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문제 정의
- 지진이 발생하였을 때 지반이 액상화되면 지하에 매설되어 있는 상대적으로 작은 단위중량을 가진 지하 중공구조물은 부상하는 현상이 발생한다. 본 연구에서는 강진동에 의한 지반구조물의 동적인 상호작용에 대해서 조사하기 위해 일련의 원심모형 실험을 수행하였고 다음과 같은 결론을 얻었다.
- 본 연구에서는 뒤채움의 액상화에 의한 지하 중공구조물의 부상현상에 대해서 강한 지진파에 의해 발생하는 지반-지하 중공구조물의 상호작용에 대하여 심도 있는 연구를 수행하기 위해 원심모형시험을 수행하였다. 특히, 지하 중공구조물의 부상현상과 관련하여 강한 입력지진파에 의해 원지반으로부터의 큰 관성력이 지하 중공구조물에 작용하여 발생하는 구조물의 rocking현상을 조사하기 위해 각각의 실험결과에 대해서 지하 중공구조물 상 · 하부에서 계측된 응답가속도의 분석이 수행되었으며, 지하 중공구조물의 부상량과의 관계를 검토하였다.
- 그리고 다시 20g의 원심장에서 진동대를 통해 지진파를 입력하였고 실험의 단순화를 위해서 사인파가 적용되었다. 지하 중공구조물이 최대로 부상할 수 있도록 상대적으로 큰 입력지진파[0.3(6)m/s2)]를 목표로 하였다. 목표 입력지진파가 출력되도록 진동대의 보정을 실시한 결과, 진동대의 진폭이 2.
제안 방법
- CS4의 경우는 표준사에 점토를 혼합하는 것으로 강한 지진하중에 따른 액상화에 대한 저항과 지반의 강성을 증가시킴으로써 원지반으로부터의 영향을 최소화 시켰다. CS5는 그림 5에 나타낸 바와 같이 아크릴 박스를 트랜치로 이용하였으며, 이로 인하여 뒤채움과 원지반의 경계 조건이 완전 비배수 그리고 강성의 경계조건으로 원지반으로부터의 영향을 차단하였다.
- 그 후 지중 중공구조물을 설치하기 위해 가로, 세로, 높이가 0.115(2.3)×0.115(2.3)×0.16(3.2)m의 트랜치를 알루미늄 판을 이용하여 굴착하였다.
- 동적인 하중에 의한 지하 중공구조물의 부상거동을 알아보기 위해 그림 6에 나타낸 바와 같이 모든 실험 케이스에 대한 계측결과를 비교하였다. 그림에 나타낸 바와 같이 입력 지진파의 규모는 거의 동일한 것을 알 수 있으며, 각 그림의 수직점선에 나타난 것처럼 뒤채움에서의 과잉간극수압(P1)이 동일한 깊이에서의 초기 유효수직응력(σ'v)에 거의 도달하여 뒤채움의 액상화가 발생한 시점에서 구조물이 부상하기 시작하며, 입력가속도가 끝나는 시점에서 구조물의 부상도 정지하는 것을 알 수 있다.
- 또한, Metolose를 이용한 점성유체는 온도에 민감하기 때문에 원심모형실험 중에는 냉 · 난방기를 이용하여 20℃의 온도를 유지하였으며, 그림 3(b)에 나타낸 바와 같이 모형토조 외부의 왼쪽 하부에 온도계를 설치하여 지속적으로 관찰하였다.
- 2)m의 트랜치를 알루미늄 판을 이용하여 굴착하였다. 마지막으로 0.01(0.2)m의 자갈층을 트랜치 하부에 깔고 그 위에 모형 구조물을 거치 시킨 후, 트랜치 내부에 점성유체를 넣고 원지반를 포화시키면서 수중 낙하법으로 뒤채움을 약 36%의 상대밀도로 제작하였다. 그림 3(b)에 나타낸 바와 같이 본 실험에서는 두 개의 모형 구조물의 설치를 위해서 두 개의 트랜치가 제작되었으며 오른쪽은 뒤채움 내에서 과잉간극수압이 증가할 때 지하 중공구조물 내부로 간극수를 소산시킬 수 있는 대책공법이 설치되어 있으며, 본 연구에서는 미대책 구조물에 대한 메커니즘 규명에 초점을 두기 때문에 대책공법에 대한 실험 결과는 무시되었다.
