비선형 구조계의 확률론적 지진해석 방법 중 대표적인 것은 지진 재해도 수준에 해당하는 입력지반운동 모델을 사용한 시간이력을 수행하여 그 응답의 확률분포를 예측하는 것이다. 이 연구에서는 널리 사용되고 있는 두 가지 입력지반운동 모델에 따른 구조계 응답의 분포특성 및 파손확률의 차이와 그 원인을 분석한다 입력지반운동 모델로는 실제 지진기록을 배율 조정하여 사용하는 배율조정 입력지반운동과 설계 응답스펙트럼에 상응하는 인공 지진기록을 사용하는 스펙트럼 맞춤 입력지반운동 두 가지를 고려한다. 동일한 지진재해도 수준을 고려한 해석결과 설계 응답스펙트럼에 상응하는 인공 지진기록을 사용한 입력지반운동 모델은 실제 지진기록을 배율 조정한 입력지반운동 모델보다 평균적으로 응답을 크게 평가하였고 이로 인해 파손확률 또한 더 큰 것으로 나타났다 이러한 경향은 연약한 지반에서 더욱 현저한 것으로 나타났다. 이러한 입력지반운동 모델에 따른 파손확률의 차이는 스펙트럼 맞춤 입력지반운동의 목표로 사용된 도로교 설계기준의 설계 응답스펙트럼이 실제 지진기록의 응답스펙트럼보다 장주기로 갈수록 응답을 크게 평가하도록 보수적으로 만들어졌기 때문인 것으로 나타났다.

천부지반에서 레일리파의 군속도와 위상속도 분산곡선을 역산하여 S파 속도구조를 구하는 방법을 비교하였다. 위상속도를 구하기 위해서 τ-p stacking 방법을 이용하였고, 군속도를 구하기 위해서 두 가지 방법, multiple filtering technique(MFT) continuous wavelet transform(CWT) 방법을 사용하였다. 고차모드가 존재하는 경우, 위상속도에서 기본모드와 고차모드를 분리하기가 용이하지 않았고, 군속도에서는 continuous wavelet transform 방법이 multiple filtering technique보다 효과적이었다. S파 속도 역산 결과, 위상속도와 군속도의 기본 모드만 역산할 경우, 신뢰구간의 깊이가 아주 얕았다. Continuous wavelet transform으로 구한 기본 모드와 1차 모드를 동시 역산할 경우, 신뢰구간의 깊이가 2배 이상 증가함을 알 수 있었다. 이는 1차 모드의 에너지가 더 깊은 층을 통과함으로 깊은 층에 대한 5파 속도 정보를 지니고 있기 때문으로 보인다. 위의 방법을 서해안 동호항의 조간대에 적용하여, continuous wavelet transform으로 구한 군속도의 기본 모드와 1차 모드를 동시 역산하여 S파 속도구조를 구하고, 해당 지역의 시추조사 결과와 비교하였다.

Structures with Coulomb-friction damping system have strong nonlinearity that the dynamic behavior is highly affected by the relative magnitude between frictional force and excitation load. In this study, normalized response spectra of the structures with non-dimensional friction force are obtained through nonlinear time history analyses of the mass-normalized single degree of freedom systems using ground motion data designed by ATC-40 and Korean Building Code 2005(KBC 2005) on each slte. The variation of the control performance of Coulomb-frictional damping system is investigated in terms of the dynamic load and the structural natural period, of which effects were not considered in the previous studies. Finally, Design spectra of the structure with Coulomb-frictional damper considering the safety of structural design is proposed though linear curve fitting

연약지반에서 측방 유동에 의해 주변 지반에 큰 변형을 일으키며 이로 인하여 말뚝기초에 손상을 입히게 된다. 이러한 경우 설치된 말뚝을 수동말뚝이라 하며 편재하중이 작용하게 되고 이로 인해 측방토압을 받게 되며 측방변위가 발생하여 상부구조물에 영향을 미치게 된다. 그러나 국내의 경우 이러한 말뚝과 교대 변위간의 관계에 대한 예측 및 메커니즘에 대한 연구가 부족한 실정이다. 본 연구에서는 교대이동에 대한 해석을 위해 입체, 판 및 프레임 요소를 복합적으로 해석할 수 있는 연성 3차원 유한요소해석 프로그램을 개발하였다. 개발된 연성해석 프로그램을 이용하여 연약지반상 형상비(두께-지름비, t/D비)를 변수로 한 교대강관파일의 변형특성을 명확히 하였다.

