[논문]지진해일에 의해 해안구조물에 작용하는 힘

홍성수; 하태민; 조용식

doi:10.9798/kosham.2011.11.2.171

[국내논문] 지진해일에 의해 해안구조물에 작용하는 힘
Tsunami Force Acting on Coastal Structures 원문보기

한국방재학회논문집 = Journal of the Korean Society of Hazard Mitigation, v.11 no.2, 2011년, pp.171 - 177

홍성수 (한양대학교 건설환경공학과) , 하태민 (한양대학교 건설환경공학과) , 조용식 (한양대학교 건설환경공학과)

초록
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연안 및 해안 구조물에 직접적인 파괴의 원인이 되는 지진해일 파력에 관한 연구는 그 중요성에 비해 상대적으로 크게 주목 받지 못했다. 특히, 지진해일 대피소는 지진해일 내습에 의한 파력에 안정하게 설계되어야 하며 이를 고려하기 위한 연구가 선행되어야 한다. 대부분 연구는 일본과 미국 등에서 이루어져왔으며, 일부 수치모형을 이용한 연구가 있으나 대부분은 수리모형 실험에 의존하고 있다. 이는 시간과 비용이 많이 소모되며 지진해일이 먼 거리를 전파하는 특성상 넓은 해역에 적용하기에는 곤란한 단점이 있다. 이에 본 연구에서는 기존의 2차원 수치모형을 이용하여 실제지형에서 실용적으로 지진해일 파력을 검토할 수 있는 방법에 대하여 모색하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Tsunami forces acting on coastal structures have not been relatively much paid attention by researchers. However, they should be appropriately reflected in design of coastal and harbor facilities. The temporary and permanent tsunami shelters have to be chosen to resist stably against unexpected tsunami forces. There have been only few numerical studies on the tsunami forces acting on coastal and harbor structures. In this study, a practical prediction of tsunami forces is carried out by using a two-dimensional numerical model.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

그러나 이러한 연구는 막대한 비용과 시간이 소요되는 일이기 때문에 단기간에 성과를 얻기가 쉽지 않다. 따라서, 본 연구에서는 파고를 계산할 수 있으면 기존의 CCH(2000)에서 제시한 식을 이용하여 지진해일 파력을 산출할 수 있음에 착안하여 우리나라 동해안에서 지진해일 파력을 계산하였다. 이에 대한 자세한 설명은 다음 장에서 다루 도록 한다.
본 연구에서는 2차원 수치모형을 이용하여 실용적으로 육상 구조물의 안정성을 검토하기 위한 지진해일 파력의 계산에 대하여 조사하였다. 국내에서의 지진해일 파력에 대한 연구는 거의 전무한 실정이며 지진해일 연구에 있어서 선진국 가인 미국이나 일본 등지에서 이루어지는 연구가 그 맥을 이어가고 있는 실정이다.
본 연구에서는 미국 등에서의 CCM(FEMA, 2005)에서 제시한 설계 파력식의 미지수가 파고임에 착안하여 2차원 수치 모형을 통해 산출한 파고를 이용하여 실제지형에서 파력을 계산할 수 있는 방법을 검토하였다. 파력 검토는 지진해일에 대한 연구가 활발한 일본과 미국 등지에서의 연구사례를 토대로 현재 국내 항만 설계 기준에 제시되지 않은 연안구조물에 작용하는 지진해일 파력에 대한 검토를 실시하고, 동해 무역항 중 비교적 지진해일 파고가 높은 항구인 묵호항 및 삼척항에 적용하였다.
미국과 일본 등지에서 제시하고 있는 지진해일 파력 설계 식은 크게 정수력, 부력, 동수력, 해일의 범람에 의한 파력, 충격력 그리고 쇄파력으로 분류하고 있다. 이 중에서 정수력, 동수력, 범람에 의한 파력과 충격력에 관하여 소개한다.
이들은 수리모형실험 등의 연구를 통하여 육상 구조물에 작용하는 지진해일 파력 설계 기준식을 제시하고 있는데 국내에서는 아직 육상 구조물에 대한 파력 설계 기준식이 없다. 이에 본 연구에서는 미국과 일본 등지에서 제시한 설계식과 우리나라의 항만 설계 기준식과 비교하고 해안선에 인접한 육상 구조물에 대한 기준식 마련을 위하여 미국과 일본 등지에서 제시한 설계식을 대입하여 실제 계산을 해보았다.

