Research Article

Journal of the Korean Geosynthetics Society. December 2020. 51-63
https://doi.org/10.12814/jkgss.2020.19.4.051

ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 재료 및 방법

  •   2.1 대상저수지

  •   2.2 동역학적 안정해석방법

  • 3. 결과 및 고찰

  •   3.1 대상저수지

  •   3.2 지진응답가속도 증폭특성

  • 4. 결 론

1. 서 론

『Earthquake Yearbook』(Korea Meteorological Administration, 2019)에 따르면 한반도 및 주변 해역에서 진도 2.0 이상의 지진은 2016년 252회, 2017년 223회, 218년 115회, 2019년 88회 발생하였으며 2019년은 이전에 비해 지진이 감소하는 것처럼 보이나 디지털 계측이 시작된 1999년부터 2018년까지의 한반도의 연평균 지진 횟수인 69.9회보다는 많은 횟수로 발생하였다.

국내에서는 일본 고베 지진 이후 『Seismic design standards』(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2007) 및 『Dam design criteria』(Ministry of Land, Infrastructure and Transport, 2001)를 통해 대형 구조물에 대한 지진계 설치 및 운영을 의무화하고 있으며, 『Seismic acceleration measuring instrument installation and operation standards』(Ministry of the Interior and Safety, 2018)에 대통령령에 따라 고시된 149개소 댐의 동적거동 정보를 획득하기 위해 지진가속도계를 3개소(자유장, 댐기초, 댐 마루) 이상 설치하도록 규정하였다.

이러한 규정에 따라 지진가속도계를 설치 및 운영하고 있으나 설치한 장비의 성능 및 비용을 고려하면 상대적 활용도가 매우 낮은 실정이다. 이에 한국농어촌공사는 지진가속도계의 활용도를 제고하기 위해 정보통신기술(ICT)기반 『긴급 지진안정성 평가』시스템을 개발하여 운영하는 등의 노력을 기울이고 있다(Lee, 2020).

또한 최근 개정된 Agricultural fill dam design(KDS 67 10 20: Ministry for Food, Agriculture, Forestry and Fisheries, 2019)에 따르면 진도법으로 설계된 제체 단면에 대하여 제체 액상화 검토를 필요한 상세한 검토가 요구되는 경우 동역학적 안정해석방법에 의한 검토를 수행해야 한다고 명시하고 있으나 이에 대한 상세한 기준이 제시되어 있지 않다.

Lee et al.(2014)은 원심모형실험과 동역학적 해석방법을 통하여 수위상승 시 필댐의 거동에 대한 연구를 진행하였고, Kim(2017)은 지진 발생 시 증고저수지의 동적거동 특성을 원심모형실험과 동적해석이 가능한 수치해석 프로그램을 이용한 방법으로 연구하였다. 또한 Shim(2020)은 코어불량 저수지 제체에 대하여 원심모형실험과 동적해석을 진행하여 지진 발생 시의 제체의 거동 특성을 연구하였다. 이러한 동역학적 해석을 통한 제체의 거동 연구는 활발히 진행되어 왔으나 동역학적 해석을 위한 모델의 검증에 저수지에 설치된 지진계측기에서의 실측값을 활용한 연구나 제체의 높이에 따른 제체의 거동을 분석한 연구는 진행되지 않았으며, 이러한 연구를 통해 저수지에 설치된 지진가속도계측기의 활용도를 제고하고, 동역학적 해석방법에 의한 검토를 수행해야 하는 세부기준을 제시할 수 있을 것으로 판단된다.

본 연구에서는 저수지에 설치된 지진가속도계측기의 실측자료를 활용하여 서로 다른 높이의 10개소의 저수지에 대한 동역학적 해석방법을 검정하고 높이별 저수지의 지진응답가속도 증폭 특성을 분석하였다. 본 연구를 통해 저수지에 설치된 가속도계에서 얻은 계측 데이터를 활용하여 반복 탄소성 구성식을 이용한 동적해석방법은 지진파 특성 분석이 적절하게 수행될 수 있는 기법임을 확인하였고 향후 이러한 기법을 적용해 저수지의 지진가속도 계측기의 활용도를 제고할 수 있을 것으로 판단된다.

