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태호 빙
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1 Journal of the Korea Academia-Industrial Cooperation Society Vol. 12, No. 9 pp , 황성춘 1* 1 경주대학교철도건설환경공학과 Evaluation of the Application and at Seismic Design of Dam Seong-Chun Hwang 1* 1 Railroad Civil & Environment Engineering, Gyeongju University 요약일본과같은지진빈발국은 CFRD의경우지진시댐제체상류부의 Face Slab에응력이집중하여파괴되는경우를대부분상정하여내진안정성을평가한다. 그러나우리나라에서는현재까지이에대한명확한해석방법이확립되어있지않다. 본논문은 CFRD에대하여등가정적해석및동적해석수행후진동대시험과비교하여그신뢰성을평가하였다. 등가정적해석은진도법, 수정진도법, Newmark법을적용하였고동적해석은주파수응답해석, 시간이력해석법을적용하였다. 해석결과해석방법별편차는발생하나가속도및변위의발생경향은진동대시험결과와잘일치하였다. Abstract In the country with frequent earthquakes like Japan, resistance to earthquake is assessed on the basis that Dam body's Face slab is destroyed by concentrated stress. In our country this kind of modeling and analysis is not yet definitely established. This paper performed pseudo static analysis and dynamic analysis for CFRD and evaluated reliability with the results of Shaking Table Test. The Seismic coefficient method, modified seismic coefficient method, Newmark method of Pseudo-static analysis and frequency domain response analysis, time domain history analysis of dinamic analysis were used. The analysis results were differ between analysis method, but the trends of acceleration and displacement were good agreement with the results of shaking table test. Key Words : Modified seismic coefficient method, Newmark method, Frequency domain response anlaysis, Time domain history anlaysis 1. 서론 댐의내진설계는보통진도법에바탕을둔원호활동법에의하도록규정되어있다. 그러나최근내진에대한관심이커짐에따라, 내진설계와내진성능평가에대한활발한연구로과거에적용했던기준만으로는실제의동적특성을반영하지못한다는단점이야기되고있다 [1]. 또한, 시공기술의진보와함께댐의규모는커지는반면댐의기초는비교적연질또는파쇄대가많은암반상에건설되는경향으로이러한추세를반영하여댐의지진응답을 보다실제에가까운모습으로설계할필요성이증대되었다. 따라서, 댐의내진해석시등가정적해석에진도법을포함하여수정진도법, Newmark법이적용되고동적해석에주파수응답해석, 시간이력해석이실시되고있으며이에대한연구도필요한실정이다. 이에본연구는댐의내진안정성평가방법인등가정적해석과동적해석법을소개하고최근댐시공시다수채택되어관심이높아진 CFRD( 콘크리트표면차수벽형석괴댐 ) 에적용하여댐의지진시동적거동특성을비교하였다. * 교신저자 : 황성춘 (yeons@yeons.co.kr) 접수일 11 년 07 월 21 일수정일 11 년 08 월 24 일게재확정일 11 년 09 월 08 일 4239

