< B1E8C1F8BFB5292E666D>

Size: px

Start display at page:

Download "< B1E8C1F8BFB5292E666D>"

유화 편
6 years ago
Views:

1 J. Korean Soc. Hazard Mitig. Vol. 15, No. 3 (Jun. 2015), pp. 1~8 ISSN (Print) ISSN (Online) 해안 해양방재 지진해일에의한교량의피해유형분석 Damage Assessment of Bridges Caused by Tsunami 김진영 * 윤주성 ** 이필승 *** 김영수 **** Kim, Jin-Young*, Yoon, Joo-Seong**, Lee, Phill-Seung***, and Kim, Young-Su**** Abstract Recently, there has been an increasing concern on Tsunami along the east coast of Korea, that would be initiated from undersea earthquakes at the west coast of Japan. However, the possible property loss caused by Tsunami has not been studied well and the counterplans to reduce the possible property loss have not been established yet. Especially, there does not exist any counter-plan against damage of civil engineering structures that could induce high property loss. In this study, we analyze the damage patterns of bridge structures, which is one of the typical civil engineering structures. First, we investigate damage cases of the East Japan Tsunami in year The typical destruction mechanisms of bridges are summarized. Then, bridges in a target area chosen along the east coast of Korea are classified. Based on their basic characteristics, estimated damage patterns and criterions of damage levels are established. Finally, the resistance of several standard bridges against Tsunami are calculated depending on inundation depths and we develop a damage assessment table for bridges against Tsunami. Key words : Tsunami, Bridge structure, Damage assessment 요 지 최근연구동향에의하면일본서안에서발생한해저지진에의한국내동해안지역의지진해일피해발생가능성이대두되고있지만재산피해규모를예측하거나감소시키기위한대책수립은미흡한상황이며, 연안구조물중토목구조물의피해감소대책은전무한실정이다. 이에본연구에서는국내동해안지역의대표적인토목구조물중교량의지진해일에의한피해양상을분석하고자한다. 본연구에서는대표적인토목구조물로서교량의지진해일에의한피해양상을체계적으로분석하고자하였다. 먼저 2011년일본동북지방태평양연안지진해일에의한교량의피해사례를분석하고지진해일에의한교량의파괴메커니즘을정리하였다. 피해사례를기반으로국내동해안지역의가상피해지역에위치한교량을대상으로피해에초점을둔구조물분류를수행하였으며, 교량의특성에따라예상되는피해유형을분류하고, 피해정도에따른 3단계의기준을설정하고제시하였다. 이러한분석을바탕으로국내표준교량의저항력을산정하고, 교량에작용하는정수압적인파력을계산하여침수심에따른표준교량의안전성을피해분류표로나타내었다. 핵심용어 : 지진해일, 교량, 피해추정 1. 서론지진해일은인류의행복한삶을위협하는전세계적인재난이며수많은인명피해뿐만아니라천문학적인재산손실을가져온다. 2004년 12월 26일발생한인도네시아수마트라지 진해일로인해약 30만명의사망자와 100억달러의재산피해가발생하였고, 지난 2011년 3월 11일발생한일본동북지방태평양연안지진해일로인해일본에약 20,000여명의사망자및실종자, 80,000여명의이재민이발생하였으며, 재산피해는최고 25조엔 ( 약 333조원 ) 에이르렀다. 특히토목구조 * 정회원. 한국과학기술원기계공학과위촉연구원 ( kjyoung@kaist.ac.kr) Member. Research Engineer, Department of Mechanical Engineering, KAIST ** 한국과학기술원기계공학과해양시스템대학원박사과정 Ph.D Student, Department of Mechanical Engineering, KAIST. *** 교신저자. 정회원. 한국과학기술원기계공학과부교수 (Tel: , Fax: , phillseung@kaist.edu) Corresponding Author. Member. Associate Professor, Ph.D, Department of Mechanical Engineering, KAIST **** 정회원. 한국과학기술원기계공학과위촉연구원 Member. Research Engineer, Department of Mechanical Engineering, KAIST - 1 -

물의경우도로 4,200곳, 동북신간선철도역 5곳, 전신주철도교량의교각등 1,100곳의재산피해가발생하였다. 우리나라는이웃일본과는달리지진에대하여상대적으로안전한지역으로여겨지고있으나, 일본의서안해저에서대형지진발발의가능성이간간히보고되고있는바, 우리나라동해안이지진해일에안전하다고단언할수없는상황이다.

