In Korea which belongs to the region of low or moderate seismicity, the Korean seismic codes use the site classification system and the corresponding site coefficients that are similar to the UBC 97 and 1997 NEHRP provision which were revised based on the earthquake records in the western United States. However, the use of site coefficients derived from earthquake records which occurred in definitely different site conditions as well as seismicity conditions can result misleading in the motions of ground and structures during earthquakes. In many countries, the soil parameter $V_{s,30}$, which indicates a mean shear wave velocity on the top 30m deep soil, has been widely adopted as a parameter for the site classification. This site classification system is acceptable for the regions with relatively deep bedrock and the soil sites where the transition from soil to hard rock is gradual, which is common geologic condition in the western US. However, it is not acceptable for the regions where the transition from soil to stiff rock is abrupt and the bedrock is located at a depth less than 30m from the ground level, which is common in Korea. Therefore, the $V_{s,30}$ is calculated fallaciously by extrapolating together the undesirable $V_s$ of bedrock to 30m and thus, a higher $V_{s,30}$ is mistakenly assigned to the soil site with a shallow bedrock. For this reason, a suitable site classification and the corresponding site coefficients which can address the local site conditions of shallow bedrock, are required for the reliable estimation of earthquake ground motions in this regions.
Site response analyses were performed by using equivalent linear analysis technique for the local geologic and dynamic site characteristics of 125 sites collected in Korean Peninsula. Based on the results of site response analyses, two-parameters site classification system considering separately the depth to bedrock ($\It{H}$) and mean shear wave velocity of soil above bedrock $(V_{s,soil})$ was newly recommended for the regions with shallow bedrock depth such as in Korea. First, as the boundaries of H for site classification were determined as 10 m and 20 m, the soil sites were divided into three classes as $H_1$, $H_2$ and $H_3$ sites. And then, the three site classes were divided into seven subclasses based on $V_{s,soil}$. The corresponding site coefficients $(F_a and F_v)$ and design response spectrum were developed by analyzing uniform trend and dispersion of site coefficients for each site category. In addition, in order to improve the design response spectrums considering geological conditions in Korea, it was tried to adjust the interval of integration to determine the site coefficients and the plateau section by modifying $T_0$ and $T_s$ in the design response spectrum. The adjusted design response spectrums match more the average spectral accelerations obtained by site response analyses as compared with the proposed design response spectrums based on two-parameters approach.
The proposed two-parameters site classification system and the corresponding site coefficients were verified whether these are more suitable for the local geologic conditions in Korea than the current Korean seismic code. A comparison was conducted with other well-known seismic codes. In addition, a comparison was conducted between the spatial distributions of site coefficients obtained from site-specific seismic response analyses for specific areas and the proposed site coefficients, as well as those specified in the currently used Korean seismic codes. Finally, several acceleration data recorded during recent earthquake events in Korea were analyzed to evaluate the site amplification and compare with the proposed site coefficients.
As a future work, the seismic responses for various local geologic conditions and earthquake motions are required to investigate using dynamic centrifuge modeling. KAIST Earthquake Simulator which is unique on geotechnical centrifuge in Korea were introduced. In particularly, general specification, theoretical concepts (dynamic balancing technique), composition (mechanical assembly, hydraulic power system, computerized control system) and performance verifications are presented in detail.
현행 국내 내진설계기준에서 제시하고 있는 지반분류 방법 및 지반 증폭계수는 기반암이 깊은 미국 서부 해안지역 지반에 적합하도록 작성된 미국 기준을 준용하여 사용하고 있어 기반암이 비교적 얕고, 단단한 국내 지반특성을 제대로 반영하지 못하고 있다. 이와 같은 이유로 본 연구에서는 국내 125개 지반에 대해 부지 고유의 지반응답해석을 수행하였고, 이를 바탕으로 기반암이 비교적 얕아 대부분의 지반조사가 기반암 깊이까지 수행되고, 토층의 전단파속도를 비교적 명확하게 평가할 수 있는 국내 지반 환경에 적합하도록, 기반암 깊이(Depth to Bedrock, H)와 토층 평균 전단파속도(Mean Shear Wave Velocity of Soil, $V_{s,soil}$)를 동시에 고려하는 2-매개변수 지반분류 방법 및 이에 따른 지반 증폭계수를 제안하였다.
2-매개변수 지반분류 방법을 제안하기 위해, 우선적으로 기반암 깊이 10m와 20m를 경계로 하여 $H_1$ 지반, $H_2$ 지반 및 $H_3$ 지반으로 분류하였다. 이후, 각 지반 그룹에 대해, 단주기 및 장주기 증폭계수와 $V_{s,soil}$ 에 대한 경향성을 분석하여 최종적으로 지반 종류를 7개로 세분화하고, 세분화된 각 지반그룹의 대표 지반 증폭계수 및 설계응답스펙트럼을 제안하였다. 각 지반 종류별로 제안된 지반 증폭계수로부터 획득한 설계응답스펙트럼과 지반응답해석 결과로부터 획득한 스펙트럴 가속도의 평균값을 비교하였다. 일부 지반그룹에서 둘 사이의 차이가 발생하였고, 이는 증폭계수 산정방법이 미국 지반조건에 적합하도록 되어 있어 나타나는 현상으로 판단된다. 이를 개선하기 위해, 장주기 증폭계수 산정시 적분구간을 변경하는 방법과 설계응답스펙트럼 작성시 구간을 결정하는 $T_0$ 와 $T_s$ 값을 새롭게 산정하는 방법을 검토하였고, 지반응답해석으로부터 획득한 스펙트럴 가속도의 평균값과 잘 일치하는 것을 확인하였다.
