[논문]대형 댐의 지진응답특성평가를 위한 원심모형시험 기법 연구

김남룡; 임정열; 임은상

doi:10.5000/eesk.2016.20.4.201

대형 댐의 지진응답특성평가를 위한 원심모형시험 기법 연구
A Study on Geotechnical Centrifuge Testing Method for Seismic Performance Evaluation of Large Embankment Dams 원문보기

한국지진공학회논문집 = Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, v.20 no.4, 2016년, pp.201 - 209

김남룡 (K-water연구원 기반시설연구소) , 임정열 (K-water연구원 기반시설연구소) , 임은상 (K-water연구원 기반시설연구소)

Abstract ▼ AI-Helper

Damages of large embankment dams by recent strong earthquakes in the world highlight the importance of seismic security of dams. Some of recent dam construction projects for water storage and hydropower are located in highly seismic zone, hence the seismic performance evaluation is an important issue. While state-of-the-art numerical analysis technology is generally utilized in practice for seismic performance evaluation of large dams, physical modeling is also carried out where new construction technology is involved or numerical analysis technology cannot simulate the behavior appropriately. Geotechnical centrifuge modeling is widely adopted in earthquake engineering to simulate the seismic behavior of large earth structures, but sometimes it can't be applied for large embankment dams due to various limitations. This study proposes a dynamic centrifuge testing method for large embankment dams and evaluated its applicability. Scaling relations for a case which model scale and g-level are different could be derived considering the stress conditions and predominant period of the structure, which is equivalent to previously suggested scaling relations. The scaling principles and testing method could be verified by modified modeling of models using a model at different acceleration levels. Finally, its applicability was examined by centrifuge tests for an embankment dam in Korea.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 대형 댐에 대한 합리적인 동적 원심모형실험 방법을 제시하기 위하여 기초적인 상사법칙을 중점적으로 다루었다. 실무 차원에서의 지진에 대한 실제 댐의 거동특성 평가에서는 변형량과 주요 파괴모드에 대한 안정성을 중점적으로 검토하는데, 이는 축소모형실험에서 이용하는 상사재료의 강도와 강성에 큰 영향을 받는다.
본 연구에서는 대형 필댐의 내진성능평가를 위한 원심모형실험 방법을 제안하고 그 적용성을 평가하고자 하였다. 이를 위하여 실대형과 원심모형실험 중 모형 댐 구조물 사이의 제체 내 응력분포와 이론적인 동적 거동 특성의 비교 분석을 바탕으로 합리적인 실험 방법을 제시하였으며, 이러한 방법은 기존에 제시된 확장상사비(generalized scaling relations)와 비교하여 타당성을 확인하였다.
본 연구에서는 실험적 기법에 의한 지반구조물의 지진응답특성을 평가하고자 할 때, 일반적인 상사법칙을 활용하여 동적 원심모형실험을 수행할 수 없는 대규모 사력댐과 같은 경우 활용 가능한 대안적 실험 방법을 제시하였다. 이에 대한 이론적 적합성을 확인하고 실제 실험에 대한 적용성을 검증하고자 일련의 실험을 수행한 결과 다음과 같은 결론을 도출할 수 있었다.