가설 설정

Fig. 1에서 알 수 있는 것과 같이 범람된 파랑은 구조물과 부딪히면서 3배까지 처오른다고 가정하였으며, 파압 분포는 선형이라고 가정하였다. 또한 범람된 파랑의 유속은 해상에서의 유속과는 양상이 다른데 이는 식 (4)와 같이 제시하였다.
동수력 산정을 위하여 CD = 3.0, ρ = 1,025 kg/m3을 사용하였으며 정상류로 가정하여 관성항은 무시하였다.
6에서 붉은색으로 표시한 부분과 같다. 또한, 해안의 기울기는 선형으로 가정하였고, 범람지역에서의 지진해일에 의한 파력은 정수력, 동수력 및 충격력에 의한 힘이 지배적이므로 이 세 개의 힘을 합한 것을 산정 결과로 도출하였다. 해안 구조물의 높이와 폭은 10 m인 직립 구조물로 가정하였으며, 충격력은 여러 가지 연구가 있으나 그중 가장 최근에 Yeh(2006)가 제시한 식을 사용하였으며 이는 식 (6)과 같다.
설계 측면에서 최대 파력을 산출하기 위하여 항내에서 최대 파고가 나오는 지점을 기준으로 계산하였으며, 파력은 직립 구조물에 직각으로 입사한다고 가정하였다. 범람에 의한 파력은 수치모의 결과 실제 범람이 일어나지 않았기 때문에 생략하였고, 충격력 계산에 필요한 u 값은 2차원 지진해일 수치모형에서 계산된 유속을 이용하였으며, 부유물은 나무 파편으로 가정하여 m 값은 450 kg으로 설정하여 파력을 산출하였다(Yeh, 2006). 마지막으로 각각의 계산된 정수력, 동수력 그리고 충격력을 합하여 지진해일 파력을 산출하였다.
0을 사용하였으며 계산의 편의를 위해 정류를 가정하여 식 (3)의 가속도 부분은 생략하였다. 설계 측면에서 최대 파력을 산출하기 위하여 항내에서 최대 파고가 나오는 지점을 기준으로 계산하였으며, 파력은 직립 구조물에 직각으로 입사한다고 가정하였다. 범람에 의한 파력은 수치모의 결과 실제 범람이 일어나지 않았기 때문에 생략하였고, 충격력 계산에 필요한 u 값은 2차원 지진해일 수치모형에서 계산된 유속을 이용하였으며, 부유물은 나무 파편으로 가정하여 m 값은 450 kg으로 설정하여 파력을 산출하였다(Yeh, 2006).
2에서와 같이 수중에서의 파압 분포는 일정하다고 가정되어 있고 수면 위의 파압은 선형으로 가정되어 있다. 수중 구조물에 대한 국내 설계 기준식과 해외 설계 기준식 (CCH, 2000)을 비교하기 위하여 수심은 15 m로 가정하고 파고는 1.0~10.0 m의 분포로 하여 계산하였다. 계산 결과를 비교하면 Fig.
질량계수인 CM은 2.5를 사용하였고, 파편은 목재로 가정하여 # - 2.4 × 106N/m(목재에서 추천되는 값)을 사용하였다.
또한, 해안의 기울기는 선형으로 가정하였고, 범람지역에서의 지진해일에 의한 파력은 정수력, 동수력 및 충격력에 의한 힘이 지배적이므로 이 세 개의 힘을 합한 것을 산정 결과로 도출하였다. 해안 구조물의 높이와 폭은 10 m인 직립 구조물로 가정하였으며, 충격력은 여러 가지 연구가 있으나 그중 가장 최근에 Yeh(2006)가 제시한 식을 사용하였으며 이는 식 (6)과 같다.

