[논문]지진시 가상 호남-제주 해저터널의 지반응답 특성

곽창원; 장동인; 박인준; 박성용

doi:10.9711/ktaj.2016.18.3.319

지진시 가상 호남-제주 해저터널의 지반응답 특성
Seismic response analysis of virtual honam-jeju subsea tunnel 원문보기

Journal of Korean Tunnelling and Underground Space Association = 한국터널지하공간학회논문집, v.18 no.3, 2016년, pp.319 - 329

곽창원 (한국지역난방기술 토건설계그룹) , 장동인 (한서대학교 대학원 토목공학과) , 박인준 (한서대학교 토목공학과) , 박성용 ((주)한화건설)

초록
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최근 대형화되고 있는 지하구조물은 평상시는 물론 지진시에도 안전성을 확보하여야 한다. 지하구조물의 특성상 지진시 지반운동의 크기와 관성력이 작고 일산 감쇠가 커서 지상구조물에 비해 지진에 유리하나 최근 발생한 지진에서 심각한 피해 사례를 경험한 바 있다. 따라서 지하구조물의 지진시 응답특성에 대한 보다 정밀한 접근이 필요하다. 본 연구에서는 호남~제주 해저터널의 가상단면에 대한 내진해석을 수행하여 지진시 터널 구조물의 응답특성을 분석하였다. 그 결과, 지진시 터널 라이닝에 발생하는 부재력은 파쇄대 및 연약대 구간에서 증가하는 것으로 나타났다. 또한 축방향 변형 시에는 단면이 큰 터널에서 라이닝의 부재력이 크게 산정되었으나 횡방향 변형 시에는 단면이 큰 터널에서 라이닝의 부재력이 작게 산정되는 경향을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Underground structures such as subsea tunnel having large section should be stable against seismic loads. In general, underground structures show more stable behavior due to the limited dynamic motion and force, and considerable energy dissipation; however, severe damage was reported from recent earthquakes. Therefore, more sophisticated and analytic approach is required to investigate the seismic response of underground structure like subsea tunnel. In this study, seismic analysis of virtual Honam-Jeju subsea tunnel are performed. Consequently, stresses and forces of tunnel lining increased at fractured and/or weak rock zones. Stresses and forces of tunnel lining also increased at large section under axially deformed condition; however, decrease under transversely deformed condition.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 점차 대심도화, 대형화 되어가고 있는 지하구조물의 지진시 거동에 대해 보다 면밀히 분석하고 안정적이면서도 경제적인 설계를 수행할 수 있어야 한다. 본 연구에서는 최근 활발히 논의되고 있는 호남~제주 해저터널의 가상단면에 대하여 응답변위법을 이용한 내진해석을 수행함으로써 지하구조물에 발생하는 동적특성을 분석하였다.

제안 방법

가상 해저터널의 지반정수는 현재 국내에서 진행되고 있는 해저 지반조사 결과로부터 구한 자료를 토대로 선정하였으며 RMR 분류법과 Q-System 분류법을 이용하여 각 구간별 암반을 분류하였다. Table 2 에서는 각 구간에 대한 RMR 및 Q-System 분류 결과를 나타냈으며, RMR 분류는 5개의 등급으로, Q-System 분류는 9개의 등급으로 분류되었다.
노선은 각 섬을 중간점으로 하는 A, B, C, D 구간으로 구분하여 A 구간은 해남~보길도, B구간은 보길도~추자도, C구간은 추자도~화도~제주도 이전까지, D구간은 제주도에 인접한 구간으로 정하였다. 이중에서 A 구간의 지층 구성은 화성성인의 암종과 퇴적성인의 암종이 혼재되어 있으며 수심의 경우 해저면을 기준으로 50 m 수준이다.
터널과 같은 지하구조물은 지진시 구조물 자체의 거동과 주변 지반의 거동이 다르게 나타나는 반면에 서로 인접해 있으므로 필연적으로 주위 지반과 동적 응답을 주고받게 된다. 따라서 터널의 경우 지반과 지하구조물의 상호작용을 고려하는 것이 보다 현실적인 구조물의 동적 거동을 나타낼 수 있으므로 본 연구에서는 이 방법을 적용하였다.
본 연구에서는 호남~제주 가상 해저터널을 대상으로 Closed-form 방정식을 이용한 해석적 방법으로 해저터널의 내진거동을 분석한 결과, 다음과 같은 결론을 얻었다.

대상 데이터

터널 종단을 따라 60개의 station 중, 수직구의 위치 등 취약한 지점을 고려하여 Fig. 3과 같이 8개소의 해석지점을 선정하였다. 터널 내경 8.

이론/모형

지진동에 의해 지반에 발생하는 변위를 예측하는 응답변위법에는 경험적 방법과 해석적 방법의 두 가지 종류가 있다. 경험적 방법은 기반암의 설계응답스펙트럼과 토층의 고유주기를 활용하며 주로 단일코사인법을 이용한다. 해석적 방법은 지반과 구조물의 상호작용을 고려한 Closed-form 방정식을 이용하는 방법과 Pro-Shake 프로그램과 같이 1차원 지반응답해석을 이용하는 방법이 있다.
본 연구에서는 호남~제주 가상 해저터널을 대상으로 Closed-form 방정식을 이용한 해석적 방법으로 내진해석을 수행 하였다.