2 한국산학기술학회논문지제 12 권제 9 호, 댐의내진검토방법 2.1 등가정적해석 (Pseudo Static ) 기존비탈면의정적초기응력상태에추가로작용하는동하중을상응되는등가정적하중으로대체하여고려함으로써, 정적인해석방법에의해전체비탈면에작용하는동적하중에대한안전율을산정하는방법으로진도법, 수정진도법, Newmark 법등이있다. 설계에작용하는지진력은작용정하중에대한지진관성력만고려되고동수압은그영향이미미하므로제외된다. 또한지진력은활동면상의제체무게에설계진도를곱한지진관성력으로적용되며이힘의작용점은활동면의중심이고, 작용방향은수평방향이나안정에불리한쪽으로정해진다 진도법진도법은구조물에작용하는불규칙적인진동인지진력에의한영향을해석하기위하여자중의일부분을수평또는수직력으로재하하여정적해석을수행하는방법으로이때적용하는지진력의크기는질량에비례하므로수평방향의지진력의크기를중량으로나눈값을지진계수라고하며다음과같이구할수있다. (1) 여기서, 는수평방향지진력, 는지진계수 ( 설계진도 ), 은질량, 는중력가속도이다. 연직진도는진원지부근이아니면수평진도의 1/3~1/2 이하로산정하며, 일반적으로해석시에는수평진도만을고려하고, 연직진도는연직진도를받을것으로예상될경우에한하여고려하는것으로한다 수정진도법댐의설계에서진도는댐상부에서저면까지진도가같다고가정하나, 모든관측결과에의하면댐상부의진동은하부진동에비하여크게관측되며그비도매우크다. 따라서, 높은댐의경우에댐상부에대하여높은값의설계진도를채택하는것이합리적이다. 한계평형해석에서적용되는수정진도법은댐의천단표고와활동면의최저표고차와댐의높이비에따라다음과같이제체지진계수를적용하고있다. 0 < y / H 0.4 일때, k = k F { ( y / H )} (2) 0.4 < y / H 1 일때, k = k F { ( y / H )} (3) 여기서, 는제방높이, 는천단표고와활동면의최저표고차, 는설계지반진도이다. 댐제체의원호활동면의형상에따라 를정의하는방법은그림 1과같다. Height that arc and slope cross point is maximum y A y = crown - slope cross point(a) y A (a) CASE1 Arc starts from below the crown y = crown - slope cross point(a) (c) CASE3 H H When cross between arc and slope is not maximum y A B y = crown - arc bottom(b) y y = H (b) CASE2 Arc crosses the base (d) CASE4 [ 그림 1] 원호활동면의형상에따른 y 의적용 [Fig. 1] Appplication of Y according to active plane of circular failure 유한요소해석에서는댐설계기준 (2003, p466)[2] 에의하여댐상부 ( 댐높이의 3/4이상부분 ) 에대해설계진도의 2배값을채택하며댐상부에설치되는수리구조물의경우또한동일하게적용한다 Newmark 법 일반적인유사정적법은단순히지진계수로인한수평력을증가시켜댐제체의안전율을계산하므로안전율과관계없이댐의발생변위에대해서는알수가없다. Prater 는사면의잔류변형을유발시키는시점의지진계수를정의하여그때의안전율을 1로간주하였다. 한편, Newmark 는사면의잔류변형을발생시키는항복수평가속도의개념을제안하고안전율이 1이되는진도 ( 항복진도 ) 를결정한후활동량을계산하였다 [3]. 그림 2와같은원호슬라이딩토괴에서토괴중량 와지진시관성력 에의한슬라이딩모먼트 가성토또는지반의전단저항 에의한저항모먼트 을상회한다면토괴는초과모먼트의작용에의해회 H H 4240

전운동을시작한다. 그리고토괴중심점의운동방정식은뉴톤의각운동량보존법칙 ( 각운동량의시간변화율은작용모먼트의크기에동일하다.) 에의해아래식으로주어진다. (4) (5) 2.1.

3 전운동을시작한다. 그리고토괴중심점의운동방정식은뉴톤의각운동량보존법칙 ( 각운동량의시간변화율은작용모먼트의크기에동일하다.) 에의해아래식으로주어진다. (4) (5) 장 단점등가정적해석법은지진하중의산정이간편하고수계산이나간단한전산프로그램에의해해석이가능하여계산노력이나시간이절약된다는장점이있는반면, 구조물의동적특성을고려하지못하여구조물의형태및동적특성에따라계산결과가부정확해질가능성이있으므로중요구조물의내진설계시에동적해석을수반하도록한다. START initial value for design magnitude calculate the minimum safety increase in design magnitude [ 그림 2] 슬라이딩변위량계산모델 [Fig. 2] Calculation model for sliding displacement 여기서 : 토괴중심과슬라이딩원호중심을 연결하는선이연직선과이루는각도 : 토괴질량, : 토괴중량 : 중력가속도, : 점착력 : 토괴중심점과슬라이딩원호중심점의거리 : 수평진도, : 전단저항각, : 분할된슬라이딩면의길이 : 연직진도 : 슬라이딩면에작용하는수직응력 위식에서슬라이딩토괴의회전가속도 가시간의함수인, 에의해나타내어지는것으로부터지진관성력의작용후에처음으로 > ( 슬라이딩안전율 <1) 이되는시각을슬라이딩개시점 ( =0) 로하여 초기조건 ( =0 에서 ) 을부여하여회전속도 가제로로될때까지수치적분 ( 예를들어 Newmark 의 법 ) 을하면회전각 의시각력을구하는것이가능하다. 이와같이 Newmark법은지진파를입력하여댐제체의지진시파괴형태를원호형상으로판정하고, 이활동면상의토괴를강체로하여강체의회전에대한운동방정식을수치적분해서활동변위를산정하게된다. Newmark 법에의한활동변위계산흐름은그림 3과같다. safety factor =1.0? Yes determination of yield magnitude calculation of displacement activity END No [ 그림 3] Newmark 법의계산흐름도 [Fig. 3] Flowchart of Newmark method 2.2 동적해석 (Dynamic ) 등가정적해석법은방법자체가내포하고있는한계성으로인하여작은흙댐이나작은규모의성토사면인경우에만적절히이용될수있는방법이며중요구조물의경우, 작용되는동하중의특성및주어진지반구조물의동적거동특성을적절히고려하기위해서는동적해석법을적용한다 [4]. 동적해석법은대상으로하는구조물혹은지반을모델화하여지진입력으로지진동파형 ( 시간이력해석 ) 또는응답스펙트럼을입력하여해석하는방법으로등가정적해석법에비해보다실제현상에가까운거동을재현할수있고, 원리적으로어떠한구조물에도적용할수있는방법이다 주파수응답해석법 주파수응답해석법은진동계의운동방정식을주파수영역으로계산하여구조물의시각력응답을구하는방법이 4241

