1.서 론

1995년 1월 17일 일본 효고현의 고베시와 한신지역에서 일어난 효고현 남부(고베)지진 (1995.1.17, 리히터규모 7.2)으로 인해 포트 아일랜드 고 베항의 많은 안벽이 피해를 입었다. 고베항 안벽의 피해사례는 종래 사례와 달리 액상화로 인한 횡방향 토압의 증가로 인하여 더욱더 큰 피해를 보여 주 었으며, 기존의 설계방법으로 고베지진과 같은 레벨2 규모의 지진에 대한 항만구조물의 내진설계가 사실상 불가능해짐에 따라 일본에서는 성능기반 내진설계(Performance based earthquake resistance design)의 도입이 추진되었다[1].

성능기반내진설계법은 구조물의 사용자, 소유자, 설계자 등 이해 당사 자들이 목표성능(Performance goal)을 지정하고, 향후 예상되는 지진운동 에 대하여 일정량의 영구변위를 허용하는 선에서 목표성능을 달성할 수 있 도록 하는 것으로, 성공적인 설계법의 도입을 위해서는 예상되는 지진시나 리오의 구축과 엄밀한 동적 비선형 해석기법의 개발이 필수적이다. 특히, 영구변위를 예측하기 위한 가장 최선의 방법은 시간영역 동적 비선형 수치 해석이며, 이는 기존 선형 및 등가선형해석 기법들의 한계인 전단변형에 따 른 간극 변화 등 지반재료 고유의 동적 거동특성을 반영할 수 있는 기법이 다. 현재 비선형 재료의 동적해석을 위한 수치해석기법들은 대부분 양해법 (Explicit method) 또는 음해법(Implicit method)을 적용하고 있으며, 시 간영역 직접적분법을 이용하여 동적 응답을 계산한다[2, 3]. 이때, 지반의 동적 비선형 거동은 전체 변형율 영역에서 등방경화, 동적경화, 둥지항복면 (Nested or multi yield surface)모델을 사용하거나[4] 전단파괴 이전과 이 후를 구분하여 Masing법칙[5]을 적용한 함수형 비선형 모델과 소성모델을 분리 적용할 수도 있다. 지진시 액상화 피해가 발생할 수 있는 항만시설은 상기 거동특성 외 사질토의 전단변형으로 인한 부피(간극수압)변화를 추가 로 고려하여야 하는데, 이를 수치해석에 적용하기 위한 액상화 모델은 1975 년 Martin과 Finn이 진동반복회수에 기반한 모델을 제안한 이후 여러 형태 의 모델이 제안되었다[6-12].

수치해석을 위한 지반모델과 해석기법의 유효성은 실제 지진피해사례 또는 원심모형시험결과를 기준으로 검증되어야 한다. 1995년 발생한 Kobe지진은 수치해석을 검증하기 위한 최적의 지진으로 평가받고 있는데, 당시 Kobe항에 건설중이던 인공섬인 포트, 로코아일랜드의 케이슨 안벽에 대한 자세한 피해조사 자료외 심도별 지진계측기록, 상세부지조사 결과의 확보가 가능하기 때문이다. 따라서, 해당 부지에 대한 여러 연구자들의 수 치해석이 시행된 바 있으며, 이를 요약하면 Table 1과 같다. 연구자별로 사 용한 지반모델, 수치해석 기법은 상이하나, 케이슨 안벽의 영구변위는 유사 한 양상을 나타내었다. 여러 모델 중 Iai가 제안한 모델[10, 11]의 경우 비 등방 압밀 지반의 액상화 이전 Cyclic mobility의 재현이 가능하나, 다소 많 은 소요 입력변수(12개)로 인하여 일선 기술자들이 쉽게 접근하기 어려운 단점이 있다. 다른 연구결과들은 지반 비선형거동 및 이력감쇠에 대한 고려 가 안 되거나 정의가 모호하여 현재 기술수준으로 판단시 엄밀한 수치해석 이라 평가하기는 부족한 점이 있다.