본 연구에서는 건물모델만을 물리적인 실험체로 이용하여 동적 지반강성을 갖는 지반-구조물계의 동적거동을 모사하기 위한 하이브리드 진동대 실험법을 제안하고 이를 실험적으로 검증하였다. 본 연구에서 제안되는 실험방법은 상부구조물과 진동대의 가속도를 계측하여 진동대 제어기로 피드백하고, 전체 지반-구조물계의 동적거동을 묘사하기 위해 요구되는 기초부분의 절대가속도 응답(가속도 피드백 방법) 또는 절대속도 응답(속도 피드백 방법)을 계산하여 진동대를 구동시키는 방법이다. 지반부분을 계산하기 위해서 이론적인 동적지반강성을 제안방법에 따라서 다르게 근사화하여 진동대 제어기에 반영함으로써 실험을 수행하였다. 기초 고정계 모델에 대한 실험으로부터 계측된 응답과 본 논문에서 가정한 지반-구조물 계에 대한 실험으로부터 측정된 응답을 비교하고, 진동대 제어기에 반영한 동적지반강성과 실험데이터를 이용하여 식별된 동적지반강성을 비교함으로써 본 논문에서 제안된 실험방법의 유효성을 검증하였다.

탄성지반 위의 비대칭 개/폐단면의 박벽보에 대한 탄성해석 및 안정성해석을 수행하기 위해 엄밀한 강성행렬을 계산하기 위한 개선된 수치해석 기법을 새롭게 제시한다. 본 연구에서 제시한 수치해석기법은 박벽보의 안정성 해석을 위한 엄밀한 강성행렬을 산정하는 선행된 수치해석기법의 결점을 보완하고 있다. 본 연구에서 제시한 기법은 일반화된 고유치 문제에 관한 해를 얻는 것으로서 일반화된 14개의 변위에 대한 고유치 문제를 평형방정식에 관한 1차의 연립상미분 방정식으로 변환함으로써 얻어진다. '0'의 고유치에 대응되는 변위파라미터에 대해 다항식이 가정되며 항등조건으로부터 '0'의 고유치의 수와 동일한 미결정된 파라미터를 포함하는 고유 모우드가 결정되고 이로부터 'non-zero'의 고유치와 다항식의 해를 조합함으로써 엄밀한 변위함수가 결정된다. 이후 부재력-변위의 관계를 이용하여 엄밀한 강성행렬을 산정하게 된다. 본 연구에서 개발한 수치해석 기법의 타당성을 검증하기 위해서 본 연구에서 제시한 이론에 의한 해를 제시하고 보요소 및 쉘요소을 사용한 유한요소해와 비교 검토한다.

IBC와KBC 기준의 지반계수는 지반증폭 만이 고려되고 구조물-지반 상호작용 영향이 고려되지 않은 지반계수로 합리적인 구조물의 지진거동을 예측하는데 어떤 한계가 있다. 이 연구에서는 선형과 비선형 지반 위에 세워진 구조물의 탄성지진응답해석을 의사 3-D 해석으로 수행하여 구조물-지반 상호작용 영향이 고려된 지반계수의 상 하 한계값을 평가하였다. 지반의 특성은 지반 A, B, C의 경우에는 선형으로 가정하였고, 지반 D와 E의 경우에는 비선형으로 가정하여 Ramberg-Osgood 모델을 사용하여 전단파속도를 기준으로 전단탄성계수와 감쇠비 계산식을 규정하였다. 지진해석은 중 약진 지진기록 12개를 선정하여 최대 지진가속도를 0.1g와 0.2g로 조정하고, 구조물-지반 체계에 대한 의사 3-D 해석 시에는 30m 지반 하부 암반에서의 지진기록으로 변환하여 사용하였다. 구조물의 탄성 지진응답해석을 통해서 얻은 결과로부터 구조물-지반 상호작용 영향을 고려한 새로운 표준응답스펙트럼과 단주기 영역 및 주기 1초에서의 지반계수 F_{a}와 F_{v}의 상 하 한계값을 제시하였으며, KBC 기준을 위한 새로운 지반계수도 제안하였다.

