Geotechnical Engineering

JOURNAL OF THE KOREAN SOCIETY OF CIVIL ENGINEERS. October 2020. 509-520
https://doi.org/10.12652/Ksce.2020.40.5.0509


ABSTRACT


MAIN

  • 1. 서 론

  • 2. 수치해석

  •   2.1 해석단면

  •   2.2 수치해석모델

  •   2.3 지반구성모델 및 입력물성

  • 3. 지진기록의 선정

  • 4. 입력 지진기록 특성에 따른 댐마루 침하량 평가

  • 5. 결 론

1. 서 론

한반도는 지진으로부터 안전하다는 기존 인식과 달리 최근 경주(2016.09.12, M5.8)와 포항(2017.11.15, M5.4)에서 발생한 지진으로 해당 지역에서는 많은 피해가 발생하였다. 이로 인하여 지진에 대한 국민들의 우려와 관심이 높아졌고, 시설물의 내진설계 및 신뢰성있는 내진성능평가가 중요한 이슈로 부각되고 있다.

국내에서는 그동안 주요 시설물에 대한 내진설계기준 상위개념을 내진설계기준연구(II)(MOCT, 1997)로 간주하였으나 제정 당시에 법제화되지 않아 일부 시설물별 상이한 내진설계기준 체계를 적용하는 문제점이 발생하였다. 2013년 신설된 지진화산재해대책법(제14조) 및 동법 시행령(제10조의2)에 의하여 내진설계 기준 등에 활용하기 위하여 국가 내진성능목표와 시설물별 내진설계기준에 공통으로 적용되는 설계지반운동 등의 고시를 법제화하였고, 2017년 행정안전부에서는 내진설계기준 공통적용사항을 발표하였다. 이를 바탕으로 2018년 내진설계 일반(MLIT, 2018; KDS 17 10 00)이 제정됨에 따라 각 시설물의 내진설계기준은 이를 기반으로 새롭게 제·개정 되었다.

댐 내진설계기준(MLIT, 2019; KDS 54 17 00)은 내진설계 일반을 바탕으로 2019년 개정되었다. 지반분류방법, 지반운동 등 내진설계 일반의 제정 사항을 반영함과 동시에 그동안 특등급 댐으로 분류됨에도 평균재현주기 1,000년에 상응하는 설계지진하중을 적용하였던 기존의 댐설계기준을 2,400년으로 상향 개정하였다. 또한, 댐 내진해석 시 필요한 입력지진파에 대한 정의가 명확해지면서 실무에서의 혼선을 방지하였다. 특히 진도법, Newmark 소성변위법 외에도 동적해석방법을 설계방법으로 채택하여 설계 시 사용할 수 있는 해석방법의 선택 폭을 넓혔다.

댐의 내진해석방법은 유사정적해석과 동적해석으로 분류한다. 현재까지도 세계 각국에서 사용되고 있는 유사정적해석(Pseudo- static analysis)은 설계지진하중을 지진계수(kh)로 반영하여 댐 비탈면의 한계평형해석으로 수행하기 때문에 입력지진파의 주파수 성분, 시간이력 등 지진파에 따른 영향은 받지 않는다. 동적해석방법은 지진파의 시간이력을 바탕으로 시간에 따른 구조물의 거동을 평가하는 방법으로 입력운동 지진파 종류에 따라 거동이 달라진다. 댐 내진설계기준(MLIT, 2019; KDS 54 17 00)에는 내진성능의 설계거동한계를 Newmark 소성변위법에 의한 변위로 명시하고 있으며, 입력운동에 따라 변위가 달라질 수 있으므로 입력운동을 위한 지진파 선택이 중요하다.

Park(2014)은 Newmark 소성변위법을 사용하여 2011년 개정된 댐 내진설계기준에 따라 필댐의 내진성능평가를 수행하였으며 다수의 인공지진파를 활용하여 PGA (peak ground acceleration)와 사력재의 강성 변화에 따른 소성변위를 확인하였다. Swaisgood (2003)은 PGA와 지진의 규모(Magnitude)를 바탕으로 필댐의 정상부 침하량과의 상관식을 제안하였으며, Baeg et al.(2018)은 이를 검증하기 위하여 표면차수벽 석괴댐(Concrete Faced Rockfill Dam)과 코어형 석괴댐(Earth Core Rockfill Dam)의 대표 단면에 대하여 20개의 계측기록을 활용하여 댐마루 침하량과 지진파의 PGA, PGV (peak ground velocity), Arias Intensity, 지진규모 와의 상관관계를 도출하였다. 그 결과 PGA, PGV, 규모 순으로 침하량 평가에 미치는 영향이 큰 것으로 나타났다. 댐 시설물 외에도 Lee(2016)은 역T형 옹벽에 대하여 동일한 스펙트럼으로 매칭된 입력지진파에 대하여 시간이력해석을 수행한 결과, 최대 5배의 잔류변위 차이가 발생함을 확인하였다. 특히, 지진의 규모가 옹벽의 잔류변위에 가장 큰 영향을 주는 것으로 나타났다.

