내진성능 상세평가

인천항 국제여객부두 (15,000G.T)

2. 내진성능 상세평가

◦ 지진재해도에 의거하여 지진평균 재현주기 500년 빈도의 지진지반운동에서 50년내 에 발생확율 10%에 해당하는 보통암상 원 지반 가속도는 0.093g로 결정하였다.

인천 0.093g

평균재현주기 500년 지진지반운동

(50년 내에 발생확률 10%에 해당하는 가속도계수(%g))

2.1.4 지진응답해석

가. 개요

◦ 앞에서 얻어진 지반가속도는 원 지반(보통암)에서 얻어진 값이므로 지진응답해석 을 통해 하부 지반을 통한 응답가속도를 산출하여야 한다.

나. 가속도 시간이력

(1) 표준설계응답스펙트럼 작성

◦ 설계응답스펙트럼은 설계지진에 대한 시간과 가속도의 이력으로 지반별 표준설 계응답스펙트럼을 사용

◦ 지역적인 특성과 지반성질을 고려한 설계지반운동의 특성을 기본적으로 응답스 펙트럼으로 표현

◦ 표준설계응답스펙트럼의 완전한 결정을 위하여 지진계수 Ca와 Cv를 적용, 지반종 류 및 구역에 대하여 작성

- 지반분류에 따른 지진구역별 지진계수

지반 분류

지반종류의 호 칭

상부 30m에 대한 평균지반특성 지 진 구 역

설계 전단파속도 적용

(m/s)

표준관입시험 N (Nch)

비배수전단강도 ( Su)

Ca Cv

Ⅰ Ⅱ Ⅰ Ⅱ

SA 경암지반 1500초과 - - 0.09 0.05 0.09 0.05 SB 보통암지반 760에서

1500 - - 0.11 0.07 0.11 0.07 S_C

매우 조밀한 토사지반 또는

연암지반

360에서

760 > 50 > 100 0.13 0.08 0.18 0.11 ○ SD

단단한 토사지반

180에서

360 15에서 50 50에서 100 0.16 0.11 0.23 0.16 S_E 연약한

토사지반 180미만 < 15 < 50 0.22 0.17 0.37 0.23 SF 부지 고유의 특성평가가 요구되는 지반

◦ SC지반에 이력하중을 작용할 예정이므로 Ca는 0.093×0.13/0.11 = 0.110, Cv는 0.082×0.18/0.11 = 0.152 적용

- 표준설계응답스펙트럼 작성

∙5% 감쇠비에 대한 표준 설계응답스펙트럽

∙Ca와 Cv는 지반종류와 지진구역별로 산정

∙Ts : Cv/2.5Ca

∙To : 0.2Ts

(2) 인공지진파 작성

◦ 본 예제에 사용된 인공지진 기록은 인천지역의 2등급 붕괴방지수준의 표준설계응 답스펙트럼으로부터 작성하였다. 이때 생성된 인공지진 기록은 설계시 암반노두에 작용하여야 하므로 표준설계응답스펙트럼은 SC지반에 대한 스펙트럼으로 작성된다.

◦ 본 예제에서는 주파수영역에서 인공지진기록을 생성하는 대표적인 프로그램인 Eqmaker 를 사용하여 각각의 표준설계응답스펙트럼에 대하여 지진기록을 작성하였고, 생성된 인 공지진기록의 시간 영역 이력곡선과 주파수 영역 성분을 도시하면 다음과 같음.

(3) 인공지진파의 표준응답스펙트럼 부합성 검토

인공지진가속도 (1) 설계응답스펙트럼과의 비교

인공지진가속도 (2) 설계응답스펙트럼과의 비교

인공지진가속도 (3) 설계응답스펙트럼과의 비교

다. 지반의 특성값 (1) 검토 위치

(2) 토질정수

◦ 동적특성은 현장시험 및 실내시험 결과가 없으므로 일반적인 값을 사용

토질정수 지층종류

변형률-G/G_max 관계

변형률-감쇠비

관계 지층 분할

재료감쇠 비초기 가정치

습윤단위중량 (tonf/m³)

