[논문]수위와 지진을 고려한 제방의 액상화에 대한 복합재해 취약도 곡면 작성

황지민; 조성은

doi:10.7843/kgs.2018.34.6.25

수위와 지진을 고려한 제방의 액상화에 대한 복합재해 취약도 곡면 작성
Development of Multi-hazard Fragility Surface for Liquefaction of Levee Considering Earthquake Magnitude and Water Level 원문보기

韓國地盤工學會論文集 = Journal of the Korean geotechnical society, v.34 no.6, 2018년, pp.25 - 36

황지민 (한경대학교 토목안전환경공학과) , 조성은 (한경대학교 토목안전환경공학과)

초록
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지반의 액상화는 지진 피해의 대표적인 형태 중 하나이다. 이는 막대한 인적 경제적 피해를 줄 수 있는 현상으로, 지반구조물의 설계 전 필수적으로 검토해야 하는 대상이다. 본 연구에서는 하천 제방을 대상으로 임의의 지진 규모와 수위에서 액상화에 대한 실용적인 복합재해 취약도 곡면 작성법을 제시하였다. 지반의 파괴 정도를 나타내는 액상화 가능 지수(LPI)로 제방의 액상화에 대한 한계상태를 정의하였다. 지반 물성치의 불확실성을 고려하기 위해 Monte Carlo Simulation 기반의 확률론적 해석을 수행하였고, 해석 결과를 바탕으로 임의 수준의 수위와 지진 규모에 대하여 액상화에 의한 파괴확률을 나타내는 3차원의 취약도 곡면을 작성하였다. 작성된 복합재해 취약도 곡면은 홍수 및 지진에 대한 제방의 안전성 평가와 취약지역에 대한 위험도 평가에 사용될 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

Soil liquefaction is one of the types of major seismic damage. Soil liquefaction is a phenomenon that can cause enormous human and economic damages, and it must be examined before designing geotechnical structures. In this study, we proposed a practical method of developing a multi-hazard fragility surface for liquefaction of levee considering earthquake magnitude and water level. Limit state for liquefaction of levee was defined by liquefaction potential index (LPI), which is frequently used to assess the liquefaction susceptibility of soils. In order to consider the uncertainty of soil properties, Monte Carlo Simulation based probabilistic analysis was performed. Based on the analysis results, a 3D fragility surface representing the probability of failure by soil liquefaction as a function of the ground motion and water level has been established. The prepared multi-hazard fragility surface can be used to evaluate the safety of levees against liquefaction and to assess the risk in earthquake and flood prone areas.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

액상화 가능성에 대한 확률론적 연구의 대부분은 부지 전체가 아닌 흙 요소에 대한 액상화 발생의 확률을 구한 것으로, 실제 지반의 거동, 즉 액상화로 인한 피해를 표현할 수 없다. 본 연구에서는 제방을 대상으로, 액상화에 의한 지반의 피해 정도를 나타낼 수 있는 액상화 가능 지수(Liquefaction Potential Index, LPI)를 도입하여 제방의 액상화에 대한 한계상태를 표현하였다. 이로부터 지반정수의 불확실성을 고려하기 위한 Monte Carlo Simulation(MCS) 기반의 확률론적 해석을 수행하였다.
본 연구에서는 제방의 지진에 대한 안전성 평가에 홍수에 의한 수위의 영향을 고려하는 3차원의 취약도 곡면을 작성하는 절차를 제시하였다. 국내의 설계기준 및 내진성능 평가 요령 등에서 제안하는 수정 Seed and Idriss 방법을 사용하여 흙의 액상화 발생에 대한 안전율을 구하였다.
본 연구에서는 지진에 대한 제방의 안전성 평가에 홍수에 의한 수위의 영향을 고려하고자 수위 축을 추가하여 3차원의 취약도 곡면을 작성하였다. Fig.

가설 설정

(2001)이 추천하는 수정법을 따라 N_(1)60cs로 수정하였다. 엄밀한 해석을 위해서는 수위에 따라 제체에 형성되는 침윤선에 따라 지하수위를 설정하여야 하나, 실용적인 목적에서 수위를 보수적으로 수평인 상태로 가정하여 해석을 수행하였다.