4 한국산학기술학회논문지제 12 권제 9 호, 2011 다. 시각영역에서주파수영역으로, 또는그반대의변환은일반적으로고속푸리에변환 (FFT) 이사용된다. 최근에는지반과구조물의상호작용을고려한지진응답해석을실시하는경우가종종있다 [5]. 이경우지반탄력이주파수에의존하여변화하는복수강성으로표현되기때문에이해석법에의하여해석할필요가있다 시간이력응답해석법시간이력응답해석법은모드중첩법과직접적분법으로분류할수있다. 일반적으로구조물이탄성거동을하는경우에는모드중첩법이편리하게사용되며, 구조물이비선형거동을하는경우에는직접적분법이사용된다 [6]. 지진발생시지반운동의시간에따른변화를알때구조물의거동을알아낼수있는가장정확한해석방법으로중요한구조물의설계, 구조물의비선형해석등정밀해석을요구하는경우에적용된다. 직접적분법은진동계의운동방정식을시시각각직접수치적분하여응답을구하는것으로적분방법에따라 Newmark의 β법, Wilson의 θ 법, Runge-Kutta법, 선형가속도법등이있다 장 단점동적해석법은실제의지진파형을입력함으로써동하중에의해유발된지반의응력상태및변형률상태를고려한강도계수를적용하여지반의동적거동특성을적절히반영할수있으므로등가정적해석에비해실제현상에가까운해석법이라고할수있다. 반면, 계산과정이매우복잡하고시간이많이소요되며지반재료의동적거동특성을나타내기위한동적물성을산정하기가어렵다는단점이있다. 3. 댐의안정성검토 본연구는댐의내진해석방법을소개하고그적용성을평가하기위해최근많이시공되고있는댐형식중 CFRD에대하여수평방향의지진력만을고려한등가정적해석인진도법, 수정진도법, Newmark법과동적해석인주파수응답해석, 시간이력해석을실시하여그에대한결과를비교분석하였다. 3.1 해석조건본연구대상의댐은 CFRD(Concrete Faced slab Rockfill Dam), 즉콘크리트표면차수벽형석괴댐으로그림 4와같이댐체는각 Zone별여러가지입도를가진재료로축조되어있으며, 댐상류면이콘크리트 Face Slab으로되어있어 1차적인누수를차단하고있다. 따라서 Face Slab의안정성이매우중요하므로 2차원유한요소해석시보요소로모델링하여휨인장응력을검토하여안정성을판단하였다. 적용지진가속도는본연구대상지역의인근지진발생현황과현재의내진설계기준, 지진에대한댐의안정성문제를종합하여 0.154g를적용하였다. 3.2 해석방법별적용프로그램본해석에적용한프로그램을해석방법별로정리하고또한각프로그램의개요및해석시조건은표 1에나타내었다. 3.3 동수압및적용지진파본해석에서댐에작용하는수위는상시만수위 (Normal High Water Line) 기준으로적용하였고, 그림 5와같이지진시발생하는동수압은 Westergaard 식을사용하여물질량이댐에부가되어댐과같이거동하는것처럼관성력을계산하여댐에주는동수압의영향을고려하였다. Zone3A (Gravel & Cobble) EL Zone2 (Sand & Gravel) Zone1 (Impervious Soil) Zone1A (Random Soil) 1:1.4 Concrete Face Slab 1:0.7 Zone3D (Gravel Fill) 1:2.5 Zone3C (Rock Fill) 1:2.0 1:1.4 1:2.5 1:3.0 Zone1B (Random Fill) 1: : Zone3B (Rock Fill) Zone3E (Rock Fill) Zone1C (Contaminated Soil) Alluvium Weathered rock Bedrock [ 그림 4] 해석단면 [Fig. 4] Interpretation section 4242

