강진과 세굴 이중 재해 후 교량 붕괴 위험 예측: CFD 기반 교량 내하력 평가의 중요성

이 기술 요약은 Huang XIANBIN 외 저자가 Tehnički vjesnik에 발표한 “An Evaluation on Bridge Bearing Capacity under Scour and Re-occurrence of Strong Earthquake” (2019) 논문을 기반으로 하며, STI C&D에서 기술 전문가를 위해 분석 및 요약했습니다.

키워드

• Primary Keyword: 교량 내하력 평가
• Secondary Keywords: 교량 세굴, 지진 응답 해석, 파일 기초, 토질-구조물 상호작용, 교량 안전성

Executive Summary

• 도전 과제: 2008년 규모 8.0의 강진을 겪은 교량이 수년 후 심각한 하상 세굴 현상을 겪으면서, 다시 강진이 발생할 경우 교량의 안전성을 예측하기 어려운 복합적인 문제에 직면했습니다.
• 해석 방법: 실제 교량의 세굴 전후 상태에 대해 4가지 유한요소 모델(세굴 전후, 토질 탄성 고려/무시)을 구축하고, 원촨 지진파 데이터를 입력하여 지진 응답 해석을 수행함으로써 교각 및 파일 기초의 내하력을 평가했습니다.
• 핵심 발견: 세굴 후 교량은 불안정하며, 강진 재발 시 교각 자체는 안전하지만 일부 파일 기초는 항복 휨 모멘트를 초과하는 큰 휨 모멘트로 인해 손상될 것이며, 주 거더는 최대 17.9cm의 변위가 발생하여 낙교 위험이 있습니다.
• 핵심 결론: 하상 세굴은 교량의 내진 성능을 심각하게 저하시키므로, 지진 후 세굴이 발생한 교량의 교량 내하력 평가 및 보강은 잠재적인 붕괴를 막기 위해 필수적입니다.

도전 과제: 왜 이 연구가 CFD 전문가에게 중요한가?

중국과 같이 지진이 잦은 국가에서 교량은 지진 발생 시 심각한 손상을 입는 주요 사회기반시설입니다. 특히 지진 피해 후에는 폭우로 인한 홍수와 하상 세굴이 동반되는 경우가 많습니다. 하상 세굴은 파일 기초의 지지력을 약화시키고 구조물의 동적 성능을 변화시켜 지진 응답을 더욱 악화시키는 복잡한 문제를 야기합니다. 기존 연구는 교량 구조물 자체의 내진 성능에 집중하는 경향이 있었지만, 세굴이 교량의 내진 성능에 미치는 복합적인 영향에 대한 연구는 부족했습니다. 본 연구는 실제 지진과 심각한 세굴을 모두 겪은 ‘3번 교량’ 사례를 통해, 이러한 이중 재해 상황에서 교량의 잔존 내하력을 정확히 평가하고 보강 계획을 수립하는 것이 왜 중요한지를 명확히 보여줍니다.

해석 방법: 방법론 분석

본 연구는 실제 교량인 ‘3번 교량’의 복잡한 상태를 평가하기 위해 비선형 유한요소해석 소프트웨어인 Midas/Civil을 사용했습니다. 연구진은 교량의 실제 거동을 정밀하게 모사하기 위해 다음과 같은 4가지 해석 모델을 설정했습니다.

1. 세굴 전, 교각 하단 고정 모델: 토질의 탄성을 고려하지 않고 교각과 기초가 완전히 고정된 이상적인 상태
2. 세굴 전, 토질-구조물 상호작용 모델: 실제 지반 정보를 바탕으로 토양 스프링 강성을 설정하여 지반의 탄성 효과를 고려한 상태
3. 세굴 후, 교각 하단 고정 모델: 세굴로 인해 파일 기초 주변 지반이 유실된 상태를 반영 (토질 탄성 무시)
4. 세굴 후, 토질-구조물 상호작용 모델: 세굴 상태와 토질의 탄성 효과를 모두 고려한 가장 현실적인 상태

이 모델들에 원촨 지진 당시 진앙지 네트워크에서 수집된 실제 지진파(Wolong 및 Zoushishan 지진파)를 입력하여, 세굴 전후 교량의 동적 거동, 교각 및 파일 기초의 축력과 휨 모멘트 변화를 분석했습니다. 이를 통해 세굴이라는 경계 조건의 변화가 교량의 전체 내진 성능에 미치는 영향을 정량적으로 평가했습니다.

