This dissertation presents a systematic procedure for the earthquake response analysis of a soil-structure interaction system incorporating the identification of the system stiffness parameters based on forced vibration test (FVT) data. This study is in conjunction with the Hualien large-scale seismic test structure that was recently built in Taiwan for international joint research. The parameters identified are the shear moduli of several sub-domains of the near-field soil regions as well as the Young''s moduli of the shell sections of the structure. The soil-structure interaction system is modeled by the finite element method combined with the infinite element formulation for an unbounded layered soil medium. Preliminary investigations are carried out on both the results of the static stress analysis for the soil medium and the results of the in-situ tests in order to divide the soil-structure system into several regions with homogeneous properties and to determine the lower and upper bounds of the parameters for the purpose of identification. Then two sets of parameters are identified for two principal directions based on the forced vibration tests by minimizing the estimation error using the constrained steepest descent method. The simulated responses for the forced vibration tests using the identified parameters show excellent agreement with the test data. Utilizing the identified soil properties as the initial linear values, earthquake responses are predicted for the measured earthquakes using the equivalent linearization technique based on the strain dependent characteristics of the shear moduli and damping ratios. The earthquake responses are analyzed by using the substructured wave input technique. Three components of ground acceleration time histories are artificially generated through an averaging process of the Fourier amplitude spectra of ground accelerations measured near the test structure and they are used as the control motions for earthquake response analysis. It has been found that predicted earthquake responses using the generated control motions and the equivalent nonlinear procedure with the FVT-correlated model as the initial properties compare very well with the observed responses.'
본 논문에서는 지반-구조물 상호작용계의 강성에 관련된 물성값들을 강제진동실험결과를 바탕으로 추정하는 방법과 추정된 물성값을 초기 선형물성으로 사용하여 지반의 비선형성을 고려한 지진응답을 해석하는 방법에 대하여 연구하였다. 제안된 방법의 검증은 국제공동 연구의 일환으로 최근 대만의 화련에 건설된 대형지진시험구조물에서 계측된 지진응답을 사용하여 수행하였다.
추정된 계수들은 구조물 벽체의 탄성계수와 몇 개의 소영역으로 분할된 근역지반의 전단탄성계수이다. 지반-구조물 상호작용계의 동적해석을 위하여 구조물과 근역지반은 축대칭 유한요소법을 사용하고, 원역지반은 축대칭 무한요소법을 사용하여 모형화 하였다. 정적응력해석과 현장시험 결과들에 대한 예비분석을 통하여, 지반-구조물계를 몇 개의 균질한 소영역들로 분할한 후, 추정할 계수들의 상한과 하한치에 대한 범위들를 결정하였다. 강제진동시험 결과를 사용하여 각 영역의 물성값을 제약적 최속강하법을 사용하여 추정하였 는데, 추정된 계수들을 사용하여 계산된 강제진동 응답이 계측치와 매우 잘 일치하여, 추정결과의 타당성을 알 수 있었다.
지반의 비선형성을 고려한 지진응답해석을 위해서는 전단 변형도에 따른 전단 탄성계수와 지반의 이력감쇠비에 근거한 등가선형화 기법을 사용하였으며, 이 때에 초기선형물성으로 강제진동시험 결과로부터 추정된 지반물성을 사용 하였다. 지반-구조물 상호작용계의 지진응답 해석을 위하여, 지반의 자유장해석 결과로부터 근역지반과 원역지반의 경계면에서의 등가지진하중을 산정하였으며, 자유장해석을 위한 입력지진 통제운동은 시험구조물의 근역에서 계측된 지반 가속도들의 퓨리에 진폭스펙트럼을 평균하는 절차를 사용하여 인공적으로 산정하였다. 산정된 통제운동과 등가선형화기법을 사용하여 구한 지진응답이 계측된 결과와 매우 좋은 일치를 보여 제안된 지진해석기법의 타당성을 검증하였다. 본 연구의 결과로부터 지반-구조물 상호 작용계에 대해 더 합리적인 해석모형을 설정하기 위해서는 현장시험자료를 활용한 상관해석이 매우 중요함을 알 수 있었다.
