[논문]중력식댐의 지진시 안전검토에 대한 뉴 패러다임

배정주; 김용곤; 이지호

중력식댐의 지진시 안전검토에 대한 뉴 패러다임
New Paradigm on the Safety Check of Concrete Gravity Dams at Earthquake 원문보기

한국안전학회지 = Journal of the Korean Society of Safety, v.24 no.6, 2009년, pp.86 - 92

배정주 (한국시설안전기술공단) , 김용곤 (한경대학교 안전공학과) , 이지호 (동국대학교 토목환경공학과)

Abstract ▼ AI-Helper

In the safety check of gravity dams at earthquake, there have been two types of analysis conducted simultaneously; one is stability analysis and the other stress analysis. But those are essentially the same calculation other than the former considers the dams rigid, while the latter considers the dams' dynamic characteristics which results in the amplification of response acceleration on the upper part of dam body. In this paper, the identity of those two methods is verified by example calculation in terms of stability check of gravity dam. It can be concluded that if stress analysis were performed, stability check of gravity dam could be accomplished with the results from stress analysis, removing unnecessary present dual calculation practice.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 상기의 가설을 입증하기 위해 연구대상 댐에 대한 안정계산과 응력검토 후 이들의 동일성을 증명하였다.

가설 설정

댐체의 지진응력 해석시 Solid 요소를 이용한 3차원 유한요소해석을 수행하였으며, 해석모델은 탄성범위 내에서 거동한다고 가정하였다. 또한, 프로그램은 범용적이고 다양한 하중조건을 고려한 모델링과 전처리 및 후처리가 용이한 MIDAS를 이용하였다.
한편, 콘크리트의 동적 탄성계수는 정적탄성계수에 25%를 할증하여 적용하였으며, 동적 포와송비는 정적 포와송비와 같다고 가정하였다. 감쇠비는 철근콘크리트의 경우 일반적으로 적용하는 5%를 적용하였다.

제안 방법

또한, 프로그램은 범용적이고 다양한 하중조건을 고려한 모델링과 전처리 및 후처리가 용이한 MIDAS를 이용하였다. 댐체의 3차원 유한요소 모델 구성 후 경계조건으로 암반스프링을 댐체 저면에 설치하였다. 암반스프링은 기존 댐의 내진성능 평가 및 향상요령⁶⁾을 참조하여 식 (4)와 같이 적용하였다.
동수압은 지진발생시 유체가 댐체에 부가되어 일체로 거동하는 것처럼 나타나므로, 부가질량으로 환산하여 댐체에 부가하였다. 또한 수문, 권양기 및 관리교도 지진 시 댐체와 일체로 거동하므로, 부가질량으로 환산하여 댐체에 부가하여 댐체의 정확한 동적거동을 산정하였다.
지진 시 댐체의 안정여부 판정을 위해, 댐체를 강체로 가정 후, 균일한 지진계수가 댐체에 균일하게 수평으로 작용 시, 전도, 활동 및 지반반력을 검토하게 된다.

이론/모형

댐설계기준의 내진관련규정⁵⁾에 근거하여 본 댐의 지진 시 지진계수는 0.09로 정하였으며, 지진 시 동수압은 댐설계기준에 제시된 Westergaard 공식을 이용하여 산정하였다. 상기의 조건에 의해 지진시 댐체에 작용되는 총 하중은 Table 3과 같다.
댐체의 지진응력 해석시 Solid 요소를 이용한 3차원 유한요소해석을 수행하였으며, 해석모델은 탄성범위 내에서 거동한다고 가정하였다. 또한, 프로그램은 범용적이고 다양한 하중조건을 고려한 모델링과 전처리 및 후처리가 용이한 MIDAS를 이용하였다. 댐체의 3차원 유한요소 모델 구성 후 경계조건으로 암반스프링을 댐체 저면에 설치하였다.

성능/효과

따라서, 댐체의 상·하류 방향에 대한 주요 모드 형상 확인결과, 저주파영역의 4개 모드가 주요모드였으며 이들을 통해 질량참여도를 90% 이상 확보하였다.
지진 시 및 평시 댐체 저면에서의 연직력과 수평력의 각 합은 응력검토결과와 안정계산결과가 거의 동일한 결과를 산출하였다. 수직 반력의 비율과 수평 반력의 비율은 지진시 및 평시에 각각 5% 이내의 오차범위에 있는 것이 확인된다. 댐체 저면에서의 활동에 대한 검토 결과 또한 거의 동일한 결과를 산출하였다.
지진 시 및 평시 댐체 저면에서의 동적해석에 의한 응력검토결과와 정력학적해석에 의한 안정계산결과를 Table 6에 비교하였다. 지진 시 및 평시 댐체 저면에서의 연직력과 수평력의 각 합은 응력검토결과와 안정계산결과가 거의 동일한 결과를 산출하였다. 수직 반력의 비율을 보면 지진 시 1.

