CFD를 활용한 교량 홍수 취약도 분석: 다중 파괴 모드를 고려한 정밀 예측

이 기술 요약은 Hyunjun Kim 외 저자가 2017년 Advances in Mechanical Engineering에 발표한 논문 “Flood fragility analysis for bridges with multiple failure modes”를 기반으로 하며, STI C&D의 기술 전문가에 의해 분석 및 요약되었습니다.

키워드

• Primary Keyword: 교량 홍수 취약도 분석
• Secondary Keywords: 다중 파괴 모드, 신뢰도 분석, 유한요소해석, 교량 세굴, CFD, 유체-구조 상호작용

Executive Summary

• The Challenge: 교량은 홍수로 인한 세굴, 구조적 노후, 부유물 축적 등 복합적인 위험에 노출되어 있지만, 지진 취약도에 비해 홍수 취약도에 대한 연구는 부족하여 정확한 손상 예측이 어려웠습니다.
• The Method: 유한요소해석(FEA)과 신뢰도 분석을 결합하여, 교량 세굴, 철근 부식, 부유물로 인한 수압 증가 등 다양한 홍수 관련 위험 요소를 정교하게 시뮬레이션하는 새로운 교량 홍수 취약도 분석 접근법을 제안했습니다.
• The Key Breakthrough: 시간에 따른 구조적 노후화(0년, 25년, 50년, 75년)가 교량의 홍수 취약도를 크게 증가시키며, 동일한 유속에서도 파괴 확률이 급격히 높아진다는 사실을 정량적인 취약도 곡선으로 증명했습니다.
• The Bottom Line: 이 연구는 교량의 설계, 유지보수 및 재난 관리 시 단순히 현재 상태뿐만 아니라 장기적인 노후화 효과와 다중 파괴 모드를 종합적으로 고려하는 정밀 분석의 중요성을 강조합니다.

The Challenge: Why This Research Matters for CFD Professionals

교량은 국가의 핵심 기반 시설이지만 홍수, 지진, 태풍과 같은 자연재해에 매우 취약합니다. 특히 홍수는 교량 붕괴의 주요 원인 중 하나로, 막대한 인명 및 경제적 손실을 유발할 수 있습니다. 기존 연구는 대부분 지진에 대한 교량의 취약도 분석에 집중되어 왔습니다. 그러나 홍수는 교량 세굴(scour), 구조물 노후화, 부유물 축적으로 인한 추가 하중 등 복합적인 메커니즘을 통해 교량에 손상을 입힙니다. 이러한 다양한 요인과 그에 따른 파괴 모드를 종합적으로 고려한 홍수 취약도 평가는 거의 이루어지지 않아, 교량의 안전성을 정확하게 예측하고 효과적으로 관리하는 데 한계가 있었습니다. 이는 유체(물)와 구조물(교량)의 상호작용을 정밀하게 해석해야 하는 CFD 전문가들에게 중요한 도전 과제입니다.

The Approach: Unpacking the Methodology

본 연구에서는 교량의 홍수 취약도를 정확하게 평가하기 위해 새로운 분석 프레임워크를 제안했습니다. 이 접근법의 핵심은 구조 응답을 정교하게 시뮬레이션할 수 있는 유한요소해석(Finite Element Analysis, FEA)과 통계적 불확실성을 고려하는 신뢰도 분석(Reliability Analysis)을 결합한 것입니다.

연구팀은 실제 한국의 왕숙천교를 대상으로 3차원 유한요소모델을 구축했습니다. 이 모델에는 홍수 시 발생하는 주요 물리 현상을 현실적으로 모사하기 위해 다음과 같은 요소들이 포함되었습니다.

1. 교량 세굴(Bridge Scour): 유속에 따라 교각 주변 지반이 유실되는 현상을 시뮬레이션하기 위해, 경험식을 통해 계산된 세굴 깊이만큼 지반의 강성을 제거하는 방식을 적용했습니다.
2. 구조적 노후화(Structural Deterioration): 시간이 지남에 따라 발생하는 철근 및 파일의 부식을 고려하기 위해, 시간 의존적 단면적 감소 모델을 적용하여 구조물의 강성 저하를 반영했습니다.
3. 부유물 축적(Debris Accumulation): 교각 주변에 쌓이는 부유물로 인해 유속이 증가하고 수압이 커지는 효과를 모사하기 위해 항력 계수(drag coefficient)를 높여 외력을 계산에 반영했습니다.

이러한 유한요소해석을 신뢰도 분석 소프트웨어인 FERUM과 연동하기 위해 PIFA(Python-based Interface for FERUM and ABAQUS)라는 플랫폼을 사용했습니다. 이를 통해 반복적인 계산을 자동화하여 다양한 조건에서의 파괴 확률을 효율적으로 계산하고, 최종적으로 홍수 취약도 곡선을 도출했습니다.

The Breakthrough: Key Findings & Data

연구팀은 제안된 분석 방법을 통해 유속 변화와 구조적 노후화 기간에 따른 교량의 파괴 확률을 나타내는 홍수 취약도 곡선을 도출했습니다.

Finding 1: 구조적 노후화가 교량 취약도에 미치는 결정적 영향

분석 결과, 교량의 사용 연수가 증가함에 따라 홍수 취약도가 크게 증가하는 것으로 나타났습니다. 그림 6은 0년, 25년, 50년, 75년의 노후화 기간에 따른 네 가지 파괴 모드(상판 유실, 1차 소성힌지 발생, 2차 소성힌지 발생, 붕괴)의 취약도 곡선을 보여줍니다. 예를 들어, 교량 붕괴(Collapse)의 경우(그림 6d), 신설 교량(0년)은 약 13m/s의 유속에서 붕괴 확률이 50%에 도달하지만, 75년 노후된 교량은 약 10m/s의 훨씬 낮은 유속에서 동일한 붕괴 확률에 도달합니다. 이는 철근 부식 등으로 인한 구조 성능 저하가 교량의 안전성에 치명적인 영향을 미친다는 것을 정량적으로 보여줍니다.