제안 방법

(1) 지진에 대한 제방의 액성화 안전성 평가에 홍수에 의한 수위의 영향을 고려하기 위해 일반적인 액상화 취약도 곡선에 수위 축을 추가한 3차원의 취약도 곡면을 작성하였다. 이를 통해 평상시 하천 제방의 지진에 대한 안정성 평가와 더불어 홍수기에 지진이 발생하는 복합재해에 대해서도 신속하고 실용적으로 안전도 및 위험도 평가를 수행할 수 있다.
5는 해석에 사용된 입력 지진파를 나타낸다. 국내 내진설계 기준에서 규정하는 표준스펙트럼을 이용하여 만든 인공지진파, 주파수 성분의 특성이 각각 단주기와 장주기로 분명한 Ofunato 지진파와 Hachinohe 지진파를 내진 1등급 붕괴방지 수준인 0.154g로 스케일링하여 지반응답해석을 수행하였다.
본 연구에서는 제방의 지진에 대한 안전성 평가에 홍수에 의한 수위의 영향을 고려하는 3차원의 취약도 곡면을 작성하는 절차를 제시하였다. 국내의 설계기준 및 내진성능 평가 요령 등에서 제안하는 수정 Seed and Idriss 방법을 사용하여 흙의 액상화 발생에 대한 안전율을 구하였다. 효율적인 확률론적 해석을 수행할 수 있도록 액상화로 인한 지반의 손상 정도를 나타내는 액상화 가능지수(LPI)를 도입하여 한계상태를 정의하였다.
, 1995). 따라서 본 연구에서는 자연적 변동성에 초점을 두어 SPT N치와 흙의 단위중량, 세립분 함유량을 확률변수로 고려한 확률론적 해석을 수행하였다.
따라서 재해 시 신속한 안전성 평가를 위해서는 유한요소해석과 같은 정밀해석보다는 실용적이고 신속한 평가 도구가 필요할 수 있다. 본 연구에서는 지진에 대한 하천 제방의 액상화 취약도 평가에서 홍수에 의한 수위를 고려하여 3차원의 취약도 곡면(Fragility surface)을 작성하였다. 이를 통해 평시 수위에 지진이 발생하였을 때 하천 제방의 안전성 평가는 물론 홍수기에 지진이 발생하는 복합재난에 대해서도 빠르게 취약도를 평가할 수 있는 모델을 제시하였다.
이를 이용하여 특정 조건에 대하여 구조물의 손상정도를 확률적으로 예측 할 수 있다(Park and Cho, 2017). 본 연구에서는 최대 우도 추정법(maximum likelihood estimation method)을 이용하여 취약도 곡선을 대수정규분포(log-normal distribution)를 갖는 누적확률분포함수로 표현하였다. Fig.
CSR을 구할 때 사용되는 확률변수는 SPT N치와 단위중량이며, CRR을 구하는 식에서는 SPT N치와 단위중량, 세립분 함유량이 확률변수로 고려되었다. 심도별 안전율을 구한 뒤 LPI를 계산하여 한계상태에 따른 파괴확률을 산정하였다.
효율적인 확률론적 해석을 수행할 수 있도록 액상화로 인한 지반의 손상 정도를 나타내는 액상화 가능지수(LPI)를 도입하여 한계상태를 정의하였다. 액상화 가능성 평가에 지반 정수의 자연적 변동성을 고려하기 위해 MCS 기반의 확률론적 해석을 수행하였으며 확률변수는 SPT N치와 단위중량, 세립분 함유량을 고려하였다. 국내 제방에 대한 적용을 통하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
본 연구에서는 제방을 대상으로, 액상화에 의한 지반의 피해 정도를 나타낼 수 있는 액상화 가능 지수(Liquefaction Potential Index, LPI)를 도입하여 제방의 액상화에 대한 한계상태를 표현하였다. 이로부터 지반정수의 불확실성을 고려하기 위한 Monte Carlo Simulation(MCS) 기반의 확률론적 해석을 수행하였다.
(2014)은 2011년 도호쿠 지방 태평양 해역 지진으로 인해 액상화 파괴가 발생한 제방을 대상으로, 보링 조사가 된 지점의 액상화 가능 지수를 계산하였다. 이를 랜덤 필드로 모델하여 한계상태에 따른 파괴확률을 산출하였고, 실제 현상과 비교하여 적합성을 검증하였다.
제안된 해석기법의 적용을 위하여 예제 해석을 수행하였다. 해석 대상인 낙동강 유역의 ○○제의 단면 및 시추 주상도는 Fig.
1은 제방의 액상화에 대한 한계상태 함수를 계산하기 위하여 본 연구에서 제안된 해석절차의 흐름도이다. 확률변수로 SPT N치와 단위중량, 세립분 함유량을 고려하였으며, 정규화 전단계수와 감쇠비의 전단병형률에 따른 비선형적 변화 곡선과 설계지반가속도 수준을 설정하여 지반을 모델링 한 뒤, 지반응답해석을 수행하였다. CSR을 구할 때 사용되는 확률변수는 SPT N치와 단위중량이며, CRR을 구하는 식에서는 SPT N치와 단위중량, 세립분 함유량이 확률변수로 고려되었다.
국내의 설계기준 및 내진성능 평가 요령 등에서 제안하는 수정 Seed and Idriss 방법을 사용하여 흙의 액상화 발생에 대한 안전율을 구하였다. 효율적인 확률론적 해석을 수행할 수 있도록 액상화로 인한 지반의 손상 정도를 나타내는 액상화 가능지수(LPI)를 도입하여 한계상태를 정의하였다. 액상화 가능성 평가에 지반 정수의 자연적 변동성을 고려하기 위해 MCS 기반의 확률론적 해석을 수행하였으며 확률변수는 SPT N치와 단위중량, 세립분 함유량을 고려하였다.