IBC와 KBC의 지반분류는 ft-kips 단위체계를 기본으로 하고, 지반종류를 단일 지반특성값이 아닌 지반특성값 범위로 규정하여 지반종류에 따른 전단파속도와 지반계수들 간의 불명확한 관계 때문에 지반계수의 선형보간이 쉽지 않다. 또한, KBC의 지반분류에서 각 지반종류에 대한 지반특성값 범위가 너무 넓어서 구조기술자들이 다양한 지반의 실제적인 지반계수를 추정하는데 어려움을 격고 있다. 이 연구에서는 SI 단위체계를 고려한 새로운 지반분류체계를KBC등 차세대 내진설계기준을 위해 제안하였고, 제안된 새로운 지반분류에 따라 지반계수들의 선형보간 가능성을 검토하기 위해 F_{a},\;F_{v}, 지반계수들의 비교에 관한 연구를 수행하였다. 연구결과에 의하면, SI 단위체계와 얕게 묻힌기초 밑 30m 지반의 지반특성을 고려한 새로 제안한 지반분류체계를 이용하는 것이 지반계수의 선형보간을 위해서 보다 합리적이고, 설계스펙트럼 가속도계수의 선형보간도 각 지반을 대표하는 전단파속도에 따라 지반계수를 규정함으로써 보다 합리적으로 수행할 수 있다. 연구결과에 따라 KBC 내진설계기준을 위한 새로운 지반분류체계와 선형보간이 가능한 설계스펙트럼 가속도 계수를 제안하였다.

본 논문은 다중 적층지반상의 지반-구조물 상호작용 해석을 위한 3차원 무한요소를 소개한다. 본 무한요소는 Cartesian 좌표계에서 정식화되었으며, 수평, 수평모서리, 수직, 수직 모서리 그리고 수평 수직 모서리 무한요소로서 총 5개의 무한요소로서 구성된다 적용한 형상함수 내부의 파동함수들은 적층지반의 파동문제를 효과적으로 모사하며 다중파동성분을 포함하고 있다. 본 요소의 성능을 검증하기 위하여 주파수영역에서 여러 가지 예제해석을 수행하였다. 균질 및 적층지반상 강체기초와 묻힌 케이슨 기초의 무차원 동적 거동(compliance & impedance)을 구하였으며, 기연구자들의 값과 비교 검토하였다.

In this study, numerical analysis of TMD to estimate optimal-design-parameter is investigated using actual excitation, and evaluated by comparing results of numerical analysis and optimal-design-parameter was devised by Soong. It assumed between 1~2 seconds the 1st mode natural period of an aged apartment which has 10~15 stories and then investigated optimal-design-parameter of actual excitation for evaluate optimal frequency ratio and damping ratio according to local site condition. At this time mass ratio was 1% and range of tuned frequency ratio was 0.8Hz to 1.2Hz at intervals of 0.01Hz, and optimal damping ratio was 1% to 14% at intervals of 0.002%. It estimated Optimal-design-parameter was evaluated by numerical analysis according to peak and RMS displacement, acceleration respectively local site. And the result of evaluated respond performance parameter respectively a period was shown low numerical-value than optimal-design-parameter was devised by Soong what is more peak acceleration indicated performance difference of 20% over

지반위에 놓인 콘크리트 슬래브가 온도하중을 받을 때 지반의 전단저항과 슬래브 하부와 지반과의 마찰 등에 의해 생기는 슬래브 하부의 수평저항을 고려하여 지반위에 놓인 콘크리트 슬래브의 거동을 분석하였다. 지반위의 콘크리트 슬래브와 강성도로포장의 해석에 널리 사용되는 탄성지반위의 얇은 판을 이용하여 슬래브 하부의 수평저항을 고려하기 위한 해석 공식을 유도하였다. 이를 이용하여 판요소와 쉘요소를 이용한 유한요소법에 의한 모델을 개발하여 수치해석 결과를 도출하였다. 해석 공식과 수치해석 모델을 이용한 해석 결과를 비교 분석하였고 매우 비슷한 결과가 도출 되는 것을 알 수 있었다. 슬래브의 상부와 하부에 온도 차이가 있을 때와 슬래브의 온도가 전체적으로 감소할 때, 콘크리트 슬래브의 응력 분포에 슬래브 하부의 수평저항이 미치는 민감성을 여러 가지의 다른 슬래브의 두께, 탄성계수, 그리고 지반의 수직탄성계수 등을 고려하여 분석하였다. 해석 결과에서 온도하중을 받을 때 슬래브 하부의 수평저항은 슬래브의 응력에 매우 큰 영향을 미칠 수 있다는 것을 발견하였다.

