Journal Search Engine
Search Advanced Search Adode Reader(link)
Download PDF Export Citaion korean bibliography PMC previewer
ISSN : 1226-525X(Print)
ISSN : 2234-1099(Online)
Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea Vol.22 No.1 pp.15-22
DOI : https://doi.org/10.5000/EESK.2018.22.1.015

A Discussion on the Seismic Coefficient for Gravity Quay Wall Considering Frequency Characteristics of Input Earthquake

Moon Gyo Lee1), Jeong Gon Ha1), Heon Joon Park1), Dong Soo Kim1)*
1)Department of Civil and Environmental Engineering, KAIST
Corresponding author: Kim, Dong Soo dskim@kaist.ac.kr
20171016 20171205 20171208

Abstract

Pseudo-static approach has been conventionally applied for the design of gravity type quay walls. In this method, seismic coefficient (kh), expressed in terms of acceleration due to gravity, is used to convert the real dynamic behavior to an equivalent pseudo-static inertial force for seismic analysis and design. Therefore, the calculation of an appropriate kh considering frequency characteristics of input earthquake is critical for representing the real dynamic behavior. However, the definitions of kh, which is used for simplified analysis in Korea, focuses only on convenience that is easy to use, and the frequency characteristics of input earthquake are not reflected in the kh definitions. This paper evaluates the influences of the frequency characteristics of input earthquake on kh by initially reviewing the kh definitions in the existing codes of Japan for port structures and then by performing a series of dynamic centrifuge tests on caisson gravity quay walls of different earthquake input motions (Ofunato, Hachinohe). A review of the existing codes and guidelines has shown that the kh values are differently estimated according to the frequency characteristics of input earthquake. On the other hand, based on the centrifuge tests, it was found that the permanent displacements of wall are more induced when long-period-dominant earthquake is applied.


입력 지진의 주파수 특성을 고려한 중력식 안벽의 수평 지진계수에 대한 고찰

이문교1), 하정곤1), 박헌준1), 김동수1)*
1)KAIST, 건설 및 환경공학과

초록


    1.서 론

    지난 2016년 9월 12일 경주에서 발생한 국내 지진계측이래 가장 강한 리히터 규모 5.8의 지진은 우리나라에 내진설계의 중요성에 대한 경각심을 일깨워 주는 계기가 되었다. 현재 국내 내진설계는 1997년 건설교통부에서 제정한 내진설계 상위 개념인 내진설계기준연구(II) [1]를 바탕으로 여러 부처와 산하 기관에서 각 시설물별 내진설계기준을 제정하여 이를 사용하 고 있다.

    우리나라 수출입 물동량의 대부분을 담당하고 있는 필수 기반시설인 항 만 구조물은 1999년 해양수산부에서 작성한 항만 및 어항시설의 내진설계 표준서(이하 내진설계 표준서) [2]를 따라 내진설계를 수행하고 있다 [3]. 또한 내진설계가 미비한 기존 항만구조물 중 계류시설과 방파제의 내진성 능 평가 및 보강은 한국시설안전공단에서 2012년에 발간한 기존 시설물 (항만) 내진성능 평가요령(안)(이하 내진성능 평가요령) [4]을 따르고 있다.

    항만구조물 중에서 가장 기본적이고 필수적인 중력식 안벽에 대한 내진 2등급 붕괴방지수준의 내진 설계와 내진 안정성 평가 상세 1단계 에서는 등 가정적해석법이 사용되고 있다. 기존 등가정적해석법은 지진 하중을 하나 의 상수 값을 갖는 관성력으로 변환해주는 Mononobe-Okabe 공식을 이용 하고 있으며, 지진하중은 수평지진계수(이하 kh)값에 결정적으로 좌우된 다. 그러므로 적절한 kh 산정은 등가정적해석에서 가장 중요하다고 할 수 있 다 [5]. 최근에는 내진설계 선진국을 중심으로 지진하중에 의한 구조물의 힘의 평형관계 초과 시 구조물의 성능을 예측할 수 있는 kh 산정법에 대한 연구가 진행되고 있으며, 구조물의 성능 평가항목 중 가장 중요한 항목에 해 당하는 변위는 입력 지진파의 주파수 특성에 크게 영향을 받는 것으로 나타 나고 있다 [6-9]. 반면, 현행 국내 내진설계 표준서 [2]와 내진성능 평가요령 [4]에 제시된 kh산정방법은 입력 지진파 종류에 상관없이 최대지반가속도 만을 이용하고 있다. 이는 계산이 간편한 반면에 입력 지진파의 주파수 특성 이 안벽의 수평변위 유발에 미치는 영향을 반영하지 못하고 있다.