2011년동일본대지진을통한지진해일의위험성이크게대두되고있으며, 특히우리나라동해연안지역은일본서해안에서발생하는지진해일에의해피해를입을수있는지역으로서이지역의연안구조물의지진해일에대한대비가필요하며피해발생시의피해규모와정도의예측이필요하다. 본연구에서는, 국가적재산및인명피해와밀접한관련이있는토목구조물중교량이지진해일에의해피해가발생했던사례를분석하였다.

2 물의경우도로 4,200곳, 동북신간선철도역 5곳, 전신주철도교량의교각등 1,100곳의재산피해가발생하였다. 우리나라는이웃일본과는달리지진에대하여상대적으로안전한지역으로여겨지고있으나, 일본의서안해저에서대형지진발발의가능성이간간히보고되고있는바, 우리나라동해안이지진해일에안전하다고단언할수없는상황이다. 우리나라에서는지진해일의전파와처오름높이등유체역학적거동에대한연구는활발하게수행되어왔으며, 지진해일에의한구조물의피해에대한연구로서건축물의피해유형분석에대한연구로 Yang and Lee(2013) 가존재하나, 국가재산피해와가장큰연관이있는토목구조물피해분석에관한연구는거의없는상황이다. 2011년동일본대지진을통한지진해일의위험성이크게대두되고있으며, 특히우리나라동해연안지역은일본서해안에서발생하는지진해일에의해피해를입을수있는지역으로서이지역의연안구조물의지진해일에대한대비가필요하며피해발생시의피해규모와정도의예측이필요하다. 본연구에서는, 국가적재산및인명피해와밀접한관련이있는토목구조물중교량이지진해일에의해피해가발생했던사례를분석하였다. 사례분석결과를토대로한파괴유형의분류를제시하였으며국내동해안의교량현황을조사하여이에맞는피해예상유형과구조물의안전성, 기능피해와복구가능성의관점에따른 3단계의피해정도를제시하였으며, 안전성평가를통하여침수심에따른교량형식별피해정도를계산하였다. 물이육상으로밀려들어와항만시설을파손시켰다. 토목구조물의경우일본태평양연안에위치한교량의상판이유실되는피해가다수발생하였다. PC케이블이나스토퍼 (Stopper) 와같은낙교방지구조가설치된교량에대해서도, 지진해일로인하여낙교한경우가많다고보고되었다. 낙교는교량으로서의안전성과기능의복구가능성을확보할수없는치명적인피해이며, 지진해일에의한교량의피해중에서가장큰피해이다. Fu et al.(2012) 은일본의미나미산리쿠지역에위치하는우타츠교량 (Utatsu Bridge) 의지진해일에의한전체적인파손을분석하였다. 지진해일로인하여양단 3경간 (G1~G2, G11) 을제외하고, 8경간 (G3~G10) 의 PC상판이상류쪽으로유실되었다 (Fig. 1). 낙교방지구조인 PC케이블은파괴되었으며, 일부의낙교방지용스토퍼 (Stopper) 가콘크리트로부터탈락되어나간것이확인되었다. 특징적인피해가확인된교각의피해상황으로부터, 양쪽모두지진해일에의한수평력이외에매우큰상향력이작용하여낙교한것을확인할수있다. 상판의유실전후의우타츠교량의모습은 Fig. 2와같다. P9교각에대해서, Fig. 3에서보이는바와같이상판의교축직각방향의이동에저항하는스토퍼 (Stopper) 가설치되었으나, 해당스토퍼의손상이없으며, 상판만유실된것을보아수평력이작용하기이전에상판이스토퍼의위치보다높게떠오른뒤에낙교한것으로예상된다. 상판이 50 cm 이상떠오르지않으면, 수평방향의이동에대 2. 교량의피해사례 국내지진해일피해사례는진원지규모 7.7의 1983년아키타지진해일발생당시국내중부동해안지방에서 2~4 m 해면상승을기록하면서삼척시임원항에서내습피해가발생한것을들수있다. 당시 5명 ( 사망 1명, 실종 2명, 부상 2명 ) 의인명피해가발생하였으며, 건물및시설피해등총 3억 7천여만원의재산피해가발생하였으나그피해규모가크지않으며교량의피해는전무하여피해유형분석이가능하지않은상황이다. 따라서본연구의교량피해사례조사에서는 2011 년발생한일본의동북지방태평양연안지진해일에의한피해사례를제시한다. 2011년발생한일본의동북지방태평양연안지진해일은지진규모 9.0의거대지진에의해발생된지진해일로서, 태평양연안에위치한많은항만 어항이지진해일에의한침수및가옥 차량 선박 목재와같은표류물과충돌함으로인하여막대한피해가발생하였다. 항만, 방파제 방조제시설은지진해일의파압으로인하여전도및파괴가발생하였으며, 그후휩쓸려내려가는힘에의한세굴 (Scour) 로인하여추가피해가발생하였다. 또한지진해일로선박과컨테이너등의표류 Fig. 1. Displacements of Utatsu Bridge Girders. Fig. 2. Damage of Utatsu Bridge by Tsunami. 2 한국방재학회논문집, 제 15 권 3 호 2015 년 6 월

