토양-구조 상호작용
Soil-structure interaction |
지반-구조물 상호작용(SSI)은 토양(지반)과 그 위에 건설된 구조물 사이의 상호작용으로 구성된다. 그것은 주로 상호 스트레스의 교환으로, 지반구조 시스템의 움직임에 의해 지반 유형과 구조물의 유형 모두에 영향을 받는다. 이것은 특히 지진 활동 영역에 적용된다. 토양과 구조물의 다양한 조합은 움직임과 그에 따른 손상을 증폭시키거나 감소시킬 수 있다. 변형된 지반보다는 단단한 지반 위에 있는 건물이 더 큰 피해를 입는 경향이 있다. 두 번째 상호작용 효과는 토양의 기계적 특성과 연계되어 지진 사건에 의해 악화되는 기초의 침하이다. 이런 현상을 토양액화라고 한다.
대부분의 토목 구조물은 지면과 직접 접촉하는 구조 요소의 어떤 유형을 포함한다. 지진과 같은 외부 힘이 이러한 시스템에 작용했을 때, 구조적 변위나 지반 변위 모두 서로 독립적이지 않다. 토양의 반응이 구조물의 움직임에 영향을 미치고, 구조물의 움직임이 토양의 반응에 영향을 미치는 과정을 토양구조 상호작용(SSI)이라고 한다.[1]
전통적인 구조 설계 방법은 SSI 효과를 무시한다. SSI를 방치하는 것은 저층 건물과 단순 강체 옹벽 등 상대적으로 경직된 토양의 경량 구조물에 합리적이다. 그러나 SSI의 효과는 원자력 발전소, 고층 건물, 연성 토양의 고가도로와 같이 상대적으로 연성토양에 놓여 있는 무거운 구조물에서 두드러지게 나타난다.[2]
1995년 고베 대지진 등 최근 지진에 지속되는 피해도 상부구조의 대응뿐 아니라 기초와 지반의 대응에도 구조물의 지진 거동이 큰 영향을 미친다는 점을 부각시키고 있다.[3] 따라서, 콘크리트 구조물에 대한 표준 사양과 같은 현대적 내진 설계 코드는 다음과 같다. 지진 성능 검증 JSCE 2005는 상부구조, 기초 및 접지를 포함한 전체 구조 시스템을 고려하여 대응 분석을 실시해야 한다고 규정하고 있다.
내진설계기준의 (토양-구조 상호작용) SSI 및 SSI 조항이 구조응답에 미치는 영향
일반적으로 SSI는 순전히 유익한 효과로 보수적인 디자인에 소홀할 수 있다는 것이 일반적이다. 내진 설계 코드의 SSI 조항은 선택 사항이며 설계자가 토양 구조 상호작용(SSI)을 유익한 효과로 고려함으로써 건물의 설계 베이스 전단(design base shear)을 줄일 수 있다. 이 규정 뒤에 있는 주요 아이디어는 토양 구조 시스템을 보다 긴 기간과 보통 더 큰 댐핑 비율을 가진 동등한 고정 기반 모델로 대체할 수 있다는 것이다.[5][6] 대부분의 설계 코드는 지나치게 단순화된 설계 스펙트럼을 사용하며, 이는 일정 기간까지 일정한 가속도를 달성하며, 그 이후에는 기간에 따라 단조롭게 감소한다. 토양 구조와의 상호작용을 고려할 때 구조물의 유연성이 높아져 견고하게 지지되는 구조물에 비해 구조물의 자연주기가 증가한다. 또한 SSI 효과를 고려할 때 시스템의 유효 댐핑 비율이 증가한다. 설계 스펙트럼의 매끄러운 이상화는 SSI로 인한 자연주기 증가와 효과적인 댐핑 비율과 함께 지진응답이 더 작음을 시사하는데, SSI 효과를 고려할 때 설계기준 전단 축소를 위한 내진설계 코드의 주요 정당성이다. 또한 동일한 발상이 ASCE 7-10 및 ASCE 7-16과 같은 현행 공통 지진 설계 코드의 기초를 형성한다. 언급된 아이디어, 즉 베이스 전단 감소는 선형 토양 구조 시스템에 효과가 있지만, SSI가 항복 시스템에 미치는 영향을 적절히 포착할 수 없다는 것이 보여진다.[7] 좀 더 최근에, Khosravikia 등.[8] ASCE 7-10의 SSI 규정과 ASCE가 제공하는 2016년 판의 내진 설계 표준의 기초를 이루는 2015년 국가 지진 위험 저감 프로그램(NEHRP)의 규정을 실행한 결과를 평가하였다. 그들은 NEHRP와 ASCE 7-10의 SSI 조항으로 인해 표면 기반이 적당히 부드러운 토양의 구조물에 대한 안전하지 않은 설계가 이루어지지만 NEHRP는 현재 스쿼트 구조물에 대한 조항에서 약간 개선되는 것으로 나타났다. 매우 부드러운 토양의 구조물의 경우, 두 조항 모두 NEHRP가 훨씬 더 보수적인 설계를 산출한다. 마지막으로, 두 조항 모두 다른 시스템에 대해 거의 최적인 설계를 산출한다.
