[논문]심층혼합처리공법이 적용된 항만 구조물의 파괴확률과 위험도 평가에 관한 사례 연구

김병일; 박언상

doi:10.12814/jkgss.2018.17.4.053

심층혼합처리공법이 적용된 항만 구조물의 파괴확률과 위험도 평가에 관한 사례 연구
The Case Study on Risk Assessment and Probability of Failure for Port Structure Reinforced by DCM Method 원문보기

한국지반신소재학회논문집 = Journal of the Korean Geosynthetics Society, v.17 no.4, 2018년, pp.53 - 64

김병일 (Expert Group For Earth & Environment) , 박언상 (Department of Civil Engineering, Bucheon University)

초록
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본 연구에서는 안정성과 위험도 평가의 중요성이 증대되고 있는 DCM(Deep Cement Mixing, 이하 DCM) 보강 지반상의 항만 구조물에 대하여 위험도 평가를 위한 파괴확률을 산정하였다. DCM 개량 지반의 위험도에 영향을 미치는 확률변수로 개량체의 설계기준강도와 시공중첩, 원지반의 강도 및 내부마찰각, 개량지반의 단위중량을 선정하고 관련 통계치를 산정하여 적용하였다. 또한, 상시 조건과 지진시 조건에서의 전체 시스템에 대한 파괴확률을 분석하였다. 본 연구를 통해 DCM 개량지반의 위험도 평가를 위한 확률변수에서 변동계수가 가장 큰 것은 설계기준강도이나 안전율의 변동성 즉, 시스템의 위험도에는 큰 영향을 미치지는 않는 것을 알 수 있었다. DCM 보강 지반에 대한 시스템의 파괴확률 영향인자 즉, 주된 위험요소는 상시 및 지진시 모두 외적안정의 경우 수평활동, 내적안정의 경우 압축파괴인 것으로 평가되었다. 또한, 수평활동에 대해서는 상시 파괴확률이 지진시 파괴확률보다 높고 압축파괴에 대해서는 상시 파괴확률이 지진시 파괴확률보다 낮은 것으로 나타났다. 전체 시스템의 상시 파괴확률과 지진시 파괴확률은 유사하지만, 본 사례의 경우 지진시 위험도가 다소 높은 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the evaluation to probability of failure for risk assessment of port structures on DCM reinforced soils, where stability and risk assessment are increasing in importance, was performed. As a random variables affecting the risk of DCM improved ground, the design strength, superposition (overlap) of construction, strength of the natural ground, internal friction angle and unit weight of the modified ground were selected and applied to the risk assessment. In addition, the failure probability for the entire system under ordinary conditions and under earthquake conditions were analyzed. As a result, it was found that the highest coefficient of variation in the random variable for the risk assessment of the DCM improved ground is the design strength, but this does not have a great influence on the safety factor, ie, the risk of the system. The main risk factor for the failure probability of the system for the DCM reinforced soils was evaluated as horizontal sliding in case of external stability and compression failure in case of internal stability both at ordinary condition and earthquake condition. In addition, the failure probability for ordinary horizontal sliding is higher than that for earthquake failure, and the failure probability for ordinary compression failure is lower than that for earthquake failure. The ordinary failure probability of the entire system is similar to the failure probability on earthquake condition, but in this case, the risk of earthquake is somewhat higher.

주제어

표/그림 (16)

그림 Fig. 1. Risk factors of DCM reinforce system
표 Table 1. Analysis method of system reliability
그림 Fig. 2. Probabilistic risk assessment of DCM system
그림 Fig. 3. Cross section of DCM system
표 Table 2. Target reliability index and probability of failure
표 Table 3. Stability evaluation method
표 Table 4. Random variables for DCM system
그림 Fig. 4. COV of DCM pile
그림 Fig. 5. External stability of DCM system on ordinary condition
그림 Fig. 6. Internal stability of DCM system on ordinary condition
그림 Fig. 7. Probability distribution of DCM system on ordinary condition
표 Table 5. Probabilistic risk assessment result of DCM overall system on ordinary condition
그림 Fig. 8. External stability of DCM system on earthquake condition
그림 Fig. 9. Internal stability of DCM system on earthquake condition
그림 Fig. 10. Probability distribution of DCM system on earthquake condition
표 Table 6. Probabilistic risk assessment result of DCM overall system on earthquake condition

