Dynamic simulation models for seismic behavior of soil systems - Part II: Solution algorithm and numerical applications

Sahin, Abdurrahman Techno-Press 2015 Geomechanics & engineering Vol.9 No.2

This paper is the second part of the study for determining the seismic behavior of soil systems. The aim of this part is to present solution approaches for determining seismic site amplification. For this purpose, two solution techniques are used. The first technique is equivalent linear analysis which is mostly used in literature. The other technique is real time parameter updating approach and this approach uses the possibilities of Simulink effectively. A graphical user interfaced (GUI) program called DTASSA standing for Discrete-Time Analysis of Seismic Site Amplification is developed. In DTASSA, automatic block diagram producing system is developed and seismic site amplification for multiple soil layers may easily be investigated in real time. Numerical applications have been carried out to check the reliability of developed algorithm. The results of DTASSA are compared with SUA, EERA and NERA programs for the particular example problems.

한반도에 적합한 지역별-주기별 지진위험지도 구축

지현우(Jee, Hyun Woo),한상환(Han, Sang Whan) 한국방재학회 2020 한국방재학회논문집 Vol.20 No.2

2016년 경주 지진과 2017년 포항 지진이 발생하여 주변 지역에 인명 피해와 경제적 피해를 입힌 이래로, 한반도 지역에서의 지진피해 예측과 내진 설계에 대한 연구에 대한 관심이 증가하고 있다. 확률론적 지진재해도 해석은 지진피해 예측을 위한 널리 알려진 방법 중에 하나이다. 본 연구의 목표는 확률론적 지진재해도 해석을 수행하여 최대 지반 가속도와 5% 감쇠비 적용된 응답스펙트럼 가속도에 대한 한반도 지역의 지진위험지도를 구축하는 것이다. 지반 분류별로 부지 효과를 고려하기 위해 확률론적 지진재해도 해석 시 부지 증폭 모델을 적용하여 지진위험지도를 작성하였다. 그리고 한반도 지역의 내진설계에 적용하기 위한 등재해도 응답 스펙트럼을 작성하였다. The 2016 Gyeongju and 2017 Pohang earthquakes caused casualties and economic damage in the surrounding areas. Therefore, the importance of earthquake damage prediction and seismic design in the Korean peninsula has increased. Probabilistic seismic hazard analysis (PSHA) is one of the well-known methods for predicting earthquake damage. The objective of this study is to construct Korean Peninsula seismic hazard maps of 5% damped response spectrum acceleration and peak ground acceleration, using PSHA. To consider the local effects for each site s classification, seismic hazard maps were constructed by considering the site amplification model. To conduct seismic design, uniform hazard response spectra (UHRS) were also constructed for the Korean peninsula.

논문 : 이차원 지반 유한요소 모델링을 통한 사면상부 지진지반운동의 지표면 지형효과 분석

선창국 ( Chang Guk Sun ),방기호 ( Ki Ho Bang ),조완제 ( Wan Jei Cho ) 대한지질공학회 2015 지질공학 Vol.25 No.2

