국제적인 항만시설물 사면안정해석 설계기준을 분석하고 그 결과를 비교하였다. 사면안정해석에 사용된 설계기준은 한계상태 설계법에 근거한 중국, 유럽 및 일본의 설계방법이다. 사면안정해석시 공통적으로 파괴활동면은 원호 활동면 가정을 기본으로 하고 있다. 해석방법에 있어서 중국은 수정 Fellenius법에 근간하고 있으나 근래에 간편 Bishop법으로 변화하고 있다. 유럽은 Morgenstern & Price법 또는 Bishop법을 추천하고 있다. 반면, 일본은 수정 Fellenius법을 우선시하고 간편 Bishop법은 두꺼운 사질토 지반 등에 선택적으로 이용하도록 하고 있다. 특별하게도 유럽은 포괄적 부분계수 및 재료계수를 규정하는 반면, 일본은 각 구조물별로 경험적 재료계수를 명시하고 있다. 중국에서는 포괄적 부분계수의 최소범위를 규정하고, 안정조건에 따라 특정한 시험에 의한 강도지수를 사용하도록 구체적으로 명시하고 있다. 설계사례를 통한 사면안전율을 비교한 결과, 중국, 일본 및유럽 순으로 높게 나타났다.
국제적인 항만시설물 사면안정해석 설계기준을 분석하고 그 결과를 비교하였다. 사면안정해석에 사용된 설계기준은 한계상태 설계법에 근거한 중국, 유럽 및 일본의 설계방법이다. 사면안정해석시 공통적으로 파괴활동면은 원호 활동면 가정을 기본으로 하고 있다. 해석방법에 있어서 중국은 수정 Fellenius법에 근간하고 있으나 근래에 간편 Bishop법으로 변화하고 있다. 유럽은 Morgenstern & Price법 또는 Bishop법을 추천하고 있다. 반면, 일본은 수정 Fellenius법을 우선시하고 간편 Bishop법은 두꺼운 사질토 지반 등에 선택적으로 이용하도록 하고 있다. 특별하게도 유럽은 포괄적 부분계수 및 재료계수를 규정하는 반면, 일본은 각 구조물별로 경험적 재료계수를 명시하고 있다. 중국에서는 포괄적 부분계수의 최소범위를 규정하고, 안정조건에 따라 특정한 시험에 의한 강도지수를 사용하도록 구체적으로 명시하고 있다. 설계사례를 통한 사면안전율을 비교한 결과, 중국, 일본 및유럽 순으로 높게 나타났다.
Technical design codes of slope stability for port structures were studied by comparing local Korean code with international codes; Japanese, EC and China codes. Three international design codes are based on limit state design method. Although Chinese code was based on the modified Fellenius method ...
Technical design codes of slope stability for port structures were studied by comparing local Korean code with international codes; Japanese, EC and China codes. Three international design codes are based on limit state design method. Although Chinese code was based on the modified Fellenius method in slope stability analyses, it is currently changing to the simplified Bishop method. In Eurocode, the Morgenstern & Price method or the Bishop method is recommended. In Japanese code, however, the modified Fellenius method is preferentially recommended, but the simplified Bishop method could be alternatively used in case of thick sandy ground conditions. As for design parameter determination, Eurocode has stipulated comprehensive partial factors and partial material factors, however Japanese code has clarified empirical partial material factors for each port structure. Chinese code, the minimum ranges of the comprehensive partial factors are stipulated, and the use of the strength index by specific tests is concretely clarified with the safety condition. Case study of slope stability analyses showed the safety factors were higher in order of Chinese, Japanese and Eurocode, respectively.
Technical design codes of slope stability for port structures were studied by comparing local Korean code with international codes; Japanese, EC and China codes. Three international design codes are based on limit state design method. Although Chinese code was based on the modified Fellenius method in slope stability analyses, it is currently changing to the simplified Bishop method. In Eurocode, the Morgenstern & Price method or the Bishop method is recommended. In Japanese code, however, the modified Fellenius method is preferentially recommended, but the simplified Bishop method could be alternatively used in case of thick sandy ground conditions. As for design parameter determination, Eurocode has stipulated comprehensive partial factors and partial material factors, however Japanese code has clarified empirical partial material factors for each port structure. Chinese code, the minimum ranges of the comprehensive partial factors are stipulated, and the use of the strength index by specific tests is concretely clarified with the safety condition. Case study of slope stability analyses showed the safety factors were higher in order of Chinese, Japanese and Eurocode, respectively.
