부산지역은 낙동강 하구에 위치하여 퇴적층, 매립층 등이 매우 잘 발달되어 있어 지진이 발생한다면 이러한 지층 등에서 증폭현상이 나타나 모래층과 성토층 및 매립지반에 액상화 발생 가능성이 매우 커진다. 만약 액상화가 발생한다면 지진에 의한 피해는 크게 가중되어 막대한 피해를 야기 시키게 된다. 그러므로 본 연구는 지진 발생 시 항만시설의 1차 보호구조물인 부산항 신항 방파제의 안정성을 검토하기 위하여, 국내 내진설계기준과 항만 및 어항 설계기준을 바탕으로 인공지진과 국내에 널리 사용되는 장주기 지진파와 단주기 지진파인 포함하여 지진규모 5.6~7.9 수준의 지진 13개 등을 사용하여 첫 번째로 여러 제시된 액상화 평가방법을 이용하여 방파제 하부 치환모래층의 액상화 발생 가능성을 검토하여 안정성을 평가하고, 두 번째 지진규모에 따른 지진에너지와 가속도 응답스펙트럼에 대한 특성분석을 수행하여 설계기준에 근접하는 지진파 제시하며, 세 번째 제시된 지진파를 이용하여 방파제의 동적 안정성을 검토하기 위해 유한요소해석을 실시하여 구조물의 안정성을 확인하고, Geotextile에 발생하는 변위 및 인장력의 변화에 대하여 확인하였다. 따라서 본 연구결과 방파제 하부 치환모래층에 대한 액상화 발생가능성과 방파제의 동적수평변위 및 Geotextile의 변화는 하부지반(치환모래층)에 의해 매우 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
부산지역은 낙동강 하구에 위치하여 퇴적층, 매립층 등이 매우 잘 발달되어 있어 지진이 발생한다면 이러한 지층 등에서 증폭현상이 나타나 모래층과 성토층 및 매립지반에 액상화 발생 가능성이 매우 커진다. 만약 액상화가 발생한다면 지진에 의한 피해는 크게 가중되어 막대한 피해를 야기 시키게 된다. 그러므로 본 연구는 지진 발생 시 항만시설의 1차 보호구조물인 부산항 신항 방파제의 안정성을 검토하기 위하여, 국내 내진설계기준과 항만 및 어항 설계기준을 바탕으로 인공지진과 국내에 널리 사용되는 장주기 지진파와 단주기 지진파인 포함하여 지진규모 5.6~7.9 수준의 지진 13개 등을 사용하여 첫 번째로 여러 제시된 액상화 평가방법을 이용하여 방파제 하부 치환모래층의 액상화 발생 가능성을 검토하여 안정성을 평가하고, 두 번째 지진규모에 따른 지진에너지와 가속도 응답스펙트럼에 대한 특성분석을 수행하여 설계기준에 근접하는 지진파 제시하며, 세 번째 제시된 지진파를 이용하여 방파제의 동적 안정성을 검토하기 위해 유한요소해석을 실시하여 구조물의 안정성을 확인하고, Geotextile에 발생하는 변위 및 인장력의 변화에 대하여 확인하였다. 따라서 본 연구결과 방파제 하부 치환모래층에 대한 액상화 발생가능성과 방파제의 동적수평변위 및 Geotextile의 변화는 하부지반(치환모래층)에 의해 매우 큰 영향을 받는 것으로 나타났다.
Busan is located at the mouth of Nakdong River and if an earthquake occurs, it is very likely that the damage by the earthquake will be worse as liquefaction can happen in the sand layer, builtup soil, and landfill ground due to amplification in the lower sedimentary layer that is well developed in ...
Busan is located at the mouth of Nakdong River and if an earthquake occurs, it is very likely that the damage by the earthquake will be worse as liquefaction can happen in the sand layer, builtup soil, and landfill ground due to amplification in the lower sedimentary layer that is well developed in the river mouth. Therefore, this study first examined the possibility of liquefaction in the replaced sand layer under breakwater using 14 earthquakes in 5.6-7.9 scale and artificial earthquakes including the seismic wave suggested in the standard specifications for seismic design of ports and fishing port facilities to evaluate the stability of breakwater which is the primary protective structure for port facilities against earthquakes. Second, analysis on characteristics of the seismic energy and acceleration response spectrum by size of earthquake was performed to suggest the most appropriate size of seismic wave for the condition in Korea. Third, finite element analysis was performed using the suggested seismic wave to study the characteristics of earthquake by finding the dynamic lateral displacement of breakwater and verifying the stability of structure and the displacement and forces occurring at geotextile. Results of the study showed that the possibility of liquefaction in the landfill and replaced sand layer, the dynamic lateral displacement of breakwater, and changes of geotextile are greatly affected by the subsurface ground (replaced sand layer).
