1. 서 론
2. 수치해석
2.1 유효응력개념 수치해석기법
2.2 수치해석 모델의 경계조건
2.3 Kobe 지진파 및 Finn model
2.4 시공단계별 해석
2.5 수치해석 결과 측정 지점
3. 해석결과 분석
3.1 Kobe 지진에 대한 수치해석 결과
3.2 원심모형시험 및 수치해석 결과 비교·분석
4. 결 론
1. 서 론
최근 국내는 리히터 규모 5.0 이상의 지진 발생 빈도수가 늘어남에 따라 지진으로 인한 피해가 증가하는 추세이며, 지진으로 인한 피해를 줄이기 위한 연구가 부각되고 있다. 국내 리히터 규모 5.0이 넘는 첫 번째 주요 지진은 2016년 9월 경북 경주에서 일어난 리히터 규모 5.8의 지진이다. 경주 지진은 많은 부상자와 재산 피해를 일으켰으며, 규모 4.5의 또 다른 지진과 약 400회가 넘는 여진을 발생시켰다. 두 번째 주요 지진은 2017년 11월 경북 포항에서 일어난 리히터 규모 5.4의 지진으로 큰 피해를 일으켰으며, 지표면에서 진원이 가장 가까웠던 이 지진은 액상화 현상을 유발하여 또 다른 재해를 발생시켰다. 항만 구조물의 손상 및 파손을 예측하기 위한 다양한 연구가 발표되었다. Kim et al.(2005)은 지진발생 및 지반계수의 확률론적 분포특성을 고려하여 방파제 구조물의 확률론적 지진위험도를 분석하였으며, Kim et al.(2007)은 잔교식 안벽구조물의 확률론적 지진위험도 해석을 연구하였다.
지진으로 인해 액상화 현상이 발생하여 큰 피해를 일으킨 대표적 사례는 1995년 일본의 Kobe 지진이 있다. 항만 구조물의 대표적인 연구 자료로 Kobe 지진으로 인한 연구사례가 많이 인용되고 있다. Kobe 지진은 1995년 1월 17일 일본 한신 지역과 고베시에 발생한 지진으로 지표면 15km 아래에서 발생하여 격렬한 지각운동을 만들었으며, 진앙 인근 Hyogo 현 Ashiya시에서 Awaji섬 중앙까지 약 50km에 걸쳐 있는 Yajima 단층에서 발생하였다(Ishihara, 1995). Kobe 지진은 일본기상청 기준 규모 7.2이며, 모멘트 규모 6.9에 해당하는 지진으로 포트아일랜드로부터 진앙거리는 약 17km이다. 최대 수평가속도는 0.54g, 최대 수직가속도는 0.45g을 기록하였다(Inagaki et al., 1996). Kobe 지진은 한신지역에서 최대 진도 7을 기록하였다. Kobe시의 전역에 많은 피해를 발생시켰으며, 6,400여 명이 사망하고 1,400억 달러 규모의 재산 피해가 일어났다. 또한 바닷가 일부가 전도되었거나, 부분적인 침하를 발생시켰다(Fig. 1). 그 당시 Kobe의 경우 플레이트 경계지점에서 벗어나 있으므로 100년안에 지진 발생 확률이 불과 4%에 지나지 않아 안전지대로 분류되어 있어서 액상화 고려 설계 및 내진설계에서 매우 취약한 상태였다. 결과적으로 지진이 발생에 따라 Kobe 항은 항만시설의 기능을 수행할 수 없을 정도로 큰 피해를 입은 것이 특징이라고 할 수 있다(Lee & Noh, 2016).
항구의 외곽시설 중 하나인 방파제는 파랑에 대한 내구성과 항내 정온도 확보를 목적으로 설계가 되어왔다. 또한 사석경사재는 지진피해 시 비교적 복구가 용이한 구조형식이며, 지진으로 인한 항만시설 유지에도 현저한 차이를 주지 않기 때문에 내진설계를 수행하지 않은 예외 조항으로 적용 내진 등급 또한 Ⅱ등급이라는 사실에서 알 수 있다(Ministry of Oceans and Fisheries, 1999).