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 중력식 항만 구조물 하부 지반 보강을 위해 DCM공법을 적용하였을 때, DCM 개량 지반의 파괴 또는 위험도에 영향을 미치는 확률변수를 선정하고, 선정된 확률변수의 불확실성에 따른 상시와 지진시 조건에서의 안정성 평가 항목별 연구 대상 구조물의 파괴확률과 위험도를 평가하고 분석하고자 하였다.

제안 방법

본 연구에서는 중력식 케이슨과 하부 연약지반을 DCM공법으로 보강한 지반에 대하여 확률 통계기법을 바탕으로 파괴확률과 위험도를 평가하였다. DCM 개량 지반의 파괴확률과 위험도에 영향을 미치는 인자로 개량체의 설계기준강도, 시공중첩, 원지반의 강도 및 내부마찰각, 개량지반의 단위중량을 선정하고 관련 통계치를 결정하여 적용하였다. 입력 확률변수의 변동성이 고려된 상시 조건과 지진시 조건에 대하여 전체 시스템의 파괴확률을 평가 및 분석하였고, 위험도를 제시하였다.
5∼6에 제시하였다. 그림으로부터 각 확률변수별 안전율과 안전율에 대한 기여 정도를 평가하였고, 위험요소별 안전율의 변동성 즉, 위험도의 변화 특성을 제시하였다.
본 연구 대상과 같은 항만 구조물의 위험도 평가에서는 세부 신뢰성 해석을 시스템 개념으로 해석한다. 또한, 각 세부 해석항목이 시스템 전체에 미치는 영향을 분석하여 전체 시스템의 파괴확률을 산정하고 신뢰성 또는 위험도를 평가한다. 일반적으로 적용 가능한 시스템의 신뢰도 분석 방법으로는 Table 1과 같이 직렬, 병렬, 복합 시스템이 있다.
0m)과 장주가 중첩되어 형성된 격자식의 혼합된 형태이다. 본 단면에 대하여 위험요소별 파괴확률과 위험도 평가를 실시하였고, 그 결과를 분석하였다.
본 연구 대상과 같은 항만 구조물의 위험도 평가에서는 세부 신뢰성 해석을 시스템 개념으로 해석한다. 또한, 각 세부 해석항목이 시스템 전체에 미치는 영향을 분석하여 전체 시스템의 파괴확률을 산정하고 신뢰성 또는 위험도를 평가한다.
지반 특성에 관한 통계치는 기존 문헌(Kim, 2004)이나 직접 실험을 통해서 결정할 수 있다. 본 연구에서는 실험 결과를 분석하여 적용하였고, Table 4에는 본 연구에서 적용한 확률변수와 적용 통계치를 제시하였다. 관련 근거는 지면 관계상 참고문헌으로 대체하였다(Hyundai, 2013).
본 연구에서는 중력식 케이슨과 하부 연약지반을 DCM공법으로 보강한 지반에 대하여 확률 통계기법을 바탕으로 파괴확률과 위험도를 평가하였다. DCM 개량 지반의 파괴확률과 위험도에 영향을 미치는 인자로 개량체의 설계기준강도, 시공중첩, 원지반의 강도 및 내부마찰각, 개량지반의 단위중량을 선정하고 관련 통계치를 결정하여 적용하였다.
위험요소에 대한 확률변수로 DCM 개량체의 설계기준강도(일축압축강도), 시공시의 중첩폭, 개량전 지반 특성 및 개량 후 지반 특성 등을 선정하여 적용하였다(Hyundai, 2013). 확률론적 위험도 평가를 위해 필요한 표준편차는 평균(Mean, m)과 변동계수(Coefficient Of Variation, 이하 COV)로부터 계산하여 사용하였다.
DCM 개량 지반의 파괴확률과 위험도에 영향을 미치는 인자로 개량체의 설계기준강도, 시공중첩, 원지반의 강도 및 내부마찰각, 개량지반의 단위중량을 선정하고 관련 통계치를 결정하여 적용하였다. 입력 확률변수의 변동성이 고려된 상시 조건과 지진시 조건에 대하여 전체 시스템의 파괴확률을 평가 및 분석하였고, 위험도를 제시하였다. 본 연구를 통해 아래와 같은 결론을 도출하였다.