5 [ 표 1] 해석방법별프로그램소개및해석조건 [Table 1] Introducing Program and condition of analysis Anlaysis Used Program Condition of Slope Stability Program Analyze dam slope in case of all time lowest water level Seismic Coefficient 2-D FEM Program(AFIMEX) Slope loading analysis, Static water pressure, Dynamic water pressure etc. total 21 step analysis Earthquake force is treated as static external force and applied to structure's weight Constant Value Static Modified Seismic Coefficient 3-D FEM Program(AFIMEX) Slope loading analysis and static water pressure are applied then dam's body is put to horizontal magnitude Slope Stability Program Analyze dam slope in case of all time lowest water level 2-D FEM Program(AFIMEX) Slope loading analysis, Static water pressure, Dynamic water pressure etc. total 21 step analysis Dam's upstream applies design magnitude's double value, downstream applies exact value. Newmark Slope Stability Program analyze the slope's active plane displacement and magnitude Dynamic Frequency Response T i m e Domain 2-D Dynamic Program (AFIMEX-FLUSH) 3-D Dynamic Program (TDAP Ⅲ) Effect of fresh water at earthqauke event is modeled. :Dynamic water pressure is converted to additional weight In-situ ground and dam body : treated as 8 deflection points and 6 deformable bodies Reserved water : 3 dimensional liquid element Plane between water and ground : 3 Dimension plastic plane element Reserved water surface : 3 dimension liquid surface element P d = 7 8 W w K 1 Hh (6) 여기서, P d 는동수압 (tf/m 2 ), W w 는물의단위중량 주기파특성의 Ofunato파지역적특성을고려한인공지진파 ( 지진구역Ι-경암, 0.154g) 를적용하였으며지진파의최대가속도를 0.154g로조정하여기반암에가진시켰다. 각입력지진동은표 2와같다. (tf/m 3 ), K 1 은설계지진계수, H 는상시만수위면에서 기초지반까지수심, h는상시만수위면에서임의점까지수심이다. 4. 해석결과 본연구는 CFRD에대해서표 2의수평방향의지진동을적용하여등가정적해석법및동적해석법에의한댐의내진해석을실시한후진동대시험결과와비교분석하였다. [ 그림 5] 동수압분포도 [Fig. 5] distribution of dynamic water pressure 동적해석시장주기파특성을지닌 Hachinohe 파와단 4.1 등가정적해석결과 한계평형해석법댐의상시만수위시에대하여진도법, 수정진도법을적용하여하류비탈면의안정해석을실시한결과최소안전율이각각 1.2, 1.07로댐높이의 3/4이상에대하여설 4243

6 한국산학기술학회논문지제 12 권제 9 호, 2011 [ 표 2] 입력지진동 [Table 2] Input seismic wave Dividing Long-period wave Short-period wave Artificial Earthquake wave Seismic wave Magnitude Maximum Acceleration (gal) (gal) (gal) 계진도 2배의값을적용시킨수정진도법의안전율이다소낮게나타났다. Hachinohe파를적용하여 Newmark법에의한활동변위및발생진도를검토한결과활동발생진도는 0.17g이고활동변위는발생하지않아 0.154g를적용한본댐에서는지진시활동에대한안정성이확보되는것으로판단된다 차원등가정적해석진도법을적용한등가정적 FEM해석결과상시만수위시에비해수평변위는댐정부에서최대 6.6cm 증가하였으며, 침하량의증가는미소한값을나타냈다. 댐체위치별변위증감을나타낸그림 8과같이댐저부에서정부로갈수록변위가크게발생하였다. 이러한결과는 CFRD의진동모드가정부로갈수록증가되는것으로등가정적해석시진도법보다는심도별진도를달리하는수정진도법을적용하여해석하는것이바람직하다고판단된다. (a) Seismic Coefficient (b) Modified Seismic Coefficient [ 그림 6] 한계상태평형해석결과 [Fig. 6] Result of Limit equilibrium analysis [ 그림 8] 진도법에의한변위증감도 [Fig. 8] Displacement diagram of Seismic Coefficient [ 그림 7] Newmark 법해석결과 [Fig. 7] Result of Newmark method analysis 4244

