액상화 가능 지수의 국내 하천제방 지진취약도 평가 적용성 검토 Examination of Applicability of Liquefaction Potential Index to Seismic Vulnerability Evaluation of the Korean River Levees원문보기
하익수
(Department of Civil Engineering, Kyungnam University)
,
문인종
(Korea Institute of Civil Engineering & Building Technology)
,
윤정원
(Department of Geospace Engrg., University of Science & Technology)
,
한진태
(Korea Institute of Civil Engineering & Building Technology)
본 연구에서는 하천제방이 홍수 때를 대비한 임시적인 기능이 크나 영구구조물이라는 기능적 특성과 길이가 매우 길다는 구조적 특성을 감안하여, 제방의 지진취약도를 간편하게 평가할 수 있는 방안을 검토하였다. 제방의 지진 시 주된 파괴모드가 제체 및 기초지반의 과잉간극수압 증가로 야기되는 지반의 강도감소 및 액상화로 인한 제체 침하인 점에 착안하여, 2차원 형태의 제방단면을 1차원으로 간주하고 액상화 가능 지수를 산정한 후, 그 결과를 지진 시 하천제방의 취약도와 연관시키는 방안을 검토하였다. 지진으로 야기된 제방 정상부의 변위와 제방의 지진취약도와의 관계를 기존 연구결과로부터 획득하였고, 2차원 동적 유효응력해석을 수행하여 산정한 제방 정상부 변위와 1차원 지진응답해석 결과를 기초로 산정한 액상화 가능 지수와의 상관관계를 검토하였다. 이러한 상관관계와 연계하여, 궁극적으로 액상화 가능 지수와 제방 지진취약도와의 연관성을 검토한 결과, 액상화 가능 지수를 이용한 국내 하천제방의 지진취약도를 평가하는 방법이 적용성이 있는 것으로 판단되었다.
본 연구에서는 하천제방이 홍수 때를 대비한 임시적인 기능이 크나 영구구조물이라는 기능적 특성과 길이가 매우 길다는 구조적 특성을 감안하여, 제방의 지진취약도를 간편하게 평가할 수 있는 방안을 검토하였다. 제방의 지진 시 주된 파괴모드가 제체 및 기초지반의 과잉간극수압 증가로 야기되는 지반의 강도감소 및 액상화로 인한 제체 침하인 점에 착안하여, 2차원 형태의 제방단면을 1차원으로 간주하고 액상화 가능 지수를 산정한 후, 그 결과를 지진 시 하천제방의 취약도와 연관시키는 방안을 검토하였다. 지진으로 야기된 제방 정상부의 변위와 제방의 지진취약도와의 관계를 기존 연구결과로부터 획득하였고, 2차원 동적 유효응력해석을 수행하여 산정한 제방 정상부 변위와 1차원 지진응답해석 결과를 기초로 산정한 액상화 가능 지수와의 상관관계를 검토하였다. 이러한 상관관계와 연계하여, 궁극적으로 액상화 가능 지수와 제방 지진취약도와의 연관성을 검토한 결과, 액상화 가능 지수를 이용한 국내 하천제방의 지진취약도를 평가하는 방법이 적용성이 있는 것으로 판단되었다.
In this study, a simple method to evaluate the seismic vulnerability of river levees was examined considering the structural characteristic of river levee, that is long, and the functional characteristic of river levee that performs temporary function against flood but is a permanent structure in th...
In this study, a simple method to evaluate the seismic vulnerability of river levees was examined considering the structural characteristic of river levee, that is long, and the functional characteristic of river levee that performs temporary function against flood but is a permanent structure in the ordinary way. Considering the fact that one of the main failure modes of the levee during the earthquake are the settlement due to the strength reduction of the ground caused by the increase of the excess pore pressure in the levee body and foundation and the settlement due to liquefaction, the 2-dimensional section of the levee was regarded as the 1-dimensional section and the liquefaction potential index (LPI) for the regarded section was estimated. The estimated LPI was correlated with the seismic vulnerability of river levees. The relationship between the displacement of the levee crest caused by the earthquake and the seismic vulnerability of the levees was obtained from the results of previous researches and the correlation between the displacements of the levee crest computed by 2-dimensional dynamic coupled analyses and LPIs based on the results of 1-dimensional seismic response analyses was investigated. In connection with this correlation, as a result of examination of the correlation between LPI and the seismic vulnerability of the levee, it was concluded that the method for evaluation of the seismic vulnerability of the Korean river levee using LPI is applicable.
