다. 이는 지반모형을 가진 시 지반모형의 교란으로 가속도계에 영향을 준 것으로 판단된다.

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Fig. 9.

SA of silica sand soil.

결 론

지반의 동적 거동특성을 분석하기 위해 사용되는 1 g 진동대 실험을 수행하기 위해서는 토조 벽체가 모형지반에 영향을 미치지 않도록 설계하는 것이다. 따라서 본 연구에서는 층 분할 및 수평거동이 가능한 LSB를 제작하였으며, 경계조건(RB, LSB)을 달리하여 1 g 진동대 실험으로 다음과 같은 결론을 얻었다.

(1) 1차원 지반응답해석을 통한 PGA값과 1 g 진동대 실험을 통해서 얻은 PGA를 자유장 거동과 유사한 ACC 4, 7, 10번과 비교한 결과, 바닥부분에서 표면부로 갈수록 가속도가 증폭됨을 확인할 수 있었다. 지반응답해석을 통해 얻은 PGA와도 유사한 경향을 보이는 것을 확인하였으며, 이를 통해 LSB 경계조건에서 자유장과 유사한 거동을 하는 것으로 판단된다.

(2) LSB의 벽체부분을 고정하여 만든 RB 경계조건과 LSB 경계조건을 통해 얻은 각각의 가속도를 통해 Amplification Factor를 구하여 벽체부분에서 중앙부까지의 증폭을 분석하였다. RB의 경우 경계조건의 영향을 받아 PGA가 현장시료에서 20~30%, Silica sand에서 15~50% 증폭하였다. LSB의 경우는 현장시료에서 2~7%, Silica sand에서 2~8%로 미세하게 증가하였다. 따라서 LSB의 경계조건에서 반무한체인 자유장 거동을 잘 모사하는 것으로 확인하였다.

(3) SA분석을 통하여 수치해석, RB 경우와 LSB의 경우를 비교 ‧ 분석하였다. 그 결과, 1 g 진동대 실험과 지반응답해석의 경우 PSA가 매우 유사한 것을 확인하였으나, RB 경우의 PSA가 하층부에서 표층으로 갈수록 증가되는 경향을 확인하였다. 그러나 그래프의 형상과 증폭이 발생하는 주기영역의 경우는 거의 동일하게 모사하는 것을 확인할 수 있어 실험 수행 결과에 대한 데이터는 신뢰성이 있다고 판단된다.

(4) 단주기성분이 우세한 지진파의 경우는 단주기 성분이 발생하는 것을 확인할 수 있었으며, 장주기성분이 우세한 Hachinohe의 경우는 표층부에서 다소 단주기 성분이 나타나는 것을 확인할 수 있었다. 이는 지반모형에 지진파를 가할 시 하층부부터 표층까지 가속도 증폭이 일어나면서 지반모형이 표층에서 교란이 일어나 가속도계에 영향을 미친 것으로 판단된다. 또한, 각 지진파의 주기특성에 따라 실험을 진행한 결과, 1 g 진동대가 지진파의 주기를 잘 모사하는 것을 확인할 수 있었다.

(5) LSB에서 지반모형을 조성하여 동적모형 시험을 진행 시에 자유장조건을 잘 모사하는 모습을 확인할 수 있었다. 따라서 추후 1 g 진동대를 통하여 다양한 모형지반 실험을 진행 후 수치해석과 비교해 타당한 결과를 얻을 수 있을 것으로 판단된다.

Acknowledgements

이 논문은 2021년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(NRF-2021R1I1A3044804).

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