대상 데이터

본 연구에서 적용한 항만 구조물은 인천 OO지역에 적용된 실제 설계 및 시공단면이다(Fig. 3). 상부 중력식 케이슨 구조물의 하부에 DCM 지반 보강이 적용되었다.
4(a)), 해당 설계법을 위한 저항계수를 제시한 바 있다. 본 연구에서는 현장에서 채취된 코어 시료에 대한 일축압축시험 결과를 분석하여 COV=0.329를 확인하였다(총 일축압축강도실험은 총16공의 개량체에서 채취한 직경 5cm, 높이 10cm의 35개 공시체에 대하여 수행되었음). 이에 본 연구에서는 국내 DCM 개량체의 대표성을 고려하여 Park(2012)의 결과와 본 연구의 실험값(0.

데이터처리

위험요소에 대한 확률변수로 DCM 개량체의 설계기준강도(일축압축강도), 시공시의 중첩폭, 개량전 지반 특성 및 개량 후 지반 특성 등을 선정하여 적용하였다(Hyundai, 2013). 확률론적 위험도 평가를 위해 필요한 표준편차는 평균(Mean, m)과 변동계수(Coefficient Of Variation, 이하 COV)로부터 계산하여 사용하였다. 지반 특성에 관한 통계치는 기존 문헌(Kim, 2004)이나 직접 실험을 통해서 결정할 수 있다.

이론/모형

각 위험요소별 안정성 평가 방법을 제시하면 Table 3과 같다. 각 방법별 기본 개념과 식은 기존 설계방법과 동일하므로 상세한 방법은 MOF(2015), Kitazume and Terashi (2013)를 참조할 수 있다. 다만, 기존 방법과의 차이는 각 지반정수를 하나의 값이 아닌 변량(Variables)으로 적용하며, 수회의 추가 계산이 필요하다는 것이다.
이에 비해 Taylor 시리즈(Wolff, l994)는 사용하기 편리하고 정확도도 비교적 우수한 것으로 알려져 있다. 본 연구에서는 아래와 같이 Wolff(1994)의 방법을 적용하였다.
8에 제시하였다. 지진 관련 설계 방법은 인천 지역 지역계수를 이용한 일반적인 내진 설계 방법을 적용하였고, 설계 방법은 여러 사례를 참조할 수 있으므로 본 논문에서는 생략하였다(MOF, 2015).

