1. 서 론

서울 및 수도권의 교통 집중과 정체로 인하여 지하 공간의 활용이 필요해짐에 따라 다양한 지하 구조물의 건설이 증가하고 있는 추세이다. 그중 대표적인 구조물로 복층터널이 있다. 복층터널은 하나의 단면으로 교통과 라이프라인을 동시에 연결 및 소통할 수 있는 구조물이다. 복층터널의 계획 ․ 설계기술은 국외에선 성장기에 진입하고 있는 단계이며 영국, 미국, 프랑스, 일본 등 기술선진국에서 독점 보유하고 있는 기술이므로 연구개발을 통한 기술력 확보가 시급한 상황이다. 최근엔 복층터널 개발 및 시공에 대한 계획이 발표되고 있으나, 아직까지는 국내 건설 사례가 전무하며, 국외도 시공사례가 많지 않아 기초 연구가 필요한 상황이다(Jang et al., 2017). 국내 상황에 적합한 대심도 복층터널을 개발하고, 이를 체계화하여 세계시장에 진출 기반을 마련하고, 이를 위해 기존터널과 다른 복층터널 만의 설계 및 시공기술 및 다목적 활용 기술이 필요하다. 국외의 경우에는 지상공간의 친환경 개발, 도심지의 교통문제 해결 및 홍수 및 재해 대응을 위해 기존 도로를 복층터널로 개량하거나 신설하는 추세도 점차 증가하고 있다. 현재 프랑스 파리, 일본 동경, 스페인 마드리드, 미국 보스턴, 말레이시아 등 여러 나라에서 복층터널을 운영 중이며, 시공 중인 복층터널도 다수 존재한다. 이에 비해 국내의 지하 공간 분야 연구 개발은 설계 및 해석에 집중되어 있으며 선진국과 비교할 때 미래지향적 신기술이나 운영기술 등에 대한 기술은 아직 미흡한 실정이다. 복층터널의 경우 특성상 단면의 크기가 커지게 되고, 지진 발생 시 관성력 및 외력도 커지게 된다. 올해 9월에 일어난 경주지진 및 가장 최근에 일어난 포항 지진까지, 최근 우리나라 지진의 발생 증가로 인하여 복층터널의 지진 시 동적거동 파악이 중요해졌다. 복층터널 내 구조물 중 가장 중요한 핵심은 운전자 및 이용자의 안전과 직결된 중간슬래브의 거동이다(Jang et al., 2016). 중간슬래브의 경우 지진 시 인명피해가 가장 많이 발생할 수 있는 지점이므로 동적거동을 파악해야 하는 가장 중요한 부분이라 판단된다(Fig. 1).

Fig. 1.

Double deck middle slab

최근에는 복층터널에서 중간슬래브와 측압계수에 따른 세그먼트 라이닝의 거동분석(Lee and Moon, 2016), 대심도 복층터널의 다목적 활용을 위한 입지선정 및 통수성능 평가(Moon et al., 2016) 등의 연구가 수행되고 있으며, 또한 복층터널 내 중간슬래브는 구조상 교량과 다르게 양단에서 지지되는 형태이므로 이러한 조건을 가지고 있는 복층터널 중간슬래브 지지형식에 따른 수치해석적 연구(Seok et al., 2015)도 진행 되었다. 본 연구에서는 원심모형시험을 이용하여 복층터널 중간슬래브 지지조건에 따른 지진 시 응답특성을 파악 및 분석하였다. 중간슬래브 지지조건을 강결 연결 지지조건(fixed connection) 과 탄성 받침 지지조건(elastomeric bearing)의 2가지 경우로 나누어서 두 가지의 시험에 인공지진파, Ofunato (단주기) 및 Hachinohe (장주기) 지진파를 적용하여 중간슬래브의 역학적 거동을 비교 분석하여 중간슬래브 지지조건에 따른 응답 특성을 확인하였다.