Fig. 5. Damage Mechanism of Bridge Structures (Shoji and Moriyama, 2007). Fig. 3. Steel Stoppers and Seat Extenders on P9. Fig. 4. Damage of Tsuyagawa Bridge by Tsunami.

해당교량은 6경간의 PC상판이낙교하고, 3개의하천안쪽의 PC상판은상류측에, 3개의 PC상판은파괴된제방의바깥부분에유실되었다. Fig. 4와같이 P3~P5교각은상류측으로기울어졌으며유일하게 P2교각이원래형태를유지하고있다.

교량받침의고정용앵커볼트의변형으로서도시나리오를추측할수있다. 이러한변형은추후에교량상판에작용했던압력을추정할수있는중요한정보로서사용할수있다. 3. 교량의피해메커니즘지진해일의침수심은파괴메커니즘을정의및구분할수 있는주요한인자가된다. 일반적으로침수심이교각의높이보다낮을경우교량에미치는피해는미미하다고할수있다.

3 Fig. 5. Damage Mechanism of Bridge Structures (Shoji and Moriyama, 2007). Fig. 3. Steel Stoppers and Seat Extenders on P9. Fig. 4. Damage of Tsuyagawa Bridge by Tsunami. 하여변위제한장치인스토퍼가손상되는구조였지만, 손상이없었으므로상판이 50 cm 이상떠올랐다는것을알수있다. Oouchi and Tsunokake(2011) 는 2011년동일본대지진의지진해일로인한 JR게센누마선에있는츠야가와교량 (Tsuyagawa Bridge) 의피해현황을분석하였다. 해당교량은 6경간의 PC상판이낙교하고, 3개의하천안쪽의 PC상판은상류측에, 3개의 PC상판은파괴된제방의바깥부분에유실되었다. Fig. 4와같이 P3~P5교각은상류측으로기울어졌으며유일하게 P2교각이원래형태를유지하고있다. 지진해일에의한유체력에의하여교각모두상류측으로기울어져있으며, 특징적인것은하류측의볼트는상방향으로탈락하였고상류측의볼트는탈락하는힘에더하여상류측으로구부러져있었다. 결론적으로회전모멘트에의하여탈락하면서수평방향력에의하여상류측의볼트가비틀려구부러졌음을예상할수있다. 지진해일에의하여 PC 상판에수평력과함께상향력이작용하여, 교각의둑마루에서회전하면서낙교한것으로예상된다. 교량받침의고정용앵커볼트의변형으로서도시나리오를추측할수있다. 이러한변형은추후에교량상판에작용했던압력을추정할수있는중요한정보로서사용할수있다. 3. 교량의피해메커니즘지진해일의침수심은파괴메커니즘을정의및구분할수 있는주요한인자가된다. 일반적으로침수심이교각의높이보다낮을경우교량에미치는피해는미미하다고할수있다. 침수심이교각의높이이상일경우에대해서 Shoji and Moriyama(2007) 는 Fig. 5와같이 2가지형태로피해메커니즘을분류하였다. Fig. 5(a) 는침수심이상대적으로낮아교량의상판정도에위치하는경우의파괴현상을설명한것이며, Fig. 5(b) 는침수심이교량의상판이상인경우의파괴현상을설명한것이다. 두파괴유형은모두교량이유체동력학적힘에의해수평력을받는다는것은동일하나, 침수심에따른상향력 (Uplift and Floating Force) 발생여부에차이가있다. 상향력이크게발생하는 Fig. 5(a) 의유형은상대적으로상판의이격및이탈이크게발생할수있으며, 상판의무게와파력에의한하향력이크게발생할수있는 Fig. 5(b) 의유형은하부교각에피해가상대적으로크게발생할수있을것으로판단된다. Kawashima et al.(2011) 는상판이동 ( 이탈 ) 유무의간이판정식을이용하여, 교량종류별로지진해일피해정도의분석을실시하였다. 지진해일의유체력 ( 파력 ) 은유속과항력계수로표현한다음과같은동수력식으로나타낼수있다. F = 1 (1) 2 --ρ w C D v 2 A 여기서 ρ w 는해수의밀도 (1,030 kg/m 3 ) 이며, C D 는항력계수, v는해수의유속, A는흐름방향에수직인구조물의투영면적을나타낸다. 지진해일에대한상판의저항력 S는아래의식과같이마찰계수와상판의중량에서부력을뺀값의곱으로표시된다. S = µρ ( s gv ρ w gv' ) (2) 여기서 µ 는마찰계수 (0.6) 이며, V는상판의체적 (m 3 ), V' 는수중에서차지하는상판의체적 (m 3 ) 이다. F는상판에작용하는수평파력 (N) 이다. 교량상판의이동유무와관련하여교량에작용하는해일의수평파력과상판의중량의저항을 Fig. 6와같이고려하여, 이둘의비율을식 (3) 와같이안전율 β(safety Factor, S.F.) 로정의했다. 지진해일에의한교량의피해유형분석 3

