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문제 정의
- 본 실험에서는 안벽의 활동파괴가 발생하는 시점을 확인하기 위해 단주기 특성을 지닌 Ofunato 지진파를 Table 4와 같은 순서로 약진부터 강진까지 단계별로 가진 하며 안벽의 횡방향 변위 및 안벽과 뒤채움 지반의 침하량을 관찰하였다. 기반암 입력가속도의 최대 진폭은 최대 0.
- 본 연구에서는 서로 상이한 내진설계 표준서[2]와 내진성능 평가요령[5]의 kh산정법에 대한 일원화된 개선방향을 제시하기 위해 국내외 항만 내진설계기준을 비교․분석하였다. 문헌연구를 바탕으로 kh산정 시 최대지반 가속도 보정계수, 안벽 높이, 안벽 허용변위가 고려 되어야함을 제시하였으며, 내진설계 표준서[2]는 상기 내용을 부분적으로 포함하고 있는 반면 내진성능평가요령[5]의 kh산정법은 안벽의 허용변위에 따른 보정계수를 적용하지 않아 주로 2등급 붕괴방지수준(허용변위 30 cm)인 중력식 안벽에 대한 내진 안정성 평가 시 보수적인 결과를 초래할 수 있음을 확인하였다.
- 이에 본 연구에서는 국내외 항만구조물 내진설계기준의 kh산정 현황을 분석하여 국내 kh산정 시 중력식 안벽의 높이 및 허용 변위량에 따른 최대지반가속도 선정 위치와 보정계수 세분화 등과 같은 개선방향을 제시하였다. 또한 기존 국내 kh산정 시 이용되는 최대지반가속도 및 보정계수를 평가하기 위해 동적원심모형실험을 수행하여 이를 분석하였다.
- 중력식 안벽은 항만구조물로써 지진 시 벽체전면과 배면에 작용하는 정적수압 및 벽체 전면에 작용하는 동적수압에 대한 추가적인 고려가 필요하다[13]. 하지만 중력식 안벽에 대한 내진설계 및 안정성 검토는 뒤채움 지반이 건조사질토인 중력식 옹벽을 대상으로 제안된 Mononobe-Okabe 공식을 공통적으로 적용하고 있으므로 정확한 kh검증을 위해 본 연구에서는 건조사질토 조건에서의 실험을 수행하였다[16]. 또한 현행 국내 항만구조물 설계기준 상에는 내진 안정성 평가 시 Ofunato, Hachinohe 그리고 인공지진파에 대한 검토를 요구하고 있으나 본 실험에서는 단주기적 국내 지진 특성을 고려하여 Ofunato에 대한 검증만이 수행되었다.
제안 방법
- 국내 kh산정 시 이용되는 최대지반가속도의 선정위치와 적용 보정계수를 평가하기 위해 동적원심모형실험을 수행하였다. 평가방법은 다음과 같다.
- 4에 국내외 내진설계기준에 제시된 산정법으로 kh를 계산한 결과를 지표면 최대지반가속도 수준에 따라 비교하였다. 국내 내진설계 표준서[2]와 Eurocode 8[9]의 10 m이하 안벽에 대한 kh는 안벽 기초지반에서의 최대지반가속도가 사용되며, 이는 본 연구에서 수행한 동적원심모형실험에 사용된 건조사질토 10 m깊이의 평균 가속도 증폭비 (1.5)를 지표면 최대지반가속도에 나눠주어 산정하였다. 그림을 통해 안벽의 허용변위를 고려하고, 높이가 낮을수록 kh가 경제적으로 산출되는 것을 알 수 있다.
- 실험용 토조로는 등가전단보 박스(Equivalent Shear beam Box, ESB)를 사용하였다[15]. 그림과 같이 안벽의 횡방향 변위 및 전도 발생 여부를 확인하기 위해 안벽 상하부에 변위계(Potentiometer)를 수평 방향으로 설치하였다. 안벽과 뒤채움 지반의 침하량을 계측하기 위해 변위계(Laser sensor) 2개를 추가로 설치하였으며, 뒤채움 지반의 침하 계측을 위해 설치한 변위계는 안벽에 근접하게 설치하였다.
