In conventional seismic design, the shallow foundation is designed very conservatively avoiding plastic hinge in soil-foundation system, leading not only to an uneconomical design of the oversized foundation, but to structure designs that are non-resistant to an intense earthquake loads. As an emerging design paradigm, nowadays, many researchers have studied the concept considering the nonlinear soil-foundation-structure interaction (SFSI), especially on ‘'rocking foundation'.
The new design philosophy, which allows the uplift and sliding behavior of foundation and the transient yielding of soil-foundation system while ensuring the residual deformation are acceptable, has the benefit of the economical foundation design and safe structural behavior to extreme earthquake. So, allowing rocking motion for foundation has been proposed by several researchers as an effective method of seismic isolation and has been applied in the special design of modern bridge (Rion Antirion Bridge).
Foundation rocking behavior by the overturning moment of structure during earthquake can be determined by the rocking stiffness and damping ratio. These parameters vary with the safety factor of soil-foundation system and are very important for the seismic design of rocking foundation. Up to a recent date, many researches about the influencing parameters of seismic rocking behavior have been performed, and displacement-based-seismic design approaches were introduced to adopt the rocking foundation concept. Then seismic design code of ASCE 41-13 provides some of those method such as backbone curve for rocking behavior.
However, additional investigation about various condition of shallow foundation is still required, because the most of research to validate the design parameters focused on the surface foundation with slow cyclic loading condition. Most of shallow foundation in the real field are buried on the soil ground, and the embedded shallow foundation can have the relatively high safety factors and the effects of surrounding soil can be increased. And the earthquake motion have high frequency characteristics than the slow cyclic loading, it is necessary to evaluate the seismic rocking behavior including the seismic loads of superstructure on the embedded shallow foundation.
Although seismic rocking behavior has clear advantages in the reduction of seismic loads of structure, the vertical settlements is still problem to use in the region of soft soil site. So the disconnected pile foundation can be the complementary method to take advantage of shallow rocking foundation and pile foundation. In order to understand the seismic performance of disconnected pile, it is crucial to evaluate the seismic behavior of various type of foundations in terms of seismic loads of structure and systems settlement during the earthquake.
Motivated by these perception, main objective of this study is to evaluate seismic rocking behavior of embedded shallow foundation, and to suggest the improved approaches for using rocking concept. To achieve the purpose, a series of dynamic centrifuge tests were performed about test specimens composed of soil, foundation and single-degree-of-freedom structure. And parameters such as size and mass of foundation, periods of structure and intensity of earthquake were changed to characterize the effects.
In the first theme, the relationship between mobilized moment and rotation angle for embedded shallow foundation were determined and corresponding rocking stiffness and damping ratio were compared from the centrifuge test results. And the seismic loads of SDOF structure were observed for the investigation of beneficial effects to limit seismic loads by rocking effects.
In the second theme, the experimental evaluation for seismic behavior of the disconnected pile foundation was conducted using the dynamic centrifuge tests. By comparison of seismic loads and settlements for different types of foundation types such as shallow and connected pile foundation, the performance of disconnected pile was validated and considerations for design were suggested.
In the third theme, all of dynamic centrifuge test results were unified for construction of database and parameters of rocking design in ASCE 41-13 for embedded shallow foundation were evaluated. The representative values like initial stiffness, yield rotation angle and re-centering ratio for each test condition were discussed for the embedded shallow foundation. In addition, the modified parameters are suggested and compared with previous research to investigate reliability.
현행 내진설계에서 얕은기초는 기초-지반면에서의 소성을 피하도록 보수적으로 설계하고 있다. 그러나 기초의 움직임을 막기 위해서 보수적으로 설계할 경우, 기초의 공사비가 필요이상으로 발생하며, 모든 지진 에너지를 상부구조물의 기둥에서 소산하므로 예측 못하는 강진 시 구조물 파괴가 발생하는 문제가 있다. 이에 최근에는 새로운 설계 패러다임으로서 비선형 지반-기초-구조물 상호작용, 특히 회전기초(Rocking Foundation)에 대한 연구가 활발히 진행되고 있다.
새로운 설계 개념은 기초의 들뜸 및 수평 움직임을 허용하고, 지반-기초면의 순간적인 소성 거동을 허용하는 설계 방법이다. 이러한 설계법은 영구 변위가 허용범위 안에 있다며, 예측하지 못하는 강진 시 구조물의 파괴를 방지할 수 있고 기초와 상부 구조물의 경제적인 설계가 가능하다. 얕은기초의 소성 거동을 이용하는 기초 시스템의 거동 평가가 다각도로 이루어지고 있으며, 강진 및 연약지반에 설치된 그리스의 Rion-Antirion 교량 설계에서 적용된 바가 있다.