본 논문에서는 현시점에서 일선 기술자들이 가장 쉽게 접근할 수 있는 수치해석프로그램과 액상화 모델을 선정하여 실제 피해사례에 대한 검증 을 실시하고자 한다. 사용된 프로그램은 Itasca사에서 개발한 FLAC 2D이 며, 액상화 모델은 Byrne이 제안한 모델을 사용하였다[7]. 과거 FLAC을 사용한 유사연구[15, 16]와 달리 본 연구에서는 지반의 동적 비선형거동 및 이력감쇠를 적용하였다. 본 연구의 검증 결과는 향후 유효응력 해석이 필요 한 지반 구조물의 성능기반 내진설계를 위한 기초자료로 사용되어 다양한 매개변수 해석에 적용할 수 있을 것으로 기대한다.

2.검증 기본자료

2.1.Kobe 지진 (특징,소개)

Kobe 지진은 1995년 1월 17일 일본 효고현의 고베시와 한신 지역에 발 생한 지진으로 진앙은 Fig. 1에 붉은색 별로 표시되었으며, 진앙 인근 효고 현 아시야시에서 아와지섬 중앙까지 약 50 km에 걸쳐 있는 야지마 단층에 서 발생하였다[22]. Kobe 지진은 일본기상청 기준 규모 7.2이며, 모멘트 규모 6.9에 해당하는 지진으로 포트아일랜드로부터 진앙거리는 약 17 km, 최대 수평가속도는 0.54 g 최대 수직가속도는 0.45 g를 기록 하였다[23]. Kobe 지진으로 인해 고베시의 전역에 걸쳐 많은 피해가 일어났으며, 6,300 여 명이 사망하고 1,400억 달러 규모의 재산 피해가 일어났다. 대표적인 피 해는 Fig. 1에 표기된 것과 같이 산노미아 지역에 많은 가옥들이 파괴 되었 고 한신고속도로, JR(Japan Railways)철도, 신칸센, 등이 특히 피해를 많 이 입었다. 포트 아일랜드와 롯코 아일랜드에 위치한 고베항의 경우 항만 시 설의 기능을 수행 할 수 없을 정도의 많은 피해를 입은 것도 본 지진의 특징 이라 할 수 있다[21].

2.2.Port & Rokko island

포트 아일랜드와 롯코 아일랜드는 일본 효고현 고베시에 항만기능 및 해 양 문화 도시기능 그리고 주택 주거 및 상업기능을 수행 할 수 있도록 세워 진 인공섬으로 고베시의 북서쪽에 위치한 롯코산의 토양을 매립하여 만들 어졌다. 매립에 사용된 토사는 마사토(Masado)로 알려진 화강풍화토로 입 도분포는 Fig. 2와 같다. 건설당시 마사토의 입도분포가 액상화 발생가능 입도범위 내 일부구간만 포함됨에 따라 액상화 가능성이 낮게 평가되어 지 반개량에 소극적이었으며, 이로 인하여 Kobe 지진시 광범위한 액상화 현 상이 발생하는 원인이 되기도 하였다[22, 24]. 마사토는 우리나라에서도 빈번히 매립토로 사용되는 재료이므로 다짐이 어려운 준설매립의 경우 엄 밀한 액상화 평가가 필요하다고 할 수 있다.

포트아일랜드의 북쪽지역 Phase I은 1981년, 롯코아일랜드는 1990년 도에 완공되었으며 포트아일랜드의 남쪽부분인 Phase II의 준공시점에 Kobe지진이 발생하였다(Fig. 3). 위치별 안벽의 대표단면은 Fig. 4와 같으 며, Phase I의 경우 원지반 점토에 대한 개량공법이 적용되지 않은 반면 Phase II와 롯코아일랜드는 다짐모래말뚝공법(SCP, Sand compaction pile) 등 을 사용한 개량이 이루어 졌음을 알 수 있다. 지진시 안벽의 영구변 위는 개량이 이루어진 Phase II, 롯코아일랜드의 경우 하부지반 개량이 안 된 Phase I에 비하여 1~2 m 적은 변위가 발생하였다[13]. 참고로 SCP공법 은 2000년대 초반 건설된 부산신항만 공사시 케이슨 안벽 하부개량을 위 하여 널리 적용된 공법이다.

2.3.안벽의 변위

고베항 안벽의 90%는 콘크리트 케이슨 안벽이다. 지진운동은 주로 NS 방향으로 발생하였으며(Fig. 5(a)), 안벽수직방향으로 작용한 최대 가속도 의 분포는 Fig. 5(b)와 같이 계측되었다.

