이 논문에서는 연약지반에 세워진 건축물의 지진해석을 위해서 기준의 지반증폭계수에 대한 기초묻힘으로 인한 저감계수를 산정하는 연구를 비선형 의사 3D 지진해석이 가능한 P3DASS 유한요소 프로그램으로 수행하였다. 지반은 30m 두께로 균질하고 탄성과 점성이 있는 등방성 연약한 지반으로 암반 위에 놓인 것으로 가정하였고, 기초는 반경이 10-70m인 등가원형 강체기초로 기초묻힘은 0, 10, 20, 30m인 경우를 고려하였다. 지진해석은 노두에서 실측한 7개 지진기록의 유효지진가속도를 0.1g로 조정한 후 연약지반 밑 암반에서 지진기록을 생성하여 수행하였다. 연구에 의하면 매우 연약한 지반에 소형기초가 깊게 묻힌 경우 외에는 지반증폭계수가 점진적으로 감소하고 기초크기에 따른 편차도 크지 않은 것으로 평가되어 기초반경 별로 구한 저감계수에 대한 평균에 표준편차를 더한 저감계수를 기초묻힘에 따른 표준저감계수로 산정하였다. 지반증폭계수에 대한 표준저감계수를 실용화와 KBC 등의 기준을 위해 지반의 평균전단파속도와 지반종류에 따라 제안하였다.

기존 구조물의 내진보강을 경제적으로 수행 위해서는 내진성능을 보다 정확하게 평가하는 것이 필요하다. 우리나라 도로교의 내진성능은 "기존교량의 내진성 평가 요령"에 의해 평가되고 있으며, 이는 이를 활용할 당시 기술자의 기술수준을 고려하여 비교적 간단한 방법이 채택되었다. 최근에는 입력지진의 불확실성을 고려하여 내진성능을 확률적으로 평가하는 연구가 많이 수행되고 있다. 일반적으로 구조물은 지반의 영향을 무시하고 모델화되거나 때로는 지반을 탄성스프링으로 모델화하여 응답에 대한 지반의 영향을 고려하고 있다. 그러나 지반도 지진시 비선형특성을 나타내므로 교량의 응답특성을 보다 정확하게 평가하기 위해서는 이를 고려할 필요가 있다. 본 연구에서는 지진세기에 따른 지반의 비선형성을 등가의 선형스프링으로 모델화하여 6경간연속교를 대상으로 하여 지진해석을 수행하였으며, 교각의 파괴 및 낙교에 대한 지진취약도의 특성변화를 확률적으로 평가하였다.

이 연구에서는 u-w 정식화에 근거하여 일반적인 3차원 문제에 적용할 수 있는 지하수로 포화된 가로등방성 층상지반에서의 3차원 전달경계를 개발하였다. 지반 원역에서의 동적거동을 Fourier 급수로 전개하고, 각 항에 대한 동적강성을 u-w 정식화에 근거하여 유도하였다. 그리고 이를 Cartesian 좌표계에서 표현된 지반 근역의 3차원 유한요소와 결합할 수 있도록 변형하여 일반적인 3차원문제에도 적용할 수 있는 방법을 개발하였다. 개발된 방법을 강체 원형 기초의 동적거동 해석에 적용하고 기존의 해석 결과와 비교하여, 이 연구에서 개발된 전달경계가 정확함을 확인하였다. 또한 다양한 형태의 강체 기초 동적거동 해석에 개발된 전달경계를 적용하였고, 지하수로 포화된 가로등방성 층상지반에서 지하수위에 따라 강체 기초 동적거동의 변화 양상을 조사하여, 이 연구에서 개발된 방법의 활용성을 입증하였다.

안정처리된 도로 지반재료는 현장에서 환경적인 요인으로 인하여 내구성능은 여전히 구조적인 성능과 더불어 평가가 요구되고 있다. 이에 본 논문에서는 국내에서 대표적으로 활용하고 있는 기층과 노상재료를 활용하여 다양한 안정제 종류와 함유량을 달리하여 공시체를 제작하였고 동결-융해 및 습윤-건조하여 여러 조건의 반복재하 회복탄성계수시험을 실시하여 내구성능 및 특성을 파악하였다. 또한 결과에 기초하여 안정처리된 지반재료에 대한 회복탄성계수 예측모델을 살펴보고 모델계수의 범위를 평가후 문헌의 자료와 비교하였다.

지반-말뚝-구조의 상호작용을 정밀하게 해석하기 위해서는 토층, 말뚝 그리고 구조물의 적절한 묘사가 필요하다. 일반적으로 사용하는 유한요소해석의 경우에는 지반이나 구조물의 물성이 바뀌는 경계를 따라서 요소의 경계가 정해지게 된다. 그러나 실제로는 토층 단면과 말뚝의 형상이 매우 복잡하여 요소의 배열이 매우 어려운 작업이 될 수 있다. 이 어려움을 해결하기 위하여, 이 논문에서는 불연속선의 위치에 관계없이 규칙적인 요소를 사용하여 쉽게 적분을 가능하게 하는 다른 적분 방법을 채택하였다. 이 방법을 적용함으로 써 요소는 매우 빠르고 규칙적인 강성 매트릭스를 만든다. 구조물 응답에 대한 토층과 말뚝의 영향을 조사하였고, 예를 통하여 본 방법의 유효성을 보였다. 탄성 말뚝의 사용으로 20% 대의 가속도 감소 효과를 얻었고 지반 층의 모양에 따라 그 영향이 변하는 것을 확인하였다.

