육상구조물에 작용하는 지진해일파력의 동수역학적인 평가방법에 관한 연구

Abstract

본 연구에서는 최근 전 세계적으로 관심이 높아지고 있는 지진해일파력에 대하여 논의하였다. 지진해일에 대한 대표적인 예로 2004년 12월 26일 발생한 인도양지진해일, 2010년 2월 27일 발생한 칠레지진에 의한 지진해일 및 2011년 3월 11일 발생한 동일본대지진에 의한 지진해일 등이 있으며, 이러한 지진해일은 연안으로 내습시 엄청난 인명피해는 물론이고, 연안구조물에 큰 파력을 작용시켜 구조물을 파괴시키거나 지형변동과 지반침식을 발생시켜 막대한 사회간접자본의 손실을 초례하는 경우도 있다. 따라서, 지진해일에 의한 피해를 저감하기 위하여 지진해일파의 특성을 파악하고, 그에 따른 제어방법에 관한 연구가 수반되어야 할 것이다. 또한, 지진해일파에 의한 연안구조물의 피해를 최소화하기 위하여 연안구조물에 작용하는 지진해일파력을 정확히 예측하여야 할 것이다.

먼저, 육상저유탱크, 가옥 및 교량과 같은 육상구조물에 작용하는 지진해일파력을 Navier-Stokes방정식에 기초한 TWOPM-3D법과 자유수면을 효과적으로 추적할 수 있는 VOF법을 병용하여 검토하였다. 육상저유탱크와 가옥에 대해서는 지진해일파고 및 구조물과 호안 사이의 이격거리변화에 따른 지진해일파력의 특성을 검토하고, 교량에 대해서는 지진해일파고의 변화에 따른 연직ㆍ수평파력의 특성을 조사하였다. 특히, 육상구조물에 작용하는 지진해일파력을 추정하기 위하여 Morison 식을 바탕으로 항력만을 고려한 추정법과 항력과 관성력을 동시에 고려한 추정법을 각각 적용하여 수치해석결과 및 설계기준과의 비교를 통하여 보다 정도 높은 지진해일파력의 추정법을 제안하였다. 이로부터 육상구조물에 작용하는 지진해일파력은 지진해일파고가 높을수록, 호안과 구조물 사이의 이격거리가 작을수록 높게 나타나는 경향을 확인하였으며, 지진해일파력추정에 항력과 관성력을 동시에 고려한 추정법이 고정도 해석법이라는 것을 확인할 수 있었다.

다음으로, 월파시 해안안벽에 작용하는 지진과 지진해일의 영향에 대하여 한계평형상태해석법을 적용하여 안정성을 검토하였다. 지진해일파력의 해석에 TWOPM-3D법을 적용하였으며, 특히 안벽의 뒷채움재에 0.4의 공극률을 갖는 투과성지반을 고려하여 지진해일파가 월파한 후에 안벽배후에 작용하는 파력을 측정하였다. 그리고, 수동적인 상황과 주동적인 상황에 대하여 해안안벽의 안정성에 영향을 주는 요인인 지진해일파고, 뒷채움재의 수위, 수평ㆍ수직지진가속도계수, 내부마찰각, 벽마찰각, 간극수압비 등을 변화하여 활동과 전도에 대한 안전율변화 특성을 검토하였다. 이로부터 지진과 지진해일파의 작용하에 지진해일파가 안벽을 월파하는 경우 수동적인 상황에 대한 안전율은 결과적으로 안전율을 증가시키는 요인으로 작용하는 반면, 주동적인 상황에 대하여 결과적으로 안전율을 감소시키는 요인으로 작용함을 확인할 수 있었다.

In this study, tsunami force which has been the center of global interest recently was discussed. Typical examples of the tsunami are found in Indian Ocean tsunami occurred in December 26th, 2004, tsunami caused by an earthquake in Chile in February 27th, 2010 and tsunami resulting from Great East Japan Earthquake in March 11th, 2011, which caused tremendous casualties and loss of social overhead capital through destruction of structures, topographic variations and soil erosion due to great wave force acting on the coastal structures. Accordingly, to reduce damages caused by the tsunami, a research on the characteristics of tsunami force and its control methods is required. In addition, to minimize damages to the coastal structures caused by tsunami, it is necessary to predict the tsunami force acting on the coastal structures accurately.

First, tsunami force acting on onshore structures such as onshore oil storage tanks, houses and bridges was reviewed by means of TWOPM-3D method based on Navier-Stokes equation and VOF method which can track free surface. In case of onshore oil tanks and houses, review on the characteristics of tsunami force according to its wave height and changes in clearance between structures and shoreline were carried out, and for bridges, the characteristics of vertical and horizontal wave force according to changes in tsunami wave height were surveyed. In particular, to estimate tsunami force acting on the onshore structures, estimation method with higher degree was suggested through numerical analysis results and comparison with design criteria by applying estimation method considering drag and inertial force simultaneously and estimation method taking only drag force into consideration based on Morison equation. From this, it was confirmed that the higher the tsunami wave height and the smaller the clearance between structures and shoreline, the higher the tsunami force, and in estimating tsunami force, the estimation method considering drag and inertial force simultaneously is analysis method with high precision.

Next, stability on the effects of an earthquake and tsunami acting on coastal berth in case of a wave overtopping was reviewed through application of limit equilibrium analysis method. In an analysis of tsunami force, TWOPM-3D method was applied, and in particular, the wave force acting on behind the quay after a tsunami wave overtopping was estimated by considering soil permeability which has porosity of 0.4 in the back filler of the quay. In addition, the characteristics of changes in safety rate on the activities and overturn were reviewed by changing factors which have a huge effect on the stability of coastal berth such as pore water pressure ratio, wall friction angle, internal friction angle, vertical and horizontal seismic acceleration coefficients, water level of back filler and tsunami wave height. From this, it was confirmed that in case of tsunami wave overtopping on the quay wall due to an earthquake and tsunami force, safety rate on the passive situation serves as a factor to increase the safety rate, but it serves as a factor to decrease the safety rate towards the leading situations.