    이에 본 연구에서는 입력 지진파의 주파수 특성을 고려하고 있는 항만 기준의 kh산정법을 분석하고, 각기 다른 주파수 특성을 갖는 실지진 기록들 을 이에 대입하여 입력 지진파의 주파수 특성이 kh 산정 값에 미치는 영향을 검증하였다. 또한 kh를 0.13으로 설계한 중력식 안벽 모형에 대하여 국내 항만 내진설계에서 장/단주기 지진을 대표하는 Hachinohe, Ofunato 실지 진기록을 가진하는 동적원심모형실험을 수행하여 입력 지진파의 주파수 특성이 안벽의 수평변위 유발에 미치는 영향을 평가 하였다.

    2.국내․ 외 주요 수평지진계수(kh) 산정법 분석

    kh는 등가정적해석 수행 시 지진으로 인한 동적 하중을 하나의 상수 값을 갖는 관성력, 즉 등가의 지진하중으로 변환하여 주기 위한 계수로써 벽체에 작용하는 모든 외력 산정 식에 포함되어 중력식 안벽의 활동, 전도, 지지력 파괴에 대한 안전성 평가 에 가장 중요한 계수로 작용하고 있다. 그러나 실 제 지진하중과 등가지진하중 사이의 차이를 줄이기 위한 kh 산정 시 고려해 야 할 요소 등에 관한 연구가 미흡하여 현재까지 통일된 kh 산정 기준이 없 는 상황이다.

    이에 이문교 등 [5]은 국내・외 대표적인 항만구조물 내진설계 기준들에 서 제공하고 있는 kh 산정 방법들을 분석하여 정확한 kh 산정을 위한 다음의 두 가지 중요 고려 요소를 도출하였다.

    • 1) 안벽의 높이에 따른 최대지반가속도 선정 위치 세분화

    • 2) 안벽의 허용 변위량에 따른 최대지반가속도 보정계수 세분화

    상기 중요 고려 요소에 더하여 Nozu et al. [6]은 입력 지진의 주파수 특 성이 안벽의 수평변위량에 미치는 영향에 관한 연구를 통해 kh 산정 시 입력 지진의 주파수 특성이 고려되어야 할 필요성을 확인하였다.

    또한 Nagao et al. [7]은 수치해석 프로그램인 FLIP을 이용하여 다양한 조건의 중력식 안벽 모델에 대해 10 가지 각기 다른 주파수의 정현파를 가 진함으로써 입력 지진의 주파수 특성과 안벽의 수평변위량에 관한 상관관 계를 도출하였고, 이를 적용한 kh 산정식을 개발하였다.

    본 장에서 언급된 kh 산정 시 중요 고려 요소에 대한 국내・외 대표적인 kh 산정법들의 개요를 Table 1에 정리하였다.

    3.입력 지진 주파수 특성을 고려한 수평지진계수(kh) 산정법 분석

    본 장에서는 일본의 항만 설계 기준인 (기존) Technical Standards and Commentaries for Port and Harbour Facilities in Japan [12]과 (신) Technical Standards and Commentaries for Port and Harbour Facilities in Japan [13]에서 적용 중인 입력 지진의 주파수 특성이 고려된 kh 정의의 산정과정을 분석하고, 주파수 특성이 다른 세 가지 실지진기록을 이에 대입 하여도출된 kh 값을 비교 분석하였다.

    3.1.Technical Standards and Commentaries for Port and Harbour Facilities in Japan (1999)

    다양한 지진원이 분포해있는 일본은 일찍이 발생 지진의 주파수 특성이 안벽의 수평변위량에 미치는 영향에 관한 연구를 수행해 왔으며, 지역별 산 발적인 지진의 주파수 특성을 보정하기 위해 주파수 보정 필터가 내장된 지 진계를 이용하여 지진기록을 획득하였다.

    (기존) Technical Standards and Commentaries for Port and Harbour Facilities in Japan [12]에서는 현장 지진계의 계측 방식과의 통일성을 유 지하고, 항만구조물의 kh 산정 시 설계지진의 주파수 특성을 보정하기 위하 여 SMAC 필터를 적용하도록 하였다. SMAC 필터를 이용한 kh 산정과정 은 다음과 같다.

    먼저 대상지반조건과 설계지진을 입력하여 1차원 지진응답해석을 통해 안벽 뒤채움 지반 지표면에서의 가속도 시간이력을 산정한다. 획득한 가속 도 시간이력을 푸리에 변환(FFT)하여 지표면에서의 가속도 스펙트럼을 결 정하고, 이에 대해 SMAC 필터를 적용한다.