02kgf/cm 2 ) 이하이므로안정한것으로판단되며, 모멘트도는그림 9(b) 와같다. 수정진도법은그림 10과같이댐높이의 3/4 이상에대하여설계진도의 2배, 그하부에대해서는 1배를적용하여해석하였다. 해석결과상시만수위시에비해수평변위는댐정부에서최대 8.78cm 증가하였고, 침하량의증가는미소하게나타났다.

7 (a) Point Safety Factor Diagram (b) Moment Diagram of Face Slab [ 그림 9] 진도법에의한해석결과 [Fig. 9] Result of Seismic Coefficient [ 그림 10] 수정진도법해석모델도 [Fig. 10] Model of Modified Seismic Coefficient 그림 9(a) 의점안전율검토결과댐의상류측사면상부에서안전율 1.0이하인영역이국부적으로분포하여댐의안정성저하에는미치는영향은미소한것으로판단된다. 또한, Face slab을보요소로모델링하여휨인장응력을검토한결과최대응력이 0.49kgf/cm 2 로허용응력 (6.02kgf/cm 2 ) 이하이므로안정한것으로판단되며, 모멘트도는그림 9(b) 와같다. 수정진도법은그림 10과같이댐높이의 3/4 이상에대하여설계진도의 2배, 그하부에대해서는 1배를적용하여해석하였다. 해석결과상시만수위시에비해수평변위는댐정부에서최대 8.78cm 증가하였고, 침하량의증가는미소하게나타났다. 그림 11는댐체의위치별변위증감도를나타낸것으로댐저부에서정부로갈수록변위가크게발생하며, 진도법을적용한결과보다수평변위가최대 2.0cm 증가하였다. 점안전율검토결과댐의진도법에의한결과보다안전율이다소낮아지는결과를보이나댐제체의전반적인점안전율분포와주응력방향등을고려하면댐사면의파괴로이어질가능성은거의없을것으로판단된다. Face slab의휨인장응력은진도법과동일하게나타나안정한것으로판단된다. [ 그림 11] 수정진도법에의한변위증감도 [Fig. 11] Displacement diagram of Modified Seismic Coefficient 4245

한국산학기술학회논문지제 12 권제 9 호, 2011 (a) Point Safety Factor Diagram (b) Moment Diagram of Face Slab [ 그림 12] 수정진도법에의한해석결과 [Fig. 12] Result of Modified Seismic Coefficient 4.1.3 3차원등가정적해석진도법을적용한 3차원등가정적해석의모델은그림 13와같으며, 시공과정을고려한단계해석및 Westergaard 식에의한동수압재하후댐체에수평진도를가진하였다.

그림 15 (a) 에나타낸점안전율검토결과댐의사면부에안전율 1.0 이하인영역이매우작게나타나고있으나, 댐체전반적으로 1.5이상의안전율을확보하고있어댐의안정성에는영향이없을것으로판단된다. 또한, Face slab의휨인장응력을검토한결과최대응력이 2.46kgf/cm2로허용응력 (6.

14] Displacement diagram of 3-D Seismic Coefficient (a) Point Safety Factor Diagram (b) Stress Diagram of Face Slab [ 그림 15] 3 차원진도법에의한해석결과 [Fig.

