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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 기존의 국외 계측 데이터 D/B 등 다양한 자료를 수집하여, 이를 바탕으로 내진 성능 평가 기준에 대한 합리성을 검토·보완하고, 근거를 마련하고자 하였다.
- 따라서, 본 연구에서는 ECRD(중심 코어형 락필댐)과 CFRD에 대해 원심모형시험을 수행하여 전술한 D/B자료를 보완·분석하였다.
- 본 연구에서는 필댐의 내진성능 평가를 위하여 사용되고 있는 변형기준인 ‘제체 높이의 1%이하’의 규정에 대한 이론적인 검토를 위하여, 국외 계측 데이터를 수집하여 분석하여, 내진 성능 평가 기준을 검토하였다.
- 본 연구에서는 필댐의 상세 해석시 적용되는 변형에 대한 안정성 평가 기준을 검토하기 위하여, 필댐 지진 계측 자료를 문헌으로부터 수집하고, 데이터베이스(D/B)를 구축하였다. 우리나라는 지진 계측이 상대적으로 최근에 활성화되었고, 지진학적으로 규모 및 발생 빈도가 낮아 댐의 안전성에 영향을 줄 만큼 큰 규모의 지진이 발생한 적이 없기 때문에 D/B 구축은 국외 댐 계측 자료를 활용하였다.
- 입력지진파는 단주기와 장주기를 대표하는 Ofunato지진파 Hachinohe지진파를 선정하여 주파수에 따른 영향을 고려하고자 하였다. 지진파의 크기는 PGA 0.
제안 방법
- 현재 국내 필댐의 내진안정성은 그림 1과 같은 흐름에 따라 평가되고 있다. 내진 성능 평가시 경제적 효율성을 높이기 위해 1단계 및 2단계 상세평가의 전 단계로 예비 평가를 실시한다. 예비 평가는 현장 답사를 통한 대상 댐의 육안 조사와 기존 조사 자료로 수행되고, 상세평가의 실시 여부에 대한 스크린 과정인 만큼 보수적인 판정 기준을 사용하고 있다.
- 댐 거동에 영향을 줄 수 있는 매개변수들을 결정하였고, 댐 높이, 댐 사면 경사, 사력재 강성, 코어존 강성을 선정하였다. 각 매개변수 연구에 해당하는 변수 외의 조건은 앞서 산정된 표준단면의 제원을 그대로 사용하였다.
- 댐 높이에 대한 횡방향 변위와 침하의 영향을 분석하기 위하여, 댐 높이를 20m, 40m, 60m, 90m, 120m로 변화시키면서 내진해석을 수행하였다. 댐 높이 변화에 따른 매개변수 연구 결과는 표 5와 같다.
- 댐 사면 경사에 대한 횡방향 변위와 침하의 영향을 분석하기 위하여, 댐 하류사면 경사를 1:1.6, 1:1.8, 1:2.0, 1:2.3, 1:2.6으로 변화시키며 동적해석을 수행하였다. 국내 댐 제원의 분석 결과, 일반적으로 상류사면이 하류사면 경사보다 0.
- 지진시 댐 거동은 기반암 최대 가속도, 댐마루 최대 가속도, 댐마루 침하량 및 침하비, 댐마루 횡변위 및 변위비로 구성되어 있다. 마지막으로 문헌에 명시된 댐 피해 현황과 출처로 기술하였다. 총 134건의 자료를 10개의 문헌으로부터 수집하였으며, 전체 D/B과 문헌의 출처는 각각 부록 표 9에 나타내었다.
- 매개변수 연구를 위하여, 국내 댐의 현황을 조사하여 표준단면을 결정하였고, 제체 조건에서 주요 매개변수들을 변경하여 그 영향을 확인하였다. 조사된 국내 댐의 제원 현황중에서, 대표적인 댐과 본 연구에서 결정한 표준단면의 제원을 표 2에 나타내었다.
- 각 매개변수 연구에 해당하는 변수 외의 조건은 앞서 산정된 표준단면의 제원을 그대로 사용하였다. 매개변수 연구를 통해서, 지진하중에 의한 댐의 횡방향 변위와 침하에 대한 영향을 확인하였다.
