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문제 정의
- 따라서 본 연구에서는 방수제 구조물과 지반의 내진성능 평가를 위하여 상사율을 고려한 진동대 모형실험으로 안정성 평가를 수행하였다. 실험방법은 실제 시공순서를 재현하여 완성 후 진동대 모형토조 하부에 설정된 지진하중을 발생시켜 지진에 의한 하부지반과 방수제 구조물의 상호작용을 분석하였다.
- 따라서 본 연구에서는 방수제 구조물과 지반의 내진성능 평가를 위하여 상사율을 고려한 진동대 모형실험으로 안정성 평가를 수행하였다. 실험방법은 실제 시공순서를 재현하여 완성 후 진동대 모형토조 하부에 설정된 지진하중을 발생시켜 지진에 의한 하부지반과 방수제 구조물의 상호작용을 분석하였다.
제안 방법
- 본 연구에서는 방수제 구조물과 지반의 내진성능 평가를 위하여 상사율을 고려한 진동대 모형실험으로 안정성 평가를 수행하였다. 구조물의 수평 및 연직 변위, 구조물 하부지반내에 작용하는 간극수압 변화, 하부지반 및 방수제 구조물의 최대가속도 변화량 측정 등 계측결과를 비교･분석하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
- 구체적인 모형단면 조성순서는 원지반 조성 → 계측기 매설 → 방수제 설치 → 상부 계측기 설치 → 수위조절 순으로 진행하였으며, 2절에서 제시한 상사법칙을 적용하여 우선 방수제 하부에 설치되는 원지반의 공학적 특성 파악, 진동대의 제원 및 제반 시험조건을 고려하여 모형지반을 구성하였다.
- 내진 해석조건에서 수위는 홍수위 조건으로 하여 구조물 하부지반은 최적함수비 조건으로 다짐 후 가압을 통한 강제 포화와 수침을 진행하였다. 표 5는 실험시 사용된 계측기의 제원을 나타낸 것이며, 과잉간극수압의 변화를 계측하기 위하여 모형지반의 퇴적층내 심도별로 간극수압계(3ea)를 설치하였고, 지반내의 가속도의 증폭량을 계측하기 위하여 중앙부 방수제 직하부의 해성퇴적층에 가속도계(2ea)를 설치하였다.
- 실험 모형은 방수제 구조물의 모델을 상사율이 1/100이 되도록 제작하여 실제 현장조건의 입도와 유사하게 원지반 시료를 모형토조에 조성하여 지반을 조성하였다. 또한, 구조물 내진 등급은 1등급, 성능수준은 붕괴방지수준 구조물로써 Hachinohe 지진파, Ofunato 지진파, 인공지진파의 3가지 파를 구현하였고, 이를 모형토조 하단에 입력하여 지진파를 모사하였다. 그림 1은 방수제 구조물의 진동대 모형실험에 사용된 지진파형을 나타낸 것이다.
- 설치된 모형 구조물의 수평변위와 수직침하 변위를 측정하기 위하여 상부와 측면에 수평과 연직변위계(LVDT)를 설치하였으며, 설치된 모형 구조물의 전체적인 침하량을 계측하기 위하여 방수제 상부에 연직변위계를 설치하였다. 또한, 설치된 모형 구조물의 지진 하중 시에 구조물부에서 증폭되는 가속도 값을 측정하기 위하여 가속도계를 설치하였다.
- 본 실험에서 측정된 가속도는 1.5m/sec2로 실험 토조에 적용하여 방수제 상부면, 원지반 퇴적층의 상부면, 육측방향, 하부면에 각각 측정을 하였다. 전체적인 가속도의 크기는 3가지 파형 중 Ofunato파와 인공지진파에서는 방수제의 상부면에서 가장 크게 나타났다.
