2.3.1. 국내외 기술수준 분석
가. 조성기술
(1) 지지구조물 기술동향
- 안벽 및 부두와 같은 국내 항만 구조물은 잔교식, 중력식, 케이슨식과 같은 구조 형식 적용되어 건설되고 있으며, 돌핀의 경우 대부분 잔교식 구조물의 형태를 취 하고 있음.
Precast상 판
상부 거더
전기방식
{비말대}
중방식 (스텐레스피복,
에폭시수지) 말뚝과
Jacket의 결합 말뚝
Leg Sea
m Grout
Grout seal 현장
용접
그림 2-3-1 잔교의 일반적인 형태
- 해외(일본)에서는 Jacket식 안벽을 다수 적용한 실적이 있으며, 최근에는 하네다공
항 D활주로를 세계 최초로 Jacket 구조로 시공함.
그림 2-3-2 재킷 구조로 시공된 하네다 공항
- 국내에서는 dolphin에 주로 jacket이 사용되며, 최근에는 해상 풍력타워의 기초로 도 그 활용이 증대되고 있음.
- 안벽구조물은 배면이 매립되어야 하는 형태이므로 토류가 필수적이므로, 배면의 토압을 jacket이 받는 arc sheet pile식 jacket도 개발됨.
- 그러나 국내외의 이러한 구조물은 모두 강재를 사용하고 있으며, 합성구조를 사 용한 형태는 전무하다고 할 수 있음.
- 본 연구에서는 해역재생을 위한 지지구조물로서 잔교형식을 대상으로 하고 있으 며, 잔교의 성능 향상을 위한 중요 기술은 잔교를 지지하는 파일이라 할 수 있음. - 구조물의 성능 향상을 위하여 강재와 콘크리트를 합성하여 사용하는 강-콘크리트
합성구조에 대한 연구가 활발히 진행되고 있으며, 이를 적용한 구조물 또한 증가 세에 있음.
- 강-콘크리트 합성구조로서는 기둥에 주로 적용되고 있는 콘크리트 충전 강관구조 (CFT55))와 원자력발전소의 벽체구조에 적용되고 있는 강판콘크리트구조(SC)56)가 대표적이라 할 수 있음.
- CFT 기둥의 거동 특성에 대해서는 국내외적으로 많은 연구가 수행되었으며57), 실
험과 해석을 통하여 그 우수한 성능이 검증되었으나, 강관의 내부에 콘크리트가 완전히 충진되어야 하는 특성으로 인하여, 자중 중가와 재료비의 증가가 필연적 임.
- SC구조의 경우, 원자력발전소 구조물 적용을 목적으로 연구가 활발히 진행되어 설계기준58)이 발간되었으며, SC 구조 벽체의 거동(Chung & Lee, 2012)과 내력에 대한 평가(Chung et al., 2013)가 연구된 바 있으며, SC 구조는 벽체구조로 주로 적용되고 기둥구조로는 적용되지 않고 있음.
- SRC(Steel Reinforced Concrete) 구조는 철근 콘크리트 구조 내에 강재 파일을 삽
입한 형태로서 현재 주로 건축구조의 기둥으로 연구와 적용이 이루어지고 있음. - 이중관 충전콘크리트(DSCT; Double-Skinned Composite Tubular) 구조는 동심을
갖는 두 관 사이에 콘크리트를 타설하는 구조로서 이의 단면은 SC구조와 동일하 다고 볼 수 있는 구조임.
그림 2-3-3 Cross-Section of SRC Column
concrete
internal steel tube outer steel tube
그림 2-3-4 Cross-Section of DSCT Column
- DSCT 구조는 Shakir-Khalil & Illouli(1987)에 의해 제시된 이후, 이를 적용한 기 둥의 축강도에 대한 연구가 이루어져 왔으며59), 섬유보강폴리머(FRP60)) 관을 적
55) Concrete Filled Tubular 56) Steel-Concrete
57) Hwang et al., 2003; Chung et al., 2003; Chung et al., 2004; Moon et al., 2012; Inai et al., 2004; Sakino et al., 2004; Xiao et al., 2005
58) KEPIC-SNG, 2010
59) Wei et al. 1995; Zhao & Grzebieta 2002; Tao et al. 2004
용한 하이브리드 기둥에 대한 연구도 수행된 바 있음61).