지진지반운동 증폭을 야기하는 부지효과는 지하 토사 조건과 구조뿐만 아니라 지표 지형에 의해 지대한 영향을 받는다. 그럼에도 불구하고 국내에서는 최근 수십 년에 걸쳐 주로 지질 및 토사 조건과 관련된 부지고유 지진응답 연구들이 대부분을 차지해 왔으며, 이러한 국부 지질 효과는 잘 정립되어 현행 국내 내진설계기준들에 반영되고 있다. 이 연구에서는 현행 국내 내진설계기준에서는 고려되고 있지 않은 지표 지형효과 평가의 일환으로, 세 가지 다른 경사각 조건의 유한요소 지반 모델링을 통한 이차원 지진 부지응답 해석을 수행하였다. 이차원 유한요소 해석 결과인 최대 지반가속도와 가속도 응답스펙트럼을 추가적으로 수행한 일차원 유한요소 해석 결과와 비교하였다. 최대 지반가속도와 스펙트럴가속도는 대부분의 사면상부 영역에서 지형효과로 인해 이차원이 일차원 해석에 비해 크게 나타났다. Site effects resulting in the amplification of earthquake ground motion are strongly influenced not only by the subsurface soil conditions and structure, but also by the surface topography. Yet, over the last several decades, most studies of site-specific seismic responses in Korea have focused primarily on the seismic amplification associated with geologic and soil conditions. For example, the effects of local geology are now well established and have been incorporated into current Korean seismic design codes, whereas topographic effects have not been considered. To help address this shortcoming, two-dimensional (2D) seismic site response analyses, using finite element (FE) ground modeling with three different slope angles, were performed in order to assess the site effects of surface topography. We then compared our results, specifically peak ground acceleration (PGA) and acceleration response spectrum, to those of one-dimensional (1D) FE model analyses conducted alongside our study. Throughout much of the upper slope region, PGAs and spectral accelerations are larger in the 2D analyses than in the 1D analyses as a result of the topographic effect.

문화재를 중심으로 한 역사도시지역 지진 재해 위험도 평가: 부여

황혜진,김동수,박형춘 한국방재학회 2013 한국방재학회논문집 Vol.13 No.6

건축문화유산은 역사적 자산으로 안전하게 보존되어 후세대에 전달되어야 한다. 최근 전세계적으로 지진의 발생빈도 및 규모가 증가됨에 따라 문화재에 대한 지진 재해 대비가 요구되고 있다. 본 연구는 문화재와 관련된 지진 재해 연구로서, 건축 문화재 및 역사도시지역에 대하여 지진 재해 위험도를 지반공학적 측면에서 평가하였다. 건축문화재와 같은 구조물에 대한 지진재해는 지표면에 작용하는 지반 진동으로부터 발생하며, 이러한 지반 진동은 토사층 지반에 영향을 받는다. 본 연구에서는 문화재가 경험하는 지진에 의한 지반 진동 크기를 평가함으로써 지진에 따른 문화재의 재해 위험도를 간접적으로 평가하였으며, 다수의 문화재가 분포되어있는 부여 역사 도시를 선정하여 역사도시 전체에 대하여 문화재를 중심으로 한 지반조사 및 지반응답해석을 수행하여 개별 문화재 및 문화재가 집중되어 있는 부여 지역의 지진 재해 위험도를 평가하였다. Architectural heritage should be safely conserved as historic assets. Recently, frequency and magnitude of earthquake has dramaticallyincreased. Accordingly, disaster prevention for heritage conservation is required. This study is a geotechnical perspectivefor heritage conservation. It assess the seismic risk of architectural heritage and the historic city. The hazard occuring instructure such as architectural heritage arise from earthquake ground motion is largely influenced by the local site condition. Therefore, seimsmic hazard to heritage can be indirectly assessed through the assessment on the ground motion. In this study, seismichazard of Buyeo historic city where is located a lot of heritage is assessed by site investigation and site-specific ground analysis.

