Development of new seismic site classification system and site coefficients for korean geotechnical conditions

Abstract

국내 내진설계기준(내진설계기준연구II, 1997)의 현행 지반분류체계 및 지반증폭계수는 1997년에 제정된 미국 Uniform Building Code (UBC 1997)를 근간으로 하고 있다. UBC 1997은 미 서부지역에서 기록된 지진과 해당 부지의 지반특성을 고려하여 개발되었다. 그러나 지반특성이 상이한 지역에서 기록된 지진기록을 활용하여 개발된 지반증폭계수를 기타지역에서 준용할 경우 지진 시 해당 지역의 부지증폭 정도와 그에 따른 구조물에 대한 잠재적 피해를 잘못 평가할 개연성이 크다. 국내 지반은 깊은 기반암 특성이 미 서부지역과 달리 기반암 깊이가 30m 내외로 얕은 깊이에 분포하며 기반암과 토사지반의 강성 차이가 크다. 최근 국내 연구에서는 한반도 내륙 부지의 지반응답해석에 의해 도출된 지반증폭계수는 현행 기준의 지반증폭계수에 비해 단주기증폭계수(Fa)는 저평가되어 있으며, 장주기증폭계수(Fv)는 고평가되어 있음을 밝힌 바 있다. 더불어 다수의 나라에서 내진설계 시 지반분류의 기준으로 활용하고 있는 상부 30m 지반의 평균 전단파속도(VS30)는 얕은 기반암 특성을 가진 국내 지반에 적용할 시 30m 이내에 존재하는 기반암의 전단파속도에 의해 VS30이 증가됨으로 인해 VS30의 국내 활용은 부적합하다고 할 수 있다. 따라서 기반암 깊이(H)와 토사지반의 전단파속도(VS,soil)의 두 정수를 지반분류의 기준으로 활용하는 것이 국내와 같은 얕은 기반암 특성을 갖는 지역에 적합하다고 할 수 있다. 본 연구에서는 국내 지반의 특성과 그간의 내진설계기준 개선을 위한 연구들을 종합하여 새로운 지반분류체계와 이에 상응하는 지반증폭계수를 개발하고자 하였다.

국내 300개 지반에 대한 지반응답해석을 등가선형해석 기법을 활용하여 수행하였으며, 이에 따라 300개의 지반증폭계수(Fa, Fv)가 도출되었다. 도출된 지반증폭계수는 기반암 깊이(H)에 의해 두 개의 지반(H1, H2)으로 분류되었고, 두 지반은 토층 평균전단파속도(VS,soil)에 의해 다시 두 지반으로 분류되어 최종 4개의 토사지반으로 분류되었다. 분류된 4개 지반종류의 지반증폭계수 평균과 표준편차를 활용하여 설계응답스펙트럼이 제안되었다. 이후 지반증폭계수 산정에서 있어 적분구간을 변경하며 최적의 증폭계수를 도출하여 설계응답스펙트럼을 수정하였고, 지반응답해석의 평균을 포괄하는 설계응답스펙트럼을 제안되었다. 최종적으로 4개의 토사지반과 암반지반, 부지고유의 지반응답해석이 필요한 지반 등으로 6개의 지반으로 구성된 새로운 지반분류체계가 제안되었다. 이는 그간의 연구에서 제안된 지반분류체계에 비해 간단하며 신뢰성 있고, 실무자들이 따르기에 보다 편이하게 구성되었다고 할 수 있다.

제안된 지반분류체계 및 지반증폭계수가 현행 기준에 비해 국내 지반에 적합한지에 대한 검증을 실시하였다. 이를 위해 제안된 각 지반의 설계응답스펙트럼을 현행 기준을 포함한 기타 기준 및 다른 연구에서 제안된 유사한 지반의 설계응답스펙트럼과 비교하여 현행 기준에 비해 제안된 설계응답스펙트럼이 특히 단주기 영역에서 증폭을 합리적으로 대변하고 있음을 입증하였다. 또한, 최근 국내에서 계측된 실지진기록을 활용한 증폭계수 비교결과, 비록 계측된 지진의 규모가 작았으나 국내 지반은 장주기 증폭에 비해 단주기 증폭이 지배적인 특성이라는 것을 확인하였고, 이는 제안된 지반증폭계수의 경향과 일치하는 특성이다.

최종적으로, 다양한 종류의 지진을 모사하여 수행한 동적 원심모형실험을 통하여 모형지반의 증폭특성을 평가하였다. 각 단일층과 층상구조의 모래지반을 조성하여 수행한 실험에서, 실험에 사용된 토조 바닥의 강성을 고려하여 재조정된 모형지반 지표면 응답스펙트럼은 제안된 지반분류체계에서 해당 모형지반에 상응하는 설계응답스펙트럼 내에 적절히 포괄되었다. 그러나, 점토지반 실험에서 도출된 증폭특성은 점토지반과 등가전단보 토조(ESB box) 사이의 상호작용의 영향으로 지반응답해석의 1차원 거동과는 다른 거동을 도출하였다. 실험결과로부터 큰 규모의 지진기록 부족으로 인하여 제안된 설계응답스펙트럼의 신뢰성 검증이 제한적일 경우 동적 원심모형실험은 유효한 검증 수단이 될 수 있음을 확인하였다.