지진이 잦은 일본이나 대만과 달리 한반도는 조산대로부터 비교적 자유로운 위치에 있으나, 최근 북진하는 인도 대륙, 유라시아판의 동진, 태평양판의 서진, 및 필리핀판 등으로 상당한 응력이 한반도 주변에 부하되고 있는 것으로 판단된다(Cho & Na, 2015). 또한 우리나라에서 선호하던 대형 직립식 방파제의 경우 케이슨 자체의 자중으로 인해 확보되는 수평저항력으로 지진 시 수평변형이 0.3m에 그쳤으나, 설계 파고가 상당할 수 있어 성능기반 내진설계에 대한 검토가 시급한 실정이다. 따라서 항만의 기능이 원활하게 이루어지도록 시스템을 이루는 각각의 시설물의 지진 시 거동 개념을 파악하기 위해 성능기반설계를 통한 동해석 수행이 필요하다. 또한 유효응력에 따른 성능기반 내진설계법을 확인하기 위해 동적해석의 종류를 살펴볼 필요가 있다. 동적해석은 유효응력해석법과 전응력해석법으로 나눌 수 있으며, 해저 지반 같은 포화 사질토 지반에 지진이 발생하면 간극수압의 증가로 과잉간극수압이 발생하고 이에 유효응력이 감소하게 된다. 따라서 흙의 물리적 특성이 완전히 변하게 되고, 지반의 응답특성도 변화하게 된다. 흙에 가해진 외력을 , 유효응력을 , 간극수압을 라고 하면 Eq. (1) 및 Eq. (2)와 같다.
여기서, 는 전단강도, 는 점착력, 은 전단면상의 유효수직응력, 은 내부마찰각이다. 지진 해석 시 전응력 해석법은 과잉간극수압에 대한 영향을 고려하지 않기 때문에 유효응력의 변화를 고려할 수 없으나, 유효응력 해석법은 고려할 수 있어 지반에 대한 과잉간극수압의 영향을 분석할 수 있다(Ministry of Oceans and Fisheries, 2014; Kim & Kim, 2017).
본 연구에서는 유효응력을 고려한 동해석을 통하여 FLAC 2D 수치해석 및 원심모형시험을 비교·분석하여 지진에 대한 방파제의 거동 분석과 액상화 판정을 위해 Finn model을 적용한 지반의 침하를 고찰하였다.
2. 수치해석
2.1 유효응력개념 수치해석기법
유한차분해석 프로그램인 FLAC 2D에서는 실험적 관계식을 바탕으로 지반의 과잉간극수압을 예측할 수 있는 모듈을 제공하고 있다(ITASCA Consuling Group, Inc., 2018). 기본구성방정식으로 Mohr-Coulomb 모델이 모든 지반에 사용되며, 체적변형률을 통해 간극수압의 변화를 수치화할 수 있도록 적용되고 있다. Finn model을 이용하여 해석하기 위한 매개변수는 Table 1에 제시되었다. Table 1에서 C1 및 C2는 실험을 통해 산정할 수 있으나, 본 연구에서는 Byrne(1991)이 제안한 연구를 바탕으로 상대 밀도나 표준관입실험치를 통해 간접적으로 산정하였다.
Table 1.
2.2 수치해석 모델의 경계조건
본 연구에서는 Fig. 2와 같이 가로 148m 및 높이 59m로 지반을 구성하였으며, Mohr-Coulomb 모델의 경우 하부 지반, 채움재 및 기초 사석 부분에 적용되었고 케이슨은 Elastic 모델을 사용하였다. Table 2는 해석에 적용된 물성치를 정리한 것이다. 유한 차분해석에서 요소의 크기는 수치해석 모델이 전달하여야 하는 파동의 주파수대역에 따라 결정되며, Eq. (3)을 통해 산정된다(Dokanish & Subbaraj, 1989).
Table 2.
여기서, 은 유한차분 요소의 길이, 는 파장, 는 전달 진동의 주파수, 는 지반의 전단파 속도이다.
