[논문]케이슨식 안벽의 내진보강 성능 평가 -수치해석적 측면에서-

권오순; 황성춘; 박우선

문제 정의

지금까지 지진에 대한 고려를 전혀 히-지 많았던 항만 구조물에 있어서는 내진에 대한 관심이 육상구조물에 비해 늦기는 하지만 지진이 발생하더라도 라이프라인을 유지할 수 있는 최소한의 대책에 대하여 연구가 진행되고 있디-- 이번 연구는 항만시설의 내진 성능 향상의 일환으 로 내진 설계가 되어 있지 않은 기존 안벽구조물에서 적용될 수 있는 여러 가지 내진 보강공법에 대한성능평가 릍 실시하였다. 본 논문은 케이슨 안벽에 대한 진동 대 모형 실험과 연관하여 수치적인 해석을 실시하여 내진 보강 공법의 효율성과 보강공법 간의 니친 성능을 비교하였디-.
지금까지 지진에 대한 고려를 전혀 히-지 많았던 항만 구조물에 있어서는 내진에 대한 관심이 육상구조물에 비해 늦기는 하지만 지진이 발생하더라도 라이프라인을 유지할 수 있는 최소한의 대책에 대하여 연구가 진행되고 있디-- 이번 연구는 항만시설의 내진 성능 향상의 일환으 로 내진 설계가 되어 있지 않은 기존 안벽구조물에서 적용될 수 있는 여러 가지 내진 보강공법에 대한성능평가 릍 실시하였다. 본 논문은 케이슨 안벽에 대한 진동 대 모형 실험과 연관하여 수치적인 해석을 실시하여 내진 보강 공법의 효율성과 보강공법 간의 니친 성능을 비교하였디-.

제안 방법

등가 선형화 이론을 적용히는 경우에는 기반암에서 지진파가 입력되며 감쇠비는 싶험결과에 의거하여 변형률 의존 곡선을 사용한다. 그러나, 유한요소해석의 경우에는 속도벡터에 곱해지는 감쇠 특성 행렬로 적용된다’ 띠-라서, 엄밀한 전응력 해석과 유효응력해석 결과의 비교는 어려우며, 일빈적으 로 전 응력해석에서는 지빈-의 변위와 가속도 음답특성을 고찰하고 유효음력헤석에서는 긴 그 수압발현 및 소산특 성을 고찰하여 보았다
이번 연구에서는 지반의 액상화를 모델링히-기 위해 액 상화현상을느슨한상태의 모래가圣밀한 상태의 모래로 변화하는 동적인 이동 현상(cyclic mobility)이 발생한다고 징의하여 지반-의 거동을 해석하는 방법인 cyclic mobility model을 도입히였다, 이 모델에서 가장 중요한 인자가 바로 변상선(phase tfansfonnation line)고卜 전단일 (shear work)이 같은 응력 점을 인결한 곡선인 등전단일선 (equal shear work envelope)이다. 반복재하에 따라 점차 전단 일이 누적되어 등전단일선은 점차 파괴표락선에 접근하고 있으며, 이러한 곡선을 액상화의 관점에서 다른 표현으로 액상화 전선(liquefhction fignt)라고 부른다.
사용 응력 상태 범위에서 최대 전단탄성계수와 사용변형률 범위에서의 전단탄성계수와 감쇠비의 변형률 의존 고 선을 도출하였으며, 그 결과는 다음 그림 5 및 그림 6과 같다. 일반적으로 지반의 전단탄성계수는 미소변형에서 최대값을 나타내기 때문에 현장 시험에서 측정한 값을 사용하여야 하지만, 현장시험을 실시히-지 못하였기 때문에 실내 공 진주시험에서 측정된 최 대전단탄성 계수를 안전 측으로 사용하였다’ 최대 전단 탄성계수는 변형률에 무관하게 일정한 값을 보이는 한계 변형률(threshold strain) 이하에서 측정하였다.
입력 지진파는 4Hz의 정현파를 0.15g 진폭으로 5초반 적용시켰으며, 지진파는 지반의 하단에 작용하는 것으로 보고 해석을 실시하였다&rsquo;
케이슨 식 안벽의 내진보강성능을 평가하기 위하여 보강하지 않은 무보강 안벽과 대표적인 서로 다른 보강기법을 적용한 3가지 단면에 대한 검토를 실시하였다. 내진 보강안벽은 안벽에 작용히는 토압을 경감시키며 배수를 촉 친 시키는 사석 치환공법과 경량치환공법 그리고 안 벽 배면 지반의 강도를 증가시키는 모래 다짐 말뚝 보강공법을 적용한 안벽 단면을 사용하였다.
해석에 사용될 지반의 동적 강도 정수를 구하기 위하여 공 진주시험을 실시하였디-. 사용 응력 상태 범위에서 최대 전단탄성계수와 사용변형률 범위에서의 전단탄성계수와 감쇠비의 변형률 의존 고 선을 도출하였으며, 그 결과는 다음 그림 5 및 그림 6과 같다.
해석은 2차원 전응력해석과 유효음력해석으로 구분하여 실시하였다. 전응력해석은 전단탄성계수와 감쇠비의 변형률 의존 특성을 고려한 등가선형화이론(Lysmer, et al.