Fig. 6. Forces Acting on a Bridge Girder and Resistance of the Bridge Girder. S β = -- F (3) β가클수록상판의저항력이크며, 이탈되기어려운교량을의미한다. 식 (3) 의 β 값이 1 미만이면해일파력이상판무게에의한마찰력을상회하여교량상판이수평으로이동하는것을의미한다. 4.

국토교통부에서고속국도, 일반국도, 특별 광역시도, 국가지원지방도, 지방도, 시 군, 구도상의도로교량및터널현황을파악하고자작성한 2012년 12월기준도로교량및터널현황 을기반으로지진해일가상피해지역의교량통계현황을조사하였다 (Table 1). 가상피해지역의주요교량은 Fig.

4 Fig. 6. Forces Acting on a Bridge Girder and Resistance of the Bridge Girder. S β = -- F (3) β가클수록상판의저항력이크며, 이탈되기어려운교량을의미한다. 식 (3) 의 β 값이 1 미만이면해일파력이상판무게에의한마찰력을상회하여교량상판이수평으로이동하는것을의미한다. 4. 국내교량의피해유형분석및분류 4.1 국내동해안지역교량형태선정기존해외교량의피해사례를참고하여피해유형의분류를제시하기에앞서, 지진해일피해가능성이높은국내동해안지역 ( 이하지진해일가상피해지역 ) 에위치한교량의형식과평균교각의높이등을조사하였다. 국토교통부에서고속국도, 일반국도, 특별 광역시도, 국가지원지방도, 지방도, 시 군, 구도상의도로교량및터널현황을파악하고자작성한 2012년 12월기준도로교량및터널현황 을기반으로지진해일가상피해지역의교량통계현황을조사하였다 (Table 1). 가상피해지역의주요교량은 Fig. 7의고속국도 65번에 257 개와일반국도 7번에 204개가분포되어있으며, 이외에강원도, 경상북도와울산광역시에속하는일반국도 31번, 특별 광역시도, 국가지원지방도, 지방도와시 군도로의교량을모두합하면총 1,243개이다. 도로교통및터널현황통계자료는교량의총폭, 유효폭, 높 Fig. 7. Target Tsunami Disaster Area in the East Coast. 이와상 하부구조형식등을제공한다. 앞서다룬교량에대한지진해일피해사례를참고하면피해의대부분은상판의이동이나유실등이다. 주요피해원인은지진해일의범람으로인한파력및부력이므로, 교량의높이와침수심의차이에따라피해의정도가다르다. 따라서상부구조형식및교량의높이에대해도로교량의통계자료를분석하였다. 지진해일가상피해지역내의도로교량의상부구조형식현황을 Table 1에나타내었다. 정리된자료를분석하면, 가상피해지역에설치된주요교량의상부구조를 RC 슬래브교 (34%), PSC I형교 (20%), 라멘교 (18%) 와강상자형교 (13%) 로분류할수있다. 라멘교이외의 RC 슬래브교, PSC I형교와강상자형교는교량형식중가장많이쓰이고일반적인보 (Girder) 를수평방향으로가설한교량이다. Table 1. Types of Bridges Located in the East Coast Road types Special National Provincial Roads Provincial City District Expressway Metropolitan Highway (State aid) Roads Roads Roads Superstructure City Road Sum PSC I (20%) RC Slab (34%) Steel Box Girder (13%) Rigid-frame (18%) Etc (1.4%) Sum ,243(100%) 4 한국방재학회논문집, 제 15 권 3 호 2015 년 6 월

