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1. 서론

최근 기후 변화로 인해 해수면 상승 추세가 지속되고 있으며, 태풍, 온대성저기압 등의 기상악화로 고파랑의 강도가 증대되고 있어 향후 대규모 항만재해가 발생할 가능성이 매우 높다. 특히 2012년에는 볼라벤과 덴바 등 최대 풍속 60 m/s이상의 슈퍼태풍이 우리나라에 상륙하면서 설계 파고보다 높은 이상 고파랑이 내습하여 항만시설물의 유실 및 구조물 파손 등의 피해가 발생하였다. 특히 볼라벤 내습 시 제주에서는 서귀포항 외항방파제의 소파블록 72ton급 테트라포드(Tetrapod, TTP) 2,300여개가 유실되는 등의 피해가 발생하였다(KORDI, 2010). 이밖에도 많은 태풍에 의하여 가거도 등에 소파블록피해가 다수 발생하였다. 이러한 해양기인 연안재해는 매년 되풀이되어 발생하고 있지만 대피 혹은 복구 위주의 소극적인 방재대책에 머물러있는 실정이다. 이에 연안재해 방지용신형식 구조물을 개발, 재해를 저감하는 동시에 기후변화의 영향으로 인해 증대된 해양환경 하중에 대한 항만과 연안 구조물 보강기술 향상에 대한 필요성이 대두되고 있다.

항만권역의 인명 및 재산을 안전하게 보호하는 항만구조물 중 하나인 소파블록은 일반적으로 경제적인 측면과 염분에 의하여 강재가 부식 팽창하여 콘크리트가 균열이 발생하는 것을 방지하기 위하여 주로 무근 콘크리트가 적용된다. 따라서 대부분의 소파블록은 인장부의 초기 균열발생 후 지속적으로 균열이 확대된다. 우리나라 항만에 가장 많이 적용되어있는 TTP 소파블록의 파괴들은 해양파에 의한 충격하중과 블록이 쌓이면서 생기는 적재하중의 작용을 받아 Fig. 1과 같이 소파블록의 다리가 부러지면서 인터로킹력이 상실되어 부유 및 이탈이 발생하고 유실되거나 손상된다(Lim et al., 2014).

Fig. 1

Failure state of tetrapod blocks

국내 방파제 및 호안 등은 대부분 TTP만으로 설계 및 시공이 이루어지고 있으나, 안전성 및 경제성이 우수하고 고파랑에 잘 견딜 수 있는 고성능 소파블록 개발 필요하다. 이러한 목적으로 Kim and Park(2015) 등은 Fig. 2와 같은 새로운 형식의 소파블록을 제안하였다. 공극률 70%의 난적에서는 안정성계수 k_d값이 30정도 나왔으며, 정적거치 방법의 경우 11.7의 성능이 발휘되었다. 여기서 k_d값은 허드슨안정계수로서 일반적으로 소파블록의 무게, 입사파고, 방파제 경사 등이 고려된다. 소파블록의 파괴나 큰 움직임이 발생하는 파고를 한계파고로 결정하고 이때의 값을 대표 값으로 한다. 이와 같이 Tri-Loc 블록은 소파성능과 블록 간 인터로킹이 우수한 것으로 수리실험을 통하여 나타났다. 하지만 본 블록의 수리성능의 우수성만으로 현장에 적용하기에는 한계가 있다.

Fig. 2

Tri-Loc Block (Kim and Park 2015)

구조적 특성을 분석하기 위해서는 소파블록의 외력특성 구현이 필수적이다. 그러나 현재까지의 연구로는 소파블록에 작용하는 외력이 정확하게 규명되지 않아 이에 따른 검토 규정이 전무한 실정으로 주로 소파블록의 성능평가로는 자유낙하실험이나 정적실험이 대부분이다(Rosson and Tedesco, 1992; Zwamborn and Scholtz, 1986; Paik and Oh, 2011).

