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문제 정의
- 특히, 매립지역에 설치된 대부분의 항만구조물은 큰 지반증폭으로 인해 구조물이 불안정하거나 액상화가 일어날 가능성이 매우 높다. 본 연구목적은 연안지반의 액상화 현상 발생여부에 따른 액상화재해도 뿐만 아니라 GIS를 이용한 기존 항만시설물의 지진에 대한 안정성 평가(구조적 안정성)를 통해 내진성능평가도를 작성하는데 있다.
- 본 연구에서는 2001년 이전에 내진설계가 적용되지 않은 기존 항만시설물 중 서해권 ○○항의 18개 시설물에 대하여 지진에 대한 안정성을 평가하였고, 내진성능평가도를 작성하였다.
제안 방법
- GIS분석을 통해 재해도를 시각화하였으며 내진보강이 필요한 시설물을 선정, 내진보강우선순위를 정할 수 있도록 제시하였다.
- 둘째, 지진피해의 주원인인 액상화 현상에 따른 예측 방법에 대해 국내설계기준 및 시방내용을 근거로 지진 예측정보를 시각적으로 표현하였다.
- 따라서, 액상화 평가 결과값의 최저치를 이용하여 액상화재해도를 시각화 하였다.
- 문서화된 내진성능평가는 전문가가 아닌 이상 쉽게 동정을 파악하기 어려운 것을 염두 하여 기존항만 시설물에 대해 기존의 내진성능평가 뿐만 아니라 한 단계 더 나아가 GIS를 이용한 공간 분석을 하였다. 특히, 지진예측정보를 시각적으로 표현하는 액상화 재해도, 내진성능평가도 작성과 관련하여 해석적 방법의 의해 액상화 발생 가능성 정보나 내진성능평가도와 같이 시각 정보화 하였다.
- 보강에 대한 우선순위는 소방방재청에서 제시한 접안시설에 대한 우선순위 평가지표를 토대로 수정하여 사용하였다.
- 보강유무라는 속성값은 Field Calculator을 이용하여 액상화평가, 미끄러짐, 전도, 지지력, 원호활동 특성에 따라 재분류 하였다.
- 본 연구에서는 소방방재청에서 제시한 접안시설에 대한 우선순위 평가지표를 참고하여 수정한 지표를 사용하였으며, 금회 이용된 평가지표 및 가중치는 본 연구에서 평가된 불안전한 부두에 적용하기 위해 구성한 것이므로 다른 연구의 결정지표로 사용하기에는 무리가 따를 것으로 보인다.
- 시설별 현황조사 및 분석을 위해 설계도서와 현장조사, 지반조사를 실시하였다. 그 결과를 이용하여 액상화 평가와 항만시설물 내진성능 1단계평가를 실시하였다.
- 시추공 정보와 표준관입시험치 지하수위 정보를 대상으로 액상화 평가를 실시했다.
- 내진성능 평가 요령은 항만시설물 중 계류시설(안벽과 잔교)과 외곽시설인 방파제에의 평가에 적용하며 등 가정적해석법을 기본으로 하고 있다. 요령의 구성은 내진성능 평가기준지진과 평가절차, 예비평가(자료조사), 상세평가(액상화 평가 , 구조적 안정성 평가), 평가보고서작성으로 구성하였다.
- 화성암류는 맥암과 유문응회암으로 구성되어 있다. 이들 지층에 대해서 과거 전연 조사가 되어 있지 않아 무안도폭을 토대로 지질층서를 인용하였다.
- 중력식 안벽의 내진성능은 상세1단계(등가정적해석)와 상세2단계(변위를 고려한 해석)로 나눌 수 있으며, 본 연구에서는 상세1단계만 검토하였다.
- 문서화된 내진성능평가는 전문가가 아닌 이상 쉽게 동정을 파악하기 어려운 것을 염두 하여 기존항만 시설물에 대해 기존의 내진성능평가 뿐만 아니라 한 단계 더 나아가 GIS를 이용한 공간 분석을 하였다. 특히, 지진예측정보를 시각적으로 표현하는 액상화 재해도, 내진성능평가도 작성과 관련하여 해석적 방법의 의해 액상화 발생 가능성 정보나 내진성능평가도와 같이 시각 정보화 하였다.
대상 데이터
- 3에 표시된 바와 같다. 구조형식이 잔교식인 경우는 이번 연구에서는 제외하였고 중력식만 연구 대상으로 선정하였다.
- 본 연구 대상지역은 『서해권 ○○항』의 항만구조물 18개소이며 Fig. 3에 표시된 바와 같다. 구조형식이 잔교식인 경우는 이번 연구에서는 제외하였고 중력식만 연구 대상으로 선정하였다.
데이터처리
- 관측값이 공간상에서 연속적으로 변화하고, 일반적으로 많이 사용되는 IDW(Inverse Distance Weighted) 보간법을 채택하였다. IDW에서는 인접한 표본점들과 값을 추정할 미지점까지의 거리에 따라 비선형적인 가중치를 부여하여 평균값을 사용하였다.
