[논문]지진시 항만 방파제의 내진보강 성능에 관한 해석적 검증

권이혁; 서혁; 김대현

doi:10.9720/kseg.2023.4.657

지진시 항만 방파제의 내진보강 성능에 관한 해석적 검증
Analytical Verification of Seismic Reinforcement Effect of Port Breakwater during Earthquake 원문보기

지질공학 = The journal of engineering geology, v.33 no.4, 2023년, pp.657 - 671

권이혁 (조선대학교 토목공학과) , 서혁 (조선대학교 토목공학과) , 김대현 (조선대학교 토목공학과)

초록
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국내에 대규모 지진이 발생하고 그로인한 여파가 지속됨에 따라 내진설계에 대한 법령이 강조되어 국내의 경우 경주지진 이후 내진설계기준이 새롭게 개정되었다. 개정된 내진 설계기준에서는 방파제의 원호활동파괴에 대한 안정성 검토가 새롭게 추가되었다. 이에 본 연구에서는 내진보강공법이 반영된 연구대상지반에 대하여 원호활동 파괴에 대한 안정성 검토를 수행하였으며, 시간이력에 따른 하부지반의 지반 가속도와 구조물의 변위를 확인하고자 하였다. 원호활동 안정성 검토 결과, 안전율이 최소 0.5~최대 1.7 이상 증가하였다. 시간이력해석 결과, 얕은구간과 깊은구간에서 모두 보강전·후에 따른 상부구조물의 변위 값이 최대 290 mm~최소 12 mm까지 감소하였으며, 지반가속도의 경우 보강 후 최대 5.33 m/s~최소 0.31 m/s까지 감소하는 경향을 확인하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

As large-scale earthquakes have occurred in Korea and their aftermath continues to be felt, laws and regulations on seismic design have been emphasized, and in Korea, the seismic design standards have been newly revised after the Gyeongju earthquake. In the revised seismic design standards, a stability review for the destruction of the support activity of the breakwater was newly added. Therefore, in this study, we conducted a stability analysis on the seismic reinforcement method for the study site, and checked the ground acceleration of the subgrade and the displacement of the structure over time. As a result of the stability analysis, the safety factor increased by at least 0.5 and up to 1.7. As a result of the time history analysis, the displacement of the superstructure decreased by up to 290 mm and down to 12 mm in both the shallow and deep sections before and after reinforcement, and the ground acceleration decreased by up to 5.33 m/s and down to 0.31 m/s after reinforcement.

주제어

표/그림 (18)

그림 Fig. 1. Review section before reinforcement.
그림 Fig. 2. Review of slope stability in shallow section before reinforcement.
표 Table 1. Material properties value
표 Table 2. Ground properties value
표 Table 3. Composite ground properties value
그림 Fig. 3. Review of slope stability in deep section before reinforcement.
표 Table 4. Dynamic property value for time history analysis
그림 Fig. 4. Input seismic wave.
그림 Fig. 5. Review section after reinforcement.
그림 Fig. 6. Review of slope stability in shallow section after reinforcement.
그림 Fig. 7. Review of slope stability in deep section after reinforcement.
그림 Fig. 8. Review of slope stability in deep section after reinforcement.
그림 Fig. 9. Review of slope stability in deep section after reinforcement.
그림 Fig. 10. Results of ground acceleration analysis based on time history analysis.
표 Table 5. Results of ground acceleration analysis based on time history analysis
그림 Fig. 11. Review of slope stability in deep section after reinforcement.
그림 Fig. 12. Displacement analysis results of a structure based on time history analysis.
표 Table 6. Displacement analysis results of a structure based on time history analysis

