Effects of Near-Fault and Far-Fault Ground Motions on Pile Sections of Integral Abutment Bridges Considering Soil Liquefaction

지진이 발생하여 지면이 흔들릴 때, 발밑의 토양은 때때로 강도를 잃고 걸쭉한 액체 같은 슬러리로 변할 수 있습니다. 액상화라고 알려진 이 현상은 교량의 기초에 조용한 위협이 됩니다. 구조물을 단단하게 붙잡아 주는 단단한 지면과 달리, 액상화된 토양은 저항력이 거의 없어 교량을 고정하는 깊은 기둥인 말뚝(pile)이 상부의 무게를 견디지 못하고 가라앉거나, 기울어지거나, 부러지게 만듭니다. 이는 특히 '인테그럴 어벗먼트 브리지(integral abutment bridge)'라고 불리는 특정 유형의 교량에 매우 위험합니다. 이 구조물들은 구형 교량에서 볼 수 있는 신축 이음 장치 없이 하나의 연속된 프레임으로 제작되어 온도 변화에 따라 더 자연스럽게 움직일 수 있습니다. 그러나 이러한 일체형 설계는 교량 상판이 말뚝과 단단히 연결되어 있음을 의미하며, 이는 지진 에너지를 기초로 직접 전달하게 합니다. 만약 토양이 액상화되면 교량은 지지력을 잃게 되고, 말뚝은 파손되지 않고 지진의 모든 충격을 흡수해야만 합니다.

엔지니어들이 직면한 과제는 단순히 이러한 교량을 어떻게 건설하느냐가 아니라, 어떻게 다양한 종류의 지진에서 살아남을 수 있도록 건설하느냐 하는 것입니다. 지진은 모두 같지 않습니다. 어떤 지진은 단층선 근처에서 발생하여 구조물을 당혹스럽게 만드는 강력하고 갑작스러운 에너지 펄스를 보내는 반면, 어떤 지진은 멀리 떨어진 곳에서 발생하여 길고 완만한 흔들림을 전달합니다. 연구자들은 말뚝의 재료와 형태의 선택이 두 가지 유형의 흔열 모두에서 토양이 액체 상태로 변할 때 교량의 생존에 어떤 영향을 미치는지 알고 싶었습니다. 이를 위해 중국과 아프가니스탄의 대학 소속 엔지니어 팀은 단경간 교량에 대한 정밀한 컴퓨터 시뮬레이션을 구축했습니다. 그들은 대형 및 소형 콘크리트 원통형, 강관, 서로 다른 방향으로 배치된 강철 빔, 그리고 강철 튜브 안에 콘크리트를 타설한 하이브리드 설계를 포함한 여섯 가지 유형의 말뚝 위에 놓인 가상의 교량들을 모델링했습니다. 그런 다음, 토양이 액체로 변하는 상황을 시뮬레이션하면서, 열 가지의 기록된 지진 운동(근거리 단층 이벤트와 원거리 단층 이벤트 각각 절반씩)에 이 가상의 교량들을 노출시켰습니다.

결과는 최선의 말뚝 선택이 지진의 유형과 사용된 재료에 크게 달려 있다는 것을 보여주었습니다. 날카롭고 격렬한 펄스가 발생하는 근거리 단층 지진이 발생할 때, 강성이 높은 콘크리트 말뚝, 특히 대형 말뚝은 강철 옵션보다 더 많이 휘고 균열이 생기는 경향이 있었습니다. 콘크리트는 단단하기 때문에 갑작스러운 충격을 잘 흡수하지 못해 구조물에 더 높은 응력을 유발했습니다. 반면, 진동이 먼 곳에서 기원할 때는 강철 말뚝이 콘크리트 말뚝보다 더 큰 움직임과 응력을 경험했습니다. 이는 강철 특유의 유연성이 평소에는 생존을 돕지만, 원거리 단층 지진의 느리고 완만한 파동 동안에는 오히려 독이 될 수 있음을 시사합니다. 그러나 한 가지 설계가 전반적으로 가장 뛰어난 회복력을 보였습니다. 바로 콘크리트 충전 강관(concrete-filled steel tube)이었습니다. 이 하이브리드 말뚝은 콘크리트의 강도와 강철의 유연성을 결합하여, 두 가지 유형의 지진 모두에서 놀라운 일관성으로 응력을 처리할 수 있었습니다.

연구는 또한 교량 자체의 움직임도 조사했습니다. 시뮬레이션 결과, 콘크리트 충전 강관으로 지지되는 교량은 순수 강철 말뚝으로 지지되는 교량보다 움직임이 적었으며, 지진이 근거리인지 원거리인지에 관계없이 움직임이 거의 동일했습니다. 이러한 안정성은 과도한 움직임이 도로 표면이나 고속도로와의 연결 부위에 손상을 줄 수 있기 때문에 매우 중요합니다. 연구진은 강철 말뚝이 강도는 높지만, 특히 토양이 지지력을 잃었을 때 좌굴(buckling, 기둥이 모양이 변하며 꺾이는 구조적 붕괴 현상)이 발생하기 쉽다는 것을 발견했습니다. 반면, 콘크리트 충전 강관은 파손 없이 휘어지고 늘어나며 지진 에너지를 효과적으로 분산시켰습니다.

액상화가 빈번한 지역에서 교량을 설계하는 엔지니어들에게 이러한 결과는 명확한 방향을 제시합니다. 연구는 콘크리트 충전 강관을 사용하는 것이 가장 신뢰할 수 있는 옵션임을 시사하는데, 이는 갑작스러운 근거리 충격과 먼 곳의 완만한 떨림 모두로부터 구조물을 보호할 수 있는 강도와 유연성의 균형을 제공하기 때문입니다. 만약 강철 빔을 대신 사용해야 한다면, 연구는 말뚝이 토양과 만나는 고응력 부위에 파손을 방지하기 위한 추가적인 보강이 필요함을 나타냅니다. 적절한 기초 재료를 선택함으로써, 엔지니어들은 지면이 액체로 변하는 상황에서도 상부의 교량이 서 있을 수 있도록 보장할 수 있습니다.