기술보고 : 국내 암반지층의 전단파속도에 근거한 지진공학적 기반암 결정

선창국 ( Chang Guk Sun ) 대한지질공학회 2014 지질공학 Vol.24 No.2

대부분의 내진설계 기준에서 설계지진지반운동은 기반암에서의 기준 스펙트럼과 지반동적 조건 정량화를 위한 부지증폭계수에 의해 정의된다. 특히, 지진공학적 기반암은 지진파가 증폭 없이 감쇠전파되는 기초적 지반구성층이다. 지진공학관점에서 기반암을 파악하기 위하여, 원위치 탄성파시험으로 획득한 전단파속도(VS) 자료를 시추조사 시 구분되는 암반층에 대해 살펴보았다. 국내 연암에서 대부분의 VS 자료는 강지진 관측소 설치 시 고려되는 공학적 기반암의 최저 VS 값인 750 m/s에 비해 크게 나타났으나, 풍화암에서는 전체의 60 % 정도가 작게 나타났다. 따라서 국내 풍화암 하부의 연암 및 그 이상 경도의 암반층을 지진공학적 기반암으로 고려해야 한다. In most current seismic design codes, design earthquake ground motions are defined by a reference spectrum, based on bedrock and site amplification factors that quantify the geotechnical dynamic conditions. Earthquake engineering bedrock is the fundamental geotechnical formation where the seismic waves are attenuated without amplification. To better define bedrock in an earthquake engineering context, shear wave velocity (VS) data obtained from in-situ seismic tests were examined for several rock strata in Korea; these data were categorized by borehole drilling investigations. The VS values for most soft rock data in Korea are > 750 m/s, which is the threshold VS value for identifying engineering bedrock from a strong motion station. Conversely, VS values are < 750 m/s for60% of VS data in weathered rock in Korea. Thus, the soft (or harder) rock strata below the weathered rock layer in Korea can be regarded as earthquake engineering bedrock.

지진동모델 파라미터 동시역산을 이용한 지진관측소 분류

연관희 ( Kwan Hee Yun ),서정희 ( Jung Hee Suh ) 한국지구물리·물리탐사학회 2007 지구물리와 물리탐사 Vol.10 No.3

The site effects of seismic stations were evaluated by conducting a simultaneous inversion of the stochastic point-source ground-motion model (STGM model; Boore, 2003) parameters based on the accumulated dataset of horizontal shear-wave Fourier spectra. A model parameter ko and frequency-dependent site amplification function A(f) were used to express the site effects. Once after a H/V ratio of the Fourier spectra was used as an initial estimate of A(f) for the inversion, the final A(f) which is considered to be the result of combined effect of the crustal amplification and local site effects was calculated by averaging the log residuals at the site from the inversion and adding the mean log residual to the H/V ratio. The seismic stations were classified into five classes according to logAmax1-10(f), the maximum level of the site amplification function in the range of 1 Hz < f < 10 Hz, i.e., A: logAmax1-10(f) < 0.2, B: 0.2 ≤ logAmax1-10(f) < 0.4, C: 0.4 ≤ logAmax1-10(f) < 0.6, D: 0.6 ≤ logAmax1-10(f) < 0.8, E: 0.8 ≤ logAmax1-10(f). Implication of the classified result was supported by observing a shift of the dominant frequency of average A(f) for each classified stations as the class changes. Change of site classes after moving seismic stations to a better site condition was successfully described by the result of the station classification. In addition, the observed PGA (Peak Ground Acceleration)-values for two recent moderate earthquakes were well classified according to the proposed station classes.

국내 광대역 지진관측소의 부지증폭 특성

김서영,김성균 한국지구과학회 2009 한국지구과학회지 Vol.30 No.7

One of the critical factors in accurate determination of earthquake source parameters, and in prediction of seismic hazards is the detailed information related to the site amplification characteristics. The site amplification characteristics of the broad-band seismic stations in Korea were estimated as a function of frequency in the range of 0.2 to 20 Hz. A total of 1275 seismograms recorded from 43 earthquakes observed from 2003 to 2008 in the southern Korean Peninsula were used. It was found that the site amplification ratios for 28 stations estimated from the inversion of the ground motion model were approximately concordant with those obtained from the horizontal-to-vertical (H/V) spectral ratio except for some stations. The spectral site amplification characteristics obtained in this study did not show any considerable spatial distribution. It revealed to be largely correlated with the degree of weathering rather than the basement rock type. Considering the spectral site amplification ratio, 28 broad-band stations were classified into four groups and the characteristics of each group were described in the text. 지진원 상수의 정밀한 결정과 지진재해의 예측에 있어서 결정적인 요인의 하나는 부지증폭 특성에 관한 상세한 정보이다. 한반도 광대역 지진관측소의 부지증폭 특성이 0.2-20 Hz 범위 내에서 주파수의 함수로 추정되었다. 한반도 남부에서 2003년부터 2008년까지 관측된 43개의 지진에 대한 총 1275개의 지진기록이 사용되었다. 지진동 모델의 역 산으로부터 추정된 28개소의 관측소에 대한 부지증폭비는 수직대 수평(H/V) 스펙트럼비로부터 얻어진 증폭비와 몇몇 관측소를 제외하고는 대체로 그 값이 일치하는 것이 발견되었다. 이 연구에서 얻어진 주파수별 부지증폭 특성은 어떤 뚜렷한 공간분포를 보이지 않았다. 또한 부지증폭 특성은 기반암 종류보다는 풍화의 정도와 크게 관련이 있는 것으로 나타났다. 주파수별 부지증폭비를 참조하여 28개소의 광대역 관측소를 4개의 그룹으로 나누었고, 그룹별 특징에 대하여 본문에 서술하였다.