2. 재료 및 방법

2.1 대상저수지

국내 저수지의 높이별 지진가속도 증폭 특성을 연구하기 위하여 한국농어촌공사에서 관리하는 저수지 중 지진가속도 계측기가 설치된 서로 다른 높이의 저수지 10개소를 선정하였다. 국토교통부의 『기존 댐의 내진성능 평가 및 향상요령』(2004)에서 제시한 높이에 따른 지진 위험도 분류에 착안하여 높이 45m 이상의 저수지 2개소, 높이 30m 이상 45m 이하의 저수지 2개소, 높이 15m 이상 30m 이하의 저수지 2개소를 선정하고 15m 이하의 저수지는 10m 이상의 저수지 2개소, 10m 이하의 저수지 2개소를 선정하였다.

선정된 각각의 저수지의 높이는 다음과 같다(Table 1).

Table 1.

Reservoir Height

Reservoir Height (m) Reservoir Height (m)
GW 5.8 JN 5.8
BS 12.6 BQ 12.6
DC 20.1 BM 22.0
GG 40.7 MB 40.9
GC 66.4 SJ 62.6

2.2 동역학적 안정해석방법

LIQCA는 일본 Kyoto University에서 개발한 프로그램으로 동역학적 안정해석방법을 통해 제체의 거동을 분석 할 수 있다. 이 모델은 불포화영역으로 확장된 Oka et al. (1999)의 반복 탄소성구성식을 기반으로 하고 있으며, 다양한 모래의 반복 거동을 재현하기 위해 Taguchi et al. (1995)이 제안한 방법에 여러 가지 확장을 수행하였다.

반복 탄소성구성식은 응력파라미터로서 상대응력비를 일반화한 회전경화를 사용하고 응력의 회전 등의 다차원 응력상태를 고려할 수 있으며, 비선형 이동경화법칙을 사용하여 반복 재하시의 응력반전시 경화파라미터를 초기화할 필요가 없고 과압밀경계면의 도입으로 변상응력을 결정하여 다일레이턴시량의 감소 등을 표현할 수 있다.

또한 LIQCA는 해석 모델 기초에서 지진파의 입력을 통해 지진파가 지면에 전파될 때 각 요소의 가속도, 변형률, 응력, 수압, 강도 등의 특성을 계산하며, 유한요소법이 사용되어 기초, 제방 등과 같은 구조물을 상세하게 모델링 할 수 있다. 또한, 다양한 토양 재료의 기계적 특성을 고려할 수 있으며, 지진 발생 후 구조물의 거동을 분석할 수 있다.

2.2.1 동역학적 안정해석방법을 위한 입력설계정수의 결정

LIQCA를 통한 지진해석을 수행하기 위해서는 제체의 절점과 요소를 정의하는 과정이 필요하다. 입력한 토질정수 및 매개변수는 실내실험결과와 사용프로그램에서 제안한 재료에 대한 일반적인 특성값을 참고하여 결정하였다. LIQCA를 이용하여 지진 해석을 수행하기 위해 입력한 설계정수는 다음 Table 2, Table 3과 같다.

Table 2.

