The essence of the performance-based design of gravity-type quay wall lies in the estimation of the performance of the wall after a seismic event. There are pseudo-static analysis and dynamic analysis as a performance verification method for the quay wall during the earthquake.
In pseudo-static analysis of gravity quay wall, the selection of an appropriate horizontal seismic coefficient is important for computing the equivalent pseudo-static inertial force. The definition of seismic coefficient is divided into the limit equilibrium based seismic coefficient (kh) and the performance based seismic coefficient (khk). The kh concept is based on providing capacity to resist a design seismic force, but it does not provide information on the performance of a structure when the limit of the force-balance is exceeded. There are conflicts among existing kh definitions regarding whether it considers 1) the effect of wall height on peak ground acceleration (PGA) used in determination of kh and 2) the application of correction factor for kh according to seismic performance grade. In order to overcome the limitation of the kh concept, the khk concept which can consider the performance of port structures exceeding the limit of force-balance was proposed in the technical standards and commentaries for port and harbour facilities in Japan, published in 2007. This study evaluates the relevance of these conflicts by reviewing the kh definitions in existing codes and guidelines for port structures and then by performing a series of dynamic centrifuge tests on caisson gravity quay wall. These tests were also used to validate that the khk concept evaluates the seismic performance of the quay wall accurately under various conditions. The reliability of the khk concept was evaluated for different wall heights, earthquake motions and the thickness of subsoil, which are the primary variables in the khk equation. In addition, some improvements that should be considered for the future revision of both the kh and the khk equations are discussed.
In dynamic analysis of gravity quay wall, generally using finite element or finite difference techniques with various constitutive models, provide a promising tool to evaluate precisely the performance of the structure considering the influence of the excess pore pressure on the behavior of soil and structure. In recent year considerable progress has been made in this area. However, numerical procedures need to be validated against physical data before they can be used in the field with confidence. Also, the development of a comprehensive numerical procedure so that engineers in the field can refer to them in order to perform the effective stress analysis reliably is required. The centrifuge test can be used to imitate the actual stress conditions and simulate the excess pore pressure and liquefaction by modeling saturated soil model. Accordingly, the dynamic centrifuge test has been used by researchers to study seismic response of port structures and validate the numerical procedure. In this study, two dynamic centrifuge tests were conducted using the gravity-type quay wall models at saturated soil condition to provide data for verifying the constitutive model of numerical simulation, and the test results were analyzed to assess the seismic behaviors of the quay wall and the saturated soil according to the liquefaction and the frequency characteristics of the input motion. In addition, the reliability of the dynamic centrifuge test was discussed by analyzing the dynamic centrifuge test results for the well-described record of actual cases of damaged quay wall during the earthquake in Korea.
성능기반설계는 명확한 구조물의 지진 시 요구 성능을 정의한 후 그 목표 성능을 만족하도록 설계하고 나아가 목표 성능을 달성하는지에 대한 성능 검증 결과를 제시할 수 있는 일련의 기술적 프로세스를 의미한다. 성능기반설계를 위한 구조물의 내진성능검증법은 크게 등가정적해석법과 동해석법이 있다. 등가정적해석법은 지진 하중을 하나의 상수 값을 갖는 관성력으로 변환해주는 Mononobe-Okabe 공식을 이용하며, 지진 하중은 수평지진계수 값에 결정적으로 좌우된다. 수평지진계수는 다시 기존의 한계평형해석기반 설계에 사용된 수평지진계수 (kh)와 성능기반설계를 위한 수평지진계수 (khk)로 나눌 수 있다. kh 개념은 설계 지진 하중에 대한 구조물의 지지력을 제공하는 반면에 설계 지진 하중이 구조물의 지지력을 초과하는 경우에 대한 구조물의 성능은 평가하지 못한다. 또한, 중력식 안벽의 내진설계에 이용 되는 kh를 산정하는 통일된 기준은 없는 상황이며, 국내에서도 신설 안벽에 대한 내진설계 기준과 기존 안벽에 대한 내진성능 평가기준에 제시된 kh 산정법이 상이하여 현업에서 혼선을 빚고 있다. 이러한 기존의 kh 개념의 한계를 극복하기 위해 2007년에 개정된 일본의 항만 설계기준에 설계 지진하중이 구조물의 지지력을 초과하는 경우에도 구조물의 성능을 평가할 수 있는 khk 개념이 제안되었다. 동해석은 지진 시 과잉간극수압에 대한 영향 고려 유무에 따라 전응력 해석과 유효응력해석으로 나뉘며, 항만구조물의 경우 수변구조물로써 지진 시 과잉간극수압에 대한 영향이 고려되어야 한다. 본 연구에서는 국내·외 주요 항만 내진설계기준 및 연구내용을 분석하고, 일련의 동적원심모형실험 결과와 실제 지진에 의한 항만구조물의 피해사례 분석 결과를 이용하여 기존 kh 개념과 새로운 khk 개념을 평가하고 향후 개정을 위해 고려해야 할 개선사항 및 성능이 향상된 경험식을 새롭게 제안하였다. 또한 단순화된 안벽 모델과 포항 영일만 항에 대한 포화 지반 조건에서의 동적원심모형실험을 수행하여 과잉간극수압이 구조물의 동적 거동에 미치는 영향을 분석하였으며, 이는 유효응력해석 검증 모델로 활용될 수 있다. 끝으로, 포항 영일만 항의 실제 피해기록과의 상호 검증을 통해 중력식 안벽에 대한 내진성능검증 수단으로써 동적원심모형실험의 신뢰성을 확인하였다.