내진설계 일반(MLIT, 2018; KDS 17 10 00)에 따르면 동적해석을 위한 입력운동은 다음과 같이 두 가지 기준을 충족해야 한다. 행정구역에 따라 입력운동의 PGA가 결정되며, 표준설계응답스펙트럼에 부합하도록 보정 절차를 거쳐야 한다. 하지만 이렇게 생성된 입력지진파는 지진파의 특성에 따라 PGV, Arias Intensity 등이 상이하게 되며 이로 인하여 동적해석결과에도 영향을 미치게 되므로 댐 등과 같이 대형 SOC 구조물에 대한 내진성능평가시 입력지진파에 대한 세심한 접근이 필요하다.

따라서 본 연구에서는 중심코어형 록필댐의 대표단면을 선정하여 지진 발생 시 입력지진파의 특성이 필댐의 댐마루 침하량에 미치는 영향을 평가하기 위하여 2차원 비선형 시간이력해석을 수행하였다. 이를 위하여 최근 발생한 경주, 포항 지진을 포함한 국내에서 계측된 24개의 실지진파와 국외에서 계측된 20개의 실지진파를 수집하여 개정된 댐 설계기준의 표준설계응답스펙트럼에 맞추어 보정하고 3개의 인공지진파를 작성하여 해석에 적용하였다. 수치해석 결과를 통해 스펙트럼보정을 통한 입력지진파임에도 불구하고 댐마루 침하량이 상이함을 확인하였으며 댐마루 침하량에 미치는 주요 인자에 대해 고찰하고자 한다.

2. 수치해석

2.1 해석단면

입력지진파의 변화에 따른 댐의 거동 평가를 위하여 수치해석을 위한 대표단면은 K-water가 관리하는 중심코어형 록필댐(ECRD; Earth Cored Rockfill Dam)을 참고하여 결정하였다. 해석의 간편성을 위해 록필댐의 구성은 코어존(Core Zone)과 락필존(Rockfill Zone)으로 구성하였으며 해석에 사용된 댐의 제원은 Table 1, Fig. 1과 같다.

Table 1.

Dam Specification Used in This Study

Type Height (m) Length (m) NHWL (m) Slope (V:H)
US DS Core
ECRD 70 203 63.69 1:2.2 1:1.8 1:0.3

NHWL: Normal High Water Level), ECRD: Earth Cored Rockfill Dam,

US: Upstream Slope, DS: Downstream Slope

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Fig. 1.

Numerical Model

2.2 수치해석모델

본 연구에서는 수피해석을 위해 미국의 Itasca사에서 개발된 FLAC2D ver 8.0을 사용하였다. 요소의 최대 길이는 댐마루 부근에서 3 m로 Eq. (1)로부터 8 Hz이하의 에너지 전파가 가능하다(Kuhlemeyer and Lysmer, 1973).

$$\triangle l\leq\;\frac\lambda{10},\;\;f\leq\;\frac{V_s}{10\times\triangle l}$$ (1)

여기서, Δl은 요소의 최대길이, λ, f는 각각 전파 가능한 파장 및 주파수, Vs는 매질의 전단파 속도를 나타낸다.

수평전파되는 지진파의 반사를 막기 위해 측면경계조건으로 자유장(free-field) 경계(Lysmer and Kuhlemeyer, 1969)를 적용하였으며, 입력지진파가 가진되는 바닥면은 지표면에서 전달되는 반사파에 따른 해석오차를 방지하기 위하여 반사파 흡수가 가능한 반무한 탄성암반(Viscous Boundary or Quiet Boundary)으로 모델링하였다(Lee, 2013). 침투해석을 위하여 수위는 비홍수기에 저수할 수 있는 상한수위, 즉 이용수량의 최대범위인 상시만수위(NHWL, Normal High Water Level)를 기준으로 가정하였다.