In this study, a simple method to evaluate the seismic vulnerability of river levees was examined considering the structural characteristic of river levee, that is long, and the functional characteristic of river levee that performs temporary function against flood but is a permanent structure in the ordinary way. Considering the fact that one of the main failure modes of the levee during the earthquake are the settlement due to the strength reduction of the ground caused by the increase of the excess pore pressure in the levee body and foundation and the settlement due to liquefaction, the 2-dimensional section of the levee was regarded as the 1-dimensional section and the liquefaction potential index (LPI) for the regarded section was estimated. The estimated LPI was correlated with the seismic vulnerability of river levees. The relationship between the displacement of the levee crest caused by the earthquake and the seismic vulnerability of the levees was obtained from the results of previous researches and the correlation between the displacements of the levee crest computed by 2-dimensional dynamic coupled analyses and LPIs based on the results of 1-dimensional seismic response analyses was investigated. In connection with this correlation, as a result of examination of the correlation between LPI and the seismic vulnerability of the levee, it was concluded that the method for evaluation of the seismic vulnerability of the Korean river levee using LPI is applicable.
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문제 정의
본 연구에서는 이러한 하천제방이 홍수 때를 대비한 임시적인 기능이 크나 영구구조물이라는 기능적 특성과 길이가 매우 길다는 구조적 특성을 감안하여, 제방의 지진취약도를 간편하게 평가할 수 있는 방안을 찾고자 하였다. 제방의 지진시 주된 파괴모드가 제체 및 기초지반의 과잉간극수압 증가로 야기되는 지반의 강도감소 및 액상화로 인한 제체 침하인 점에 착안하여, 2차원 형태의 제방 단면을 1차원으로 간주하고 LPI를 산정한 후, 그 결과를 지진 시 하천제방의 취약도와 연관시키는 방안을 검토하였다.
지진으로 야기된 제방 정상 부의 변위와 제방의 지진취약도와의 관계를 기존 연구결과로부터 획득하였고, 2차원 동적 유효응력해석을 수행하여 산정한 제방 정상부 변위와 1차원 지진응답해석 결과를 기초로 산정한 LPI와의 상관관계를 검토하였다. 본 연구의 목적은 이러한 상관관계와 연계하여, 궁극적으로 LPI와 제방 지진취약도와의 연관성을 검토하여, LPI를 이용한 국내 하천제방의 지진취약도 평가방법의 적용성을 검토해 보는 것이다.
가설 설정
본 해석에서 감쇠는 Rayleigh Damping(Chopra, 1995; Itasca Consulting Group, 2011)을 적용하였다. Rayleigh Damping에 적용되는 상수 중 감쇠비는 5%를 가정하여 일률적으로 적용하였다.
1절에 제시된 방법과 절차에 따라 산정하였다. 우선 지진 시 발생되는 최대전단응력비를 산정하기 위하여 Fig. 1의 단면을 1차원으로 가정한 지진응답해석을 수행하였다. Table 3은 SHAKE 프로그램을 이용한 지진응답해석 시 지층구분 및 각 지층의 입력물성을 나타낸 것이다.
제안 방법
기반암을 제외한 지층의 경우에는, Table 3에서 제시하는 저변형률 하의 전단탄성계수인 최대 전단탄성계수, Gmax 를 그대로 적용할 수 없다. 3장의 SHAKE 해석결과로부터 각 지층에 지진으로 인해 유발된 전단변형률이 산정될 수 있는데, 동적해석에서는 SHAKE 해석으로 산정된 각 지층의 전단변형률을 전단변형률에 따른 전단탄성계수를 정의한 전단탄성계수의 감소곡선(Table 3의 맨 오른쪽 열)에 대응시켜 얻은 전단탄성계수(1차원 지진응답해석에서는 이를 유효전단탄성계수라고도 칭함)를 각 지층에서의 전단탄성계수로 적용하여, 지진 시 전단변형률 증가에 따른 전단탄성계수의 강도감소 효과를 고려하였다. 본 해석에서 감쇠는 Rayleigh Damping(Chopra, 1995; Itasca Consulting Group, 2011)을 적용하였다.
이에 비해 LPI를 산정하는 것은 동적 유효응력해석을 수행하는 것과는 비교가 되지 않을 만큼 간단한 작업이다. 그러므로 본 연구에서는 향후 추가적인 해석을 통해 보완이 필요하나, LPI와 취약도와의 연관관계의 가능성을 확인한 바 Table 4와 같은 액상화 가능 지수, 즉 LPI를 이용한 하천제방의 지진취약도 평가표를 제시하였다.