성능/효과

(1) DCM 개량지반의 확률변수 중, DCM 개량체에 대한 일축압축강도의 변동계수(COV)는 국외의 경우 0.15∼ 0.75 범위까지 나타났다.
(2) 확률변수에서 변동계수가 가장 큰 것은 개량체의 설계기준강도이나 안전율의 변동성 즉, 시스템의 위험도에는 큰 영향을 미치지 않는 것으로 나타났다.
(3) DCM 개량지반 시스템의 파괴확률 영향인자, 즉 주된 위험요소는 상시 및 지진시 모두 외적안정의 경우 수평활동, 내적안정의 경우 압축파괴인 것으로 평가되었다. 따라서, 설계시 수평활동과 압축파괴에 대한 안정성을 보수적인 측면에서 고려할 필요가 있을 것으로 판단된다.
(4) 상시 조건과 지진시 조건에 대한 파괴확률로부터 위험도를 평가한 결과, 수평활동에 대한 상시 파괴확률이 지진시 파괴확률보다 높아 상시 조건에서의 위험도가 높은 것으로 나타났다. 그러나, 압축파괴에 대한 상시 파괴확률이 지진시 파괴확률보다 낮아 해당 위험요소에 대해서는 위험도가 낮은 것으로 나타났다.
(5) 안전율을 활용하는 기존 설계법의 경우 상시 및 지진시 조건에 대해서 외적안정성이 내적안정성보다 낮은 것으로 평가되었지만, 확률론적 위험도 평가법의 경우, 내적안정의 파괴확률과 위험도가 더 높은 것으로 나타났다.
Table 5에서는 DCM 개량지반 전체가 하나의 직렬 시스템으로 연결된 경우, 확률론적 설계 기법을 이용한 위험도를 파괴확률로부터 평가하였다. DCM 개량 지반 전체 시스템의 파괴확률은 2.573✕10^-03, 신뢰도 지수는 2.798, 안정성은 99.97%로 나타났다. 특히, 전도, 지지력, 원호활동, 압출에 의한 위험성은 매우 작은 것으로 나타났다.
Table 6은 전체 시스템의 지진시 위험도를 제시한 것이다. Table 6에 제시한 바와 같이 DCM 개량 지반 전체 시스템의 파괴확률은 4.695✕10^-03, 신뢰도 지수는 2.598, 안정성은 99.53%로 평가되었다. 따라서, 관련 기준(표 2 참조)을 고려하면 신뢰도 지수 2.
75 범위까지 나타났다. 국내 DCM 개량체의 압축강도에 대한 변동계수는 기존 사례와 본 연구에서의 측정 결과를 고려할 때, COV=0.350 정도로 조사되었다.
(4) 상시 조건과 지진시 조건에 대한 파괴확률로부터 위험도를 평가한 결과, 수평활동에 대한 상시 파괴확률이 지진시 파괴확률보다 높아 상시 조건에서의 위험도가 높은 것으로 나타났다. 그러나, 압축파괴에 대한 상시 파괴확률이 지진시 파괴확률보다 낮아 해당 위험요소에 대해서는 위험도가 낮은 것으로 나타났다. 전체 시스템의 상시 파괴확률과 지진시 파괴확률은 유사하지만, 지진시 위험도가 다소 높은 것으로 평가되었다.
내적안정(Fig. 9)에 대한 위험요소별 결과를 살펴보면, 압축파괴의 경우 평균 안전율 2.952, 장벽전단의 경우 평균 안전율은 4.333, 단벽전단의 경우 평균 안전율 3.114, 압출의 경우 평균 안전율 24.295로 나타났다. 본 결과로부터 대상 단면의 경우 지진시 안전율이 작은 DCM 개량체의 압축파괴에 대한 파괴 위험도가 가장 높은 것으로 평가되었다.
따라서, 관련 기준(표 2 참조)을 고려하면 신뢰도 지수 2.598>2.40, 목표파괴확률 4.695✕10-03<8.20✕10-03이므로 지진시 목표신뢰도 지수를 만족하는 것으로 검토되었다.
따라서, 관련 허용 기준(Table 2 참조)을 고려할 경우 신뢰도 지수 2.798>2.70, 목표파괴확률 2.573✕10-03<3.47✕10-03이므로 상시 조건에 대한 목표신뢰도 지수를 만족하는 것으로 검토되었다.
그러나, 확률론적으로 살펴보면, 내적안정의 파괴확률이 더 높다. 따라서, 본 사례의 경우 내적안정의 위험도가 더 높다는 것으로 결론 내릴 수 있다.
본 결과로부터 연구 대상 단면의 경우 압출에 대한 위험발생가능성은 거의 없음을 알수 있다. 또한, 안전율이 작은 압축파괴, 단벽전단에 대한 파괴 위험도가 높은 것으로 예상되고, 본 2가지 항목중 COV를 고려하면 COV가 가장 큰 압축파괴에 의한 위험도가 가장 높을 것으로 판단된다.