- 3(6)m/s2)]를 목표로 하였다. 목표 입력지진파가 출력되도록 진동대의 보정을 실시한 결과, 진동대의 진폭이 2.8(56)mm 그리고 25(1.25)Hz의 진동수일 때 입력지진파의 진폭이 약 0.3(6)m/s2이였으며, 30회의 반복하중을 적용하였다. 그리고 지하수위는 지표면으로부터 0.
- , 1999). 본 실험에서는 2%의 Metolose용액으로 20℃에서 약 100cSt의 점성을 가지는 점성유체를 제작하고, 증류수와 혼합하여 점성을 20cSt까지 감소시킨 후 약 24시간동안 진공실에서 점성유체 내부의 공기를 제거하였다. 또한, Metolose를 이용한 점성유체는 온도에 민감하기 때문에 원심모형실험 중에는 냉 · 난방기를 이용하여 20℃의 온도를 유지하였으며, 그림 3(b)에 나타낸 바와 같이 모형토조 외부의 왼쪽 하부에 온도계를 설치하여 지속적으로 관찰하였다.
- 15)m/s2로 약간의 차이가 있지만 본 연구에서는 이러한 차이를 무시하였다. 본 연구에서는 원지반의 영향을 조사하기 위해 뒤채움의 상대밀도는 36%로 일정하게 하고 원지반의 상태를 변경하여 실시하였다. CS1에서 CS3까지는 원시반의 상대밀도를 36%부터 85%까지 증가시켰으며, CS4는 원지반의 지반으로 모래(75%)와 점토(25%)의 혼합토를 사용하였으며, 여기서 점토는 벤토나이트가 사용되었다.
- 그리고 모델 지반 및 구조물은 1/20로 축소 제작되었고, 원심가속도 20g에서 진동대로부터 지진파를 입력하였다. 입력 지진파와 각종 계측기는 무선 LAN에 의해 제어되며, 모형토조 전방에 CCD카메라가 설치되어 있어 실험 중의 지반과 구조물의 거동을 관찰할 수 있도록 설계 및 제작되었다.
- 원심모형실험에 지반 및 구조물의 동적 하중이 적용되었을때 액상화를 통한 간극유체의 확산과 관련한 상사 등을 만족시키기 위해서 물보다 큰 점성을 가진 점성유체가 사용되었다. 점성유체 제작을 위하여 증류수에 Metolose(Shin-Etsu Chemical Co. 1997)를 혼합하여 점성을 20배(20cSt) 증가시켰다. Metolose의 화학적 명칭은 hydroxypropyl methylcellulose(MC)이며 이 물질은 무색·무취로써, 생리학적으로 인체에는 무해한 물질이며, 밀도 및 표면장력과 같은 요소의 변화 없이 높은 점성유체를 제조할 수 있기 때문에 여러 연구에서 사용되고 있다(Dewoolkar et al.
- 지하 중공구조물의 부상량을 계측하기 위해서 레이저 변위계(L1)를 모형토조 상부에 설치하였다. 정확한 입력가속도의 계측을 위해서 모형토조에 Ac0를 설치하고, 구조물의 동적 거동을 조사하기 위해 구조물 상부와 하부에 Ac1와 Ac2를 각각 설치하였다. 그리고 뒤채움과 원지반의 지표면 가속도를 계측하기 위해 각각의 지표면에 Ac3와 Ac4를 설치하였다.
- 지중에 매설되어 있는 지하 중공구조물과 지반의 동적 거동을 관찰하기 위해 그림 4에서 보이는 것처럼 모형토조 내부의 모형지반 및 구조물에 각종 계측기를 설치하였고, 그림에 보이는 것처럼 본 연구의 대상 구조물인 왼쪽 편에 대해서만 표기하였다. 지하 중공구조물의 부상량을 계측하기 위해서 레이저 변위계(L1)를 모형토조 상부에 설치하였다. 정확한 입력가속도의 계측을 위해서 모형토조에 Ac0를 설치하고, 구조물의 동적 거동을 조사하기 위해 구조물 상부와 하부에 Ac1와 Ac2를 각각 설치하였다.