1에 제시된 성서제 제방단면에 대한 2 차원 동적 유효응력해석을 수행하여 얻어진 결과들을 3장에서 구한 LPI와 비교하여 그 연관성을 검토하였다. 그리고 2.2절에 기술했던 바와 같이 하천제방의 내진취약 등급은 지진으로 인해 유발될 수 있는 제방 정상부의 응답변위(수직변위, 수평변위)와 연관될 수 있기 때문에 2차원 동적 유효응력해석을 수행하여 얻어진 제방 정상부에서의 변위를 Table 2에서 제시하고 있는 내진취약 등급을 결정짓는 경계 변위값들(수직변위의 경우, 0.03m, 0.15m, 0.5m, 수평변위의 경우, 0.03m, 0.3m, 0.9m)과 비교하여, 내진취약 등급과의 연관성도 함께 검토하였다.
동일 해석단면(Fig. 1)에 대하여 입력가속도의 최대크기가 0.11g와 0.154g의 2가지 수준이 되도록 최대진폭을 조정한 장주기 성분이 탁월한 계측지진파인 Hachinohe 지진파, 단주기 성분이 탁월한 계측지진파인 Ofunato 지진파와 각각의 입력가속도 최대크기를 가지며 설계응답스펙트럼에 부합하도록 인공적으로 만들어진 인공지진파, 즉, 3개의 지진파를 입력지진으로 하는 총 6개의 지진파(Fig. 2)에 대한 1 차원 지진응답해석을 수행하였다. Fig.
액상화에 대한 안전율은 현재 국내에서 액상화 간편예측 법으로 가장 많이 사용되고 있는 Seed와 Idriss가 제안한 방법(Seed & Idriss, 1971) 등으로 산정될 수 있다. 본 연구에 서도 LPI 산정을 위한 액상화 안전율 산정은 이와 동일한 방법이 적용되었는데, 지진 시 발생하는 최대전단응력비는 설계지진 가속도 및 동적물성을 바탕으로 한 지진응답해석을 통해 산정하였고, 지반의 액상화 전단저항비는 표준관입시험치, \(N_{l60}\) 을 이용하여 산정하였다. 지진응답해석은 보편 적으로 사용되고 있는 반무한 수평지반의 1차원 지진증폭 현상을 분석할 수 있는 프로그램인 SHAKE(Schnabel et al.
본 장에서는 Fig. 1에 제시된 성서제 제방단면에 대한 2 차원 동적 유효응력해석을 수행하여 얻어진 결과들을 3장에서 구한 LPI와 비교하여 그 연관성을 검토하였다. 그리고 2.
지진취약도 평가 대상으로서 하천제방은 그 길이가 매우 길어 취약 단면의 선정도 어렵지만, 선정된 많은 단면에 대해 복잡한 동적 유효응력해석 등을 수행하여 제방의 지진취약도를 평가한다는 것은 거의 불가능하다. 이에 본 연구에서는 간편하게 하천제방의 지진취약도를 평가하기 위한 방법으로 액상화 가능 지수를 활용하는 방안을 제시하였는데, 이 방안의 적용성 검토를 위해 운영 중인 하천제방에 대해 1차원 지진응답해석과 2차원 동적 유효응력해석을 수행하고 그 결과 분석을 통해 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 이러한 하천제방이 홍수 때를 대비한 임시적인 기능이 크나 영구구조물이라는 기능적 특성과 길이가 매우 길다는 구조적 특성을 감안하여, 제방의 지진취약도를 간편하게 평가할 수 있는 방안을 찾고자 하였다. 제방의 지진시 주된 파괴모드가 제체 및 기초지반의 과잉간극수압 증가로 야기되는 지반의 강도감소 및 액상화로 인한 제체 침하인 점에 착안하여, 2차원 형태의 제방 단면을 1차원으로 간주하고 LPI를 산정한 후, 그 결과를 지진 시 하천제방의 취약도와 연관시키는 방안을 검토하였다. 지진으로 야기된 제방 정상 부의 변위와 제방의 지진취약도와의 관계를 기존 연구결과로부터 획득하였고, 2차원 동적 유효응력해석을 수행하여 산정한 제방 정상부 변위와 1차원 지진응답해석 결과를 기초로 산정한 LPI와의 상관관계를 검토하였다.