소파블록은 서두에 언급한 바와 같이 파랑이 내습 시 지반으로부터 상부 쪽으로의 하중이 작용하여 회전 및 흔들림이 발생하면서 인장부의 초기 균열 발생 후 지속적으로 균열이 확대되어 파괴되는 것으로 판단되기 때문에 블록 간 혹은 거치 시 충돌에 의하여 균열이 발생할 가능성이 매우 클 것으로 판단된다. 이러한 특성들을 반영하기가 매우 까다롭기 때문에 소파블록의 성능을 테스트하기 위하여 주로 자유낙하실험에 의한 거동 특성 분석이 주로 연구되었다(Rosson and Tedesco, 1992; Zwamborn and Scholtz, 1986). 일반적으로 TTP의 다리 부러짐 현상은 정적 하중보다는 순간적인 충격하중에 의하여 주로 발생하는 것으로 알려졌다(Paik and Oh, 2011). 수행된 구조실험들은 모두 특정 블록에 대한 거동 평가 결과로 서 블록의 형상 및 구조가 다른 Tri-Loc 블록의 경우 그 성능 및 거동 평가를 하기 위해서 연구가 반드시 필요하다. 이러한 거동은 향후 소파블록의 인양 및 거치 방법을 결정하는데 큰 도움이 될 수 있을 것으로 판단된다. 이에 본 연구에서는 신형 Tri-Loc 소파블록의 거동 특성을 분석하기 위하여 자유낙하 운동 시의 지반과의 충격 조건을 고려하여 신형식 소파블록의 구조적인 취약부를 분석하여 부재의 접합부 보강 방법을 제시하였으며, 이에 따른 결과를 분석하였다.

2. 해석방법

2.1 해석모델 및 제원

Tri-Loc 블록의 충격력 작용 시 거동 특성을 분석하기 위해서 자유낙하 운동 시 바닥에 부딪치는 충격조건을 가정하였다. 자유낙하 운동의 경우 자중만 알고 있을 경우 충격 에너지량을 위치 및 운동에너지 계산을 통하여 수월하게 유추가 가능하다.

해석을 위하여 Fig. 2의 Tri-Loc를 자중 17 ton으로 설정하여 모델링을 하였다. Tri-Loc 블록은 Fig. 3과 같이 3개의 주부재와 이를 연결해주는 3개의 보조부재로 구성되어 있으며, 0.8 m의 높이를 가진 8각형의 단면으로 되어있다. 편의상 주부재의 구성을 상단부(arm), 중간부(body), 하단부(leg)부로 명명하였으며, 2.32 m 길이의 중간부는 동일한 단면적을 가지며, 1.23 m 길이의 상단부과 0.72 m 길이의 하단부는 4.55°의 기울기를 갖는 변단면을 가지고 있다. 또한, 상단부는 1.23 m 높이로 되어 있으며, 하단부는 0.72 m 높이로 구성되어 있다(Fig. 3).

Fig. 3

Model Specifications

해석모델의 재료는 무근 콘크리트로서 재료물성치는 Table 2와 같이 단위질량, 탄성계수, 콘크리트 강도, 그리고 프아송비를 설정하였다.

Table 2

Basic mechanical properties of applied materials

Table 1

build up method of block (Kim and Park 2015)

2.2 해석방법 및 검증

본 블록은 무근 콘크리트로서 범용해석 프로그램 ABAQUS(2013)를 이용하여 모델링하였으며, 메쉬 요소는 C3D10M(3차원 10절점 요소)를 적용하였다. 콘크리트가 자유낙하여 부딪치는 바닥면은 Rigid body로 가정하여 낙하 시 충격량을 블록이 모두 받을 수 있도록 하였다.

자유낙하 해석을 수행하기 위해서는 해석 방법의 검증이 필요하다. 자유낙하에 큰 영향을 주는 인자는 자중과 이에 따라 발생되는 운동 및 발생에너지로서 이를 검증하였다. 먼저, 대상 해석 모델의 부피는 7.55 m³으로서 계산 자중과 FEM으로 해석된 결과가 Table 3과 같이 0.8%의 오차가 발생한 것으로 나타났다.

Table 3

Verification results of model

자유낙하운동의 경우 초기 속도가 0이고 낙하 높이에 따라서 충격 속도가 중력가속도에 의하여 결정된다.