지반의 동적 변형 특성인 전단파 속도(V_s), 압축파 속도(V_p), 그리고 그에 따른 포아송 비(v)는 내진 설계나 내진 성능 평가 외에도 구조물의 거동 평가에 필요한 매우 중요한 지반 정수이다. 지난 수십 년 동안 이러한 지반 정수를 효율적이고 정밀하게 측정하기 위하여, 여러 가지 공내 탄성파 시험 기법들이 개발 및 적용되어 왔다. 본 연구에서는 가장 신뢰성이 높은 현장 탄성파 기법인 크로스홀 탄성파 시험을 지반 동적 물성 획득 기법으로 선정하였다. 지하수위 존재 여부에 관계 없이 토사뿐만 아니라 암반을 대상으로 크로스홀 시험을 성공적으로 수행할 수 있도록, 연직 시추공 안에서 지반을 대상으로 횡방향 가진이 가능한 스프링식 발진 장치를 개발하고, 두 곳의 기존 항만 부두 부지와 신규 LNG 저장 시설 두 부지로 구성된 국내 세 지역을 대상으로 크로스홀 탄성파 시험을 실시하였다. 대상 부지에서의 개발 발진 장치 적용을 통한 크로스홀 시험으로부터 지표 부근 토사부터 하부 공학적 기반암 및 지진학적 기반암으로 구성된 암반까지의 깊이별 V_s,\;V_p 및 v와 같은 지반 동적 특성을 매우 효율적으로 결정하였으며, 적용 대상 시설물인 기존 항만 부두 시설물의 내진 성능 평가 그리고 신규 LNG 저장 시설물의 내진 설계를 위한 근본 자료로 제시하였다.

본 논문에서는 노은 생활 폐기물 매립장의 사전 환경 영향 평가 단계에서 수행되었고 주로 기반암 깊이와 침출수 분포를 조사하기 위해 굴절법 토모그래피 방법이 수행되었다. 본 탐사 방법은 토목 분야와 환경 분야에 응용되어왔다. 굴절법 토모그래피 방법을 수행하기 위해 침출수의 예상 유동방향과 직각으로 추정되는 3개의 측선을 설정하여 적용하였다. 본 연구 지역인 노은 생활 폐기물 매립장은 개략적으로 3층 구조로 구성되어 있고 하류에서 상류 지역으로 갈수록 기반암까지 깊이가 점진적으로 얕아지고 특히 하류 지역에서는 부분적으로 침출수 등이 충진되어 있는 지층이 존재하고 있음이 확인되었다. 따라서 생활 폐기물 매립장 하부 지반의 침출수의 분포 뿐만 아니라 매립장 하부의전체적인 지반 구조를 분석하기 위해 굴절법 토모그래피 탐사가 효과적인 방법으로 확인되었다.

이 논문에서는 안정대륙권역(Stable Continental Regions, SCRs)에서의 중규모 지진에 의한 근단층지반운동(Near Fault Ground Motion, NFGM) 모델을 처음으로 제시한다. 근단층지반운동은 큰 진폭의 장주기 속도 펄스를 갖는 특징을 가지고 있다. 이 속도 펄스를 모델링하기 위해서는 그 주기와 진폭을 지진의 규모와 단층거리의 함수로 표현할 수 있어야 한다. 그런데 안정대륙권역에서는 관측 자료가 빈약하여 지진데이터로부터 이 관계식을 직접 유도하는 것은 어렵기 때문에 이 연구에서는 간접적인 접근법을 채택하였다. 속도 펄스의 주기와 진폭은 단층파열의 상승시간과 파열속도의 함수임이 알려져 있고 활성구조권역(Active Tectonic Regions, ATRs)에 속하는 미국 서부지역에서는 실험적 공식이 확립되어 있다. 안정대륙권역에서의 상승시간과 단층파열속도의 지진규모에 대한 함수관계는 WUS와 CEUS에서의 자료를 비교하여 도출하였다. 이 관계식들로부터 안정대륙권역에서의 NFGM의 속도 펄스의 주기와 진폭을 지진규모 및 단층 거리에 대한 관계식으로 유도하였다. 안정대륙권역에서의 NFGM의 가속도 시간이력은 추계학적으로 생성된 원역지진지반가속도에 새로운 관계식에 의한 속도 펄스를 중첩하여 얻어진다. 적용 예제로서 탄소성 단자유도 시스템의 근단층지반운동에 대한 응답을 분석하였다.