Busan is located at the mouth of Nakdong River and if an earthquake occurs, it is very likely that the damage by the earthquake will be worse as liquefaction can happen in the sand layer, builtup soil, and landfill ground due to amplification in the lower sedimentary layer that is well developed in the river mouth. Therefore, this study first examined the possibility of liquefaction in the replaced sand layer under breakwater using 14 earthquakes in 5.6-7.9 scale and artificial earthquakes including the seismic wave suggested in the standard specifications for seismic design of ports and fishing port facilities to evaluate the stability of breakwater which is the primary protective structure for port facilities against earthquakes. Second, analysis on characteristics of the seismic energy and acceleration response spectrum by size of earthquake was performed to suggest the most appropriate size of seismic wave for the condition in Korea. Third, finite element analysis was performed using the suggested seismic wave to study the characteristics of earthquake by finding the dynamic lateral displacement of breakwater and verifying the stability of structure and the displacement and forces occurring at geotextile. Results of the study showed that the possibility of liquefaction in the landfill and replaced sand layer, the dynamic lateral displacement of breakwater, and changes of geotextile are greatly affected by the subsurface ground (replaced sand layer).
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문제 정의
본 연구는 내진설계기준연구와 항만 및 어항설계기준을 이용하여 인공지진과 대표적인 장주기 및 단주기 지진파인 Hachinohe 지진파와 Ofunato 지진파 등을 포함한 14개의 지진파를 이용하여 부산항 신항 서방파제 일부구간에 대하여 액상화 발생 가능성을 평가하고 또한 언급된 지진파에 대하여 지진규모에 따른 지진에너지를 파악하고 가속도 응답스펙트럼에 대한 특성을 분석하여 설계기준에 제시된 가속도 표준 설계응답스펙트럼에 근접하는 지진파를 파악한 후 이를 이용하여 방파제 하부 모래치환층의 N치 변화에 따른 동적 안정성과 Geotextile의 변위와 인장력의 변화 등을 비교·분석하고자 한다.
본 연구는 지진규모별 방파제의 특성을 알아보기 위하여 설계지진규모 6.5의 붕괴방지수준에 대한 액상화 평가를 수행하였으며, 방파제의 특성을 확인하기 위해 동해석을 수행하여 방파제 구조물의 최대 수평변위 및 Geotextile 의 변위 및 인장력에 대하여 검토하였다. 이에 연구결과를 요약하면 다음과 같다.
제안 방법
(3) 지진에너지는 지진규모가 커질수록 증가하는 것을 연구대상지반에서도 확인하였고, 지진파의 가속도 응답 스펙트럼을 분석하여 가속도 표준설계응답스펙트럼에 근접하는 지진파를 분류하여 방파제의 동적해석에 사용하였다.
동해석에서 사용된 대상지반의 물성은 지반조사 자료를 바탕으로 국내 항만시설물에 사용되는 물성과 경험식을 이용하여 산정하였다(Table 7).
모래치환층에 대해서는 탄성계수 및 내부마찰각만을 변화시키며 지진에 대한 수평변위에 대한 특성을 확인하였다.
본 연구에서는 방파제의 지진시 거동을 분석하기 위하여 범용 유한요소해석 프로그램인 PLAXIS를 사용하여 Standard earthquake boundaries, Linear Elastic 모델, MohrCoulomb 모델, 해수면 적용 등 다양한 입력조건을 선택해서 동적해석을 수행하였다. 방파제의 지진에 대한 안정성 검토를 확인하기 위하여 수평변위를 이용하였으며 항만 및 어항 설계기준에 언급되었듯이 붕괴방지수준의 수평변 위의 허용범위는 30cm를 초과하지 않을 시 안전한 것을 기준으로 하였다.
본 연구에서는 방파제의 지진시 거동을 분석하기 위하여 범용 유한요소해석 프로그램인 PLAXIS를 사용하여 Standard earthquake boundaries, Linear Elastic 모델, MohrCoulomb 모델, 해수면 적용 등 다양한 입력조건을 선택해서 동적해석을 수행하였다. 방파제의 지진에 대한 안정성 검토를 확인하기 위하여 수평변위를 이용하였으며 항만 및 어항 설계기준에 언급되었듯이 붕괴방지수준의 수평변 위의 허용범위는 30cm를 초과하지 않을 시 안전한 것을 기준으로 하였다.