영구변위의 원인은 케이슨 안벽 뒷채움재로 사용된 마사토의 광범위한 액상화현상으로 인하여 수평토압이 증가하였으며, 이에 따른 케이슨 앞굽 의 지지력 파괴가 발생하여 거의 모든 케이슨에서 바다쪽으로 연직 및 수평 영구변위가 발생하였다. 수평변위는 최대 5 m 평균 3 m의 분포를 보였고 연직변위는 최대 2.5 m 평균 1.5 m의 분포를 보였다(Fig. 6). Fig. 6 (a)는 본 논문에서 수치해석 검증모델로 사용한 포트아일랜드 Phase I PC-1 구간 에서 계측된 영구변위이며, Phase II와 로코아일랜드에서 계측된 영구변위 는 Inagaki 등[23]에 자세히 설명되어 있다.

2.4.지반조사 자료

포트/로코 아일랜드 지역은 지진 전/후 상세 부지조사결과 확보가 가능 한 지역으로, 여러 연구자들의 연구결과로 부터 상세부지조사 결과의 확보 가 가능하다[22- 28]. Fig. 7은 Kobe 지진 발생전 조사된 지반조사 자료를 기반으로 구분된 포트아일랜드 Phase I의 깊이별 주상도 및 지진계측기 설 치 심도를 나타내고 있다. 지하수위는 지표면하 –4 m에 위치하고 있었으며 지반은 최하단부터 홍적점토, 홍적자갈질 모래, 충적자갈질 모래, 충적점 토, 매립 마사토층으로 이루져 있다. 깊이별 지진계측기록 확보를 위한 가 속도계 설치위치는 지표면 하 16 m, 32 m, 83 m 이다. 표준 관입시험치는 매립 마사토, 충적점토층에서 10이하의 낮은 값이 측정되었으며 그 이하로 는 홍적점토층을 제외하고 비교적 20이상의 높은 표준관입시험치를 나타 내고 있다. 깊이별로 측정된 전단파속도는 매립, 충적층에서 170 ~ 245 m/s 의 범위로 측정되었으며, 그 이하 홍적층에서는 300 m/s 이상의 속도를 나 타내고 있다.

Fig. 7의 지층구분을 기반으로 본 연구의 해석대상인 포트아일랜드 Phase I, PC-1 단면의 수치모델을 구성하기 위한 지반구분은 Fig. 8과 같 다. 또한, 기존 상세 부지조사자료 비교분석 결과로 결정된 수치해석용 지 반정수는 Table 2에 별도 정리하였다.

2.5.지진 계측기록

1995 Kobe 지진 당시 포트아일랜드 Phase-I PC-1 안벽구간에 인접하 여 깊이별 지진계가 매설되어(Fig. 3, Fig. 7) 깊이별 지진기록의 계측이 이 루어 졌다. Fig. 9는 심도 0m, 16m, 32m, 83m에서 계측된 안벽방향(EW) 지진가속도를 나타내고 있다. 한동안 최초 계측기록이 보정없이 사용되었 으나[30], 계측기록 분석 과정에서 지진시 최하단 계측기 회전오차 가능성 이 대두되어[32] 본 논문에서는 방향보정이 이루어진 지진계측기록을 사 용하였다. 일반적으로 지진파는 상향 전파 중 에너지 보존법칙에 의해 지진 운동의 크기가 증가되는 부지증폭현상은 보이게 되나, 1995 Kobe 지진시 포트아일랜드에서의 계측기록은 오히려 지진에너지가 감소하는 것을 볼 수 있다(Fig. 9). 이에 대하여 많은 연구자들은 마사토 지반의 액상화발생으 로 인한 지진에너지 흡수가 발생한 결과로 파악하고 있다[22, 23, 30].