5 Table 2. Average Height of Bridges Located in the East Coast Superstructure RC Steel Box PSC I Rahmen Slab Girder Height Sum 1 ~ 5m 74% 31% 63% 19% 57% 6 ~ 10m 25% 42% 35% 51% 33% 11 ~ 15m 1% 27% 2% 30% 9% 교량의교각높이에따라지진해일에의한피해가달라지므로앞의 4개의교량을기준으로평균높이를분석하였다. Table 2는전도로의 4종류의교량의평균높이를나타낸다. 전체 15 m 이하의교량중 5m 이하의교량이 57% 로가장많다. 일반적으로지진해일의침수심이교량의높이보다높을때많은피해를유발한다. 즉, 가상침수지역에설치된절반이 상의교량이지진해일에취약할수있으므로, 해당교량의표고가고려된지진해일침수예상도의침수심을기준으로피해여부를예측하여그예방책을마련해야한다. PSC I형교의평균높이는 16 m로가장높고, 최대높이 49 m 이다. 강상자형교의평균높이는 13 m이며, 최대높이는 52 m이다. RC 슬래브교와라멘교의평균높이는 5m이며, 각각최대높이는 32 m와 16 m이다. 모든교량의최소높이는 1m이다. 2011년동일본지진해일의경우최대처오름이 38 m이며, 평균적으로침수심이 15~20 m 정도이다. 인접한진원지로부터지진해일의직접적인피해를입는일본과달리, 국내는일본서안의진원지로부터멀리떨어져있어낮은처오름과침수심이예상되므로, 교각높이 15 m 이하의교량에대하여피해분류를실시하기로하였다. 이를토대로교량의구조물형태를선정하면, 교각높이 15 m 이하의 RC 슬래브교, PSC I형교, 라멘교와강상자형교가피해유형및내하력분석의대상구조물로적합하다. 하지만, 국외지진해일에의한교량의피해사례를살펴보면교량의피해여부는상판이이동하거나유실하는것이므로, 상부구조와하부구조가일체인라멘교의경우지진해일에의한직접적인피해가미소하다. 이에따라지진해일의의한피해유형및내하력분석의대상에서제외한다. 최종적으로분석하고자하는교량의구조물형태는 Table 3과같이선정하였다. Table 3. Structural Classification of Bridges Located in East Coast against Tsunami Superstructure Types Bridge Height (m) RC Slab 1~15 PSC I Girder 1~15 Steel Box Girder 1~15 교량의종류는 RC 슬래브, PSC I형교, 강상자형교로대분류하였으며, 침수심 1m 간격으로안전율계산을실시하여피해여부를판단하였다. 4.2 국내동해안의교량피해유형분류교량의피해정도분류로서, 앞서해외의사례를분석하고국내현황에맞게적용시켜, Table 4와같이분류하였다. 1 전파의경우는상판의유실에의해구조물의안전성과주요기능을상실할경우에해당하며, 수리가불가하고재건축이필요한경우이다. 2 반파의경우상판이일부이동하는등구조물의안전성에직접적인영향을미치는주요부재가손상되었을경우로분류되며, 중요결함부위를수리하면이용가능하다. 3 경미의경우, 교량의난간과같은비구조부재및부속장치가손상되었으나주요기능에피해가없어, 경미한결함의수리이후이용가능한경우이다. 이러한분류에맞추어보편적인교량의피해유형을제시하였다. 5. 국내교량피해분석기법적용 5.1 교량상부구조물의저항력계산 교량설계및시공시작성한시방서나설계도면등을이용하면대상교량에대한실제고정하중을산출할수있지만, 본절에서는피해분석기법의적용성을검증하고자표준단면도를고려하였다. 국토해양부에서주관한건설교통 R&D 정책기반사업의교량가시설표준도개발및시공상세도표준화 (2010) 연구를통해작성된 RC 슬래브교의표준도를고려하였다. RC 슬래브교의표준도는총 105개로경간장 (8~16 m) 에따라단경간 (57개), 2경간 (28개) 와 3경간 (21개) 로구성되어있다. PSC I형교는한국도로공사에서제공하는표준도를사용하였으며, I형거더단면은경간장에따라 3개 (25 m, Table 4. Three Damage Classes of Bridges against Tsunami Damage Degree Condition of Class Structural Stability, Functional Damage Repair Possibility Bridge Superstructure Complete Damage Loss of structural stability and major function Non-repairable Flowed out completely Major Damage Minor Damage Damage of main elements that directly affect structural stability Damage of non-structural components, No damage for structural performance Possible to be used after major reparations Possible to be used after minor reparation Moved but not detached from abutment Damage of bridge attachments 지진해일에의한교량의피해유형분석 5