    SMAC 필터의 함수 (S(f))는 식 (1)과 같다.

    S ( f ) = 1 1 ( f 7.14 ) 2 + 2 ( f 7.14 ) i
    (1)

    여기서, f는 주파수 (Hz), i는 허수 단위 이다.

    SMAC 필터는 1 Hz 까지는 1을 유지한 뒤 1 Hz 이후로는 급격하게 감 소하는 모양이다. 이는 저주파 성분의 지진기록은 필터 적용 전후의 변화가 적은 반면에 고주파 성분의 지진기록은 필터에 의해 에너지가 감소하게 됨 을 의미한다.

    다음으로 필터 처리 후의가속도 푸리에 스펙트럼을 다시 푸리에 역변환 (IFFT) 하여 가속도 최대값을 (aSMAC )를 산출한다. 끝으로 kh는 앞서 획득 한 aSMAC을 Table 1에 제시된 Noda et al. [14]이 개발한 kh 식에 대입하여 산정한다.

    3.2.Technical Standards and Commentaries for Port and Harbour Facilities in Japan (2007)

    (신) Technical Standards and Commentaries for Port and Harbour Facilities in Japan [13]은 기존 항만 설계 기준 [12]에 대한 대대적인 개정 작업을 거쳐 성능기반 내진설계 개념을 도입한 기준이다.

    성능기반 내진설계의 체계는 시설물의 목적(Objective)과 그 목적 달성 을 위해 요구되는 성능요구조건(Performance requirements), 성능요구조 건을 충족하기 위한 성능 기준(Performance criteria) 그리고 성능 기준을 검증할 수 있는 성능검증(Performance verification)으로 이루어져 있다. 이에, 본 기준에서는 설계 안벽에 대한 구체적인 성능 기준(허용 변위량)을 설정하고, 설계 지진 작용 시 구조물의 수평 변위량이 성능기준 만큼 유발 되게 하는 성능검증 지진계수(khk) 방법을 제시하고 있다.

    khk 방법은 설계 지진의 주파수 특성이 안벽의 수평변위 유발에 미치는 영향을 보정하기 위하여 Nagao et al. [7]이 개발한 b 필터를 적용하고 있 다. b 필터를 이용한 khk 산정과정은 다음과 같다.

    먼저 대상지반조건과 설계지진을 입력하여 1차원 지진응답해석을 통해 안벽 뒤채움 지반 지표면에서의 가속도 시간이력을 산정한다. 획득한 가속 도 시간이력을 푸리에 변환(FFT)하여 지표면에서의 가속도 푸리에 스펙트 럼을 결정하고, 이에 대해 b 필터 처리를 한다.

    b 필터의 함수 (a(f))는 식 (2)과 같다.

    a ( f ) = b 0 < f 1 a ( f ) = b 1 ( f 1 1 / 0.34 ) 2 + 6.8 ( f 1 1 / 0.34 ) i 1 f b = 1.05 H H R 0.88 T b T b R + 0.96 T u T u R 0.23
    (2)

    여기서, H는 안벽 높이(m), HR은 기준 벽 높이(15 m), Tb는 뒤채움 지표면 의 초기 고유주기(s), TbR은 뒤채움 지표면의 기준 초기 고유주기(0.8 s), Tu 는 안벽의 기초 지반의 초기 고유주기(s), TuR은 안벽의 기초 지반의 기준 초 기 고유주기(0.4 s), i는 허수단위이다.

    식 (2)를 살펴보면, b 필터는 SMAC 필터에 추가로 안벽의 높이, 안벽의 기초 지반 및 뒤채움 지표면의 고유주기에 대한 영향을 고려하는 것을 알 수 있다. 또한 b 필터는 SMAC 필터와는 다르게 1 Hz 이하의 구간에서 1이 아 닌 b 값을 유지한 뒤 1 Hz 이후로 급격하게 감소하는 모양을 갖는다.

    다음으로 필터처리 후의 가속도 푸리에 스펙트럼을 다시 푸리에 역변환 (IFFT) 하여 가속도 최대값(af)을 산정하고 설계 지진의 지속시간을 감안 한 감소계수 P를 적용하여 보정 최대지반가속도 ac를 산출한다.

    P는 식 (3)을 통해 구한다.

    P = 0.36 ln ( S / a f ) 0.29 S = a c c 2
    (3)

    여기서, S는 b 필터가 적용된 설계 지진 가속도 시간이력의 제곱 합의 제곱 근(cm/s2), af는 b 필터가 적용된 설계 지진의 가속도 최대값(cm/s2)이다.

