지진의 규모와 거리에 따른 스펙트럼 형상 및 다자유도 구조물에 대한 영향 :Spectral Shapes According to the Magnitude and Distance of Earthquakes and Its Effect on Multi-DOF Structures

김진우

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김진우 (청주대학교, 청주대학교 대학원)

지도교수: 김호수

발행연도: 2020

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2020

지진의 규모와 거리에 따른 스펙트럼 형상 및 다자유도 구조물에 대한 영향

김진우 건축공학과 2020.01 학위논문

지진의 규모와 거리에 따른 스펙트럼 형상과 다자유도 구조물에 대한 영향

김진우 , 김동관 , 김호수 한국지진공학회 논문집 2020.01 학술저널

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건축물 내진설계기준(KDS 41 17 00)에서 정의하는 설계응답스펙트럼은 유효지반가속도가 0.14 ~ 0.22g 인 2400년 재현주기 지진의 2/3 수준으로 정의되고 있다. 2016년 9월 12일에 발생한 규모 5.8 경주지진과 2017년 11월 15일에 발생한 규모 5.4의 포항지진은 국내에서 정의하는 설계응답스펙트럼의 형상에 비해 단주기 영역의 지진하중이 크고, 중장주기 영역의 지진하중이 작은 특성과 형태를 가지고 있다. 또한, 국내의 지반조건은 현 내진설계기준에서 지반증폭계수의 근간이 되는 미 서부해안의 지반조건과 달리 암반까지의 심도가 15 ~ 30m 이내로 얕은 토사조건에 해당되며, 이러한 얕은 토사조건의 지반은 단주기 영역의 지진하중을 증가시키고 있다. 이와 같은 국내에서 발생한 지진특성과 지반에 의한 증폭에 따라 고주파 성분이 큰 지진동에 의해서 저층건물의 피해 및 고층건물의 손상이 보고되었고, 이에 대한 내진설계가 요구된다.
912 경주지진과 1115 포항지진의 예로 국내에서는 규모 6.0 미만의 지진이 20km 이내에서 발생하여 단층 주변에서 지진동의 특성이 내진설계에 반영되어야 한다. 하지만 건축물 내진설계기준(KDS 41 17 00)에서는 이에 대한 내진설계를 위해서는 설계응답스펙트럼 상에서 전구간의 지진하중이 증가되어 과대한 내진설계가 초래된다. 이에 반해 유럽의 내진설계 기준인 EUROCODE에서는 모멘트 규모() 5.5를 기준으로 Type-1과 Type-2로 다른 형상의 스펙트럼으로 다양한 조건에 대하여 내진설계를 할 수 있도록 정하고 있다.
본 연구에서는 태평양 지진공학연구소(PEER), 미국 지질조사국(USGS), 유럽 강진동 데이터베이스(ESMD)을 포함한 세계 지진 데이터베이스에서 지반에 의한 증폭이 반영되지 않은 301가지 암반지진기록을 수집하였으며 수집된 데이터를 규모 및 거리에 따라 분류하였다. 분류된 데이터를 기반으로 규모 및 거리에 따른 유효지반가속도(S)와 단주기(), 1초 주기(), 3초 주기()에 해당하는 증폭비를 산정하였다. 또한 산정된 증폭비를 이용하여 규모 및 거리에 따른 설계응답스펙트럼을 제시하였다. 제시된 설계응답스펙트럼 중에서 규모 5.5 이상 6.0 이하, 진원과의 거리가 20 km 이내인 설계응답스펙트럼과 912 경주지진 및 1115 포항지진의 응답스펙트럼을 비교한 결과 스펙트럼 형상이 매우 유사하게 나타났다. 또한 고주파 특성의 지진파가 다자유도 시스템에 미치는 영향을 분석하기 위하여 응답스펙트럼해석 및 탄성시간이력해석을 실시하였으며 2차원 다자유도 해석을 통하여 고주파 특성의 지진파가 저층 및 고층건물의 고차모드에 영향을 미칠 수 있으며 이를 고려한 Eurocode-Type 2와 같은 설계응답스펙트럼의 정의가 필요할 것으로 판단된다.

The design response spectrum defined in the Building Seismic Design Standards (KDS 41 17 00) is defined as two-thirds of the 2400 re-cycle earthquake with an effective ground acceleration of 0.14 to 0.22g. The 5.8-magnitude Gyeongju earthquake on Sept. 12, 2016 and the 5.4-magnitude quake on Nov. 15, 2017 have large seismic loads in short- and medium-term areas and smaller seismic loads in medium- and long-term areas compared to the shapes of design response spectra defined in Korea. In addition, the ground conditions in Korea correspond to shallow soil conditions with a depth of 15 to 30 meters, unlike the ground conditions on the U.S. west coast, which are the basis of the ground amplification coefficient of the current seismic design standard, and the ground conditions of these shallow soil conditions increase the seismic load of the short-circular area. Damage to low-rise buildings and damage to high-rise buildings against seismic movements with high frequency components were reported following the earthquake characteristics and amplification caused by the ground, and seismic design is required for this. As an example of the 912 Gyeongju earthquake and the 1115 Pohang earthquake in Korea, earthquakes with a magnitude of less than 6.0 should occur within 20 kilometers and the characteristics of seismic movement around fault levels should be reflected in the quake-resistant design. However, the building seismic design standards (KDS 41 17 00) increase the seismic load of the bulb on the design response spectrum, resulting in excessive seismic design. In contrast, EUROCODE, a European anti-seismic design standard, provides seismic design for various conditions with different shape spectra, with a moment scale() 5.5. Therefore, it is necessary to define design response spectra such as Type-2 of EUROCODE in Korea. In this study, seismic records are collected from seismic databases around the world such as PEER,USGS,ESMD for seismic conditions not reflecting seismic amplification by soil ground, and seismic records collected based on seismic scale and seismic distance are classified and analyzed for earthquakes of less than 6.0 km. In addition, the Elastic Time History Analysis of Multi-DOF Structures analyzes the effects when earthquakes with a magnitude of less than 6.5 occur within 20 km of the epicenter.

#설계응답스펙트럼 #지진 #다자유도 #응답가속도스펙트럼

1. 서론 1
1.1 연구배경 및 목적 1
1.2 연구내용 및 방법 2
2. 배경이론 5
2.1 경주지진과 포항지진의 특성 5
2.2 국내외 내진설계 기준 6
3. 지진기록의 수집 및 통계 15
3.1 지진기록의 수집 15
3.2 지진기록의 통계 19
4. 규모와 거리에 따른 스펙트럼 형상 23
4.1 규모와 거리에 따른 변수 23
4.2 스펙트럼 작성 26
5. 다자유도 구조물에 대한 영향 31
5.1 개요 31
5.2 해석모델 33
5.3 입력 지진파 35
5.4 암반지진기록의 탄성시간이력해석 39
5.5 경주지역의 지반증폭을 반영한 탄성시간이력해석 49
5.6 포항지역의 지반증폭을 반영한 탄성시간이력해석 60
5.7 종합분석 69
6. 결론 75
참고문헌 77
ABSTRACT 79
감사의 글 81

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