본 결과로부터 연구 대상 단면의 경우 안전율이 작은 수평활동, 지지력, 원호활동에 대한 파괴 위험도가 높은 것으로 예상된다. 본 3가지 항목중 COV를 고려하면 COV가 가장 큰 수평활동의 위험도가 가장 높을 것으로 예상된다. 이에 대한 정량적 평가는 이후 제시되는 파괴확률로 결정할 수 있다.
295로 나타났다. 본 결과로부터 대상 단면의 경우 지진시 안전율이 작은 DCM 개량체의 압축파괴에 대한 파괴 위험도가 가장 높은 것으로 평가되었다.
736으로 나타났다. 본 결과로부터 연구 대상 단면의 경우 안전율이 작은 수평활동, 지지력, 원호활동에 대한 파괴 위험도가 높은 것으로 예상된다. 본 3가지 항목중 COV를 고려하면 COV가 가장 큰 수평활동의 위험도가 가장 높을 것으로 예상된다.
018로 나타났다. 본 결과로부터 연구 대상 단면의 경우 압출에 대한 위험발생가능성은 거의 없음을 알수 있다. 또한, 안전율이 작은 압축파괴, 단벽전단에 대한 파괴 위험도가 높은 것으로 예상되고, 본 2가지 항목중 COV를 고려하면 COV가 가장 큰 압축파괴에 의한 위험도가 가장 높을 것으로 판단된다.
상시 조건과 지진시 조건에 대한 위험도의 경우, 외적안정성의 핵심 위험요소인 수평활동에 대한 상시 파괴확률, 2.002✕10^-05과 지진시 3.338✕10^-20을 비교하면 상시 조건에서의 위험도가 높은 것으로 나타났다. 그러나, 내적안정성의 핵심 위험요소인 압축파괴의 경우 상시 파괴확률, 1.
10에는 확률변수의 변동성이 모두 고려된 시스템의 파괴확률을 제시한 것이다. 상시와 동일하게 외적안정의 경우 수평활동, 내적안정의 경우 압축파괴에 대한 파괴확률이 가장 높은 것으로 나타났다.
20✕10^-03이므로 지진시 목표신뢰도 지수를 만족하는 것으로 검토되었다. 상시와 동일하게 지진시에도 기존 설계법과는 반대로 내적안정에 의한 파괴 위험도가 높은 것으로 나타났다.
외적안정(Fig. 8)에 대한 위험요소별 결과를 살펴보면, 수평활동의 경우 평균 안전율 1.152, 전도의 경우 평균 안전율은 3.000, 지지력 파괴의 경우 평균 안전율 1.685, 원호활동의 경우 평균 안전율 1.327로 나타났다. 상시와 달리 지진 발생시 대상 단면의 경우 수평활동만이 작은 안전율을 보여 파괴 위험도가 가장 높은 것으로 예상된다.
7에는 입력 확률변수의 변동성이 모두 고려된 위험요소별 파괴확률(P(r)f)을 제시하였다. 외적안정의 경우 수평활동, 내적안정의 경우 압축파괴에 대한 파괴확률이 가장 높은 것으로 나타났다. 또한, 전도로 인한 위험성은 거의 없는 것으로 나타났다.
382✕10^-03이 파괴에 대한 위험도가 높은 것으로 나타났다. 이상과 같은 결과가 조합되어 본 연구 대상 시스템의 상시 파괴확률은 2.573✕10^-03, 지진시는 4.695✕10^-03로 지진시 위험도가 더 높은 것으로 평가되었다.
이상의 결과로부터 본 연구에서의 DCM 보강지반 전체 시스템의 위험요소 중 지진시 수평활동과 압축파괴가 가장 위험한 요소이며, 해당 항목에 대한 위험도가 가장 높은 것으로 나타났다.
이상의 결과로부터 본 연구에서의 DCM 보강지반에 대한 시스템의 위험요소 중 수평활동과 압축파괴가 가장 핵심 요소이며, 해당 항목에 대한 위험도가 가장 높은 것으로 평가되었다.
그러나, 압축파괴에 대한 상시 파괴확률이 지진시 파괴확률보다 낮아 해당 위험요소에 대해서는 위험도가 낮은 것으로 나타났다. 전체 시스템의 상시 파괴확률과 지진시 파괴확률은 유사하지만, 지진시 위험도가 다소 높은 것으로 평가되었다.
97%로 나타났다. 특히, 전도, 지지력, 원호활동, 압출에 의한 위험성은 매우 작은 것으로 나타났다. 따라서, 관련 허용 기준(Table 2 참조)을 고려할 경우 신뢰도 지수 2.

