지진해일-구조물-지반의 상호작용 및 공진장치에 의한 지진해일의 제어에 관한 수치적인 연구

Abstract

지질해일에 의한 방파제, 안벽 및 호안 등의 해안·항만구조물에서 그의 파괴 원인 중에 하나로 고려되는 지반액상화와 같은 지반거동을 평가하는 것은 해안·항만구조물의 안정성 확보차원에서 대단히 중요한 문제이다. 본 연구에서는 대표적인 해안·항만구조물인 호안을 대상으로 지진해일시 호안 하부지반 및 뒤채움토에서 과잉간수압의 변동을 위시한 지반거동을 수치적으로 평가한다. 지진해일을 단파로 가정한 경우에는 수위차를 이용하여 단파를 발생시키고, 지진해일을 고립파로 가정한 경우에는 고립파를 수치조파하여 단파 혹은 고립파의 전파 및 직립호안과의 상호작용을 Navier-Stokes운동방정식에 근거한 수치파동수로인 2D-NIT모델로부터 해석한다. 이러한 결과로부터 직립호안 및 해저지반상에서 시간변동의 동파압을 지반의 동적응답과 구조물의 동적거동을 정밀하게 재현할 수 있는 유한요소법에 기초한 탄·소성해저지반응답의 수치해석프로그램인 FLIP모델에 입력치로 적용하여 해저지반 및 직립호안의 주변에서 과잉간극수압비와 유효응력경로의 시·공간변화, 지반변형, 구조물의 변위 및 지반액상화 등을 정량적으로 평가하여 직립호안의 안정성을 평가한다.

하천을 소상(遡上)하는 지진해일 혹은 호안을 월류한 지진해일에 의한 범람으로 육상철도 혹은 육상교량과 같은 사회인프라시설이 파괴되어 많은 인명손실뿐만 아니라 경제적인 손실을 발생시키고, 더불어 피해복구에 많은 어려움을 초래하는 경우가 많다. 본 연구에서는 지진해일을 고립파로 가정하여 Navier-Stokes운동방정식에 근거한 수치파동수로인 3차원혼상류해석법 TWOPM-3D모델을 적용하여 육상교량에 작용하는 지진해일파력을 산정한다. 이로부터 지진해일파력의 추정에 Morison식을 적용하고, 항력만을 적용한 경우와 항력과 관성력을 동시에 적용한 경우에 항력계수와 관성력계수를 도출하고, 각각에 대해 Morison식의 적용성을 논의한다.

이상에서 기술한 지진해일에 의한 피해를 최소화하기 위해서는 항내로 침입하는 지진해일을 저감시킬 필요가 있다. 항내로 침입하는 다양한 주기의 침입파를 제어하기 위한 대책의 일환으로 공진장치를 적용하는 방안이 고려되었다. 선박의 장주기운동을 제어하기 위하여 미국 Long Beach항내 J-부두와 이탈리아 로마 요트항 등과 같은 실해역에 공진장치가 적용된 사례가 있고, 또한 최근에 초장주기파 혹은 고립파로 근사된 지진해일의 제어에 대해 공진장치의 유용성과 적용성이 수치 및 실험적으로 확인된 사례가 있다. 그러나, 실해역에서 지진해일을 대상으로 공진장치의 유용성이 검토된 사례는 아직 보고된 바가 없다. 본 연구에서는 우리나라 동해안의 묵호항과 임원항에 기개발된 형상의 공진장치를, 그리고 삼척항에 신향식의 공진장치를 각각 적용하여 1983년의 동해중부지진해일과 1993년 북해도남서외해지진해일의 작용하 항내에서 지진해일고의 저감율을 비선형천수방정식에 기초한 COMCOT모델로부터 수치적으로 검토하였다. 공진현상이 충분히 발휘되기에 공진장치의 길이가 짧았음에도 불구하고 그의 유용성을 다소 확인할 수 있었다.

It is an important issue in terms of securing safety to evaluate movement of seabed such as liquefaction in that it is considered to be one of the reasons why coastal structures such as breakwaters, berths, and revetments built to protect tsunamis are destructed. This study numerically evaluates movement of seabed that is represented by the change of dynamic wave pressure in the case of tsunamis by looking at a revetment, a typical coastal, harbor structure. When tsunami is regarded as dynamic wave, water level difference is used to create dynamic wave. On the other hand, when tsunami is regarded as a solitary wave, solitary wave is numerically analyzed by 2D-NIT(Two-Dimensional Numerical Irregular wave Tank), which interprets the propagation of solitary or dynamic wave and their interaction with vertical revetments. Simulation results were used as input data in a finite element analysis liquefaction program(FLIP) for elasto-plastic seabed response. The time and spatial variations in excess pore water pressure ratio, effective stress path, seabed deformation, structure displacement and liquefaction potential in the seabed were estimated. From the results of the analysis, the stability of the vertical revetment was evaluated.

Tsunami that overflows either river or a revetment causes much damages in terms of human lives, economic costs and even difficulties in the restoration of losses by destroying social infrastructure that includes breakwaters, bridges and ports. The study hypothesizes tsunami as a solitary wave and calculates tsunami force that acts on onshore bridges by adapting model TWOPM-3D, which is based on Navier-Strokes solver and VOF method that can track free surface effectively. The validity of numerical analysis was verified by comparing the experimental tsunami bore force acting on vertical wall and column structure. In particular, the characteristics of tsunami force with the changing tsunami intensity were surveyed through numerical experiments. The availability of 3-dimensional numerical analysis was reviewed through the comparison between the existing numerical results and design criteria for each drag force coefficient by applying Morison equation considering only drag force. As reasonable and high-precision estimation method of tsunami force, it was suggested to apply the estimation method taking drag and inertial force into consideration at the same time.

In order to minimize the effect of tsunami mentioned above, it is necessary to reduce tsunamis that enter harbors. Adaptation of a resonator was considered as one of the solutions to control various stages of frequency range from that enter harbors. After the invention of resonator, there is a real application of resonator to the real sea such as Pier J in the port of Long Beach, USA and yacht harbor of Rome at Ostia, Italy for the purpose of controlling the long-period motion of the vessels. Furthermore, there is a case that verifies the utility and applicability of the resonator in the aspect of controlling tsunamis approximated by solitary or super long-period wave. However, there are no any reports yet about the utility of the resonator in the real sea. In this research, by adapting the resonator already developed at Mukho and Imwon ports in the eastern coast of South Korea, we numerically analyzed the reduction rate of 1983 Central East Sea tsunami and 1993 Hokkaido southwest off tsunami, then we could identify the ability of the resonator even though the length of the resonator was too short to gain the proper resonant phenomenon.