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문제 정의
본 논문에서는 사면안정해석법에 관련된 국내외 설계기준 가운데 항만시설에 이용되는 국제기준을 심층 고찰하였다. 이를 위하여 국내 항만 및 어항 설계기준(2005)에 규정된 사면안정 해석기준을 살펴보고, 국외의 설계기준과 비교하였다.
가설 설정
국가별 설계기준에 대한 실제 설계상 결과를 비교하기 위하여 Fig. 3과 같은 임의 사면을 가정하여 해석하였다. 안정 해석법은 중국, 일본코드 및 EC에서 공통적으로 언급하고 있는 간이 Bishop법에 의해 수행하였다.
이 경우, 활동토괴 전체의 모멘트와 연직력의 안정성에 대하여 검토해야 한다. 그리고 수평력에 대한 평형조건이 검토되지 않으면 분할편간의 절편력은 수평이 된다고 가정한다. 특정한 계산법에 대하여 언급하지는 않지만 모든 평형조건이 만족되는 Morgenstern & Price법과 분할편 측면의 합성력이 수평 또는 경사지게 가정되는 Bishop법을 채택한다고 할 수 있다.
중국코드에서 활동 파괴면은 크게 원호 활동면과 비원호활동면으로 구분하고, 비원호 활동면은 직선, 파선, 원호와 직선의 조합 및 기타 곡선 등으로 가정하도록 규정한다. 계산방법에 있어 각 절편사이의 수평력과 연직력을 모두 고려하며, 구조물의 일부분에 상당한 하중이 재하되거나 제한된 활동영역이나 연약지반 층인 경우, 저항모멘트의 특정값 하에서 활동에 대한 수평마찰의 영향에 대해서도 언급하고 있다.
직선 활동면은 모래질 자갈의 사면안정 해석시 많이 가정하며, 상시의 활동파괴에 대한 안전율은 1.2 이상을 표준으로 한다. 한편, 복합 활동면은 제체구조물이나 지중에 근입된 구조물에서 경사지반 전체의 안정성을 검토하는 경우에 이용할 수 있다.
제안 방법
국외 설계기준으로 중국, 유럽 및 일본을 대상으로 각 나라에서 규정 또는 추천하는 해석법 등을 비교·고찰하였다.
국외 설계기준으로 중국, 유럽 및 일본을 대상으로 각 나라에서 규정 또는 추천하는 해석법 등을 비교·고찰하였다. 그리고 실 설계사례를 통하여 동일한 조건에서각 국가별 기준의 안전율 수준을 분석하였다.
안정 해석법은 중국, 일본코드 및 EC에서 공통적으로 언급하고 있는 간이 Bishop법에 의해 수행하였다. 동일한 사면의 토질을 사질토 및 점성토로 구분하였고 4단계로 상재하중을 증가시키며 해석하였다. 또한, 사질토 사면의 경우는 전단저항각을 달리하여 해석하였고, 점성토 사면일 경우에는 기초지반의 비배수 전단강도가 일정한 경우와 깊이에 따라 증가하는 경우로 구분하였다.
동일한 사면의 토질을 사질토 및 점성토로 구분하였고 4단계로 상재하중을 증가시키며 해석하였다. 또한, 사질토 사면의 경우는 전단저항각을 달리하여 해석하였고, 점성토 사면일 경우에는 기초지반의 비배수 전단강도가 일정한 경우와 깊이에 따라 증가하는 경우로 구분하였다.
본 논문에서는 사면안정해석법에 관련된 국내외 설계기준 가운데 항만시설에 이용되는 국제기준을 심층 고찰하였다. 이를 위하여 국내 항만 및 어항 설계기준(2005)에 규정된 사면안정 해석기준을 살펴보고, 국외의 설계기준과 비교하였다. 국외 설계기준으로 중국, 유럽 및 일본을 대상으로 각 나라에서 규정 또는 추천하는 해석법 등을 비교·고찰하였다.
대상 데이터
항만시설물과 관련된 국외의 사면안정해석 설계기준은 중국과 일본, 그리고 유럽연합의 유로코드를 대상으로 조사하였고, 그 밖에 영국의 BS코드를 참고하였다.
이론/모형
3과 같은 임의 사면을 가정하여 해석하였다. 안정 해석법은 중국, 일본코드 및 EC에서 공통적으로 언급하고 있는 간이 Bishop법에 의해 수행하였다. 동일한 사면의 토질을 사질토 및 점성토로 구분하였고 4단계로 상재하중을 증가시키며 해석하였다.
특정한 계산법에 대하여 언급하지는 않지만 모든 평형조건이 만족되는 Morgenstern & Price법과 분할편 측면의 합성력이 수평 또는 경사지게 가정되는 Bishop법을 채택한다고 할 수 있다.
