응답스펙트럼 - KDS 17 10 00:2018 암반지반가속도표준 설계 응답스펙트럼

개요

KDS 17 10 00 내진설계일반

위의 기존 기준에서 확인 할 수 있듯이, 건축 기준인 KBC의 설계응답스펙트럼과 도로교의 설계응답스펙트럼 등, 시설물 별 기준에 따라 응답스펙트럼이 서로 상이합니다. 이후 국민안전처에서 공표한 “내진설계 공통기준사항”에서는 시설 별 공통으로 적용되는 내진설계 기준을 제시하였고, 이에 따라 통합된 응답 스펙트럼과 우리나라 지반 분류에 맞는 지반 분류 체계를 가지게 되었습니다. 이후, 2018년 “KDS 17 10 00, 내진설계일반” 이 KDS 기준으로 제정되었습니다.

이번 컨텐츠에서는 KDS 기준이 제정된 공학적 배경과 방법론을 다뤄보도록 하겠습니다.

“내진설계기준 공통적용사항” (같은 내용으로, KDS 17 10 00) 에서 시설 별 통합 된 응답스펙트럼 기준이나, 지반 분류 체계에 따른 증폭 계수의 산정 등의 공학적 배경은 “지진가속도 분석 등을 통한 설계지반운동 표시방법 고도화기술 개발” (재난안전술개발사업단)에서 찾아 볼 수 있습니다.

우리나라 지진 및 지반 특성에 적합한 설계 스펙트럼의 작성

가장 이상적으로 지진하중을 규정하는 것은 해당 지역에 ‘발생한’ 지진에 대한 지반 가속도 시간 계측 이력을 적용하거나, 혹은 ‘발생 할 수 있는’ 지진에 대한 시간 이력을 표준화 후 작성하여 적용하는 것 일 것입니다. 하지만, 이전에 발생하였던 지진과 동일한 크기, 특성을 가진 지진이 다시 온다는 보장도 없을 뿐더러 랜덤(random)한 특성을 가진 지반 가속도 시간 이력을 표준화 한다는 것도 매우 힘듭니다. 따라서 지진 하중의 크기와 특성을 반영하기 위해 표준 설계 응답스펙트럼을 적용합니다.

기존 설계 응답스펙트럼 적용의 제한

기존의 국내 도로교설계기준의 경우, 내진설계기준연구II 의 내용을 참고하여 작성되었습니다. 또한 내진설계기준연구II 에서는 UBC(Uniform Building Code, 1997)의 설계응답스펙트럼 형상과 지반분류쳬계를 준용하여 작성되었습니다. (UBC는 미국 서부 지역에 대한 기준 코드였으며, 이후 IBC(International Building Code)로 통합되었습니다.)

UBC 코드는 판 경계 지역인 미국 서부의 실 지진파 기록을 통해 해당 지역의 특성을 반영하였으며, 이는 일본의 경우도 마찬가지입니다. 다만 미국 서부에 해당하는 ‘판 경계 지역’과 우리나라의 지역적 특성에 해당하는 ‘판 내부 지역’의 스펙트럼 형상이 다르다는 많은 연구 결과가 있었으며, 우리나라의 지질학적 특성을 반영한 설계 스펙트럼의 재산정이 필요하였습니다. 지반분류체계 역시, 지반 분류에 따른 지진파의 증폭 특성을 적용하기 위해서는 고유의 지반 분류 체계를 확보할 필요가 있습니다.

기존의 기준은 국외 기준을 바탕으로 작성되었지만,

“국내 특성에 맞는 지진 및 지반 특성을 고려하여야 한다!” 라는 필요성이 대두 되었으며,

그렇다면…. 두 가지 인자에 대한 분석을 해서 설계 스펙트럼을 결정하자!

1) 어떠한 지진 기록에 대한 스펙트럼으로 작성 할 것인가?

2) 우리나라의 지반 분류 체계를 재정의 하고, 이에 따른 스펙트럼 변화를 고려

(지반 분류 체계 및 토사지반응답스펙트럼)

우리나라 설계 스펙트럼의 기준이 되는 지진

위에서 잠시 언급하였던 것처럼, 기존 기준들은 미국 서부 지역의 스펙트럼 기준을 바탕(UBC 코드)으로 작성 되었습니다. 판 경계 지역에서 계측된 지반 운동에 대한 스펙트럼이 아닌, 판 내부에 해당하는 우리나라에 적합한 지반 운동 계측 기록을 활용하여 스펙트럼을 재정의 할 필요가 있습니다. 연구 보고서의 제 3장에서는 판내부 지진 기록에 대하여 조사, 분석한 연구 내용을 소개하고 있습니다.

가장 적합하면서 이상적인 방안은 국내에서 발생한 다양한 강진 기록들을 바탕으로 분석하는 것이지만, 우리나라의 경우 큰 지진이 자주 발생하지 않았으며, 계측 자료가 많지 않습니다. 따라서 국내 계측 기록과 더불어 유사한 지진 특성을 가진 국외의 계측 기록을 활용하여 분석을 실시하였습니다.

국내의 지진 계측 기록 중 규모 4.5 이상, 진앙거리가 200km 이하이고, 암반에서 관측 된 지반 가속도 기록(총 5개 지진, 24개 기록)을 설계 응답 스펙트럼 작성에 사용하였으며, 국외의 경우 13개 지진에서 관측된 31개 기록을 활용하였습니다.

설계 스펙트럼의 기준이 되는 지진은국내,외 판내부 지역의 지진 기록 “총 18개 지진, 55개 계측 기록”을 활용

수평운동 표준설계스펙트럼의 개발

국내의 지진 특성을 고려한 국내,외의 총 55개의 계측 기록을 기준으로 수평운동 표준설계스펙트럼을 작성하게 됩니다.

표준설계스펙트럼을 작성할 때, 계측된 기록을 그대로 사용하지는 않습니다. 하나의 지진에 대해서, 여러 지점에서 계측한 계측 데이터가 있습니다. A라는 지점에서 계측된 데이터는, 직교하는 축을 가진 수평 방향 2개의 데이터 입니다.

해당 지반 가속도 기록을 그대로 스펙트럼화 하여 적용하지 않고, 각 지진에 대한 대표 기하평균 스펙트럼을 사용하게 됩니다. (Boore의 2006년도 논문에서 해당 내용을 찾을 수 있습니다.)

1편에서 소개해드린 바와 같이, 우리는 지반가속도 데이터를 가속도응답스펙트럼으로 변환 시킬 수 있습니다. 계측된 지반 가속도에 대한 가속도 응답 스펙트럼은 아래와 같습니다.

각 방향의 응답스펙트럼 값으로, 기하 평균을 내어 기하 평균 가속도 응답스펙트럼을 작성할 수 있습니다. 위 결과는 계측된 X 방향 및 Y 방향에 대한 기하 평균 가속도 응답 스펙트럼이지만, 축을 바꾸어 모든 방위각에 대한 기하 평균을 산정하게 됩니다.

미소 각을 틀어, 지반 가속도 기록을 산정하고 기하 평균응답스펙트럼을 산정하는 것을 반복합니다.

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GMRotl50

통계 분석을 통한 설계스펙트럼 산정

가속도 표준 설계응답스펙트럼

참고문헌