- 본 실험에서는 안벽의 활동파괴가 발생하는 시점을 확인하기 위해 단주기 특성을 지닌 Ofunato 지진파를 Table 4와 같은 순서로 약진부터 강진까지 단계별로 가진 하며 안벽의 횡방향 변위 및 안벽과 뒤채움 지반의 침하량을 관찰하였다. 기반암 입력가속도의 최대 진폭은 최대 0.336 g 수준까지 변화시켰으며 가속도 진폭 및 주파수 범위, 지속시간은 상사비를 고려하여 원심모형실험에 맞게 변환한 지진파를 입력 신호로 사용하였다. 이후 기술되는 모든 결과의 단위는 원형(prototype)을 기준으로 표현하였다.
- 5 m의 두께를 가진다. 뒤채움 지반은 기초 사석보다 상대적으로 입경이 작은 규사를 안벽 높이까지 낙사(Air-pluviation)하여 상대밀도 80%로 조성하였다. 시료에 대한 기본 물성치는 Table 3과 같다.
- 안벽과 뒤채움 지반의 침하량을 계측하기 위해 변위계(Laser sensor) 2개를 추가로 설치하였으며, 뒤채움 지반의 침하 계측을 위해 설치한 변위계는 안벽에 근접하게 설치하였다. 뒤채움 지반의 깊이 별 최대지반가속도를 계측하기 위해 뒤채움 지반 표면으로부터 등 간격으로 5개의 가속도계를 매설 하였다.
- 산정 시 중력식 안벽의 높이 및 허용 변위량에 따른 최대지반가속도 선정 위치와 보정계수 세분화 등과 같은 개선방향을 제시하였다. 또한 기존 국내 kh산정 시 이용되는 최대지반가속도 및 보정계수를 평가하기 위해 동적원심모형실험을 수행하여 이를 분석하였다.
- 하지만 중력식 안벽에 대한 내진설계 및 안정성 검토는 뒤채움 지반이 건조사질토인 중력식 옹벽을 대상으로 제안된 Mononobe-Okabe 공식을 공통적으로 적용하고 있으므로 정확한 kh검증을 위해 본 연구에서는 건조사질토 조건에서의 실험을 수행하였다[16]. 또한 현행 국내 항만구조물 설계기준 상에는 내진 안정성 평가 시 Ofunato, Hachinohe 그리고 인공지진파에 대한 검토를 요구하고 있으나 본 실험에서는 단주기적 국내 지진 특성을 고려하여 Ofunato에 대한 검증만이 수행되었다. 이에, 향후 지진 시 수압이 구조물에 미치는 영향을 평가하기 위한 포화지반 조건에서의 실험과 입력지진파의 주파수 성분에 따른 구조물의 영향을 검증하기 위해 Hachinohe 및 인공지진파를 이용한 추가적인 실험이 수행되어야 할 것으로 판단된다.
- 3에 도시하였다. 먼저 중력식 안벽에 레벨 1 설계지진(설계수명 동안 높은 확률로 일어나는 지진동)을 입력하여 1차원 지진 응답해석을 통해 안벽 뒤채움 지반 지표면에서의 가속도 시간이력을 산정한다. 획득한 가속도 시간이력을 푸리에 변환(FFT)하여 지표면에서의 가속도 스펙트럼을 결정하고, 이에 대해 필터 처리를 한다.
- 첫째, 지진 시 최대지반가속도는 매우 짧은 시간 동안만 유지되므로 등가정적해석에 이용되는 kh는 최대지반가속도보다 작은 값에 상응해야 한다[11]. 본 논문에서 검토된 모든 설계기준에서는 최대지반가속도를 감해주는 보정계수를 적용하고 있다. 둘째, 안벽의 높이가 낮은 경우 kh산정 시 안벽 뒤채움 지반의 증폭을 고려한 최대지반가속도를 이용하면 과도한 결과를 초래할 수 있다.
- 국내 내진설계 표준서[2]와 Eurocode 8[9]에서는 10 m 이하의 안벽은 안벽 기초지반에서의 최대지반가속도를 이용하고 있으며, 일본의 OCDI기준[10]에서는 15 m를 기준으로 안벽 뒤채움 지반 지표면에서의 최대지반가속도에 안벽 높이에 대한 영향이 고려된 필터를 적용하여 증폭비를 수정한 값을 사용하고 있다. 안벽 높이에 따른 뒤채움 지반 증폭 고려 여부가 kh산정에 미치는 영향은 5장 동적원심모형실험을 통해 비교하였다. 그러나 안벽 높이의 영향이 발현되는 기준높이에 대한 설정 근거가 부족한 상황이며, 이에 대한 연구가 지속적으로 수행되어 명확한 기준높이를 정립할 필요가 있다.