2-매개변수 지반분류 방법 및 지반 증폭계수의 국내 지반특성에 대한 적합성을 검증하기 위하여, Eurocode-8 및 현재 개정중인 미국 동부지역 NYC DOT 내진설계기준과의 비교를 수행하였다. 지반분류 방법에서 Eurocode-8은 일반적인 국내 지반특성과 유사한 E지반을 새롭게 도입함으로써 미국 UBC-1997 지반분류 방법과의 차별화를 두었고, NYC DOT 내진설계기준은 기반암 깊이, 토층 평균 전단파속도, 기반암 전단파속도의 3가지 분류 기준을 사용하여 2-매개변수 지반분류 방법의 타당성을 뒷받침하고 있다. 설계응답스펙트럼을 비교한 결과, Eurocode-8 및 NYC 방법은 각 지역의 단주기적 지반 특성을 반영하여 단주기 영역에서의 크게 증폭이 발생하고, 장주기 영역에서는 거의 증폭이 발생하지 않고 있다. 이는 2-매개변수 방법의 설계응답스펙트럼과 매우 유사하며, 내진설계기준연구Ⅱ는 장주기 영역의 증폭을 크게 고려하고 있어, 크게 다른 것으로 나타났다.
경주시 $10 km \times 10 km$ 지역내 50개 부지에 대한 지반 물성 및 지반응답해석 결과를 확보하고, 내진설계기준연구Ⅱ 및 2-매개변수 지반분류 방법에서 제안하는 지반 증폭계수와 2차원 공간적인 비교를 수행하였다. 단주기 및 장주기 증폭계수 모두에 대하여 $V_{s,30}$ 을 이용하는 내진설계기준연구Ⅱ가 2-매개변수 지반분류 방법에 비하여 부지응답해석 결과와의 오차값이 월등히 큰 것으로 평가되어, 2-매개변수 지반분류 방법에서 제안하는 지반 증폭계수의 타당성을 검증하였다.
최근 국내에서 발생한 주요 지진에 대한 계측 기록을 분석하여 2-매개변수 지반분류 방법의 타당성을 검증하였다. 암반 계측과 토사지반 계측 관측소를 구분하여 두 관측소 사이의 거리가 30 km 이내인 계측 자료들을 추출하였다. 계측된 시간영역 가속도 신호로부터 암반 및 토사지반에서의 응답스펙트럼을 각각 결정하였고, 이로부터 단주기 및 장주기 증폭계수를 결정하였다. 일부 오류가 발생한 데이터들도 존재하였지만 대부분 국내 지반 특성에 적합하도록 단주기 영역에서의 증폭이 장주기 영역보다 크게 나타났다. 또한 2-매개변수 지반분류 방법에서 제안하는 지반 증폭계수는 실지진 계측 기록으로부터 획득한 결과와 매우 유사한 경향을 보임으로써 타당성을 확인하였다. 또한 한국전력연구원에서 운영중인 4개의 765kV 변전소 지진 계측 기록을 추가적으로 분석하였다. 암반 계측과 토사지반 계측 사이의 거리가 수십 m로 가깝게 설치되었으므로 오류 없이 일관된 결과를 도출하였고, 2-매개변수 지반분류 방법의 지반 증폭계수는 경향성 및 절대값에서 실지진 계측 자료 분석 결과와 유사성을 보이면서 국내 지반 조건에 대한 적합성을 검증하였다. 또한 추후 만들어질 지진관측소는 765kV 변전소 부지와 같이 암반 노두 인근 토사층 및 지표면에도 가속도 센서를 함께 매설하여 계측을 수행하고, 이로부터 부지효과 평가 및 지반 증폭계수 검증이 지속적으로 이루어져야 한다고 판단하였다.
마지막으로 추후 제안된 지반 증폭계수의 적용성 평가 및 지반-구조물 상호작용 연구를 위한 동적 원심모형시험을 계획하고 있다. 동적 원심모형시험에 이용될 KAIST 지오센트리퓨지 센터에 구축되어 있는 2차원 진동대에 대한 일반적인 성능, dynamic balancing technique의 이론적 개념, 시스템 구성(mechanical assembly, hydraulic power system, computerized control system)을 기술하였다. 또한 모래 지반 모델을 통한 예비 시험을 수행하여 본 시스템 성능을 검증하였다.