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존 항만 방파제 구조물에 대하여 개정된 내진설계기준을 반영하고자 연약지반개량공법 중 하나인 C.G.S 공법 적용 후 구조물의 원호활동파괴에 대한 안정성을 확인하고자 하였고, 추가로 시간이력해석에 따른 하부지반의 지반가속도와 상부 구조물의 변위를 확인하고자 하였다.
본 연구에서는 항만 방파제 1개소에 대하여 저유동성몰탈주입공법(Compaction Grouting System, 이하 C.G.S)의 적용 전, 후에 대한 지반의 거동특성을 확인하고자 하였다. 해당 구조물에 대한 등가정적해석을 수행한 후에 복잡한 구조물에 대하여 인공지진 데이터를 활용한 시간이력해석법을 통하여 시간에 따른 지반의 비선형거동을 확인하고자 하였다.
개정된 내진 설계기준에서는 방파제의 원호활동파괴에 대한 안정성 검토가 새롭게 추가되었다. 이에 본 연구에서는 내진보강공법이 반영된 연구대상지반에 대하여 원호활동 파괴에 대한 안정성 검토를 수행하였으며, 시간이력에 따른 하부지반의 지반가속도와 구조물의 변위를 확인하고자 하였다.

제안 방법

2가지 해석 모두 보강 전, 보강 후와 얕은구간, 깊구간으로 나누어 해석을 수행하였으며, 얕은구간의 경우 대표적인 단면으로 BH-3, 깊은구간의 경우 대표단면으로 BH-1로 분류하였다. 본 연구의 항만 방파제의 상부 구조물 형식은 사석경사제(마루높이 DL.
따라서, 본 연구에서는 저유동성 몰탈주입 공법 적용 후 그라우팅 확인방법으로 시추조사를 통한 회수율 및 개량체의 압축강도를 분석하였으며, 추가적으로 다운홀 테스트 및 토모그래피로 탄성계수를 확인하여 지반개량 후 연약지반의 보강 증대 효과를 확인하고자 하였다.
원호활동에 대한 안정성 검토의 경우 보강 전과 후, 주입공법의 깊이에 따라 나누어 해석을 수행하였으며, 각각의 검토 안전율은 기준안전율에 따라 분석을 수행하고자 하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 도출하였다.
점성경계는 반무한적으로 확산하는 지반을 유한지반으로서 모델화하는 경우에 지반모델 경계에서 반사파를 홉수시키기 위해 설치하는 경계처리 방법중의 하나로 수치해석시 모든 지반의 유한요소 경계율을 스프링으로 가정하고 감쇠상수를 이용하여 스프링을 생성하였다. 지반의 거동에 따라서 등대, 방파제 등의 움직임을 확인하였고 각 주요 지점별로 변위, 가속도 등의 시간이력 그래프를 생성하여 비교하였다.
지반조건과 사용하중(지진파)를 선정하고 프로그램을 사용하여 모델링을 실시하였다. 모델링은 지반을 유한요소로 나누어서 요소화 하였고, 소일모델의 경우 Mohr-Coulomb모델을 적용하였으며, 각 지반별로 damping 값을 주어서 지반에서 지진하중이 발생하였을 때 움직임을 확인하였다.
03)에 의하여 안정성을 확보하도록 내진보강이 필요하였다. 지반조사 결과를 반영하여 기존 방파제 시설에 대하여 단면을 추정하였으며, 잔류침하층의 깊이에 따라 얕은 구간(BH-3) 및 깊은 구간(BH-1)으로 나누어 검토를 실시하였다.
시간이력해석법을 시행하고자 모델링의 동적 지반정수를 Table 4와 같이 나타내었다. 지진보강공사 시행전과 후에 실시한 S-PS검층 값을 활용하여 동탄성계수, 동프아송비, 전단탄성계수를 산정하였다. 모델링에서 가장 중요한 감쇠상수 Cp, Cs 및 λ(체적탄성계수)는 이론식을 반영하였다.
S)의 적용 전, 후에 대한 지반의 거동특성을 확인하고자 하였다. 해당 구조물에 대한 등가정적해석을 수행한 후에 복잡한 구조물에 대하여 인공지진 데이터를 활용한 시간이력해석법을 통하여 시간에 따른 지반의 비선형거동을 확인하고자 하였다. 구조물-지반의 상호작용이 필요한 비선형 유한요소해석인 시간이력해석법을 이용하여 보강효과를 확인하였다.