최대전단 탄성계수 (tonf/m²) 사석

매립층

Vucetic -Dobry PI=0

곡선

Vucetic -Dobry PI=0

곡선

8@2.5m=20.0m 0.05 1.8 9,289

기초 사석층

Vucetic -Dobry PI=0

곡선

Vucetic -Dobry PI=0

곡선

2.0m 0.05 1.8 16,514

풍화토

Vucetic -Dobry PI=0

곡선

Vucetic -Dobry PI=0

곡선

2@1.9m=3.8m 0.05 1.9 40,983

풍화암 국내시험

자료

국내시험

자료 6@2.33m=13.98m 0.05 2.0 209,002

연 암 Idriss Idriss - 0.01 2.2 271,356

(3) 최대전단탄성계수 산정

◦ 지반의 전단탄성계수는 시험에서 측정된 탄성파속도로부터 다음 식을 사용하여 산정

◦   _^ _{ }



_

_^

◦     

◦   







 

^

_



^{  }







^

_



^{  }

여기서, Vp = 종파속도 (m/s) Vs = 횡파속도 (m/s) G = 전단탄성계수 (kN/m²) E = 영율 (kN/m²)

ν = 포아슨비

ρ = 밀도 (t/m³)

γt = 습윤단위체적중량 (kN/m³) g = 중력가속도 (m/s²)

◦ 일본 항만기술연구소 제안식 적용

◦ 점성토 지반

◦ 사질토 지반

_max   _

_max   ^{ 여기서 max}의 단위는 kgf/cm² - 사석 매립층

◦ 사석 매립층에 대한 전단파 속도 225m/sec로 가정 <埋立地の液狀化對策(83p)>

_max  _^ _{ }



_

_^_{ }



 ×^  ^

- 기초 사석층

◦ 기초 사석층에 대한 전단파 속도 300m/sec로 가정 <埋立地の液狀化對策(83p)>

_max  _^ _{ }



_

_^_{ }



 ×^  ^

- 풍화토

◦ 인천국제여객부두의 BH-1에서의 크로스홀 시험결과 풍화토에 대한 평균 전단 파속도는 460m/sec로 측정됨 <신형안벽개발 연구 6차년도 119p>

_max  _^ _{ }



_

_^_{ }



 ×^  ^

- 풍화암

◦ 인천국제여객부두의 BH-1에서의 크로스홀 시험결과 풍화암층에 대한 평균 전 단 파속도는 1,013m/sec로 측정됨 <신형안벽개발 연구 6차년도 119p>

_max  _^ _{ }



_

_^_{ }



 × ^  ^

- 연암

◦ 인천국제여객부두의 BH-1에서의 크로스홀 시험결과 연암층에 대한 평균 전단 파속도는 1,100m/sec로 측정됨 <신형안벽개발 연구 6차년도 119p>

_max  _^ _{ }



_

_^_{ }



 ×^   ^

(4) 변형율 의존곡선

- Vucetic-Dobry PI=0 (사석 및 풍화토)

변형률-G/G_max 변형률-감쇠비

- 국내시험자료 (풍화암)

변형률-G/G_max 변형률-감쇠비

- Idriss (연암)

변형률-G/G_max 변형률-감쇠비

라. 해석의 수행 (1) 사용프로그램

◦ 1차원 전응력 등가정적해석 상용프로그램인 SHAKE를 사용 (2) 등가선형해석을 위한 반복 계산 수행 과정

◦ 각 층에 대하여 전단탄성계수와 감쇠비의 초기값을 가정한다. 일반적으로 초기 가정 값은 모든 층에서 동일한 변형률을 가질 때의 값을 가정하며, 최소값을 사용한다.

◦ 전단탄성계수와 감쇠비의 초기 가정값으로부터 지반 응답 및 각 층의 변형률 이 력곡선을 산정한다.

◦ 산정된 변형률 이력곡선으로부터 얻어진 최대 변형률을 이용하여 각 층의 유효변 형률을 계산한다. j 번째 층에 대한 유효변형률은 다음식에 의해 구할 수 있다.

) ( max )

(i i

eff_j

R γ

_j

γ =

_γ

10 ) 1 (

max

= −

= M

R

^eqv

ε

ε

γ ◦ 위에서 산정된 유효 변형률에 상응하는 등가 선형감쇠비 및 전단탄성계수를 사

용하여 다시 지반 응답 및 각 층의 변형률 이력곡선을 산정한다.