8 한국산학기술학회논문지제 12 권제 9 호, 2011 (a) Point Safety Factor Diagram (b) Moment Diagram of Face Slab [ 그림 12] 수정진도법에의한해석결과 [Fig. 12] Result of Modified Seismic Coefficient 차원등가정적해석진도법을적용한 3차원등가정적해석의모델은그림 13와같으며, 시공과정을고려한단계해석및 Westergaard 식에의한동수압재하후댐체에수평진도를가진하였다. 해석결과그림 14와같이지진시수평변위는댐정부에서최대6.0cm 증가하였고침하량의증가는미소한값을나타내고있다. 댐정부의지진시누계변위는 X방향 9.81cm, Y방향 7.12cm로 2차원해석보다는다소크게나타났으나, 허용변위 (30cm) 이내로나타나제체의안정성에는문제가없다고판단된다. 그림 15 (a) 에나타낸점안전율검토결과댐의사면부에안전율 1.0 이하인영역이매우작게나타나고있으나, 댐체전반적으로 1.5이상의안전율을확보하고있어댐의안정성에는영향이없을것으로판단된다. 또한, Face slab의휨인장응력을검토한결과최대응력이 2.46kgf/cm2로허용응력 (6.02kgf/cm2) 이하이므로안정한것으로판단된다. 응력도는그림 15(b) 와같다. [ 그림 14] 3 차원진도법에의한변위증감도 [Fig. 14] Displacement diagram of 3-D Seismic Coefficient (a) Point Safety Factor Diagram (b) Stress Diagram of Face Slab [ 그림 15] 3 차원진도법에의한해석결과 [Fig. 15] Rusult of 3-D Seismic Coefficient [ 그림 13] 원지반과댐체의모델 [Fig. 13] Model of In-situ ground and Dam body 4.2 동적해석결과동적해석시 Hachinohe파, Ofunato파및인공지진파를적용하여 2차원주파수응답해석과시간이력해석을실시하였다. 또한, 2차원해석결과응답변위및응답가속도가가장크게나타난 Hachinohe파를적용하여 3차원해석을실시하고진동대시험결과와비교하였다. 4246

4.2.1 2차원동적해석본댐에서주파수응답해석과시간이력해석에의해 2 차원동적해석을실시하여댐축상의심도별변위와가속도응답값을정리한결과는그림 16 및그림 17과같다. 해석결과댐정부에서최대변위와최대가속도값은두해석법모두 Hachinohe파를적용하였을때가장크게나타났다.

(b) Acceleration Diagram [ 그림 17] 시각력응답해석결과 [Fig. 17] Result of Time Domain Response 4.2.

(a) Displacement Diagram (a) 3D Full Model (b) Model of Field Ground and Dam Body (c) Model of Reserved Water Element [ 그림 18] 3 차원해석모델 [Fig.

16] Result of Frequency Response (a) Displacement Diagram 지진에의한유체와지반 (Fluid-Soil Interaction) 및지반과구조물 (Soil-Structure Interaction)

9 차원동적해석본댐에서주파수응답해석과시간이력해석에의해 2 차원동적해석을실시하여댐축상의심도별변위와가속도응답값을정리한결과는그림 16 및그림 17과같다. 해석결과댐정부에서최대변위와최대가속도값은두해석법모두 Hachinohe파를적용하였을때가장크게나타났다. 최대수평변위는주파수응답해석결과가 1.94 배정도더크게나타났으며, 최대응답가속도는시간이력해석법이약 1.16배정도크게나타났다. 유한요소법에의한댐관리의안정기준이변위조건임을고려한다면주파수응답해석결과가댐의안정성에더욱보수적인해석결과를제시하는것으로판단된다. (b) Acceleration Diagram [ 그림 17] 시각력응답해석결과 [Fig. 17] Result of Time Domain Response 차원동적해석 2차원해석에적용한지진동중가장영향이크게작용하는 Hachinohe파를이용하여 3차원동적해석 ( 시간이력해석 ) 을실시하였으며, 해석모델은그림 18과같다. (a) Displacement Diagram (a) 3D Full Model (b) Model of Field Ground and Dam Body (c) Model of Reserved Water Element [ 그림 18] 3 차원해석모델 [Fig. 18] 3-D analysis model (d) Contact Surface Between Ground and Water (b) Acceleration Diagram [ 그림 16] 주파수응답해석결과 [Fig. 16] Result of Frequency Response (a) Displacement Diagram 지진에의한유체와지반 (Fluid-Soil Interaction) 및지반과구조물 (Soil-Structure Interaction) 의상호작용에의한영향을고려하기위해원지반과댐체, 저수된물, 원지반과댐체의물의접합면요소를각각모델링하여해석에적용하였다. 해석결과댐정부의가속도는 0.318g로지반가속도의 0.154g 보다 2.06배증폭하였으며, 수평변위는 6.17cm, 연직변위는 0.33cm로나타났다. 최대가되는시각에서의발생응력을검토한결과그림 19와같이댐의안정성에문제가될정도의응력은발생하지않아지진으로인한댐의안정성에는문제가없을것으로판단된다. 2차원동적해석과비교하여변위와가속도가다소작게발생하였으나, 이는해석조건의차이로 2차원해석은지반조건을반무한체로가정한반면, 3차원해석시에는현장상태와동일한지반조건을적용했기때문으로사료된다. 4247