2. 지하구조물

2.1 지하구조물

지진하중에 저항할 수 있는 지하구조물의 설계는 상부 구조물의 내진 설계와는 매우 다른 특성을 가지고 있다. 단면적에 비해서 길이가 상당한 큰 터널은 선형 지하 구조물이다. 이러한 구조물은 시공 방식에 따라 크게 굴착터널, 개착터널, 침매터널의 3가지 형태로 분류할 수 있다. 이러한 터널은 주로 지하철, 고속도로나 대규모 상, 하수 관로로 사용되고 있다. TBM (Tunnel Boring Machine)과 같은 굴착기를 이용한 터널은 보통 원형 단면 형태이며, 상부 토피가 높은 경우에 적합하다. 개착터널은 대체로 토피고 15 m 이내의 얕은 터널이며 주로 직사각형의 단면을 가진다. 침매터널은 육상에서 터널 구조물을 완성한 후 침수시켜 터널 구조체를 형성한다. 이러한 터널 구조물에 지진이 미치는 영향은 크게 다음의 두 가지로 분류할 수 있다.

1.지반진동

2.액상화나 단층변형, 사면 불안정과 같은 지반파괴

지반진동은 지각을 통하여 전파되는 지진파에 의한 지반의 진동을 의미한다. 진동에 의한 피해에 영향을 주는 인자는 다음과 같다.

1.구조물의 형상, 크기 및 심도

2.주변 흙 또는 암반의 물성

3.구조물의 물성

4.지반 운동 수준의 강도

지하구조물의 내진 설계는 몇 가지 측면에서 독특하다. 대부분의 지하구조물의 경우 주변 지반의 관성이 구조물의 관성에 비해 크기 때문에 주변 지반의 운동에 의해 지하구조물의 동적 거동특성이 결정된다. 또한 침매 터널의 응답은 터널 구조물의 물성 보다는 주변 지반의 응답에 의해 좌우되었다고 보고하고 있다(Okamoto et al., 1973). 따라서 지하구조물의 내진 설계는 지반의 변형과 구조물과의 상호작용에 초점을 두고 있다. 즉 변형에 초점을 두는 것이 구조물의 관성력에 초점을 두는 상부 구조물의 설계와 큰 대조를 이루고 있다.

이와 같이 일반 지하구조물에서는 원지반에 대해 상대적인 진동을 일으키기 어렵고 일단 일어난 진동도 곧 소멸된다. 그러므로 지하구조물은 지진 시 지반에 변위나 변형이 생기면 그것에 따라 주위에 끌려 운동한다. 지상구조물에서는 관성력이 중요하지만 지하구조물에 대해서는 지진 시 지반에 생기는 변위 및 변형이 중요하다(Park et al., 2005).

2.2 원심모형시험 상사법칙

모형 구조물의 크기를 1/n 로 축소한 모형이 현장 조건과 같은 응력을 유지하려면 중력가속도의 n배에 해당하는 원심가속도가 필요하게 된다. 그러나 단순히 비례관계를 중력가속도의 비례인자 n으로만 정의할 수 있다면 문제는 간편하지만, 응력 이외에도 모형의 경계조건에 따라 반응특성들이 상이한 경우가 많이 때문에 비례법칙은 더욱 복잡한 형태가 된다. 보통 비례법칙은 대상구조물의 물리적 성질을 표현하는 기본 식으로부터 유도 할 수 있다. 이를 통해 기하학적으로 실물과 유사한 관계가 성립된다.

 (1)

여기서, 하첨자 m과 p는 모형과 실물을 나타내고, l은 길이를 의미한다. 흙의 단위중량은 이므로 모형에서의 흙의 중량 은 다음과 같이 된다.

 (2)

또한, 깊이 에 있어서 자중에 의한 수직응력 은 다음 식과 같이 표현된다.

 (3)

따라서 실물과 모형의 수직응력이 일치함으로 모형과 실물의 재료는 동일하며, 수직응력이 같으므로 모든 방향의 응력, 간극수압도 모델과 실물은 같게 된다. 따라서 변형률에 관해서는 의 관계가 성립된다. 한편, 변형량 은 변형률 을 길이 으로 적분한 것으로 S를 길이좌표로 하면, 모형의 변형량은 식 (4)와 같이 된다.