대상 데이터

9의 지진은 국내 기상관측이 시작된 이후 한반도에서 발생한 지진 중 11번째로 큰 규모이다. 2017년 11월 15일 경북 포항시 북구 북쪽 8 km 지역에서 일어난 규모 5.4의 지진이 그 뒤를 잇는다. 경주 지진규모인 4.
4의 지진이 그 뒤를 잇는다. 경주 지진규모인 4.9의 지진은 2013년 5월 백령도 남쪽 해역, 2013년 4월 전남 신안군 흑산면 북서쪽 해역, 그보다 앞서 2003년 3월 전남 신안군 흑산면 서북서쪽 해역, 1994년 7월 전남 신안군 흑산면 서북서쪽 해역 등에서 총 4차례 발생했다.
2가지 해석 모두 보강 전, 보강 후와 얕은구간, 깊구간으로 나누어 해석을 수행하였으며, 얕은구간의 경우 대표적인 단면으로 BH-3, 깊은구간의 경우 대표단면으로 BH-1로 분류하였다. 본 연구의 항만 방파제의 상부 구조물 형식은 사석경사제(마루높이 DL.(+) 5.20 m), 하부는 강제치환공법으로 적용하였으며, 하부에 연약 점토층(N값4 이하)이 4~5 m 잔존하고 있었다. 내진에 취약한 ○○항 방파제의 경우 개정된 내진설계기준(KDS 64 17 00, 2018.
사용 프로그램은 Midas사의 GTX NX를 사용하였으며, 지진파는 장주기파와 단주기파, 인공지진파를 사용하였다.
4는 입력지진파를 나타낸 것이다. 입력지진파는 대표적인 장주기파와 단주기파인 Ofunato파와 Hachinohe파를 사용하였으며, 그 외 인공지진파와 국내 발생지진파인 경주와 포항지진파를 사용하였다.

이론/모형

해당 구조물에 대한 등가정적해석을 수행한 후에 복잡한 구조물에 대하여 인공지진 데이터를 활용한 시간이력해석법을 통하여 시간에 따른 지반의 비선형거동을 확인하고자 하였다. 구조물-지반의 상호작용이 필요한 비선형 유한요소해석인 시간이력해석법을 이용하여 보강효과를 확인하였다.
20 m), 하부는 강제치환공법으로 적용하였으며, 하부에 연약 점토층(N값4 이하)이 4~5 m 잔존하고 있었다. 내진에 취약한 ○○항 방파제의 경우 개정된 내진설계기준(KDS 64 17 00, 2018.03)에 의하여 안정성을 확보하도록 내진보강이 필요하였다. 지반조사 결과를 반영하여 기존 방파제 시설에 대하여 단면을 추정하였으며, 잔류침하층의 깊이에 따라 얕은 구간(BH-3) 및 깊은 구간(BH-1)으로 나누어 검토를 실시하였다.
지반조건과 사용하중(지진파)를 선정하고 프로그램을 사용하여 모델링을 실시하였다. 모델링은 지반을 유한요소로 나누어서 요소화 하였고, 소일모델의 경우 Mohr-Coulomb모델을 적용하였으며, 각 지반별로 damping 값을 주어서 지반에서 지진하중이 발생하였을 때 움직임을 확인하였다.
이와 같이 항만구조물의 내진설계에 대한 연구는 여러 분야에서 수행되었으나, 대부분의 수행된 연구는 “항만 및 어항 설계기준(MOF, 2019)”이 개정되기 이전에 연구한 내용으로, 본 연구에서는 개정된 내진설계 기준을 적용하여 연구하였다
추정된 단면을 기초로 내진성능평가를 실시한 결과는 다음과 같으며, 해석방법은 Bishop의 간편법을 적용하였다. 해석결과, 얕은 구간 및 깊은 구간에 대해 상시, 지진시, 내측, 외측에 대해 안정성이 확보되지 않는 것으로 검토되었다.

