1. 서 론
2. 1 g 진동대 모형실험
2.1 진동모형실험 장치 및 상사성
2.2 모형 구조물 및 지진파
2.3 모형지반
2.4 실험내용
3. 실험결과 및 분석
3.1 지반-무리말뚝-상부구조물 가속도 응답 거동
3.2 지표면에서의 최대 응답가속도
3.3 말뚝캡에서의 최대 응답가속도
3.4 상부구조물 최대 응답가속도
4. 결 론
1. 서 론
지진 시 구조물의 동적 응답은 지반, 기초 및 상부구조물 간의 상호작용에 의해 크게 영향을 받는다. 특히 교량 교각과 같이 말뚝기초로 지지되는 구조물에서는 지반-무리말뚝-상부구조물의 상호작용이 구조물의 동적 거동을 지배하는 중요한 요소로 작용한다. 이러한 상호작용은 지반의 자유장 변위에 의해 발생하는 운동학적 상호작용과 상부구조물의 관성학적 상호작용이 동시에 작용하면서 복잡한 동적 응답을 발생시키게 된다(Gazetas, 1991; Boulanger et al., 1999). 그러므로 지진 시 무리말뚝의 동적 거동을 정확히 평가하기 위해서는 지반, 무리말뚝 및 상부구조물을 포함한 통합적인 동적 거동 분석이 필수적이다(Kang, 2018).
지진 응답을 평가하기 위한 대부분의 기존 연구에서는 지진하중을 구조물의 주요 축 방향 또는 직교 방향으로 단순화하여 적용하는 경우가 많다(Yang et al., 2009; Yoo et al., 2013; Kim et al., 2023). 그러나 실제 지진파는 다양한 방향에서 구조물에 입사하며, 지진파의 입사방향은 구조물의 동적 응답에 영향을 미칠 수 있다(Choi, 2008). 특히 구조물의 방향성과 지진파의 전파 방향이 일치하지 않은 경우, 구조물의 응답가속도 및 동적 증폭 특성이 달라질 수 있으며, 이는 구조물의 내진 성능 평가에도 영향을 미칠 수 있다.
무리말뚝에 작용하는 하중에 대한 방향성을 고려한 연구들은 대부분 Marjanović et al.(2020)와 같이 정적 수평하중만이 고려되었을 뿐 지진파의 입사방향을 고려한 연구는 미비한 실정이다. 또한 지진파의 입사방향을 고려한 연구는 Kim(2006) 및 Kim et al.(2020)과 같이 상부구조물을 대상으로 수행된 경우가 대부분이며, 지반-무리말뚝-상부구조물을 동시에 고려한 연구는 미비한 실정이다.
따라서 본 연구에서는 건조된 사질토 지반에 설치된 무리말뚝과 상부구조물로 구성된 지반-무리말뚝-상부구조물을 대상으로 1 g 진동대 모형실험을 수행하여 지진파의 입사방향이 지반-무리말뚝-상부구조물의 동적 특성 중 가속도 응답 특성에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 위해 동일한 지반조건과 무리말뚝 조건을 유지한 상태에서 서로 다른 지진파 입사방향을 적용하여 지반, 말뚝캡 및 상부구조물에서의 응답가속도를 계측하고, 이를 비교·분석하여 지진파의 입사방향 변화가 지반-무리말뚝-상부구조물의 가속도 응답 특성에 미치는 영향을 분석하였다.