성능/효과
2. 한계상태설계법에서 부분계수는 중국코드에서는 계산의 편리상 하중에 대한 부분안전계수를 1.0으로 취하고, 저항에 대하여는 포괄적 부분안전계수를 반영하였다. 이는 실제로 흙의 강도 정수별 COV가 상이하나 이를 무시한 것이므로 약간의 통계적 편차를 허용하는 것으로 볼 수 있다.
저항에 대한 포괄적 부분계수는 기존의 설계기준에서 제시하고 있는 안전율의 개념과 동일하다. 28개의 프로젝트를 분석한 결과, Bishop법에서 저항의 최소 부분계수 범위는 점토지반의 경우 1.2~1.4이고, 기타 지반의 경우 1.3~1.5이다. 반면, Fellenius법의 경우 저항의 최소 부분계수 범위는 1.
3. 각국에서 공통적으로 언급하고 있는 간편 Bishop법에 의한 예제 사면의 안정해석 결과, 안전율은 중국, 일본코드 및 EC의 순으로 높게 나타났다. 이는 EC, 일본 및 중국코드의 순으로 하중에 대한 부분계수를 크게 규정하고 있는 동시에, 저항에 대한 부분계수는 EC, 중국 및 일본코드의 순으로 크게 규정하는 데에서 기인하는 것으로 추정할 수 있다.
4. 현행 국내 설계기준은 과거 일본기준과 유사하므로 기존 구조물의 안전여유(safety margin)에 큰 차이가 없을 것으로 판단된다. 그리고 일본에서 제시하는 부분안전계수는 다른 나라들과 비교할 때 경제성 및 안정성에 있어서 치우치지 않는 측면이 있다.
5는 사면이 점성토인 경우 안정해석 결과를 나타낸다. 설계기준 사이의 양상은 사질토 사면과 마찬가지로 중국, 일본코드 및 EC의 순으로 높게 나타났고, 상재하중 증가에 따른 안전율 감소는 사질토 지반보다 더욱 명확히 나타났다.
이러한 결과를 분석해 보면, 하중에 대하여 중국코드가 1.0의 부분계수를 갖는 반면, EC는 1.3을 취하여 원래 하중의 30%를 할증하게 됨으로써 안전율이 저하된다. 게다가, Table 1과 3에 나타났듯이 EC에서 요구하는 저항에 대한 부분계수는 중국의 그것보다 크므로 더욱 안전측의 결과를 나타내게 되는 것이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
사면안정 문제에 있어 안전율은 무엇을 의미합니까?
국내의 항만 및 어항 설계기준(해양수산부, 2005)에 명시된 바와 같이, 사면안정 문제에 있어 안전율은 흙의 전단 강도와 가정한 활동면에 생기는 전단응력과의 비를 의미한다. 설계상 확보해야 할 안전율은 상시 1.
절편법은 무엇에 따라 다양한 해석법이 존재합니까?
현재 국내외에서 사면의 안정성 검토는 기본적으로 한계평형법(limit equilibrium method; LEM)에 기초한 절편법에 의해 이루어지고 있다. 절편법은 가정하는 활동면 상에 작용하는 흙 절편의 전단력과 자중을 산정하는 방법 등 가정조건에 따라 다양한 해석방법이 존재한다. 이러한 가정의 차이는 근본적으로 복잡한 부정정 문제를 정정화 하기위한 목적과 계산상의 편의를 추구하고자 전제되는 사항인 것이다.
현재 중국코드에서 간이 Bishop법을 추천하는 이유는 무엇입니까?
중국코드의 사면안정 해석에서 예전에는 수정 Fellenius 해석법이 사용되었으나, 현재는 간이 Bishop법을 추천하고 있다. 현재 중국 설계자들은 이론적으로 흙의 절편력을 고려한 간이 Bishop법이 수정 Fellenius 해석보다 합리적이며, 실제적으로 계산된 신뢰지수가 보다 현실에 가깝다고 간주한다. EC 7에서는 기술자가 설계시 유연하게 대처하도록 특정한 계산식을 규정하지는 않으나 주로 Mogenstern & Price 법과 Bishop법이 권고되는 것으로 보인다.
Orr, T.L.L. and Farrell, E.R. (1999). Geotechnical design to Eurocode 7. Springer
The Ministry of Communications, P. R. China (2000). Technical codes for port engineering. Vol. 1, People's communications publishing house, 692-700
Zienkiewicz, O.C., Valliappan, S. and King, I.P. (1969). Elastoplastic solutions of engineering problems ‘Initial stress', finite element approach. Int. J. Num. Meth. in Engrg., 1, 75-100
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