2.3 지반구성모델 및 입력물성

구성모델은 댐 제체에 Mohr-Coulomb, 기초지반에 탄성(Elastic) 모델을 각각 적용하였고 물성치는 대상으로 참고한 댐의 공사지 및 정밀안전진단 자료를 참고하였다(Table 2). 파괴이전 동적하중에 대한 거동특성은 쌍곡선모델(Hardin and Drnevich, 1972)을 적용하였고, 최소감쇠비와 고주파 노이즈제거를 위해 추가로 Rayleigh 감쇠를 사용하였다. 코어존과 락필존의 전단탄성계수비(G/Gmax)와 감쇠비(Damping ratio)는 기존 문헌(Vucetic and Dobry, 1991; Lee et al., 2009; Park and Kishida, 2019)에서 제시하는 범위를 참고하여 쌍곡선 모델의 입력변수인 γref를 각각 0.03, 0.08로 결정하였다(Fig. 2). 감쇠비의 경우 쌍곡선모델이 물성값을 대표하지 못하는 것으로 나타났다. 이는 쌍곡선 모델의 한계로 Masing rule에 의한 감쇠비 평가가 실제 지반의 감쇠비를 과다평가하기 때문이다(Ishihara, 1996).

Table 2.

Material Properties

Density, ρ (kg/m3) Friction angle (°, degree) Cohesion (kPa) Permeability (m/s) Porosity
Core 2160 30 30 1.36E-8 0.3
Rockfill 2220 40 0 2.52E-5 0.3
Bedrock 2140 - - 1.00E-8 0.3
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Fig. 2.

Dynamic Properties in Analysis

최대전단탄성계수(Gmax)는 FLAC의 내장함수인 FISH를 이용하여 정적(static)해석과 침투(seepage)해석 완료 후 계산된 연직 유효응력(σv')의 함수로 적용하였다. 그동안 국내 기존댐에 대한 동적물성조사 자료가 부족하여, 동적해석시 댐 제체에 대한 최대전단탄성계수 산정에 필요한 전단파속도는 대부분 Sawada & Takahashi의 경험식(Sawada and Takahashi, 1975)을 이용하였으나, 이는 일본에 위치한 높이가 높은 댐에 대해 수행된 현장시험 결과이며, 지진기록으로부터 산정된 결과이기에 국내 댐 적용성에 대한 검증이 필요하다. 따라서 본 연구에서는 깊이별 최대전단탄성계수 적용을 위해 국내 28개댐에 대하여 표면파탐사를 수행한 결과를 바탕으로 Park and Kishida(2018)가 제안한 경험식을 사용하였다(Table 3).

Table 3.

Empirical Equation for Vs (Park and Kishida, 2018)

Empirical equation Upper bound (Vs, m/s) Lower bound (Vs, m/s)
Core Vs(m/s) = exp(4.47+0.293*ln(σ'v)-0.136) 600 210
Rockfill Vs(m/s) = exp(4.47+0.293*ln(σ'v)+0.301) 760 245

* σ'v, vertical effective stress (kPa)

수치해석을 위하여 입력된 깊이별 전단파속도는 Fig. 3과 같다. 입력된 깊이별 전단파 속도는 코어존의 경우 Sawada and Takahashi (1975)가 제안한 코어존 재료의 하한치, 국내 6개댐의 물리탐사 결과(Kim et al., 2009)가 모두 유사하게 나타났다. 락필존의 경우 Sawada and Takahashi(1975)의 경험식보다 다소 큰 값을 보였으나 국내 6개댐의 물리탐사 결과와 매우 유사하게 나타났다. Sawada and Takahashi의 경험식은 포화 여부에 따라 전단파속도 차이가 발생하나, Park and Kishida(2018)는 락필존의 전단파 속도 평가시 접근이 가능한 하류사면에서 평가하였기에 다소 큰 전단파 속도가 평가된 것으로 판단되며, 본 연구에서는 락필존의 포화 여부와 상관없이 동일한 전단파속도 경험식을 적용하였다.

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Fig. 3.