Analysis model parameters and material properties of reservoir

Parameter Material
GW JN BS BQ
Shell Shell Shell Core Shell Core
Specific Gravity (Gs) 2.214 2.217 2.218 2.666 2.219 2.673
Water content (%) 33.3 30.1 12.5 18.6 15.0 22.1
Density (g/cm3) ρd 1.785 1.755 1.772 1.722 1.768 1.699
ρt 2.078 2.062 2.068 2.012 2.079 2.022
Elastic modulus, E (kN/m2) 15,000 15,000 15,000 25,000 15,000 30,000
Permeability, k (cm/sec) 6.51E-04 6.39E-04 2.70E-06 1.10E-06 3.56E-04 4.80E-06
USCS CL CL SM CL SM CL
Cohesion, c (kN/m2) 59.3 48.7 16.32 11.02 16.80 18.60
Shear resistance angle, φ (deg) 22.7 24.5 20 26 41.70 34.70
Parameter Material
DC BM GG
Shell Core Shell Core Shell Core
Specific Gravity (Gs) 2.219 2.673 2.223 2.652 2.232 2.666
Water content (%) 16.14 20 15.98 20 28 30
Density (g/cm3) ρd 1.774 1.703 1.650 1.667 1.645 1.687
ρt 2.076 2.006 1.952 1.970 1.947 1.932
Elastic modulus, E (kN/m2) 15,000 30,000 15,000 25,000 15,000 25,000
Permeability, k (cm/sec) 6.25E-06 6.81E-08 3.18E-07 9.05E-09 1.9E-07 4.2E-09
USCS SM CL SM CL SM SC
Cohesion, c (kN/m2) 53.71 29.91 30.3 17.65 14.7 14.7
Shear resistance angle, φ (deg) 15 29.5 30.3 19.58 33 32
Parameter Material
MB GC SJ
Shell Core Shell Core Shell Core
Specific Gravity (Gs) 2.663 2.675 2.232 2.673 2.159 2.637
Water content (%) 20.85 22.7 16.14 20 18.2 22.75
Density (g/cm3) ρd 1.734 1.633 1.784 1.743 1.666 1.678
ρt 2.072 1.978 2.112 2.013 1.972 1.998
Elastic modulus, E (kN/m2) 15,000 30,000 15,000 30,000 15,000 25,000
Permeability, k (cm/sec) 3.30E-06 2.33E-06 1.17E-05 5.56E-07 5.27E-05 4.20E-07
USCS SC CL SM CL SM SC
Cohesion, c (kN/m2) 16.65 23.7 13.98 15.14 20.08 12.79
Shear resistance angle, φ (deg) 39.6 27.7 33.1 32.3 32.86 32
Table 3.

Analysis model parameters and meterial properties (Common)

Parameter Material
Shell Core
Swelling index, κ 0.021 0.019
Normalized shear elastic modulus, G0/σm0 150 100
Stress ratio at phase transformation, Mm 1.270 1.270
Stress ratio at failure, Mf 1.270 1.270
Hardening parameter, B1 35 25
Hardening parameter, Cf 50 600
Anisotropy disappearance parameter, Cd 2,000 2,000
Quasi-overconsolidation ratio, OCR 1.0 1.0
Dilatancy coefficient parameter, D0 0.0 1.0
Referential strain parameter (in plastic), γrP 0.015 0.008
Referential strain parameter (in elastic), γrE 0.01 0.08
Dilatancy coefficient parameter, n 9.0 10.0
van Genuchten’s parameter, α 9.81 1.28
van Genuchten’s parameter, n’ 5.00 1.65
Poisson’s ratio, v 0.35 0.45

2.2.2 입력 지진파

2.2.2.1 동역학적 안정해석 방법의 검정

동역학적 안정해석방법을 검정하기 위하여 각각의 저수지의 댐 기초에 설치된 지진가속도계측기에서 얻어진 지진가속도를 입력하였다. 2020년도 1월부터 8월까지 발생한 지진기록의 일부를 사용하였으며 계측기에서 계측된 지진가속도의 파형은 다음과 같다(Fig. 1).

/media/sites/kgss/2020-019-04/N0150190406/images/kgss_19_04_06_F1.jpg
Fig. 1

Observed Earthquake Data and Response Spectrum (Dam Base)

2.2.2.2 지진응답가속도 증폭특성

저수지 제체의 높이별 지진응답가속도 증폭특성을 분석하기 위하여 내진설계기준(KDS 17 10 00)에서 제시하고 있는 국내 설계 기준에 적합한 방법에 따라 인공 지진파를 Eq-maker를 통해 작성하여 적용하였다.

Fig. 2는 작성된 인공지진파를 나타내며 인공지진파의 최대 가속도는 0.154g를 나타내고 있다. Fig. 3는 5% 감쇠비를 적용하고 있는 인공지진파의 응답스펙트럼곡선과 표준설계응답스펙트럼곡선을 나타내고 있으며 두 곡선이 잘 부합함을 알 수 있다.

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Fig. 2

Artificial Earthquake

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Fig. 3

Response Spectrum

2.2.3 해석단면

동역학적 안정해석을 수행하기 위해 해석 단면을 구성하였으며, 제체 내부의 물리량을 측정하기 위한 측점을 설정하였다. 다음은 구축된 모델의 단면을 표현한 것이다(Fig. 4).