- 지하 중공구조물의 부상현상에 대해서 좀 더 자세하게 살펴보기 위하여 가속도 증폭계수(Acceleration amplitude factor)와 위상차(Phase difference)에 대해서 살펴보았다. 가속도 증폭계수는 Ac1에서 Ac4의 가속도에 대해서 입력가속도 Ac0에 대한 비로써 다음과 같이 나타낼 수 있다.
- 특히, 지하 중공구조물의 부상현상과 관련하여 강한 입력지진파에 의해 원지반으로부터의 큰 관성력이 지하 중공구조물에 작용하여 발생하는 구조물의 rocking현상을 조사하기 위해 각각의 실험결과에 대해서 지하 중공구조물 상 · 하부에서 계측된 응답가속도의 분석이 수행되었으며, 지하 중공구조물의 부상량과의 관계를 검토하였다.
대상 데이터
- 본 연구에서는 원지반의 영향을 조사하기 위해 뒤채움의 상대밀도는 36%로 일정하게 하고 원지반의 상태를 변경하여 실시하였다. CS1에서 CS3까지는 원시반의 상대밀도를 36%부터 85%까지 증가시켰으며, CS4는 원지반의 지반으로 모래(75%)와 점토(25%)의 혼합토를 사용하였으며, 여기서 점토는 벤토나이트가 사용되었다. CS4의 경우는 표준사에 점토를 혼합하는 것으로 강한 지진하중에 따른 액상화에 대한 저항과 지반의 강성을 증가시킴으로써 원지반으로부터의 영향을 최소화 시켰다.
- 본 논문에서는 일관성을 유지하기 위해 본문에서는 모든 단위 체계를 Model-scale(Full-scale)로 표시하였다. 그림에서 보듯이 모형 지하구조물은 원기둥으로 내부가 비어있는 중공구조물이며 알루미늄으로 제작하였다. 모형 지하 중공구조물은 실물 구조물과 비교하여 20배 축소 제작되었고 그 길이는 0.
- 그림에서 보듯이 모형 지하구조물은 원기둥으로 내부가 비어있는 중공구조물이며 알루미늄으로 제작하였다. 모형 지하 중공구조물은 실물 구조물과 비교하여 20배 축소 제작되었고 그 길이는 0.15m(3m), 외경은 0.055m(1.1m), 벽체두께는 0.005m(0.1m)이다(그림 2 참조). 표 1은 모형 구조물의 물리적 특성을 나타내며 실제 지하 중공구조물은 철근이 보강된 콘크리토로 제작된 반면 본 실험에서는 알루미늄을 이용하여 그 단위중량이 8.
- 본 실험에서 사용한 시료는 표준사이며, 물리적 특성은 표 2에 나타나있는 바와 같다. 통일 분류법으로 SP에 속하며, 비중은 2.
- 본 연구에서는 지중에 매설되어 있는 지하 중공구조물의 부상거동을 평가하기 위하여 최대 용량 24g-ton의 원심모형 시험기가 이용되었다. 모형토조는 회전축으로부터 반경이 2.
이론/모형
- 그림 2는 원심모형실험에 사용된 모형 구조물을 나타내며, 하수시스템으로써 맨홀 구조물을 대상으로 제작되었다. 본 논문에서는 일관성을 유지하기 위해 본문에서는 모든 단위 체계를 Model-scale(Full-scale)로 표시하였다. 그림에서 보듯이 모형 지하구조물은 원기둥으로 내부가 비어있는 중공구조물이며 알루미늄으로 제작하였다.