3.수치해석

3.1.프로그램 소개

본 연구에서는 지반의 동적비선형수치해석기법을 이용한 케이슨 안벽 의 거동을 평가하기 위하여 Itasca사에서 개발한 2차원 유한차분(Finite Difference Method)해석 프로그램인 FLAC(Fast Lagrangian Analysis of Continua) 2D를 사용하였다[33]. 본 프로그램은 2차원 평면변형율 조 건하에서 시간영역 직접적분법을 적용, 관성력을 포함한 연속체의 외력에 대한 응답을 계산할 수 있으며, 지반내 지하수 침투해석을 동시에 해석할 수 있는 장점을 가지고 있다. 또한, 재료 및 기하비선형, 비정상하중(Transient) 및 대변형 문제를 강성행렬(Global stiffness matrix)을 구성하지 않고 풀 이하여, 해석모델의 절점이 증가하여도 소요 메모리가 증가하지 않는 장점 을 가지고 있다. 다만, 해석시 양해법(Explicit method)을 적용하므로 운동 방정식의 해가 안정적으로 수렴하기 위한 최소해석 간격으로 시간적분을 시행하여야 한다. 이로 인하여 해석에 소요되는 시간이 길어진 다는 단점을 가지고 있으나, 반대로 지진과 같은 비정상(Transient) 하중에 대하여 안정 된 해석결과를 도출할 수 있는 장점이 되기도 한다[2, 3].

3.2.모델 크기, 경계조건 및 최소시간 간격

수평으로 무한한 지반을 유한한 수치해석모델로 해석하기 위해서 수평 경계조건은 무한요소인 자유장요소(Free field element)를 이용하여 모델 경계면 지진파의 소산을 묘사하였다[34]. 입력지진 경계조건은 심도 83 m 계측자료을 사용하므로 층내운동 입력조건에 적합한 강성암반 경계조건을 적용하였다[35, 36]. 경계조건의 영향을 최소화하기 위한 전체 모델의 크 기는 가로 180 m, 세로 83 m이다(Fig. 10).

유한차분해석을 위한 격자의 크기는 식 (1)로 결정되며 최대 대각길이는 2.1 m로 11.3 Hz이하의 지진에너지 전달이 가능하도록 구성하였다[3].

여기서, Δl : 유한차분 요소의 최소크기

λ : 지진파의 파장

f_max : Nyquist Frequency

v_s : 전단파 속도

동적해석 이전 단계의 해수면으로 인한 정수압은 경계면 분포하중으로 구현하였으며, 케이슨과 지반모델 사이 경계요소를 적용하여 전단력에 의 한 슬라이딩과 인장력으로 인한 분리거동을 묘사하였다. 경계요소의 거동 은 완전탄성-완전소성 거동을 하는 경계면 수직, 전단방향 지반반력계수 (Subgrade reaction modulus)와 벽 마찰각, 그리고 점착력으로 정의된다 (Fig. 11)[33].

사용된 경계요소 입력정수는 식 (2)와 같이 추정할 수 있으며[33], 본 해 석시 Table 3의 값이 사용되었다.

여기서, K : 체적탄성계수

G : 전단탄성계수

Δz_min : 접하는 요소의 최소 폭

지진하중 재하 전 정적해석은 오일러좌표계(Euler coordinate)에서 시 행되었으며, 지진시 동해석은 대변형에 따른 기하학적 비선형을 고려하기 위하여 라그랑지안좌표계(Lagrangian coordinate)에서 시행되었다. 시간 영역 양해법을 적용한 비선형 해석시, 해의 수렴을 위한 최소 시간적분 간격 (Δt_d)은 식 (3)과 같이 계산 된다[3].

여기서, V : 유한차분 요소체적

C_p : 매질의 압축파속도

A_max^f : 사각형요소 분할대각면적

Δt_d : 최소시간적분간격

Δt_crit : 한계시간적분간격

2 : 안전율

본 논문에서 사용된 수치해석 모델의 최소 시간적분간격은 약 3×10^-5초 로 일반적으로 수치모델 중 압축파속도가 가장 높은 요소에 의하여 결정된 다. 본 수치모델의 경우 콘크리트 재질인 케이슨 요소의 크기에 의하여 결정 되었다.

3.3.지반 구성모델

본 연구에서는 지반의 거동을 소성파괴 이전의 비선형거동과 소성파괴 이후 거동으로 구분하여 지반구성모델을 적용하였다. 소성파괴 이전 비선 형탄성거동은 실내 실험결과를 바탕으로 Hardin과 Drnevich가 제안한 쌍 곡선 모델[37]을 적용하였으며(Fig. 12), 반복하중에 대한 거동은 Masing rule에 따른 이력감쇠가 발생할 수 있도록 구성하였다[38].