본 연구에서 수행한 액상화 가능성 평가 대상지반은 부산항 신항 서방파제 중 BL-1으로 선정하였고, 지진응답해석은 다중반사모델을 바탕으로 하여 작성된 ProShake를 이용하였으며 지진응답해석에 사용된 지진파 제원은 Table 1에 제시한 바와 같다. 설계지진가속도는 항만 및 어항설계기준에 제시되어 있는 내진II등급, 지진구역 I, 붕괴방지수준에 해당하는 기반암에서의 입력 설계가속도와 지진재해도(Fig. 4 ~ Fig. 5)를 비교하여 0.08g을 적용하였다(Table 4. 참조). 연구대상지반에서 수행한 지진응답해석 결과는 Fig.
액상화 간편예측법에서 안전율(FS)이 1.5미만을 나타내고 있어 실내 진동삼축시험 결과를 이용하여 액상화 상세 예측법을 수행하였다. 액상화 상세예측법은 Seed & Idriss 간편예측법과 전체적인 판단 방법은 유사하나 지진응답해석을 이용하여 얻은 액상화 반복응력비(CSR)와 진동삼축시험을 하여 산정된 반복저항비(CRR)를 적용한다.
13은 지진파의 가속도 응답스펙트럼을 분석하여 가속도 표준설계응답스펙트럼에 근접하는 지진파를 분류하였다. 이렇게 분류된 지진파를 이용하여 방파제의 동적 안정성 검토에 사용하여 방파제의 변화를 확인하도록 하였다.
방파제 하부 치한모래층에 Geotextile(10t/m)이 설치되어 있다. 이에 대하여 치환모래층의 N치 변화에 따른 Geotextile 변위의 변화를 확인하였다.
대상 데이터
(1) 지진파의 규모 선정은 국내에 발생하고 있는 지진규모와 국내 설계지진규모 6.5를 고려하였고 또한 내진설계에 널리 사용되는 Hachinohe 지진파와 Ofunato 지진파 등을 이용하였다.
본 연구에 사용된 지진규모별 지진파는 National Geophysical Data Center의 자료와 “모래층의 액상화 가능성 평가방법에 관한 비교연구”(Yoon, 2002)에 사용된 지진파이며 다음 Table 1과 같으며, 연구대상지역은 Fig. 1 ~ Fig. 2와 같다(Busan Port Construction Office, 2007).
지진응답해석은 지반의 동적물성치(변형률 수준별 전단계수 및 감쇠비)를 토대로 파의 전파특성을 해석하는 것으로 지진응답해석을 통한 심도별 최대가속도는 액상화 평가 시 지진에 의한 CSR을 산정하는데 이용된다. 본 연구에서 수행한 액상화 가능성 평가 대상지반은 부산항 신항 서방파제 중 BL-1으로 선정하였고, 지진응답해석은 다중반사모델을 바탕으로 하여 작성된 ProShake를 이용하였으며 지진응답해석에 사용된 지진파 제원은 Table 1에 제시한 바와 같다. 설계지진가속도는 항만 및 어항설계기준에 제시되어 있는 내진II등급, 지진구역 I, 붕괴방지수준에 해당하는 기반암에서의 입력 설계가속도와 지진재해도(Fig.
데이터처리
지진규모에 따른 방파제의 수평변위를 비교하기 위해서 Table 6에 나타낸 8개의 지진파를 이용하여 방파제에 대해서 동해석을 수행하였다. 각각의 경우에 대하여 하부 치환모래층의 N치를 변화시켰을 때의 수치해석 결과는 N치가 15일 때까지 최대 수평변위는 큰 폭으로 감소한 후 둔화하는 것으로 나타났다.
이론/모형
액상화 상세예측법은 Seed & Idriss 간편예측법과 전체적인 판단 방법은 유사하나 지진응답해석을 이용하여 얻은 액상화 반복응력비(CSR)와 진동삼축시험을 하여 산정된 반복저항비(CRR)를 적용한다.
성능/효과
(2) 지진규모가 다른 14개의 지진을 사용하여 내진Ⅱ등급에 해당하는 붕괴방지수준(0.08g)에 대해 액상화 평가를 실시한 결과, 간편예측법으로 평가 시에 액상화 안전율(FS=1.5이상)을 만족하지 못하는 것으로 판정되어 상세예측법으로 재평가를 실시한 결과 액상화 안전율(FS=1.0이상)을 만족하는 것으로 나타났다.
(4) 방파제에 대하여 모래치환층의 N치 변화에 따른 동해석을 수행하여 방파제의 최대 수평변위를 확인한 결과, 중약진에서는 최대 1.94 ~ 16.28cm가 발생하였으며, 국내 내진설계에 이용되는 Hachinohe Eq.와 Ofunato Eq.
