[논문]콘크리트 옹벽의 지진여유도 평가

박두희; 백종민; 박인준; 황경민; 장정범

doi:10.14481/jkges.2019.20.7.5

콘크리트 옹벽의 지진여유도 평가
Seismic Margin Assessment of Concrete Retaining Walls 원문보기

한국지반환경공학회논문집 = Journal of the Korean Geoenvironmental Society, v.20 no.7, 2019년, pp.5 - 10

박두희 (Department of Civil and Environment Engineering, Hanyang University) , 백종민 (Department of Civil and Environment Engineering, Hanyang University) , 박인준 (Department of Civil Engineering, Hanseo University) , 황경민 (Korea Electricity Power Corporation Research Institute) , 장정범 (Korea Electricity Power Corporation Research Institute)

초록
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최근 발생한 경주지진('16.9.12., $M_L=5.8$) 및 포항지진('17.11.15., $M_L=5.4$)에서 국내의 설계지반운동 수준을 초과하는 진동이 관측되었으며 이를 계기로 설계지반운동이 일부 내진설계지침서에서 개정되었다. 설계지반운동이 조정되면 관련된 모든 시설물의 내진성능을 재평가해야 하며 이를 위해서는 막대한 시간과 비용이 소요된다. 본 연구에서는 일차적으로 조정된 설계지반운동기준에 대한 기설된 콘크리트 옹벽의 내진성능 확보 여부를 평가하였으며 이차적으로 콘크리트 옹벽의 지진여유도를 평가하였다. 변전소 주변에 기설된 콘크리트 옹벽 단면과 지반주상도를 사용하였으며 지진에 대한 안전율은 유사정적해석법을 사용하여 계산하였다. 평가에 사용된 모든 옹벽은 조정된 설계지반운동에 대해서 충분한 성능을 확보하고 있는 것으로 나타났다. 나아가 옹벽의 지진여유도를 평가하기 위하여 기준 안전율을 만족하지 못하는 임계가속도를 계산하였다. 임계가속도는 0.36g~0.8g 범위로 설계지반운동을 크게 상회하며 콘크리트 옹벽의 지진여유도는 매우 큰 것으로 분석되었다. 따라서 추후 설계지반운동이 0.3g 이상으로 상향조정되어도 옹벽의 전면적인 재평가는 불필요할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

In recent Gyeongju and Pohang earthquakes, motions that exceed the design ground motion were recorded. This has led to adjustments to the design earthquake intensity in selected design guidelines. An increment in the design intensity requires reevaluation of all associated facilities, requiring extensive time and cost. Firstly, the seismic factor of safety of built concrete retaining walls are calculated. Secondly, the seismic margin of concrete retaining walls is evaluated. The design sections of concrete walls built at power plants and available site investigation reports are utilized. Widely used pseudo-static analysis method is used to evaluate the seismic performance. It is shown that all concrete walls are safe against the adjusted design ground motion. To determine the seismic margin of concrete walls, the critical accelerations, which is defined as the acceleration that causes the seismic factor of safety to exceed the allowable value, are calculated. The critical acceleration is calculated as 0.36g~0.8g. The limit accelerations are significantly higher than the design intensity and are demonstrated to have sufficient seismic margin. Therefore, it is concluded that the concrete retaining walls do not need to be reevaluated even if the design demand is increased up to 0.3g.

주제어

표/그림 (9)

그림 Fig. 1. Schematic of Mononobe-Okabe method (Wagner & Sitar, 2016)
그림 Fig. 2. Section of concrete retaining wall
표 Table 1. Safety factors of concrete retaining wall (MOLIT, 2016)
그림 Fig. 3. Flow chart for evaluation of the seismic performance of concrete walls
표 Table 2. Dimensions of inverted T-type retaining walls (h = height of wall, B = width of wall base, H = height of backfill, D_f = depth of penetration)
그림 Fig. 4. Spectrum matched acceleration time histories and 5% damped response spectra of input ground motions
그림 Fig. 5. Shear wave velocity profiles of wall sites
표 Table 3. Comparison of calculated PGA with KEPRI PGA
표 Table 4. Calculated safety factors and critical accelerations of concrete retaining walls

