지진해일파(tsunami)에 의한 피해로 소중한 인명손실뿐만 아니라 침수 범람에 의한 가옥과 같은 건물의 유실 및 방파제, 교량 및 항만과 같은 사회간접자본의 심각한 파괴 등을 들 수 있다. 본 연구의 대상인 연안구조물에서 피해원인으로 먼저 큰 지진해일파력을 고려할 수 있지만, 더불어 기초지반에서 세굴과 액상화와 같은 지반파괴를 고려할 수 있다. 진동성분과 잔류성분으로 구성되는 과잉간극수압의 증가에 따른 유효응력의 감소로 해저지반내에 액상화의 가능성이 나타나고, 액상화가 발생되면 그의 진행에 따라 구조물의 침하 혹은 전도에 의해 종국적으로 구조물이 파괴될 가능성이 높아지게 된다. 본 연구에서는 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)모델로 부터 고립파를 조파시켜 직립호안 및 해저지반상에서 시간변동의 동파압을 산정하고, 그 결과를 지반의 동적응답과 구조물의 동적거동을 정밀하게 재현할 수 있는 유한요소법에 기초한 탄 소성해저지반응답의 수치해석프로그램인 FLIP(Finite element analysis LIquefaction Program)모델에 입력치로 적용하여 해저지반 및 직립호안의 주변에서 과잉간극수압 및 유효응력의 시 공간변화, 지반변형, 구조물의 변위 및 지반액상화 등을 정량적으로 평가하여 직립호안의 안정성을 평가한다.
지진해일파(tsunami)에 의한 피해로 소중한 인명손실뿐만 아니라 침수 범람에 의한 가옥과 같은 건물의 유실 및 방파제, 교량 및 항만과 같은 사회간접자본의 심각한 파괴 등을 들 수 있다. 본 연구의 대상인 연안구조물에서 피해원인으로 먼저 큰 지진해일파력을 고려할 수 있지만, 더불어 기초지반에서 세굴과 액상화와 같은 지반파괴를 고려할 수 있다. 진동성분과 잔류성분으로 구성되는 과잉간극수압의 증가에 따른 유효응력의 감소로 해저지반내에 액상화의 가능성이 나타나고, 액상화가 발생되면 그의 진행에 따라 구조물의 침하 혹은 전도에 의해 종국적으로 구조물이 파괴될 가능성이 높아지게 된다. 본 연구에서는 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank)모델로 부터 고립파를 조파시켜 직립호안 및 해저지반상에서 시간변동의 동파압을 산정하고, 그 결과를 지반의 동적응답과 구조물의 동적거동을 정밀하게 재현할 수 있는 유한요소법에 기초한 탄 소성해저지반응답의 수치해석프로그램인 FLIP(Finite element analysis LIquefaction Program)모델에 입력치로 적용하여 해저지반 및 직립호안의 주변에서 과잉간극수압 및 유효응력의 시 공간변화, 지반변형, 구조물의 변위 및 지반액상화 등을 정량적으로 평가하여 직립호안의 안정성을 평가한다.
Tsunami take away life, wash houses away and bring devastation to social infrastructures such as breakwaters, bridges and ports. The targeted coastal structure object in this study can be damaged mainly by the tsunami force together with foundation ground failure due to scouring and liquefaction. Th...
Tsunami take away life, wash houses away and bring devastation to social infrastructures such as breakwaters, bridges and ports. The targeted coastal structure object in this study can be damaged mainly by the tsunami force together with foundation ground failure due to scouring and liquefaction. The increase of excess pore water pressure composed of oscillatory and residual components may reduce effective stress and, consequently, the seabed may liquefy. If liquefaction occurs in the seabed, the structure may sink, overturn, and eventually increase the failure potential. In this study, the solitary wave was generated using 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model, and the dynamic wave pressure acting on the seabed and the estimated surface boundary of the vertical revetment. Simulation results were used as an input data in a finite element computer program(FLIP) for elasto-plastic seabed response. The time and spatial variations in excess pore water pressure, effective stress, seabed deformation, structure displacement and liquefaction potential in the seabed were estimated. From the results of the analysis, the stability of the vertical revetment was evaluated.