성능/효과

1. 지진시 축방향 변형에 대한 해석결과, 터널 축방향 변형률과 축력은 지층조건의 영향을 크게 받지 않는 것으로 나타났으나 전단력, 휨모멘트 및 압축변형의 경우는 지반조건이 불량한 파쇄대와 연약대 구간에서 크게 산정되어 지반조건에 민감한 반응을 보이는 것으로 판단된다.
2. 지진시 횡방향 변형에 대한 해석결과, 축방향 변형에 따른 터널의 응답 결과와 유사하게 최대 접선방향 축력, 최대 모멘트, 합변형율 모두 지반조건이 불량한 파쇄대와 연약대 구간에서 크게 산정되어 지반조건에 민감한 반응을 보이는 것을 알 수 있었다.
3. 단면 직경변화에 따른 변화경향은 축방향 변형에 대한 해석결과 최대 축방향 변형률을 제외하고 모든 응답값(부재력 등)들이 터널 직경이 8.9m일 경우 4.8 m일 경우에 비해 크게 산정되었다.
4. 반면 횡방향 변형을 받을 경우, 전단력을 제외한 부재력은 터널 직경이 8.9 m 일 경우 4.8 m 에 비해 작게 나타나므로 터널 단면이 클 경우 지진시 전단력에 대하여 취약함을 알 수 있다.
8 m에 비해 크게 나타나는 것을 알 수 있다. 또한 발생력과 허용응력을 비교한 결과 모든 경우에 있어서 발생력이 허용응력을 초과하지 않아서 지진에 대해서는 안전할 것으로 판단된다.
5. 발생력과 부재력을 비교한 결과 모든 경우에 있어서 발생력이 부재력을 초과하지 않아서 지진에 대해서는 안전할 것으로 판단된다. 그러나 추후 상세 지반 조사결과를 반영한 다각도의 평가가 필요할 것이며 이는 수치해석 등의 방법을 이용할 수 있다.
5, 6은 터널 직경별 내진 해석결과를 위치별로 도시한 것이다. 해석결과를 살펴보면 축방향 변형률과 축력은 지반조건의 영향을 크게 받지 않는 것으로 나타났다. 하지만 전단력, 휨모멘트 및 압축변형의 경우는 비교적 양호한 III등급 암반구간에 비해 지반조건이 불량한 파쇄대와 연약대 구간에서 크게 나타나 지반조건에 민감한 것을 알 수 있다.
7, 8은 그 결과를 위치별로 도시한 것이다. 해석결과를 살펴보면 축방향 변형에 따른 터널의 응답 결과와 유사하게 최대 접선방향 축력, 최대 모멘트, 합변형율 모두 III등급 암반구간에 비해 지반조건이 불량한 파쇄대와 연약대 구간에서 크게 나타나 지반조건에 민감한 것을 알 수 있다. 반면 축방향 변형에 따른 터널의 응답 결과와 달리 전단력은 III등급 암반구간과 파쇄대 및 연약대에서 그 값의 차이가 상대적으로 작게 나타났다.

후속연구

발생력과 부재력을 비교한 결과 모든 경우에 있어서 발생력이 부재력을 초과하지 않아서 지진에 대해서는 안전할 것으로 판단된다. 그러나 추후 상세 지반 조사결과를 반영한 다각도의 평가가 필요할 것이며 이는 수치해석 등의 방법을 이용할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지진동에 의해 지반에 발생하는 변위를 예측하는 응답변위법에는 무엇이 있으며 방법에 대해 설명한다면?	지진동에 의해 지반에 발생하는 변위를 예측하는 응답변위법에는 경험적 방법과 해석적 방법의 두 가지 종류가 있다. 경험적 방법은 기반암의 설계응답스펙트럼과 토층의 고유주기를 활용하며 주로 단일코사인법을 이용한다. 해석적 방법은 지반과 구조물의 상호작용을 고려한 Closed-form 방정식을 이용하는 방법과 Pro-Shake 프로그램과 같이 1차원 지반응답해석을 이용하는 방법이 있다.
	터널과 같은 지하구조물의 추세는 어떠합니까?	터널과 같은 지하구조물은 대심도 광역급행철도, 대심도 상수라인, 해저터널 등과 같이 최근 점차 대심도화, 대형화되어 가고 있는 추세이다. 이러한 지하구조물은 평상시에는 물론 지진이 발생했을 때에도 안전해야함은 두 말할 필요가 없다.
	지진시 지하구조물은 일반적으로 지상구조물보다 더 안전하다고 알려졌는데 그 이유는 무엇입니까?	역사적으로 살펴보면 지진시 지하구조물은 지상구조물에 비해 작은 피해를 입었으며, 비교적 더 안전한 것으로 알려졌다(Dowding and Rozen, 1978; Rowe, 1992). 이는 터널과 같은 지하구조물에 작용하는 지반운동이 지표면에 비해 작으며, 겉보기 단위중량과 지진하중으로 인한 관성력이 작고, 구조물이 지반에 둘러 싸여 있어 일산 감쇠가 크기 때문이다(Lee et al., 2001).

참고문헌 (6)

Dowding, C.H., Rozen, A. (1978), "Damage to rock tunnels from earthquake shaking", J. Geotech. Eng. Div., ASCE 104 (GT2), pp. 175-191.
Lee, I.M., An, D.J. (2001), "Seismic analysis of tunnel structures", Korean Tunelling and Underground Space Association, Vol. 3, No. 4, pp. 3-15.
Owen, G.N., Scholl, R.E. (1981) "Earthquake engineering of large underground structures", Report no. FHWARD-80195. Federal Highway Administration and National Science Foundation.
Rowe, R. (1992), "Tunneling in seismic zones", Tunnels and Tunneling, Vol. 24, pp. 41-44.
St. John, C.M., Zahrah, T.f. (1987), "Aseismic design of underground structures", Tunnelling and Underground Space Technology, Vol. 2, No. 2, pp. 165-197.

상세보기
Yukio, S., Susumu, O. (1991), "A practical evaluation method of seismic stresses developed in the cross section of shield tunnels", Journal of Civil Engineering, Vol. I-17, No. 437, pp. 193-202.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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