본 논문에서는 기 발표된 연구를 바탕으로 도로하부구조 안정처리기법 적용시 아스팔트 포장에서의 구조적인 거동을 비교 분석하였다. 도로하부재료의 비선형성을 고려한 유한요소법을 활용하여 단축 표준하중 하에서 공용성 지수를 추정하였으며 안정처리된 지반재료의 물리적 역학적 성질들은 실내시험 결과를 통하여 평가되었다. 유한요소 수치해석에 기초한 분석을 통하여 다양한 층두께와 안정제 함량에 따라 포장체에서 변형에 기초한 반응을 분석하였다. 결과 안정처리된 도로에 대한 구조적인 성능은 층두께와 안정제 함량에 따라 많은 영향을 받고 있었으며 결과를 분석하여 조립질 도로하부 안정처리인 경우에 대한 안정처리층의 적정한 두께와 안정제의 최소함량을 각각 제안하였다.

최근의 근단층지반운동인 Northridge 지진(1994, 미국), Kobe 지진(1995, 일본), Izmit 지진(1990, 터키)은 큰 수직성분의 영향으로 건축물 및 교량에 심각한 손상을 주었다. 일반적인 건축구조물의 내진설계에서 지진하중의 수직성분을 고려하여 설계하는 경우는 드물다. 본 연구에서는 지진하중의 수직성분 영향의 고려 유무에 따른 예제구조물의 기둥부재의 축력의 변화와 부재 단부의 소성힌지회전각을 산정하여 시스템의 손상상태를 평가하여 보았다. 해석결과 축력의 증가는 기둥부재의 손상에 의한 전체 구조시스템의 story collapse mechanism의 가능성을 주게 되므로 근단층지반운동이 예상되는 부분에서는 지진하중의 수직성분에 대한 영향을 고려하여야할 것으로 판단된다.

연성방호책 지주(post)의 설계 지반물성치를 파악하고 이를 이용한 해석방법을 수립하기 위한 방법으로서 공내재하시험(PMT)의 사용가능성을 검토하였다. 공내재하시험 결과를 이용하여 지주의 휨모멘트 및 하중-변위관계를 예측할 수 있는 해석방법의 수립가능성을 검토하였다. 모형지반과 모형지주를 이용한 정재하시험을 실시하여 하중-변위의 발생패턴과 크기를 분석하였으며 이를 공내재하시험 해석방법으로부터 구한 결과값과 비교하여 공내재하시험 해석방법의 타당성을 검토하였다. 또한 모형차(bogie)를 이용하여 모형 지주에 대한 충격시험을 실시하여 지주주변지반의 파괴형태를 파악하였으며 측정된 최대감가속도로부터 정적지지력 대비 동적지지력의 발생크기를 분석하였다. 이와 같은 시험 및 해석결과로부터 공내재하시험이 방호책 지주와 도로지반 사이의 역학적 상호연관성을 분석하기 위한 합리적인 시험방법이 될 수 있음을 확인하였다.

지진원, 지각감쇠 및 구조물과 지반상호간의 동적 특성 등을 신뢰성 있게 평가하기 위해 지반의 증폭특성을 반드시 고려하여야 한다. 주파수 영역에서 H/V 스펙트럼 비를 구하는 방법은 Nakamura(1989)에 의해 처음으로 제시되어 초기에는 지반의 상시미동의 표면파의 특성을 이해하기 위해 제시되어 한계점이 존재하나 근래에 와서 강진동의 전단파 에너지 등에 적용범위가 확장되면서 지반의 동적인 증폭특성(지반증폭함수) 연구에 많이 이용되고 있다. 본 논문에서는 오대산 지진(2007/01/20)으로부터 관측된 9개의 지반진동을 이용하여 H/V 스펙트럼 비를 분석하였고 결과를 이용하여 국내에 분포되어 있는 지진관측소 부지의 지반증폭 특성을 분석하였다. 분석결과 대부분의 지진관측소의 H/V 스펙트럼 비는 저주파수 영역에서는 고주파수 영역에 비해 다소 안정된 지반증폭 특성을 보여주었다. 하지만 지진관측소마다 고유주파수, 고주파수 및 저주파수 대역에서 서로 다른 지반증폭 특성을 보여주었다. 특히 각각 관측소 부지의 고유주파수는 각 관측소의 지진자료의 질을 좌우하므로 정확한 분석이 필요하다. 관측된 지반진동 자료를 이용하여 지진원 및 지각감쇠 요소를 분석할 경우 결과값의 왜곡을 피하기 위해 지반증폭 정보를 제거하면 신뢰성이 보다 향상된 값을 얻을 수 있다. 물론 지반증폭은 국내 지반의 분류 연구에 중요한 정보를 제공한다는 점에서 대단히 중요하다.