해로운 효과
몰로나키스와 가제타스는 엄격한 수치 분석을 사용하여 SSI로 인한 자연적인 구조 기간의 증가는 단순화된 설계 스펙트럼에서 제안된 것처럼 항상 유익한 것은 아니라는 것을 보여주었다. 연질토양 퇴적물은 지진파 발생기간을 현저히 연장시킬 수 있으며, 구조물의 자연기간의 증가는 장기간 지반진동에 의한 공명을 초래할 수 있다. 또한, 이 연구는 SSI 효과로 인한 구조물의 자연 기간의 증가에 따라 연성 수요가 크게 증가할 수 있다는 것을 보여주었다. 토양의 영구적인 변형과 파괴는 구조물의 지진 반응을 더욱 악화시킬 수 있다.
구조물이 지진에 노출되면 기초와 토양과 상호작용하여 지상의 움직임을 변화시킨다. 토양 구조 상호작용은 크게 a) 운동 상호작용과 b) 관성 상호작용의 두 가지 현상으로 나눌 수 있다. 지진 지반 운동은 자유장 운동으로 알려진 토양 변위를 유발한다. 그러나 흙 속에 박혀 있는 토대는 자유장 운동을 따르지 않을 것이다. 이러한 기초가 자유장 운동과 일치할 수 없는 것은 키네마틱 상호작용을 일으킨다. 한편 상부구조의 질량은 관성력을 토양에 전달하여 토양에 추가 변형을 일으키는데, 이를 관성 상호작용이라고 한다.[2]
지반 흔들림 수준이 낮을 때는 키네마틱 효과가 더 우세하여 주기 연장과 방사선 감쇠가 증가한다. 그러나 강한 흔들림, 근거리 토양 계량 분해 및 토양-필레 갬핑 한계 방사선 감쇠가 시작되면서 관성 상호작용에 의해 지표면 근처에 집중된 과도한 변위 및 휨 균주가 발생하여 지반 부근의 말뚝 손상이 발생한다.[2]
최근 지진 관측 결과 기초와 토양의 반응이 전체 구조 반응에 큰 영향을 미칠 수 있는 것으로 나타났다. 과거 지진 때 SSI로 인한 구조물 손상이 심한 경우가 여러 건 있다. 야신스키는 1989년 샌프란시스코 로마 프리에타 지진 때 SSI 효과로 인한 말뚝 지지 교량 구조물 수 피해를 인용하고 있다. 멜로나키스와 가제타스가 실시한 광범위한 수치 분석은 SSI가 1995년 고베 대지진 당시 한신고속도로가 극적으로 붕괴한 원인 중 하나로 보고 있다.
디자인
기초의 주요 유형은 몇 가지 건물 특성에 기초하여 다음과 같다.
기초 지반 작성은 지반 자체의 기계적 특성에 따라 이루어진다. 예를 들어, 이탈리아에서는 새로운 내진 표준인 Ordanza 3274/2003에 따라 다음과 같은 범주를 식별할 수 있다.
- 범주 A: 균질 암석 형성
- 범주 B: 소형의 과립 또는 점토질
- 범주 C: 매우 조밀한 과립 또는 점토 토양
- 범주 D: 미세한 과립 또는 점토질 토양 부족
- 범주 E: 충적층 지면 접지(매우 낮은 품질의 토양)
기초의 종류는 지면의 종류에 따라 선택된다. 예를 들어, 균일한 암석 형성물들이 연결된 플린트를 선택하는 반면, 매우 낮은 품질의 접지판의 경우는 선택된다.
기초 구축의 다양한 방법에 대한 자세한 내용은 기초(건축학)를 참조하십시오.