한국산학기술학회논문지제 12 권제 9 호, 2011 Max. Value 5.28kg/cm 2 by 6.95sec (a) X Directional Stress Distribution Max. Value 4.32kg/cm 2 by 6.95sec (b) Y Directional Stress Distribution [ 그림 19] 최대응력분포 [Fig.

진동대시험시댐의단면을 1/158 scale로축소제작한모형체를사용하였으며, 원형구조물의거동을정량적으로모사하고자상사법칙을적용하여가속도계및변위계를통한댐모형의동적거동특성을파악하였다. 2차원동적해석시가장영향이큰 Hachinohe파에대하여진동대시험을실시한결과댐정부의가속도는 0.226g로지반가속도의 0.154g 보다 1.

10 한국산학기술학회논문지제 12 권제 9 호, 2011 Max. Value 5.28kg/cm 2 by 6.95sec (a) X Directional Stress Distribution Max. Value 4.32kg/cm 2 by 6.95sec (b) Y Directional Stress Distribution [ 그림 19] 최대응력분포 [Fig. 19] Diagram of maximum stress distribution [ 표 3] 내진검토결과 [Table 3] Result of Dynamic analysis 진동대시험결과와비교 2차원및 3차원동적해석결과의신뢰성을평가하고자진동대시험결과와비교하였다. 진동대시험시댐의단면을 1/158 scale로축소제작한모형체를사용하였으며, 원형구조물의거동을정량적으로모사하고자상사법칙을적용하여가속도계및변위계를통한댐모형의동적거동특성을파악하였다. 2차원동적해석시가장영향이큰 Hachinohe파에대하여진동대시험을실시한결과댐정부의가속도는 0.226g로지반가속도의 0.154g 보다 1.46 배증폭하였으며, 원형스케일로환산한최대변위는수평변위 2.58cm, 연직변위 1.93cm 발생하였다. 이는동적해석결과와비교하여가속도, 변위가다소작게발생하였으나, 댐정부로갈수록가속도변위가증폭되는경향및변위발생경향은동적해석결과와비교적잘일치하였다. 4.3 해석결과비교본연구에서댐의내진해석시적용한등가정적해석과 Dividing Shaking Table Test Seismic Coefficient (2 Dimension) " (3 Dimension) Modified Seismic Coefficient (2 Dimension) Frequency Response (2 Dimension) Time Domain (2 Dimension) " (3 Dimension) Long-Perio Maximum Acceleration(g) Acceleration Amplification Ratio Result of Dam Crown Maximum Hor. Displacement(cm) Maximum Ver. Displacement(cm) Safety Factor of Slope Surface Face Slab Tensile Stress (kgf/cm 2 ) Remark FEM (8.34) 0.84(6.82) Limited Equilibrium Newmak g FEM (9.81) 0.26(7.12) FEM (10.52) 0.68(6.66) Limited Equilibrium Long-Perio Short-Perio Man-Made Wave Long-Perio Short-Perio Man-Made Wave Long-Perio

동적해석결과를정리하면표 3과같다. 등가정적해석결과수정진도법의변위가진도법에비해약 1.3배크게나타났다. 진동대시험과동적해석을이용하여설계지진발생시제체의거동분석을실시한결과 Hachinohe파의경우, 댐정부의지반가속도는 0.226g 에서 0.321g로증폭되는것으로나타났다.