    끝으로 khk는 앞서 획득한 ac와 허용 변위량을 Table 1에 제시된 khk 식 에 대입하여 산정한다.

    3.3.실지진기록을 이용한 입력 지진의 주파수 특성에 따른 kh 산 정결과 비교 분석

    입력 지진파의 주파수 특성이 kh 산정 값에 미치는 영향을 검증하기 위하 여 본 절에서는 주기가 다른 다음의 세 가지 실지진기록을 앞서 소개한 일본 의 입력 지진파의 주파수 특성을 고려한 kh 산정 방법들에 대입하여 그 결과 를 분석하였다.

    • Hachinohe : 1968.5.16.ML 7.9 recorded at Tokachi-oki

    • Ofunato : 1978.6.12.ML 7.4 recorded at Miyagi-ken-oki

    • Gyeongju : 2016.9.12.ML 5.8 recorded at Myeonggye-ri

    각 입력 지진파 별 결과간의 정량적인 비교를 위해 상기 세 가지 입력 지 진파의 지반운동수준을 뒤채움 지표면 계측기록으로 가정하여 각각 0.055 g 로부터 0.055 g 간격으로 0.44 g까지 8개의 수준에 대하여 동일하게 조정 하였다. Fig. 1은 지반운동수준을 중력식 안벽의 2등급 붕괴방지수준에 해 당하는 지진구역 I의 지진구역계수(0.11 g)와 재현주기 500 년의 위험도계 수를 적용하여 0.11 g로 조정한 지진파의 시간이력곡선 및 응답스펙트럼을 나타낸다. 일본의 항만 설계 기준에서 제시한 kh 산정 방법들을 이용하여 주 파수 특성이 다른 상기 세 가지 지진파에 대한 kh를 구하기 위해 각 지진파 의 가속도 푸리에 스펙트럼에 SMAC 필터와 b 필터를 적용하였으며, 이를 다시 푸리에 역변환(IFFT) 하여 보정된 최대지반가속도를 구하였다. 이때 적용된 b 필터는 변수들(H, Tb, Tu)의 영향을 최소화하기 위해 기준 값(15 m, 0.8 s, 0.4 s)을 대입하여 설계 하였다. 지반운동수준이 0.11 g로 조정된 상기 세 가지 지진파에 SMAC 필터와 b filter를 적용한 결과를 각각 Fig. 2와 Fig. 3에 나타내었다.

    SMAC 필터와 b 필터의 모양은 Figs. 2-3에 도시된 바와 같이 1 Hz 까 지는 1과 b 값을 유지한 뒤 1 Hz 이후로 감소한다. 이에 장주기 특성의 Hachinohe 기록의 최대지반가속도는 필터 적용 전후의 변화가 작은 반면, 1 Hz 이상의 고주파 성분이 큰 Gyeongju, Ofunato 지진기록 순으로 필터 적용 후의 최대지반가속도 감소율이 크게 나타났다. 또한, b 필터의 1 Hz 이 하 구간에서의 b 값은 일반적으로 1 보다 작으며, 1 Hz 이후 감소율은 SMAC 필터에 비해 더욱 크다. 때문에 b 필터가 적용된 지진의 최대지반가 속도가 SMAC 필터 적용 결과에 비해 작은 것을 알 수 있다.

    끝으로 상기 지진파 주파수 보정 과정을 세 가지 지진파의 8 개 지반운동 수준에 적용하여 도출한 최대지반가속도 값들을 Table 1에 제시된 일본의 kh 식들에 대입하여 지진파 별 kh를 산정하였고, 이를 지진파의 주파수 특성 을 고려하지 않은 국내 내진설계 표준서 [2]의 kh산정법으로 구한 결과와 함께 Fig. 4에 정리하였다. khk산정 시 허용 변위량(Da)은 기준 허용 변위량 (Dr, 10 cm)으로 하였다.

    Fig. 4에 정리된 결과를 통해 지진파의 주파수 특성을 고려한 일본 항만 기준의 kh산정법들은 지진을 구성하는 주파수 성분의 안벽 수평변위 유발 에 대한 영향에 따라 kh값을 각각 다르게 산정하는 반면, 국내 내진설계 표 준서 [2]의 kh산정법은 지진기록의 주파수 특성과 상관없이 모두 같은 kh값 을 도출하는 것을 알 수 있다. 추가적으로, 구조물의 허용 변위를 고려하지 않는 (기존) Technical Standards and Commentaries for Port and Harbour Facilities in Japan [12]의 kh산정 값은 구조물의 허용 변위를 고려하 고 있는 다른 두 방법에 비해 보수적으로 산정하고 있다. 이에 힘의 평형관 계가 초과된 구조물의 내진성능을 정확하게 검증하기 위해서는 구조물의 허용 변위에 대한 고려와 안벽의 건설 대상 지역에서 발생 가능한 지진의 주 파수 특성에 대한 보정과정이 포함된 kh산정이 필요하다고 판단된다.