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 조정된 설계지반운동에 대해서만 기준 안전율 만족여부만을 평가하는 것이 아니라 콘크리트 옹벽의 지진여유도를 분석하였다. 지진여유도는 시설물이 보유하고 있는 잉여 내진성능을 나타내며 콘크리트 옹벽의 지진여유도는 지진 시 기준 안전율을 만족하지 못하는 임계가속도와 설계지반진동의 차이로 정의되었다.
지진여유도는 시설물이 보유하고 있는 잉여 내진성능을 나타내며 콘크리트 옹벽의 지진여유도는 지진 시 기준 안전율을 만족하지 못하는 임계가속도와 설계지반진동의 차이로 정의되었다. 지진여유도는 추후 발생할 가능성이 있는 설계지반운동의 조정에 따른 시설물의 소모적이며 반복적인 재평가를 회피하기 위하여 산정하였다.

제안 방법

지층별 비선형 곡선으로는 Darendeli(2001)의 곡선을 사용하였다. 각 옹벽 부지의 표준관입시험(SPT) N치 주상도를 사용하여 전단파속도와 기타 지반정수를 산정하였다. 전단파 속도는 KEPRI(2017)에 따라 Sun et al.
나아가 옹벽의 잉여 내진성능 수준을 의미하는 지진여유도를 평가하기 위하여 안전율이 허용 수준으로 감소하는 최대지반가속도를 계산하였으며 이를 임계가속도로 명하였다. 임계가속도는 Table 4에 정리하였다.
나아가 옹벽의 지진여유도를 평가하기 위하여 임계가속도를 계산하였다. 임계가속도는 0.
본 연구에서는 경주 및 포항 지진 이후 설계지반운동이 조정된 내진설계지침(KEPRI, 2017)을 기준으로 한국전력공사에서 관리 중인 변전소 주변 12개의 역 T형과 L형 콘크리트 옹벽의 내진성능평가를 수행하였다. 이를 위해 최소지반운동수준이 PGA = 0.
본 연구에서는 내진1등급 시설로 분류되는 콘크리트 옹벽에 실무지침서 개정본(KEPRI, 2017)에 의거하여 0.22g 이상의 최대지반가속도를 적용하여 내진성능 평가를 수행하였다. 이를 위하여 변전소 주변의 12개 옹벽 단면과 지반주상도를 확보하여 해석에 사용하였으며, 1차원 부지응답해석을 수행하여 지진하중을 계산하였고, 유사정적해석을 수행하여 안정성을 평가하였다.
본 연구에서는 한국전력공사에서 관리 중인 총 9곳의 변전소 주변의 역T형 옹벽 10개소, L자형 옹벽 2개소에 대한 내진성능평가를 수행하였다. 콘크리트 옹벽의 대표 단면도는 Fig.
22g 이상의 최대지반가속도를 적용하여 내진성능 평가를 수행하였다. 이를 위하여 변전소 주변의 12개 옹벽 단면과 지반주상도를 확보하여 해석에 사용하였으며, 1차원 부지응답해석을 수행하여 지진하중을 계산하였고, 유사정적해석을 수행하여 안정성을 평가하였다.
본 연구에서는 경주 및 포항 지진 이후 설계지반운동이 조정된 내진설계지침(KEPRI, 2017)을 기준으로 한국전력공사에서 관리 중인 변전소 주변 12개의 역 T형과 L형 콘크리트 옹벽의 내진성능평가를 수행하였다. 이를 위해 최소지반운동수준이 PGA = 0.22g로 조정된 내진설계지침에 대한 기설된 옹벽의 내진성능 만족 여부를 검토하였다. 최소운동수준의 크기 수준을 평가하기 위하여 전력구 부지의 지반주상도를 사용하여 1차원 부지응답해석을 수행하여 계산된 결과를 비교하였다.
부지응답해석에는 3개의 계측 지진파가 사용되었다. 지반운동의 최대지반가속도(PGA)는 S1 지반 평균재현주기 1000년 지진에 부합하는 0.154g로 조정하였으며 설계스펙트럼에 상응하도록 스펙트럼 매칭을 수행하였다. 설계스펙트럼은 KEPRI(2017)에서 제시한 바와 같이 내진설계기준 공통적용사항(MOIS, 2017)의 표준설계응답스펙트럼을 사용하였다.