- 57이다. 안벽 모형은 알루미늄(T-6061)으로 제작하였으며, kh를 0.13으로 설계하기 위하여 내진설계 표준서[2]및 내진성능 평가요령[5]에 제시된 활동에 대한 안전율 평가 식에 안전율(1), kh(0.13), 기타 실험조건을 대입하여 안벽의 무게를 도출하였고, 알루미늄의 두께 조절을 통해 무게를 만족하였다. 이를 바탕으로 높이 5 m, 15 m에 대해 각각 실험 목표 가속도 수준인 40 g, 60 g에 대한 상사비를 적용하여 축소 모델링 하였다.
- 그림과 같이 안벽의 횡방향 변위 및 전도 발생 여부를 확인하기 위해 안벽 상하부에 변위계(Potentiometer)를 수평 방향으로 설치하였다. 안벽과 뒤채움 지반의 침하량을 계측하기 위해 변위계(Laser sensor) 2개를 추가로 설치하였으며, 뒤채움 지반의 침하 계측을 위해 설치한 변위계는 안벽에 근접하게 설치하였다. 뒤채움 지반의 깊이 별 최대지반가속도를 계측하기 위해 뒤채움 지반 표면으로부터 등 간격으로 5개의 가속도계를 매설 하였다.
- 13), 기타 실험조건을 대입하여 안벽의 무게를 도출하였고, 알루미늄의 두께 조절을 통해 무게를 만족하였다. 이를 바탕으로 높이 5 m, 15 m에 대해 각각 실험 목표 가속도 수준인 40 g, 60 g에 대한 상사비를 적용하여 축소 모델링 하였다.
- 문헌연구를 바탕으로 kh산정 시 최대지반 가속도 보정계수, 안벽 높이, 안벽 허용변위가 고려 되어야함을 제시하였으며, 내진설계 표준서[2]는 상기 내용을 부분적으로 포함하고 있는 반면 내진성능평가요령[5]의 kh산정법은 안벽의 허용변위에 따른 보정계수를 적용하지 않아 주로 2등급 붕괴방지수준(허용변위 30 cm)인 중력식 안벽에 대한 내진 안정성 평가 시 보수적인 결과를 초래할 수 있음을 확인하였다. 이를 확인하기 위해 동적원심모형실험을 통해 국내 두 기준의 비교 검증을 실시하였다. 실험 결과, 산정된 kh는 내진설계 표준서[2]와 유사하였고 내진성능 평가요령[5]과는 다소 차이가 있음을 확인하였다.
- 평가방법은 다음과 같다. 활동파괴에 대한 안전율 1을 적용하여 kh를 0.13으로 설계한 중력식 안벽 모형이 지진하중에 의해 활동파괴가 일어나는 시점의 안벽 뒤채움 지반에서의 깊이 별 최대지반가속도를 획득하여 내진설계 표준서[2]와 내진성능 평가요령[5]에서 제시한 방법으로 kh를 구한 뒤 설계값(0.13)과 비교하였다.
- 먼저 중력식 안벽에 레벨 1 설계지진(설계수명 동안 높은 확률로 일어나는 지진동)을 입력하여 1차원 지진 응답해석을 통해 안벽 뒤채움 지반 지표면에서의 가속도 시간이력을 산정한다. 획득한 가속도 시간이력을 푸리에 변환(FFT)하여 지표면에서의 가속도 스펙트럼을 결정하고, 이에 대해 필터 처리를 한다. 적용되는 필터는 중력식 안벽 상단의 수평잔류변위가 목표치가 되게 하는 지진동을 구성하는 각 주파수 성분의 안벽 변형에 대한 기여도를 평가한 것이며 식 (12)을 통해 결정한다.
대상 데이터
- 기초 사석은 지진 시 안벽의 전도를 방지하고 활동파괴만 유발되도록 지지력을 키우기 위해 건조 상태의 규사(silica sand)를 다짐하여 상대밀도 86%로 조밀하게 조성하였으며, 원형(prototype) 기준으로 두께 1.5 m의 두께를 가진다. 뒤채움 지반은 기초 사석보다 상대적으로 입경이 작은 규사를 안벽 높이까지 낙사(Air-pluviation)하여 상대밀도 80%로 조성하였다.