제안 방법

3) 이러한 연구 성과를 활용한 대형 사력댐의 내진성능평가 방법의 실무적 적용성을 검증하기 위하여 현재 국내에 운영중인 사력댐을 대상으로 1:135 축척의 모형을 제작하여 동적 실험을 수행하였다. 장주기, 단주기 특성을 나타내는 두 가지 지진하중에 대한 모형구조물의 증폭 특성을 응답스펙트럼비에 의한 댐의 고유주기 산정 방법을 바탕으로 평가한 결과, 하중 종류에 상관 없이 일정한 고유주기 특성을 나타내었으며, 이는 기존 연구결과에서 제시한 사력댐의 고유주기 특성과 비교적 일치하는 것으로 나타났다.
이와 같이 가파른 사면으로 조성한 이유는 구조물의 고유진동수를 원심모형시험용 지진모사장치에서 구현 가능한 주파수 대역에 맞추기 위함이다. 댐의 응답은 제체 내에 총13개의 가속도계를 매설하여 측정할 수 있도록 계획하였으며, 정상부 높이 H를 기준으로 저면부 0H로부터 각각 0.25H, 0.5H, 0.75H, 1.0H높이에서 응답을 측정하였다. Table 3는 모형 제작에 사용한 지반재료의 주요 특성을 나타낸다.
동적 원심모형실험은 15 g와 30 g 조건에서 수행하였으며, 각각의 실험에 의한 공진주파수를 비교함으로써 확장상사비의 적용성을 검증할 수 있다. 실험 시 입력진동하중의 최대가속도는 원심가속도의 40%, 즉 지진의 최대가속도(peak ground acceleration, PGA)를 0.
따라서 본 연구에서는 특정 주파수 대역에서 band limited white noise와 같이 일정한 진폭을 나타내는 Ormsby wavelet을 입력 하중으로 이용하였다. Ormsby wavelet은 임의로 설정이 가능한 특정 주파수 밴드 내에서 동일한 푸리에 진폭(Fourier amplitude)를 나타내는 특성을 나타낸다[19].
이를 위하여 실대형과 원심모형실험 중 모형 댐 구조물 사이의 제체 내 응력분포와 이론적인 동적 거동 특성의 비교 분석을 바탕으로 합리적인 실험 방법을 제시하였으며, 이러한 방법은 기존에 제시된 확장상사비(generalized scaling relations)와 비교하여 타당성을 확인하였다. 또한 동일한 제체 모형에 대하여 다른 원심가속도를 적용하는 변형된 modeling of models [8] 방법을 활용, 실제 실험 조건에서의 타당성을 검증하였으며, 실제 대형 댐에 대한 실험 결과를 바탕으로 그 적용성을 확인하였다.
Modeling of models는 동일한 원형구조물을 모사하는 서로 다른 축척(1/N₁, 1/N₂)의 모형에 대하여 각각의 축척에 상응하는 원심가속도(N₁, N₂)를 적용한 실험 결과를 비교, 원형으로 환산된 결과의 부합성을 판단함으로써 실험 기법과 상사비의 타당성을 검증할 수 있다[8]. 본 연구에서는 변형된 modeling of models 방법을 차용하여 제안된 실험 기법을 검증하고자 하였다. 실험 방법은 하나의 모형에 대하여 두 가지 원심가속도를 적용하고, 각각의 가속도 수준에서 측정되는 구조물의 고유주기의 비를 계산, 식 (10)의 타당성을 검증함으로써 확장상사비의 적합성을 평가하고자 하였다.
본 연구에서는 변형된 modeling of models 방법을 차용하여 제안된 실험 기법을 검증하고자 하였다. 실험 방법은 하나의 모형에 대하여 두 가지 원심가속도를 적용하고, 각각의 가속도 수준에서 측정되는 구조물의 고유주기의 비를 계산, 식 (10)의 타당성을 검증함으로써 확장상사비의 적합성을 평가하고자 하였다.
앞서 제시한 실험방법의 실제 구조물에 대한 적용성을 살펴보기 위하여 본 연구에서는 현재 운영중인 국내 사력댐의 모형을 제작, 실험을 수행하였다. 대상 댐은 1965년 준공된 높이 46 m, 상하류 방향 길이 300 m의 중앙 차수벽형 록필댐이며 상류와 하류 사면의 경사는 1:2.
이러한 원심모형실험은 엄밀한 상사법칙에 따라 설계하는데, 현실적인 장비 규모와 성능의 한계에 따라 주로 비교적 작은 댐을 대상으로 진행되어 왔으며, 특히 제체 거동을 정성적으로 평가하는 연구가 주류를 이루었다. 그러나 건설 실무 차원의 안정성평가를 위한 실험 수요는 실제 대규모 댐의 응답과 변형에 대한 정량적 평가에 초점을 맞추고 있다.
본 연구에서는 대형 필댐의 내진성능평가를 위한 원심모형실험 방법을 제안하고 그 적용성을 평가하고자 하였다. 이를 위하여 실대형과 원심모형실험 중 모형 댐 구조물 사이의 제체 내 응력분포와 이론적인 동적 거동 특성의 비교 분석을 바탕으로 합리적인 실험 방법을 제시하였으며, 이러한 방법은 기존에 제시된 확장상사비(generalized scaling relations)와 비교하여 타당성을 확인하였다. 또한 동일한 제체 모형에 대하여 다른 원심가속도를 적용하는 변형된 modeling of models [8] 방법을 활용, 실제 실험 조건에서의 타당성을 검증하였으며, 실제 대형 댐에 대한 실험 결과를 바탕으로 그 적용성을 확인하였다.
6과 같이 총 8기의 가속도계를 설치하였으며, 제체 내부의 위치별 전단파속도 측정을 위한 벤더엘리먼트, 정상부의 침하량 계측을 위한 레이저 변위센서 등을 설치하였다. 입력 지진은 국내 건설분야 실무에서 널리 이용되는 장주기 특성의 Hachinohe 지진파와 단주기 특성의 Ofunato 지진파를 확장상사비에 따라 변형, 원형 기준 최소 0.08 g에서 국내 내진설계기준의 2배에 해당하는 0.44 g까지 PGA 수준을 변화하며 실험을 진행하였다.

