1.0 요약

태평양 연안 북서부(Pacific Northwest) 지역은 교량과 같은 해안 기반시설을 쓸어버릴 수 있는 대규모 쓰나미를 발생시킬 가능성이 높은 캐스케디아 섭입대(Cascadia Subduction Zone)에서 일어나는 지진에 취약하다. 이 논문에서는 오리건 해안지대를 따라 건설된 교량 상부구조물에 대한 쓰나미의 위력을 측정하는 지침의 개발을 서술하고 있다. 숫자코드를 근거로 한 다중 물리현상은 Schooner Creek 교, Drift Creek 교, Millport Slough 교, 오리건 해안지대의 Siletz Bay 지역에 위치한 Siletz River 교와 같은 4대 선정교량의 실물크기의 교량 상부구조물에 대한 쓰나미 충격의 숫자상의 모델링을 실행하는데 사용된다.

두 개의 상이한 교량 상부구조물의 유형, 데크 거더와 상자 형 단면이 교량 횡단면의 기하학 효과를 연구하기 위해 Schooner Creek 교의 사례에서 발전되었다. 그 결과 상자 형 단면 구조물에 대한 쓰나미 위력이 데크거더 단면에 대한 쓰나미 위력보다 현저하게 더 높다는 것을 보여주고 있다. 따라서 상자 형 단면 설계는 쓰나미 상습지역에서 사용하기에는 적절하지 않을 수도 있다. 더구나 동일한 쓰나미 하중이라고 가정하고 견고한 레일과 오픈레일 간격이 있는 데크거더 교량의 숫자상의 시뮬레이션이 쓰나미 위력에 대한 레일의 효과를 시험하기 위해 수행되었다. 그 결과 레일이 있는 교량에 대한 횡적 및 종적 쓰나미 위력이 오픈레일 간격이 있는 교량에 대한 그러한 쓰나미 위력보다 상대적으로 20% 및 15%까지 더 규모가 크다는 것을 제시했다. 이러한 숫자상의 결과는 결국 교량 상부구조물에 대한 쓰나미 위력을 측정하는 간단한 방법을 개발하는 기존의 문헌에 수학공식으로 포함된다. 쓰나미 하중 하에서 교량 상부구조물에 적합한 실험에 근거를 둔 계수는 숫자상의 결과에서 나온 분산된 데이터의 평균값을 근거로 평가되었다. 개발된 지침을 그것이 불확실한 것을 설명하지 못했을 때에만 설계를 위한 사전준비 지침으로써 사용되도록 하였다. 그래서 적합한 하중계수가 계산에 포함되어야만 한다. 오리건 연안지대에 건설된 Spencer Creek 교에 대한 현재 작업에서 개발된 지침의 응용 가능성을 시험하기 위해 이전의 쓰나미 위력 분석을 다시 검토했다. 이 논문에서는 또한 고성능계산(HPC)시스템에 LS-DYNA를 사용하는 교량 상부구조물의 유동구조상호작용(FSI) 숫적모델을 위한 중앙처리장치(CPU)의 최적 수에 대한 연구결과를 제시한다.

2.0 소개

2.1 배경

오리건 연안지대는 캐스케디아 섭입대에서 발생한 대규모 지진에 취약한데 2004년 12월 인도양에서 대규모 쓰나미를 발생시켰던 수마트라에서 발생한 지진특성에 공통적인 지진특성을 공유하고 있다. 쓰나미 퇴적단위에 대한 연구와 해안침하의 증거를 보면 평균적으로 CSZ에서 일어나는 대규모 지진은 500년 마다 한 번 발생했다는 사실을 나타내고 있다 (Goldfinger 외 2003). CSZ에서 가장 최근에 일어난 대규모 지진은 1700년에 발생했으며, 따라서 태평양 연안 북서부 해안 지역을 따라 건설된 기반시설을 파괴할 수 있는 대규모 지진이 가까운 미래에 발생할 것이라는 비교적 높은 가능성이 있다. 오리건 연안지대를 따라 있는 교량들은 그 지역의 교통과 생업시스템에 중요한 부분이다. 이러한 교량들의 어떤 엄청난 파괴는 교통 혼란을 초래하고 사태 후 비상대응을 지연시킬 것이다. 대체로 1950년대에서 1970년대에 건설된 이러한 교량들은 그러한 대규모 지진이나 쓰나미 하중을 견디도록 설계되지 않았기 때문에, 대지진이 일어나는 동안 심각하게 파괴될 위험이 있다. 그러나 지진하중과 달리, 일반적으로 미국에서는 특히 오리건 주에서는 현재 교량 상부구조물에 대한 쓰나미 위력을 측정하는 명확한 설계표준이 없다. 교량 상부구조물에 대한 쓰나미 충격의 이해는 현재 활동중인 엔지니어링 공동체의 큰 관심사이다. 결론적으로, 오리건 교통국은 오리건 연안지대를 따라 쓰나미 런업지대에 건설된 교량 상부구조물에 대한 쓰나미 위력을 측정을 위한 지침을 개발하기 위해 한 연구프로그램을 만들어냈다. 이 지침은 또한 유사한 상황에 있는 다른 지역에도 적용될 것으로 예상된다.