핵심 발견: 주요 결과 및 데이터

결과 1: 세굴로 인한 교량의 동적 성능 저하

세굴은 교량의 강성을 현저히 감소시켜 고유진동주기를 길게 만들었습니다. 표 2(Table 2) 에 따르면, 교량의 1차 모드 고유진동주기는 세굴 전 1.701초에서 세굴 후 2.625초로 약 54% 증가했습니다. 이는 교량이 외부 하중(지진)에 더 유연하게 반응하게 되어 더 큰 변위를 유발할 수 있음을 의미합니다. 즉, 세굴로 인해 교량 파일 기초의 횡방향 지지력이 약화되어 전체 구조물의 안정성이 크게 저하되었음을 보여줍니다.

결과 2: 강진 재발 시 파일 기초의 심각한 손상 예측

세굴 후 상태에서 강진이 다시 발생할 경우, 교량 파일 기초의 일부가 파괴될 것으로 예측되었습니다. 그림 6(Figure 6) 은 Wolong 및 Zoushishan 지진파에 의해 15번과 16번 교각의 파일 기초에 발생하는 최대 휨 모멘트를 보여줍니다. 특히 파일 기초 15-1, 15-3, 16-3에서 각각 4824.5 kN·m, 5206.9 kN·m, 5229.9 kN·m의 최대 휨 모멘트가 발생했는데, 이는 M-Φ 곡선으로 계산된 항복 휨 모멘트인 4787.7 kN·m를 초과하는 값입니다. 이는 해당 파일 기초가 소성 변형을 일으키거나 파괴될 수 있음을 의미합니다. 또한, 그림 7(Figure 7) 에서 볼 수 있듯이, 16번과 17번 교각 사이의 주 거더에서 최대 17.9cm의 변위가 발생하여 상판이 분리되거나 떨어져 나갈(낙교) 심각한 위험이 있는 것으로 나타났습니다.

R&D 및 운영을 위한 실질적 시사점

• 교량 유지보수 엔지니어: 이 연구는 홍수 후 교량 기초의 세굴 깊이를 정기적으로 모니터링하는 것이 교량의 내진 안전성을 확보하는 데 매우 중요하다는 것을 시사합니다. 세굴 깊이 데이터는 교량의 현재 상태를 평가하고 긴급 보강 여부를 결정하는 핵심 기준이 될 수 있습니다.
• 구조 및 내진 설계 엔지니어: 세굴 후 토질-구조물 상호작용을 정확하게 모델링하는 것이 신뢰성 있는 교량 내하력 평가의 핵심입니다. 세굴 효과를 무시한 해석은 교량의 안정성을 과대평가하여 잠재적인 붕괴 위험을 간과하는 치명적인 오류로 이어질 수 있습니다.
• 댐 및 저수지 운영자: 본 논문은 상류에 건설된 Zipingpu 저수지가 하류 하천의 유사량(sediment)을 감소시켜 세굴을 심화시킨 원인 중 하나로 지목했습니다. 이는 댐 운영이 하류의 교량과 같은 주요 기반 시설의 안정성에 미치는 영향을 종합적으로 고려해야 함을 의미합니다.

논문 상세 정보

An Evaluation on Bridge Bearing Capacity under Scour and Re-occurrence of Strong Earthquake

1. 개요:

• 제목: An Evaluation on Bridge Bearing Capacity under Scour and Re-occurrence of Strong Earthquake
• 저자: Huang XIANBIN, Liu CHENYANG, Hou SONG, Chen CHUNYANG, Mei YUJIAO, Lei BO, Huang YONG
• 발행 연도: 2019
• 학술지/학회: Tehnički vjesnik
• 키워드: axial force; bending moment; pile; reoccurrence of strong earthquake; scour

2. 초록:

잦은 재해에 시달리는 3번 교량은 2008년 5월 12일 규모 8의 지진을 겪었고, 몇 년 후 파일 기초가 심하게 세굴되었습니다. 최소 세굴 깊이는 4.5미터, 최대 세굴 깊이는 9.2미터였습니다. 심각한 세굴과 강진의 재발을 고려하여, 중국의 현행 기준과 지진 응답 해석을 사용하여 세굴 전후 3번 교량의 교각 및 파일 기초의 내하력과 내진 성능을 연구했습니다. 계산 결과, 교량은 세굴 전에는 안정적이었으나, 세굴 후에는 강진과 심각한 세굴을 거의 견딜 수 없어 보강이 필요함이 입증되었습니다. 이 연구 결과는 심각한 세굴과 강진의 영향을 받는 교량에 중요한 참고 자료가 될 수 있습니다.