대상 데이터

앞서 제시한 실험방법의 실제 구조물에 대한 적용성을 살펴보기 위하여 본 연구에서는 현재 운영중인 국내 사력댐의 모형을 제작, 실험을 수행하였다. 대상 댐은 1965년 준공된 높이 46 m, 상하류 방향 길이 300 m의 중앙 차수벽형 록필댐이며 상류와 하류 사면의 경사는 1:2.0으로 건설되었다. Fig.

이론/모형

2) 이러한 모델링 방법의 검증을 위하여 균질한 사력댐 모형을 이용하여 변형된 modeling of models 방법에 따라 검증실험을 실시하였다. 두 가지 원심가속도 조건에서 band-limited white noise와 동등한 주파수 특성을 나타내는 Ormsby wavelet을 적용하여 동적 실험을 실시한 결과, 원심가속도에 따른 구조물의 고유주기는 확장상사비를 고려할 때 동등한 결과를 나타내었다.

성능/효과

5% 수준의 차이를 나타낸다. 따라서 본 연구에서 제시한 모델링 방법 또는 상사비는 제한된 원심가속도 조건에서 실제 구조물의 거동을 정량적으로 평가할 수 있는 것으로 판단된다.
1) 대형 사력댐의 지진응답특성을 평가하고자 원심모형실험을 수행하는 경우, 구조물의 규모 또는 실험장비 사양의 한계로 일반적인 상사법칙을 적용한 실험이 어려울 수 있으므로 대안적 실험기법의 적용이 필요하다. 실제와 동등한 기하적, 재료적 특성에 따라 제작한 모형을 이용하여 축척보다 작은 원심가속도 조건에서 지진모사실험을 수행할 때, 구조물 내의 응력분포를 바탕으로 구조물의 응답특성을 이론적으로 분석한 결과, 실제 축척과 원심가속도를 동시에 고려하는 상사법칙의 적용이 필요하며, 결과적으로 기존 연구에서 제시한 확장상사비와 동등한 방법으로 실험을 설계하는 것이 합리적이다.
3) 이러한 연구 성과를 활용한 대형 사력댐의 내진성능평가 방법의 실무적 적용성을 검증하기 위하여 현재 국내에 운영중인 사력댐을 대상으로 1:135 축척의 모형을 제작하여 동적 실험을 수행하였다. 장주기, 단주기 특성을 나타내는 두 가지 지진하중에 대한 모형구조물의 증폭 특성을 응답스펙트럼비에 의한 댐의 고유주기 산정 방법을 바탕으로 평가한 결과, 하중 종류에 상관 없이 일정한 고유주기 특성을 나타내었으며, 이는 기존 연구결과에서 제시한 사력댐의 고유주기 특성과 비교적 일치하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 제시한 모델링 방법은 실제 댐의 응답특성을 모사, 정량적 거동 특성의 평가에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