 (4)

2.3 모델링

원심모형시험에서 축척을 1/n로 축소시키는 것은 흙 입자도 같은 크기로 축소시켜야 됨을 의미하지만, 흙 입자의 크기를 축소하는 경우엔 원형과 모형의 거동이 크게 변할 수 있다. 또한, 흙 입자의 입경은 흙의 기본적 물성으로 역학적 거동을 결정하여 주기 때문에 응력-변형률의 구성관계의 상사성에 차이를 주게 된다. 따라서 모형의 흙 입자 크기와 관계없이 가한 중력 크기와 무관하게 정당성과 일관성 있는 시험결과를 얻을 수 있는지 확인을 위해 모델링 과정이 수행되어야 한다.

이 과정에선 동일한 원형구조물의 거동을 연구하면서 모형 축척 크기와 함께 가속도의 크기를 변화시키면서 시험을 수행하여 중력 수준을 결정한다. 이와 같은 모델링 과정에서 축척의 영향(Scale Effect)과 경계영향(Boundary Effect)이 적정의 중력가속도 수준을 결정함에 있어 상한선과 하한선을 각자 규정하고 있는 것으로 알려져 있다.

Fig. 2는 모델링 원리로 축소모형의 크기와 가해진 중력 수준과의 상관 관계를 나타낸 것이다. Fig. 2의 은 1 g 상태에서 실물크기의 원형 구조물의 의미하고, 1000 cm 크기의 모형을 1 g 상태에서 시험을 수행한 것을 의미한다. 는 원형크기의 로 축소하고 중력 수준을 10배로 증가시킨 모형을 나타내며, 는 1/100로 축소하고 중력을 100배로 증가시킨 상태로 시험을 수행한 것이다. 3가지의 모델 모두 힘의 평형 관계를 만족하기 때문에 실물과 같은 응력-변형 거동을 원심모형시험에서 얻을 수 있다. 그러므로 축소모델 , 상태의 시험을 수행하면 원형모델 의 거동을 얻을 수 있다. 그러나 와 의 관계는 원형과 모형의 관계가 될 수 없으며, 이 두 모델의 비교는 모형의 크기에 따라 파괴거동에 미치는 영향을 구하는 과정이고, 와 의 비교도 자중에 의한 응력효과의 영향을 구하는 것이기 때문에 원형과 모형의 관계가 될 수 없다(Ham, 2007).

Fig. 2.

Principle of modeling of models

3. 원심모형시험

원심모형시험은 1930년대 지반구조물에 대한 모형시험에 최초로 도입되었고, 1960년 말에 와서 본격적인 연구가 수행되었다. 1960년대 중반부터 유럽 및 일본에서 원심모형시험기를 이용한 연구가 집중적으로 수행되었고, 미국에서도 수치해석 기법의 한계를 느끼면서 원심모형시험의 효용성을 인지하였고 시험기 설치 및 연구를 실시하여 전 세계적으로 원심모형시험 기법 및 관련 계측 장비 개발이 활발히 진행되었다. 70년대 이후로 한층 진보된 많은 시험기법들이 시험에 적용되어, 원심모형시험을 통하여 지반 및 건설 분야의 제반 문제들에 대한 해결의 실마리를 제공하였다. 이후 1980년대 Centrifugal model Technical Committee (원심모형 기술 위원회)의 결성과 함께 세계적으로 폭넓은 연구가 이루어지고 있다. 원심모형시험은 일반적인 축소 모형시험의 한계와 원형시험의 단점을 보완하고, 효과적으로 원형구조물의 거동 및 파괴 메커니즘을 연구할 수 있는 방법이다. 원심모형시험기의 장점은 축소된 모형구조물의 자중증가에 따른 실응력 재현 및 압밀, 오염물질의 이동 및 그와 관련된 문제들을 축소된 지반에서 구현함으로써 장기간에 걸쳐야 파악할 수 있는 구조물의 거동을 짧은 시간에 파악할 수 있는 장점이 있다. 또한 시험 시 부여되는 경계조건 및 지반의 응력상태, 공학적 성질이 비교적 잘 알려져 있기 때문에, 이론적인 해석방법이나 수치해석 기법의 정당성을 평가하는 부분에도 유리하다.