3. 서론:

중국은 지진이 잦은 국가로, 최근에도 여러 차례 대규모 지진이 발생했습니다. 지진 발생 시 수많은 교량이 심각한 손상을 입었으며, 특히 보(Beam-shape) 형태의 교량이 가장 큰 피해를 입었습니다. 하중을 지지하는 교각과 파일 기초가 손상되면 교통이 두절되어 막대한 경제적 손실을 초래합니다. 한편, 하상 세굴은 파일 기초의 내진 성능을 약화시키고 구조물의 동적 성능을 변화시켜 지진 응답을 더욱 악화시키는 복잡한 요인입니다. 현재 문헌에는 파일 기초 세굴로 인한 교량 내진 성능의 영향에 대한 연구 사례가 거의 없습니다. 지진으로 손상된 교량은 내진 성능이 저하되며, 이는 종종 폭우로 인한 홍수 세굴을 동반합니다. 본 논문에서는 실제 세굴 상황을 바탕으로 3번 교량의 파일 기초에 대한 지진 응답 해석을 수행하고, 공식 계산을 통해 교각 및 파일 기초의 내하력을 평가합니다.

4. 연구 요약:

연구 주제의 배경:

2008년 원촨 대지진을 겪은 3번 교량이 이후 수년간 지속된 하상 세굴로 인해 기초가 심하게 노출되었습니다. 이러한 복합적인 재해를 겪은 교량이 다시 강진에 노출될 경우의 구조적 안정성을 평가하는 것이 시급한 과제였습니다.

이전 연구 현황:

많은 연구가 교량 교각의 내진 성능, 파일 그룹의 거동 등에 초점을 맞추었으나, 지진과 세굴의 복합적인 영향, 특히 세굴이 교량의 내진 성능에 미치는 영향에 대한 연구는 매우 드물었습니다.

연구 목적:

본 연구의 목적은 심각한 세굴과 강진의 재발을 고려하여 3번 교량의 교각 및 파일 기초의 내하력과 내진 성능을 세굴 전후로 비교 평가하고, 이를 통해 교량의 안정성을 진단하고 보강 필요성을 제시하는 것입니다.

핵심 연구:

실제 교량의 세굴 데이터를 바탕으로 유한요소모델을 구축하고, 실제 지진파를 입력하여 비선형 지진 응답 해석을 수행했습니다. 이를 통해 세굴 전후 교량의 동적 특성 변화, 교각 및 파일 기초의 응력(축력, 휨 모멘트) 변화를 분석하고, 현행 설계 기준에 따라 내하력을 검토했습니다.

5. 연구 방법론

연구 설계:

Midas/Civil 소프트웨어를 사용하여 3번 교량의 비선형 유한요소모델을 구축했습니다. 교량은 공간 보-기둥 요소를 사용했고, 지지점은 탄성 연결로 모사했습니다. 토질-구조물 상호작용을 고려하기 위해 실제 지층 정보를 바탕으로 토양 스프링 강성을 설정했습니다. 세굴 전후, 토질 탄성 고려 여부에 따라 총 4개의 모델을 설정하여 비교 분석했습니다.

데이터 수집 및 분석 방법:

• 교량 정보: 3번 교량의 설계 도면, 지질 보고서, 현장 조사 및 테스트 보고서([16], [22])를 통해 교량의 제원, 재료 특성, 파일 기초의 지반 조건을 파악했습니다.
• 세굴 데이터: 현장 실측을 통해 교각별 세굴 깊이(최소 4.5m, 최대 9.2m) 데이터를 확보했습니다(표 1).
• 지진 데이터: 원촨 지진 당시 Wolong 및 Zoushishan 관측소에서 기록된 실제 지진파를 입력 하중으로 사용했습니다(그림 4).
• 분석: 모드 해석을 통해 세굴 전후 교량의 고유진동주기 및 모드를 분석하고, 비선형 시간이력해석을 통해 지진 시 교각과 파일의 축력, 휨 모멘트, 변위를 계산하여 내하력 기준과 비교했습니다.

연구 주제 및 범위:

본 연구는 중국 두장옌 시에 위치한 3번 교량을 대상으로 합니다. 연구 범위는 (1) 세굴 전후 교량의 동적 특성 변화 분석, (2) 현행 기준에 따른 세굴 상태에서의 교각 및 파일 기초 내하력 계산, (3) 강진 재발 시 세굴된 교량의 내진 성능 해석으로 구성됩니다.