후속연구

실무 차원에서의 지진에 대한 실제 댐의 거동특성 평가에서는 변형량과 주요 파괴모드에 대한 안정성을 중점적으로 검토하는데, 이는 축소모형실험에서 이용하는 상사재료의 강도와 강성에 큰 영향을 받는다. 따라서 대형 사력댐의 정량적 내진성능평가를 위한 원심모형실험의 적용성을 높이기 위해서는 현장조건과 모형실험의 제약 등을 고려한 합리적인 분석기법 등의 추가 연구가 필요할 것으로 판단된다.
장주기, 단주기 특성을 나타내는 두 가지 지진하중에 대한 모형구조물의 증폭 특성을 응답스펙트럼비에 의한 댐의 고유주기 산정 방법을 바탕으로 평가한 결과, 하중 종류에 상관 없이 일정한 고유주기 특성을 나타내었으며, 이는 기존 연구결과에서 제시한 사력댐의 고유주기 특성과 비교적 일치하는 것으로 나타났다. 따라서 본 연구에서 제시한 모델링 방법은 실제 댐의 응답특성을 모사, 정량적 거동 특성의 평가에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
일반적으로 조립질 지반재료의 경우 최대입경이 감소함에 따라 재료의 강성 또한 작아지고[21], 실험 시 작용한 하중이 기존 연구결과에서 이용한 미소지진 데이터에 비해 커 재료의 비선형 거동이 고려될 수 있음을 감안할 때, 해당 실험 결과는 실제 구조물에 비하여 축조재료의 강성을 작게 평가할 수 있다. 이러한 특성을 고려할 때, 이러한 실험 결과는 실제 댐의 고유주기와 동적응답특성의 평가에서 의미있는 결과를 나타낸 것으로 보이며, 따라서 본 연구에서 제시한 모델링 및 실험 방법은 실대형 댐의 지진응답특성 평가에 유용하게 활용될 수 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	국내의 현행 내진설계기준의 내용은 어떠한가?	일반적으로 댐의 설계와 시공 과정에서 댐의 구조적 형태와 축조재료의 선정은 이러한 댐의 거동 특성을 고려한 설계 기준에 따라 결정하며, 설계의 적정성을 검증하기 위한 구조해석을 수행하게 된다. 국내의 현행 내진설계기준에서는 [3] 진도법을 내진설계와 내진성능평가의 기본으로 하며, 대댐과 같은 단면의 상세검토가 필요한 경우 동역학적 해석방법에 의한 검토를 수행한다. 동해석에 의한 대형 필댐의 내진성능평가에서는 일반적으로 구조적 응답특성, 지진하중에 의한 상하류 사면의 안정성, 댐의 침하 및 변형, 축조재료의 액상화 등을 검토하는데, 이러한 해석 방법은 최근 수치해석분야의 기술적 진보에 힘입어 신뢰성과 활용도가 높아지고 있으며 대부분의 건설 프로젝트에서 일반화되어 있다.
	모형실험을 이용한 실증적 내진성능평가가 중요해지고 있는데, 이와 관련된 예시는 무엇인가?	특히 최근 국제적으로 기후변화에 따른 수자원 확보와 전력 생산을 위하여 추진되고 있는 댐 건설 프로젝트는 대형화되는 추세이며, 그 중요성을 고려할 때 모형실험을 이용한 실증적 내진성능평가의 중요성도 부각되고 있다. 예를 들어 대표 단면에서의 높이 100 m, 상하류방향 하부폭의 길이가 300 m인 댐에 대하여 동적 원심모형실험을 수행하는 경우, 최대 1:200의 축척의 모형을 제작, 200 g 조건에서의 실험을 수행하여야 하나, 현실적으로 이러한 조건에의 실험은 매우 어려운 실정이다. 특히 기존의 일반적인 상사법칙을 적용할 경우 이러한 대형 댐을 엄밀하게 모델링 하여 정량적인 동적 거동을 평가하기에는 어려움이 있으며, 따라서 기존의 한계를 극복하기 위한 적절한 실험기법이 요구된다.
	지진에 의한 댐의 손상에는 어떠한 형태가 있는가?	지진에 의한 댐의 손상은 사면 불안정에 의한 활동 파괴, 심벽부 또는 표면의 균열, 과도한 침하에 의한 여유고의 감소, 축조재료의 액상화에 의한 파괴 등 다양한 형태를 나타낸다. 일반적으로 댐의 설계와 시공 과정에서 댐의 구조적 형태와 축조재료의 선정은 이러한 댐의 거동 특성을 고려한 설계 기준에 따라 결정하며, 설계의 적정성을 검증하기 위한 구조해석을 수행하게 된다.

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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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