대부분의 경우 이론적인 해석결과는 원심모형시험 결과와 비교했을 때 오차 범위가 상당히 작은 것으로 알려져 있다. 또한, 원심모형시험에서는 실제 현장이나 이론적인 접근방법으로는 관찰하기 어려운 극한상태(파괴)까지 도달할 수 있기 때문에 파괴 시의 동적거동을 자세히 관찰할 수 있다. 이러한 특성으로 인하여 특히 대형 토목구조물에 대한 거동분석 시 원심모형시험기의 활용은 매우 많다고 할 수 있다. 장대교량의 안정성 검토, 붕괴된 댐의 파괴 매카니즘 검증, 구조물과 지반의 지진 시 상호거동 등의 문제를 예로 들 수 있다. 위의 경우엔 원심모형시험기로 실제 상황을 모사하여 이론적 접근방법으로는 미처 발견하지 못했던 부분을 찾아낼 수 있었다(Lee, 2002).

원심모형기기는 Pokrovski에 의하여 최초로 고안되어 현재 많은 학자들에 의하여 발전되면서 사용되고 있다. 지반공학에선 사면 안정문제, 지반의 지지력, 말뚝의 거동, 댐체 거동문제, 지진 시 거동 등 다양한 지반에 관한 연구에 대해 사용되고 있다(Schofield, 1988). 지반의 거동은 가해지는 응력에 상당히 의존되어서, 실제 조건에서의 응력조건과 비슷한 상태에서 모델시험을 수행되어야 하는 어려움이 있다. 실제 조건의 1/N배로 축소된 지반모사 상황에서 응력 조건을 실제 조건의 응력상태와 유사하게 유지하기 위해 원심모형시험기를 중력가속도의 N배 만큼 가속시켜야 한다(Park, 2009). Table 1은 축소모형이 실제현장과 유사한 거동을 발생시키기 위하여 원심가속장에서 시험을 수행하는 경우 주요 인지에 적용하는 상사성(Scaling factor)를 나타내었다. 본 연구에서는 실제 복층터널의 1:50의 축소모형을 제작하여 시험을 수행하였다.

Table 1. Supervisor used in centrifugal model test (Ham, 2007)

3.1 지진파

본 시험에서 사용된 지진파는 Ofunato (단주기)지진파, Hachinohe (장주기)지진파가 사용되었고, 다양한 주기특성을 가진 지진파를 모사하기 위해 표준응답스펙트럼에 부합하는 인공합성 지진기록을 추가적으로 생성하여 시험에 사용하였다. 우리나라의 경우 터널구조물은 내진1등급 붕괴방지 수준을 만족해야 하고 이때 최대지반가속도는 0.154 g이므로 지속시간은 20초이며 붕괴방지내진 1등급 설계지진가속도인 0.154 g의 인공지진파를 생성하였다. Fig. 3은 본 시험에 사용된 지진파 시간이력이다.

Fig. 3.

Applied seismic histories

3.2 시험조건

본 연구에서는 원심모형 시험을 위해 한국과학기술원(KAIST)에 위치한 시험센터의 원심모형시험기를 사용하여 50 g의 수평가속도를 적용한 3가지의 지진파를 가진하여 시험을 수행하였다. 최대 가속도는 붕괴방지 내진 1등급에 해당하는 0.154 g를 적용하였다. 복층터널의 축소모델은 아크릴 판넬로 제작하였고 현장지반의 모사를 위해 실리카 모래강사 방식으로 풍화암/풍화토 지반을 모사하였다. 진동대 바스켓은 49 cm × 49 cm × 60 cm 길이의 강체토조(Rigid wall container) 박스로 제작하였다. 실리카 모래 80%로 2번에 걸친 강사 방법으로 모사하였다. 하부지반은 5 cm 높이로 하부지반을 조성하였다. 하부지반 조성 후 1차 가속도계를 설치하고, 모형 거치를 위해 5 cm 지반을 형성 하였다. 다시 지반 조성 후 축소모델에 중간슬래브 중심, 중간슬래브 좌측, 하부슬래브 중간까지 총 3개의 가속도계를 설치하였다. 하부지반 조성(10 cm)이 된 Rigid 박스에 중간슬래브 축소모델을 거치한 후, 35 cm 높이까지 중간지반을 조성하였다. 중간슬래브 축소모델이 거치된 지반에서 실리카 모래를 강사하여 10 cm 높이의 상부지반을 조성하며 최종단면을 완성하였다. 상부지반 조성 후 지반형성이 완료된 Rigid 박스를 원심모형시험기의 진동대 바스켓에 설치 후 시험을 진행하였다. 또한 같은 방법으로 양단 탄성받침 시험도 모사하여 두가지 시험을 비교 분석하였다. Fig. 4(a)는 원심모형시험기의 외관, 4(b)와 4(c)는 복층터널 축소모델, 4(d)는 가속도계 설치 위치 및 원심모형 진행방향과 지진파 가진 방향이다.