Tsunami take away life, wash houses away and bring devastation to social infrastructures such as breakwaters, bridges and ports. The targeted coastal structure object in this study can be damaged mainly by the tsunami force together with foundation ground failure due to scouring and liquefaction. The increase of excess pore water pressure composed of oscillatory and residual components may reduce effective stress and, consequently, the seabed may liquefy. If liquefaction occurs in the seabed, the structure may sink, overturn, and eventually increase the failure potential. In this study, the solitary wave was generated using 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank) model, and the dynamic wave pressure acting on the seabed and the estimated surface boundary of the vertical revetment. Simulation results were used as an input data in a finite element computer program(FLIP) for elasto-plastic seabed response. The time and spatial variations in excess pore water pressure, effective stress, seabed deformation, structure displacement and liquefaction potential in the seabed were estimated. From the results of the analysis, the stability of the vertical revetment was evaluated.
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문제 정의
이상에서 호안과 같은 구조물이 존재하지 않는 제한된 조건하에 수행된 기존의 실험결과와 2D-NIT and FLIP모델의 수치결과를 검토한 결과, 여러 요인에 의해 지반내 간극수압 변동에 약간의 차이가 나타나지만, 본 모델의 타당성은 어느정도 확인되는 것으로 판단된다. 따라서, 이하에서는 본 연구의 대상인 고립파-직립호안-지반의 상호작용에 의한 구조물의 동적거동과 지반의 동적응답을 논의한다.
이상에서 논의된 2D-NIT모델과 FLIP모델에 의한 본 논문의 타당성은 기존의 수리실험와의 비교로부터 검증되었지만, 향후 수리모형실험을 수행하여 보다 심층적으로 결과의 타당성을 검토하고자 한다.
제안 방법
고립파로 근사된 지진해일파가 직립호안과 주변의 지반에 미치는 영향을 검토하기 위하여 Fig. 6과 같은 일정수심의 수치파동수조를 고려하며, 수조 양 끝단에서 무반사를 위하여 고립파 유효파장의 2배보다 긴 좌우감쇠영역을 적용하여 2DNIT모델로부터 고립파동장을 계산하였다. 이 때, h = 15 m의 수심에서 각각 Hi= 2.
또한, 수치 해석의 해석치와 실험결과와의 비교·검토를 통하여 수치해석결과의 타당성을 검증하였다.
본 연구에서는 2차원수치파동수로인 2D-NIT모델을 적용하여 고립파를 수치조파하여 동파압을 산정하고, 탄·소성지반의 다중전단메커니즘에 기초한 FLIP모델을 적용하여 직립호안의 동적거동과 지반내 누적침하량, 과잉간극수압, 평균유효 응력 및 과잉간극수압비 등을 수치모델링하였다.
이로부터 고립파로 근사될 수 있는 지진해일파의 작용하 직립호안에서 구조물의 동적거동 및 주변지반내 간극수압, 유효 응력 및 액상화 등의 지반응답을 명확히 검토한다. 여기서, 수치파동수로로부터 파고 5 m와 2.5 m의 고립파를 조파하고, 이로부터 산정되는 지반 및 구조물 표면에서 시간변동파압을 FLIP에 시간이력하중으로 작용시켜 50 sec간 수치해석을 실시한다. 이 때, 입사고립파가 직립호안을 월류하는 경우와 월류하지 않는 경우로 나누어 검토한다.
이 2D-NIT and FLIP 모델로부터 산정되는 수치해석결과와 전술한 Young et al. (2009)에 의한 실험값를 비교·검토하여 본 해석법의 타당성을 검증한다.
6과 같은 일정수심의 수치파동수조를 고려하며, 수조 양 끝단에서 무반사를 위하여 고립파 유효파장의 2배보다 긴 좌우감쇠영역을 적용하여 2DNIT모델로부터 고립파동장을 계산하였다. 이 때, h = 15 m의 수심에서 각각 Hi= 2.5와 5 m의 파고를 갖는 고립파를 조파시켰으며, 직립호안의 전면과 상단, 해저지반표면 및 뒷채움재 상단에 2D-NIT모델에 의한 시간변동파압을 적용하여 FLIP모델로부터 구조물의 동적거동과 지반의 동적응답에 관한 수치계산을 수행하였다. 이 때, 좌·우경계와 하부경계에서 수평변위는 구속되었고, 좌·우경계의 수직변위는 허용되었으며, 하부경계에서 수직변위는 구속되었다.