Shear Wave Velocity in Depth

3. 지진기록의 선정

해석을 위한 지진기록은 지진규모 5.0이상, 전단파속도 760 m/s 이상의 암반에서 계측된 기록을 수집하였다. 국내지진은 기상청(KMA)과 한국지질자원연구원(KIGAM)의 계측 기록을, 국외지진은 유럽 강진동 데이터베이스(ESD; European Strong-Motion Database), 미국 지질조사국 강진동센터(CESMD; Center for Engineering Strong Motion Data), 태평양지진공학연구소(PEER; Pacific earthquake engineering research center), 일본 강진관측망(KiK-net)에서 수집하였다. 인공지진파는 내진설계 일반(MLIT, 2018; KDS 17 10 00)에 제시된 암반지반의 표준설계응답스펙트럼(Fig. 4(a))과 지진규모 6.5이상~7.0미만 지진파에 적합한 시간이력의 구간선형 포락함수(Fig. 4(b))를 만족하도록 작성하였다.

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Fig. 4.

Standard Design Components of Spectral Matching and Artificial Records

수집된 암반지진기록은 내진설계 일반(MLIT, 2018; KDS 17 10 00)에 따라 지진구역 I, 재현주기 2400년에 해당하는 암반지반의 표준설계응답스펙트럼(Fig. 4(a), S=0.22 g)을 기준으로 스펙트럼보정을 실시하였다. 스펙트럼보정에 사용된 소프트웨어는 Seismosoft社의 Seismomatch2020이며, 보정기법은 시간영역 Wavelet 추가기법을 사용하였다(Al Atik and Abrahamson, 2010). 선정된 지진기록을 Table 4에 정리하였으며, 스펙트럼 매칭을 실시한 일부 지진파의 시간이력을 Fig. 5에, 수집된 지진기록의 응답스펙트럼 매칭 결과를 Fig. 6에 각각 도시하였다. Fig. 5에서 2초 이상의 주기에서는 변동성이 다소 큰 것으로 나타나는데 이는 스펙트럼 보정 주기 범위를 2초로 제한하였기 때문이며 국내 사력댐의 일반적인 고유주기는 약 0.6초 이하이므로 결과에 큰 영향을 미치지 않을 것으로 판단된다(Ha, 2011).

Table 4.

Input Motions Used in the Analysis

(a) Overseas
No. Earthquake ML Event date
(UTC)
Epicenter Station # of
direction
Epicentral
dist. (km)
1 Kumamoto 6.5 (Mj) 2016-04-14 21:26 32.74 °N
130.81 °E
MASHIKI 2 6
2 Tabas 7.3 (Mw) 1978-09-16 15:35 33.21 °N
57.48 °E
Dayhook 2 12
3 Kobe 6.9 (Mw) 1995-01-16 20:46 34.59 °N
135.07 °E
Kobe University 2 3.22
4 Parkfield-02_CA 6.0 (Mw) 2004-09-28 17:15 35.81 °N
120.37 °W
TURKEY FLAT #1 (0M) 2 4.66
5 Loma Prieta 6.9 (Mw) 1989-10-18 00:04 37.04 °N
121.88 °W
Lexington Dam 2 3.22
6 Northridge-01 6.7 (Mw) 1994-01-17 12:30 34.21 °N
118.53 °W
Pacoima Dam
(upper left)
2 2.92
7 Vasquez Rocks
Park
2 23.1
8 Chi-Chi_Taiwan-04 6.2 - - CHY102 2 39.3
9 Sierra Madre 5.6 (Mw) 1991-06-28 14:43 34.22 °N
118.07 °W
Vasquez Rocks
Park
2 37.63
10 Whittier Narrows-01 5.9 (Mw) 1987-10-01 14:42 34.06 °N
118.08 °W
Wonderland Ave 2 23.4
[Chi-Chi_Taiwan-04] : no information for event data and epicenter in PEER
(b) Domestic
No. Earthquake ML Event date
(UTC)
Epicenter Station # of
direction
Epicentral
dist. (km)
1 Gyeongju 5.8 2016-09-12 11:32 35.76 °N
129.19 °E
DKJ 2 22
2 MKL 2 6
3 USN 2 9
4 Pohang 5.4 2017-11-15 05:29 36.11 °N
129.37 °E
CHS 2 25
5 HAK 2 23
6 PHA2 2 9
7 DKJ 2 28
8 Ulsan
(shore region)
5 2016-07-05 11:33 35.51 °N
129.99 °E
HAK 2 64
9 HDB 2 59
10 Taean
(shore region)
5.1 2014-03-31 19:48 36.95 °N
124.5 °E
HSB 2 195
11 SNU 2 225
12 YPD 2 132
(c) Artificial
No. Earthquake # of direction
1 Artificial EQ #1 1 Spectral matched (KDS 17 10 00, S1)
2 Artificial EQ #2 1
3 Artificial EQ #3 1
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Fig. 5.