대상 데이터

부지응답해석에는 3개의 계측 지진파가 사용되었다. 지반운동의 최대지반가속도(PGA)는 S1 지반 평균재현주기 1000년 지진에 부합하는 0.

데이터처리

22g로 조정된 내진설계지침에 대한 기설된 옹벽의 내진성능 만족 여부를 검토하였다. 최소운동수준의 크기 수준을 평가하기 위하여 전력구 부지의 지반주상도를 사용하여 1차원 부지응답해석을 수행하여 계산된 결과를 비교하였다. 평가 결과, 개정된 내진설계지침(KEPRI, 2017)은 MOIS(2017)의 지반등급과 지반증폭계수를 적용하는 경우, 암반에 시공된 옹벽을 제외하고는 설계지반운동 수준이 크게 상향조정되지 않은 것으로 나타났다.
3에 도시하였다. 평가에서 사용될 최대지반가속도(A)를 산정하기 위하여 1차원 부지응답해석을 수행하였으며 이를 통하여 계산된 지표면에서의 최대지반가속도(A1D)가 최소설계가속도인 0.22g보다 작을 경우에는 0.22g를 적용하였으며 A1D가 0.22g를 초과하는 경우는 계산된 값을 평가에 사용하였다.

이론/모형

154g로 조정하였으며 설계스펙트럼에 상응하도록 스펙트럼 매칭을 수행하였다. 설계스펙트럼은 KEPRI(2017)에서 제시한 바와 같이 내진설계기준 공통적용사항(MOIS, 2017)의 표준설계응답스펙트럼을 사용하였다. 스펙트럼 매칭에는 시간영역에서 웨이블릿 변환을 이용하여 지지파형을 조정하는 소프트웨어인 RspMatch2009 (Al Atik & Abrahamson, 2010)를 사용하였다.
스펙트럼 매칭에는 시간영역에서 웨이블릿 변환을 이용하여 지지파형을 조정하는 소프트웨어인 RspMatch2009 (Al Atik & Abrahamson, 2010)를 사용하였다.
옹벽의 안전율은 전술한 대로 Mononobe-Okabe 방법을 사용하여 평가하였다. 대상 옹벽의 kh는 PGA로부터 산정하였으며 연직지반운동은 고려하지 않았다.
비교 결과, 매칭된 지진파는 표준스펙트럼과 비교적 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. 지층별 비선형 곡선으로는 Darendeli(2001)의 곡선을 사용하였다. 각 옹벽 부지의 표준관입시험(SPT) N치 주상도를 사용하여 전단파속도와 기타 지반정수를 산정하였다.