부지응답해석을 이용한 지역별 대표 진도 산출 연구

안재광(Jae-Kwang Ahn),손수원(Su-Won Son) 한국지반환경공학회 2020 한국지반환경공학회논문집 Vol.21 No.1

지진원으로부터 전파되는 진동은 거리에 따른 감쇠와 지형 혹은 지질구조에 따라 지역마다 다른 증 · 감폭 특성을 가진다. 지진원에서 기반암까지의 전파되는 진동은 이격거리에 따른 감쇠의 영향이 크며, 이는 감쇠식을 통해 쉽게 추정할 수 있다. 하지만 지표면에 전달되는 진동 추정은 기반암 상부에 위치한 토층 고유주기의 영향을 받기에 위치별 지질정보 파악이 중요하다. 지질정보기반 진도 추정을 위해 지반조사 자료가 필요하며, Vs 주상도가 없을 경우 표준관입시험을 통해 대상지반의 강도 및 특성 파악에 주로 사용된다. 국토지반정보 포털시스템에서는 국내 지반에서 수행된 지반조사자료를 통합하여 관리하고 있으며, 표준관입시험 정보가 약 40만공을 구축되어 있다. 본 연구에서는 지반정보를 기반으로 체감형 진도정보 산출을 위해 권역별로 증폭계수 정량화가능성을 검토하였다. 이때 SPT-N치를 자료를 통해 전단파 주상도를 생성하고, 대상지역에 지반응답해석을 수행하였다. 권역별 증폭계수와 지진파의 주기별 진도 분포는 해석방법 및 권역설정에 따라 큰 차이를 보였다. Vibration propagated from seismic sources has damping according to distance and amplification and reduction characteristic in different regions according to topography and geological structure. The vibration propagated from the seismic source to the bedrock is largely affected by the damping according to the separation distance, which can be simply estimated through the damping equation. However, it is important to grasp geological information by location because vibration estimation transmitted to the surface are affected by the natural period of the soil located above the bedrock. Geotechnical investigation data are needed to estimate the seismic intensity based on geological information. If there is no Vs profile, the standard penetration tests are mainly used to determine the soil parameters. The Integrated DB Center of National Geotechnical Information manages the geotechnical survey data performed on the domestic ground, and there is the standard penetration test information of 400,000 holes. In this study, the possibility of quantitation the amplification coefficient for each region was examined to calculated the physical interactive seismic intensity based on geotechnical information. At this time, the shear wave column diagram was generated from the SPT-N value and ground response analysis was performed in the target area. The site coefficients for each zone and the seismic intensity distribution for the seismic motion present a significant difference according to the analysis method and the regional setting.