Time Histories of Input Motions

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Fig. 6.

Response Spectrum of Input Motions (After Spectral Matching)

본 논문에서는 댐마루의 수직방향 잔류침하량에 미치는 지진파의 영향을 정량적으로 판단하기 위하여 총 26개의 지진운동매개변수(Ground motion parameter)를 선택하여 상관성 분석을 실시하였다. 사용된 운동매개변수들은 Seismosoft社의 Seismosignal 2020으로 평가하였으며, 각 매개변수에 대한 설명은 Table 5에 요약하였다.

Table 5.

Ground Motion Parameters Used in This Study

No. Ground motion parameter Formula/Description/Ref.
1 PGAcrest (g) maxa(t)crest
2 PGAfree-field (g) maxa(t)freefield
3 Vert. Sett.crest maxvy,@crest(t)
4 Amp. of Acc. maxa(t)crest/maxa(t)freefield
5 Magnitude ML, MW, MJ
6 Rjb (km) Epicentral Dist.
7 Max. Acc. (g) maxa(t)
8 Max. Vel. (cm/sec) maxv(t)
9 Max. Disp. (cm) maxu(t)
10 Vmax/Amax (sec) maxv(t)maxa(t)
11 Acc. RMS (g) 1Td0Tda(t)2dt
12 Vel. RMS (cm/sec) 1Td0Tdv(t)2dt
13 Disp. RMS (cm) 1Td0Tdu(t)2dt
14 Arias Intensity π2g0a(t)2dt(Arias, 1970)
15 Characteristic Intensity arms1.5Td0.5(Ang, 1990)
16 Specific Energy Density (cm2/sec) 0Tdv(t)2dt
17 Cum. Abs. Vel. (cm/sec) 0Tda(t)2dt(Benjamin, 1988)
18 Acc. Spectrum Intensity (g*sec) 0.10.5Sa(ξ=0.05,T)dt (Von Thun et al., 1988)
19 Vel. Spectrum Intensity (cm) 0.12.5Sv(ξ=0.05,T)dt (Von Thun et al., 1988)
20 Housner Intensity (cm) 0.12.5PSV(ξ=0.05,T)dt (Housner, 1959)
21 Sustained Max. Acc. (g) The sustained max. acceleration or velocity during 3 cycles Defined as the third highest absolute value of acceleration or velocity in the time-history (Nuttli, 1979)
22 Sustained Max. Vel. (cm/sec) The sustained max. acceleration or velocity during 3 cycles Defined as the third highest absolute value of acceleration or velocity in the time-history (Nuttli, 1979)
23 Effec. Design Acc. (g) Peak acceleration value after lowpass filtering with a cut-off frequency of 9Hz (Benjamin, 1988)
24 A95 (g) The acceleration level below which 95 % of the total Arias intensity is contained (Sarma and Yang, 1987)
25 Predominant Period (sec) The period at which the maximum spectral acceleration occurs in an acceleration response spectrum calculated at 5 % damping
26 Significant Duration (sec) The interval of time between the 5 % and 95 % thresholds

where, a(t), v(t), u(t) acceleration, velocity, displacement of input motions applied at bedrock, respectively; a(t)free-field acceleration at free-field above bedrock; a(t)crest acceleration at dam crest; Sa, Sv spectral acceleration and velocity, respectively; Td period; PSV pseudo spectral velocity; ξ damping ratio

4. 입력 지진기록 특성에 따른 댐마루 침하량 평가

댐 내진설계기준(MLIT, 2019; KDS 54 17 00)에 따르면 댐의 지진 시 성능목표는 원호활동 안전율과 사면의 소성변형량으로 판단하고, 과다한 침하가 발생하지 않아야 한다. 본 논문에서는 수치해석으로 입력지진파를 달리하여 댐마루 중앙에서의 수직 침하량을 평가하고, 입력지진파 매개변수(Table 5)와 상관관계를 분석하였다. 상관관계는 두 변수 간 선형관계를 나타내는 척도로 본 연구에서는 Eq. (2)로부터 Pearson 상관계수를 산정하였다.

$$\rho(X,Y)=\frac1{N-1}\sum_{i=1}^N\left(\frac{X_i-\mu_X}{\sigma_X}\right)\left(\frac{Y_i-\mu_Y}{\sigma_Y}\right)$$ (2)

여기서 Xi, Yi는 상관관계를 평가할 각각의 변수이며 μX,Y, σX,Y 는 각 변수의 평균값, 표준편차이다.