후속연구

이들 반력값을 사용하여 안전율을 계산한 후 이 값이 최소안전율보다 크다면 활동에 대한 안정도 확보된다고 볼 수 있다. 결론적으로 응력검토결과에 근거하여 전도, 활동, 지지력을 계산한다면, 지진 시 댐체의 안정계산을 별도로 수행할 필요가 없을 것이다.
댐체 저면에서의 압축응력의 최대·최소값이 큰 큰 차이가 나는 이유는 안정계산에서는 바닥면 전체에 대한 평균적인 응력분포를 가정한 반면, 응력검토결과는 유한요소법에 의해 부위 별로 자세히 응력을 계산했기 때문으로 판단되며 응력검토결과가 좀 더 현실에 가까운 응력을 산출한 것으로 판단된다. 이에 따라 동적해석에 의한 응력검토에 근거하여 전도, 활동, 지지력을 계산한다면, 지진시 댐체의 안정계산을 위한 별도의 정력학적 계산을 수행하지 않고도 댐체의 안정검토를 하는 방법이 적용 가능할 것으로 보인다.
그런데 이들은 지진에 대한 댐체의 안전을 정력학적 또는 동력학적으로 검토하는 차이가 있을 뿐 근본적인 차이가 없는 방법이다. 즉, 댐체의 동적해석을 실시하게 되면 그 결과를 이용하여 응력검토와 더불어 전도, 활동, 지지력을 검토할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	연구대상 댐에 대한 안정계산과 응력검토 후 이들의 동일성을 증명하고자 한 본 연구는 어떤 결론은 가지는가?	상기에서와 같이 안정계산이나 응력검토는 지진 하중의 댐 상부로 감에 따른 증폭현상을 감안해 주느냐의 차이만 있을 뿐, 긍극적으로 같은 계산을 하고 있는 것이며 댐체 저면에서의 계산결과는 유사한 결과를 보여주고 있다. 지진 시 및 평시 댐체 저면에서의 연직력과 수평력의 각 합은 응력검토결과와 안정계산결과가 거의 동일한 결과를 산출하였다. 수직 반력의 비율과 수평 반력의 비율은 지진시 및 평시에 각각 5% 이내의 오차범위에 있는 것이 확인된다. 댐체 저면에서의 활동에 대한 검토 결과 또한 거의 동일한 결과를 산출하였다. 활동에 대한 안전율의 비율도 지진시와 평시 모두 거의 비슷한 값을 보였다. 댐체 저면에서의 압축응력의 최대·최소값이 큰 큰 차이가 나는 이유는 안정계산에서는 바닥면 전체에 대한 평균적인 응력분포를 가정한 반면, 응력검토결과는 유한요소법에 의해 부위 별로 자세히 응력을 계산했기 때문으로 판단되며 응력검토결과가 좀 더 현실에 가까운 응력을 산출한 것으로 판단된다. 이에 따라 동적해석에 의한 응력검토에 근거하여 전도, 활동, 지지력을 계산한다면, 지진시 댐체의 안정계산을 위한 별도의 정력학적 계산을 수행하지 않고도 댐체의 안정검토를 하는 방법이 적용 가능할 것으로 보인다.
	댐체의 응력검토는 어떤 방법인가?	한 가지는 댐체의 안정계산이고 다른 한 가지는 댐체의 응력검토이다. 댐체의 안정계산은 정력학적 방법에 의해 전도, 활동, 지지력을 검토하는 방법이고 댐체의 응력검토는 동력학적 수치모형에 의해 댐체에 발생되는 응력이 허용응력이내인가를 검토하는 방법이다. 그런데 이들은 지진에 대한 댐체의 안전을 정력학적 또는 동력학적으로 검토하는 차이가 있을 뿐 근본적인 차이가 없는 방법이다.
	중력식댐의 지진에 대한 안전검토 시 그간 사용해온 2가지 방법은 무엇인가?	중력식댐의 지진에 대한 안전검토 시 그간 2가지 방법에 의한 계산을 실시해 왔다. 한 가지는 댐체의 안정계산이고 다른 한 가지는 댐체의 응력검토이다. 댐체의 안정계산은 정력학적 방법에 의해 전도, 활동, 지지력을 검토하는 방법이고 댐체의 응력검토는 동력학적 수치모형에 의해 댐체에 발생되는 응력이 허용응력이내인가를 검토하는 방법이다.

참고문헌 (6)

Chopra, A.K., Earthquake resistant design of concrete gravity dams, Journal of structural division, ASCE, Vol. 104, No. ST6, pp. 953-971, 1978
Panel on earthquake engineering for concrete dams, Earthquake engineering for concrete dams : Design, performance, and research needs, National research council, pp. 46, 1990
Chopra, A.K., EAGD-SLIDE : a computer program for the earthquake analysis of concrete gravity dams including base sliding, Report No. UCB/SEMM-1994/02, 1994
국토해양부, 안전점검 및 정밀안전진단 세부지침(댐편), pp. 220, 2009
한국수자원학회, 댐 설계기준, pp. 453, 2005
건설교통부, 기존 댐의 내진성능 평가 및 향상 요령, pp. 67, 2004

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