[논문 리뷰] Earthquakes in cities revisited

Armand Wirgin|arXiv (Cornell University)|2016. 07. 29.

Seismology and Earthquake Studies참고 문헌 31인용 수 3

한 줄 요약

이 논문은 지진 동안 지면 진동을 줄이는 데 도움이 된다는 널리 인용되는 '유익한 효과'에 도전하며, 추가 질량으로 인해 지면 진동이 감소할 수는 있지만, 건물에 전달되는 에너지는 여전히 상당할 수 있음을 입증한다. 특히 공진 주파수에서 입력 지진 에너지의 최대 50%가 건물로 전달될 수 있음을 보여준다. 에너지 보존 원리와 임피던스 결합 블록 근사법(ICBA)을 사용하여, 건물의 진동과 손상 가능성이 감소하지 않음을 밝혀내며, 이론적 모델과 세인다이나미카 및 캄파운드의 실제 지진 피해 간의 모순을 해소한다.

ABSTRACT

During the last twenty years, a number of publications of theoretical-numerical nature have appeared which come to the apparently-reassuring conclusion that seismic motion on the ground in cities is smaller than what this motion would be in the absence of the buildings (but for the same underground and seismic load). Other than the fact that this finding tells nothing about the motion within the buildings, it must be confronted with the overwhelming empirical evidence (e.g, earthquakes in Sendai (2011), Kathmandu (2015), Tainan City (2016), etc.) that shaking within buildings of a city is often large enough to damage or even destroy these structures. I show, on several examples, that theory can be reconciled with empirical evidence, and suggest that the crucial subject of seismic response in cities is in need of more thorough research.

연구 동기 및 목표

• 도시에서 이론적으로 예측된 지면 진동 감소와 실제 지진 시 건물 피해가 심각한 현상 간의 모순을 해결하기 위해.
• 도시 지역의 지진 위험 지표로 지면 진동에서 건물/블록 진동으로의 초점을 전환하기 위해.
• 토양, 건물, 블록 간 에너지 분포를 고려한 물리적으로 일관된 도시 지진 반응 모델링 프레임워크를 개발하기 위해.
• 도시 질량이 유발하는 '유익한 효과'가 구조적 손상 가능성을 감소시키지 않는다는 것을 입증하기 위해.
• 장기 지속 지진 진동과 복잡한 도시 구조를 고려한 향후 연구의 기초를 마련하기 위해.

제안 방법

• 반공간, 토양층, 도시층, 개별 블록 또는 건물 간에 지진 에너지가 어떻게 분포되는지 추적하기 위해 에너지 보존 기반 분석을 제안한다.
• 정기적인 도시 블록 배열을 단순화하면서도 정확한 방법으로 모델링하기 위해 임피던스 결합 블록 근사법(ICBA)을 도입한다.
• 저비율 비율 블록 및 층에 대해 ICBA의 정확도를 검증하기 위해 엄밀한 수식(고정 표면 모델 및 경계 요소 방법)을 사용한다.
• 특히 토양과 건물의 고유 주파수 간 공진 주파수 근처에서 에너지 전달을 분석하기 위해 ICBA를 적용한다.
• ICBA를 등가 표면 임피던스 및 경계 요소 방법과 비교하여 그 정성적·정량적 타당성을 평가한다.
• 3차원 구조에서 평면파 및 소스 파동 하중을 적용하여 복사 감쇠 및 장기 지속 진동을 탐구한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 지면 진동이 감소함에도 불구하고 도시 블록의 존재는 건물로 전달되는 지진 에너지를 감소시키는가, 증가시키는가?
• RQ2 세인다이나미카 및 캄파운드와 같은 도시에서 지면 진동이 이론적으로 감소했음에도 불구하고 건물이 심각한 피해를 입는 이유는 무엇인가?
• RQ3 도시 질량이 유발하는 '유익한 효과'는 실제 지진에서 관찰된 구조적 손상과 어떻게 조화를 이룰 수 있는가?
• RQ4 다양한 주파수에서 토양, 도시층, 개별 블록 간에 지진 에너지가 어떻게 분포되는가?
• RQ5 고비율 비율 건물에 대해 ICBA 모델이 도시 지진 반응에서 에너지 전달을 얼마나 정확하게 표현할 수 있는가?

주요 결과

• 토양과 건물의 고유 주파수 간 공진 주파수에서, 입력 지진 에너지의 최대 50%가 건물로 전달될 수 있으며, 이는 지면 진동이 감소한 상황에서도 성립한다.
• '유익한 효과'(추가 질량으로 인한 지면 진동 감소)는 건물의 진동 또는 손상 가능성을 감소시키지 않음을 의미한다.
• 에너지 보존 분석을 통해, 도시가 없을 때보다 지면 진동이 낮아졌음에도 불구하고 건물이 큰 진동을 경험할 수 있음을 밝혀냈다.
• ICBA는 균일한 층과 저비율 비율 블록에 대해 지면 및 건물 진동을 정량적으로 정확하게 예측하며, 고비율 비율 구성에 대해서도 정성적으로 의미 있는 결과를 제공한다.
• 이 모델은 멕시코시티 및 세인다이나미카와 같은 도시에서 분석된 분석에 따라, 약 1분 이상 지속되는 강력하고 장기적인 진동이 발생할 수 있음을 설명한다. 이는 러브 파와 공진 모드와의 결합과 관련이 있다.
• 도시 지진 모델링에서 사용되는 균질화 기법은 다양한 지진원 조건 하에서 복잡하고 비정규적인 도시 구조를 정확히 표현하기 위해 추가로 개선되어야 한다.