- 본 실험은 KOCED CMI(Korea Construction Engineering Development Collaboratory Management Institute : 건설연구인프라운영원) 지오센트리 퓨지실험센터의 동적 원심모형시험기[14]를 이용하였다.
- 5는 동적원심모형실험 모형의 구조물 및 계측기 배치를 나타내고 있다. 실험용 토조로는 등가전단보 박스(Equivalent Shear beam Box, ESB)를 사용하였다[15]. 그림과 같이 안벽의 횡방향 변위 및 전도 발생 여부를 확인하기 위해 안벽 상하부에 변위계(Potentiometer)를 수평 방향으로 설치하였다.
- 실험은 5 m, 15 m의 두 가지 높이를 가지는 중력식 안벽을 대상으로 하였으며, 두 안벽 모두 높이(H)에 대한 너비(B)의 비는 0.57이다. 안벽 모형은 알루미늄(T-6061)으로 제작하였으며, kh를 0.
이론/모형
- 또한 계측을 통해 확인한 안벽의 활동 시작 구간을 음영으로 표시하였다. 안벽의 활동 시작점은 Mononobe-Okabe 방법의 가정사항에 근거하여, 횡방향 변위가 급증하기 시작하는 시점과 안벽과 뒤채움 지반 사이의 상대 침하량이 유발되는 시점을 고려하여 선정하였다. 그 결과 5 m안벽은 Base PGA = 0.
성능/효과
- 안벽의 활동 시작점은 Mononobe-Okabe 방법의 가정사항에 근거하여, 횡방향 변위가 급증하기 시작하는 시점과 안벽과 뒤채움 지반 사이의 상대 침하량이 유발되는 시점을 고려하여 선정하였다. 그 결과 5 m안벽은 Base PGA = 0.280 g, Average PGA = 0.340 g에서 활동파괴가 일어났으며, 이는 각각 예상 활동파괴 시점과 0.02 g, 0.21 g차이를 보이고 있다.
- 본 논문에서 검토된 모든 설계기준에서는 최대지반가속도를 감해주는 보정계수를 적용하고 있다. 둘째, 안벽의 높이가 낮은 경우 kh산정 시 안벽 뒤채움 지반의 증폭을 고려한 최대지반가속도를 이용하면 과도한 결과를 초래할 수 있다. 국내 내진설계 표준서[2]와 Eurocode 8[9]에서는 10 m 이하의 안벽은 안벽 기초지반에서의 최대지반가속도를 이용하고 있으며, 일본의 OCDI기준[10]에서는 15 m를 기준으로 안벽 뒤채움 지반 지표면에서의 최대지반가속도에 안벽 높이에 대한 영향이 고려된 필터를 적용하여 증폭비를 수정한 값을 사용하고 있다.
- 산정법에 대한 일원화된 개선방향을 제시하기 위해 국내외 항만 내진설계기준을 비교․분석하였다. 문헌연구를 바탕으로 kh산정 시 최대지반 가속도 보정계수, 안벽 높이, 안벽 허용변위가 고려 되어야함을 제시하였으며, 내진설계 표준서[2]는 상기 내용을 부분적으로 포함하고 있는 반면 내진성능평가요령[5]의 kh산정법은 안벽의 허용변위에 따른 보정계수를 적용하지 않아 주로 2등급 붕괴방지수준(허용변위 30 cm)인 중력식 안벽에 대한 내진 안정성 평가 시 보수적인 결과를 초래할 수 있음을 확인하였다. 이를 확인하기 위해 동적원심모형실험을 통해 국내 두 기준의 비교 검증을 실시하였다.
- 본 연구에서 수행한 동적원심모형실험 결과를 통해 내진설계 표준서[2]의 kh산정법은 5 m와 15 m 실험결과 모두 예측과 계측이 유사함을 확인하였다. 반면 내진성능 평가요령[5]의 kh산정 방법은 5 m와 15 m 실험결과 모두 예측과 계측의 차가 컸으며, 특히 5 m 안벽 실험결과에서의 두 값의 차가 15 m 실험결과에 비해 2배가량 더 큰 차이를 나타내고 있다.
- 6과 의미하는 바가 같다. 비교 결과 15 m안벽은 Surface PGA = 0.290 g, Average PGA = 0.230 g에서 활동파괴가 일어났으며, 이는 각각 예상 활동파괴 시점과 0.03 g, 0.10 g의 차이를 도출하고 있다.