각각의 제체를 Shell과 Core로 나누고 해석을 위해 제체의 단면을 나누어 주었다. 경계조건은 저면고정으로 설정하였고, 배수경계조건은 물의 유입경계와 물의 이동이 발생하지 않는 경계, 유출경계로 분류하여 침투진행에 따라 프로그램이 자동적으로 판별하도록 하였다. 측점은 댐 마루 중심의 지진가속도를 구하도록 하였다.

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Fig. 4

Model Layout

3. 결과 및 고찰

3.1 대상저수지

동역학적 안정해석방법으로써 구축된 모델을 검정하기 위하여 수치해석 모형에 계측기에서 얻어진 댐기초의 실제 지진데이터를 입력하여 얻어진 댐 마루에서의 응답가속도와 실제 댐 마루에 설치되어 있는 지진가속도 계측기에서 얻어진 응답가속도를 비교한 결과는 다음과 같다(Fig. 5).

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Fig. 5

Comparison of Modeling Output Data and Observed Data and Response Spectrum

동역학적 해석방법을 통하여 구해진 댐 마루에서의 응답가속도와 댐 마루에 설치된 지진가속계에서 실측된 응답가속도를 비교한 결과, 그 파형이나 최대가속도의 값이 비슷한 값을 나타낸다. 또한 이러한 응답가속도의 스펙트럼을 분석한 결과 분석된 스펙트럼의 형태 또한 근사하게 나타났다. 이러한 결과를 바탕으로 본 연구에서 동역학적 해석방법을 적용하기 위해 작성한 모델이 각각의 대상저수지를 해석하는데 적합한 모델인 것으로 판단하였다.

3.2 지진응답가속도 증폭특성

검정된 모델을 통해 제체의 높이별 응답가속도 특성을 분석하기 위하여 검정된 모델에 최대지진가속도 값이 각각 0.098g, 0.154g, 0.22g인 인공지진파 데이터를 입력하여 주었다.

높이가 다른 각각의 저수지 제체에 최대지진가속도 값이 0.098g인 인공지진파를 입력해 주었을 경우 나타나는 응답가속도는 다음과 같다(Fig. 6).

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Fig. 6

Acceleration Response (0.098g)

각각의 저수지에 최대지진가속도가 0.098g인 인공지진파를 입력한 결과 댐 마루의 최대지진가속도는 댐기초의 최대지진가속도보다 1.58배에서 3.47배까지 증폭되었다. 각각의 저수지에서의 증폭비는 다음과 같다(Table 4).

Table 4.

Amplification Ratio of Peak Acceleration (Dam Base vs. Dam Crest, 0.098g)

Reservoir Amplification Ratio Reservoir Amplification Ratio
GW 1.58 JN 1.59
BS 1.83 BQ 1.85
DC 2.04 BM 1.47
GG 2.11 MB 2.35
GC 3.39 SJ 3.47

다음 결과는 각각의 저수지에 내진 1등급 기준인 최대지진가속도 0.154g의 인공지진파를 입력해 주었을 경우의 응답가속도를 나타낸다(Fig. 7).

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Fig. 7

Acceleration Response (0.154g)

각각의 저수지에 최대지진가속도가 0.154g인 인공지진파를 입력한 결과 댐 마루의 최대지진가속도는 댐기초의 최대지진가속도보다 1.66배에서 3.68배까지 증폭되었다. 각각의 저수지에서의 증폭비는 다음과 같다(Table 5).

Table 5.

Amplification Ratio of Peak Acceleration (Dam Base vs. Dam Crest, 0.154g)

Reservoir Amplification Ratio Reservoir Amplification Ratio
GW 1.66 JN 1.75
BS 1.95 BQ 1.95
DC 2.11 BM 1.54
GG 2.25 MB 2.57
GC 3.59 SJ 3.68

각각의 저수지에 내진 특등급 기준인 최대가속도 0.22g의 인공지진가속도를 입력해준 결과는 다음과 같은 응답가속도 특성을 나타내었다(Fig. 8).