제방의 지진시 주된 파괴모드가 제체 및 기초지반의 과잉간극수압 증가로 야기되는 지반의 강도감소 및 액상화로 인한 제체 침하인 점에 착안하여, 2차원 형태의 제방 단면을 1차원으로 간주하고 LPI를 산정한 후, 그 결과를 지진 시 하천제방의 취약도와 연관시키는 방안을 검토하였다. 지진으로 야기된 제방 정상 부의 변위와 제방의 지진취약도와의 관계를 기존 연구결과로부터 획득하였고, 2차원 동적 유효응력해석을 수행하여 산정한 제방 정상부 변위와 1차원 지진응답해석 결과를 기초로 산정한 LPI와의 상관관계를 검토하였다. 본 연구의 목적은 이러한 상관관계와 연계하여, 궁극적으로 LPI와 제방 지진취약도와의 연관성을 검토하여, LPI를 이용한 국내 하천제방의 지진취약도 평가방법의 적용성을 검토해 보는 것이다.
대상 데이터
F-B 모델과 M-C 모델의 입력값으로 필요한 대상층의 강도정수(내부마찰각과 점착력)를 포함한 정적해석에 공통으로 사용되는 물성값은, 지진을 제외한 제방취약도 평가 시적용되었던 표준관입시험 및 실내시험 결과 등으로 산정된값(건설교통부, 2003)이 적용되었다.
액상화 평가 대상층은 Fig. 1에서 알 수 있듯이 하천수위 하부의 제체 모래층이며, 기초지반 모래층은 표준관입시험값이 그림에 나타난 바와 같이 ‘22’를 초과하여 대상층에서 제외하였다.
해석대상 하천제방은 낙동강 하천제방으로 대구광역시 달성군에 위치한 길이 764m, 둑마루폭 12.5m의 성서제 (Seongseo levee)이다. Fig.
해석경계면에서의 경계조건(boundary condition)은 해석영역의 측면경계가 흡수경계를 모사할 수있는 자유장 해석절점들과 점성댐퍼(viscous dashpot)로 연결된 자유장경계조건(free-field boundary condition)을 적용 하였다(Itasca Consulting Group, 2011). 해석을 위한 입력지 진파는 LPI 산정해석 시에 적용된 지진파와 동일한 Fig. 2 에 나타낸 6가지 지진파를 사용하였다.
이론/모형
본 연구에서 2차원 동적 유효응력해석은 댐 및 제방의 동적해석에 국내외에서 가장 널리 사용되고 있는 지반해석 프로그램인 FLAC2D(Version 7.0)(Itasca Consulting Group, 2011)를 사용하였다. 해석경계면에서의 경계조건(boundary condition)은 해석영역의 측면경계가 흡수경계를 모사할 수있는 자유장 해석절점들과 점성댐퍼(viscous dashpot)로 연결된 자유장경계조건(free-field boundary condition)을 적용 하였다(Itasca Consulting Group, 2011).
3장의 SHAKE 해석결과로부터 각 지층에 지진으로 인해 유발된 전단변형률이 산정될 수 있는데, 동적해석에서는 SHAKE 해석으로 산정된 각 지층의 전단변형률을 전단변형률에 따른 전단탄성계수를 정의한 전단탄성계수의 감소곡선(Table 3의 맨 오른쪽 열)에 대응시켜 얻은 전단탄성계수(1차원 지진응답해석에서는 이를 유효전단탄성계수라고도 칭함)를 각 지층에서의 전단탄성계수로 적용하여, 지진 시 전단변형률 증가에 따른 전단탄성계수의 강도감소 효과를 고려하였다. 본 해석에서 감쇠는 Rayleigh Damping(Chopra, 1995; Itasca Consulting Group, 2011)을 적용하였다. Rayleigh Damping에 적용되는 상수 중 감쇠비는 5%를 가정하여 일률적으로 적용하였다.
6은 동적응답해석에 사용된 해석요소망과 물성구분 도이다. 지반해석 모델은 Fig. 6에서 액상화 가능성이 있는 제방 제체를 이루는 모래층(Fig. 6에서 silty clay 층 상부 모래층) 중 하천수위 하부의 모래층에 대해서만 Finn-Byrne model(Byrne, 1991; Itasca Consulting Group, 2011)(이하 F-B 모델)을 적용하였고, 나머지 층들은 모두 Mohr-Coulomb 모델(이하 M-C 모델)을 적용하였다.