데이터처리

해석을 수행한 4개 단면에 대한 진동대시험을 수행한 결과와 수치해석 결과를 비교해 보았다. 다음 그림 17은 실험결과(김성렬 듬, 2000)와 해석 결과에서 얻어진 과잉 간극수압 응답 특성을 비교.

이론/모형

케이슨 식 안벽의 내진보강성능을 평가하기 위하여 보강하지 않은 무보강 안벽과 대표적인 서로 다른 보강기법을 적용한 3가지 단면에 대한 검토를 실시하였다. 내진 보강안벽은 안벽에 작용히는 토압을 경감시키며 배수를 촉 친 시키는 사석 치환공법과 경량치환공법 그리고 안 벽 배면 지반의 강도를 증가시키는 모래 다짐 말뚝 보강공법을 적용한 안벽 단면을 사용하였다. 다음 그림 4는 케이 슨식 안벽의 내진보강 성능 평기藉 위해 실시된 진동 대 실험에 사용된 단면을 나타낸 것으로 이번 연구에서도 동일한 조건의 단면에 대하여 해석을 수행하였디■(김성렬 등, 2000).
해석은 2차원 전응력해석과 유효음력해석으로 구분하여 실시하였다. 전응력해석은 전단탄성계수와 감쇠비의 변형률 의존 특성을 고려한 등가선형화이론(Lysmer, et al., 1974)을 적용하는 AFNAX-2D를 사용하였오며, 유효응력해석은 힌-극수압 연관해석을 수행히는 대표적인 상용유한요소해석 프로그램인 况02Q(해석프로그 램 FLIP)를 사용하였다.