- 구속효과를 고려한 DSCT 기둥의 비선형 재료모델과 휨거동에 대한 연구는 Han
et al. (2010, 2013)에 의해 수행 되었으며, 그들은 DSCT 기둥의 파괴모드와 콘크
리트의 재료모델을 제안하고(Han et al., 2010), DSCT 기둥의 비선형 해석 모델을 제안하고 휨거동을 분석함.(Han et al., 2013).
- 최근에는 DSCT 구조를 적용한 풍력발전 타워에 대한 연구도 수행되고 있으며62), 강관 이외에도 FRP관을 적용한 DSCT 풍력발전 타워에 대한 연구도 수행되고 있
으며(Hong et al., 2016b), DSCT 구조의 적용 범위가 확대되고 있는 추세임.
- 합성구조 기둥은 현재까지 교각, 고층빌딩의 기둥 등에 대해 연구되고 적용되고 있으며, 항만 구조물에 대해서는 현재까지 적용 사례가 없는 것으로 조사됨.
(2) 안전확보 기술
- 해양수산부는 2014년 항만 및 어항설계기준을 개정한 후 신뢰성 및 내진 설계 등 에 대한 내용을 강화하기 위하여, 지난 2016년부터 “항만 및 어항설계기준 고도 화를 위한 성능기반 내진설계 기술 개발(연구기간: 5년, 정부출연금: 89억원)”과제 를 지원하고 있음.
- 국민안전처 소속 국립재난안전연구원에서도 지진에 대응하기 위하여 “기존시설물 의 내진성능평가를 위한 기초연구” 및 “기존시설물의 내진성능향상을 위한 보수 보강기법 연구” 등 다양한 연구개발사업을 지원한 바 있음.
-아래는 경남 양산에 규모6.5의 지진이 발생할 때 액상화 현상을 시뮬레이션 한 결과로 진앙지와 가까운 부산 등 경남지역에서 액상화로 인한 피해가 매우 클 것 으로 예상되는 결과임.
61) Teng et al. 2006; Yu et al. 2006
62) Han et al., 2015; Han et al., 2016; Yi & Han, 2016; Hong et al., 2016a
그림 2-3-5 지반 액상화 시뮬레이션 결과 (한겨레신문 2016-09-18)
(3) 해역 보호시설 기술
(가) 방파제
- 항계내 해역의 이용성 향상(항로 등)을 위해 연파 또는 다방향 반사파 저감형 방 파제 등과 해수면 상승에 따른 피해 저감을 위해 마루높이 증고 등 월파 저감형 방파제의 개발이 이루어지고 있으며, 친수․경관 등 조망 확보에 따른 다양한 유형 의 방파제(상치콘크리트 포함)가 설계․시공되고 있음.
- 우리나라와 유사한 해양환경에 접해 일본의 경우, 1970년대 후반부터 대수심․고파 랑, 연약지반 해역에서 적용성이 높은 신형식 방파제 개발을 추진.
Ÿ 소파블록피복제, 직립케이슨제, 사석경사제 등 기존의 방파제 유형보다 대수 심․고파랑 , 연안지반에서 안정성 등 적용성과 건설비용 절감 효과.
(a) 이중원통형슬릿케이슨식 방파제 (b) 전후사면형케이슨식 방파제 그림 2-3-6 일본의 신형식 방파제 사례 (1)
(a) 상부사면케이슨식 방파제 (b) 곡면슬릿케이슨식 방파제 그림 2-3-7 일본의 신형식 방파제 사례 (2)
- 상기 일본의 신형식 방파제 중 곡면 슬릿형 케이슨은 파랑조건이 심한 외해에 있 어서 적용성이 높은 소파 케이슨으로 개발되었으며, 국내 벤치마킹 사례로 고파 랑 내습 해역인 제주외항 방파제에 대안설계로 시행되어 도입되어 시공.
- 항내 혹은 배후역의 정온도 확보를 목적으로 설치되는 일반적인 방파제와 달리 지진에 의한 해일피해가 빈번한 일본에서는 특수 구조형식을 갖는 개념보다는 지 진에 의한 쓰나미 내습으로부터 방호용으로 설치되어지며 쓰나미 방파제가 태평 양 해역 특시, 동북부 지역의 해안에 주로 방재사업으로 계획․건설되어짐.
Ÿ 사례로는 Ofunato, Kamaishi, Miyako, Kuji등의 쓰나미방파제가 있음.