◦ 위 과정을 반복하여 각 층에서 계산된 전단탄성계수 및 감쇠비의 변화오차가 허 용오차 내에 존재할 때까지 반복 연산을 수행한다.

마. 해석결과

◦ 지표면 최대가속도, 지층별 최대가속도, 지층별 최대변형률 산정, 지층별 최대전 단응력 산정

◦ 인공지진파(1) 적용시 지표면 가속도 : 0.137g ◦ 인공지진파(2) 적용시 지표면 가속도 : 0.147g ◦ 인공지진파(3) 적용시 지표면 가속도 : 0.146g

구분

지층별 평균 가속도(g)

인공지진파(1) 인공지진파(2) 인공지진파(3)

사석매립층 0.1371 0.1465 0.1459

기초사석층 0.1078 0.1139 0.1179

풍화토 0.0982 0.1036 0.1066

풍화암 0.0896 0.0907 0.0955

연 암 0.1100 0.1142 0.1143

최대지반가속도 a_max = 0.147g사용

2.2 액상화평가 가. 검토단면

◦ 액상화평가는 배후 매립지반을 대상으로 하였으며, 위치는 다음 그림과 같음

나. 등가선형해석(SHAKE)에 의한 지진응답해석 (1) 사용한 토질정수

◦ 현장시험 및 실내시험 결과가 없으므로 일반적인 값을 사용

토질정수 지층종류

변형률-G/G_max 관계

변형률-감쇠비

관계 지층 분할 재료감쇠비

초기가정치

습윤단위중량 (tonf/m³)

최대전단 탄성계수 (tonf/m²) 매립층 Vucetic-Dobry

PI = 0 곡선

Vucetic-Dobry

PI = 0 곡선 6@2.22m=13.32m 0.05 2.0 8,922 점토층 Vucetic-Dobry

PI =30 곡선

Vucetic-Dobry

PI =30 곡선 3@2.33m=6.99m 0.05 1.65 1,170 실트질모래층 Vucetic-Dobry

PI = 0 곡선

Vucetic-Dobry

PI = 0 곡선 2.3m 0.05 1.8 9,190

풍화토 Vucetic-Dobry PI = 0 곡선

Vucetic-Dobry

PI = 0 곡선 2@1.6m=3.2m 0.05 1.9 40,983 풍화암 국내시험자료 국내 시험자료 6@2.33m=13.98m 0.05 2.0 209,002

연 암 Idriss Idriss - 0.01 2.2 271,356

(2) 최대 전단탄성계수 산정

◦ 지반의 전단탄성계수는 시험에서 측정된 탄성파속도로부터 다음 식을 사용하여 산정

◦   _^ _{ }



_

_^

◦     

◦   







 

^

_



^{  }







^

_



^{  }

여기서, Vp = 종파속도 (m/s) Vs = 횡파속도 (m/s) G = 전단탄성계수 (kN/m²) E = 영율 (kN/m²)

ν = 포아슨비

ρ = 밀도 (t/m³)

γt = 습윤단위체적중량 (kN/m³) g = 중력가속도 (m/s²)

◦ 일본 항만기술연구소 제안식 적용

◦ 점성토 지반

◦ 사질토 지반

_max   _

_max   ^{ 여기서 max}의 단위는 kgf/cm² ① 매립층

◦ 인천국제여객부두의 BH-1에서의 크로스홀 시험결과 매립토에 대한 평균 전단 파 속도 209m/sec로 측정됨 <신형안벽개발 연구 6차년도 119p>

_max  _^ _{ }



_

_^_{ }



 ×^  ^

② 점토층

◦ 내진설계표준서(1999)109p에 정의된 점성토(소성지수 30%)에 대한 지반 물성치 구분 포화단위중량 (tonf/m³) 일축압축강도 (tonf/m²)

점성토 (소성지수30%) 1.65 _  

◦ 최대전단탄성계수 산정을 위해 일본 항만기술연구소 제안식 적용 _  평균심도    ×   ^

_max _   ×    ^   ^ ③ 실트질모래층

◦ 인천국제여객부두의 BH-1에서의 크로스홀 시험결과 해성퇴적토에 대한 평균 전단파속도는 224m/sec로 측정됨 <신형안벽개발 연구 6차년도 119p>