평가결과 중 상관계수가 가장 큰 3개의 매개변수는 Table 6과 같다. 가속도 증폭비(Amp. Acc., 자유장 최대수평가속도와 댐마루최대수평가속도의 비, PGAcrest/PGAfree-field), 댐마루 최대수평가속도(PGAcrest)가 댐마루 침하량과 상관관계가 높은 것으로 평가되었다. 이는 자유장에서 계측되는 수평가속도, 즉 입력지진파 자체보다 댐체를 통과하면서 증폭되는 가속도의 크기가 클수록 댐체의 침하량이 증가하는 것으로 나타났다. 국내지진파는 4개의 이벤트로부터 수집된 계측기록을 사용하였기 때문에 다수의 이벤트로부터 수집된 국외 지진기록의 결과에 비해 상관계수가 비교적 높게 평가된 것으로 판단된다. 그 외 매개변수에 대한 상관계수는 Fig. 7과 같다.

Table 6.

Correlation Coefficient Related with Dam Crest Settlement (Vertical)

Domestic Amp. acc. PGAcrest (g) Arias intensity
0.74 0.73 0.60
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Overseas Amp. acc. PGAcrest (g) Acceleration RMS (g)
0.56 0.53 0.49
http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-05/N0110400507/images/Figure_KSCE_40_05_07_T6-4.jpg http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-05/N0110400507/images/Figure_KSCE_40_05_07_T6-5.jpg http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-05/N0110400507/images/Figure_KSCE_40_05_07_T6-6.jpg
All (Domestic + Overseas) PGAcrest (g) Amp. acc. Characteristic intensity
0.59 0.54 0.52
http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-05/N0110400507/images/Figure_KSCE_40_05_07_T6-7.jpg http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-05/N0110400507/images/Figure_KSCE_40_05_07_T6-8.jpg http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-05/N0110400507/images/Figure_KSCE_40_05_07_T6-9.jpg
http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-05/N0110400507/images/Figure_KSCE_40_05_07_F7.jpg
Fig. 7.

Correlation Coefficient Between Ground Motions Parameters and Vertical Settlement

일반적으로 필댐의 수직 침하량은 제체 전반에 걸쳐 발생한다. 코어존은 락필존의 구속으로 인하여 활동파괴현상이 적으며 깊이에 따른 수직 침하량이 누적되어 영향을 미치는 것으로 Fig. 8에 나타났다. 한편, 최대 수직 침하량은 댐마루 부근의 사면부 상단에 집중되어 있으며 이는 사면부의 활동파괴로 인하여 발생한 것으로 판단된다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-05/N0110400507/images/Figure_KSCE_40_05_07_F8.jpg
Fig. 8.

Deformation Contour of Dam Slope After Earthquake

한편 본 연구에서는 Arias Intensity와 같이 전체 지진하중의 누적에너지 크기보다 PGA 와 같은 일시적인 지진하중의 크기가 댐 잔류변형과 상관성이 더 높은 것으로 확인되었다. 이는 지반진동 변수와 지진 시 댐 침하량과의 상관관계에서 PGA보다 Arias Intensity가 상관성을 향상시키지 못하는 결과와 유사하다(Baeg et al., 2018). Arias Intensity는 댐 침하에 영향을 미치지 못하는 작은 지진하중에도 증가하므로 지진하중의 시간을 고려하지 않고 누적에너지의 절대적 크기만으로 잔류변형을 평가하기에는 적절하지 않다.

댐의 손상지표로 활용하기 위하여 제안된 Acceleration Spectrum Intensity, Velocity Spectrum Intensity는 특정 주기대역의 에너지를 나타내는 지표이나, 본연구에서는 상관관계가 나타나지 않았다. 이는 본 연구에서 사용한 입력지진파가 내진설계 일반(MLIT, 2018; KDS 17 10 00)에 따라 주기별 성분이 유사하게 보정되었기 때문이라 판단된다.