비선형 유한요소분석(NL-FEA)은 프로토 타입 모형 시험을 대체할 수 있는 비교적 비용이 저렴한 필수적인 분석도구이다. 프로토 타입 모형에 대한 실험실 시험이 세계적으로 중요한 결과를 제공하는 반면, NL-FEA는 응력, 변형률, 반력, 그 외 여러 가지와 같은 쉽게 측정할 수 없는 시간이력반응을 제공할 수 있다. 그러므로 NL-FEA가 교량 상부구조물에 대한 쓰나미 충격을 분석하고 이 연구에서 여러 쓰나미 하중조건 하에서 교량에 대한 시간이력의 힘을 결정하기 위해 사용되었다. 숫자상의 모형은 코드, LS-DYNA에 근거한 다중물리현상 유한요소를 사용함으로써 개발되었다. 그 코드는 자유표면을 가진 구조물에 대한 유체충격을 정확히 분석하기 위한 소프트웨어이다.

이 연구는 두 가지 주요 부분으로 나뉜다. 제 1파트는 교량 상부구조물에 미치는 쓰나미 충격에 대한 실물크기의 시뮬레이션을 수행하고 오리건 연안지대의 4대 선정교량에 대한 쓰나미 하중으로 인한 반력을 계산하기 위해 숫자상의 모형을 개발하는 것이다. 그 4대 교량은 그림 2.1에서 보여주고 있듯이 Schooner Creek 교, Drift Creek 교, Millport Slough 교, Siletz Bay 지역에 위치한 Siletz River 교 이다. 제 2파트는 쓰나미 런업지대에 있는 교량의 설계를 위한 예비지침으로서 사용될 교량 상부구조물에 대한 쓰나미 위력을 측정하는 지침을 개발하는 것이다. 개발된 지침은 기존의 문헌과 제 1파트에서 계산된 숫자상의 모형에서 얻어진 시간이력결과에 근거한 것이다. 2006년 Nimmala와 그 외가 수행한 이 연구는 오리건의 Spencer Creek 교에 대한 쓰나미 설계기준의 이전 사례연구의 확장이다. 그 Spencer Creek 프로젝트는 LS-DYNA 소프트웨어를 사용해서 교량에 대한 시간이력 힘을 결정하기 위해 교량바닥에 대한 쓰나미 충격의 숫자상의 모형을 개발함으로써 수행되었다. 그 분석은 현재작업에서 개발된 지침의 적용 가능성을 시험하기 위해

다시 논의되었다.

그림 2.1: Siletz 만과 선정된 교량의 위치를 위에서 본 평면지도

2.2 파열모형 및 쓰나미 시나리오

시뮬레이션 모형들에 대한 수위 및 수속 시간이력으로서 정의된 인풋 쓰나미 흐름장은 하와이 대학 출신의 Cheung과 준 연구원들이 개발한 쓰나미 숫자상 모형에서 얻은 결과였다(Cheung 그 외 2011). 2009년 Yamazaki와 그 외 사람들이 개발한 비선형 천수모형은 주목받고 있는 교량 현장에서 흐름조건들을 서술하고 있는 유압과정 즉, 월파, 유압점프형성, 단파전파를 캡처하는데 이용되었다. 미국 지진 위험지역 지도에서 나온 500년 회기 CSZ 지진 시나리오에 근거한 파열모형의 개발은 그림 2.2에 설명되어있다. 파열 경계선은 캘리포니아 북쪽 Cape Mendocino에서 브리티시 콜럼비아의 Vancouver Island까지 대략 1,100km로 확대된다. 파열의 서쪽 경계선은 대륙붕 밑면에서 해구를 따라 명시되어있다. 추가적인 조건들이 전이대(MT)의 중간지점과 전이대의 밑면에서 동쪽 파열 경계선을 정의하기 위해 Wang과 그 외 인물(2003)에 의해 제공되었다. 게다가, Tichelaar과 Ruff(1993)의 얕게 잠긴 섭입대의 글로벌 아날로그가 123.8°W 깊이 30km에서 동쪽 파열 경계선을 정의하는데 사용되었다.