    4.동적원심모형실험을 통한 입력 지진의 주파수 특성이 안벽의 수평변위에 미치는 영향 평가

    입력 지진파의 주파수 특성이 안벽의 수평변위 유발에 미치는 영향을 평 가하기 위해 동적원심모형실험을 수행하였다. 평가방법은 다음과 같다. 활 동파괴에 대한 안전율 1을 적용하여 kh를 0.13으로 설계한 중력식 안벽 모 형에 대하여 국내 항만 내진설계에서 장/단주기 지진을 대표하는 Hachinohe, Ofunato 실지진기록을 약진부터 강진까지 단계별로 가진 하며 안벽 의 수평변위를 계측하였고 이를 비교하였다. 또한 두 가지 입력 지진에 의해 안벽의 활동파괴가 일어나는 시점을 추가로 분석하였다.

    본 실험은 KOCED CMI(Korea Construction Engineering Development Collaboratory Management Institute : 건설연구인프라운영원) 지 오센트리퓨지실험센터의 동적 원심모형시험기 [15]를 이용하였다.

    4.1.안벽의 모델링

    실험은 15 m의 높이를 가지는 중력식 안벽을 대상으로 하였으며, 높이 (H)에 대한 너비(B)의 비는 0.57이다. 안벽 모형은 알루미늄(T-6061)으로 제작하였으며, kh를 0.13으로 설계하기 위하여 내진설계 표준서 [2]및 내진 성능 평가요령 [4]에 제시된 활동에 대한 안전율 평가 식에 안전율(1), kh(0.13), 기타 실험조건을 대입하여 안벽의 무게를 도출하였고, 알루미늄 의 두께 조절을 통해 무게를 만족하였다. 이를 바탕으로 실험 목표 가속도 수준인 60 g에 대한 상사비를 적용하여 축소 모델링 하였다.

    활동파괴에 대한 안전율 1을 적용하여 kh를 0.13으로 설계한 15 m 높이 의 안벽 모델은 내진설계 표준서 [2]의 10 m이상의 안벽에 적용하는 kh산 정식에 따라 다음의 경우에 활동파괴가 발생해야 한다.

    • 항만 및 어항시설의 내진설계 표준서 [2] (10 m 이상의 안벽)

    • 안벽 뒤채움 지반 지표면 최대지반가속도 = 2․kh(= 0.26 g)

    4.2.지반의 조성

    기초 사석 및 기초 지반은 지진 시 안벽의 전도를 방지하고 활동파괴만 유발되도록 지지력을 키우기 위해 건조 상태의 규사(silica sand)를 다짐하 여 상대밀도 86%로 조밀하게 조성하였으며, 원형(prototype) 기준으로 각 각 2.1 m, 15 m의 두께를 가진다. 뒤채움 지반은 기초 사석보다 상대적으로 입경이 작은 규사를 안벽 높이까지 낙사(Air-pluviation)하여 상대밀도 80%로 조성하였다. 시료에 대한 기본 물성치는 Table 2와 같다.

    4.3.계측

    Fig. 5는 동적원심모형실험 모형의 구조물 및 계측기 배치를 나타 내고 있다. 실험용 토조로는 수평방향 지진에너지의 구속을 방지하기 위 하여 수평방향으로 지반과 유사한 강성을 나타낼 수 있도록 두랄루민 프레 임 사이를 베어링과 고무판으로 연결한 등가전단보 박스(Equivalent Shear beam Box, ESB)를 사용하였다 [16]. 그림과 같이 안벽의 횡방향 변 위 및 전도 발생 여부를 확인하기 위해 안벽 상하부에 변위계(Potentiometer, P)를 수평 방향으로 설치하였다. 안벽과 뒤채움 지반의 침하량을 계측하고 지지력파괴를 평가하기 위해 변위계(Laser sensor, L) 2개를 추가로 설치 하였으며, 뒤채움 지반의 침하 계측을 위해 설치한 변위계는 안벽에 근접하게 설치하였다. 뒤채움 지반의 깊이 별 최대지반가속도를 계측하기 위해 뒤채 움 지반 표면으로부터 등 간격으로 4개의 가속도계를 매설 하였고, 기반암 입력 지진기록으로는 ESB 박스 하단부에 부착한 가속도계로부터의 계측 기록을 사용하였다.