동반논문(II-지반분류 개선방법)에서는 지반의 고유주기를 기준으로 지반을 분류하는 방법이 국내 지반조건에 적합한 지반분류 방법으로 제시하였다. 그러나, 지반분류 방법을 개선하여도 해석결과의 평균 스펙트럼 가속도 값과 재산정된 응답스펙트럼과 차이가 나타나는 부분이 존재한다. 이는 설계응답스펙트럼을 작성에 필요한 증폭계수를 계산하는 방법을 변경해야 해결할 수 있다. 본 논문에서는 국내 지반조건에 적합하도록 증폭계수를 재산정하기 위한 적분구간 변경에 대하여 검토하였다. 검토 결과 장주기 영역의 증폭계수 F_v의 적분구간은 현재 주기 0.4초{\sim}2.0초에서 주기 0.4초{\sim}1.5초로 변경할 경우 해석결과의 평균 스펙트럼 가속도 값과 설계응답스펙트럼이 비교적 잘 일치하는 결과를 얻을 수 있었고, 기존의 방법보다 국내 지반특성에 더 적합한 설계응답스펙트럼을 작성할 수 있었다.

동반논문 (I)에서는 국내 지반특성에 적합하도록 국내 내진설계기준이 개선되어야 한다는 결론을 얻었다. 본 논문에서는 우수한 지반분류 방법을 찾기 위하여 상부 토층 30m의 평균 전단파속도(V_{S30}), 지반의 고유주기(T_G) 및 기반암 깊이를 이용한 지반분류 방법에 대하여 심도있게 검토하였다. 증폭계수(F_a,\;F_v)의 표준편차, 해석결과의 평균 스펙트럼 가속도와 재산정된 응답스펙트럼을 비교한 결과 각각의 방법에서 큰 차이가 발생하지 않아 특정한 방법이 우수하다고 판단하기 힘들었다. 그러나, T_G를 이용한 방법에서 RRS 값의 증폭구간이 좁은 구간에 집중되는 경향을 보여 지진시 유사한 거동특성을 나타내는 지반을 같은 지반그룹으로 분류할 수 있는 장점이 있었다. 또한, 증폭계수와 T_G의 상관관계를 나타내는 추세선의 경우, V_{S30} 방법 보다 입력 가속도의 증가에 따른 지반의 비선형성 효과를 더욱 명확하게 나타낼 수 있었다. 마지막으로, V_{S30}을 이용하여 지반을 분류할 경우 기반암이 30m 보다 얕은 곳에 존재하는 경우에도 무조건 심도 30m까지 기반암의 전단파속도를 가정하여 계산해야 하나, T_G를 이용할 경우 이러한 불확실성을 제거할 수 있어 우수한 방법으로 판단된다. 본 논문에서는 지반의 고유주기를 이용한 방법을 기반암 깊이가 얕은 국내지반특성에 적합한 지반분류 방법으로 제안하였다.

본 논문에서는 국내 162개 지반에 대한 전단파속도 주상도, 기반암 깊이 및 지반의 동적변형특성을 획득하여 등가선형해석을 수행한 후 미국 서부해안지역의 지반 특성과 비교 검토하였다. 검토 결과 국내의 일반적인 특성을 가지는 지반과 미국 서부해안지역의 지반은 기반암 깊이와 고유주기가 매우 다름을 확인하였다. 지진응답 해석 결과 단주기 증폭계수 F_a의 경우 1997 UBC 기준의 값보다 크게 산정되었고, 장주기 증폭계수 F_v는 작게 나타나 국내 지반특성에 적합한 증폭계수는 현재 국내 내진설계기준 값과는 매우 다른 경향을 보였다. 따라서, 증폭계수를 재산정하고 설계응답스펙트럼을 개선해야 할 필요성을 확인하였다. 본 논문에서는 현재 이용되고 있는 내진설계기준과 국내 지반특성과의 차이점 파악에 중점을 두었고, 개선방법에 대한 내용은 동반논문(II 지반분류 개선방법, III 설계응답스펙트럼 개선방법)에서 심도있게 논의하였다.

엄밀한 지반-구조물 상호작용 해석을 위해서는 지반에 대한 묘사가 적절히 이루어져야 한다. 그러나 물성이 불연속적이거나 지층의 모양이 복잡할 때에는 유한요소망을 구성하는 것이 어려운데, 그 이유는 유한요소망이 지층의 모양을 정확히 나타내어야하기 때문이다. 이러한 어려움을 극복하기 위하여 본 연구에서는 지층의 불연속선을 따라 요소를 재배열하지 않고 엄밀하게 수치적분이 가능한 방법을 채용하였다. 그 결과로 정렬된 요소망을 그대로 이용하게 되어 강성행렬의 성질이 좋아지며, 해석 또한 신뢰성이 높아지게 되었다. 이 해석 방법을 이용하여 지진응답에 미지는 지층의 영향을 조사하였으며, 결과적으로 복잡하고 불연속적인 물성을 가지는 지층으로 이루어진 지반과 구조물의 상호작용을 해석하는 데에 쉽게 이용 될 수 있음을 보였다.