또한 정적 평형 조건에서는 수평 및 수직으로 구속을 실시하였다. 비교적 큰 스케일로 지반의 범위를 구성하였으나 Free-field boundary의 적용으로 자유 경계면도 적용하였다. Free-field boundary의 경우 무한한 지반을 수치 모델로 제한된 영역 안에 두었을 때, 경계에서 발생할 수 있는 인위적인 반사파를 제거하거나 최소화하는 데 사용된다. 지반의 경우 자연 진동을 감쇠시키기 위해 질량과 강성에 비례해 에너지를 소산하는 방식인 Rayleigh damping을 해석에 적용하였다. 해석에 적용된 감쇠비는 0.02이며, 중심 주파수는 1hz가 사용되었다. 항만시설에서는 지진 시 액상화 피해가 발생할 수 있는 점토지반 및 치환부분의 전단변형으로 인한 부피(간극수압)변화를 추가로 고려해야 한다. 따라서 이를 본 연구에 적용하기 위해 액상화 모델의 경우 1975년 Martin 및 Finn이 진동반복회수에 기반한 제시 모델 중 추후 변형된 한 가지 모델이 사용되었다(Martin et al., 1975). 수치해석을 통해 Finn model의 적용 유·무 결과를 시간의 이력에 따라 나타내었다. Finn model은 액상화 검토 모델로 Martin et al.(1975)이 최초로 제안한 모델과 Byrne(1991)이 제안한 모델이 있다. 본 연구에 적용된 FLAC 2D의 Finn model은 Eq. (4)와 같이 하중반복횟수와 전단변형율에 따른 체적변형율의 변화를 이용한 것이다. Eq. (4)는 Byrne(1991)이 변수 C1 및 C2 2개로 단순화하여 제안한 것이며, C1 = 0.13 및 C2 = 3.00이 해석에 적용되었다.
여기서, 는 반복전단하중 1회에 대한 체적변형율 변화량이며, 는 체적변형율, 는 전단변형율이다.
해석에서는 점토지반 및 사석치환 지반에 Finn model이 적용되었으며, Finn model의 적용 유·무에 따른 변위차, 간극수압차 등을 비교·분석하였다.
2.3 Kobe 지진파 및 Finn model
Kobe항의 방파제는 남북방향으로 시공되었으며, 대략적으로 지진의 방향에 대하여 수직으로 존재한다. 지진 후 실제 조사된 결과에 의하면 방파제가 전복되지 않은 상태에서 최대 약 0.3m의 변위가 발생하였다. 본 연구에서는 케이슨 바닥 표면에 작용하는 1차원 등가 선형 지진 운동을 적용하였으며, Fig. 3(a) 및 3(b)는 해석에 적용된 수평(EW) 방향 및 수직 방향에 대한 적용 Kobe 지진파이다. 두가지 입력 지진은 최하단 중앙부에 동시 적용되는 것으로 모델링하였다.
직립식 케이슨 방파제에 대해 지반의 액상화 발생 유무를 확인하기 위하여 유효응력 해석법의 하나인 지반 변형 및 과잉간극수압의 발달 간의 관계를 직접적으로 묘사할 수 있는 Finn model을 적용하였다. Finn model을 구성하는 다양한 식이 존재하나 본 연구에서는 Byrne(1991)의 모델을 적용하였다.
2.4 시공단계별 해석
Kobe 지진 시 직립식 케이슨 방파제의 거동을 검증하고자 수심에 대응하는 정수압을 모든 해석단계에서 적용하였으며, Fig. 2에 나타나 있듯이 상부 점토층부터 정수압을 작용하여 정적상태에서 해석을 수행하였다. 또한 굴착, 치환 전·후 및 물속에서 수행되는 사석 마운트 설치와 케이슨 거치 과정에서도 수압이 영향을 끼치므로 정수압 상태를 유지하여 진행하였다. 사석 마운트 및 주변 지반과 치환부에 모두 Finn model을 적용하여 지반의 액상화 범위와 정도를 검토할 수 있게 하였다.
2.5 수치해석 결과 측정 지점
해석결과의 도출을 위해 시간 이력에 따라 가속도 2곳, 변위 1곳 및 간극수압 6곳을 분석하였다. Fig. 4에 나타나있듯이 가속도의 경우 케이슨 중앙 상단(Top Acc) 및 중앙 하부 지반(Bottom Acc)에서 도출하였으며, 간극수압은 점토지반의 양측 가장자리(P001 및 P006) 및 중앙부를 따라 깊이별 3곳(P002, P003, 및 P004)에서 측정하였다. 변위는 케이슨 상단 중앙부(Top Acc) 지점에서 결과를 산정하였다. 간극수압은 액상화 가능성을 고려해 심도별(P002, P003, P004 및 P005)로 측정하였다.