본 논문에서는 반복하중에 의한 반복 경화 및 연화 현상을 나타낼 수 있는 수정 IWAN 모델을 이용하여, 1차원 비선형 부지응답 해석프로그램(이하 KODSAP; Kaist One Dimensional Site-response Analysis Program)을 개발하였다. 개발된 프로그램은 지진하중 재하에 따른 지반의 반복경화 및 연화현상에 의한 부지응답 특성 변화를 재현할 수 있다. KODSAP을 이용하여 기반암 상부 40m인 모형지반의 반복경화 및 연화 정도, 지진가속도의 크기에 따른 부지응답특성 변화를 살펴 보았으며, 현재 실무에서 널리 적용되고 있는 등가선형, 비선형해석과 KODSAP 해석결과(지반의 반복경화 및 연화현상을 고려한)과의 차이점을 살펴 보았다.

본 연구에서는 지반-구조물 상호작용을 고려한3차원 지반-구조계의 지진응답 해석을 수행하고 그 기법의 적용성과 타당성을 검토한다. 이를 위해 구조물과 구조물 주변의 근역지반을3차원 유한요소로서 모델링하고 원역지반에 대해서는 기 개발한 3차원 동적 무한요소를 적용한다. 모든 입사 성분P, SV 그리고 SH파가 고려되었을 때, 등가 지진하중은 무한요소에 의해 구해진 무한 지반의 동적 강성과 자유장 해석을 통해 구해진 지반의 응력과 변위응답을 이용하여 구해진다. 검증 및 적용 예제는 적층 자유장의 지반응답해석과 전형적 원자로 격납건물의 지반-구조물 상호작용을 고려한 층응답 스펙트럼을 구하는 것으로 하였다. 해석 결과는 다른 기법에 의해 구해진 값들과 비교하였으며, 본 기법의 정확성과 정밀성을 확인할 수 있다.

본 연구는 지반위에 놓여진 콘크리트 슬래브가 온도하중을 받아서 컬링할 때의 거동을 실내 실험을 통해 분석하고 슬래브를 지지하고 있는 하부층의 구성이 슬래브의 컬링 거동에 어떠한 영향을 미치는지를 분석하기 위하여 수행되었다. 실험을 위해 콘크리트슬래브를 제작하고 온도측정센서를 장착하였으며 인위로 온도하중을 가하며 슬래브의 여러 위치에서 변위의 변화를 측정하였다. 하부층은 두 가지의 관점을 고려하여 구성하였으며, 첫째는 단일 하부층을 이용하여 재료와 두께를 달리하여 지지력을 다르게 하는 경우이며, 둘째는 하부층을 복층으로 구성하되 복합지지력은 일정하나 슬래브와 직접 접촉하는 상위하부층의 재료성질을 다르게 하는 경우이다. 실험결과 시간에 따른 슬래브의 수직 변위 변화는 온도구배의 변화와 거의 일치하는 양상을 보였으며 컬링 거동의 특성을 컬업 구간과 컬다운 구간으로 구분하여 분석하였다. 하부층의 지지력은 커질수록 슬래브의 중앙과 코너의 수직 변위 차이는 감소하게 되며 최상위 하부충의 재료 성질이 컬링 거동에 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.

본 논문은 지반위에 놓인 콘크리트 슬래브가 환경하중에 의해 컬링 할 때의 거동을 해석할 경우에 하부층의 모델링 방법에 따른 해석 결과의 차이를 분석한 내용을 기술하였다. 지반위에 놓인 슬래브 시스템을 전체 3차원 모델, 3차원 슬래브와 하부층을 스프링으로 구성한 모델, 그리고 2차윈 슬래브와 하부층을 스프링으로 구성한 모델 등으로 개발하여 해석을 수행하였다. 먼저 하부층이 단일 층으로 구성되어 있을 경우에 하부층 모델링 방법에 따른 컬링 거동의 차이를 분석하였다. 그리고 하부층이 서로 다른 재료와 두께로 구성되어 있는 복층일 경우에 하부층 모델링에 따른 컬링 거동의 특성을 비교 분석하였다. 연구결과 하부층을 무인장 스프링으로 모델링 하면 하부층이 단층일 경우에는 일반적으로는 상당히 정확한 해석결과를 얻을 수 있으나, 하부층이 복층일 경우에는 상위하부층의 탄성계수가 클 때, 하위하부층의 탄성계수가 작을 때, 그리고 상위하부층과 하위하부층의 두께가 두꺼울 때는 컬링 시에 슬래브의 수직변위 차이를 과대평가하게 되며 최대응력은 과소평가하게 된다.