6 30 m와 35 m) 로구성되어있다. 이외의강상자형교는국내의표준도가없기때문에 Kosa(2012) 에제시된동일본지진해일에의해파손된교량을고려하였다 RC 슬래브교 교량의피해유형은교각사이의상부구조물의이탈이주요하므로, 지진해일피해지역내교량의평균경간장 (12 m) 을고려하여단경간 12 m로선정하였다. Fig. 8은단경간 12 m 의 RC 슬래브교의표준단면도를나타낸다. RC 슬래브교의고정하중은도로교설계기준 (2010) 에서공표한철근콘크리트단위질량 (2,500 kg/m 3 ) 과상부구조물의체적을이용하여산정하였으며, 2,724 kn으로나타났다. Kosa(2012) 가제시한마찰계수 (µ=0.6) 를이용하면 RC 슬래브교의저항력은 1,634 kn이며, 부력을고려할경우 961 kn 이다 PSC I 형교 지진해일피해지역내 PSC I 형교의평균경간장은 28 m 이다. 교각의높이에상관없이경간 30 m PSC I형교의표준도를선정하였다. Fig. 9은경간 30 m PSC I형교의표준도를나타낸다. PSC I형교의고정하중은도로교설계기준 (2010) 에서공표한프리스트레스트콘크리트단위질량 (2,500 kg/m 3 ) 과상부구조물의체적을이용하여산정하였으며, 14,130 kn으로나타났다. PSC I형교의저항력은 8,478 kn이며, 부력을고려할경우 4,985 kn으로나타났다. Fig. 8. Cross-section of the Standard 12 m RC Span Slab Bridge (S=1:50) 강상자형교지진해일피해지역내강상자형교의평균경간장은각각 44 m이다. RC 슬래브교및 PSC I형교와달리표준도가없기때문에지진해일에의해파손된교량의단면도를선정하였다. Kosa(2012) 는지진해일에의해파손된상부구조형식에따라 β 값을산정하였으며, 고려된상부구조형식의단면을기재하였다. 이중 Shinaigawa 교량의강상자형교단면을발췌하였으며, 경간장은 45 m로선정하였다. 강상자형교의고정하중으로서도로교설계기준 (2010) 에서공표한콘크리트 (2,350 kg/m 3 ) 및강재 (7,850 kg/m 3 ) 의단위질량과상부구조물의체적을이용하여 7,282 kn을도출하였다. 강상자형교의저항력은 4,369 kn이며, 부력을고려할경우 2,535 kn이다. 각표준교량형식의단위길이당상판의중량을기반으로산정되는저항력은 R C슬래브교가 136 kn, PSC I형교가 283 kn, 강상자형교가 97 kn으로 PSC I형교, RC슬래브교, 강상자형교순으로지진해일에잘견딜수있는것으로나타났다. 이에따라상판이유실되어전파되는데필요한파력은일반적으로 PSC I형교가가장높을것으로사료된다. 5.2 교량에작용하는지진해일파력계산본연구에서는가상지진해일침수예상시뮬레이션의침수심을이용하여지진해일의파력을계산하므로, 속도를포함하는지진해일파력과의차이를고려해야한다. 그러나실제지진해일내습시의정확한유속을파악하는것은상당한어려움이있으며, 유속과항력계수로유체력을표현한동수력식 (1) 을직접적으로이용하는것에는어려움이따른다. 또한시간에따라충돌초기에는쇄파력과충격력이, 이후에는동수력, 침수단계에서는정수력이지배적으로작용하며이를고려할경우한층복잡한외력계산이필요하게된다. 따라서지진해일이동해안지역에내습할경우를가정하고, 대상구조물위치의해일범람높이와그파압에대한분석을실시하여파력을추정, 파력의크기를침수심에대한간단한정수력의배수로정리하면피해예측에효율적으로사용할수있다. 이와같이육상구조물에작용하는지진해일파력을 침수심 만으로도출할수있는다음과같은식 (4) 가 Fig. 9. Cross-section of the Standard 30 m PSC I Girder Bridges. Fig. 10. Cross-sectional View of Standard 45 m Span Steel Box Girder Bridges. 6 한국방재학회논문집, 제 15 권 3 호 2015 년 6 월

제안되고있다. F = αρ w gh 2 B 여기서, F는지진해일파력, α는침수심기반정수압력의배수로서지진해일피해계수를나타내며, h는침수심, B는침수면적의폭 (m) 이다. α값에대해서는현재까지많은연구가수행되어왔으며, 일본의 Tanimoto et al.(1984) 는일반적인파랑에대한해중의방파제에대하여 α=3.3을제안하였다. Asakura et al.