성능/효과
- 그림 7과 표 1에서 지하 중공구조물의 부상량은 원지반의 상태에 따라 다음과 같이 변화하였다; (a)원지반의 상대밀도가 36%, (b)원지반의 상대밀도가 65%, (c)원지반의 상대밀도가 85%, (d)원지반의 재료로써 모래(75%)와 점토(25%)의 혼합토, 그리고 (e)아크릴 박스를 이용한 완전 비배수와 강성의 경계조건의 순으로 구조물의 부상량이 감소하였다. 그림에 나타낸 바와 같이 뒤채움은 같은 조건하에 제작되었기 때문에 구조물의 부상량은 원지반에 대한 영향에 의해서 발생한 것으로 생각할 수 있으며, 그림 6(a) [CS1]와 그림 6(e) [CS5]를 비교하면 CS1의 뒤채움에서의 과잉 간극수압은 약 5초후에 초기 유효수직응력에 도달하였으며, CS5는 약 7초후에 초기 유효수직응력에 도달하는 것을 알 수 있다. 이러한 결과는 뒤채움에서의 과잉간극수압이 빨리 증가할수록 구조물의 부상량이 증가하는 것으로 생각할 수 있다.
- 952)m였다. 그림 7과 표 1에서 지하 중공구조물의 부상량은 원지반의 상태에 따라 다음과 같이 변화하였다; (a)원지반의 상대밀도가 36%, (b)원지반의 상대밀도가 65%, (c)원지반의 상대밀도가 85%, (d)원지반의 재료로써 모래(75%)와 점토(25%)의 혼합토, 그리고 (e)아크릴 박스를 이용한 완전 비배수와 강성의 경계조건의 순으로 구조물의 부상량이 감소하였다. 그림에 나타낸 바와 같이 뒤채움은 같은 조건하에 제작되었기 때문에 구조물의 부상량은 원지반에 대한 영향에 의해서 발생한 것으로 생각할 수 있으며, 그림 6(a) [CS1]와 그림 6(e) [CS5]를 비교하면 CS1의 뒤채움에서의 과잉 간극수압은 약 5초후에 초기 유효수직응력에 도달하였으며, CS5는 약 7초후에 초기 유효수직응력에 도달하는 것을 알 수 있다.
- 231)m으로 적은 양을 기록하였다. 결론적으로 일련의 실험결과는 강한 진동에 의해 지하 중공구조물의 rocking현상이 그 부상량에 큰 영향을 미치는 것으로 생각할 수 있다.
- 결론적으로, 지하 중공구조물의 부상현상은 뒤채움의 액상화로부터 기인하지만, 구조물의 부상량은 원지반의 조건에 따라서 크게 변하는 것을 알 수 있었다. 다시 말해서, 지하 중공구조물은 주변지반의 거동에 크게 의존하기 때문에 원지반에서 발생한 강한 진동에 의해 구조물의 rocking현상을 야기함으로써 그 부상량은 크게 증가됨을 확인하였다.
- 다시 말해서, 뒤채움의 액상화(P1)와 더불어 원지반이 액상화(P3) 되었을 때 그림 1(b)에서 설명한 것처럼 원지반으로부터의 측방유동에 의해 뒤채움에서의 과잉간극수압의 증가를 가속시키는 것이며 이로 인해 구조물의 부상량이 증가하는 것이다. 그리고 원지반에서의 과잉간극수압은 원지반의 상대밀도가 증가할수록 감소하는 것을 알 수 있고, 이에 따라 구조물 부상량도 감소함을 알 수 있다. 실제로 원지반에 점토가 혼합된 그림 6(d)는 원지반에서의 과잉간극수압 P3이 상대밀도 85%인 CS3보다 작아지는 것을 알 수 있으며 이러한 영향으로 CS3의 구조물 부상량이 CS4보다 증가한 것으로 생각할 수 있다.
- 결론적으로, 지하 중공구조물의 부상현상은 뒤채움의 액상화로부터 기인하지만, 구조물의 부상량은 원지반의 조건에 따라서 크게 변하는 것을 알 수 있었다. 다시 말해서, 지하 중공구조물은 주변지반의 거동에 크게 의존하기 때문에 원지반에서 발생한 강한 진동에 의해 구조물의 rocking현상을 야기함으로써 그 부상량은 크게 증가됨을 확인하였다. 이러한 결과는 지반공학적 측면으로 볼 때 액상화 지반에서 지하 중공구조물의 부상량을 저감시킬 수 있는 새로운 대책공법의 개발에 공헌할 수 있으리라 기대된다.