Fig. 9는 댐마루 수평가속도 시간이력과 댐마루의 침하량, 하류측 자유장(free-field) 수평가속도 시간이력과 댐마루의 침하량을 비교한 그림이다. 자유장 수평가속도 시간이력과 무관하게 댐마루 수평가속도에서 일부 고주파 성분의 가속도 변화(spike)가 발생하고 동시에 댐마루 침하량에도 급격한 변화가 발생함을 알 수 있다. 특히, 인공지진을 제외하고 Fig. 9와 같이 자유장에서의 가속도 값이 지진 발생 초기보다 작음에도 불구하고 댐 마루에서 가속도 증폭이 크게 발생하였고, 이와 함께 수직 침하량 또한 급격히 증가하였다. 반면 인공지진파는 지진 발생 시간 전반에 걸쳐 증폭현상이 발생하고, 수직침하량 또한 점진적으로 누적되는 현상을 보이고 있다. 이는 시간에 따라 주파수 변화가 크지 않은 지진파 특성에 따른 것으로 판단된다.

http://static.apub.kr/journalsite/sites/ksce/2020-040-05/N0110400507/images/Figure_KSCE_40_05_07_F9.jpg
Fig. 9.

Comparison Between Dam Crest Settlement and Earthquake Acceleration (Upper: Horizontal Acc. of Dam Crest vs Dam Crest Settlement (Disp.Y @ Crest), Lower: Horizontal Acc. of Free-Field vs Dam Crest Settlement (Disp.Y @ Crest))

5. 결 론

본 연구에서는 국내 설계기준에서 제시하는 표준설계응답스펙트럼에 부합하는 입력지진파를 생성하고 이를 수치해석에 적용하여 필댐의 댐마루 침하량을 평가하였다. 이로부터 입력지진파의 다양한 매개변수와 침하량과의 상관관계를 평가하였다. 그 결과, 댐마루에서 계측된 수평최대가속도, 댐 제체에서의 가속도 증폭비가 침하량과 가장 큰 상관관계를 보였으며, 이는 댐마루의 침하 및 사면 활동이 댐 상단부에 집중되기 때문임을 알 수 있었다.

또한, 설계기준에서 제시하는 표준설계응답스펙트럼에 부합하는 지진파일지라도 댐 마루에서의 침하량이 달리 평가되었고 이는 수치해석을 위해 선택하는 입력지진파의 선택이 매우 중요함을 알 수 있다. 향후 연구에서는 댐 제체에서의 증폭현상에 영향을 미치는 입력지진파의 매개변수 연구를 수행하고자 하며, 댐체 증폭을 정량적으로 예측할 수 있는 방법에 대하여 연구가 필요할 것으로 사료된다.

References

1

Al Atik, L. and Abrahamson, N. (2010). "An improved method for nonstationary spectral matching." Earthquake Spectra, Vol. 26, No. 3, pp. 601-617.

10.1193/1.3459159
2

Ang, A. H. S. (1990). "Reliability bases for seismic safety assessment and design." Proceedings, Fourth U.S. National Conference on Earthquake Engineering, EERI Palm Springs, Vol. 1, pp. 29-45.

3

Arias, A. (1970). A measure of earthquake intensity, Seismic Design for Nuclear Power Plants, edited by Hansen, R. J., MIT Press, Cambridge, Massachusetts, pp. 438-483.

4

Baeg, J. M., Park, D. H., Yoon, J. M. and Choi, B. H. (2018). "Evaluation of Correlation between Earthquake Induced Settlement of Fill Dams and Ground Motion Parameters." Journal of the Korean Geosynthetics Society, Vol. 17, No. 4, pp. 65-72 (in Korean).

5

Benjamin, J. R. (1988). A criterion for determining exceedance of the operating basis earthquake, EPRI Report NP-5930, Electric Power Research Institute, Palo Alto.

6

Ha, I. S. (2011). "Evaluation for fundamental periods of domestic rockfill dams with micro-earthquake records." Journal of the Korean Geo-Environmental Society, Vol. 12, No. 6, pp. 53-60.

7

Hardin, B. O. and Drnevich, V. P. (1972). "Shear modulus and damping in soils: design equations and curves." Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, Vol. 98, No. 6, pp. 603-624 (in Korean).

8

Housner, G. W. (1959). "Behavior of structures during earthquakes." Journal of the Engineering Mechanics Division, ASCE, Vol. 85, No. 4, pp. 109-130.

9

Ishihara, K. (1996). Soil behaviour in earthquake geotechnics, Oxford University Press Inc., New York, pp. 36-37.