- 진동대 모형실험은 60cm (폭)×110cm(너비)×100cm(높이)로 1/100 상사비를 적용할 수 있는 모형실험용 토조를 사용하였다. 상사비 1/100모형을 모사하기 위해 입도를 조정하여 토조를 구성하였고, 모형실험의 기초 지반 구성은 최적함수비로 구성된 풍화토층 3.5cm, 해성퇴적층 19.8cm, 방수제 8.5cm의 순서로 다짐을 실시하였으며, 표 4는 사용된 진동대 시험장치의 제원을 나타낸 것이다.
- 표 5는 실험시 사용된 계측기의 제원을 나타낸 것이며, 과잉간극수압의 변화를 계측하기 위하여 모형지반의 퇴적층내 심도별로 간극수압계(3ea)를 설치하였고, 지반내의 가속도의 증폭량을 계측하기 위하여 중앙부 방수제 직하부의 해성퇴적층에 가속도계(2ea)를 설치하였다. 설치된 모형 구조물의 수평변위와 수직침하 변위를 측정하기 위하여 상부와 측면에 수평과 연직변위계(LVDT)를 설치하였으며, 설치된 모형 구조물의 전체적인 침하량을 계측하기 위하여 방수제 상부에 연직변위계를 설치하였다. 또한, 설치된 모형 구조물의 지진 하중 시에 구조물부에서 증폭되는 가속도 값을 측정하기 위하여 가속도계를 설치하였다.
- 표 2는 설계지반 가속도 결정조건을 나타낸 것으로서, 결정된 설계지반가속도 적용시 허용 최대 수평 변위는 30cm를 기준으로 하였다(건설교통부, 2005). 실험 모형은 방수제 구조물의 모델을 상사율이 1/100이 되도록 제작하여 실제 현장조건의 입도와 유사하게 원지반 시료를 모형토조에 조성하여 지반을 조성하였다. 또한, 구조물 내진 등급은 1등급, 성능수준은 붕괴방지수준 구조물로써 Hachinohe 지진파, Ofunato 지진파, 인공지진파의 3가지 파를 구현하였고, 이를 모형토조 하단에 입력하여 지진파를 모사하였다.
- 따라서 본 연구에서는 방수제 구조물과 지반의 내진성능 평가를 위하여 상사율을 고려한 진동대 모형실험으로 안정성 평가를 수행하였다. 실험방법은 실제 시공순서를 재현하여 완성 후 진동대 모형토조 하부에 설정된 지진하중을 발생시켜 지진에 의한 하부지반과 방수제 구조물의 상호작용을 분석하였다. 즉, 구조물의 수평 및 수직 변위, 지진하중에 의한 구조물 하부지반에 작용하는 간극수압 변화, 하부지반 및 방수제 구조물의 최대가속도 변화량 측정 등 계측결과를 비교･분석하였다.
- 실험방법은 실제 시공순서를 재현하여 완성 후 진동대 모형토조 하부에 설정된 지진하중을 발생시켜 지진에 의한 하부지반과 방수제 구조물의 상호작용을 분석하였다. 즉, 구조물의 수평 및 수직 변위, 지진하중에 의한 구조물 하부지반에 작용하는 간극수압 변화, 하부지반 및 방수제 구조물의 최대가속도 변화량 측정 등 계측결과를 비교･분석하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 지진구역이 I구역인 전라도지역으로 가정, 내진 1등급 구조물인 방수제 구조물을 대상으로 하여 산정하였다. 표 2는 설계지반 가속도 결정조건을 나타낸 것으로서, 결정된 설계지반가속도 적용시 허용 최대 수평 변위는 30cm를 기준으로 하였다(건설교통부, 2005).
- 진동대 모형실험은 60cm (폭)×110cm(너비)×100cm(높이)로 1/100 상사비를 적용할 수 있는 모형실험용 토조를 사용하였다.