2. 1 g 진동대 모형실험
2.1 진동모형실험 장치 및 상사성
지진 시 지진파의 입사방향 변화가 지반-무리말뚝-상부구조물의 가속도 응답 특성에 미치는 영향을 확인하기 위하여 1 g 진동대 모형실험장치를 이용하였다. 1 g 진동대 모형실험장치는 Fig. 1과 같이 1축 변위제어방식으로 1,000 mm × 1,000 mm의 진동판을 0.001 ~ 1,000 Hz 주파수 범위와 – 100 mm ~ + 100 mm의 변위 범위를 적용할 수 있으며, 최대 1.0 g 까지 가속도를 적용할 수 있다. 모형지반을 조성하기 위한 모델박스는 지진 시 지반의 분리거동을 통한 전단변형을 효과적으로 모사하고 모델박스 벽면에서 발생할 수 있는 반사파의 영향을 최소화하기 위해 단일구조와 스프링으로 구성된 Fig. 2와 같은 적층구조 형태로 내부크기가 500 mm (L) × 500 mm (W) × 550 mm (H)인 모델박스를 사용하였다.
1 g 진동모형실험을 위한 상사성은 Iai(1989)가 제안한 상사법칙 중 제2법칙(Table 1)을 고려하였으며, 기존 연구(Yang, 2009; Lee et al., 2019)와 유사하게 원형 말뚝(강관말뚝, 508D)과 모형 말뚝(알루미늄관) 및 모델박스의 크기를 고려하여 26.2의 상사성을 적용하였다.
Table 1.
Similitude for 1 g shaking table test (Iai, 1989)
| Quantity | Scale factor (TypeII) |
| Length | λ |
| Density | 1 |
| Time | λ0.75 |
| Acceleration | 1 |
| Flexural rigidity | λ4.5 |
2.2 모형 구조물 및 지진파
지반-무리말뚝-상부구조물의 동적 상호작용 중 관성학적 상호작용을 반영하기 위한 상부구조물은 실제 교량 구조물의 고유주기를 반영한 1자유도 모형 구조물을 사용하였다. 진동모형실험에 사용한 1자유도 모형 구조물의 고유주기 특성은 Fig. 3과 같이 국내 공용 교량의 약 39 %를 차지하고 있는 0.33 ~ 0.50 sec의 고유주기 특성을 반영하여 고유주기가 0.38 sec인 1자유도 모형 상부구조물을 Fig. 4와 같이 제작하여 사용하였다.
상부구조물을 지지하는 무리말뚝은 강관말뚝(508D)으로 말뚝 중심 간격이 3D인 3 × 3 정뱡향 배열의 선단지지말뚝을 원형조건으로 상사비를 고려해 Fig. 5와 같은 모형 무리말뚝을 제작하여 1 g 진동모형실험에 적용하였다. 모형 무리말뚝의 말뚝은 외경이 12 mm이고 내경이 10 mm인 중공형 알루미늄 파이프를 사용하였으며, 상부구조물과 무리말뚝의 연결 및 무리말뚝의 일체거동을 위한 말뚝 캡은 강체거동을 위해 알루미늄 판재를 사용해 말뚝 중심과 말뚝캡 측면 간격이 2.5D가 되도록 정사각형 형상으로 제작해 사용하였다. 1 g 진동모형실험 시 상부구조물과 말뚝 캡, 말뚝 캡과 무리말뚝, 무리말뚝과 모델박스의 연결은 강결조건을 적용하였다.
지진파의 입사방향이 지반-무리말뚝-상부구조물의 가속도 응답 특성에 미치는 영향을 분석하기 위한 입력지진파는 상부구조물의 공진을 유도하기 위해 상부구조물과 동일한 고유주기를 갖는 정현파를 사용하였으며, 정현파의 형상 및 시간은 국내 내진설계기준(MLIT, 2018)의 가속도 시간이력 작성 기준을 고려해 총 13.5초의 시간이력을 갖는 Fig. 6과 같은 입력지진파를 1 g 진동모형실험에 적용하였다. 지진파의 입사방향(θ)은 Fig. 7과 같이 말뚝캡 중심을 기준으로 진동대의 진행 방향과 동일한 방향을 0°로 정의하고 0°, 15°, 30°, 45°를 실험 조건으로 설정하였다.
