지진파의 스케일링

 지진파를 직접적으로 활용하여 시간이력해석을 진행 할 경우 해석에 적용하는 지진파 응답스펙트럼은 설계기준(건축구조기준)에 맞추어 조정을 할 필요가 있다. 이에 대한 스케일링 방식은 사용하는 지진파의 특성에 따라 나뉘니 관련 기준을 찬찬히 확인하며 진행할 필요가 있으며, 이 글에서는 해당 방법의 진행 과정을 개략적으로 남기려 한다.

 지진파를 산정하는 방법에서는 1) 역사 지진파를 스케일링하여 산정, 2)설계용 스펙트럼에 부합하는 인공 지진파를 생성하는 방법으로 나뉜다. 

 우선 역사 지진파를 활용하려면 http://ngawest2.berkeley.edu/site 이 사이트에서

좌측의 아이콘을 찾아 들어가면 설계 대상 부지에 맞는 지진파 데이터를 가져오는게 가능하다. 국내 설계 기준이 미국 설계기준에 근거하여 국내 지반 상황에 맞게 수정 보완되어 만들어졌기에, 미국 사이트에서 지진파 데이터를 뽑아왔으나 국내에서 지진 데이터 기록을 가져올 수 있다면 그것을 활용해도 되겠다.

 

 

 

 

 

 

 

여기서 지진 데이터를 가져오는 방식을 차근 차근 서술 할 수 있으나 간단히 소개한 자료가 있어서 가져온다.

www.dcr-enc.com/single-post/2016/02/28/%EC%A7%80%EC%A7%84%ED%8C%8C-%EC%8A%A4%EC%BC%80%EC%9D%BC%EB%A7%81

지진파 스케일링

 

 

 

 

 

 

여기서 자신의 설계조건에 맞추어 지진파 조건을 입력하여 검색하면 역사 지진파 중 자신이 설정한 값에 더 가깝게 부합하는 순서대로 역사지진파가 출력된다.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 그 이후 다운받은 지진파 데이터를 사용하여 응답스펙트럼을 생성하고 기준에 맞게 스케일링을 진행하여 사용하면 되겠으며 각자의 방식으로 진행하면 되겠다. 내가 올린 사이트에는 마이다스 자체 내의 기능을 통해 응답스펙트럼으로 변환하고 그것을 다시 조정하여 마이다스 젠 입력용 데이터를 만드는 방식을 사용하였으나

 개인적인 연구용으로 파이썬을 이용해 코드를 짜서 지진파 스케일링을 진행해 보았다. 아래는 해당 코드를 활용해 스케일링한 지진파 응답스펙트럼 출력 값이다.

역사 지진 7개에 대한 응답스펙트럼 평균값과 설계응답스펙트럼 평균값의 90%의 1.3배를 확인하는 모습

 이와 관련한 설계기준은 KDS 41 17 00 - 7.3.4.1 설계지진파 항목을 참고하며 해당 내용의 해설이 필요하다면 과거 기준인 KBC2016의 [0306.7.4.1 설계지진파 산정,  0306.12.3.3 지반운동]  해설내용을 참고하길 바란다.

 

 이렇게 스케일링을 하면 실무에서 검토시에는 다소 불편할 수 있기에 개별 지진파를 별도로 스케일링 한 후 다시 보정된 7개의 지진파를 가지고 재 스케일링을 하여 각각의 최종스케일팩터를 산정하면 더욱 유용할 수 있다.

 

 개인적으로 엑셀 내에서 cmd 언어를 구동하여 내가 만든 계산 프로그램을 실행시켜 응답스펙트럼을 계산하고 그것을 바탕으로 스케일링을 하는 방법을 나는 이용하고 있다.  엑셀이 아니라 내가 작성해둔 외부 프로그램 만으로도 자체적으로 돌아가게 되어있지만... 개인적으로 계산근거로 제시할 데이터 테이블이나 gui를 사무소 양식에 맞게 손보는게 귀찮아서 다른 계산서에서 한번 본 그래프 양식을 떠올리며 엑셀로 그래프만 뽑는걸 생각하였고 데이터 표를 만들 용도로만 연동시켜 쓴다.

실제 설계를 위해 적용한 지진파 스케일링 예시

 

 

 peer 웹 사이트에서 캡쳐한 스케일링 예시의 그래프는, 스케일링 예시를 위해 보정 스케일 펙터 값이 크게 요구되는 지진을 위주로 선택하여 데이터를 조정했기에 스케일링후 설계응답스펙트럼과 다소 차이가 있는 모습을 보였지만 선택된 지진파의 종류에 따라서 응답스펙트럼의 평균 그래프가 설계 응답스펙트럼의 모양에 더 가까워 질 수 있는데 이러한 과정은 결국 개별 지진파를 어떻게 유효하게 스케일잉 하는가에 관한 기준이기 때문에 모양 자체는 기준상으로 문제되지는 않는다.

 ****개인적으로 공부를 하면서 여러 지진파에 대해 해석을 반복적으로 돌리면서 느낀 것은 기준으로 제한하는 "설계대상 구조물 기본진동주기의 0.2배부터 1.5배 사이에 해당되는 주기에 대해서 설계스펙트럼의 1.3배보다 10% 이상 작지 않도록 해야 한다."의 내용이 부족한 부분이 있지 않나 싶다. 탄성상태에서의 주기와 대비하여 부재의 손상 이후 생기는 소성 거동에 대해 고려하기 위해 주기 범위를 지정하기는 하였는데, 구조시스템의 자체 내력을 이용한 내진시스템이나 주 골조와 고유주기가 먼 면진시스템은 이런 기준만으로 설계하는게 유효할지 모르겠으나 기존 구조물이 상당히 내진 성능이 부족하고, ASAD 형태의 감쇠장치를 많이 배치하여 보강을 한 경우 초기 강성으로 계산된 고유주기 값이 항복이후 강성과 상당한 차이를 보여, 실질적으로 전체 구조물이 손상을 입은 이후엔 기본주기의 1.5배보다 훨씬 더 뒤에서 영향을 받는 모델을 만들수가 있는데, 이 경우 지진파를 어떻게 선정하는지 따라서 기준에 맞춰 지진파를 스케일링하더라도 해석 평균값의 편차가 상당해 보인다.