데이터처리

본 연구에서는 효율적인 샘플링을 위해 Latin hypercube 샘플링 기법을 사용하였다. 샘플링 된 확률변수들을 이용하여 Shake91에 의한 지반 응답해석을 수행하고 그 결과로부터 제방의 안전율 및 LPI를 계산하도록 MCS 수행을 위한 Matlab 코드를 작성하였다.

이론/모형

국내에서는 응력 감소계수를 사용하지 않고 Kim et al.(2000)이 제안한 수정 평가법에 따라 a_max에 지반응답해석을 통해 얻은 해당 심도의 최대가속도 값을 사용한다.
따라서 보다 적은 수의 샘플링으로 확률분포의 넓은 영역을 망라할 수 있는 효율적인 샘플링 기법이다. 본 연구에서는 효율적인 샘플링을 위해 Latin hypercube 샘플링 기법을 사용하였다. 샘플링 된 확률변수들을 이용하여 Shake91에 의한 지반 응답해석을 수행하고 그 결과로부터 제방의 안전율 및 LPI를 계산하도록 MCS 수행을 위한 Matlab 코드를 작성하였다.
CSR을 구하는데 필요한 지반응답해석을 수행하기 위해서는 흙의 변형률 증가에 따른 정규화 전단계수 및 감쇠비에 관한 곡선과 단위중량(r), 전단파 속도 주상도가 필요하다. 정규화 전단계수 및 감쇠비 곡선은 제체상부와 심도 11m에서 수행한 공진주 시험 결과(Top layer, ML-layer) 및 문헌(Clay-layer)을 참고하여 Fig. 4와 같이 적용하였다(Idriss and Sun, 1992). 전단파 속도는 N치를 이용하여 식 (12)로 변환하여 Fig.
, 2013). 지반응답해석은 가장 많이 사용되어지는 프로그램 중 하나인 Shake91을 사용하였다.

성능/효과

(2) 특정 PGA에 대하여 전체 및 각 지진파별로 LPI의 분포를 나타낸 확률밀도함수와과 누적확률분포곡선으로부터 평균과 표준편차만으로는 LPI의 분포를 파악하기 어려운 것을 알 수 있으며, 입력 지진동이 커짐에 따라 액상화 가능성이 크게 높아져 LPI의 분포가 우측으로 이동하는 모습을 볼 수 있다.
(3) 최대 지반가속도를 바꿔가며 MCS를 수행하면 지진에 대한 제방의 액상화 취약도 곡선을 그릴 수 있다. 이때 최대 우도 추정법(maximum likelihood estimation method)을 이용하여 취약도 곡선을 대수정규분포(log-normal distribution)를 갖는 누적확률분포함수로 표현하면 취약도 곡선을 효율적으로 작성할 수 있다.
(2017)은 국내 제방을 대상으로 액상화 가능 지수를 산정한 후, 그 결과를 2차원 동적 유효응력해석을 수행하여 산정한 제방 정상부 변위와의 연관성을 검토하였다. 그 결과 액상화 가능 지수를 이용한 국내 하천제방의 지진 취약도를 평가하는 방법이 적용성이 있음을 확인하였다. 또한, Otake et al.
7은 계획홍수위에서 각 지진파별 5,000회씩, 총 15,000회의 MCS를 수행한 결과로 액상화 가능 지수의 평균과 표준편차의 수렴과정을 보여준다. 단주기 성분의 특성이 강한 Ofunato 지진파의 해석 결과 파괴확률은 0.0212이고 장주기 성분이 강한 Hachinohe 지진파의 해석 결과는 0.0052로 가장 작았다. 인공지진파 해석 결과는 0.
지반응답해석 결과인 최대가속도는 대체적으로 비슷한 경향을 보이나 심도 6m까지 Ofunato 지진파의 최대 가속도가 가장 낮고, Hachinohe 지진파의 최대 가속도가 가장 큼을 알 수 있다. 이는 안전율에도 영향을 주어 Ofunato 지진파 해석 결과의 안전율이 가장 크고, Hachinohe 지진파의 해석 결과 안전율이 가장 작게 산정되었다. 심도 7m 부터는 지진파별 최대 가속도의 차이가 크지 않기 때문에 산정된 안전율의 차이는 미미하다.
본 연구에서는 지진에 대한 하천 제방의 액상화 취약도 평가에서 홍수에 의한 수위를 고려하여 3차원의 취약도 곡면(Fragility surface)을 작성하였다. 이를 통해 평시 수위에 지진이 발생하였을 때 하천 제방의 안전성 평가는 물론 홍수기에 지진이 발생하는 복합재난에 대해서도 빠르게 취약도를 평가할 수 있는 모델을 제시하였다.
0052로 가장 작았다. 인공지진파 해석 결과는 0.0858로 가장 큰 값을 나타내었으며, 전체 파괴확률은 0.0374로 계산되었다. Fig.
6은 각각의 지진파를 이용한 지반응답해석의 결과인 최대 가속도와 그에 따른 CSR, CRR, 액상화에 대한 안전율을 보여준다. 지반응답해석 결과인 최대가속도는 대체적으로 비슷한 경향을 보이나 심도 6m까지 Ofunato 지진파의 최대 가속도가 가장 낮고, Hachinohe 지진파의 최대 가속도가 가장 큼을 알 수 있다. 이는 안전율에도 영향을 주어 Ofunato 지진파 해석 결과의 안전율이 가장 크고, Hachinohe 지진파의 해석 결과 안전율이 가장 작게 산정되었다.