    4.4.입력지진

    본 실험에서는 국내 항만 내진설계에서 장/단주기 지진을 대표하는 Hachinohe, Ofunato 실지진기록을 Table 3와 같은 순서로 약진부터 강진 까지 단계별로 가진 하며 안벽의 수평변위 및 안벽과 뒤채움 지반의 침하량 을 관찰하였다. 가속도 진폭 및 주파수 범위, 지속시간은 상사비를 고려하 여 원심모형실험에 맞게 변환한 지진파를 입력 신호로 사용하였다. 이후 기 술되는 모든 결과의 단위는 원형(prototype)을 기준으로 표현하였다.

    4.5.동적원심모형실험 결과 및 분석

    본 실험에서는 안벽의 전도 및 기초지반의 지지력파괴 발생 여부를 확인하고, 활동파괴가 일어나는 시점을 결정하기 위해 안벽의 상하부에서 발생한 수 평변위와 벽체 및 뒤채움 지반의 참하량을 동시에 계측하였다. 이를 Fig. 6에 내진설계 표준서 [2]의 10 m이상의 안벽에 적용하는 kh산정식에 따라 벽체 뒤채 움 지반 지표면 최대지반가속도(Surface MHA)의 증가에 대하여 정리하였다.

    Fig. 6의 결과를 살펴보면 안벽의 상하부에서 측정된 수평변위 값의 차 가 작고, 입력 지진의 가진 세기가 증가함에도 벽체의 침하가 거의 발생하지 않았다. 이를 통해 본 실험은 안벽의 전도 및 기초지반의 지지력파괴가 발생 하지 않고, 벽체의 수평방향 움직임만 있었음을 알 수 있다.

    Fig. 6(a)는 Hachinohe 지진에 대한 결과를 나타내며, Fig. 6(b)는 Ofunato 가진 결과이다. 그림에서의 실선은 kh(0.13)으로 설계된 15 m안 벽의 내진설계 표준서 [2]에 따른 예상 활동파괴 시점(Surface MHA = 2 kh, 0.260 g)을 의미하며, 계측을 통해 확인한 안벽의 활동파괴 시작 구간을 빨간색 음영으로 표시하였다. 안벽의 활동파괴 시작점은 국내 중력식 안벽 의 등가정적해석에 사용되는 Mononobe-Okabe 방법의 다음의 두 가지 가 정 사항에 근거하여 결정하였다 [10].

    • 벽체는 최소 주동토압이 발생할 정도로 충분한 변위가 발생한다.

    • 뒤채움 지반이 최소 주동토압 상태에 도달하면, 삼각형 모양의 흙 쐐 기 파괴가 일어난다.

    Terzaghi [17] 실험에 따르면 조밀한 지반의 경우 벽체가 벽체 높이의 0.1 %만큼 움직일 때 최소 주동토압 상태가 된다. 이에 안벽의 수평변위가 15 m의 0.1%에 해당하는 15 mm이상이 되는 시점을 활동파괴 시작 구간 으로 설정하였다. 또한 안벽과 배면토의 상대 침하 발생 시점을 뒤채움 지반 의 쐐기 파괴가 일어난 것으로 판단하여 활동파괴 시작 구간으로 선정 하였 고, 상기 두 가지 활동파괴 시점은 동일한 Surface MHA에서 발생하였다.

    그 결과 안벽은 Hachinohe, Ofunato 입력 지진에 따라 각각 Surface MHA = 0.275 g, 0.298 g에서 활동파괴가 일어났으며, 이는 각각 예상 활 동파괴 시점과 0.015 g, 0.038 g차이를 보이고 있다. 두 입력 지진에 대한 실험 결과는 모두 내진설계 표준서 [2]의 kh산정법의 활동파괴 예측 시점과 유사하나, 안벽의 수평변위에 관계된 1 Hz 이하의 주파수 대역을 더욱 많이 포함하고 있는 Hachinohe 입력지진에 의한 활동파괴가 좀 더 빠르게 일어 난 것을 알 수 있었다. 또한 동일한 세기의 Surface MHA가 가진되었을 때 Hachinohe의 경우가 Ofunato에 비해 안벽의 변위를 더욱 크게 유발하는 것을 확인하였다. 이는 입력 지진파의 주파수 특성이 안벽의 수평변위 유발 에 영향을 미치는 것을 나타내며, 입력 지진파의 주파수 특성을 고려한 kh산 정식에 대한 개발 및 도입의 필요성을 보여준다.