- 사력재 강성에 대한 매개변수 연구를 위하여, 표 4에 나타낸 바와 같이, 대표물성의 하한치, 평균치, 상한치로 변화시켜 동적해석을 수행하였다. 사력재 강성 변화에 따른 매개변수 연구 결과는 표 7과 같다.
- 4이다. 수위는 상시만수위 조건을 비례에 맞게 적용하였다. 자세한 시험 조건은 Kim 등(4)에 소개되어 있다.
- 을 사용하였다. 원심모형시험으로 계측된 모형댐의 지진시 거동을 먼저 수치시뮬레이션을 수행하여 검증작업을 수행하였고, 매개변수 연구에서 적용할 수치모델을 검증하였다. 자세한 검증 결과는 Kim 등(4)에 발표되었다.
- 따라서, 본 연구에서는 ECRD(중심 코어형 락필댐)과 CFRD에 대해 원심모형시험을 수행하여 전술한 D/B자료를 보완·분석하였다. 이후 수치 시뮬레이션을 캘리브레이션하여 국내 댐 대표적인 제원에 대한 매개변수 연구를 수행하고, 그 결과를 5장에 기술하였다.
- 입력 물성에서 전단탄성계수는 구속압에 의존하므로, 댐 높이별 구속압 수준에 따른 전단탄성계수를 산정하여 입력하였다. 죤별 재료의 구속압에 따른 전단탄성계수 변화는 김종태 등(7)의 결과를 토대로 표 4와 같이 산정하였다.
- 따라서 본 연구에서는 기존의 국외 계측 데이터 D/B 등 다양한 자료를 수집하여, 이를 바탕으로 내진 성능 평가 기준에 대한 합리성을 검토·보완하고, 근거를 마련하고자 하였다. 추가적으로 원심모형시험과 수치해석을 함께 수행하여, 필댐의 내진 성능 평가 기준인 변형 기준에 대한 실험적인 검토와 수치시뮬레이션에 의한 매개 변수 분석을 수행하였다. 수집된 계측데이터 분석을 보완하고, 변형 기준에 대한 이론적 근거를 마련하였다.
- 본 연구에서는 필댐의 내진성능 평가를 위하여 사용되고 있는 변형기준인 ‘제체 높이의 1%이하’의 규정에 대한 이론적인 검토를 위하여, 국외 계측 데이터를 수집하여 분석하여, 내진 성능 평가 기준을 검토하였다. 추가적으로 원심모형시험과 수치해석을 함께 수행하였고, 변형 기준 검토를 위하여 수치시뮬레이션을 통한 매개 변수 연구를 수행하였다. 다음과 같은 결론을 획득하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 필댐의 상세 해석시 적용되는 변형에 대한 안정성 평가 기준을 검토하기 위하여, 필댐 지진 계측 자료를 문헌으로부터 수집하고, 데이터베이스(D/B)를 구축하였다. 우리나라는 지진 계측이 상대적으로 최근에 활성화되었고, 지진학적으로 규모 및 발생 빈도가 낮아 댐의 안전성에 영향을 줄 만큼 큰 규모의 지진이 발생한 적이 없기 때문에 D/B 구축은 국외 댐 계측 자료를 활용하였다.
- 입력지진파는 단주기와 장주기를 대표하는 Ofunato지진파 Hachinohe지진파를 선정하여 주파수에 따른 영향을 고려하고자 하였다. 지진파의 크기는 PGA 0.154g로 보정되어 입력지진파로 적용되었다.
- 마지막으로 문헌에 명시된 댐 피해 현황과 출처로 기술하였다. 총 134건의 자료를 10개의 문헌으로부터 수집하였으며, 전체 D/B과 문헌의 출처는 각각 부록 표 9에 나타내었다.
이론/모형
- 내진 성능 평가 기준의 검토를 위하여, 수치모델링을 통하여 매개변수 연구를 수행하였고, 수치모델링은 상용 해석프로그램 FLAC 2D(5)을 사용하였다. 원심모형시험으로 계측된 모형댐의 지진시 거동을 먼저 수치시뮬레이션을 수행하여 검증작업을 수행하였고, 매개변수 연구에서 적용할 수치모델을 검증하였다.
