Study on the characteristics of seismic response of ECRD, CFRD, and composite dam via numerial modelling

Abstract

댐은 홍수 및 가뭄, 그리고 이o치수를 위하여 인류의 삶에 중요한 역할을 하는 사회기반시설물이다. 최근 들어, 한국을 포함하여 세계적으로 빈번하게 지진이 발생하고 있으며, 대형 토목구조물에 해당하는 댐이 지진에 노출되어 파괴될 경우, 우리의 삶에 상당한 영향을 미칠 수 있다. 이러한 환경 속에서, 댐의 지진 응답특성을 평가하는 것은 필수 불가결한 요소이다. 댐의 지진 응답특성은 일반적으로 실제 댐에서 지진 시 계측된 데이터 혹은 모형실험, 혹은 수치해석을 이용하여 평가된다. 실측 데이터를 활용한 평가는 반복적인 형상에 대한 고찰의 어려움이 있으며, 특히 국내에는 실측 데이터의 양이 부족한 실정이다. 또한, 실내 모형실험을 이용한 평가는 많은 비용과 노력, 그리고 시간이 요구되며, 다양한 매개변수 연구측면에서의 어려움이 있다. 이러한 측면을 고려할 때, 수치해석을 이용한 댐의 지진 응답특성 평가는 효과적이고, 좋은 방법이 될 수 있다. 본 연구에서는 수치해석을 이용하여 네 가지 유형의 댐들의 지진 응답특성을 평가하였다. 네 가지 유형의 댐으로는 중심코어 형 석괴 댐, 콘크리트 차수벽 형 석괴 댐, 콘크리트 댐 지지 벽 형 복합 댐, 그리고 콘크리트 댐 관입 형 복합 댐으로 구성된다. 첫째로, 수치해석의 검증을 위하여 기존의 동적 원심모형 실험을 이용하여 중심코어 형 석괴 댐 및 콘크리트 차수벽 형 석괴 댐의 지진 응답특성을 FLAC 3D를 이용하여 해석하였다. 수치해석의 시간 및 주파수 영역의 가속도 결과들을 원심모형실험 결과에 비교하였고, 수치해석의 결과가 원심모형실험의 결과에 상당한 일치성을 나타냈다. 이 과정을 통하여 댐의 지진 응답특성을 위한 신뢰성 있는 수치해석 기법을 확립하였다. 둘째로, 동적 수치해석 기법을 바탕으로 실제 크기의 중심코어 형 석괴 댐 및 콘크리트 차수벽 형 석괴 댐의 지진 응답특성에 대해 매개변수를 수행하였다. 매개변수들은 댐의 유형 및 높이, 입력지진의 유형 및 강도, 그리고 댐 재료의 강성 값으로 고려되었다. 댐의 공진주기, 증폭특성, 그리고 뚝 마루에서의 영구 침하량을 고찰하였다. 중심코어 형 석괴 댐 및 콘크리트 차수벽 형 석괴 댐 댐의 공진주기는 댐의 높이, 댐의 강성 값, 그리고 입력지진의 강도에 따라 살펴보았고, 그 결과 댐의 공진주기는 댐의 높이 증가와 강성 값의 감소에 따라 증가하였으며, 이는 기존의 해석적인 방법에 의한 결과와 유사한 결과를 나타냈다. 입력지진의 강도가 증가함에 따라 공진주기가 길어지는 현상이 나타났으며, 이는 댐 재료의 감쇠현상을 반영한 특성이 나타났다. 이들의 증폭특성은 입력지진의 강도와 댐 재료의 강성 값에 따라 조사되었고, 댐 재료의 감쇠현상을 반영하는 입력지진 강도의 증가와 함께 증폭이 감소하였다. 그리고 강성 값의 증가와 함께 댐의 증폭이 감소하였다. 댐 높이에 따른 증폭비의 보편적인 형태를 살펴보았다. 낮은 지진강도에서는 댐의 바닥에서부터 점진적으로 증가하는 형태를 나타났고, 중간의 지진강도에서는 댐의 바닥에서부터 60% 높이까지 작은 증가형태를 보이면서 60% 높이 이상부터 점진적인 증가 형태를 나타나며, 높은 지진강도에서는 댐의 바닥에서부터 40% 높이까지 작은 감소형태를 보인 후 40% 높이 이후부터 작은 증가형태를 나타냈다. 댐 뚝 마루에서의 영구 침하량을 살펴보기 위해 지진 종료 시점에서 연직변위 값을 평균하였다. 중심 코어 형 석괴 댐의 경우가 침투를 허용하고, 강성이 작은 코어재료로 구성되어 있어서 콘크리트 차수벽 형 석괴 댐의 경우보다 많은 변위량을 나타내었다. 수치해석으로부터 산정된 공진주기, 증폭비, 그리고 영구 침하량의 값들을 국외의 기존 실측 데이터와 비교를 통하여 서로 유사성을 나타내는 것을 확인 함으로써 매개변수 연구 결과의 합리성을 검토하였다. 마지막으로, 두 가지 유형의 복합 댐에 대한 지진 응답특성에 대한 수치해석을 수행하였고, 그 결과를 원심모형실험 결과와 보정을 통하여 수치해석의 검증을 수행하였다. 콘크리트 댐과 흙 댐이 연결되는 접속구간에서 콘크리트 댐 지지벽식 형태와 관입형태를 갖는 복합 댐에 대해 수치해석을 수행하였다. 콘크리트 댐, 접속구간, 그리고 흙 댐 세 위치에서의 시간 및 주파수 영역에서 가속도의 수치해석과 원심모형실험 결과를 비교하였다. 수치해석과 원심모형실험 사이에 좋은 일치성을 나타내는 결과를 얻음으로써, 복합댐의 지진 시 거동에 대한 수치해석을 적절히 검증하였고, 추후 검증된 수치해석 모델링을 이용하여 복합댐의 접속구간에서의 상대변위에 대한 연구가 요구된다.