2.3 모형지반
모형지반은 통일분류법 상 SP로 분류되는 Table 2와 같은 물리적 특성을 갖는 주문진 표준사를 이용하여 모형지반을 조성하였다. 지진파의 입사방향 조건 별로 균일한 상대밀도를 갖는 모형지반을 조성하기 위해 1 g 진동대 모형실험장치를 이용한 수평진동다짐을 통해 80 %의 상대밀도를 갖는 모형지반을 조성하였다. 수평지반동다짐은 5층 다짐조건으로 진동폭(수평변위)과 진동시간은 고정하고 주파수를 변화시켜 모형지반에 가해지는 진동에너지를 변화시키는 방법을 고려하였다. 주파수 변화에 따른 주문진 표준사의 최대건조단위중량 관계는 Fig. 8과 같이 나타났으며, Fig. 8을 고려하여 80 %의 상대밀도를 갖는 주파수를 결정하여 수평진동다짐을 통해 균일한 상대밀도를 갖는 모형지반을 조성하였다.
Table 2.
Properties of jumunjin standard sand
| Classification | Value |
| D10 | 0.32 |
| Cu | 1.65 |
| Cg | 1.43 |
| γd-min (kN/m3) | 13.33 |
| γd-max (kN/m3) | 16.12 |
| USCS | SP |
2.4 실험내용
지진 시 지진파의 입사방향이 지반-무리말뚝-상부구조물의 가속도 응답 특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 1 g 진동모형실험을 수행하였다. 실험과정은 지반, 무리말뚝, 상부구조물이 Fig. 9와 같이 설치되도록 무리말뚝 선단을 모델박스 바닥면에 강결조건으로 고정시킨 후 모델박스 내에 주문진 표준사를 5층으로 나누어 투입하고 수평진동다짐을 수행하여 80 %의 소요 상대밀도를 갖는 균질한 모형지반을 조성하였다. 모형지반의 조성이 완료된 후 무리말뚝의 말뚝 캡 상부 중앙에 1자유도 구조물인 상부구조물을 강결조건으로 연결한 후 지진파의 입사방향별로 입력지진파를 적용하여 1 g 진동모형실험을 수행하였다. 1 g 진동모형실험을 통해 지반-무리말뚝-상부구조물의 가속도 응답 특성에 지진파의 입사방향이 미치는 영향을 분석하기 위해 Fig. 9와 같이 가속도계를 지반, 무리말뚝과 상부구조물에 설치하여 지진파의 입사방향에 따른 지반-무리말뚝-상부구조물에서의 가속도를 측정하였으며, 이를 비교·분석하여 지진파의 입사방향 변화가 지반-무리말뚝-상부구조물의 가속도 응답 특성에 미치는 영향을 분석하였다.
3. 실험결과 및 분석
3.1 지반-무리말뚝-상부구조물 가속도 응답 거동
지진파의 입사방향이 지반-무리말뚝-상부구조물의 가속도 응답 거동에 미치는 영향을 분석하기 위해 Fig. 10과 같이 지진파의 입사방향 별로 지표면, 무리말뚝의 말뚝캡, 상부구조물에서 측정한 가속도 시간이력을 비교하였다. Fig. 10과 같이 입력지진파(BedRock)에 대하여 지표면, 말뚝캡 및 상부구조물에서의 가속도 응답에 응답지연(Time delay) 현상이 발생하는 것으로 나타났으나, 지진파의 입사뱡항과 관계없이 지표면은 0.001 ~ 0.039초, 말뚝캡은 0.001 ~ 0.030초, 상부구조물은 0.488 ~ 1.096초로 동일한 지진하중 조건에서 유사한 지연시간을 갖는 것으로 나타났다. 그러나 최대 응답가속도의 크기에는 지진파의 입사방향에 따라 변화하는 것으로 나타났다.