액상화 가능성이 있는 심도 20 m 이내 지반의 액상화 모델은 Byrne이 제안한 액상화 파괴모델을 적용하였다[7]. Byrne모델에 필요한 N₆₀값은 98kPa의 상재하중과 60% 에너지 효율을 기준으로 표준관입시험 N값을 보정한 값으로, Fig. 6의 N치를 일본에서 사용중인 자유낙하 햄머형 시험 기의 평균에너지 효율인 78%로 보정하여 사용하였다[23]. 보정된 N60치 는 마사토층의 경우 3~6, 치환모래층은 약 20의 값을 나타내었다. 그 외 지 반은 소성파괴모델인 Mohr-Coulomb모델을, 케이슨 안벽의 경우 탄성모 델을 사용하였다. 마지막으로, 지반의 최소 감쇠비 및 해석에 따른 고주파 노이즈를 제거하기 위한 추가 감쇠비로 지층의 1차 공진주파수를 중간주파 수로 가지는 약 2%의 Rayleigh 감쇠비를 적용하였다[38].

3.4.입력지진 및 수치해석결과 측정 지점

입력지진 기록은 3.2절에서 설명된 바와 같이 깊이 82 m지점의 계측기 록을 강성암반 경계조건 상태에서 재하 하였다. 이때, 2차원 해석을 위하여 EW지진 이력과 연직방향 지진이력을 동시에 재하 하였다. 수치해석의 검 증을 위해 깊이별 지진가속도계측 지점과 동일한 지점에서 가속도 시간이 력을 추출하였고, 안벽의 상단과 하단에서 수평, 연직 변위를 기록하였다. 또한 액상화 가능성이 있는 안벽하부 모래치환 부분과 배면부 매립부분에 서 과잉간극수압비를 추출하였다(Fig. 10).

3.5.시공단계별 해석

지반은 과거에 겪어온 응력이력에 따라 이후 거동형태가 달라지므로 완 성된 지반구조물의 정확한 거동 예측을 위해서는 과거 시공단계에 따른 응 력변화이력을 재현하여야 한다. 따라서, 본 연구에서는 지진하중 재하 전 일반적인 케이슨 안벽의 시공과정을 따라 총 4개의 시공단계로 구분하여 Fig. 13과 같이 시공단계별 해석을 시행하였다.

케이슨 거치시 발생하는 침하량은 1.3 cm였으며, 케이슨 뒷채움 종료시 추가로 발생하는 케이슨의 최종 변위는 수평 0.2 cm 연직 0.7 cm로 유사 공 사기록과 비교시 타당한 범위의 변위가 발생하였다. 단계별해석 종료직후 지중응력증가로 발생하는 과잉간극수압의 소산을 위하여 정상상태 침투해 석을 시행하였다. 이때 사용된 물의 체적 탄성계수는 2.2×10⁹Pa이다.

3.6.배수/비배수 해석

상대밀도가 낮은 느슨한 포화사질토 지반은 지진시 전단변형율 증가에 따른 체적감소로 과잉간극수압이 증가할 수 있다. 비선형유효응력해석에 서는 이를 액상화 모델을 이용하여 수치적으로 재현 가능하다. 특히, 양해 법을 사용하는 시간영역 수치해석은 지진하중 시간이력에 따른 과잉간극 수압의 소산을 허용할 수 있으나, 실제 지진시 간극내 흐름을 배수 또는 비 배수상태 중 어느 상태로 모델링하는 것이 타당한지에 대한 논의는 현재 진 행 중이다[13]. 본 논문에서는 지진하중 재하도중 과잉간극수압의 소산은 발생하지 않도록 비배수 해석을 시행하였다.

4.결과분석

4.1.깊이별 가속도

Kobe지진시 계측된 깊이별 지진가속도 시간이력과 수치해석으로 얻어 진 가속도 시간이력을 Fig. 14에 비교 도시하였다. 계측치와 수치해석결과 가 완벽하게 일치하지는 않지만 전체적인 양상은 유사하게 진행됨을 알 수 있다. 액상화가 발생하는 지반의 거동은 유체에 가까운 움직임을 보이게 되 므로 현시점에서 이를 표현하기 위한 해석의 정확도에 한계가 있음을 고려 시, 비교적 정확한 해석결과를 도출하고 있다고 판단할 수 있다. 주파수 영 역 지진가속도 에너지 비교시 지표면 계측기록에 비하여 수치해석 결과의 주기 1초 인근 에너지 감폭이 큰 이유는 사용된 지반모델의 액상화 후 거동 정확도에 기인하는 것으로 사료된다.