후속연구

본 연구에서는 입력 지진파로 장주기 성분이 강한 Hachinohe 지진파, 단주기 성분이 강한 Ofunato 지진파와 함께 인공지진파를 사용하였으나, 입력 지진파의 불확실성을 고려하기 위해서는 향후 더 다양한 입력 지진파를 사용하여 취약도 곡선을 작성하는 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 한계상태를 액상화 가능 지수 5로 정의하였지만, 향후 실용화 차원에서 한계상태를 다른 값으로 정의하여 동일한 절차를 적용하면 손상상태(Damage state)를 정의할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.
본 연구에서는 입력 지진파로 장주기 성분이 강한 Hachinohe 지진파, 단주기 성분이 강한 Ofunato 지진파와 함께 인공지진파를 사용하였으나, 입력 지진파의 불확실성을 고려하기 위해서는 향후 더 다양한 입력 지진파를 사용하여 취약도 곡선을 작성하는 연구가 필요할 것으로 판단된다. 또한 한계상태를 액상화 가능 지수 5로 정의하였지만, 향후 실용화 차원에서 한계상태를 다른 값으로 정의하여 동일한 절차를 적용하면 손상상태(Damage state)를 정의할 수 있을 것으로 기대할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	액상화 현상이 국내 최초로 발견된 때는 언제인가?	최근 일본과 인접한 동해안 지역에서 크고 작은 지진의 발생 빈도가 증가하면서 국민의 불안감과 경각심이 커지고 있다. 특히 2017년 포항대지진이 발생하였을 때 포항시 일부 농경지에서 액상화 현상이 국내 최초로 발견되어 액상화 현상에 대한 관심이 새롭게 고조되고 있다.
	제방의 액상화에 대한 한계상태를 무엇을 이용해 정의했는가?	본 연구에서는 하천 제방을 대상으로 임의의 지진 규모와 수위에서 액상화에 대한 실용적인 복합재해 취약도 곡면 작성법을 제시하였다. 지반의 파괴 정도를 나타내는 액상화 가능 지수(LPI)로 제방의 액상화에 대한 한계상태를 정의하였다. 지반 물성치의 불확실성을 고려하기 위해 Monte Carlo Simulation 기반의 확률론적 해석을 수행하였고, 해석 결과를 바탕으로 임의 수준의 수위와 지진 규모에 대하여 액상화에 의한 파괴확률을 나타내는 3차원의 취약도 곡면을 작성하였다.
	지반의 액상화는 어떤 특징을 가지는가?	지반의 액상화는 지진 피해의 대표적인 형태 중 하나이다. 이는 막대한 인적 경제적 피해를 줄 수 있는 현상으로, 지반구조물의 설계 전 필수적으로 검토해야 하는 대상이다. 본 연구에서는 하천 제방을 대상으로 임의의 지진 규모와 수위에서 액상화에 대한 실용적인 복합재해 취약도 곡면 작성법을 제시하였다.

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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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