3. 해석결과 분석
3.1 Kobe 지진에 대한 수치해석 결과
3.1.1 가속도 결과
가속도해석 결과의 경우 지점별 지진 가속도를 시간 이력으로 획득하여 특정 지점의 시간 이력에 따른 가속도로 그래프를 도출하였다. 특정 지점은 케이슨의 중앙 상부와 구성 지반 중앙하부로 지정하였다. 수치해석 결과는 Iai et al.(1998)의 연구와 완벽하게 일치하지는 않으나 Fig. 5 및 Fig. 6에서 볼 수 있듯이 약 10 ~ 20초 구간의 결과는 매우 유사한 것을 알 수 있다. 특히 방파제 최하단 지반의 가속도 이력(EW 방향 입력가속도)은 입력 지진이 가장 가까운 곳에서 일어나는 만큼 지반이 일체 거동한다는 것을 알 수 있다. Fig. 5(a)는 방파제 상단부의 가속도 이력으로 최대 가속도는 2.19m/s2 이다. 또한 Fig. 5(b)는 방파제 최하단 지반에서의 가속도 이력으로 최대 가속도는 4.83m/s2이다. 본 결과는 Fig. 3(a)의 수평 방향 입력가속도 및 방파제 하단 결과 가속도에서 매우 유사한 것으로 나타났다. 추가적으로 Fig. 3(b) 수직 방향 가속도와 케이슨 상단 결과 가속도도 비슷한 양상을 보였다.
3.1.2 변위 결과
Iai et al.(1998)의 연구결과에서는 방파제의 수직 변위가 1.64m로 계산되었으나(Fig. 8(c)), 실제 Kobe 지진이 발생할 시 나타난 수직 침하는 1.4 ~ 2.6m로 Fig. 7(b)의 Finn model을 적용한 해석 결과보다 약 0.7m 작게 계산되었다. Fig. 7(a)에 나타나 있듯이 수평 변위 최댓값은 1.82m로 약 0.4m 크게 발생하였다. 실측 평균보다 다소 작은 값이나 그 경향은 유사하게 나타났다. 또한 이러한 차이는 방파제 하부 지반의 점토 두께 차이로 과잉간극수압의 소산으로 침하가 발생했기 때문으로 판단된다. Iai et al.(1998)의 연구에서는 최대 수평 변위가 약 0.6m로 제시되었으며, 실제 Kobe 지진에서 발생한 최대 수평 변위 약 0.4m와 비슷한 결과를 보였다. 그러나 본 연구에서 계산된 최대 수평 변위는 1.82m로 매우 크게 나온 것을 확인할 수 있는데 이는 Rayleigh damping 및 Hysteretic damping의 값이 실제 지반보다 작게 해석되었거나, 모델링된 지반이 실제 지반에 비교하여 크기가 작기 때문으로 판단된다. 따라서 수직 변위는 유효한 값을 도출하였으며, 수평 변위는 다소 크게 나타났다. Fig. 8(a) 및 8(b)는 Finn model 적용 유무에 따른 수치해석 결과를 보여준다. 분석 결과 Finn model 적용 유무에 따라 수평 변위는 큰 차이를 보이지 않았으나, 수직 변위에서는 약 0.74m 차이를 보이는 것으로 나타났다. 이는 Finn model이 미적용 된 경우 액상화에 의한 변위가 작게 발생하는 것으로 판단되므로, FLAC 2D 해석을 수행할 시 안전측 결과를 위해서는 반드시 Finn model의 적용이 필요할 것으로 보인다.
3.1.3 간극수압 및 액상화 분석
Fig. 9(a)~9(l)은 Finn model 적용 유무에 따른 지점별 간극수압 분포를 보여주고 있으며, 각각의 측정 지점은 Fig. 4에 제시되어 있다. 또한 Fig. 10은 지점별 액상화 검토 현황을 보여주고 있다. 과잉간극수압비()의 경우 Eq. (5)를 통해 계산되었다.
여기서, 는 과잉간극수압, 는 초기 연직유효응력 이다.