지진 시, 상부구조물의 전도모멘트에 의해서 일어나는 기초의 회전 거동은 지반-기초면의 회전 강성 및 감쇠비 특성에 의해서 결정될 수 있다. 기초의 회전 강성 및 감쇠비는 회전 기초 개념의 설계에서 매우 중요한 인자이며, 지반-기초면의 안전율에 의해서 특성이 달라진다. 최근 10년동안 회전 거동을 표현할 수 있는 인자들에 대한 많은 연구가 집중적으로 진행되어 왔으며, 회전기초 개념을 포함하는 변위기반 내진설계법이 제시되었다. 그리고 미국 내진설계기준 ASCE 41-13에서는 기초의 회전거동을 나타내는 중축곡선 및 관련 변수들을 포함하였다.
그러나 회전거동을 평가하고 설계법을 도출하는 대부분의 연구는 지표면에 놓인 얕은기초 및 수평 반복하중에 초점이 맞추어져 있으므로 얕은기초의 다양한 조건에 대한 회전 거동평가가 추가적으로 필요하다. 현장에 시공되는 대부분의 얕은기초는 지반에 근입되어 있으며, 근입된 얕은 기초는 지표에 놓인 기초에 비해서 주변 지반 영향으로 높은 안전율을 가지게 된다. 또한 수평 반복하중 실험이 회전거동을 개념적으로 명확히 확인할 수 있지만, 상대적으로 높은 주파수 특성을 가지고 있는 지진 시 거동과는 차이가 발생할 수 있다. 따라서 상부구조물을 포함한 근입된 얕은기초의 동적 회전 거동을 평가하고 설계법에 반영할 필요가 있다.
또한 동적 회전 거동이 상부 구조물의 지진 하중을 줄여주는 장점이 있지만, 연약지반에 설치될 경우 지진 시 큰 수직 침하가 발생할 수 있다. 이에 대해서 하부 말뚝과 말뚝캡이 분리된 비결합 말뚝기초가 회전기초의 장점과 말뚝기초의 장점을 동시에 가지는 설계법이 될 수 있다. 하지만 비결합 말뚝기초가 다양한 기초 형태 대비하여 지진하중과 수직 침하량을 동시에 어느정도 줄일 수 있는지 정량적인 평가가 필요하다.
이러한 인식에 기반하여 본 연구의 목적은 근입된 얕은 기초 시스템의 동적 회전거동을 평가하고, 회전거동을 이용한 개선된 설계인자 및 설계법을 도출하는데 있다. 이를 위해서 지반, 기초 그리고 단자유도 구조물로 이루어진 다양한 실험체에 대한 동적 원심모형실험을 수행하였고, 기초의 크기 및 질량, 단자유도 구조물의 고유주기, 입력지진파의 종류 및 세기를 변수로 다양한 인자의 영향을 평가하였다.
첫 번째 주제로 근입된 얕은 기초의 동적 회전 거동을 기초에 걸리는 모멘트와 기초 회전각 관계를 다양한 변수에 대해서 평가하고, 이로부터 시스템의 회전 강성과 감쇠비를 도출하여 비교하였다. 또한 근입된 얕은 기초 위 단자유도 구조물의 지진 하중을 동시에 계측하여, 기초 회전거동에 따른 상부구조물의 지진 하중 제한 효과도 비교 검증하였다.
두 번째 주제로 얕은기초, 결합 말뚝기초, 비결합 말뚝기초 등 다양한 기초형태에 대한 원심모형실험을 수행하여, 상부 단자유도 구조물의 지진 하중 및 기초 회전거동을 평가하였다. 이를 통해서 비결합 말뚝 기초의 지진 하중 및 수직 침하 저감효과를 검증하고, 효과적인 비결합 말뚝기초 형태를 실험적으로 제시하였다.
마지막으로 본 연구에서 수행된 모든 동적 원심모형실험 결과를 통합하여 근입된 얕은 기초의 회전거동에 대한 데이터 베이스를 구축하였다. 각 실험으로부터 지반-기초 시스템의 최대 지지 모멘트, 초기 회전강성, 항복 회전각 등을 도출하고 정리하여, 기존에 지표면에 놓은 얕은기초 시스템에 대한 평가로부터 도출된 ASCE 41-13의 변수들과 비교하였다. 이를 통해서 근입된 얕은 기초의 동적 회전 거동을 반영할 수 있는 설계인자들을 도출하여, 보다 신뢰성 있는 내진 설계법을 제시하였다.