    중력식 안벽은 항만구조물로써 지진 시 벽체전면과 배면에 작용하는 정 적수압 및 벽체 전면에 작용하는 동적수압에 대한 추가적인 고려가 필요하 다 [18]. 하지만 중력식 안벽에 대한 내진설계 및 안정성 검토는 뒤채움 지 반이 건조사질토인 중력식 옹벽을 대상으로 제안된 Mononobe-Okabe 공 식을 공통적으로 적용하고 있으므로 정확한 kh검증을 위해 본 연구에서는 건조사질토 조건에서의 실험을 수행하였다 [19]. 이에, 향후 지진 시 수압 이 구조물에 미치는 영향을 평가하기 위한 포화지반 조건에서의 실험이 수 행되어야 할 것으로 판단된다. 또한 입력 지진파의 주파수 특성과 안벽의 수 평변위량 사이의 정량적 분석을 위해서는 좀 더 다양한 입력지진을 이용한 실험이 추가적으로 필요할 것이다.

    5.결론 및 고찰

    본 연구에서는 중력식 안벽에 대한 입력 지진의 주파수 특성을 고려한 kh 산정법의 필요성을 평가하기 위해 국내외 주요 항만 설계 기준에 제시되어 있는 kh 산정 동향을 파악하였고, 일본 항만 설계 기준에서 적용 중인 입력 지진의 주파수 특성이 고려된 kh 정의의 산정과정을 분석하였다. 문헌연구 를 바탕으로 입력 지진파의 1 Hz 이하의 주파수 대역이 안벽의 수평변위를 유발하며, 1 Hz 이상의 영향은 미비한 것으로 나타났다. 이에 입력 지진파 의 주파수 특성이 kh 산정 값에 미치는 영향을 검증하기 위해 주파수 특성이 다른 세 가지 실지진 기록(Hachinohe, Ofunato, Gyeongju)을 일본의 kh 정의와 입력 지진파의 주파수 특성을 고려하지 않은 국내 내진설계 표준서 [2]의 kh 산정식에 대입하여 그 결과를 비교하였다. 이를 통해 일본 항만 기 준의 kh 산정법은 입력 지진의 주파수 성분에 따라 kh값을 각각 다르게 산정 하는 반면, 국내 내진설계 표준서 [2]의 kh산정법은 입력 지진기록의 주파 수 특성과 관계없이 모두 같은 kh값을 도출하는 것을 확인하였다. 또한 입력 지진파의 주파수 특성이 안벽의 수평변위 유발에 미치는 영향을 평가하기 위해 동적원심모형실험을 수행하였다. kh를 0.13으로 설계한 중력식 안벽 모형에 국내 항만 내진설계에서 장/단주기 지진을 대표하는 Hachinohe, Ofunato 실지진기록을 가진하며 안벽의 수평변위량과 활동파괴 시점을 계 측하고 이를 비교하였다. 그 결과 1 Hz 이하의 주파수 대역을 더욱 많이 포 함하고 있는 Hachinohe에 의한 활동파괴가 좀 더 빠르게 일어났으며, 동일 한 세기의 Surface MHA가 가진되었을 때 Hachinohe의 경우가 Ofunato 에 비해 안벽의 변위를 더욱 크게 유발하는 것을 확인하였다.

    따라서, 힘의 평형관계가 초과된 구조물의 내진성능을 정확하게 검증하 기 위해서는 안벽의 건설 대상 지역에서 발생 가능한 지진의 주파수 특성에 대한 보정과정이 포함된 kh산정이 필요할 것으로 판단된다.

    / 감사의 글 /

    이 논문은 2015년도 정부(미래창조과학부)의 재원으로 한국연구재단 의 지원을 받아 수행된 연구(No. NRF-2015R1A2A1A15054531)과제 및 2016년 해양수산부 재원으로 한국해양과학기술진흥원(항만 및 어항설 계기준 고도화를 위한 성능기반 내진설계 기술 개발)의 지원을 받아 수행되 었으며, 이에 깊은 감사를 드립니다.

