Earthquake causes loss of human lives and huge damage to infrastructures leading to both immediate and long-term impacts on the society. As critical infrastructures such as bridges, ports, and pipelines are important for proper functioning of society, the stability of these infrastructures is paramount after a big earthquake event. Conventional seismic design for the shallow foundation usually prohibits failure at the foundation during an earthquake, so that the dynamic behavior of the shallow foundation should be within the elastic range. However, the conventional capacity design for the shallow foundation does not ensure adequate safety for the infrastructure during an unexpected strong earthquake. In conventional capacity design, the superstructure column usually collapses during a strong earthquake because the seismic energy mostly dissipates at the structure not the soil-foundation level.
To safeguard from strong earthquakes, a necessity for a new paradigm in seismic design has been highlighted. The main purpose of the new design philosophy is to conduct safe, accurate, and economical seismic design. Hence, the effect of soil-foundation system on the whole foundation-structure system behavior has to be considered for a sophisticated seismic design; this is referred as dynamic soil-foundation-structure interaction (SFSI). Furthermore, the new seismic design methodology allows the use of the nonlinear plastic behavior of foundation during a strong earthquake. Especially, the rocking behavior of the foundation has been introduced as a useful phenomenon to reduce the ductility demand and seismic load of the superstructure during a strong earthquake; the new design philosophy is referred to as “rocking foundation”.
However, previous studies have not considered two major problems related to the SFSI and the rocking foundation. Firstly, although the nonlinearity of the SFSI caused by both the soil nonlinearity and the system nonlinearity occurs during a strong earthquake, the previous studies have only evaluated the response of foundation-structure system within the elastic range. Secondly, since the rocking behavior of the foundation have been investigated by assuming the superstructure as a rigid body, the effects of structural inertial motion cannot be reflected by assuming the superstructure as a rigid structure. Consequently, a comprehensive evaluation of the foundation rocking behavior considering nonlinearity of SFSI is needed.
The main objective of this research is to evaluate the foundation rocking behavior considering the nonlinearity of the SFSI during earthquakes. This study is divided into two major parts. Firstly, this study aims to evaluate the mechanism and the effect of the nonlinearity of SFSI on the dynamic behavior of the structure and the foundation using both analytical methods and centrifuge tests. Since the previous studies had only described the linear elastic characteristics of the SFSI, period lengthening which is a representative phenomenon of the SFSI was evaluated considering both soil and system nonlinearity. The current study investigated the dynamic behavior of the foundation affected by the structural inertial motion considering the nonlinearity of SFSI. In addition, the rocking behavior of the foundation considering structural inertial motion was evaluated and the difference between the cyclic and the dynamic rocking behavior of the foundation caused by the structural inertial motion was also discussed. Secondly, to apply the rocking foundation in practice, estimation and minimization of permanent deformations of the foundation are necessary. Therefore, a simplified method to predict the maximum foundation rotation during earthquakes was suggested using Housner’s rocking model. On the other hand, to minimize the permanent settlement and rotation, disconnected piled raft (DPR) has been suggested for the design of rocking foundation. The seismic response of the DPR from geotechnical point of view was evaluated in terms of the dynamic bending moment of the DPR and the seismic response of the foundation on DPR. Finally, in order to suggest an economical and effective design for the rocking foundation, an optimized design for the rocking foundation using disconnected short piles was suggested and the evaluated using slow cyclic and dynamic centrifuge tests.
지진은 인명피해를 야기하며 사회기반시설물들을 손상함으로써 사회 전반에 중장기적인 피해를 발생시킨다. 한편, 사회기반시설물은 국민의 안정적인 삶에 매우 중요한 구조물로 지진에 대한 높은 안정성이 요구된다. 얕은기초의 현행 내진 설계기준은 하부 기초의 안전율을 크게 고려하여 지진 시 기초의 파괴를 방지하고, 기초의 동적 거동을 탄성 영역에 놓이게 한다. 그러나 이러한 내진 설계는 기초의 하부 지반이 아닌 상부 구조물에서 지진 하중을 저항하도록 하며, 지진 시 상부 구조물에서 항복이 발생하도록 유도하기 때문에 예측하지 못한 강진 발생 시 구조물의 안전성을 보장할 수 없다.
이에 따라 강진 시에도 구조물의 안전성을 확보할 수 있는 새로운 내진설계의 필요성이 대두되고 있다. 새로운 내진설계의 목표는 안전하고 경제적인 내진설계를 수행하는 것이다. 따라서 보다 효율적이고 효과적인 내진설계를 위해 지진 시 지반과 기초를 포함한 지반-기초-구조물 상호작용을 고려해야 한다. 한편, 최근 들어 지진 시 기초의 비선형-소성 거동을 이용하는 설계기법이 대두되고 있다. 특히, 기초의 회전 거동을 이용하는 “회전 기초”설계는 구조물의 지진 하중을 줄일 수 있는 효과적인 내진설계 기법으로 소개되고 있다.
하지만 선행연구에서는 지반-기초-구조물 상호작용과 회전 기초 설계와 관련된 두 가지를 고려하지 못하고 있다. 첫 번째로 강한 지진 시 시스템의 비선형성과 지반의 비선형성이 크게 증가하지만, 선행 연구에서는 지진 시 기초와 구조물의 선형-탄성 거동에 집중하였다. 두 번째로, 지진 시 구조물의 거동을 강체 거동으로 가정함으로써 구조물의 휨 거동이 기초 회전 거동에 미치는 영향을 평가하지 못하였다.
따라서 본 연구에서는 지진 시 지반-기초-구조물 상호작용의 비선형성을 고려하여 기초의 회전 거동을 평가하였다. 본 연구는 크게 두 부분으로 나뉜다. 첫 번째로, 지반-기초-구조물 상호작용의 비선형이 구조물과 기초의 동적 거동에 미치는 영향과 메커니즘을 분석하였다. 지반-기초-구조물 상호작용의 대표적인 특성인 지진 시 구조물의 고유 주기 증가 현상을 지반과 시스템의 비선형성을 고려하여 평가하였다. 또한, 구조물의 관성 운동이 기초의 동적 거동에 미치는 영향을 평가하였다. 이를 바탕으로 반복 하중과 동적 하중 시 기초의 회전 거동 차이를 분석하였다. 두 번째로, 회전 기초 설계법을 현장에 적용하기 위해 지진 시 기초의 영구 변형을 측정하는 방법과 완화하는 방법을 제안하였다. Housner의 모델을 통해 지진 시 기초의 최대 회전각을 예측하는 방법을 제안하였다. 한편, 지진 시 회전 기초의 침하와 회전을 줄이기 위해 비결합 말뚝 기초를 강진 지역에 적용하고 있다. 그러나 선행 연구는 비결합 말뚝 기초와 결합한 구조물의 지진 응답을 주로 평가하였다. 따라서 본 연구에서는 지진 시 비결합 말뚝의 휨 모멘트를 평가하였다. 또한, 이를 바탕으로 회전 기초의 적합한 기초 형태를 제안하였다.
