이 연구에서는 3축 방향 지반운동이 작용하는 지반-구조물 상호작용계의 비선형 지진응답 해석을 수행한다. 비선형 거동이 예상되는 구조물과 지반의 근역은 비선형 유한요소에 의해 모형을 구성한다. 기하학적 형상과 재료 성질이 균일하고 선형 거동을 가정하는 원역지반은 무한 영역으로의 에너지 방사를 정확히 고려할 수 있는 3차원 perfectly matched discrete layer에 의해 수치 모형을 구성한다. 이와 같은 지반-구조물 상호작용계의 수치모형을 사용하여 3축 방향 지반운동이 작용하는 비선형 지진-구조물 상호작용계의 지진응답해석을 수행한다. 3축 방향 지반운동이 작용하는 경우에는 입력 지반운동의 특성에 따라 시스템의 응답이 우세하게 발현되는 방향이 존재하고 그 수준 또한 정밀한 지진응답해석을 통해 산정하여야 한다. 이 연구의 해석기법은 구조물과 지반의 재료 비선형 거동, 기초와 지반 경계면에서의 경계 비선형 거동 등 다양한 비선형 지반-구조물 상호작용 해석에 확장 적용할 수 있을 것이다.

이 연구에서는 3축 방향 지반운동이 작용하는 지반-구조물 상호작용계의 비선형 지진응답 해석을 수행한다. 비선형 거동 이 예상되는 구조물과 지반의 근역은 비선형 유한요소에 의해 모형을 구성한다. 기하학적 형상과 재료 성질이 균일하고 선 형 거동을 가정하는 원역지반은 무한 영역으로의 에너지 방사를 정확히 고려할 수 있는 3차원 perfectly matched discrete layer에 의해 수치 모형을 구성한다. 이와 같은 지반-구조물 상호작용계의 수치모형을 사용하여 3축 방향 지반운동이 작용 하는 비선형 지진-구조물 상호작용계의 지진응답해석을 수행한다. 3축 방향 지반운동이 작용하는 경우에는 입력 지반운동의 특성에 따라 시스템의 응답이 우세하게 발현되는 방향이 존재하고 그 수준 또한 정밀한 지진응답해석을 통해 산정하여야 한 다. 이 연구의 해석기법은 구조물과 지반의 재료 비선형 거동, 기초와 지반 경계면에서의 경계 비선형 거동 등 다양한 비선 형 지반-구조물 상호작용 해석에 확장 적용할 수 있을 것이다.

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 연구에서는 기 개발된 유한요소-경계요소 조합을 통한 지반구조물 상호작용해석기법을 이용하여 주파수 특성이 다른 여러 가지 지진파를 이용한 수치해석을 통하여 지진파에 따른 거동특성을 분석하였다. 사용한 기본해의 검증을 위하여 적용된 다층 반무한 해를 Estorff 등의 연구결과와 비교하였으며, 기본해를 이용하여 개발된 지반-구조물 상호작용해석기법의 검증을 위하여 자유장해석을 수행하였다. 자유장 해석결과는 1차원 파전달 이론에 의하여 개발된 자유장응답해석 프로그램인 SHAKE의 결과와 비교하여 그 타당성을 검증하였다. 검증된 해석기법을 이용하여 특성이 다른 3종류의 지진파가 적용된 2차원 평면상의 지반-구조물 상호작용해석을 수행함으로써 지진파와 말뚝유무에 따른 지반-구조물 상호작용거동특성을 분석하였다. 해석결과 지진이 작용할 때는 말뚝기초를 사용하는 것이 반드시 유리한 결과를 주지는 않는다는 것을 알았으며, 지반의 비선형성을 고려 할때는 말뚝의 유무가 지진응답결과에 큰 영향을 미치지 않는다는 것을 알 수 있었다.