성능/효과

또한 KEPRI(2017)에서 제시한 지반등급별 PGA와 비교하였으며 기준과 대부분 유사한 것으로 나타났다. 12개의 부지 중에서 KEPRI(2017)의 제시 기준과 차이가 10% 이상 발생하는 부지는 단 3개의 부지이며 이 중에서 옹벽 2와 9에서 각각 PGA비가 0.579와 0.622로 제시 기준에 비하여 큰 차이로 작게 계산되었다. 단 1개의 부지(옹벽 6)에서 제시 기준 대비 10% 이상 크게 계산되었다.
결과적으로 개정된 지침은 대부분의 경우, 부지응답해석 대비 유사하거나 보수적인 결과를 제시하는 것으로 나타났다. 개정된 지침을 이용하여 기설된 옹벽의 안정성을 평가한 결과, 모든 옹벽에서 허용 안전율을 만족하는 것으로 나타났다. 이는 설계지반운동이 크게 상향조정되지 않았다는 점을 감안하면 당연한 결과이다.
부지응답해석을 수행하는 경우, 약 17%의 부지에서 개정된 지침에 비하여 작은 PGA가 계산된 반면, 75%의 경우 개정된 지침과 오차범위가 10% 이내이며 단 1개의 부지(8%)에서 지침 대비 큰 가속도가 계산되었다. 결과적으로 개정된 지침은 대부분의 경우, 부지응답해석 대비 유사하거나 보수적인 결과를 제시하는 것으로 나타났다. 개정된 지침을 이용하여 기설된 옹벽의 안정성을 평가한 결과, 모든 옹벽에서 허용 안전율을 만족하는 것으로 나타났다.
4g 보다 작게 계산되었다. 반면 지지력 안전율은 지진여유도를 평가하는 데 있어서 최적의 지표는 아닌 것으로 나타났다. 임계가속도가 0.
4에는 조정된 시간이력과 함께 가속도스펙트럼과 표준가속도스펙트럼을 비교하였다. 비교 결과, 매칭된 지진파는 표준스펙트럼과 비교적 잘 일치하는 것을 확인할 수 있다. 지층별 비선형 곡선으로는 Darendeli(2001)의 곡선을 사용하였다.
계산된 옹벽 부지별 최대가속도는 Table 3에 정리하였다. 비교 결과, 지반의 주상도에 따라 계산된 결과에 큰 차이가 발생하여 0.115g에서 0.243g까지의 넓은 범위로 나타났다. 또한 KEPRI(2017)에서 제시한 지반등급별 PGA와 비교하였으며 기준과 대부분 유사한 것으로 나타났다.
지진 시 옹벽의 전도, 지지력, 활동 안전율 모두 설계기준 허용치 대비 크게 높으며 평가 대상 콘크리트 옹벽은 모두 충분한 내진성능을 보유하고 있는 것으로 나타났다. 옹벽의 폭, 높이 등에 따라 전도, 지지력, 활동 중에서 가장 취약한 모드가 결정되는 것으로 분석되었다.
나아가 옹벽의 지진여유도를 평가하기 위하여 임계가속도를 계산하였다. 임계가속도는 0.36~0.8g로 국내설계지반운동보다 현격하게 큰 것으로 계산되었다. 임계가속도는 전도에 의해서 결정되며 전도에 대한 안전율이 2.
8g로 국내설계지반운동보다 현격하게 큰 것으로 계산되었다. 임계가속도는 전도에 의해서 결정되며 전도에 대한 안전율이 2.0 미만인 경우 모두 임계가속도가 0.4g 보다 작게 계산된 반면 지지력 안전율은 임계가속도와의 상관성이 낮은 것으로 나타났다. 지진여유도는 0.
즉, 12개의 부지 중에서 1개의 부지에서만 제시 기준의 최소성능수준을 초과하며 나머지 모든 사례에서는 KEPRI(2017)의 기준이 보수적인 결과를 제시하는 것으로 나타났다. 제한된 해석으로 도출된 결론이기는 하나, KEPRI(2017)의 지반등급별 증폭계수로 최대하중을 산정하는 것은 대부분 보수적인 결과를 제시하는 것으로 분석되었다.
단 1개의 부지(옹벽 6)에서 제시 기준 대비 10% 이상 크게 계산되었다. 즉, 12개의 부지 중에서 1개의 부지에서만 제시 기준의 최소성능수준을 초과하며 나머지 모든 사례에서는 KEPRI(2017)의 기준이 보수적인 결과를 제시하는 것으로 나타났다. 제한된 해석으로 도출된 결론이기는 하나, KEPRI(2017)의 지반등급별 증폭계수로 최대하중을 산정하는 것은 대부분 보수적인 결과를 제시하는 것으로 분석되었다.
앞서 기술한 대로, KEPRI(2017)이 제시한 설계지반운동은 과거 기준 대비 크게 상향 조정되지는 않았으며 이는 계산된 안전율로도 확인할 수 있다. 지진 시 옹벽의 전도, 지지력, 활동 안전율 모두 설계기준 허용치 대비 크게 높으며 평가 대상 콘크리트 옹벽은 모두 충분한 내진성능을 보유하고 있는 것으로 나타났다. 옹벽의 폭, 높이 등에 따라 전도, 지지력, 활동 중에서 가장 취약한 모드가 결정되는 것으로 분석되었다.
80g의 범위를 보이며 국내 설계지반운동보다 현격하게 큰 것으로 계산되었다. 지진여유도는 0.144~0.55g로 높은 수준이며 최소지반가속도가 0.36g까지 상향조정되어도 문제가 없는 것으로 나타났다. 총 12개의 옹벽 중에서 25%의 임계가속도가 0.
4g 보다 작게 계산된 반면 지지력 안전율은 임계가속도와의 상관성이 낮은 것으로 나타났다. 지진여유도는 0.14~0.56g로 매우 높으며 설계지반운동이 0.3g 이상으로 상향조정되어도 옹벽의 내진성능 확보에 문제가 없는 것으로 나타났다.
최소운동수준의 크기 수준을 평가하기 위하여 전력구 부지의 지반주상도를 사용하여 1차원 부지응답해석을 수행하여 계산된 결과를 비교하였다. 평가 결과, 개정된 내진설계지침(KEPRI, 2017)은 MOIS(2017)의 지반등급과 지반증폭계수를 적용하는 경우, 암반에 시공된 옹벽을 제외하고는 설계지반운동 수준이 크게 상향조정되지 않은 것으로 나타났다. 부지응답해석을 수행하는 경우, 약 17%의 부지에서 개정된 지침에 비하여 작은 PGA가 계산된 반면, 75%의 경우 개정된 지침과 오차범위가 10% 이내이며 단 1개의 부지(8%)에서 지침 대비 큰 가속도가 계산되었다.
임계가속도는 Table 4에 정리하였다. 평가 결과, 임계가속도는 0.36~0.80g의 범위를 보이며 국내 설계지반운동보다 현격하게 큰 것으로 계산되었다. 지진여유도는 0.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	지진여유도의 정의는?	본 연구에서는 조정된 설계지반운동에 대해서만 기준 안전율 만족여부만을 평가하는 것이 아니라 콘크리트 옹벽의 지진여유도를 분석하였다. 지진여유도는 시설물이 보유하고 있는 잉여 내진성능을 나타내며 콘크리트 옹벽의 지진여유도는 지진 시 기준 안전율을 만족하지 못하는 임계가속도와 설계지반진동의 차이로 정의되었다. 지진여유도는 추후 발생할 가능성이 있는 설계지반운동의 조정에 따른 시설물의 소모적이며 반복적인 재평가를 회피하기 위하여 산정하였다.
	Mononobe-Okabe 유사정적해석법이 중 Mononobe-Okabe 방법은 무엇인가?	1). Mononobe-Okabe 방법에서는 Coulomb의 주동 또는 수동파괴쐐기에 수평 및 연직 지진계수를 적용하여 쐐기에 작용하는 힘들의 평형방정식으로부터 벽체에 작용하는 동토압을 계산한다. 연직방향 지반운동이 옹벽의 안정성에 미치는 영향이 제한적이므로 연직지진계수(kv)는 적용하지 않으며 수평지진계수(kh)만으로 지진 하중을 계산한다.
	지진 시 옹벽에 나타날 수 있는 특징은?	지진 시 옹벽에는 평시의 정토압에 추가적으로 관성력에 의한 동토압이 발생하며 이로 인하여 옹벽의 안정성이 크게 저하될 수 있다. 옹벽의 안정성 평가에는 벽면에 시간에 따라 작용하는 지진하중을 둥가정적 수평하중으로 치환하여해석하는 유사정적해석법이 일반적으로 사용된다.