4.2.케이슨 안벽의 변위

성능기반내진설계를 위한 비선형유효응력해석의 유효성은 지진종료 후 영구변위에 대한 검증으로도 증명 할 수 있다. 본 연구에서는 포트아일랜 드 PC-1 케이슨안벽의 1995 Kobe지진 후 영구변위를 기준으로 검증하고 자 하여, 계측과 해석의 비교결과를 Fig. 15에 도시하였다. 실제 발생한 영 구변위(적색실선)와 액상화 모델을 사용한 수치해석의 영구변위(청색점 선)는 케이슨 안벽 최상단에서 각각 최대 수평방향 2.80 m, 2.85 m 최대 수 직1.07 m, 0.78 m로 나타났다. 반면, 액상화 모델을 사용하지 않았을 경우 안벽의 최대 수평변위(녹색실선)는 0.80 m으로 실제 사례와 큰 차이가 나 타나는 것을 보인다. 이로부터 액상화 가능성이 있는 지반상 위치한 구조물 의 성능목표 검증을 위해서는 액상화모델을 포함한 유효응력 수치해석을 시행하여야 함을 알 수 있다.

영구변위 발생의 주요원인은 케이슨안벽 배면매립토의 액상화로 인한 횡토압의 증가이다. 액상화 발생시 횡토압은 상시에 비하여 3배까지 증가 할 수 있으며, 이로 인한 케이슨 안벽의 전도모멘트 증가는 케이슨 앞굽의 지지력 파괴를 야기할 수 있다. 또한, 지진시 횡가속도를 받는 지반의 극한 지지력 감소현상[40, 41]은 횡토압을 지지하는 구조물의 지지력 파괴에 취 약한 상황을 초래하게 된다. 1995 Kobe지진 종료 후 피해복구를 위한 현장 조사 시 확인된 케이슨의 파괴양상은 잠수부의 수중조사를 통해 파악되었 으며 Fig. 16에 나타난 바와 같이 지지력 파괴에 의한 케이슨 전면 지반의 융기현상이 확인되었다.

금번 수치해석상 나타난 파괴양상 또한 Fig. 16의 지지력 파괴양상과 동 일한 형태로 발생하였다. Fig. 17은 해석에 따른 최대전단변형증가율과 변 위벡터를 함께 도시한 그림이다. 최대전단변형 증가율의 분포로부터 수치 해석으로 나타나는 지반의 전단파괴영역을 확인할 수 있으며 액상화 모델 을 사용한 해석시, 실제 현장에서 발생되었을 것으로 추정되는 파괴양상과 매우 유사한 결과를 나타내는 것을 확인 할 수 있다. 다만, 액상화 모델을 적 용하지 않을 경우 지진시 케이슨 배면부 횡토압의 증가량이 크기 않아 파괴 양상이 실제와 다르게 나타남을 확인 할 수 있다.

4.3.액상화 검토 및 과잉간극수압 분포

수치 해석모델의 액상화 검토를 위한 내장루틴을 구성하여 해석 중 과잉 간극수압비 이력을 계산/저장하였다. 본 논문에서 사용된 과잉간극수압비 는 식 (4)와 같이 정의된다. 과잉간극수압비를 이용한 액상화 판정기준은 사질토지반의 상대밀도와 하중조건에 따라 달라질 수 있으나, 과잉간극수 압비 0.95이상일 경우 대부분 액상화현상이 나타나며 0.8의 경우도 액상화 현상이 발생할 수 있다고 알려져 있다[42].

여기서, Δu 과잉간극수압; σ'_v0 ′ 초기연직유효응력

Fig. 18은 동일시점이 아닌 지진재하시간 중 위치별 최대 과잉간극수압 비를 표시한 등치선으로 케이슨 후면부 마사토 뒷채움부와 기초하부 모래 치환영역에서 액상화가 발생하는 것을 볼 수 있다.