7 제안되고있다. F = αρ w gh 2 B 여기서, F는지진해일파력, α는침수심기반정수압력의배수로서지진해일피해계수를나타내며, h는침수심, B는침수면적의폭 (m) 이다. α값에대해서는현재까지많은연구가수행되어왔으며, 일본의 Tanimoto et al.(1984) 는일반적인파랑에대한해중의방파제에대하여 α=3.3을제안하였다. Asakura et al.(2000) 또한모형실험을통한호안을월류한지진해일에의한파력을분석하여, 정수압에기반한파력을도출하여 α=4.5를제시하였다. 일본근해에서발생하여동해를거쳐국내에내습하는지진해일을고려할경우, 전파시간이 100~120분에이르는먼거리를전파함으로서심해영역에서의단주기파와장주기파의분산효과및해저지형에의한굴절, 반사, 회절로인하여동수압적인파의위력이약해짐을고려하여, α=3.3으로채택하여안전성계산을실시하였다. 국내동해안지역의침수예상도정보가있을경우, α값을이용한지진해일의파력을이용하면해당교량의위치의침수심정보만으로작용하는파력을산출할수있는장점이있다. 교량은교각높이이상의상부구조물에작용하는파력에의해서만파손되므로교량의교각높이 (Z) 를고려해야한다. B는침수부분의폭으로써교량의경간장을고려하였다. 본절에서는교각의높이에상관없이동일한표준단면도를사용하였으므로침수심과교각의높이차이 (h Z) 에따라파력을산정하였다. Table 5는침수심과교각의높이차를 1m 간격으로설정하여각구조형태별지진해일파력을계산한결과이다. 5.3 저항력과파력에따른 β 값 ( 안전율 ) 조사앞서계산된지진해일파력과교량의저항력을이용하여침수심에대한각구조형태별교량의 β 값을계산하였다. 상부구조물의최상단보다높은침수심에대해서는부력을고려한저항력을적용하였다. Kosa(2012) 의인도네시아및일본의교량피해분석결과를참조하여 β 값과교량의피해유형을다음과같이정의하였다. Table 7은침수심과교각의높이차이에따른교량의피해 Table 5. Tsunami Wave Force Acting on the Bridges (kn) Superstructure Types (4) Inundation Depth minus Height of Piers (h-z) (m) RC Slab 400 1,598 3,596 6,393 9,989 PSC I 999 3,996 8,990 15,983 24,973 Steel Box Girder 1,498 5,993 13,485 23,974 37,459 Table 6. Relationship between β Ratio and Damage Type Classification Classification Damage Types β Ratio Range Complete Damage Loss of superstructure β<10 Major Damage Minor Damage Movement of superstructure Damage of bridge attachments Table 7. Damage Assessment Table for Bridges 분류표이다. 계산결과 PSC I형교는교각을넘어선 3m 높이의지진해일에의해전파, RC 슬래브교와강상자형교는 2m 높이의지진해일에의해전파가발생함을확인하였다. 6. 결론 1.0 β< β<3.0 대표적인연안토목구조물인교량의피해사례분석을통하여우리나라의연안구조물의지진해일에대한방재대책과설계기준마련을위한기초조사를실시하였다. 교량의지진해일에대한안전성여부는상판의이동및유실여부가피해의규모를가르는척도라고할수있으며, 지진해일이교각높이이상도달하지않는한피해가미미함을고려하면교각의높이가높을수록, 지진해일에대한저항력의척도로서교량상판의무게가클수록안전한것으로나타났다. 따라서향후우리나라에올수있는지진해일의내습시최대침수심의예측치를설계및방재대책에반영하여, 교각이상대적으로낮아피해범위에있는교량의경우에는상판의저항력을높이는대책을실시하는것이지진해일발생시상판이유실되지않도록하는하나의대응책이라고할수있다. 이외에도피해가예상되는지역의교량의교각을높이는방법, 지진해일에유실되어도도로가마비되지않도록하는방법 ( 우회로확보 ) 으로피해를방지할수있다. 본연구에서피해사례분석및국내동해안에인접한교량의현황분석을통하여정리할수있는내용은아래와같다. (1) 국내동해안지역의지진해일피해와관련하여교량의상부구조형식은 RC 슬래브교, PSC I형교, 강상자형교 이 지진해일에의한교량의피해유형분석 7