후속연구

(5) 안전율을 활용하는 기존 설계법의 경우 상시 및 지진시 조건에 대해서 외적안정성이 내적안정성보다 낮은 것으로 평가되었지만, 확률론적 위험도 평가법의 경우, 내적안정의 파괴확률과 위험도가 더 높은 것으로 나타났다. 다만, 본 결론은 본 사례에 대하여 국한된 것으로 향후 다양한 조건 및 구조물 설계 사례를 통한 추가 연구가 필요한 것으로 판단된다.
(3) DCM 개량지반 시스템의 파괴확률 영향인자, 즉 주된 위험요소는 상시 및 지진시 모두 외적안정의 경우 수평활동, 내적안정의 경우 압축파괴인 것으로 평가되었다. 따라서, 설계시 수평활동과 압축파괴에 대한 안정성을 보수적인 측면에서 고려할 필요가 있을 것으로 판단된다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	위험도 평가는 어떤 것들을 통합적으로 지칭하는가?	위험도 평가(Risk Assessment)는 건설공사에 내재되어 있는 위험요소의 분류 및 파괴경로 규명, 위험요소들 간의 인과 관계 분석, 위험요소들의 발생확률, 경제적 손실비용의 산정 등을 수행하여 각각의 위험요소들의 발생경로와 발생확률, 그리고 경제적 손실 등을 체계적이고 합리적인 방법으로 분석하는 과정으로 위험도 분석(Risk Analysis) 및 위험도 관리(Risk Management)를 통합적으로 지칭한다.
	기존 허용응력 설계법의 단점은?	항만 개발이 활성화되고, 천연 모래 수급이 불안정한 상황에서 국내 연약지반 상 시공되는 구조물의 하부 지반보강을 위해 DCM공법이 주로 적용되고 있다. DCM공법에 대해 적용되고 있는 기존 허용응력 설계법의 경우 안전율(FS)로 위험도를 간접적으로 평가하지만, 원호활동에 관한 안정성에서 안전율이 1.5일 때와 3.0일 때 후자가 전자에 비해 정확히 2.0배 안정하다고 할 수 없다(Kim et al., 2008).

참고문헌 (12)

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상세보기
Hyundai E&C (2013), Probabilistic Stability Evaluation for DCM improved ground on Incheon International Port and Harbor Structures.
Kim, B. J. (2004), "Assessment of Partial Safety Factors for Limit States Design of Foundations", Journal of The Korean Geotechnical Society, Vol.20, No.9, pp.77-89.
Kim, C. D., Kim, B. I., Kim, S. I. and Lee, J. H. (2008), "Reliability-Based Design of Shallow Foundations Considering The Probability Distribution Types of Random Variables", Journal of The Korean Geotechnical Society, Vol.24, No.1, pp.1-12.
Kitazume, M. and Terashi, M. (2013), The Deep Mixing Method, CRC Press.
K-water (2009), National Technical Strategy Plan for Performance Improvement and Safety Management of Water Structures.
Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs, MOLIT (2011), Reliability-based Design Method for Quay Wall (Final draft).
Ministry of Oceans and Fisheries, MOF (2015), Port and Harbor Design Code.
Park, J. M. (2012), "Analysis of LRFD resistance factors for internal stability of deep mixing improved ground", Dongguk University Ph.D Thesis.
Phoon, K., Kulhawy, F. and Grigoriu, M. (1995), "Reliability-Based Design of Foundations for Transmission Line Structures", Electrical Power Research Institute (EPRI), Report TR-105000.
Whitman, R. V. (1984), "Evaluating calculated risk in geotechnical engineering", Journal of Geotechnical Engineering, ASCE, 110(2), pp.145-188.
Wolff, T. F. (1994). "Evaluating the Reliability of Existing Levees", prepared for U.S. Army Engineer Waterways Experiment Station, Geotechnical Laboratory, Vicksburg.

저자의 다른 논문 :

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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