최근 원자력발전소의 내진설계에 대한 규제지침이 강화됨에 따라 대부분의 신규 원자력발전소에서 지반-구조물 상호작용(Soil-Structure Interaction, SSI)의 영향을 고려한 내진해석이 요구되고 있으며, 규제지침 등을 통하여 지반-구조물 상호작용 해석에 필요한 다양한 해석의 기준이 제시되어 있다. 이러한 다양한 해석기준 중에서 일부가 지중에 묻혀있는 구조물에 대한 지반-구조물 상호작용 해석을 수행하는 경우 지진이 발생하는 동안 측면 지반과 구조물이 서로 분리되어 묻힘효과(Embedment Effect)가 감소되는 효과를 고려하도록 명시하고 있다. 또한 이러한 묻힘효과 감소를 실제 해석에서 고려하기 위하여 묻힘 깊이의 일부에 대해 구조물과 측면 지반의 비접촉을 가정하거나 지반의 특성을 변화시켜 묻힘에 의한 유효강성을 감소시키도록 규정하고 있다.
본 연구에서는 단순 평가되어 있는 현행의 구조물 묻힘효과 기준에 대하여 다수의 동적 특성을 가지는 지반과 구조물을 모사하고, 지반-구조물 상호작용 해석을 통한 결과를 분석하여 묻힘효과에 대한 지반과 구조물의 동특성 영향을 평가하고자 하였다. 이와 같은 평가를 위해 고정지반을 포함하는 총 6 Case의 포괄부지 지반모델을 개발하였으며, 5 Case의 다양한 고유진동수를 가지는 구조물 모델을 생성하였다. 또한 본 연구의 지반-구조물 상호작용 해석에 적용한 ACS SASSI 프로그램의 유연체적 부분구조법 해석 이론에 적용이 가능하도록 3 Case의 묻힘조건 모델을 생성하였다. 지반-구조물 상호작용 해석을 위하여 원자력발전소 내진설계의 규제지침을 만족하는 인공의 가속도시간이력을 작성하였으며 포괄지반에 대한 부지응답 해석을 수행하여 그 결과를 지반-구조물 상호작용 해석의 1차 비선형 지반 물성으로 적용하였다. 지반과 구조물의 동특성 및 측면 지반에 대한 묻힘조건 모델을 복합적으로 고려하여 총 90 Case의 지반-구조물 상호작용 해석을 수행하였으며, 해석결과에 따른 구조물의 층별 응답스펙트럼과 기초 바닥면에 대한 층별 상대변위의 비교를 통하여 결과를 분석하고 연구의 결과를 도출해 내었다.
지반-구조물 상호작용에서 묻힘효과에 영향을 미치는 인자는 구조물과 측면 지반의 관성 상호작용(Inertial Interaction)에 의한 영향이 주된 요인으로 나타났다. 일반적인 해석조건에서 관성 상호작용에 의한 영향은 묻힘효과를 배제하는 경우 구조물 측면의 구속 효과가 감소됨으로써 구조물의 고유진동수가 감소하고 방사감쇠의 변화에 따라 구조물의 유효감쇠비가 증가하는 경향을 나타내었다. 이러한 경우 현행의 묻힘효과에 대한 규제지침을 해석에 반영하고 추가적으로 지반의 불확실성을 고려하기 위해 지반 특성의 최적추정치(Best Estimate) 및 상?하한값(Upper and Lower Bound)에 대한 응답의 포락을 고려하는 경우 충분히 합리적인 내진설계가 가능한 것으로 판단된다. 하지만 본 연구에서 가정한 다양한 해석조건 중 일부 조건에서는 일반적인 경향과 상이한 결과가 나타났다. 대표적으로 저진동수 구조물과 견고한 지반 또는 고진동수의 구조물과 연약한 지반 그리고 구조물 기초 저면을 기준으로 상?하부 지반층의 물성이 변화하는 경우의 해석결과는 현행의 묻힘효과 기준을 준용하는 것이 보수적이거나 합리적인 설계가 아닐 수 있음을 알 수 있었다. 따라서, 지반-구조물 상호작용 해석를 고려한 내진설계에서 구조물의 묻힘효과에 대한 영향을 합리적으로 반영하기 위해서는 구조물 주변의 지반에 대한 동특성 평가가 선행되어야 하며, 이를 기본으로 현행의 묻힘효과에 대한 해석 기준을 고려한 결과와 실제 구조물 계획상의 묻힘 깊이를 모두 고려한 해석 결과를 포락하는 응답에 대해 구조물 및 시스템의 설계를 하는 것이 타당한 것으로 판단된다.

Recently, seismic analysis considering the effect of Soil-Structure Interaction(SSI) is required in most new nuclear power plants as the regulations for the seismic design of nuclear power plant have been strict. Therefore, it is providing various design criteria required for SSI analysis through regulatory guidelines. Among these various design criteria, it’s call for the reduction of the embedment effect which occurs when the lateral soil and a structure are separated from each other during an earthquake in the SSI analysis of structures that are embedded partially in the underground. In additional, order to apply the reduction of the embedment effect in the practical analysis, it is suggested that the non-contact with a part of the embedding depth is assumed, or the effective stiffness by embedding is reduced by changing the characteristics of the soil.
The purpose of this study is to evaluate the influence of soil and structure dynamic characteristics on the embedment effect on the dynamic characteristics of the structure by examining the results of the SSI analysis considering various soils and structures about the current simple embedment effect criteria. The purpose of this study is to evaluate the influence of soil and structure dynamic characteristic on the embedment effect through the SSI analysis considering various soil and structure properties on the current simple embedment effect criteria. For this purpose, six generic soil models including fixed base conditions and five structural models with various natural frequencies were created. Furthermore, three embedment models were developed to applied for the ‘flexible-volume substructure method’ of the ACS-SASSI program that was applied in the SSI analysis of this study. And an artificial acceleration time-history was generated which satisfied the seismic design criteria of the nuclear power plant for SSI analysis. The soil responses analysis of generic soil model were performed, and the results were applied as a primary nonlinear soil property to the SSI analysis. Ninety SSI cases were analysed, considering for the dynamic characteristics of soil and structure and embedment models for lateral soil. The results were reviewed by comparing the floor response spectra of the structure and the relative displacement of each floor to the foundation bottom surface, and the results of the study were derived.
The inertial interaction was identified as the variable having the greatest influence on the embedment effect between the structure and lateral soil in the SSI analysis. As regards the effect of inertial interaction in a general analysis condition, the confining effect of the sides of a structure was reduced when the embedment effect was excluded. The natural frequency of the structure consequently became lower, and the effective damping of structures tended to increase following changes in radiation damping. In this case, a reasonable seismic design is possible if the analysis of the current regulation criteria on the embedment effect is reflected in the analysis, and the enveloped response to the best estimates and the upper and lower bounds of the soil properties are taken to consider the uncertainty of the soil. However, some of the various analytical conditions assumed in this study are somewhat different from the general tendency. For instance, it was found that conforming to the current criteria for the embedment effect was not necessarily a conservative or a reasonable design in particular cases. These include cases in which the low-frequency structure and rigid soil, or the high-frequency structure and soft soil, and the physical properties of the upper and lower soil layers changed in reference to the bottom surface of the structure foundation. Therefore, in order to reasonably reflect the effect of the structure on the embedment effect in the SSI analysis, it is necessary to evaluate the dynamic characteristics of the ground around the structure, and based on this, it is reasonable to apply the enveloped responses considering the embed depth by the design criteria and the actual embed depth.