제안 방법

범람된 파는 정수력보다는 동수력에 의한 지배요소가 큰것을 감안하여 국내 설계 기준식과 CCH(2000)에서의 동수력 산정식에 의한 결과를 비교하였다. 각각의 식의 특징을 파악하기 위하여 구조물의 표고가 수면과 같은 경우와 표고가 수면보다 1~5 m 높은 경우로 나누어 결과를 비교하였으며, 비교결과는 Fig. 4와 같다. 동수력 산정을 위하여 C_D = 3.
비록 수중에 거치되어 있는 구조물에서는 우리나라의 설계식과 해외의 설계식이 비교적 비슷한 결과를 보이고 있지만 육상 구조물에 적용해 보면 그 결과가 많은 차이를 보이는 것도 이 때문이다. 따라서 본 연구에서는 지진해일고가 비교적 높은 묵호항 및 삼척항에 대하여 2차원수치모형을 이용하여 계산한 파고를 통하여 지진해일 파력을 실용적으로 계산하였다. 또한, 지진해일 대피소 등의 육상 구조물을 건설할 때 산출한 파력에 대해 안정할 수 있는 구조물의 최소 유효면적을 제시하였다.
또한 국내 항만 및 어항 설계 기준(2005)에서도 방파제 등 수중 구조물에 대한 지진해일 파력 기준이 제시되어 있다. 따라서 연안구조물에 대한 안정성 검토를 위하여 국내의 항만 설계 기준에 의한 지진해일 파력식과 미국과 일본 등지에서 제시하고 있는 식을 비교하여 보았다.
따라서 본 연구에서는 지진해일고가 비교적 높은 묵호항 및 삼척항에 대하여 2차원수치모형을 이용하여 계산한 파고를 통하여 지진해일 파력을 실용적으로 계산하였다. 또한, 지진해일 대피소 등의 육상 구조물을 건설할 때 산출한 파력에 대해 안정할 수 있는 구조물의 최소 유효면적을 제시하였다. 이와 같은 결과는 추후 지진해일 방재대책 수립시 안전한 지진해일 대피소 선정과 경제적인 구조물 설계에 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다.
범람에 의한 파력은 수치모의 결과 실제 범람이 일어나지 않았기 때문에 생략하였고, 충격력 계산에 필요한 u 값은 2차원 지진해일 수치모형에서 계산된 유속을 이용하였으며, 부유물은 나무 파편으로 가정하여 m 값은 450 kg으로 설정하여 파력을 산출하였다(Yeh, 2006). 마지막으로 각각의 계산된 정수력, 동수력 그리고 충격력을 합하여 지진해일 파력을 산출하였다.
범람된 파는 정수력보다는 동수력에 의한 지배요소가 큰것을 감안하여 국내 설계 기준식과 CCH(2000)에서의 동수력 산정식에 의한 결과를 비교하였다. 각각의 식의 특징을 파악하기 위하여 구조물의 표고가 수면과 같은 경우와 표고가 수면보다 1~5 m 높은 경우로 나누어 결과를 비교하였으며, 비교결과는 Fig.
본 연구에서는 미국 등에서의 CCM(FEMA, 2005)에서 제시한 설계 파력식의 미지수가 파고임에 착안하여 2차원 수치 모형을 통해 산출한 파고를 이용하여 실제지형에서 파력을 계산할 수 있는 방법을 검토하였다. 파력 검토는 지진해일에 대한 연구가 활발한 일본과 미국 등지에서의 연구사례를 토대로 현재 국내 항만 설계 기준에 제시되지 않은 연안구조물에 작용하는 지진해일 파력에 대한 검토를 실시하고, 동해 무역항 중 비교적 지진해일 파고가 높은 항구인 묵호항 및 삼척항에 적용하였다.

