지반-구조물 상호작용을 고려한 케이슨 안벽의 지진응답해석

Abstract

한반도 지진발생은 1990년대 들어 증가하는 추세이며 MMI(수정 메르칼리 진도등급) IV를 초과하는 지진발생기록으로 미루어 한반도가 더 이상 지진 안전지대가 아니며 잠재적 지진발생위험지역임을 고려하여 내진설계의 중요성을 자각하고 적극적인 대책수립이 필요하다. 지진이 발생하였을 때 상부구조물에 전달되는 지진파는 지반과 기초구조물간에 발생하는 동적인 상호작용에 따라 그 특성이 매우 달라진다. 지반-구조물의 동적상호작용은 기초구조물의 강성, 상부구조물의 진동특성 그리고 기초구조물을 둘러싼 지반의 진동특성에 영향을 받게 된다. 최근까지 상부구조물의 설계는 모델링의 편의와 보수적인 설계를 위해 기초지반의 연성을 고려하지 않고 지반면을 고정단으로 모델링하고, 지진하중으로 표준설계 응답스펙트럼을 입력하여 해석하는 것이 일반적이다. 지반면을 고정단으로 모델링하는 방법은 기초의 연성을 고려할 때보다 구조물의 강성이 커져서 지진하중이 보다 크게 산정되므로 보수적인 설계로 알려져 있다. 그러나 연약한 지반에 장주기 지진이 발생하는 경우에는 오히려 기초구조물의 연성을 고려하여 모델링하는 것이 기초면을 고정단으로 모델링할 때보다 큰 지지력이 발생할 수 있다. 또한 연약지반에서는 지진에 의한 기반암에서의 응답이 연약지반을 통과하면서 크게 증폭될 수 있으므로 지반-구조물 상호작용 (Soil-Structure Interaction : SSI)이 구조물에 어떤 영향을 줄 것인지에 대한 면밀한 검토가 있어야 한다. 본 연구에서는 부산 신항 남컨테이너 부두 축조공사에 건설되는 케이슨에 대해서 지반-구조물 상호작용이 고려된 지진응답 해석을 수행하였다. 지진응답해석은 케이슨 (15 × 34.5 × 19.1m) 에 대하여 3차원 지진응답해석을 수행하였고 이를 위하여 본 연구에서는 유연체적 부분구조법(Substructure Method)을 사용하는 프로그램 SASSI를 이용하여 지반-구조물 상호작용을 고려한 케이슨의 지진응답 해석을 수행하였다. 케이슨은 전면에 바다와 접해있고 후면은 매립 모래에 접해있다. 또한 지반 및 구조물의 보강을 위해 속채움, 기초, 뒤채움 사석을 보강하였다. 해석 대상 케이슨의 지진응답 해석결과 케이슨 구조물에 가장 큰 영향을 미치는 횡방향 압축 최대응력은 만수위의 경우 케이슨 상단에서 발생하였고 반수위의 경우 케이슨 하단에서 발생하였다. 수위의 영향이 케이슨의 횡방향 압축에 영향을 미치는 것을 알 수 있다. 또한 수직응력의 최대값은 대부분의 경우 케이슨 하단에서 관찰되었다. 이는 지진에 의한 구조물의 휨모멘트에 의한 영향이 큰 것으로 판단되나 허용응력 및 허용변위를 초과하지 않는 안정한 결과를 보여주었다. 또한 케이슨의 정적 해석 결과 횡방향 압축 최대응력은 케이슨 저면에서 약 ⅓점을 중심으로 발생하였고, 수직응력의 최대값은 케이슨 하부에서 발생하였다. 케이슨 안벽의 두께에 따른 영향을 살펴보기 위하여 케이슨 안벽의 두께를 150mm, 200mm, 250mm, 300mm, 350mm, 400mm, 450mm 로 변화하며 응력을 검토해본 결과 300mm일때 가장 작은 응력값을 보여주었다.