성능/효과
- 그림 12는 인공지진파 재하시 간극수압 변화를 나타낸 것이다. 간극수압계가 설치된 각 층의 유효응력은 원지반 상부에서 1.81kPa, 원지반 육측상부에서 1.66kPa, 원지반하부에서 2.53kPa이며, 지진하중 재하 시 원지반의 간극 수압 변화는 구조물 육측방향(제내지)에서 0.15kPa 미만으로 간극수압의 영향은 미미한 것으로 나타났다. 그림 13은 유효응력에 따른 과잉간극수압비를 나타낸 것으로서 방수제 구조물 기초지반은 내진설계기준에서 액상화로 인한 상부구조물에는 피해가 없는 1.
- 85m/sec2로 나타났다. 원지반의 육측방향 상부면(제내지)과 중심부에서의 가속도 값이 방수제의 상부면 보다 가속도 값이 크게 나타났다.
- 5m/sec2로 실험 토조에 적용하여 방수제 상부면, 원지반 퇴적층의 상부면, 육측방향, 하부면에 각각 측정을 하였다. 전체적인 가속도의 크기는 3가지 파형 중 Ofunato파와 인공지진파에서는 방수제의 상부면에서 가장 크게 나타났다. 최대가속도가 측정된 파형은 장주기파형과 단주기파형의 특징을 모두 가지고 있는 인공 지진파가 최대 5.
- 내진설계 기준에서 수평방향 변위가 300mm이하일 때 안정하므로 상사비를 고려하여 제작된 방수제 구조물의 수평방향 변위가 1mm이하 이면 내진 설계기준에 만족한다. 즉, 본 연구에서의 진동대 실험결과, 수평방향 변위가 0.51mm로 설계기준에 만족하였고, 이를 실제 스케일의 구조물에 적용하였을 때 50.5mm의 최대 변위가 발생할 것으로 예상된다. 또한, 계측된 과잉간극수압의 증가는 방수제 및 하부지반 전체에 미미한 수준으로 계측되었으나, 향후 입력지진파형, 수위변화, 최대지진가속도 등 해석조건을 달리하여 민감도 분석에 따른 간극수압 결과를 제시해야 할 것이다.
- 53kPa로 나타났다. 지진하중 재하 시 원지반의 간극수압 증가 현상은 구조물 육측방향(제내지)에서 0.15kPa 미만으로 간극수압의 변화는 거의 없는 것으로 나타났다. 그림 9는 유효응력에 따른 과잉간극수압비를 나타낸 것으로 원지반의 퇴적층 모두 1.
- 53kPa로 나타났다. 지진하중 재하 시 원지반의 간극수압 증가 현상은 구조물 육측방향에서 0.15kPa 미만으로 간극수압의 변화는 거의 없는 것으로 나타났다. 그림 5는 유효응력에 따른 과잉간극 수압비를 나타낸 것으로 원지반의 퇴적층 모두 1.
- 전체적인 가속도의 크기는 3가지 파형 중 Ofunato파와 인공지진파에서는 방수제의 상부면에서 가장 크게 나타났다. 최대가속도가 측정된 파형은 장주기파형과 단주기파형의 특징을 모두 가지고 있는 인공 지진파가 최대 5.27m/sec2으로 나타났다.
후속연구
- 5mm의 최대 변위가 발생할 것으로 예상된다. 또한, 계측된 과잉간극수압의 증가는 방수제 및 하부지반 전체에 미미한 수준으로 계측되었으나, 향후 입력지진파형, 수위변화, 최대지진가속도 등 해석조건을 달리하여 민감도 분석에 따른 간극수압 결과를 제시해야 할 것이다.
- 본 연구에서는 실제의 구조물에 대한 축소모형을 제작하여 동적 거동을 분석함으로써 축소모형과 원형사이의 상사법칙을 적용하는 것이 필요하다. 모형과 원형사이의 관계에 대한 연구는 Kagawa(1978)가 힘의 비를 이용하여 동적하중을 받는 지반구조물에 대한 상사법칙을 연구하였고, Iai(1989)는 지반-구조물-유체시스템을 지배하는 기본 방정식(유체와 흙입자 사이의 평형방정식, 질량평형식, 구성방정식 등)으로부터 시스템에 대한 상사법칙을 제안하였다.
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