5 m의 고립파를 조파하고, 이로부터 산정되는 지반 및 구조물 표면에서 시간변동파압을 FLIP에 시간이력하중으로 작용시켜 50 sec간 수치해석을 실시한다. 이 때, 입사고립파가 직립호안을 월류하는 경우와 월류하지 않는 경우로 나누어 검토한다.
이로부터 고립파로 근사될 수 있는 지진해일파의 작용하 직립호안에서 구조물의 동적거동 및 주변지반내 간극수압, 유효 응력 및 액상화 등의 지반응답을 명확히 검토한다. 여기서, 수치파동수로로부터 파고 5 m와 2.
데이터처리
본 연구의 2D-NIT and FLIP모델을 검증하기 위하여 고립파의 전파에 따른 지반거동에 대해 실험을 수행한 Fig. 3에 제시하는 Young et al. (2009)의 실험결과와 비교한다. 그림에서는 실험수조 (48.
이론/모형
본 연구에서는 Fig. 1의 해석영역내에서 Bronsen and Larsen (1987)에 의한 조파방법을 적용하여 고립파를 수치조파하며, 조파소스강도로 Grimshaw (1971)에 의해 유도된 고립파의 3차근사수평방향유속를 적용한다 (Fenton, 1972). 보다 상세한 정보는 Lee et al.
본 연구에서는 지진해일파를 고립파로 근사하여 2차원수치 파동수로인 2D-NIT (Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank; Lee et al., 2013)모델을 적용하여 고립파를 수치 조파하고, 이로 인한 지반내에서 간극수압과 액상화와 같은 지반거동을 정밀하게 재현할 수 있는 유한요소해석 프로그램인 FLIP (Finite element analysis Liquefaction Program; Iai et al., 1992a, 1992b)을 적용한다. 이 2D-NIT and FLIP 모델로부터 산정되는 수치해석결과와 전술한 Young et al.
성능/효과
(1) 고립파의 작용으로 직립호안이 배후로 각각 전도 및 활동되고, 고립파가 반사된 이후에 다시 복원되지만, 완전히 복원되지 않는 잔류성분이 존재한다.
(2) 과잉간극수압비는 구조물 전면 사석마운드부의 비탈면과 모래지반이 접하는 해저지반에서 큰 값을 나타내고, 또한 구조물 후면보다 전면에 놓이는 사석마운드부하에서 큰 값을 나타낸다. 이는 입사파고가 높을수록 크게 되는 경향을 보인다.
(3) 과잉간극수압은 연직깊이가 깊을수록, 또한 입사파고가 클수록 더 큰 최대치를 나타내며, 동시에 최대치의 발생시간이 더 빠르다는 것을 확인할 수 있다. 또한, 지반내 연직깊이가 깊을수록 진동과잉간극수압이 감소하나 잔류과잉간극수압은 증가한다.
(4) 평균유효응력은 수위상승으로 인한 부력의 작용과 직립호안의 동적거동에 대한 영향으로 감소 및 증가하는 경향을 보인다.
그리고, 실험치에서는 연직깊이가 깊을수록 과잉간극수압의 변동이 작아지고, 더불어 시간의 진행에 따라 그의 분포가 확산되며, run-down되는 수위변동에 의한 영향으로 t > 12.5 s의 범위에 있는 두 번째 피크치가 연직깊이가 깊을수록 첫 번째보다 상대적으로 크지는 결과를 나타내고, 또한 위상지연을 나타내는 것을 알 수 있다.
11(b)와 12(b)의 경우와는 달리 하나의 피크치를 나타내며, 연직깊이가 깊을수록 보다 큰 값을 나타낸다. 또한, 입사파고가 클수록 더 큰 최대치를 나타내며, 동시에 최대치의 발생시간이 더 빠르다는 것을 확인할 수 있다.
8과 9의 직립호안 동적거동의 영향으로 감소하는 것을 알 수 있고, 동일하게 과잉간극수압은 증가하는 결과를 나타낸다. 여기서, 최소평균유효응력과 최대과잉간극수압의 발생시간은 동일하며, 월류가 발생하는 Hi= 5m의 경우가 과잉간극수압에서는 보다 큰 값을 나타내지만, 평균유효응력에서는 거의 유사한 값과 그의 변화를 나타내는 것을 알 수 있고, 또한 연직깊이에 따른 과잉간극수압의 차이는 크지 않다는 사실을 확인할 수 있다. 과잉간극수압비의 경우는 point 21에서 전술한 경우에 비해 가장 큰 0.