Siletz 만에서 500년 만의 캐스케디아 쓰나미 사건을 위해 4시간 지속된 흐름장 데이터가 6가지 다른 쓰나미 시나리오에 제공되었다. 이러한 시나리오는 순간 진도(Mw)9.0에서의 4가지 파열형상과 순간 진도 8.8과 9.2에서 2가지의 추가적인 파열형상에 근거한 것이었다. 첫 형상은 그림 2.2에서 블랙라인인 LZ 만의 범위 내에서 발생하는 파열을 가정한다. 동쪽의 파열은 그림 2.2에서 옐로우라인인 MT의 중간지점과 그림의 핑크색라인인 TZ의 밑면에서 발생한다. 4번째 파열형상은 그림에서 블루라인인 글로벌 아날로그에 근거한 깊이 30km에서 발생한다고 가정된다.

파열형상들(0.1, 0.2, LZ, MT, TZ, GA에 대한 0.2, 0.5)과 순간 진도(0.6, 0.2 Mw 9.0, 8.8, 9.2에 대한 0.2)에 발생하는 상대적 무게 배분은 태평양 북서부 지진자료(Cheungr과 그 외 2011)의 로직 트리에 근거하여 할당되었다.

9.0 결론

오리건 연안을 따라 건설된 교량들은 그 지역의 운송시스템의 중요한 부분이지만 대규모 쓰나미 하중을 견디도록 설계되지는 않았다. 퇴적 단위의 연구를 근거로 오리건 연안 부근에서 대 지진해일이 발생할 가능성이 높다. 쓰나미 범람으로 교량에 미치는 위력의 진도를 이해하기 위해 ODOT는 오리건 Siletz 만 지역에 있는 4대 교량에 대한 쓰나미 취약성 연구를 수행하기 위해 연구프로그램을 개발하였다.

이 연구는 두 개의 주요 파트로 나뉘는데 그 첫 파트는 실물크기의 교량 상부구조물에 미치는 쓰나미 충격에 대한 수치시험을 하기위한 수치모형을 개발하는 것이었고 그 두 번째 파트는 교량 상부구조물에 대한 쓰나미 위력을 평가하기 위한 지침을 개발하는 것이었다. 그 지침은 파력 관련 문헌의 검토와 이 연구의 첫 파트에서 수행된 수치모형에서 얻은 시간이력결과를 근거로 개발되었다. 쓰나미로 인한 횡력은 수위와 플럭스 운동량에 연속 비례하는 것으로 생각되고, 종력은 횡 방향에서 수위와 수속의 제곱에 연속 비례하는 것으로 간주되었다. 종 방향에서 수속으로 인한 수압은 횡 방향에서 수위와 수속으로 인한 수압에 비교해서 비교적 작았다. 그래서 종적 수속은 무의미했다. 추천된 접근 방법은 흐름하중만으로 인한 쓰나미 위력을 평가하기 위해 간소화한 방정식을 제공했다. 떠다니는 물체로 인한 충격력은 이 방정식에 포함되지 않았다. 추천된 접근방법은 설계 기술자들을 위한 예비 지침으로서 사용하기 위해 개발되었다. 적절한 하중요소가 쓰나미 흐름장에서 불확실한 점과 수치결과를 유효하게 하기 위해 현실적인 교량모형에 대한 실험실 시험의 부족을 감안하여 설계할 때 이러한 방정식에 포함되어야만 할 것이다.

10.0 미래의 연구사항

현재의 연구는 실험실 시험자료가 있는 증명 없이 한정된 요소 모형에서 계산된 쓰나미 시간이력하중을 근거로 개발되었다. 미래 연구를 위한 추천사항은 교량 상부구조물에 대한 쓰나미 충격에 관한 실험실 시험을 수행하고 예측수치를 가진 시험결과를 비교하는 것이다. 더구나, 이 연구에서 개발된 수치모형은 이차원적인 것이었다. 교량의 종 방향 경간 길이는 고려되지 않았다. 교량 상부구조물에 대한 쓰나미 충격에 대한 3차원적 모형이 그들 간의 상호작용에 대해 더 나은 이해를 하기위해 그리고 쓰나미의 위력을 컴퓨팅 하는데 있어서 종 방향 경간 길이의 효과를 연구하기 위해 개발되어야 할 것이다. 교량 상부구조물에 대한 전체 쓰나미 위력 이외에 횡단면을 따라 각 거더에 대한 배분력을 미래 모형에서 바닥판과 거더 간의 연결부에서 반력을 추적함으로써 더 나은 설계를 위해 평가할 수 있을 것이다.

교량 바닥판에 대한 쓰나미 위력을 평가하기 위해 추천된 접근방법이 쓰나미 런업지대에 건설된 새로운 교량의 설계를 위한 예비 지침으로서 그리고 마찬가지로 기존 교량의 쓰나미 취약성 연구를 수행하기 위한 지침으로서 개발되었다. 기존 교량에 대한 쓰나미 취약성에 대한 조사가 재조절, 또는 필요하다면 대체를 위한 계획을 만들기 위해 수행되어야 할 것이며, 이러한 교량가운데 일어날 가능성이 있는 쓰나미를 견뎌낼 수 있도록 하기 위해서 조사가 수행되어야 할 것이다.