Fig. 4.

Geo-centrifuge apparatus and modelling

4. 시험 결과

원심모형시험을 수행하여 가속도계 설치 지점별 가속도 응답을 측정하였다. 연구의 목적인 지진파 및 지지조건별(양단 강결연결, 양단 탄성받침) 시험의 결과를 비교 분석하여 중간슬래브 연결 조건에 따른 감쇠 효과를 확인하였다.

4.1 인공지진파 적용

인공지진파를 사용하여 시험을 실시한 경우, 중간슬래브 양단 강결 연결 지지조건시 중간슬래브 중앙에서 최대 0.215 g, 중간슬래브 좌측에서 최대 0.229 g, 하부슬래브 중앙에서 최대 0.172 g가 측정되었다. 양단 탄성 받침 지지조건에서 시험한 결과, 중간슬래브 중앙에서 최대 0.192 g, 중간슬래브 좌측에서 최대 0.209 g, 하부슬래브 중앙에서 최대 0.171 g가 측정 되었다. 인공지진파의 가속도 시간이력 측정 결과는 다음 Fig. 5와 같다.

Fig. 5.

Response acceleration time history for artificial wave

인공지진파 분석 결과 중간슬래브 중앙(10.6%) 감쇠량이 나타났으며, 이는 중간슬래브 좌측(8.7%), 하부슬래브 중앙(0.58%) 보다 높게 측정 되었다. 이는 중간슬래브의 가장 중요 지점인 중간슬래브 중앙에서의 내진성능의 우수함을 알 수 있는 결과였다.

4.2 Ofunato (단주기)지진파 적용

Ofunato (단주기)지진파를 사용하여 시험을 실시한 경우, 중간슬래브 양단 강결 연결 지지조건시 중간슬래브 중앙에서 최대 0.219 g, 중간슬래브 좌측에서 최대 0.226 g, 하부슬래브 중앙에서 최대 0.178 g가 측정되었다. 양단 탄성 받침 지지조건에서 시험한 결과, 중간슬래브 중앙에서 최대 0.189 g, 중간슬래브 좌측에서 최대 0.211 g, 하부슬래브 중앙에서 최대 0.17 g가 측정 되었다. Ofunato (단주기)지진파의 가속도 시간이력 측정 결과는 다음 Fig. 6과 같다.

Ofunato (단주기) 분석 결과 중간슬래브 중앙(13.6%)이 모든 지진파에서 가장 크게 나타났으며, 중간슬래브 좌측(6.6%), 하부슬래브 중앙(4.4%)에 비해서도 높은 감쇠량이 나타났다. 이는 단주기 지진파 발생 시 터널 내 중간슬래브 안에서 내진 성능이 가장 높아짐을 알 수 있는 결과이다.

Fig. 6.