8 며각각에대해서교량의높이 (1~15 m) 별로분류가능하다. 지진해일이육지로내습하여교량의교각을넘어선침수심이 1m에달할경우피해가발생할것으로추정된다. (2) 교량의피해유형분석을통하여지진해일에대한 전파 를상판의유실, 반파 를상판의이동, 경미 를부속장치의파손으로각각정의할수있다. 안정성결과를통하여, 국내표준교량의경우교각높이를넘어선지진해일의침수심 ( 침수심 - 교각높이 ) 이 3m에도달할경우, 모든교량의종류에대해서상판의유실 ( 전파 ) 이발생할것으로판단된다. 현재까지국내에관측된지진해일은네차례로서국외피해사례와달리피해규모가작은편이다. 그러나만약의사태를대비해최악의시나리오를상정하여, 피난계획이나구조물의 피해예측을실시할필요성이있다고사료된다. 또한육지로범람한지진해일의파력에대한고도화된분석과연구를실시하여신뢰성이높은외력을제시하여피해예측의정밀화가필요하다. 이를통해서예측범위를넘어선규모의지진해일의경우에도피해를최소화할수있을것이다. 또한본연구에서일부조사가된토목구조물의피해형태및예측과관련한정보와기술을축적하여, 만약에발생하는피해에대한대비및경제적피해액분석을실시할필요가있을것이다. 구체적으로는향후일본서쪽해안에서발생하는지진에의한국내동해안의지진해일피해를대비하여우리나라의연안에위치한주요도로, 교량, 항만, 방파제, 원자력발전소, 화력발전소등의피해가능성및방재대책마련과설계기준의제시가필요하다. 감사의글 본연구는국민안전처자연피해예측및저감연구개발사업으로수행한 지진해일에의한구조물피해분석기술개발 [MPSS-지진 ] 과제의성과이며, 2015년도정부 ( 미래창조과학부 ) 의재원으로한국연구재단-원자력연구개발사업의지원을받아수행된연구입니다 (NRF-2014M2B2A ). References Asakura et al. (2000) An Experimental Study on Wave Force Acting on On-Shore Structures due to Overflowing Tsunamis, Proceedings of Coastal Engineering, Japan Society of Civil Engineers, Vol. 47, pp Fu, L., Kosa, K., Shimizu, H., and Shi, Z. (2012). Damage judgment of Utatsu Bridge Affected by Tsunami due to Great East Japan Earthquake, Journal of Structural Engineering, JSCE, Vol. 58A, pp Kawashima, K., Kosa, K., Takahashi Y., Akiyama M., et al. (2011) Damage of Bridges during 2011 Great East Japan Earthquake, Proceedings of 43rd Joint Meeting, US-Japan Panel on Wind and Seismic Effects, UJNR, Tsukuba Science City, Japan. Kosa, K. (2012). Damage analysis of bridges affected by Tsunami due to great east japan earthquake, Proceedings of the International Symposium on Engineering Lessons Learned from the 2011 great east japan earthquake, March 1-4, Tokyo, Japan Ministry of Land, Infrastructure, and Transport (2012) 2013 Road Bridge and Tunnel Statistics. Ministry of Land, Transport and Maritime Affairs (2010) Bridge Design Specification. Oouchi, H. and Tsunokake, H. (2011) Survey Report of Damage Cases on the Civil Engineering Structures by the Great East Japan Earthquake-Tsunami. Shoji, G. and Moriyama, T. (2007) Evaluation of the Structural Fragility of a Bridge Structure subjected to a Tsunami Wave load, Journal of Natural Disaster Science, Vol. 29, No. 2, pp Tanimoto, K., Tsuruya, K., and Nakano, S. (1984) Tsunami Force of Nihonkai-Chubu Earthquake in 1983 and Cause of Revetment Damage, Proceedings of the 31th Japanese Conference on Coastal Engineering, JSCE, Japan. Yang, W.J. and Lee, W.H. (2013) Damage Pattern Analysis of Buildings by Tsunami, Journal of Korean Society of Hazard Mitigation, Vol. 13, No. 6, pp Received March 10, 2015 Revised March 13, 2015 Accepted April 3, 한국방재학회논문집, 제 15 권 3 호 2015 년 6 월

<353920C0B1B1E2BFEB2DB0E6B0F1C0DCB1B320BBF3BACEB1B8C1B6C0C720C8DA2E687770>

<353920C0B1B1E2BFEB2DB0E6B0F1C0DCB1B320BBF3BACEB1B8C1B6C0C720C8DA2E687770> Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 14, No. 4 pp. 2000-2005, 2013 http://dx.doi.org/10.5762/kais.2013.14.4.2000 경골잔교 상부구조의 휨 및 비틀림에 대한 구조 안전성 검토 함규성 1, 임남형 2, 박종섭 3, 윤기용 1*