(1)v=2gh

여기서, v는 종국 낙하 속도(m/s), g는 중력가속도(9.81 m/s²), h는 낙하 최초 높이(m)를 의미한다.

Fig. 4와 같이 검증을 위해서 높이 0.05 m에서 블록을 낙하시켰을 경우 종국 낙하속도가 1 m/s가 된다. 이때의 운동에너지 (J, m²kg/s²)를 수계산과 FEM결과와 비교하였다. 즉, 지표면 낙하 시 충격력을 검증하기 위하여 수계산한 값과 FEM결과값을 비교한 결과 Table 3과 같이 거의 0.1% 이내의 오차가 발생하는 것으로 모델링이 합리적인 것으로 나타났다.

Fig. 4

Drop Test Simulation

2.3 경계조건(자유낙하 조건)

블록의 자유낙하 시 어떤 부분이 먼저 바닥면에 부딪치는지가 매우 중요하다. 이를 위해 X-BLOC® (Ronald et al., 2004; Noboru et al., 2009) 등의 기존 자유낙하실험(free fall test or drop test) 시나리오를 참고하였다. 또한 소파블록은 인양 및 거치 시공이 매우 중요하다. 이때 부재에 응력집중이 발생하여 균열이 발생할 경우에 공용중 파괴로 이어질 가능성이 매우 클 것으로 판단된다. 이러한 조건들을 고려하여 Fig. 5와 같이 5개의 소파블록의 낙하모드를 가정하였다.

Fig. 5

Contact scenario with surface of Tri-Loc block

Case①과 Case②는 각각 주부재의 하단부(leg)와 상단부(arm)로 낙하하는 경우이며, Case③은 지면에 2개의 주부재 하단부가 동시에 낙하하는 경우를 가정하였으며, Case④는 지면에 연직하향으로 2개의 주부재 하단부와 1개의 주부재 상단부가 동시에 낙하할 경우이다. 마지막으로 Case⑤는 3개의 주부재 상단부가 동시에 지면에 낙하할 경우를 모의하였다.

지면에 충격하는 조건과 같이 중요한 인자 중의 하나는 바로낙하 높이이다. 낙하 높이는 Table 4와 같이 0.05 m~1.27 m까지 증가하였으며, 이때의 종국속도는 식 (1)에 의하여 각각1 m/s~5 m/s이다. 이때에 블록에 작용하는 충격에너지는 운동에너지와 동일할 것이다. Fig. 5의 5개의 조건에 모두 적용하였다.

Table 4

Height and Velocity of Drop Test

3. 충격하중 작용 시 신형소파블록의 손상도 분석

앞 장에서 제시한 경계조건에 따라 해석을 수행하였으며, Fig. 6과 같이 모든 조건에서의 블록들의 동일한 위치, 총 12개의 절점(284, 326, 612, 627, 725, 878, 955, 957, 1024,1027, 1053 1183)에서의 응력상태를 분석하였다. 이 절점들은 각 부재의 접합부 부분으로서 선행 해석결과 본 위치들에 주로 응력집중이 발생하였기 때문에 본 부분을 집중적으로 분석하였다.

Fig. 6

Check node point(Case①~⑤)

블록들은 제안된 경계조건에 따라서 지면에 충격을 하게 된다. 이때 지면에 충격 시 블록의 거동에 영향을 미치는 것이 종국 속도임을 앞에서 언급하였다. 이러한 종국속도에 따라서Table 4와 같이 운동에너지가 발생한다.

그 후 블록이 지면과 충돌 후에는 Fig. 7과 같이 블록의 속도가 감소하기 때문에 운동에너지는 감소하고 충격에 대해서 저항하는 블록의 내부에너지가 운동에너지와 반비례로 증가하게 되는 것을 볼 수 있다. 충격이전에는 0이었던 내부에너지는 충격이후에 서서히 증가하여 운동에너지가 최소로 감소할 때 내부에너지가 최대로 증가하였다. 본 해석모델은 이상화된 모델이기 때문에 충격이후에 튀어 오르는 현상이 발생하기 때문에 운동에너지가 다시 증가하고 내부에너지는 감소하는 현상이 나타나고 있는 것을 볼 수 있다. 일반적인 콘크리트블록의 경우 취성이기 때문에 최초의 충격 시 모두 파괴가 발생할 가능성이 크나 만약 블록이 파괴되지 않을 경우에는 본 해석 결과처럼 운동에너지가 다시 증가할 것으로 판단된다.