6. 주요 결과:

주요 결과:

• 세굴 전, 교량은 정상 사용 하에서는 안정적이었으나, Wolong 지진파에 의해 연약 지반에 위치한 9번 파일 기초가 항복 휨 모멘트를 초과하여 손상될 가능성이 있었습니다(그림 5).

• 세굴 후, 강진을 고려하지 않은 상태에서도 파일 기초는 홍수 시 유수력에 대한 휨 내하력 요구조건을 만족하지 못했습니다(표 4).
• 세굴 후, 강진 재발 시 교각의 축력 및 휨 모멘트는 허용치 이내로 안전했으나, 일부 파일 기초(15-1, 15-3, 16-3)는 항복 휨 모멘트를 초과하는 응력이 발생하여 손상이 예측되었습니다(그림 6).
• 세굴 후 강진 발생 시 주 거더의 최대 변위는 17.9cm에 달해 낙교 위험이 있는 것으로 분석되었습니다(그림 7).
• 세굴은 교량 파일 기초의 응력 상태를 심각하게 악화시키며, 특히 세굴이 심한 영역에서 파일의 축력과 휨 모멘트가 크게 증가했습니다(그림 12, 13).

그림 목록:

• Figure 1 The relative position of the Minjiang River Bridge No. 3 and surrounding earthquake stations
• Figure 2 The vertical and horizontal pile foundation scour photo of Minjiang River Bridge No. 3
• Figure 3 The finite element model of Minjiang River Bridge No. 3
• Figure 4 The ground motion response spectrum
• Figure 5 The bending moment of #9 pile foundation legend
• Figure 6 The maximum bending moment of #15 and #16 pile foundation legend
• Figure 7 The absolute value of the maximum displacement of the main beam along bridge
• Figure 8 The maximum axial force (kN) of the bridge pier under the Soil-Structure Interaction
• Figure 9 The maximum bending moment along bridge under the Soil-Structure Interaction
• Figure 10 The maximum bending moment of pier bottom along bridge
• Figure 11 The maximum displacement of main girder along bridge in earthquake response
• Figure 12 The maximum axial force of each pile
• Figure 13 The maximum bending moment of each pile along the bridge

7. 결론:

실제 교량 테스트와 이론적 분석을 결합하고 Wolong 및 Zoushishan의 지진파를 입력하여, 침식 효과와 강진 재발을 고려한 교량 파일의 내하력을 분석한 결과는 다음과 같습니다.

1. 교량은 원래 일반적인 운영 조건 하에서 안정적으로 설계되었으나, Wolong 지진파의 영향을 받으면 연약 지반에 있는 9번 파일 기초가 휨 손상을 입을 수 있습니다.
2. 강진을 고려하지 않을 경우, 기존 교량의 교각 수직 축력과 내하력은 세굴 하에서 요구조건을 만족하지만, 파일 기초의 휨 성능은 요구조건을 만족하지 못합니다.
3. 기존 세굴과 강진의 영향을 받을 경우, 교량은 불안정성을 보입니다. 파일 기초가 세굴되고 교량이 강진을 겪으면, 교각 하단의 축력과 휨 모멘트는 이전보다 약간 작아집니다. 주 거더에서는 변위가 증가하여 파일 기초의 최대 축력과 휨 모멘트가 증가합니다. 세굴이 심각한 영역은 파일 기초에 큰 휨 모멘트를 유발하며, 일부 파일 기초는 휨 형태로 손상될 것입니다.
4. Zipingpu 저수지 건설로 인해 유사(siltation) 균형이 깨지면서, 홍수는 교량 하류를 집중적으로 세굴할 가능성이 높습니다. 장기적인 수문 및 세굴 모니터링이 필요하며, 이것이 파일 기초 안정성에 미치는 영향에 대한 추가 연구가 필요합니다.

결론적으로, 3번 교량은 불안정하며 더 이상 심화된 세굴과 강진을 견딜 수 없으므로 보강이 필요합니다.

8. 참고 문헌:

1. Zhang, J., Jia, H. Y., Zheng, S. X. et al. (2016). Analysis of a high-pier railway bridge under spatial stochastic stationary and non-stationary earthquake excitations. Tehnicki Vjesnik-Technical Gazette, 23(2), 465-475.
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9. Kumar, A., Choudhury, D., & Katzenbach, R. (2016). Effect of Earthquake on Combined Pile-Raft Foundation. International Journal of Geomechanics, 16(5), 4016013.
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전문가 Q&A: 자주 묻는 질문

Q1: 이 연구에서 세굴 전후, 그리고 토질-구조물 상호작용 고려 여부에 따라 총 4개의 해석 모델을 사용한 이유는 무엇인가요?