Ÿ 2011년 3월 발생된 동일본 대지진시 동북지방 이와테현의 카마이시 및 오푸 나토만에 설치된 쓰나미방파제가 많은 피해를 입음.
그림 2-3-8 Ofunato 쓰나미 방파제 그림 2-3-9 단면 예시도
- 또한, 태풍해일 내습시 해수면 상승에 의한 고조로부터 배후역을 방호하기 위한 고조방파제가 전국적으로 건설.(Ise만 Nagoya항 고조방파제)
- 우리나라와 해양환경의 차이가 다소 있으나 고파랑으로부터의 파랑에너지 소산과 해수교환기능을 접합시킨 케나다 Comeau만에 설치된 다공벽 케이슨식 방파제와 파력분산(수평파력 저감)형 상부사면 케이슨식 방파제가 도입된 영국 Brighton의 서방파제 등이 있음.
- 기후변화에 따른 이상파랑, 해수면 상승, 비정상적 고파랑의 내습 등으로 항만 및 배후역의 피해가 매년 점진적으로 증가하는 추이를 고려할 시, 1차적․Hardware적
피해 대책 또는 저감방안으로 항만 입지별, 발생 원인별로 지속적 대응이 가능한 재해저감용 방파제 기술개발의 필요성이 요구.
- 정부 또한 법정계획을 통해 항만구역내 기후변화로 인한 해수면 상승, 지진, 태 풍, 해일 등의 대규모 재해에 취약한 항만구역 또는 가능지역에 대하여 정비계획 이 수립됨에 따라, 이와 더불어 설계․시공에 적용 가능한 기술개발을 통해 해양환 경의 변화에 대응하고자 하고 있음.
- 이에 우리나라에서는 재해 저감용 항만구조물 개발을 위하여 아래와 같은 연구개 발 과제를 수행함.
Ÿ 2006년부터 20010년까지 한국해양과학기술진흥원 첨단항만건설기술개발사업
“항만구조물 신뢰성 설계법 개발”이 수행되었음
Ÿ 2006년부터 2011년까지 한국해양과학기술진흥원 첨단항만건설기술개발사업
“항만 리모델링 기반 구축 연구”가 수행되어 노후 항만의 진단 및 리모델링 에 관한 연구개발이 이루어졌음
Ÿ 2008년에 중소기업기술정보진흥원 산학연공동기술개발사업 “이중곡면 반파 공을 이용한 해안 및 항만의 피해저감기술 개발”이 수행되었음
Ÿ 2008년부터 1년간 중소기업기술정보진흥원 산학연공동기술개발사업 “항만구 조물에 내습하는 파랑의 피해저감기술 개발”이 수행되었음
Ÿ 2011년부터 2016년까지 한국해양과학기술진흥원 첨단항만건설기술개발사업
“기후변화 대응 항만설계기준 개선방안연구(1단계)”가 수행됨.
- 이 선행과제들은 대부분 파랑 기인 재해를 대상으로 하고 있으며, 재해를 우선적 으로 고려하기보다는 설계기준 개선에 더 중점을 두고 있다는 특징이 있음.
(나) 소파블록
- 최근 소파블록의 개발 추세는 설계파고의 증가에 따른 중량화에 대비하기 위한 블록 개발에 초점이 맞추어져 있으며, 블록 간 부딪침(Rocking) 현상으로 발생하 는 충격력에 대한 인장 저항성을 높이기 위한 연구도 병행되고 있음.
- 국외의 경우 소파블록의 개발은 국가차원의 연구개발이 아닌 각 제작회사에서 기 존의 모델을 조금씩 변형하는 차원으로 이루어지고 있어, 소파블록에 대한 새로 운 연구는 거의 추진되지 않고 있음.
- 가장 널리 쓰이는 소파블록인 TTP와 같은 2층적 소파블록은 1층적의 Core-Loc에 비해 인터록킹 효과가 약하기 때문에 같은 크기의 입사 파랑에 대한 수리학적 안 정성이 적으며, 사면의 경사가 최소 1:1.5(V:H)이상 되어야 하므로 사면이 커지는 단점이 있음.
- 2층적은 소요 소파블록의 개수가 1층적에 비해 많기 때문에 소파블록 제작비 및 거치비가 증가하게 되고, 상치 구조물 전면부에서 2층적으로 인한 블록간 결합력