지반과 구조물은 모두 다소 변형될 수 있다. 지반과 구조물의 조합은 구조물에 대한 지진 영향을 증폭시킬 수 있거나 증폭시킬 수 없다. 사실 지면은 모든 주요 지진파에 관한 여과기로서, 보다 단단한 토양이 고주파 지진파를 촉진하는 반면, 덜 컴팩트한 토양이 낮은 주파수파를 수용하기 때문이다. 따라서 기초주파수가 높은 것이 특징인 경직된 건물은 경직된 지반 위에 지어졌다가 더 높은 주파수를 받을 때 증폭된 손상을 입는다.
예를 들어, 동일한 높은 강성을 공유하는 두 개의 건물이 있다고 가정합시다. 그들은 두 가지 다른 토양 유형, 즉 첫째, 뻣뻣하고 바위투성이인 두 번째, 모래와 변형 가능한 토양 위에 서 있다. 같은 지진에 노출될 경우 경직된 지반의 건물이 더 큰 피해를 입는다.
두 번째 상호작용 효과는 토양의 기계적 특성과 연계되어 지진 사건 자체에 의해 악화되는 기초의 감소(싱킹)에 관한 것이며, 특히 덜 좁은 지반에 관한 것이다. 이런 현상을 토양액화라고 한다.
완화
지상 구조 상호작용의 문제를 완화하기 위해 가장 많이 사용되는 방법은 이전에 볼 수 있었던 격리 시스템과 일부 지상 브레이스 기법의 고용으로 구성되며, 이 기법은 무엇보다도 낮은 품질의 시스템(카테고리 D와 E)에 채택된다. 가장 널리 보급된 기법은 제트그라우팅 기법과 말뚝공법이다. 제트그라우팅 기법은 드릴을 이용하여 일부 액체 콘크리트를 지하에 주입하는 것으로 구성된다. 이 콘크리트가 굳으면 주변 토양을 집적하는 일종의 기둥을 형성한다. 이 과정은 구조물의 모든 영역에서 반복된다. 말뚝공법은 지면에 삽입되면 하중을 지반과 위의 건물을 지탱하는 말뚝을 사용하는 것으로, 하중을 더 깊고, 따라서 더 촘촘하고 이동성이 강한 토양층으로 이동시킴으로써 구성된다.
참조
- ^ 툴라다르, R, 마키, T, 무쓰요시, H. (2008) 내진설계 및 구조역학, Vol. 37(1) 페이지 43-59에 내장된 횡하중 콘크리트 말뚝의 반복거동
- ^ a b c 울프, J. P. (1985년). 동적 토양-구조물 상호작용. 뉴저지 엥글우드 절벽, 프렌티스홀
- ^ 몰로나키스, G, 가제타스, G, 니콜라우, S, 미카엘리데스, O. (2000b) 고베 대지진 당시 한신고속도로 18개 교각 붕괴에 따른 토양의 역할, 제12차 세계지진공학회의 개최, 제1074호 서류
- ^ 일본 토목 기술자 협회. 콘크리트 구조물의 표준 사양 – 2002: 내진 성능 검증 JSCE 2005 콘크리트 제5호 지침
- ^ ATC-3(1978년). 건축물의 내진설계기준 개발에 관한 잠정규정 : 설계직, 건축법칙 및 연구공동체, 국립표준국, Washington DC
- ^ NEHRP(1997년). 새 건물 및 기타 구조물에 대한 내진 규정에 대한 권고 조항, 제1부 및 제2부, 워싱턴 DC의 건물 내진 안전 위원회
- ^ Avilés, Javier; Pérez-Rocha, Luis E. (2003-09-01). "Soil–structure interaction in yielding systems". Earthquake Engineering & Structural Dynamics. 32 (11): 1749–1771. doi:10.1002/eqe.300. ISSN 1096-9845.
- ^ Khosravikia Farid; Mahsuli Mojtaba; Ghannad M. Ali (2017-09-01). "Probabilistic Evaluation of 2015 NEHRP Soil-Structure Interaction Provisions". Journal of Engineering Mechanics. 143 (9): 04017065. doi:10.1061/(ASCE)EM.1943-7889.0001274.
- ^ a b 몰로나키스, G., 가제타스, G. (2000a) 지진 토양 구조 상호작용: 유익한가 해로운가? 제4권 제3호, 페이지 277-301
- ^ 야신스키, M. (1998년) 1989년 10월 17일 캘리포니아 지진 로마 프리타 – 미국 워싱턴 주, 프로페셔널 페이퍼 1552-B의 고속도로 시스템