성능/효과
- 110g) 지진을 적용하고 있다.(1),(3) 그림 3와 그림 4의 결과를 보면, 국내 기준에 따른 댐 내진설계 및 내진성능 평가를 수행하면, 1%의 침하량이 발생할 확률은 극히 적을 것으로 판단되며, Swaisgood(2)이 제시한 댐 손상도는 Minor 또는 Moderate에 그칠 것으로 예상된다. 1% 침하량 발생을 위해서는, 최소 0.
- 2g 까지는 ECRD와 CFRD 모두 상대적으로 매우 작은 잔류 침하량이 발생하였다. 0.2g이상에서 ECRD와 CFRD 모두 침하량에 변화가 나타나기 시작하였고, ECRD에서는 비교적 큰 침하가 발생하였고, CFRD의 경우, 0.35g 이상에서 전술한 바와 같이 융기(Heaving)가 발생하였고, 연속적인 기진으로 0.57g에서는 상대적으로 큰 침하가 발생하였다. ECRD의 최대 잔류 침하량은 13.
- 1. 다양한 문헌연구를 바탕으로 국외 필댐 지진 계측 자료를 수집하였고 지진시 댐 거동 D/B를 구축하였고, D/B의 자료에서 국내 내진 기준인 기반암가속도 0.154g에서 발생한 댐체의 침하는 0.5%미만의 상당히 작은 침하가 계측되었다. 국내 필댐 내진성능평가 기준인 댐마루 침하 및 횡방향 최대 변위가 댐 높이의 1%이내라는 기준은 안전성을 평가하는 기준으로서 불합리한 면을 내포하고 있어, 개선의 여지가 있다고 판단된다.
- 2. 원심모형시험 결과에서도 기반암 가속수준이 0.3g에서 ECRD와 CRFD 모두 상당히 미미한 변형이 발생하였고, 원심모형시험의 모형 댐체에 발생한 가장 큰 손상은 약간의 융기와 댐마루 표면이 약간 굴러 떨어지는 손상으로 관측되었다.
- 3. 수치시뮬레이션을 통하여, 국내 댐의 평균적인 단면으로부터, 댐 높이, 댐 사면 경사, 사력재 강성, 코어존 강성을 변화시켜가면서 시험을 수행하였고, 그 결과, 횡방향변위 및 침하의 크기가 제체높이 0.5% 미만의 상당히 작은 변형을 보였다.
- 기반암 가속도 대비 댐 정상에서의 증폭비는 표 1에 나타내었다. ECRD와 CFRD의 증폭특성이 다르게 나타났으며, 특히, 심벽으로 인해 기반암 가속수준 0.35g 수준까지는, 코아형 락필댐이 심벽재의 영향으로 증폭이 크게 나타났다. 0.
- 57g에서는 상대적으로 큰 침하가 발생하였다. ECRD의 최대 잔류 침하량은 13.36mm, CFRD의 경우 9.72mm이고, 이를 댐 높이에 대한 비로 나타나면, ECRD는 0.21%, CRFD는 0.19%로 댐변형기준 1%에 상당히 못미치는 결과가 나타남을 확인하였다. 원심모형시험 결과를 Swaisgood(2)의 결과와 비교하면 그림 6과 같다.
- 이는 댐체의 변형이 항복 상태에 도달하여 팽창 경향이 나타났고, 이러한 변형이 가속도 증폭 현상에 반영된 것으로 판단된다. 결과적으로 CFRD의 경우, 0.5g의 기반암 가속수준에서 3.37배의 큰 증폭을 나타내었다.
- 댐 마루에서 나타난 최대 횡방향 변위량은, ECRD의 경우 최대로 측정된 값은 5.0mm가, CFRD의 경우, 51.2mm 계측되었다. 이 수치들은 원형 스케일이며, 댐 높이에 대한 비로 나타내면, ECRD는 0.
- 구축된 D/B의 댐 타입별, 국가별, 댐 높이별 분포 현황을 그림 2와 같다. 댐 타입별 현황을 살펴보면, 전체 134건의 자료 중 CFRD(표면차수형 석괴댐) 15건, 사력댐 46건, 흙댐 73건으로 CFRD 댐의 비율이 가장 작고, 흙댐의 비율이 높았다. 또한 국가별 현황은 미국, 일본, 인도, 멕시코, 칠레 순으로 자료의 수가 많으며, 이는 지진의 발생 빈도가 높고 국가적 지진 계측 시스템이 구축된 시기가 이른 나라 순으로 계측 자료가 확보되었음을 나타낸다.