- 822)m로 감소하였다. 마지막으로 아크릴 박스로 트랜치를 제작하여 뒤채움을 완전 비배수 및 강성의 경계조건으로 한 경우는 그 부상량이 0.0116(0.231)m로 크게 감소하였다.
- 모형지반의 제작 완료 후 모든 장비 및 계측기에 어떠한 문제도 없는 것을 확인한 후 모형지반을 목표 원심장(20g)에서 안정화 시키기 위해 20g에서 5분간 압밀 시키고 이러한 과정에서 뒤채움과 같이 느슨한 지반은 약간의 침하가 발생하였으며 그에 따른 상대밀도가 약 1%~3%정도 증가하였지만 본 연구에서는 이를 무시하였다. 그리고 다시 20g의 원심장에서 진동대를 통해 지진파를 입력하였고 실험의 단순화를 위해서 사인파가 적용되었다.
- 지하 중공구조물은 뒤채움 주변의 원지반이 액상화되어 원지반으로부터 뒤채움으로의 측방유동이 발생하면 그 부상량은 더욱 증가하는 것을 확인하였다. 본 실험결과에서는 원지반의 상대밀도가 36%의 경우 액상화가 발생하여 그 부상량이 0.0537(1.074)m였으며, 65%의 경우에는 0.0515(1.030)m, 85%의 경우가 0.0476(0.952)m로 감소하였으며 원지반을 모래(75%)와 점토(25%)의 혼합토를 사용한 경우는 그 부상량이 0.0411(0.822)m로 감소하였다. 마지막으로 아크릴 박스로 트랜치를 제작하여 뒤채움을 완전 비배수 및 강성의 경계조건으로 한 경우는 그 부상량이 0.
- 이러한 결과를 바탕으로 지하 중공구조물은 주변지반의 거동에 의존하며, 원지반 지표면의 가속도의 크기와 구조물 상 · 하부의 진동의 차이가 구조물이 부상량과 밀접한 관련이 있음을 알 수 있다.
- 이로 인해서 구조물 상·하부는 일정한 위상차를 가지며 크게 흔들리는 rocking현상이 발생하며 그 부상량이 증가됨을 확인하였다.
- 이로 인해서 구조물 상·하부는 일정한 위상차를 가지며 크게 흔들리는 rocking현상이 발생하며 그 부상량이 증가됨을 확인하였다. 이에 반해 아크릴 박스에 의한 트랜치 제작으로 주변 원지반에서의 영향을 차단한 경우는 구조물의 rocking 현상이 발생하지 않았으며, 그 부상량 또한 0.0116(0.231)m로 크게 감소하는 것을 확인하였다.
- 지하 중공구조물은 뒤채움 주변의 원지반이 액상화되어 원지반으로부터 뒤채움으로의 측방유동이 발생하면 그 부상량은 더욱 증가하는 것을 확인하였다. 본 실험결과에서는 원지반의 상대밀도가 36%의 경우 액상화가 발생하여 그 부상량이 0.
- 지하 중공구조물은 진동이 진행됨에 따라 주변의 뒤채움에서 과잉간극수압이 점점 증가하고, 유효응력과 지반강성이 감소하여 뒤채움의 액상화와 더불어 부상하기 시작하며, 진동이 진행됨에 따라 그 부상량은 증가하며 진동이 끝난 직후에는 구조물의 부상도 정지하는 것을 확인하였다.
- 지하 중공구조물의 부상은 뒤채움의 액상화에 의해 발생 하는 것은 전 절의 실험결과에서 확인되었고, 구조물의 부상량은 뒤채움뿐만 아니라 원지반의 영향에 의해서도 변화하는 것을 알 수 있었다(그림 6). 그림 10은 CS1, CS3 그리고 CS5에서 계측된 가속도를 나타낸다.
후속연구
- 다시 말해서, 지하 중공구조물은 주변지반의 거동에 크게 의존하기 때문에 원지반에서 발생한 강한 진동에 의해 구조물의 rocking현상을 야기함으로써 그 부상량은 크게 증가됨을 확인하였다. 이러한 결과는 지반공학적 측면으로 볼 때 액상화 지반에서 지하 중공구조물의 부상량을 저감시킬 수 있는 새로운 대책공법의 개발에 공헌할 수 있으리라 기대된다.
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