수치해석으로 얻어진 액상화 가능구역의 과잉간극수압비 시간이력은 Fig. 19와 같다. 포트아일랜드 부지에는 깊이별 간극수압계가 매립되어 있 지 않으므로, 수치해석결과의 정확도는 확인하기 어려우나, 지진하중 재하 에 따른 과잉간극수압 발생양상을 유추하는데는 도움이 될 수 있다. 시간이 력이 추출된 위치는 Fig. 18에 표시되어 있다. 액상화가 발생한 지역의 과 잉간극수압은 최초 최대가속도가 도달하는 5초 전후까지 누적되어 이후 소 산되거나 유지되는 양상을 보인다. 지점 ➃, ➄번 지점은 과잉간극수압 비 가 1을 넘어 액상화가 발생한 것으로 판단할 수 있으며, ➀, ➂번 지점은 액 상화가 발생하지는 않으나 과잉간극수압 누적이 발생으로 인한 Cyclic mobility현상이 나타날 수 있다[11]. 반면, ➁번 지점은 지진 중 과잉간극 수압 누적이 발생하지 않은 것으로 파악된다.

4.4.해석소요 시간

본 연구에 사용된 유한차분해석프로그램인 FLAC2D Ver. 7.0은 병렬 컴퓨팅과 해석 그리드별로 최소 시간적분간격을 달리 설정하는 Dynamic multi stepping적용이 가능하다[33]. 해석에 사용된 워크스테이션의 CPU 는 총 18개의 코어를 가지는 Intel사의 Xeon E5-2699V3로 최대 클럭스피 드는 2.3 GHz이다. 병렬컴퓨팅 지원으로 Hyper-threading기법을 사용한 논리연산시 총 36개의 코어를 통한 연산이 가능하나, 최적화 CPU점유율 은 약 18% 정도로 나타나 본 논문에서 사용된 해석프로그램이 아직 최적의 병렬컴퓨팅을 실현하지는 못하는 것으로 판단된다. 지진운동 지속시간 약 24초의 해석에 소요된 시간은 4시간 정도로 이는 최적 모델링 기법과 컴퓨 터의 연산능력에 좌우되는 수치이다.

5.결 론

본 연구에서는 항만 및 어항시설의 성능기반내진설계도입을 위하여 지 진시 콘크리트 케이슨안벽의 시간영역 비선형 유효응력해석 검증을 실시 하였다. 검증을 위하여 상세 지반조사 및 피해조사결과의 확보가 용이한 일 본 고베항의 인공섬 포트아일랜드 PC-1 케이슨 안벽을 수치모델링 하여, 1995년도 Kobe지진시 거동에 대한 검증을 실시하였다. 사용된 수치해석 프로그램은 전단파괴이전 지반의 비선형거동과 파괴이후의 소성거동, 그 리고 진동반복회수 증가에 따라 사질토 지반의 체적변화를 포함하는 간극 수압의 변화(액상화 현상)를 모두 재현할 수 있도록 구성하였다. 지진발생 전 현장지반의 응력이력을 엄밀히 묘사하기 위해서 침투해석을 포함한 시 공단계별 해석을 실시하였으며, 기존 발표된 유사연구사례를 종합하여 해 석에 적합한 지반정수와 모델을 선정하였다.

해석결과로 나타난 케이슨 안벽의 최종변위는 실제 피해사례와 거의 유 사하여 수치해석의 유효성을 증명할 수 있었다. 이렇게 검증된 수치해석절 차는 향후 항만시설물의 내진성능목표 검증, 입력지진파에 따른 성능목표 영향 등 다양한 매개변수 연구에 적용가능할 것으로 판단된다.

케이슨 안벽의 지진 후 최종변위는 액상화모델의 적용 유무에 따라 크게 달라지는 것을 볼 수 있었다. 수치해석 분석결과 액상화 현상으로 인한 케이 슨 배면 횡토압 증가와 지진시 기초하부 지반의 극한 지지력의 감소는 지지 력 파괴를 유발하여 케이슨 안벽의 영구변위에 큰 영향을 미치는 것을 알 수 있었다. 본 연구에서 적용된 지반조사 자료와 수치해석기법은 현재 현업에 서 실무기술자들이 흔히 접할 수 있는 것으로, 접근하기 어려운 수치해석기 법이나 실험방법을 사용하지 않고 기존의 기법만으로도 정확한 수치해석 을 시행시 신뢰할 수 있는 해석결과를 도출할 수 있음을 알 수 있었다. 또한, 1995년도 Kobe지진시 액상화 현상이 광범위하게 발생한 마사토 지반은 우리나라에서도 매립공사시 흔히 사용되는 매립재료이므로 유사 현장에 대한 액상화 검토는 현재보다 보수적으로 시행되어야 할 것이다.