_max  _^ _{ }



_

_^_{ }



 × ^  ^

④ 풍화토

◦ 인천국제여객부두의 BH-1에서의 크로스홀 시험결과 풍화토에 대한 평균 전단 파속도는 460m/sec로 측정됨 <신형안벽개발 연구 6차년도 119p>

_max  _^ _{ }



_

_^_{ }



 ×^  ^

⑤ 풍화암

◦ 인천국제여객부두의 BH-1에서의 크로스홀 시험결과 풍화암층에 대한 평균 전 단 파속도는 1,013m/sec로 측정됨 <신형안벽개발 연구 6차년도 119p>

_max  _^ _{ }



_

_^_{ }



 ×^   ^

⑥ 연암

◦ 인천국제여객부두의 BH-1에서의 크로스홀 시험결과 연암층에 대한 평균 전단 파속도는 1,100m/sec로 측정됨 <신형안벽개발 연구 6차년도 119p>

_max  _^ _{ }



_

_^_{ }



 ×^   ^

(3) 변형율 의존곡선

① Vucetic-Dobry PI=0 (매립토, 풍화토, 실트질 모래)

변형률-G/G_max 변형률-감쇠비

② Vucetic-Dobry PI=30 (점성토)

변형률-G/G_max 변형률-감쇠비

③ 국내시험자료 (풍화암)

변형률-G/G_max 변형률-감쇠비

④ Idriss (연암)

변형률-G/G_max 변형률-감쇠비

(4) 등가선형해석(SHAKE)에 의한 지진응답해석 결과

◦ 지표면 최대가속도, 지층별 최대가속도, 지층별 최대변형률 산정, 지층별 최대전단응력 산정

◦ 해석결과 지반 증폭이 가장 큰 인공지진파(2)를 적용하여 액상화 검토

구분

지층별 평균 가속도(g)

인공지진파(1) 인공지진파(2) 인공지진파(3) 매립층 0.0792 0.0926 0.0829 점토층 0.1175 0.1205 0.1117 실트질모래층 0.1458 0.1667 0.1491 풍화토 0.1099 0.1194 0.1165 풍화암 0.0988 0.0954 0.1034

연 암 0.1010 0.1142 0.1143

◦ 얻어진 가속도응답을 이용하여 해당 토층의 반복전단응력비를 산정함

_v′

_d

 g a_m

_v′

_v



여기서 , am : 평가대상지층의 최대가속도 g : 중력가속도

σ_v : 액상화를 평가하고자 하는 깊이에서의 총 상재압 σ

v': 액상화를 평가하고자 하는 깊이에서의 유효 상재압 ◦ SPT 에너지효율 60%에 대한 보정

_{  }



_

×_

여기서, N60 : 에너지비 60%로 보정한 값 Er : SPT 장비의 에너지 효율 Nm : 현장에서 측정된 타격회수 ◦ 유효상재압을 이용하여 보정계수를 산정

C_N  _v′

 ^

여기서, _CN은 보정계수, _′ 액상화를 평가하는 깊이에서 유효상재압(tf/m²) ◦ _(N1)60을 산정

__  __

여기서, __은 에너지 효율 60% 및 상재하중을 보정한 N값 ◦ 산정된 __을 이용하여 액상화 전단저항응력비를 도출한다.

◦ 위에서 구한 전단저항응력비는 지진규모 M=7.5에 해당하므로 지진 규모 M=6.5에 대한 보정값(MSF)을 나누어 환산한다. MSF의 산정식은 다음과 같다.

  _^

여기서, n 값은 Idriss가 1996년에 제안한 값을 추천

__과 액상화 전단저항응력비(지진규모 M=7.5)

Mw

규모에 대한 보정계수 Seed and

Idriss(1982)

Idriss (1996)

Ambraseys (1988)

Youd and Nobel P<32%

Arango (1996) 5.5 1.43 2.20 2.86 3.42 3.00 6.0 1.32 1.76 2.20 2.35 2.00 6.5 1.19 1.44 1.69 1.66 1.60 7.0 1.08 1.19 1.30 1.20 1.25

7.5 1.00 1.00 1.00 - 1.00

8.0 0.94 0.84 0.67 - 0.75

8.,5 0.89 0.72 0.44 - -

<지진의 규모에 대한 보정을 위한 매개변수 n>