참고문헌 (12)

Al Atik, L. and Abrahamson, N. (2010), An improved method for nonstationary spectral matching, Earthquake Spectra, Vol. 26, No. 3, pp. 601-617.

상세보기
Darendeli, M. B. (2001), Development of a new family of normalized modulus reduction and material damping curves, Ph D. thesis, University of Texas at Austin.
Dunham, J. W. (1954), Pile foundations for building, Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, ASCE, Vol. 80, No. 1, pp. 385-1-21.
Jeong, N. H. and Lee, C. K. (2008), Investigation of S-wave velocity based on SPS field tests, Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol. 24, No. 10, pp. 161-174 (In Korean).
Kim, D. S., Bang, E. S. and Seo, W. S. (2003), Evaluation of shear wave velocity profiles by performing uphole test using SPT, Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol. 19, No. 2, pp. 135-146 (In Korean).
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Peck, R. B., Hanson, W. E. and Thornburn, T. H. (1953), Foundation Engineering, John Wiley and Sons, pp. 222.
Sun, C. G., Cho, C. S., Son, M. and Shin, J. S. (2013), Correlations between shear wave velocity and in-situ penetration test results for Korean soil deposits, Pure and Applied Geophysics, Vol. 170, No. 3, pp. 271-281.

상세보기
Wagner, N. and Sitar, N. (2016), On seismic response of stiff and flexible retaining structures, Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol. 91, pp. 284-293.

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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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