과잉간극수압비를 통한 액상화 판단은 하중 조건 및 지반 상태에 따라 달라질수 있다. 초기 연직유효응력에 따른 간극수압비는 0.95 이상일 경우 대부분 액상화 현상이 발생하며, 0.8의 경우도 액상화 현상이 발생할 수 있다(Wu et al., 2004). 본 연구에서는 간극수압비가 1.0 이상일 때 액상화 현상으로 규정하였다. 간극수압의 경우 대부분의 지점에서 증가하는 양상을 보여 과잉간극수압이 발생하였으며, 이는 반복하중으로 인해 나타난 것으로 판단된다. 점토지반의 간극수압을 분석하기 위해 P001 및 P006 지점을 검토하였으며, 입력 지진의 발생 전·후로 간극수압의 변화는 큰 차이를 보이지 않아 지반 물성치 및 상재하중이 간극수압의 변화에 큰 영향을 주지 않는 것으로 조사되었다. 심도에 따른 사석치환 지반 부분의 간극수압을 살펴보기 위해 P002, P003 및 P004 지점을 분석한 결과 치환 지반의 상부 및 하부에서는 다른 지점에 비해 상대적으로 큰 과잉간극수압이 발생하였다. 이는 반복하중에 의한 것으로 액상화 현상에 영향을 줄 수 있는 것으로 판단된다. 반면 치환 지반 중간 지점인 P003의 경우 입력 지진 발생 이후 액상화 현상이 발생하지 않는 것으로 보아 과잉간극수압의 누적으로 인한 cyclic mobility 현상이 나타났기 때문으로 분석되었다. 또한 Finn model 적용 유무에 따라 액상화 현상의 범위는 차이를 보이므로 Finn model 적용을 실시하여 내진설계가 이루어질 필요가 있다.
3.2 원심모형시험 및 수치해석 결과 비교·분석
3.2.1 원심모형시험 장비
직립식 케이슨 방파제를 대상으로 축소모형을 구성하여 원심모형실험이 수행되었으며, KAIST 지오센트리퓨지센터(KOCED)에 설치된 240g·ton 용량의 원심모형실험기를 활용하였다(Kim et al., 2013). 실험은 원심가속도 50g에서 시행되었으며, 직립식 케이슨 방파제를 포함하는 항만의 모형은 내부길이, 폭, 높이가 0.65m × 0.305m × 0.45m인 강성토조 내에 조성되었다. Fig. 11은 원심모형시험기의 지진 발생 장치를 보여주고 있으며, Table 3은 원심모형시험기에 설치된 지진 발생 장치의 제원이다. 원심모형시험에서는 콘크리트로 만들어진 DCM 치환을 모사하였으며, 간극수압계 및 가속도계를 위치에 맞게 층별로 설치하였다. 최종적으로 상부에 고정 거치대를 설치 한 후 LVDT 및 Laser sensor를 위치시켜 실험을 실시하였다.
3.2.2 입력 지진
원심모형시험에 사용된 지진은 ‘기존 시설물(항만) 내진성능 평가 및 향상요령(안)(2012)’에서 권장하며, 국내 지진관련 연구에서 다수 이용되는 인공지진파 1 및 인공지진파 2 두 개의 인공지진파와 포항지진이 사용되었다. Fig. 12는 인공지진파 1,2 및 포항지진에 대한 시간에 따른 가속도 그래프를 보여주고 있다. 포항지진은 2017년 11월 15일 경상북도 포항시 홍해읍에서 발생한 지진으로 진앙의 거리는 포항시 북구 북쪽 9km 지점으로 홍해읍 남송리에 위치한다. 지진의 규모는 리히터 규모 6.4이며, 지표면에서 관측된 최대 수평가속도는 0.58 g를 기록하였다. 포항 지진은 1978년부터 시작된 대한민국 지진 관측 사상 경주 지진(2016년 09월 12일, 리히터 규모 5.8)에 이어 두 번째로 큰 지진이다. 또한 내진설계에 취약했던 대한민국에 관측 이래 역대 가장 많은 재산적 피해가 발생하였다.