Response acceleration time history for Ofunato wave

4.3 Hachinohe (장주기)지진파 적용

Hachinohe (장주기)지진파를 사용하여 시험을 실시한 경우, 중간슬래브 양단 강결 연결 지지조건시 중간슬래브 중앙에서 최대 0.318 g, 중간슬래브 좌측에서 최대 0.319 g, 하부슬래브 중앙에서 최대 0.317 g가 측정되었다. 양단 탄성 받침 지지조건에서 시험한 결과, 중간슬래브 중앙에서 최대 0.285 g, 중간슬래브 좌측에서 최대 0.316 g, 하부슬래브 중앙에서 최대 0.309 g가 측정되었다. Hachinohe (장주기)지진파의 가속도 시간이력 측정 결과는 다음 Fig. 7과 같다.

Fig. 7.

Response acceleration time history for Hachinohe wave

중간슬래브 중앙(10.3%)의 감쇠비가 다른 지진파와 동일한 결과가 측정 되었고 또한 중간슬래브 좌측(0.94%), 하부슬래브 중앙(6.3%) 와 비교 하면 다른 지진파에 비해 더 높은 감쇠 효과가 나타남을 확인하였다.

위 실험 결과를 종합하면 다음과 같다. Table 2는 실험 결과를 종합하여 지지조건(강결 연결, 탄성 받침) 및 각 다른 3가지 지진파(인공지진파, Ofunato, Hachinohe)로 정리하였고 각 지점조건(중간슬래브-중앙, 중간슬래브-좌측, 하부슬래브-중앙)의 감쇠량을 나타낸 표이다. Fig. 8은 지점조건 별 실험 결과를 나타낸 그래프이다.

Fig. 8.

Maximum accelerations

Table 2. Maximum acceleration attenuation by supporting condition

5. 결 론

본 연구에서는 지진 시 중간슬래브에 발생하는 가속도 특성 파악을 위해 중간슬래브 양단의 강결 연결 지지조건 및 탄성 받침 지지조건에 대하여 동적 원심모형시험을 수행하였고, 각각의 주기특성이 다른 3가지의 지진파(인공지진파, Ofunato, Hachinohe)를 사용하여 각 지점 조건 별 최대 가속도의 감쇠량을 확인한 결론은 다음과 같다. 인공지진파의 경우 최대치를 국내 지진구역 1구역의 붕괴방지 내진 1등급 설계기준 가속도인 0.154 g로 보정하여 적용 하였으며, 주기 특성이 다른 Ofunato (단주기), Hachinohe (장주기)지진파를 이용하여 적용하였다. 3가지 지진파 적용 시, 강결 연결 지지조건의 감쇠량 보다 탄성 받침 지지조건의 감쇠효과가 커짐을 확인 할 수 있었다. 인공지진파의 경우 중간슬래브(중앙)에서의 감쇠량이 10.6%, 중간슬래브(좌측)에서의 감쇠량이 8.7%, 하부슬래브(중앙)에서의 감쇠량이 0.58%로 나타났다. Ofunato (단주기) 지진파의 경우 중간슬래브(중앙)에서의 감쇠량 13.6%, 중간슬래브(좌측)에서의 감쇠량 6.6%, 하부슬래브(중앙)에서의 감쇠량 4.4%로 나타났다. Hachinohe (장주기) 지진파의 경우 중간슬래브(중앙)에서의 감쇠량 10.3%, 중간슬래브(좌측)에서의 감쇠량 0.94%, 하부슬래브(중앙)에서의 감쇠량 6.3%로 분석되었다. 최대 감쇠폭은 Ofunato (단주기)지진파에서 발생하였고, Hachinohe (장주기)에서 가장 작은 감쇠량이 산정되었다.

분석결과, 지진이 발생 할 시 복층터널 내 중요 지점인 중간슬래브에 대한 지진 응답특성이 지지조건에 따라서 달라지는 경향을 확인 하였다. 각기 다른 특성을 지닌 지진파를 작용 시 지지 조건에 따라 감쇠율이 크게 차이남을 확인 하였다. 이는 복층터널 내진 설계 시 연결 조건은 강결 연결 조건보다는 탄성 받침 조건으로 설계 되어야 인명 피해 발생 및 터널 내 피해를 최소화 할 수 있다고 판단된다. 따라서 복층터널 중간슬래브 연결방식은 강결 연결 지지조건 보다는 탄성 받침 지지조건의 내진성능이 더 우수하다고 판단된다.