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Fig. 8

Acceleration Response (0.22g)

각각의 저수지에 최대지진가속도가 0.22g인 인공지진파를 입력한 결과 댐 마루의 최대지진가속도는 댐기초의 최대지진가속도보다 1.76배에서 3.86배까지 증폭되었다. 각각의 저수지에서의 증폭비는 다음과 같다(Table 6).

Table 6.

Amplification Ratio of Peak Acceleration (Dam Base vs. Dam Crest, 0.22g)

Reservoir Amplification Ratio Reservoir Amplification Ratio
GW 1.76 JN 1.94
BS 2.04 BQ 2.08
DC 2.29 BM 1.59
GG 2.41 MB 2.76
GC 3.79 SJ 3.86

지반에서의 최대가속도 값과 댐 마루에서의 최대가속도 값을 비교하여 응답가속도의 증폭 특성을 제체의 높이별로 분석한 결과는 다음과 같다(Fig. 9).

제체의 높이가 15m 이하인 저수지의 경우 응답가속도의 증폭비가 대체로 2배 이하인 것으로 나타났으며, 제체의 높이가 높아질수록 응답가속도의 증폭비는 점차적으로 증가하여 높이 45m 이상의 제체에서는 3배 이상의 증폭비를 나타냈다. 또한, 제체의 지반에 가해지는 지진의 최대가속도 값이 증가할수록 그 증폭비가 점차로 증가하는 경향을 보인다.

저수지의 높이가 30m 이상 45m 미만인 경우 최대지진가속도의 증폭비는 2배에서 3배 사이로 나타나고 있으며, 지반에 가해지는 지진가속도가 클수록 점차적으로 증가하여 0.22g의 최대지진가속도를 가진 지진이 가해지면 그 증폭비가 2.76배까지 상승하는 모습을 보이고 있다.

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Fig. 9

Acceleration Response Characteristics by Reservoir Heights

4. 결 론

본 연구에서는 저수지에 설치된 지진가속도 계측기에서 얻어진 실측 자료를 통해 동역학적 안정해석 방법을 위한 해석 방법을 검정하였고, 또한 검정된 모형을 통하여 저수지의 높이별 응답가속도 특성을 분석하였다. 본 연구를 통하여 얻어진 결과는 다음과 같다.

(1) 저수지의 응답가속도 특성을 분석하기 위해 각각의 저수지 모델에 최대지진가속도가 각각 0.098g, 0.154g, 0.22g인 인공지진가속도를 입력한 결과 댐 마루의 최대지진가속도는 댐기초의 최대지진가속도에 비해 1.58∼3.86배로 증폭되는 특성을 나타냈다.

(2) 저수지의 높이별 응답가속도 증폭특성을 분석한 결과, 제체의 높이가 높아질수록 증폭비는 증가하는 경향을 보이고 지반에 가해진 지진의 최대가속도가 클수록 그 증폭비는 커지는 경향을 보인다.

(3) 저수지에 설치된 지진가속도 계측기에서 실측된 지진데이터를 입력하고 출력값과 실측값을 비교한 결과, 해석을 통해 얻어진 댐 마루의 응답가속도와 실제 계측된 댐 마루의 응답가속도는 비슷한 파형과 최대가속도를 나타내 반복 탄소성모델을 이용한 수치해석 방법이 각각의 대상 저수지를 해석하는데 있어 적합한 모델인 것으로 판단된다.

저수지에 설치된 지진가속도 계측기의 계측 값을 통해 동역학적 안정해석 방법을 검정함으로써 지진가속도 계측기의 활용도를 제고시킬 수 있을 것으로 판단된다. 또한, 저수지의 높이별 응답가속도의 증폭 특성을 비교한 결과 저수지의 응답가속도는 저수지 제체의 높이와 상관관계가 있음을 보이고 있다. 추후 더 많은 국내의 저수지에 대한 연구가 진행된다면 이러한 응답가속도의 증폭특성을 고려하여 현행설계기준에 나타난 동역학적 안정해석을 고려해야 하는 경우에 대한 세부 기준을 제시 할 수 있을 것으로 판단된다.

Acknowledgements

This work was supported by Korea institute of Planning and Evaluation for Technology in Food, Agriculture and Forestry (IPET) through Agricultural Foundation and Disaster Response Technology Development Program, funded by ministry of Agriculture, Food and Rural Affairs (MAFRA) (320002-01).

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