성능/효과

(4) 해석 결과에서 경량치환 안 벽은 지반의 중랑을 감소 시 켜주기 때문에 모래 다짐 말뚝 보강안벽보다 안벽 하부 지반의 과잉간극수압을싱-대적으로 작게 유발하는 것으로 나타났다다.
(5) 진돔대 시험에서 측정된 과잉간 극수압의 분포특성과 유효응력해 석 결과를 비교해본 결괴, , 실험과 해석에서 모두 일관된 경향을 가지고 있음을 알 수 있었다.
⑵ 최대 변위는 안벽 상단에서 발생하였으며, 경 랑치 환안 벽과 모래 다짐 말뚝 보강안벽에서 발생한 최대변위는 무 보강 안벽과과 사석■치환 안벽에서 발생한 최대변위의 약 26% 정도로 뚜렷한 감소 추세를 확인할 수 있었다
⑶ 유효응력해석 결과에서 얻어진 과잉간극수압도 경량 치 환 안벽 과 모래 다짐 말뚝 보강안박 이 무보강안벽 과 사석치환안冯의 경우보다 작은 것으로 나타났다.
해석 결과와 실험 결과 모두 무보강안벽과 시-석 치환 안벽보다는 경 량치환 안벽과 SCT보강안벽이 과잉 간극수압이 작게 발생하는 것으로 나타났디-. 그러나, 진 동대시험 결과에서는 경량치환 안벽에서 가장 작은 과잉 간극수압이 발생하는 것으로 나타났지민-, 해석 결과에서는 SCP보강안벽에서 상대적으로 더 작은 과잉간극수압이 발생 하는 것으로 나타났다.
유효응력해석에서 얻어진 간극수압 응답 특성은 대체 적으로 0.5초 미만의 시점에서 최대 과잉간극수압이 발생한 후 점차 소산되는 특성이 나타났다. 전응력해석과 마찬가지로 경량치환안벽과 SCP보강안벽이 다른 안벽의 경우에 비하여 상대적으로 과잉간극수압이 작게 발■싱하 는 것으로 나타났다.
5초 미만의 시점에서 최대 과잉간극수압이 발생한 후 점차 소산되는 특성이 나타났다. 전응력해석과 마찬가지로 경량치환안벽과 SCP보강안벽이 다른 안벽의 경우에 비하여 상대적으로 과잉간극수압이 작게 발■싱하 는 것으로 나타났다. 그러나, 안벽의 하부지반에서 발생한 과잉간극수압은 지반의 자줌을 감소 시 킨 경 랑치환안 벽에서 가장 작게 나타났다.
그림 9는 지진동에 의해 발생하는 과잉간극수압의 응답 특성을 시간에 따라 나타낸 것이다. 최대 과잉 긴 극 수 압이 발■생하는(128초를 지나면서 과잉간극수압이 점차 감소하는 것으로 나타났다. 그림 9 (a)에서 나타난 바와 같이 최대 과잉간극수압이 발생할 시 점에서 유효구속압 에 대한 발생괴-잉 간극수압의 비를 뜻하는 과잉간극수압 비가 거의 1메 가까워지는 것을 알 수 있디-.
2鲍)로 나타났으며, 사석 재료의 하단에서 최소의 응 답가속도를 나타내고 있디-. 최대변위는 안벽 상단에서 18mm가 발생하는 것으로 나타나 무보강안벽이나 사석 치환 안벽보다 싱-대적으로 작은 변위가 발생하였다
다음 표 2는 전응력해석에서 최대변위가 빌-생하는 시 점과 유효옹력 해석에서 최대 과잉 간극수압이 발생하는 시점을 요약, 정리한 것이다. 표에서 간극수압은 지진 동이 작용하기 시작한 직후에 바로 최대 값에 도달하지만 안벽 상단에 발생하는 최대변위는 상대적으로 시긴-이 경 과한 후에 발생히는 것으로 나타났다. 이러한 경향의 원인은 지반의 동적 거돔특성으로부터 찾을 수 있다.
도시한 것으로, 전반적으로 실험과 해석의 결과가 일관된 경향을 가지고 있음을 알 수 있다. 해석 결과와 실험 결과 모두 무보강안벽과 시-석 치환 안벽보다는 경 량치환 안벽과 SCT보강안벽이 과잉 간극수압이 작게 발생하는 것으로 나타났디-. 그러나, 진 동대시험 결과에서는 경량치환 안벽에서 가장 작은 과잉 간극수압이 발생하는 것으로 나타났지민-, 해석 결과에서는 SCP보강안벽에서 상대적으로 더 작은 과잉간극수압이 발생 하는 것으로 나타났다.
해석 결괴-, 하단에서 입력된 지진동은 치반 내를 전파 하면서 증폭되는 경향을 보였다. 그림 7은 지반의 최대 횡 방향 기속도 응답을 나타낸 것으로, 최대 지반가속도는 지반 상부에서 200gal(=0.

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