수마트라 해안 지진조사에 의한 교량구조물의 피해분석 및 손상된 교량을 모델로 한 수리모형실험, 원심모형 실험을 통하여 쓰나미에 의한 교량에의 작용력 및 성토높이와 교량을 넘는 수심의 관계를 제안했다. 그리고 제안한 설계법을 WAKAYAMA현의 도로구조물에 적용함으로써 실제 피해도를 예상함과 동시에 대책법의 검토를 실시하였다.

2004년 12월 26일 발생한 수마트라 지진에 의한 거대 쓰나미에 의하여 막대한 피해가 발생하였다. 예를 들면 수마트라섬 서해안 도로에서는 전체 도로 240km중 80km에 달하는 도로가 유실되어 그 기능을 상실하였다. 교량도 173개중 73개의 교량이 유실로 판정되는 막대한 피해가 발생하였다. 한편, 쓰나미 연구에서는 해안에 밀려드는 쓰나미 파도 높이에 대하여는 어느 정도까지 가능하게 되었다. 이에 반하여 쓰나미에 의한 도로구조물의 손실에 대하여는 검토자체가 극히 적은 상태이다.

(연구의 목적)

다음과 같은 수법을 이용하여, 쓰나미가 도로구조물에 끼치는 영향을 검토함과 더불어 그 경감대책의 확보를 목표로 한다.

1. 수마트라 해안 지진에 의한 도로구조물의 피해규모의 분석

  · 쓰나미가 도로구조물에 끼치는 영향을 평가하고, 부재별 피해 정도와 쓰나미 높이와의 관계를 명확히 한다. 

2. 교량의 쓰나미 외력에 대한 설계법의 확립

  · 실제로 손상된 교량을 모델화 한 수리실험 및 수치해석에 의하여 교량을 대상으로 한 작용 파도의 힘 모델, 교량 저항 모델을 제안하였다.

3. 성토구조물에 대한 설계법의 확립

· 원심모형실험에 의하여 기존의 성토 높이와 교량을 넘은 수심의 판정 기준의 타당성을 검증하였다.

4. 모델지구를 대상으로 한 쓰나미 피해 예측

  · WAKAYAMA현 KINAN사무소 관할내의 모델 지역의 예상피해를 추정하고, 최적의 대책법을 제안하였다.

(연구 방법)

상기 1에서는 2007년, 2008년도에 수마트라 섬 현지 조사, 상기 4에서는 WAKAYAMA현에서 12회의 현지조사를 실시하였다. 상기 2에서는 2007년, 2008년, 2009년도에 SIMONOSEKI항만조사사무소(중형) 및 방위대학 (소형)에서 수리실험을 실시하였다. 상기3에서는 2007년, 2008년, 2009년도에 KYUSYU공업대학에서 원심모형실험을 실시하였다.

(연구성과)

1.  수마트라 지진에 의한 도로구조물의 피해 현황에 대한 분석

  조사대상구역은 반다아체로부터 무라보사이의 약 250km에 걸쳐 41개의 교량을 조사하였다. PC거더가 8개, RC거더가 9개, 강 I형 거더가 2개, 강트러스교가 11개이다. 이들 교량의 손상 랭크와 β값과의 관계를 표로 나타내었다. (β값은 거더저항력과 쓰나미작용력의 비율이다. β값이 크면 저항력이 우수한 교량) 손상랭크 A에서 β의 평균값은 0.8, 랭크 B에서 β값은 1.9, 랭크 C에서 β값은 2.2이다. β값과 손상랭크는 명확한 경향을 나타낸다. β값이 가장 큰 교량종류는 RC 거더교이며, 가장 작은 값은 강 트러스교량이다. 랭크A에서 상부 거더 이동에 의한 피해가 많았다.

2. 교량의 쓰나미 외력에 대한 설계법의 확립

 쓰나미 외력에 대한 설계법은 방파제 등의 항만시설, 발전소 등의 직벽 구조물에 대한 모의 실험을 실시하고 그 결과로부터 유도된 쓰나미 외력 산정식이 제안되어 있다. 그러나 교량의 경우 기존의 쓰나미에 대한 손상이 비교적 경미하였기에 현재까지 쓰나미에 대한 검토는 극히 드물었다. 이 연구에서는 기존의 설계법을 재검토하고, 교량을 대상으로 쓰나미에 의한 거더에의 작용력을 평가하기 위한 실험을 실시하였다. 실험에서는 분 력계, 파력, 양력의 계측을 수행하였다. 얻어진 실험결과로부터 기존의 산정식의 검증과 교량 상부공에서의 쓰나미 파도에 의한 산정식의 제안을 실시하였다.

실험에 의한 근이식을 그래프에서와 같이 제안하고 있다.

3. 성토구조물에 대한 설계법의 확립 

재해 당시의 도로시설은 연안부로부터의 피난과 구조 등의 긴급활동, 라이프라인의 복구활동을 지원하는 교통기반시설로그 역할이 중요하다. 따라서 도로와 철도의 피해를 예측하는 것은 우선시 되어야 할 사항이다. 그러나 현재 쓰나미에 의한 도로성토의 피해상황과 평가는 경험에 의한 판단기준이 제안되어 있을 뿐이다. 연구에서는 이러한 판단기준의 정확도를 실험에 의하여 검증하는 것을 목적으로 하였다. 원심모형실험을 통하여 쓰나미에 의한 성토구조물의 손상피해평가 실험을 실시하였다. 결과 기존의 검토법은 도로와 철도성토 등 단순 흙을 성토한 조건에서는 유효한 것을 알았다. 그러나 옹벽과 같은 호안시설에 대하여는 기존의 방법만으로는 판정하기 곤란하다는 것을 알았다. 기존의 변수에 유속과 파도가 초월할 때의 변수 추가가 필요하다.

4. 모델지역을 대상으로 한 쓰나미 피해예측

 쓰나미 대책이 수립된 WAKAYAMA현 남부지역에서의 교량에 대하여 현지조사를 통한 교량별 정보를 정리 분석하였다. 지역 내에는 총 175개의 교량이 존재하나, 쓰나미 피해우려가 있는 교량은 89이며, 그 중에서도 우선순위를 정하여 66개의 교량에 대한 검토를 수행하였다. 검토 교량 중 -1m침수 우려가 있는 교량은 19개이며 이들 교량에 대하여 간이 안전조사를 실시하였다. 조사항목은 쓰나미의 수평파력, 쓰나미에 의한 양력, 교량의 저항력과 쓰나미와의 관계를 검토하였다. 결과 5가지 종류의 교량 중 거더가 가벼운 강재 교량이 위험하다는 평가가 확인되었다.

(향후 전망)

표준적인 교량형상 및 성토구조에 대하여는 평가법을 명확히 규명하였으나, 특수한 거더형상, 배면지형의 영향, 교량과 성토의 보강수법에 대하여는 충분한 검토가 되었다고 볼 수 없다. 앞으로 이러한 파라메타에 대한 실험을 실시함으로써 각 개별 구조물에 대한 설계법과 보강법을 제안하는 것이 가능하였다.

본 연구를 통하여 쓰나미에 대한 표준적인 설계법이 명시되었다. 따라서 본 연구방법을 이용하여 각 쓰나미가 발생한 지역의 교량의 실시설계를 수행하는 것이 가능하다고 생각된다.