3.2 지표면에서의 최대 응답가속도
지진파의 입사방향이 지표면에서의 최대 응답가속도에 미치는 영향을 분석하기 위해 Fig. 11과 같이 입력 가속도에 따른 지표면 최대 응답가속도를 지진파의 입사방향 별로 비교하였다. 지표면에서의 최대 응답가속도는 Fig. 11과 같이 입력 가속도가 0.1 g 이하의 조건에서는 지진파의 입사방향과 관계없이 지표면 최대 응답가속도는 유사하게 나타났다. 그러나 입력 가속도가 0.10 g 초과의 조건에서는 지진파의 입사방향에 따라 입사방향이 0°인 경우를 기준으로 45°로 증가하면 지표면에서의 최대 응답가속도는 2.9 ~ 6.3 % 감소하는 경향으로 나타났다. 이는 Fig. 12와 같이 입력가속도가 0.1 g 이하의 조건에서는 지진파의 입사방향에 의한 영향이 미비하게 나타나는 반면, 입력가속도가 0.1 g 초과의 조건에서는 말뚝캡에서 발생하는 반사파가 지표면 응답에 간섭하여 특정 주기 대역의 응답을 상쇄시켰기 때문인 것으로 판단된다. 그리고 Fig. 12와 같이 지표면에서의 가속도 응답스펙트럼은 입력가속도가 증가함에 따라 입력지진파의 가속도 응답스펙트럼(Fig. 6)과 다르게 단주기 성분이 증가하는 현상이 나타났으며, 이는 입력가속도 증가에 따른 진동다짐으로 지반의 강성이 증가하였기 때문인 것으로 판단된다.
3.3 말뚝캡에서의 최대 응답가속도
말뚝캡에서의 최대 응답가속도에 지진파의 입사방향이 미치는 영향을 분석하기 위해 Fig. 13과 같이 말뚝캡에서의 최대 응답가속도를 입력가속도에 따라 지진파의 입사방향 별로 비교하였다. Fig. 13과 같이 말뚝캡에서의 최대 응답가속도는 지표면에서의 최대 응답가속도와는 다르게 입력가속도와 관계없이 지진파의 입사방향이 0°인 경우를 기준으로 45°로 증가하면 말뚝캡에서의 최대 응답가속도는 1.5 ~ 19.5 % 감소하는 경향으로 나타났다. 그리고 지표면에서의 최대 응답가속도에 비해 말뚝캡에서의 최대 응답가속도가 입력가속도 0.4 g 미만인 조건에서는 1.00 ~ 2.04배 크게 나타났으나 입력가속도 0.4 g 이상인 조건에서는 4.05 ~ 7.49 % 작게 나타났다. 이는 Fig. 14와 같이 지진파의 입사방향에 따른 상부구조물과 무리말뚝의 비대칭 거동에 의한 영향으로 비대칭 거동이 말뚝을 통해 전달되는 지진파에 간섭하면서 특정 주기 대역의 응답을 상쇄시켰기 때문인 것으로 판단된다. 그리고 입력가속도에 따른 지반과 무리말뚝의 상호작용 및 이로 인한 강성 증가가 말뚝을 통해 전달되는 지진파의 단주기 성분을 증가시키는 반면, 입력지진파의 고유주기 성분을 감소시켰기 때문인 것으로 판단된다.