3.2.3 가속도
Fig. 13(a)~13(c)는 원심모형시험 및 수치해석 데이터를 인공지진파 1, 인공지진파 2, 및 포항지진에 대하여 비교·분석한 그래프를 보여주고 있다. 원심모형시험 및 수치해석 데이터를 비교·분석한 결과 포항지진이 가장 유사한 경향을 보였으며, 인공적으로 만들어진 지진파 보다 자연적으로 생성된 지진파가 비슷한 경향을 도출하는 것을 알 수 있다. 또한 정량적인 결과로 볼 경우 가속도의 크기는 입력 가속도와 출력 가속도가 비슷한 것으로 조사되었다. 이는 지반에 적용된 Damping이 이와 같은 현상을 도출하는 것으로 판단된다.
3.2.4 변위
Fig. 14(a)~14(f)는 인공지진파 1,2 및 포항지진에 대해 시간이력에 따른 수평 및 수직변위를 보여주고 있다. 시간이력에 따른 수치해석 및 원심모형시험의 변위 결과는 다소 다른 경향을 보이는 것으로 나타났다. 이는 원심모형실험의 한계를 다소 보여준 것으로 원심모형시험의 경우 양옆이 구속된 상태에서 실험이 수행되기 때문이며, 수치해석의 경우 Free field boundary의 off를 통해 이루어지므로 경향에 다소 차이를 보이고 있다. 그러나 원심모형시험 및 수치해석에서 발생한 최대 변위 값은 서로 비슷하게 나타나 구조물의 안정성 평가 시 결과를 적절하게 사용할 수 있을 것으로 판단된다.
4. 결 론
본 연구에서는 지진 시 직립식 케이슨 방파제의 거동에 대하여 수치해석 및 원심모형시험을 통해 그 거동을 고찰하였다. 이를 위해 유효응력 개념의 액상화 평가방법인 Finn model 이론을 구성방정식과 적합한 매개변수에 대하여 연구하고 유효응력 해석이 실제 거동 및 실험적 거동에 적합한지를 분석하였다. Kobe 지진 시 방파제의 거동은 실측 자료와 수치해석 결과가 비슷한 양상을 보이므로 유효응력해석이 효과적인 것으로 조사되었다. 이에 따라 본 연구는 다음과 같은 결론을 얻었다.
(1) Kobe 지진 시 Kobe 항 직립식 케이슨 방파제의 실제 거동에 대한 정량적 데이터를 결과 분석의 기준으로 두었으며, 수치해석과의 비교·분석을 수행한 결과 유사하게 나타났다. Finn model을 이용한 유효응력해석을 통해 액상화 현상이 발생하는 것을 관찰하였으며, 산정된 매개변수가 해석에 적합한 값임을 분석하였다. 또한 수치해석을 통해 지진 시 구조물 및 지반의 거동을 예측하는 방법을 파악하였다. 유한차분해석을 통한 유효응력해석의 경우 실시간으로 간극수압의 변화를 알 수 있기 때문에 매우 유사한 결과가 나타나는 것으로 조사되었다.
(2) 직립식 케이슨 방파제의 지진 후 최종변위는 액상화모델의 적용 유무에 따라 크게 달라지는 것으로 나타났다. 수치해석 분석결과로 액상화 현상은 구조물의 변위를 유발하는 동시에 지반의 지지력 손실을 유발하므로 구조물의 영구변위에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다.
(3) 원심모형시험과 수치해석의 결과는 다소 상이하게 나타났다. 이러한 경향은 원심모형시험의 특성상 지반 물성치에 대한 보정이 쉽지 않으며, 1개의 모델링에 대해 연속한 3개의 지진파가 적용되기 때문에 현장의 대표성이 떨어지는 것으로 분석되었다. 그러나 원심모형시험 및 수치해석에서 발생한 최대 변위 값은 서로 비슷하게 나타나므로 구조물의 안정성 평가 시 그 결과를 적절하게 사용할 수 있을 것으로 보인다.
(4) 방파제는 어항 및 항만 인프라 시설의 시스템에서 변위와 기능 유지의 허용 한계가 큰 구조물이다. 따라서 최근 국내에서 증가하고 있는 큰 지진으로 인해 액상화 현상이 빈번하게 발생하므로 이에 따른 심도있는 연구가 필요하다. 또한 액상화 판정을 위해 국내 지반조건에 적합한 Finn model의 변수 산정에 대한 추가적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.