대상 데이터

(2007)의 모형을 이용하였으며, 무역항 중 비교적 파고가 높게 나오는 묵호항 및 삼척항을 대상으로 실험을 수행하였다. 지진해일 파고 및 유속 계산 시 지진규모에 따른 비교를 위하여 대상 지진해일을 역사 지진해일 중 규모가 큰 1983년 동해 중부지진해일(Case 1)과 최병호 등(2002)이 일본 서해안 지역의 공백역 지진에 대해 제시한 28개의 지진 매개변수의 값을 참고로 하여 결정하였다(Case 2). 최병호 등 (2002)은 지금까지 연구되어온 일본 서해안 지역의 공백역 지진에 대한 매개변수 값들을 참고로 하여 광범위한 범위의 매개변수 값을 제시하였으며 이 값을 이용하는 것이 현재로서는 매우 타당한 일이라고 사료된다.

이론/모형

2차원 수치모형은 Cho et al.(2007)의 모형을 이용하였으며, 무역항 중 비교적 파고가 높게 나오는 묵호항 및 삼척항을 대상으로 실험을 수행하였다. 지진해일 파고 및 유속 계산 시 지진규모에 따른 비교를 위하여 대상 지진해일을 역사 지진해일 중 규모가 큰 1983년 동해 중부지진해일(Case 1)과 최병호 등(2002)이 일본 서해안 지역의 공백역 지진에 대해 제시한 28개의 지진 매개변수의 값을 참고로 하여 결정하였다(Case 2).
동수력은 Morison 방정식을 기본으로 하여 제안되었다. Morison 방정식은 구조물의 특성 크기가 파장의 0.
일반적으로 지진해일 수치모의는 발생원의 초기 수면변위를 산정하는 것으로부터 시작된다. 본 연구에서는 Mansinha and Smylie(1971)의 모형을 사용하여 지진해일 초기 수면변 위를 산정하였으며, 실험에 사용한 지진해일 매개변수는 Table 3과 같다. 여기서, θ 는 진북과 이루는 단층의 주향을 표시하며, δ 는 dip angle, λ 는 slip angle, W는 단층의 경사폭, L은 단층의 길이, D는 단층의 변위(dislocation), H는 단층면의 상연깊이를 나타낸다.
본 연구에서는 실용적인 지진해일 파력을 계산하기 위해서2차원 수치모형을 이용하였다. 2차원 수치모형은 Cho et al.

성능/효과

지진해일 파력에 대해 안전한 육상 구조물의 소요 단면적은 피복 두께를 고려하여 Table 5에서 명시된 유효면적 이상으로 설계되어야 한다. 본 연구에서는 지진해일 파력을 육상 구조물의 폭과 높이를 10 m로 가정하여 계산하였으므로, 최소 유효단면적에 비해 구조물의 단면이 넓어 지진해일 파력에 대해 안전한 것으로 나타났다. 한편, 이상의 결과는 콘크리트의 설계강도(f_ck)에 따라 민감하게 변할 수 있으므로, 지진해일 대피소 등의 중요도가 높은 육상 구조물의 설계시 콘 크리트 설계강도에 영향을 줄 수 있는 주변상황의 변화를 세심하게 고려할 필요가 있다.