성능/효과

(1) 등가정적해석을 통한 방파제의 원호활동파괴 검토 결과, 얕은구간 내측 및 외측에서 안전율이 최소 0.5~최대 1.0 이상 증가하였고, 깊은구간의 경우 최소 0.9~최대 1.7 이상 증가하였다. 이는 C.
(3) 시간이력해석 결과, 보강구간의 지반가속도는 얕은구간과 깊은구간의 보강 전ㆍ후의 최대 5.33 m/s~최소 0.31 m/s까지 감소하는 경향을 확인하였다. 지반가속도의 경우 지반의 강성이 증대됨에 따라 감소하는 것이 일반적인 경향으로, 본 연구를 통해 추후 해안구조물에 대한 내진보강에 대한 기초자료가 될 수 있을 것으로 판단된다.
6 and 7은 해당 연구대상 시설에 대한 원호 활동 안정성 검토 결과를 나타낸 것이다. 방파제 구간의 원호활동 검토 결과, 얕은구간과 깊은구간 모두 안전율이 증가함을 확인하였다. 얕은구간의 경우 안전율이 최소 0.
11은 얕은구간에서 인공지진파 발생시 상부 구조물의 변위를 나타낸 것으로, 지반가속도와 같이 해석케이스가 많아 대표적인 해석 단면으로 나타내었고, 그 외 모든 해석단면에 대하여 동일한 방법으로 검토를 수행하였다. 본 연구에서는 보강 전, 보강 후, 전체 개체 간주, 보강 후 개별구조물 간주로 나누어 해석을 수행하였으며, 시간이력해석에 따른 변위 분석결과, 보강 후 해당 구물의 변위가 모든 케이스에서 전체적으로 감소하는 경향을 보였다.
추정된 단면을 기초로 내진성능평가를 실시한 결과는 다음과 같으며, 해석방법은 Bishop의 간편법을 적용하였다. 해석결과, 얕은 구간 및 깊은 구간에 대해 상시, 지진시, 내측, 외측에 대해 안정성이 확보되지 않는 것으로 검토되었다. Figs.
해석케이스가 많아 대표적인 해석 단면으로 나타내었고, 그 외 모든 해석단면에 대하여 동일한 방법으로 검토를 수행하였다. 해석의 경우 보강 전, 보강 후, 전체 개체 간주, 보강 후 개별구조물 간주로 나누어 해석을 수행하였으며, 시간이력해석에 따른 지반가속도 분석 결과, 보강 후 지반가속도가 모든 케이스에서 전체적으로 감소하는 경향을 보였다. 지반가속도의 경우 지반의 강성에 반비례하며, 지반의 강성이 증대될수록 감소하는 경향을 나타낸다.

후속연구

(2) 시간이력해석 결과, 얕은구간과 깊은구간에서 모두 보강전ㆍ후에 따른 상부구조물의 변위 값이 최대 290 mm~최소 12 mm까지 감소하였으며, 이것은 유사정적해석에서 안전율 개념이 아닌 변위를 기준으로 내진보강 결과를 평가하는 방법도 검토되어야 할 것으로 판단된다. 현재 변위에 대한 내진보강 기준은 없는 상태이므로 보다 많은 연구 결과를 축적하여 정량적인 변위 정도값을 제시한다면 동적해석인 시간이력해석으로 내진보강 변위를 설정할 수 있는 기초자료가 될 것으로 판단된다.
31 m/s까지 감소하는 경향을 확인하였다. 지반가속도의 경우 지반의 강성이 증대됨에 따라 감소하는 것이 일반적인 경향으로, 본 연구를 통해 추후 해안구조물에 대한 내진보강에 대한 기초자료가 될 수 있을 것으로 판단된다.
(2) 시간이력해석 결과, 얕은구간과 깊은구간에서 모두 보강전ㆍ후에 따른 상부구조물의 변위 값이 최대 290 mm~최소 12 mm까지 감소하였으며, 이것은 유사정적해석에서 안전율 개념이 아닌 변위를 기준으로 내진보강 결과를 평가하는 방법도 검토되어야 할 것으로 판단된다. 현재 변위에 대한 내진보강 기준은 없는 상태이므로 보다 많은 연구 결과를 축적하여 정량적인 변위 정도값을 제시한다면 동적해석인 시간이력해석으로 내진보강 변위를 설정할 수 있는 기초자료가 될 것으로 판단된다.

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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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