- 그 결과를 이용하여 액상화 평가와 항만시설물 내진성능 1단계평가를 실시하였다.
- 액상화 평가, 구조물의 내진성능평가 결과 데이터를 모아서 GIS를 통한 공간분석을 실시하였다.
이론/모형
- 액상화 평가, 구조물의 내진성능평가 결과 데이터를 모아서 GIS를 통한 공간분석을 실시하였다. 공간자료의 구축 및 분석은 ESRI사의 Arc GIS9.3을 사용하였다.
- 관측값이 공간상에서 연속적으로 변화하고, 일반적으로 많이 사용되는 IDW(Inverse Distance Weighted) 보간법을 채택하였다. IDW에서는 인접한 표본점들과 값을 추정할 미지점까지의 거리에 따라 비선형적인 가중치를 부여하여 평균값을 사용하였다.
- 보강우선순위를 나타내기 위해서 접안시설의 내진보강 우선순위 결정 지표를 이용하였다.
- 본 연구에서는 『항만 및 어항설계의 내진설계표준서』의 기준에 따라 지진응답해석을 통해 액상화 평가를 수행하는 수정Seed등의 간편법을 사용하였으며 그 순서는 Fig. 1과 같다.
- 액상화 평가 산정은 수정 Seed & Idriss방법으로 인공지진파 3개에 대하여 각각 수행하였다.
- 지지력에 대한 안정검토는 항만 구조물중 중력식 구조물의 기초지반에 편심, 경사하중이 작용하는 경우의 지지력은 실제 현장을 잘 재현할 수 있는 Bishop의 간편법에 의한 원호활동 해석법에 의하여 산정하였다.
- 지진응답해석은 등사선형해석(Pro-Shake)에 의해 작성하였다. 지진규모는 내진설계 표준서에서 추천하는 값6.
성능/효과
- 지하수위 위의 지반은 액상화 평가생략지반으로 제외한다. 그 결과 모든 깊이에 대해서 안전율을 1.0이상 상회하는 것으로 나타났다. 각 심도별 값 중에서 최저값을 기준으로 Table 2와 같이 정리하였다.
- 따라서 1978년 Iwasaki가 제안한 LPI (Liquefaction Potential Index)값을 이용하도록 제안되었으나, 연구대상 시설물 18개 모두 액상화에 안정한 것(Table 2)으로 나타나 LPI지수가 모두 0이 되어 LPI적용이 불가하였다.
- 셋째, 액상화평가와 내진성능평가에서 얻어진 자료는 GIS의 속성정보 질의에 따라 구조물 보강유무를 파악하거나 보강순위를 정하는 중요한 자료로 이용할 수 있었다.
- 시설물 18개 단면에 대한 액상화 평가는 모두 안정성을 확보하는 것으로 평가되었으나, 내진성능평가에 대해서는 총 18개소 중 7개소에서 취약한 것으로 나타났다. 파괴유형은 미끄러짐에서 불안정한 경우(1개소), 지지력에서 불안정한 경우(2개소), 미끄러짐과 지지력 동시에 불안정한 경우(3개소), 미끄러짐과 전도와 지지력에서 불안정한 경우(1개소)로 나타났다.
- 지반가속도는 지진재현주기 500년 빈도(내진설계 2등급구조물, 붕괴방지수준)의 50년 내에 발생확률 10%에 해당하는 0.055g로 나타났다.
- 첫째, 지리정보시스템(GIS)을 통해서 수치지도, 구조 설계서와 같이 각각 이원화된 자료를 하나의 통합된 정보로 일원화하여 각각의 목적에 맞게 정보를 활용할 수 있었다.
- 시설물 18개 단면에 대한 액상화 평가는 모두 안정성을 확보하는 것으로 평가되었으나, 내진성능평가에 대해서는 총 18개소 중 7개소에서 취약한 것으로 나타났다. 파괴유형은 미끄러짐에서 불안정한 경우(1개소), 지지력에서 불안정한 경우(2개소), 미끄러짐과 지지력 동시에 불안정한 경우(3개소), 미끄러짐과 전도와 지지력에서 불안정한 경우(1개소)로 나타났다.
후속연구
- 대부분의 부두에서 경미한 결함이 조사되었으나 기능발휘에 지장이 없는 상태로 판단되며, 조사된 손상들에 대해서는 장기적인 점검 등을 통한 효율적인 유지관리가 이루어진다면 사용성은 충분히 확보할 수 있을 것으로 보였다.
- 앞으로 시각정보화한 내진성능평가도를 어플리케이션으로 개발하여 사용성을 증대하면 좋을 것으로 기대된다.
- 향후 국내 항만구조물의 내진성능평가에 대한 내진 성능평가도가 완성된다면 내진성능보수공사의 우선순위 결정 및 보강수준을 평가하는 지표로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
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