10

Kim, J. T., Kim, D. S., Park, H. J. and Kwon, H. K. (2009). "Estimation of dynamic material properties for fill dam: I. In-situ shearwave velocity profiles." Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol. 25, No. 12, pp. 69-85 (in Korean).

11

Kuhlemeyer, R. L. and Lysmer, J. (1973). "Finite element method accuracy for wave propagation problems." Journal of the Soil Mechanics and Foundations Division, Vol. 99, No. 5, pp. 421-427.

12

Lee, J. S. (2013). "Appropriate input earthquake motion for the verification of seismic response analysis by geotechnical dynamic centrifuge test." Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, Vol. 17, No. 5, pp. 209-217 (in Korean).

10.5000/EESK.2013.17.5.209
13

Lee, J. S. (2016). "Seismic behavior of inverted T-type wall under earthquake Part II: Effect of input earthquake motion." Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, Vol. 20, No. 1, pp. 9-19 (in Korean).

10.5000/EESK.2016.20.1.009
14

Lee, S. H., Kim, D. S., Choo, Y. W. and Choo, H. K. (2009). "Estimation of dynamic material properties for fill dam: II. Nonlinear deformation characteristics." Journal of the Korean Geotechnical Society, Vol. 25, No. 12, pp. 87-105 (in Korean).

15

Lysmer, J. and Kuhlemeyer, R. L. (1969). "Finite dynamic model for infinite media." Journal of the Engineering Mechanics Division, Vol. 95, No. 4, pp. 859-878.

16

Ministry of Construction and Transportation (MOCT) (1997). Seismic design criteria research (II), Earthquake Engineering Society of Korea (in Korean).

17

Ministry of Land, Infrastructure and Transport (MLIT) (2018). General seismic design (KDS 17 10 00), Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Korea (in Korean).

18

Ministry of Land, Infrastructure and Transport (MLIT) (2019). Seismic design standard of dam (KDS 54 17 00), Ministry of Land, Infrastructure and Transport, Korea (in Korean).

19

Nuttli, O. W. (1979). The relation of sustained maximum ground acceleration and velocity to earthquake intensity and magnitude, Miscellaneous Paper S-71-1. Report 16, U.S. Army Corps of Engineers. Waterways Experiment Station, Mississippi, USA.

20

Park, D. S. (2014). "A study on the seismic resistance of fill-dams by newmark-type deformation analysis." Journal of the Earthquake Engineering Society of Korea, Vol. 18, No. 4, pp. 161-170 (in Korean).

10.5000/EESK.2014.18.4.161
21

Park, D. S. and Kishida, T. (2018). "Shear wave velocity profiles of fill dams." Soil Dynamics and Earthquake Engineering, Vol. 104, pp. 250-258.

10.1016/j.soildyn.2017.10.013
22

Park, D. S. and Kishida, T. (2019). "Shear modulus reduction and damping ratio curves for earth core materials of dams." Canadian Geotechnical Journal, Vol. 56, No. 1, pp. 14-22.

10.1139/cgj-2017-0529
23

Rollins, K. M., Evans, M. D., Diehl, N. B. and Daily III, W. D. (1998). "Shear modulus and damping relationships for gravels." Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering, Vol. 124, No. 5, pp. 396-405.

10.1061/(ASCE)1090-0241(1998)124:5(396)
24

Sarma, S. K. and Yang, K. S. (1987). "An evaluation of strong motion records and a new parameter A95." Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 15, No. 1, pp. 119-132.

10.1002/eqe.4290150109
25

Sawada, Y. and Takahashi, T. (1975). "Study on the material properties and the earthquake behaviors on rockfill dams." In Proceedings of the 4th Japan earthquake engineering symposium, Tokyo, pp. 695-702 (in Japanese).

26

Swaisgood, J. R. (2003). "Embankment dam deformations caused by earthquakes." Proceedings of 2003 Pacific Conference on Earthquake Engineering, Christchurch, NZ.

27

Von Thun, J. L., Rochim, L. H., Scott, G. A. and Wilson, J. A. (1988). "Earthquake ground motions for design and analysis of dams." Earthquake Engineering and Soil Dynamics II - Recent Advances in Ground-Motion Evaluation, Geotechnical Special Publication, Vol. 20, pp. 463-481.

28

Vucetic, M. and Dobry, R. (1991). "Effect of soil plasticity on cyclic response." Journal of Geotechnical Engineering, Vol. 117, No. 1, pp. 89-107.

10.1061/(ASCE)0733-9410(1991)117:1(89)
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