안벽은 선박이 안전하게 접안해 화물 및 여객을 처리할 수 있도록 설치한 부두의 바다 방향에 수직으로 쌓은 벽을 말한다.전문 수심이 4.5미터(m) 이상인 접안시설이며 1000톤(t) 이상의 선박이 접안할 수 있다.

잔교식 구조물은 육지와 연결을 일종의 교량 구조로 하여 하부는 PC말뚝, 강말뚝, 원토형 기둥, 케이슨등으로 축조하고 상부는 RC상판을 시설한 형식이다.

잔교식 안벽(Open type quaywall 또는 Pile type quaywall)은 평면 배치에 따라 해안선과 나란하게 축조하는 횡잔교아 해안선에 직각으로 축조하는 돌제식 잔교가 있다.

잔교식 안벽은 항만시설물 중 매우 유용한 구조물이다. 이번 연구는 박영지(금오공과대 토목공학과, 박사과정)
, 최오혁(금오공과대 토목공학과, 석사과정), 송동민(금오공과대 토목공학과, 박사과정), 김성겸(금오공과대 토목공학과 교수, skim@kumoh.ac.kr),  장일영(금오공과대 토목공학과 정교수, jbond@kumoh.ac.kr)  등이 참여했다.

연구의 주제는 'FSI 기법을 활용한 잔교식 안벽의 동적 안정성 분석(Dynamic Stability Analysis of a Dolphin-Type Quay Wall Using FSI Technique)이며 FSI는 '유체-구조물 상호작용'을 말한다.

◇ 잔교식 안벽의 안전성 평가... 수치해석 기법의 실용성과 정확도 검증

잔교식 안벽과 같은 해양 구조물의 안정성 평가는 다양한 구조적 요인 및 지진과 같은 외부 하중의 영향을 고려해야 한다.

특히 구조물과 유체의 복합적인 상호작용은 정확한 안정성 평가를 위한 정교한 모델링을 요구한다. 유체-구조 연성(FSI) 해석과 동적 시간 적분법(CEL)을 적용해 경주 및 포항 지진 조건 하에서 잔교식 안벽의 안전성을 분석했다.

이를 통해 수치해석 기법의 실용성과 정확도를 검증하고 구조물 설계의 안정성을 입증하는 데 목적이 있다.

◇ 유체와 구조의 상호작용을 모델링... 경주지진 및 포항지진 데이터 활용해 분석 수행


실험적으로 구현이 어려운 잔교식 안벽의 잔류수평 변위비를 분석하기 위해 2D 수치 모델링을 진행했다. 구조물은 고체와 유체로 나누어 모델링했다.

유체의 점성 특성을 고려하기 위해 유체-구조 연성(FSI) 해석 기법을 적용했다. 특히, CEL(Coupled Eulerian-Lagrangian) 방식으로 유체와 구조의 상호작용을 정밀히 모델링했다.

유체는 Navier-Stokes 방정식(식1)을 기반으로 모델링됐으며 점성 계수는 Reynolds Number를 통해 표현했다(식2).

고체는 Lagrangian의 운동 방정식(식3)과 변형률-응력 관계(식4)를 활용해 모델링됐다. 유한요소 기반의 수치해석에서는 모델링 과정에서 고체와 유체의 영역은 오일러 좌표계로 설정됐다. General Contact을 사용해 각 구성 요소 간 상호작용을 처리했다.

경주지진 및 포항지진 데이터를 활용하여 동적 시간 적분법(Dynamic, Explicit)을 통해 분석을 수행했으며 결과로부터 잔류수평 변위와 응력 분포를 도출했다.


◇ 잔류수평 변위비를 활용한 구조물 해석법이 구조물의 안전성을 효과적으로 평가할 수 있음을 입증

▲ 유한요소 해석 모델 및 지진파 적용부 및 해석 결과 [출처=한국재난정보학회 춘계학술논문발표대회 논문집]
잔교식 안벽의 수치해석 결과, 수평 변위 비율은 5퍼센트(%) 이하로 나타나 구조물의 안정성에 문제가 없음을 확인했다.

포항 지진파와 경주 지진파로 인해 말뚝에 가해진 최대 응력은 각각 21.37 MPa와 44.48 MPa로 분석됐으며 이는 SUS304의 항복 응력의 약 10%와 20% 수준으로 모두 탄성 범위 내에 해당했다.

따라서 본 연구에서 제안된 잔류수평 변위비를 활용한 구조물 해석법이 구조물의 안전성을 효과적으로 평가할 수 있음을 입증했다.

이 성과는 정부(과학기술정보통신부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 연구(No. NRF-2021R1C1C1013130)다.

▲ 정상 전문위원(중앙대학교 교수)