11 동적해석결과를정리하면표 3과같다. 등가정적해석결과수정진도법의변위가진도법에비해약 1.3배크게나타났다. 진동대시험과동적해석을이용하여설계지진발생시제체의거동분석을실시한결과 Hachinohe파의경우, 댐정부의지반가속도는 0.226g 에서 0.321g로증폭되는것으로나타났다. 해석방법에따른편차는다소있지만발생변위는주파수응답해석이크게나타났으며, 응답가속도는시간이력해석법이크게나타났다. 5. 결론 본연구에서는최근댐시공시다수채택되어관심이높아진 CFRD( 콘크리트표면차수벽형석괴댐 ) 에대하여댐의내진안정성평가방법인등가정적해석과동적해석법을적용하고댐의지진시동적거동특성을비교하였다. 1) 등가정적해석시진도법과수정진도법의차이를분석하고자안전율에기초한한계평형해석법과지반변위에기초한정동적 FEM해석을하였다. 한계평형해석결과최소안전율은진도법 1.2, 수정진도법 1.07로나타났으며, 유한요소해석결과수정진도법에의한최대변위가약 2cm 정도더크게나타났다. 진도법에의한 2차원및 3차원유한요소해석결과 3차원조건의최대수평변위가약 1.5cm정도더크게나타났다. 2) 주파수응답해석과시간이력해석에의해 2차원동적해석을실시한결과최대수평변위는주파수응답해석결과가 1.94배정도더크게나타났으며, 최대응답가속도는시간이력해석법이약 1.16배정도크게나타났다. 유한요소법에의한댐관리의안정기준이변위조건임을고려한다면주파수응답해석결과가댐의안정성에더욱보수적인해석결과를제시하는것으로판단된다. 3) 시간이력해석법에의한 3차원해석결과응답변위및가속도값이 2차원해석결과보다다소작게발생하였다. 이는 2차원해석시지반조건을반무한체로가정한반면, 3차원해석시에는현장상태와동일한지반조건을적용했기때문으로사료된다. 4) 2차원및 3차원동적해석결과의신뢰성을평가하고자진동대시험결과와비교한결과진동대시험의결과값이해석결과보다과소평가되었으나, 댐정부의응답가속도및변위발생경향은동적해석결과와비교적잘일치하였다. 5) 이상의해석결과안전율에기초한등가정적해석시구조물의심도별진도를고려하는수정진도법, 변위에기초한유한요소해석시주파수응답해석법을적용함이댐의안정성에더욱보수적인해석결과를제시하는것으로판단된다. References [1] Ministry of Construction and Transportation of Korea, "The Criteria of Dam Design", 2001.(in Korean) [2] Korea Water Resources Association, "The Criteria of Dam Design", 2003.(in Korean) [3] Newmark, N. M., "Effect of Earthquakes on Dams and Embankments", Fifth Rankine Lecture, Geotechnique, Vol. 15, No. 2, pp. 139~ [4] Lim, J.Y., "The Evaluation of Seismic Performance on the Concrete Dam of ", Earthquake Engineering Society of Korea, Vol. 7, No. 5, 2003.(in Korean) [5] Ministry of Science and Technology of Korea, "Development of Seismic Efficiency Improvement Technique and Seismic Design in Special Structures", 2000.(in Korean) [6] Yasuda, S., and Adachi, K., "Estimation of Sliding Displacement of Embankments during Earthquakes by Newmark's ", Geotechnical Engineering Magazine(The Japanese Geotechnical Society), Vol. 58, No. 12, No. 635, pp. 52~ , (in Japanese) 황성춘 (Seong Chun Hwang) [ 정회원 ] < 관심분야 > 내진공학, 방재공학 1991 년 2 월 : 경남대학교대학원토질및기초전공 ( 공학석사 ) 1998 년 3 월 : 일본북해도대학교대학원토질및기초 ( 공학박사 ) 2008 년 5 월 ~ 2011 년 9 월 : 국토해양부자체평가위원 1999 년 2 월 ~ 현재 : 경주대학교철도건설환경공학과교수 4249

Case study on seismic design of the immersed tunnel linking Pusan and Geojae An immersed tunnel was constructed as part of the tunnel linking Busan an

Case study on seismic design of the immersed tunnel linking Pusan and Geojae An immersed tunnel was constructed as part of the tunnel linking Busan and Geoje. The tunnel carries the highway from Gaduk