이상에서 호안과 같은 구조물이 존재하지 않는 제한된 조건하에 수행된 기존의 실험결과와 2D-NIT and FLIP모델의 수치결과를 검토한 결과, 여러 요인에 의해 지반내 간극수압 변동에 약간의 차이가 나타나지만, 본 모델의 타당성은 어느정도 확인되는 것으로 판단된다. 따라서, 이하에서는 본 연구의 대상인 고립파-직립호안-지반의 상호작용에 의한 구조물의 동적거동과 지반의 동적응답을 논의한다.
17에 나타내는 결과는 최대과잉간극수압비의 공간분포이다. 전체적으로 Hi= 5m의 결과가 2.5 m의 결과보다 큰 값의 분포를 나타내며, 전술한 바와 같이 직립 호안의 바로 배면에서 가장 큰 최대과잉간극수압비를 나타내고, 수평으로 멀어질수록 줄어드는 경향을 나타낸다. 다음으로는 구조물 전면 사석마운드부의 비탈면과 모래지반이 접하는 해저지반에서 큰 값을 나타낸다.
여기서 Hi= 5m의 경우가 파속이 빠른 것은 고립파의 전달속도가 정수심과 파고의 합인 수위의 함수로 주어지기 때문이다. 전체적으로 파고가 클수록 큰 과잉간극수압을 나타내고, 또한 동일한 파고에 대해서도 연직깊이가 깊을수록 큰 과잉간극수압의 발생을 나타낸다.
후속연구
이러한 결과는 Flip모델에서 지반내 간극수의 흐름이 적절히 모델화되지 않은 것에 그의 주된 원인이 있고, 또한 Flip모델에서 요구되는 모래의 물성치가 충분히 제시되지 않아 Table 1에 제시된 이외의 물성치는 적절히 가정되었기 때문이다. 따라서, 실험에서 사용된 해저지반의 여러 물성치에 대한 타당한 값들이 제시되고, 또한 수치해석에서 고려된다면 실험치에 보다 근접하는 합리적인 FLIP의 결과가 도출될 수 있을 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
직립 호안의 지반 내 평균유효 응력은 어떤 경향을 보이는가?
(4) 평균유효응력은 수위상승으로 인한 부력의 작용과 직립호안의 동적거동에 대한 영향으로 감소 및 증가하는 경향을 보인다.
지진해일파를 연구한 것은 무엇이 있는가?
이러한 연구의 모두는 주기성 파동을 대상으로 하고 있기 때문에 비주기성의 지진해일파 작용시에는 적용될 수 없다. 지진해일파를 대상으로 한 연구로는 원주 주변에서 지진해일파에 의한 세굴을 유효응력의 관점에서 접근한 Tonkin et al. (2003), 지진해일파를 고립파로 근사하고 Boussinesq방정식을 적용하여 얻어진 수치해석결과를 실험으로부터 검증한 Young et al. (2009), 지진해일파를 단파로 근사하여 원심모형시험기에서 혼성방파제에 작용하는 단파파력과 지반을 포함한 구조물의 안정을 검토하고, SPH법에 의한 수치결과와 실험결과를 비교하고 있는 Miyake et al. (2009) 및 Imase et al. (2012), 지진해일파를 장파로 근사하여 기초지반의 간극수압과 세굴 가능성 등을 평가한 Yeh and Mason (2014)의 연구 등을 들 수 있다.
동해 연안에 위치한 원자력발전소에서 지진해일파의 처오름에 대한 대책은?
한편, 국내에서도 동해연안에 위치한 원자력발전소를 중심으로 연안지역에서 지진해일파에 대한 대책을 국가차원에서 수립하고, 지진해일파의 처오름에 대한 대책으로 호안의 마루높이를 높게 계획하고 있다. 일반적으로 호안과 같은 연안 구조물의 피해원인으로는 먼저 큰 지진해일파력 및 월류를 고려할 수 있지만, 또한 기초지반에서 세굴과 액상화에 의해 지반파괴를 고려할 수 있다.
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