Fig. 7

Change of kinetic energy and internal energy in Tri-Loc block

Fig. 8과 9는 본 블록이 높이 0.05 m에서 낙하하여 Case ①의 형태로 메인부재의 하단이 지면에 충격을 받았을 때에 각노드에 발생하는 Von-Mises응력과 최대 주응력을 시간에 따라서 나타낸 것이다. Fig. 8은 Von-mises 응력변화를 나타낸 것으로 거의 내부에너지의 변화와 유사하다. 본 장에서 체크한 노드들은 모두 접합부 부분을 나타낸 것으로 응력집중이주로 발생하는 부분이라 할 수 있다. 낙하 조건이 메인 부재의 하단이 먼저 충격을 받기 때문에 가까운 부분의 접합부(No. 725, 955, 127)에서 가장 응력집중 현상이 발생하는 것으로 판단된다. 부분적으로 인장 및 압축파괴가 발생할 것으로 판단된다. Fig. 9는 최대 주응력 변화를 나타낸 것으로 No.725에서 가장 큰 최대 주응력이 발생하는 것으로 나타났다.

Fig. 8

Von-mises stress at point(Case①, h=0.05 m)

Fig. 9

Max Principal stress at point(Case①, h=0.05 m)

Fig. 10은 각각의 낙하 조건에서와 운동에너지에서의 최대내부에너지를 나타낸 것으로 내부에너지와 운동에너지는 비례하는 것으로 나타났으며, Case ③와 Case ⑤ 낙하조건에서 가장 큰 내부에너지가 발생하는 것으로 나타났다.

Fig. 10

Max. internal energy by each cases and kinetic energy

Table 5는 각 낙하조건에 따른 발생 최대 응력을 나타낸 것이다. 낙하 높이가 높아질수록 운동에너지(위치에너지)가 증가하기 때문에 발생하는 충격량도 증가하게 되어 응력이 큰 것으로 판단된다. Case ②, ③의 조건에서 가장 큰 응력이 발생하는데 이는 메인 부재의 상단부가 다른 부재에 비해 상대적으로 세장하기 때문에 그 주변에서 응력집중이 발생하는한 것으로 판단된다. 반면 Case ①의 경우 충격되는 부재의두께가 두껍고 짧기 때문에 응력이 상대적으로 작게 발생한 것으로 나타났다. 또한 Case ④, ⑤는 3개의 부재가 동시에 지면에 충격하기 때문에 하중이 분배가 되어 응력이 작게 발생하였다.

Table 5

Maximum stress with cases (unit: MN)

가력하중(낙하높이)가 증가하여도 응력이 집중이 발생되는 부분은 낙하조건이 동일하기 때문에 변하지 않고 그 위치의 응력만 증가한다. Table 6에서는 각 낙하조건에서의 응력이 집중되는 부분을 나타낸 것이다. 응력이 가장 큰 부분은 지면과 충돌이 발생하는 부분이었으며, 그 밖에는 충격이 발생하는 근처의 접합부 부분에서 응력집중이 크게 발생하는 것으로 나타났다. 본 블록은 6부분의 부재 접합부가 있기 때문에 매우 취약하다. 어느 방향에서 충격을 받더라도 반드시 인장력이 접합부 발생하게 되어 있다. 가장 취약한 부분에 철근등의 인장부재를 보강할 경우에 구조적 성능이 향상 될 수 있으나 경제적이 이유로 본 블록에는 인장재 보강이 불가능하기 때문에 또 다른 보강 방법이 필요하다.

Table 6

Weak location by drop cases

4. 보강형태에 따른 소파블록의 성능 분석

인장재에 인한 보강이 불가능하기 때문에 본 장에서는 접합부의 단면적을 증가시켜주는 보강방법을 적용하여 분석을 하였다. Fig. 11과 같이 Round형과 Hunch형으로 보강하여 보강형태에 따른 접합부에서의 응력집중을 비교 분석하였다.