3.4 상부구조물 최대 응답가속도
지진파의 입사방향이 상부구조물에서의 최대 응답가속도에 미치는 영향을 분석하기 위해 Fig. 15와 같이 입력가속도에 따른 상부구조물에서의 최대 응답가속도를 지진파의 입사방향 별로 비교하였다. 상부구조물에서의 최대 응답가속도는 말뚝캡에서의 최대 응답가속도와는 다르게 Fig. 15와 같이 입력가속도가 증가하면 최대 응답가속도는 0.1 g까지는 지속적으로 증가하다 0.1 g 이후 미소하게 증가하는 수렴하는 경향으로 나타났으며, 지진파의 입사방향에 따라 입사방향이 0°인 경우를 기준으로 45°로 증가하면 상부구조물에서의 최대 응답가속도는 1.1 ~ 28.0배 증가하는 경향으로 나타났다. 그리고 상부구조물에서의 최대 응답가속도는 지표면에서의 최대 응답가속도에 비해 1.56 ~ 18.6배 크게 나타났으며, 말뚝캠에서의 응답가속도에 비해 1.4 ~ 11.2배 크게 나타났다. 이는 말뚝캡을 통해 전달되는 지진파의 고유주기 특성에 의한 영향으로 상부구조물에 영향을 미치는 고유주기 성분이 감소하였기 때문인 것으로 판단되며, 말뚝캡의 경우와 유사하게 지진파의 입사방향에 따른 상부구조물과 무리말뚝의 비대칭 거동에 의한 영향이 말뚝을 통해 전달되는 지진파에 간섭하면서 Fig. 16과 같이 특정 주기 대역의 응답을 상쇄시켰기 때문인 것으로 판단된다. 그리고 상부구조물에서의 최대 응답가속도는 말뚝캡을 통해 전달되는 지진파의 고유주기 특성 중 상부구조물의 고유주기와 일치하는 고유주기에 의해 공진 현상이 발생하였기 때문인 것으로 판단된다.
4. 결 론
지진파의 입사방향이 지반-무리말뚝-상부구조물의 동적거동 특성 중 가속도 응답 특성에 미치는 영향을 분석하기 위해 1g 진동대 모형실험을 수행하였으며, 지진파의 입사방향에 따라 지반-무리말뚝-상부구조물의 가속도 응답을 분석한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) 지반-무리말뚝-상부구조물에서의 가속도 응답 거동에는 지진파의 입사방향과 관계없이 동일한 입력가속도에 대하여 유사한 응답지연 현상이 나타났으며, 이는 지진파가 지반, 무리말뚝, 상부구조물에 전달되는 과정에서 발생하는 지반-구조물 상호작용에 의한 영향 때문으로 판단된다.
(2) 지표면에서의 최대 응답가속도는 입력가속도에 영향을 받는 것으로 나타났으며, 입력가속도 0.1 g 초과 조건에서 지진파의 입사방향이 0°에서 45°로 증가할수록 감소하는 경향으로 나타났다. 이는 말뚝캡에서 발생하는 반사파가 지표면 응답에 간섭함에 따라 특정 주기 대역의 응답을 일부 상쇄시켰기 때문으로 판단된다.
(3) 말뚝캡에서의 최대 응답가속도는 입력가속도와 관계없이 지진파의 입사방향이 증가함에 따라 감소하는 경향으로 나타났다. 이는 지진파의 입사방향 변화에 따른 무리말뚝과 상부구조물의 비대칭 거동이 말뚝을 통해 전달되는 지진파와 상호작용을 하면서 특정 주기대역의 응답을 일수 상쇄시켰기 때문으로 판단된다.
(4) 상부구조물에서의 최대 응답가속도는 입력가속도 0.1 g 이후 수렴하는 경향으로 나타났으며, 지표면 및 말뚝캡에 비해 크게 나타났다. 그리고 지진파의 입사방향이 증가할수록 약 최대 응답가속도는 증가하는 경향으로 나타났다. 이는 말뚝을 통해 상부구조물에 전달되는 지진파의 고유주기 특성과 공진 현상 때문으로 판단된다. 그리고 지진파의 입사방향 변화에 따른 상부구조물의 비대칭 거동이 말뚝을 통해 전달되는 지진파에 간섭하면서 특정 주기 대역의 응답을 일부 상쇄시켰기 때문으로 판단된다.
(5) 이상과 같이 지진파의 입사방향은 지반-무리말뚝-상부구조물의 가속도 응답 특성에 영향을 미치는 요소로 확인됨에 따라 지진하중을 받는 말뚝기초 구조물의 동적거동을 보다 정확히 평가하기 위해서는 지진파의 입사방향에 따른 지반-구조물 상호작용 효과를 고려한 해석 및 설계가 필요할 것으로 판단된다.