- 그러나 안벽 높이의 영향이 발현되는 기준높이에 대한 설정 근거가 부족한 상황이며, 이에 대한 연구가 지속적으로 수행되어 명확한 기준높이를 정립할 필요가 있다. 셋째, 지진 시 안벽의 변위를 허용한 경우, 안벽에 작용하는 토압은 Mononobe-Okabe 공식에 의해 산정된 주동토압에 비해 감소할 수 있다[12, 13]. 국내 내진설계 표준서[2]와 Eurocode 8[9]에서는 허용변위량에 따라 최대지반 가속도에 적용하는 보정계수를 다르게 하고 있으며, 일본의 OCDI기준[10]에서는 khk 산정식에 허용 변위량 자체가 변수로 포함되어 고려되고 있다.
- 상기 세 가지 요소가 kh에 미치는 영향을 살펴보면 다음과 같다. 첫째, 지진 시 최대지반가속도는 매우 짧은 시간 동안만 유지되므로 등가정적해석에 이용되는 kh는 최대지반가속도보다 작은 값에 상응해야 한다[11]. 본 논문에서 검토된 모든 설계기준에서는 최대지반가속도를 감해주는 보정계수를 적용하고 있다.
후속연구
- 최근 국내에서도 내진설계 선진국의 최신 항만 내진설계기준 및 연구동향에 따라 성능기반 내진설계 개념을 도입하기 위한 연구가 수행되고 있다. 국내 실정에 맞는 추가연구를 통해 성능기반 내진설계에 필수적인 구조물의 목적, 성능요구조건, 성능 기준 등이 우선적으로 정립이 되면, 설계지진에 대한 대상 구조물 성능(허용 변위량)의 정확한 예측을 위해 OCDI[10]에서 제안하고 있는 성능검증 지진계수(khk)와 같이 kh산정 식에 허용 변위와 안벽 높이에 관한 변수가 직접 포함될 수 있는 방향으로 추후 연구가 진행되어야 할 것이다.
- 이를 이용하여 기존에 건설된 중력식 안벽에 대한 내진성능 평가 시 결과가 ‘불안정’으로 도출될 가능성이 높아 현업에서 혼란을 겪고 있는 실정이다. 그러므로 두 기준의 차이에서 유발되는 부작용을 최소화하기 위하여 조속히 최대지반가속도 보정계수, 안벽 높이, 안벽 허용변위를 고려 한 통일된 kh산정법이 제안되어야 할 것으로 판단된다.
- 실험 결과, 산정된 kh는 내진설계 표준서[2]와 유사하였고 내진성능 평가요령[5]과는 다소 차이가 있음을 확인하였다. 내진설계 표준서[2]와 내진성능 평가요령[5] 두 기준의 차이에서 발생하는 부작용을 최소화 하기 위해 조속히 최대지반가속도 보정계수, 안벽 높이, 안벽 허용변위를 고려 한 통일된 kh산정법이 제안되어야 할 것으로 판단된다. 더불어 향후 국내 항만 내진설계기준에 성능기반khk 내진설계 개념을 도입하기 위해 설계 지진에 대한 대상 구조물의 성능(허용 변위량)을 정확하게 예측할 수 있는 kh산정법에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 내진설계 표준서[2]와 내진성능 평가요령[5] 두 기준의 차이에서 발생하는 부작용을 최소화 하기 위해 조속히 최대지반가속도 보정계수, 안벽 높이, 안벽 허용변위를 고려 한 통일된 kh산정법이 제안되어야 할 것으로 판단된다. 더불어 향후 국내 항만 내진설계기준에 성능기반khk 내진설계 개념을 도입하기 위해 설계 지진에 대한 대상 구조물의 성능(허용 변위량)을 정확하게 예측할 수 있는 kh산정법에 대한 연구가 필요할 것으로 사료된다.
- 또한 현행 국내 항만구조물 설계기준 상에는 내진 안정성 평가 시 Ofunato, Hachinohe 그리고 인공지진파에 대한 검토를 요구하고 있으나 본 실험에서는 단주기적 국내 지진 특성을 고려하여 Ofunato에 대한 검증만이 수행되었다. 이에, 향후 지진 시 수압이 구조물에 미치는 영향을 평가하기 위한 포화지반 조건에서의 실험과 입력지진파의 주파수 성분에 따른 구조물의 영향을 검증하기 위해 Hachinohe 및 인공지진파를 이용한 추가적인 실험이 수행되어야 할 것으로 판단된다.
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