낙하높이 1.27 m (낙하속도 5 m/s)의 높이에서 Case①의 형태로 낙하하였을 때를 기본 가정 조건으로 하였으며, 실험체제원은 두 가지 타입의 보강에 의하여 부피가 증가하여 무게가 약 3% 가량 상승하였다. 기본 모델은 17.52 ton이며, Round형과 Hunch형은 각각 17.98 ton, 18.10 ton이다.

동일 위치에서의 응력을 분석하기 위하여 Fig. 12와 같이보강 및 비보강 모델의 응력 집중도를 분석하기 위하여 주요접합부 지점인 Point A와 B를 선정하여 비교 분석하였다.

Point A와 Point B에서의 발생하는 응력을 비교한 결과 Fig. 12와 같은 응력도에서 보는바와 같이 응력이 감소하는것이 확인된다. 또한 Fig 13에 나타낸 바와 같이 Point별로 기본모델(□) 대비 최대응력을 살펴보면 Round형(○)의 경우 각각 26.58%, 73.24%로 감소하였고 Hunch형(△)의 경우 19.44%, 53.52%로 감소하는 것으로 보아 제시한 보강방법이 응력 집중을 완화시키는 것으로 판단된다.

Fig. 14에서 보는 바와 같이 보강모델들이 자중이 증가하였기 때문에 초기 운동에너지가 증가한 것을 볼 수 있다. 이는 내부에너지의 증가와 응력의 증가를 이끌 수 있다. 그러나 내부에너지가 기본 모델에 비해서 감소하였으며, 보강된 모델들은 거의 유사한 에너지 소산을 나타내는 것으로 나타났다.

본 Tri-Loc 블록의 경우 부재의 접합부에서 큰 응력집중이 발생할 가능성이 크고 이 응력집중이 부재의 파괴 이끌 것이다. 이렇기 때문에 적절하게 접합부 보강을 해야 할 것으로 판단된다. Round 형의 경우에는 거푸집의 제작이 매우 까다롭기 때문에 현실적으로는 Hunch형의 보강이 더 합리적일 것으로 판단된다.

5. 결론

본 연구에서는 신형식 Tri-Loc 소파블록의 구조적 거동 특성 및 취약부분 분석을 위하여 자유낙하 시뮬레이션을 적용하였다. 낙하조건을 5가지 낙하모드와 낙하 높이를 가정하여 충격하중 개념의 구조해석을 수행하였다.

(1) 본 Tri-Loc 블록은 다수의 주부재와 부부재로 이루어져 연결되어 있기 때문에 접합부에 응력집중이 발생하여 손상 및 균열이 발생하는 것으로 나타났다.

(2) 5가지의 자유낙하 조건에서 주부재의 상단이 지면에 충격할 경우인 Case ②, ③에서 가장 큰 응력이 발생한 것으로 나타났으며, 다른 모델들의 경우 부재의 세장비가 작아 응력집중이 적게 발생하였으며, 또한 여러 부재가 동시에 충격을 받아 하중분배를 이루게 되어 응력이 작게 발생하였음. 실제거치 시에 낙하에 의한 파괴가 발생할 가능성이 큰데 이때 최대한 취약한 조건은 피하여 시공해야 할 것으로 판단된다.

(3) 접합부가 보강된 모델은 충격하중이 작용하였을 경우응력집중이 감소하는 것을 볼 수 있었으며, 자중이 증가하여 운동에너지(외력)이 증가하였음에도 불구하고 내부에너지가 감소하는 것으로 나타났으며, 접합부에 발생하는 응력도 현저하게 감소하는 것으로 나타났다.

(4) 본 연구에서는 소파블록의 낙하지면을 Rigid body로 가정하였다. 이는 소파블록과 동등이상의 강도 강성을 가진 지반에 낙하했을 때의 해석결과를 나타낸 것으로 실제 거치시방파제의 지반조건들을 고려할 경우에 대하여 분석이 필요하다.

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