본 연구에서는 외부의 동하중에 의한 다층 지반-말뚝 상호작용계의 해석을 위한 동적 유한요소-경계요소 조합 주파수 응답해석 알고리즘을 개발하였다. 전체 상호작용계를 내부영역과 외부영역으로 나누고, 내부영역에 보요소를 도입하여 말뚝을 모형화 하고 평면변형률 요소로 모형화된 지반과 조합하였다. 말뚝머리 절점에 집중질량을 이용하여 상부구조물을 고려하므로써 전체 지반-말뚝 상호작용계의 내부영역을 형상화하였다. 외부영역에 동적 기본해를 이용한 경계요소 해석을 도입하고 유한요소로 구성된 내부영역과 조합하므로써 반무한체에 대한 방사조건을 만족시키고 내부의 복잡한 기하학적 성질과 다양한 물성의 고려가 가능한 수치해석 기법을 개발하였다. 개발된 지반-말뚝-구조물계의 상호작용 해석법에 대한 타당성을 알아보기 위해 다층반무한 지반에 근입되어진 말뚝에 조화하중을 가하여 동적 응답해석을 실시하고 기존의 연구결과 및 실험값과 비교 검증하였다. 또한 상호작용계의 주요 인자들의 변화를 통한 다양한 해석을 수행하므로써 다층 반무한 지반에 근입되어진 말뚝의 동적 특성을 고찰하였다.

지반-기초 상호작용계를 해석할 때 실제로 지반은 다양한 지반종류와 다층으로 형성되어 있으므로 지반 특성의 변화를 고려해야 한다. 초기의 대부분의 상호작용계의 정동적 해석은 지반의 복잡한 성질을 역학적으로 탄성거동을 한다고 가정한 Winkler 지반모델 혹은 지반을 등방성이고 균질한 반무한 탄성체로 가정한 반무한 탄성지반 모델로 보아 수행되었다. 본 연구는 유한 요소법을 이용하여 지반-기초 상호작용계의 동적 거동을 해석하기 위해 기초는 4절점 후판요소를 사용하고 지반은 지반특성을 고려할 수 있도록 8절점 6면체 요소를 사용하였고, 지반의 감쇠효과 및 지반특성을 고려한 지반-기초 상호작용계의 동적 거동을 유한요소법으로 해석하고 지반의 영향범위를 결정하는 것이다.

기초 지반상에 존재하는 3차원 골조구조물에 진동을 유발시키는 기계하중, 풍하중, 지진과 같은 동적 하중이 작용한다면, 지반-골조구조물 상호작용계의 동적거동을 해석하여야한다. 따라서, 본 연구에서는 실제 구조물에 근접한 기하학적 형상으로 이상화 시키기 위해, 슬래브와 기초판은 유연성을 갖는 4-절점 판요소, 보.기둥은 2-절점 보요소, 탄성지반은 8-절점 입체요소를 사용하여 유한요소법으로 3차원 상호작용계를 해석하였다. 본 연구의 목적은 지반-골조구조물 상호작용계의 동적 거동을 해석하기 위해, 동적 운동 방정식을 정리한 후 유한요소 프로그램으로 상호작용계의 동적 거동을 해석하는 것이다.

본 논문에서는 국제공동연구원 대형지진시험구조물의 강세진동시험결과 대한 상관해석와 지진응답해석에 관해 연구하였다. 지반-구조물 상호작용을 위해서 구조물과 근영지반은 유한요소로 모형화하고 원역지반은 무한요소로 모형화하는 직적법을 사용하였으며, 지진응답은 부분구조법에 근거한 파 입력기법을 사용하여 해석하였다. 시험후 상관해석을 통해 각 지반영역의 물성이 강제진동 시험에서 계측된 구조물 응답과 일치하도록 보정하였다. 보정된 지반물성을 초기 선형값으로 사용하고 등가선형화기법을 적용하여 지진에 관한 구조물의 응답을 예측하였다. 지반의 비선형거동을 고려하여 얻어진 구조물 응답은 계측된 결과와 매우 잘 일치한 반면, 초기 선형물성치를 사용한 응답결과는 상당한 차이를 보이고 있어서, 지반 비선형 거동의 영향이 중요함을 알 수 있었다.