후속연구

또한, 지진해일 대피소 등의 육상 구조물을 건설할 때 산출한 파력에 대해 안정할 수 있는 구조물의 최소 유효면적을 제시하였다. 이와 같은 결과는 추후 지진해일 방재대책 수립시 안전한 지진해일 대피소 선정과 경제적인 구조물 설계에 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 기존의 지진해일의 전파와 처오름에 관한 연구에 비해 상대적으로 미비하였던 지진해일 파력에 대한 연구는 실용적인 지진해일 방재대책에 큰 기여를 할 수 있을 것이다.
이와 같은 결과는 추후 지진해일 방재대책 수립시 안전한 지진해일 대피소 선정과 경제적인 구조물 설계에 중요한 역할을 할 수 있을 것으로 기대된다. 특히, 기존의 지진해일의 전파와 처오름에 관한 연구에 비해 상대적으로 미비하였던 지진해일 파력에 대한 연구는 실용적인 지진해일 방재대책에 큰 기여를 할 수 있을 것이다.
본 연구에서는 지진해일 파력을 육상 구조물의 폭과 높이를 10 m로 가정하여 계산하였으므로, 최소 유효단면적에 비해 구조물의 단면이 넓어 지진해일 파력에 대해 안전한 것으로 나타났다. 한편, 이상의 결과는 콘크리트의 설계강도(f_ck)에 따라 민감하게 변할 수 있으므로, 지진해일 대피소 등의 중요도가 높은 육상 구조물의 설계시 콘 크리트 설계강도에 영향을 줄 수 있는 주변상황의 변화를 세심하게 고려할 필요가 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지진해일 대피소는 어떻게 설계되어야 하는가?	연안 및 해안 구조물에 직접적인 파괴의 원인이 되는 지진해일 파력에 관한 연구는 그 중요성에 비해 상대적으로 크게 주목 받지 못했다. 특히, 지진해일 대피소는 지진해일 내습에 의한 파력에 안정하게 설계되어야 하며 이를 고려하기 위한 연구가 선행되어야 한다. 대부분 연구는 일본과 미국 등에서 이루어져왔으며, 일부 수치모형을 이용한 연구가 있으나 대부분은 수리모형 실험에 의존하고 있다.
	공학적으로 장파로 분류되는 지진해일로 이한 피해의 예는 어떤 것이 있는가?	공학적으로 장파로 분류되는 지진해일은 큰 파형의 변화 없이 먼 거리를 전파하며 수심이 상대적으로 얕은 해안선에 가까워지면서 천수효과로 인하여 파고가 급격히 증가하여 대규모 인명 및 재산피해를 초래한다. 예를 들어, 2004년 인도네시아 수마트라 지진해일은 약 30만 명의 인명피해와 10조원의 재산피해를 입힌 바 있다. 최근, 이러한 대재앙의 피해를 최소화하기 위하여 과거 피해 사례를 조사를 통하여 수치 모형실험 및 수리모형실험을 수행하고, 예상되는 범람 지역 선정 및 적절한 대피 계획을 수립하기 위한 연구가 전개되고 있다.
	공학적으로 장파로 분류되는 지진해일가 초래하는 결과는 무엇이고 이는 어떻게 이루어 지는가?	공학적으로 장파로 분류되는 지진해일은 큰 파형의 변화 없이 먼 거리를 전파하며 수심이 상대적으로 얕은 해안선에 가까워지면서 천수효과로 인하여 파고가 급격히 증가하여 대규모 인명 및 재산피해를 초래한다. 예를 들어, 2004년 인도네시아 수마트라 지진해일은 약 30만 명의 인명피해와 10조원의 재산피해를 입힌 바 있다.

참고문헌 (13)

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최병호, 홍성진, 이제신 (2002) 공백역 지진에 의한 동해안의 지 진해일 산정, 한국지진공학회 논문집, 제6권, 제3호, pp. 73-86.

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상세보기
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US Army Corps of Engineers (1990) Water forces on a wall shoreward of the still-water level. Technical Note III-29, Coastal Engineering Research Center.
Yeh, H. (2006) Maximum fluid forces in the tsunami run-up zone. Journal of Waterway, Port, Coastal, and Ocean Engineering, Vol. 132, No. 6, pp. 496-500.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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