(5) Geotextile의 평균 최대 수평변위 감소율은 N=5을 기준으로, N=15일 때 평균 43.54%, N=25일 때 평균 50.23%이며 인장력의 평균 감소율은 N=15일 때 평균 15.87%, N=25일 때 평균 23.28%로 나타났다.
지진규모에 따른 방파제의 수평변위를 비교하기 위해서 Table 6에 나타낸 8개의 지진파를 이용하여 방파제에 대해서 동해석을 수행하였다. 각각의 경우에 대하여 하부 치환모래층의 N치를 변화시켰을 때의 수치해석 결과는 N치가 15일 때까지 최대 수평변위는 큰 폭으로 감소한 후 둔화하는 것으로 나타났다. Fig.
와 Ofunato Eq. 그리고 인공지진에서는 19.13 ~ 27.96cm의 최대 수평변위가 발생하는 것으로 나타나 설계기준(붕괴방지수준 30cm)를 만족하고 있으며, N치별 평균 수평변위 감소율은 N=5을 기준으로 N=15일 때 평균 8.00%, N=25일 때 평균 9.85%로 나타나는 것을 확인하였다.
15에서 그래프의 y축은 방파제의 상단 중심에서 발생한 최대수평변위를 나타내며 x축은 N치 변화를 나타낸다. 또한, 동일한 설계 지반가속도 수준으로 수정된 지진파를 입력하여도 강진규모 지진파에 의한 동적 수평변위가 중약진규모 지진파에 의한 동적 수평변위보다 크게 발생함을 알 수 있다. 지진시 방파제의 최대 수평변위의 감소율을 N치의 변화에 대하여 Table 8에 나타내었다.
17). 지진규모가 7.0이상일 경우 실지진파가 더 크게 나타났으며 중약진에서는 0.08g이 더 크게 나타나는 것으로 확인되었으며, Geotextile의 최대 인장력는 92.40kN/m로 설치된 Geotextile의 최대 인장강도 98kN/m(10t/m)를 만족하는 것으로 나타났다. Table 9는 모래치환 층의 N치를 5로 기준으로 하였을 때Geotextile의 수평변위량과 인장력의 차이를 각각 N=15, 25에 대하여 수치적으로 나타낸 것이다.
지진규모별 Geotextile의 최대 수평변위를 모래치환층의 N치 변화에 대해 확인한 결과, N치가 15이전까지 급격한 변화를 이루고 있으나 N치가 15이상 일 때는 완만한 변화를 나타내고 있다(Fig. 16).
치환모래층 N치의 변화에 따른 Geotextile의 인장력 변화는 지반이 단단해질수록(N치 증가) 줄어드는 것으로 나타났다(Fig. 17). 지진규모가 7.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
부산에서 액상화 현상으로 인한 지진 피해가 클 것으로 예상되는 이유는?
낙동강 하구에 위치한 부산지역은 매우 잘 발달된 퇴적층 및 매립층에 의해 지진이 발생한다면 이러한 지층 등에서 증폭현상이 발생하여 모래 퇴적층과 성토 및 매립지반에 액상화 발생 가능성이 매우 높아진다. 이러한 지층에서 액상화 현상이 일어난다면 지진 피해를 더욱 더 크게 가중시켜 막대한 피해를 야기하게 된다.
방파제 구조물의 Geotextile 인장력 평균 감소율 결과는 어떠한가?
54%, N=25일 때 평균 50.23%이며 인장력의 평균 감소율은 N=15일 때 평균 15.87%, N=25일 때 평균 23.28%로 나타났다.
방파제 구조물의 Geotextile 평균 최대 수평 변위 감소율 결과는 어떠한가?
(5) Geotextile의 평균 최대 수평변위 감소율은 N=5을 기준으로, N=15일 때 평균 43.54%, N=25일 때 평균 50.23%이며 인장력의 평균 감소율은 N=15일 때 평균 15.87%, N=25일 때 평균 23.
참고문헌 (12)
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Busan Port Construction Office (2007), A Basis Reinforcement Construction Investigation Services Soil Survey Report for Breakwater in Busan new port, Busan Regional Maritime Affairs and Port Administration.
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The ministry of construction and transportation (1999), A Study on Seismic Design Criteria.
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Youd, T. L. and Seed, I. M. (2001), "Liquefaction Resistance of Soil: Summary Report from the 1996 NCEER and 1998 NCEER/NSF Workshops on Evaluation of Liquefaction Resistance of Soils," Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, Vol.127, No.4, pp.297-313.
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