본 연구에 서도 LPI 산정을 위한 액상화 안전율 산정은 이와 동일한 방법이 적용되었는데, 지진 시 발생하는 최대전단응력비는 설계지진 가속도 및 동적물성을 바탕으로 한 지진응답해석을 통해 산정하였고, 지반의 액상화 전단저항비는 표준관입시험치, \(N_{l60}\) 을 이용하여 산정하였다. 지진응답해석은 보편 적으로 사용되고 있는 반무한 수평지반의 1차원 지진증폭 현상을 분석할 수 있는 프로그램인 SHAKE(Schnabel et al., 1972)가 이용된다. SHAKE는 1차원 등가선형(equivalentlinear) 해석 프로그램으로서, 선형탄성해석을 이용하여 전단변형율에 따른 동적물성치(전단탄성계수, 감쇠비)의 비선형성을 등가적으로 고려할 수 있다.
0)(Itasca Consulting Group, 2011)를 사용하였다. 해석경계면에서의 경계조건(boundary condition)은 해석영역의 측면경계가 흡수경계를 모사할 수있는 자유장 해석절점들과 점성댐퍼(viscous dashpot)로 연결된 자유장경계조건(free-field boundary condition)을 적용 하였다(Itasca Consulting Group, 2011). 해석을 위한 입력지 진파는 LPI 산정해석 시에 적용된 지진파와 동일한 Fig.
성능/효과
1절에서 제시한 절차로 산정한 LPI와 함께 각각 나타낸 것이다. Fig. 4와 Fig.5에 나타난 바와 같이 입력 지진가속도의 크기와 종류에 상관없이 액상화 안전율의 깊이별 분포는 유사하였으나, LPI 산정값은 두 가속도 수준 모두 입력지진파가 인공지진파 (artificial wave), Hachinohe 파, Ofunato 파인 경우의 순서로 더 크게 나타났다.
후속연구
그러므로 LPI와 취약등급을 연관시킬 수 있는 상관성은 충분한 가능성이 있으며, 정상부의 연직변위를 기준으로 하는 경우의 가능성은 더 크다고 할 수 있다. 이러한 상관성은 향후 더 많은 제방 단면에 대한 추가 해석을 통해 보완될 필요가 있다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
하천제방에 추가적인 재해대비가 필요한 이유는?
하천제방은 하천 수위가 높은 시기에 하천의 흐름이 원활히 유지되도록 축조된 길이가 긴 영구구조물이다. 댐처럼 장기간의 하천수 유지 및 침투방지를 목적으로 설계되었거나, 극한의 하중을 받도록 잘 설계되지는 않지만, 지진과 같은 짧은 시간 동안의 불리한 하중조건에 처하여 붕괴되는 경우, 댐 붕괴와 마찬가지의 인적・재산적 피해가 발생할 수 있으므로, 이에 대한 대비가 필요하다.
하천제방의 취약도는?
하천제방의 취약도는 하천제방의 파이핑 및 활동 등과 같은 구조적 안정성에 영향을 미치는 모든 영향요소 및 그 정도 등으로 정의될 수 있으나, 구체적으로 정량화하여 제시된 사례가 드물다. 이에 최근 국토교통부의 “다중시나리오 기반 재난대응 의사결정 지원체계 기술 개발” 연구과제에서는 국내 하천관리자를 위한 하천제방의 취약도 지표 등을 제시할 목적으로 수위파형, 파이핑/활동, 제체 및 기초지반의 재료특성, 제체 세굴, 육안점검, 액상화 등 총 6개 취약 지표를 제시하고, 각 인자별로 3~4 등급의 평가 지표화를 추진 중에 있다.
다중시나리오 기반 재난대응 의사결정 지원체계 기술 개발 연구의 연구 목적은?
하천제방의 취약도는 하천제방의 파이핑 및 활동 등과 같은 구조적 안정성에 영향을 미치는 모든 영향요소 및 그 정도 등으로 정의될 수 있으나, 구체적으로 정량화하여 제시된 사례가 드물다. 이에 최근 국토교통부의 “다중시나리오 기반 재난대응 의사결정 지원체계 기술 개발” 연구과제에서는 국내 하천관리자를 위한 하천제방의 취약도 지표 등을 제시할 목적으로 수위파형, 파이핑/활동, 제체 및 기초지반의 재료특성, 제체 세굴, 육안점검, 액상화 등 총 6개 취약 지표를 제시하고, 각 인자별로 3~4 등급의 평가 지표화를 추진 중에 있다.
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