지표지형효과에 따른 지진지반운동 증폭에 대한 실용적 고찰

선창국,방기호,조완제,Sun. Chang-Guk,Bang. Kiho,Cho. Wanjei 한국방재학회 2012 한국방재학회논문집 Vol.12 No.3

지질지반 조건의 공간적 분포와 관련된 부지효과는 지진 시 지반운동의 증폭에 지대한 영향을 미친다. 즉, 지표부근 지질지반의 층상구조와 물성뿐만 아니라 지표면 지형 및 분지 형상이 부지효과의 영향 요인이다. 이러한 부지효과 관련 영향 요소들 중에서 단지 지표부근 지질지반 조건에 따른 증폭 정도만이 미국 서부지역 기준을 근간으로 하는 국내 현행 내진설계 지침에 반영되어 있다. 그럼에도 불구하고, 최근까지의 전 세계 지진 발생 사례들로부터 지표지형 변화에 따른 광범위하고 심각한 피해들을 확인해 볼 수 있다. 이러한 사례들의 구체적인 현상들을 이 연구에서 고찰 제시하였다. 또한, 지형효과의 정량화 기법을 파악하기 위하여 주요 내진설계 기준들을 검토하였다. 이러한 고찰 검토 내용들을 토대로, 국내 내진설계를 위한 지형효과 결정기법에 대해 예비적 토의를 진행하고 일차원과 이차원 수치 모델 해석 결과 비교를 통해 각각의 변수가 지형효과에 미치는 영향을 파악하는 것을 기존 기준들의 도입 개선과 함께 그 방안으로 제시하였다. Site effects associated with the spatial distribution of geologic and soil conditions have a significant influence on the amplification of ground motions during an earthquake. Exactly, the stratification structure and physical properties of near-surface soils and geology, as well as the surface topography and basin geometry, affect the site effects. Among these several influence factors on the site effects, only the amplification capabilities depending on the near-surface geologic conditions have been incorporated into current Korean seismic design guidelines, which is based on the codes in the western United States. Nonetheless, extensive severe damages caused by the irregularities in surface topography have been observed from the past and recent earthquake events over the world, and their detailed phenomena were investigated in this study. Several important seismic design codes were also reviewed to examine the methodologies for quantifying the topographic effects. Consequently, the methodology to determine the topographic effect in seismic design of Korea was discussed preliminarily and suggested as the quantitative comparisons between one- and two-dimensional numerical models, together with the introduction and modification of current other codes.

Linear and nonlinear site response analyses to determine dynamic soil properties of Kirikkale

Sonmezer, Yetis Bulent,Bas, Selcuk,Isik, Nihat Sinan,Akbas, Sami Oguzhan Techno-Press 2018 Geomechanics & engineering Vol.16 No.4

In order to make reliable earthquake-resistant design of civil engineering structures, one of the most important considerations in a region with high seismicity is to pay attention to the local soil condition of regions. It is aimed in the current study at specifying dynamic soil characteristics of Kirikkale city center conducting the 1-D equivalent linear and non-linear site response analyses. Due to high vulnerability and seismicity of the city center of Kirikkale surrounded by active many faults, such as the North Anatolian Fault (NAF), the city of Kirikkale is classified as highly earthquake-prone city. The first effort to determine critical site response parameter is to perform the seismic hazard analyses of the region through the earthquake record catalogues. The moment magnitude of the city center is obtained as $M_w=7.0$ according to the recorded probability of exceedance of 10% in the last 50 years. Using the data from site tests, the 1-D equivalent linear (EL) and nonlinear site response analyses (NL) are performed with respect to the shear modulus reduction and damping ratio models proposed in literature. The important engineering parameters of the amplification ratio, predominant site period, peak ground acceleration (PGA) and spectral acceleration values are predicted. Except for the periods between the period of T=0.2-1.0 s, the results from the NL are obtained to be similar to the EL results. Lower spectral acceleration values are estimated in the locations of the city where the higher amplification ratio is attained or vice-versa. Construction of high-rise buildings with modal periods higher than T=1.0 s are obtained to be suitable for the city of Kirikkale. The buildings at the city center are recommended to be assessed with street survey rapid structural evaluation methods so as to mitigate seismic damages. The obtained contour maps in this study are estimated to be effective for visually characterizing the city in terms of the considered parameters.