    Figure

    EESK-22-15_F1.gif

    Acceleration history and response spectra of input motions

    EESK-22-15_F2.gif

    Process for correcting frequency characteristics of input motion by SMAC filtering

    EESK-22-15_F3.gif

    Process for correcting frequency characteristics of input motion by b filtering

    EESK-22-15_F4.gif

    The kh values from the existing codes and guidelines according input earthquakes

    EESK-22-15_F5.gif

    Schematic illustration of test instrumentation

    EESK-22-15_F6.gif

    Determination of starting point of sliding failure according to Seismic design standards of harbor and port [2]

    Table

    Overview of representative seismic coefficient (kh) definitions [10]

    *Da denotes allowable residual horizontal displacement
    **H denotes wall height
    ***MHA means maximum horizontal acceleration

    Silica sand properties

    Input ground motion

    Reference

    1. Ministry of Construction and TransportationMinistry of Construction and Transportation (c1997) Research of Seismic Design Criterea (II). , Earthquake Engineering Society of Korea,
    2. Ministry of Oceans and FisheriesMinistry of Oceans and Fisheries (c1999) Seismic Design Standards of Harbor and Port. , Earthquake Engineering Society of Korea,
    3. SeoHY ParkKS KimIH KimDS (2014) A discussion on the improvement of seismic design criteria of infrastructures , Journal of the Earth quake Engineering Society of Korea, Vol.18 (5) ; pp.231-240
    4. Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs.Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs. (2012) Seismic Performance evaluation & improvement revision of existing structures (Harbors). , Korea Infrastructures Safety and Technology Corporation,
    5. LeeM.G. JoS.B. ChoH.I. ParkH.J. KimD.S. (2017) A Discussion on the Definitions of Seismic Coefficient for Gravity Quay Wall in Korea. , Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea., Vol.21 (2) ; pp.77-85
    6. NozuA. IchiiK. SuganoT. (2004) Seismic design of port structures. , Journal of Japan Association for Earthquake Engineering., Vol.4 (3) ; pp.195-208
    7. NagaoT IwataN FujimuraM MorishitaN SatoH OzakiR. (2006) Seismic Coefficients of Caisson Type and Sheet Pile Type Quay Walls Against the Level-one Earthquake Ground Motion., Technical note of National Institute for Land and Infrastructure Management,
    8. CakirT. (2013) Evaluation of the Effect of Earthquake Frequency Content on Seismic Behavior of Cantilever Retaining Wall Including Soil ?" structure Interaction. , Soil. Dyn. Earthquake Eng., Vol.45 ; pp.96-111
    9. HatamiK. BathurstR.J. (2000) Effect of Structural Design on Fundamental Frequency of Reinforced-soil Retaining Walls. , Soil. Dyn. Earthquake Eng., Vol.19 (3) ; pp.137-157
    10. LeeM.G. HaJ.G. JoS.B. ParkH.J. KimD.S. (2017) Assessment of Horizontal Seismic Coefficient for Gravity Quay Walls by Centrifuge Tests. , Geotechnique Letters., Vol.7 (2) ; pp.211-217
    11. Comite Europeen de NormalisationComite Europeen de Normalisation (c2004) Eurocode 8: Design of Structures for Earthquake Resistance. Part 5: Foundations, Retaining Structures. , Geotechnical Aspects. CEN, Brussels,
    12. Ministry of TransportMinistry of Transport (1999) Technical standards for Ports and Harbour Facilities in Japan , translated version of 港灣の施設物の技術 上の基準‧同解說(日本港灣協會,
    13. Ministry of TransportMinistry of Transport (2007) Technical standards for Ports and Harbour Facilities in Japan , translated version of 港灣の施設物の技術 上の基準‧同解說(日本港灣協會,
    14. NodaS. UwabeT. ChibaT. (1975) Relation between Seismic Coefficient and Ground Acceleration for Gravity Quay Wall. , Report of Port and Harbour Research Institute., Vol.14 (4) ; pp.67-111
    15. KimD.S. KimN.R. ChooY.W. ChoG.C. (2013) A Newly Developed Stateof- the-art Geotechnical Centrifuge in Korea. , KSCE J. Civ. Eng., Vol.17 (1) ; pp.77-84
    16. LeeS.H. ChooY.W. KimD.S. (2013) Performance of an Equivalent Shear Beam (ESB) Model Container for Dynamic Geotechnical Centrifuge Tests. , Soil. Dyn. Earthquake Eng., Vol.44 ; pp.102-114
    17. TerzaghiK. (1941) General Wedge Theory of Earth Pressure. , American Society of Civil Engineers Transactions., Vol.106 ; pp.68-97
    18. KimS.R. JangI.S. ChungC.K. KimM.M. (2005) Evaluation of Seismic Displacements of Quay Walls. S oil Dynamics a nd Earthq uake. , Engineering., Vol.25 ; pp.451-459
    19. ZengX. (1998) Seismic Response of Gravity Quay Walls. I: Centrifuge Modeling. , J. Geotech. Geoenviron. Eng., Vol.124 (5) ; pp.406-417