A1: 4개의 모델을 사용한 이유는 세굴과 토질-구조물 상호작용(SSI)이라는 두 가지 핵심 변수가 교량의 내진 성능에 미치는 영향을 각각 분리하여 명확하게 분석하기 위함입니다. 세굴 전후 모델을 비교함으로써 세굴 자체가 구조물의 동적 특성과 응력 분포에 어떤 변화를 가져오는지 파악할 수 있습니다. 또한, SSI를 고려한 모델과 고려하지 않은 모델(교각 하단 고정)을 비교함으로써, 지반의 강성과 감쇠 효과가 실제 교량의 지진 응답에 얼마나 중요한 역할을 하는지 정량적으로 평가할 수 있습니다.

Q2: 세굴과 강진이 복합적으로 작용할 때 교량의 어느 부분이 가장 취약한 것으로 나타났나요?

A2: 교각 자체는 비교적 안전했지만, 파일 기초가 가장 취약한 부분으로 나타났습니다. 특히 그림 6에서 볼 수 있듯이, 세굴이 심한 15번과 16번 교각의 일부 파일 기초는 강진 시 발생하는 휨 모멘트가 재료의 항복 강도를 초과하여 소성 변형 또는 파괴에 이를 것으로 예측되었습니다. 또한, 그림 7은 주 거더의 과도한 변위(최대 17.9cm)를 보여주는데, 이는 파일 기초의 손상으로 인해 상부 구조물을 제대로 지지하지 못하여 낙교로 이어질 수 있는 심각한 위험을 의미합니다.

Q3: 세굴로 인해 교량의 고유진동주기는 구체적으로 어떻게 변했나요?

A3: 표 2에 따르면, 세굴로 인해 교량의 고유진동주기가 전반적으로 길어졌습니다. 예를 들어, 교량의 전체적인 종방향 거동을 나타내는 1차 모드의 고유진동주기는 세굴 전 1.701초에서 세굴 후 2.625초로 크게 증가했습니다. 고유진동주기가 길어졌다는 것은 구조물의 강성이 감소했음을 의미하며, 이는 세굴로 인해 파일 기초 주변 지반의 지지력이 상실되어 교량이 지진 하중에 더 취약해졌다는 것을 명백히 보여주는 데이터입니다.

Q4: 이 교량에서 발생한 심각한 세굴의 직접적인 원인은 무엇으로 추정되나요?

A4: 논문에서는 두 가지 주요 원인을 지적합니다. 첫째, 상류에 위치한 Zipingpu 저수지가 2010년부터 운영되면서 하천의 유사(bed load sediment) 공급을 차단하여 하류의 세굴을 심화시켰습니다. 둘째, 불법적인 자갈 채취가 파일 기초의 노출을 더욱 악화시켰습니다. 이는 자연재해뿐만 아니라 인위적인 요인이 교량의 안전성에 심각한 위협이 될 수 있음을 보여줍니다.

Q5: 세굴 전 상태에서도 지진에 의해 손상될 가능성이 있었던 부분이 있었나요?

A5: 네, 있었습니다. 세굴 전 모델에 Wolong 지진파를 적용했을 때, 대부분의 파일은 안정적이었지만 9번 파일 기초는 예외였습니다. 그림 5에 따르면, 9번 파일 기초의 최대 휨 모멘트는 -5079.8 kN·m로, 항복 휨 모멘트인 4787 kN·m를 약간 초과했습니다. 논문은 9번 파일 기초의 지질이 다른 곳에 비해 연약했기 때문이라고 설명하며, 이는 실제 지진 피해 상황과 거의 일치하는 결과입니다.

결론: 더 높은 품질과 생산성을 위한 길

본 연구는 지진 후 발생하는 하상 세굴이 교량의 안전성에 얼마나 치명적인지를 실제 사례 분석을 통해 명확히 보여줍니다. 세굴은 교량의 강성을 약화시키고 파일 기초의 지지력을 감소시켜, 다음 지진 발생 시 예기치 못한 붕괴로 이어질 수 있는 ‘숨겨진 위험’입니다. 따라서 정확한 교량 내하력 평가를 위해서는 지진과 세굴의 복합적인 영향을 반드시 고려해야 합니다.

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저작권 정보

• 이 콘텐츠는 “Huang XIANBIN” 외 저자의 논문 “[An Evaluation on Bridge Bearing Capacity under Scour and Re-occurrence of Strong Earthquake]”을 기반으로 한 요약 및 분석 자료입니다.
• 출처: https://doi.org/10.17559/TV-20170717105559

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