- 지진파 가진 시, 침하량, 횡방향 변위량, 가속도가 계측되었고, 각 계측값은 표 1과 같다. 본 연구에서는 ECRD는 기반암 가속도 0.348g까지 가진되었고, CFRD는 기반암가속도 0.570g까지 가진되었다.
- 본 연구의 D/B의 추세선은 기반암 가속도가 증가함에 따라 댐 마루에서 계측되는 침하비는 증가한다. Swaisgood(2)은 침하량비에 따른 댐 손상정도(Relative Degree of Damage)를 제안하였고, 이를 그림 4에 본 연구의 D/B와 함께 나타내었다.
- 추가적으로 원심모형시험과 수치해석을 함께 수행하여, 필댐의 내진 성능 평가 기준인 변형 기준에 대한 실험적인 검토와 수치시뮬레이션에 의한 매개 변수 분석을 수행하였다. 수집된 계측데이터 분석을 보완하고, 변형 기준에 대한 이론적 근거를 마련하였다.
- 시험결과가 Swaisgood(2)의 결과와 잘 부합하고 있고, 손상 수준은 ‘None’또는 ‘Moderate’정도로 분류되었으며, 실험완료 후 육안 검사한 결과에서도, 손상이 거의 관측되지 않았다.
- 8% 발생한 경우가 있으나, 이는 댐마루가 크게 파손되었다기 보다는 큰 가속도 증폭으로 국부적으로 골재가 쓸려 내려가는 현상이 발생하여 나타난 것으로 판단된다. 이는 지진하중 작용시, 댐 표면의 고속촬영 결과를 통해 확인하였으며, 실제 댐 마루 변형은 이보다 작을 것이라 판단된다.
- 해석 결과, 댐 높이가 높아질수록 댐 높이에 대한 횡방향변위 비율과 침하 비율이 커지는 것을 알 수 있다. 이는 댐 높이가 높아질수록, 지진시 댐체의 많은 부분이 소성영역을 경험하고, 경험하는 변형률 수준도 커지면서 나타나는 비선형 거동으로 전단탄성계수가 감소되면서, 많은 변형이 발생했을 거라고 판단된다.
- 해석 결과를 분석해 보면 댐 사면 경사가 급해질수록 댐 높이에 대한 횡방향 변위 비율과 침하 비율이 급격히 커지는 경향을 나타내었다.
- 해석 결과를 분석해 보면 사력재 강성이 커질수록 댐 높이에 대한 침하 비율이 줄어들었다. 반면, 댐 높이에 대한 횡방향 변위 비율은 일정한 경향을 나타내지 않는 것으로 판단된다.
- 해석 결과를 분석해 보면, 심벽재 전단탄성계수이 커질수록 댐 높이에 대한 횡방향 변위 비율이 줄어드는 경향을 확인하였다. 반면, 침하 비율은 일정한 경향을 나타내지 않는 것으로 판단된다.
후속연구
- 4. 원심모형시험 및 수치시뮬레이션 결과 모두, 국외 D/B자료의 결론과 유사한 결과를 보이고 있어, 국내 필댐 내진성능 평가에 사용되는 횡방향 변위와 침하량에 대한 댐높이의 1% 기준은 상당히 큰 값으로, 추후 보완의 여지가 있다고 판단된다.
- 4g 이상의 기반암 가속도 수준이 필요하며, 이는 국내 지진학적 조건상 발생하기 힘든 지진 가속도 수준이다. 내진성능 보강이 필요한 댐에 대해, 사면 활동에 대한 등가 정적 해석시 안전율이 불충분조건으로 판정되었다 하더라도, 동적 해석을 수행하여 내진성능이 충분하다는 결론을 도출할 수 있는 불합리성이 나타낼 수 있어, 이에 대한 개선의 필요성이 제기된다.
- D/B구축을 위해 필요한 모든 정보를 가진 데이터는 수집된 자료 수에 비해 많지 않다. 신뢰성 있는 D/B구축을 위하여, 지속적인 문헌 연구로부터 데이터를 추가로 확보할 필요가 있고, 현재 구축되어 있는 국내 댐 지진 계측 시스템을 더욱 활성화하여 국내 필댐 자료을 확보할 필요가 있다.
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