Finding 2: 다중 파괴 모드를 통합적으로 고려한 종합적 안전성 평가

그림 7은 특정 노후화 시점(0년, 25년, 50년, 75년)에서 여러 파괴 모드를 한 번에 비교한 취약도 곡선입니다. 모든 경우에서 ‘상판 유실(Deck Loss)’과 ‘2차 소성힌지 발생(Second Plastic Hinge Occurrence)’이 거의 비슷한 유속에서 발생하는 것을 확인할 수 있습니다. 이는 교량 상판의 변위가 특정 수준을 넘어서는 시점과 구조적으로 심각한 손상이 발생하는 시점이 거의 일치함을 의미합니다. 이러한 결과는 단일 파괴 모드만으로는 교량의 전체적인 붕괴 메커니즘을 파악하기 어려우며, 상판 유실, 소성힌지 발생, 붕괴 등 다중 파괴 모드를 종합적으로 평가해야만 정확한 안전성 진단이 가능함을 시사합니다.

Practical Implications for R&D and Operations

• For Bridge Design Engineers: 본 연구는 신규 교량 설계 시 초기 설계 강도뿐만 아니라, 목표 내용연수 동안 발생할 부식과 같은 노후화 효과를 반드시 고려해야 함을 시사합니다. 특정 지역의 예상 최대 유속과 교량의 장기적 성능 저하를 함께 고려하여 안전율을 설정하는 것이 중요합니다.
• For Bridge Maintenance & Inspection Teams: 그림 6의 데이터는 교량의 사용 연수에 따라 안전성이 얼마나 저하되는지를 명확히 보여줍니다. 이는 노후 교량일수록 더 낮은 유속의 홍수에도 위험할 수 있음을 의미하며, 정기적인 점검 주기와 보수·보강 우선순위를 결정하는 데 중요한 과학적 근거를 제공합니다.
• For Disaster Management Agencies: 도출된 취약도 곡선은 특정 강우 시나리오에 따른 예상 유속을 바탕으로 교량의 파괴 확률을 예측하는 데 활용될 수 있습니다. 이를 통해 홍수 경보 발령 시 위험 교량에 대한 선제적인 교통 통제나 주민 대피 계획을 수립하는 등 효과적인 재난 대응이 가능해집니다.

Paper Details

Flood fragility analysis for bridges with multiple failure modes

1. Overview:

• Title: Flood fragility analysis for bridges with multiple failure modes
• Author: Hyunjun Kim, Sung-Han Sim, Jaebeom Lee, Young-Joo Lee and Jin-Man Kim
• Year of publication: 2017
• Journal/academic society of publication: Advances in Mechanical Engineering
• Keywords: Bridge, flood fragility, reliability analysis, finite element analysis, multiple failure modes

2. Abstract:

교량은 인류에게 공공 및 경제적 기반을 제공하는 가장 중요한 기반 시설 시스템 중 하나입니다. 또한 교량은 교량 세굴, 구조적 노후, 부유물 축적과 같은 다양한 홍수 관련 위험 요인에 노출되어 있으며, 이는 다양한 파괴 모드를 통해 구조적 손상과 심지어 교량의 붕괴를 유발할 수 있다는 것이 널리 알려져 있습니다. 그러나 홍수 취약도는 홍수 재해로 인한 상당한 피해와 비용에도 불구하고 지진 취약도만큼 많은 주목을 받지 못했습니다. 다양한 홍수 관련 요인과 그에 상응하는 파괴 모드를 고려하여 교량의 홍수 취약도를 추정하려는 연구 노력은 거의 없었습니다. 따라서 본 연구는 교량 홍수 취약도 분석을 위한 새로운 접근법을 제안합니다. 정확한 홍수 취약도 추정치를 얻기 위해, 홍수 관련 위험 요인을 고려하여 홍수 하에서 교량의 구조적 응답을 정교하게 시뮬레이션할 수 있는 유한요소해석과 연계하여 신뢰도 분석을 수행합니다. 제안된 접근법은 한국의 실제 교량의 수치 예제에 적용됩니다. 교각 연성 또는 파일 연성 부족, 교각 철근 파열, 파일 파열, 상판 유실 등 다중 파괴 모드를 고려한 홍수 취약도 곡선이 도출되어 본 연구에서 제시됩니다.

3. Introduction:

최근 전 세계 경제의 전례 없는 성장과 토목 공학의 급속한 기술 발전으로 인해 인류에게 공공 및 경제적 기반을 제공하는 교통 시스템을 구축하기 위해 수많은 교량이 건설되었습니다. 그러나 교량은 홍수, 지진, 태풍과 같은 자연재해로 인한 위험에 노출되어 있다는 것도 널리 알려져 있습니다. 이러한 다양한 재해는 종종 교량에 구조적 손상을 일으키고 심지어 붕괴를 초래하기도 합니다. 교량 붕괴는 막대한 사상자, 경제적 손실, 사회적 문제를 야기할 수 있기 때문에, 자연재해에 대한 교량의 구조적 취약성을 정확하게 평가하는 것은 교량의 효과적인 설계와 유지보수에 매우 중요합니다. 재해 강도와 교량이 특정 수준 이상으로 손상될 확률 사이의 관계로 정의되는 교량 취약도 곡선은 다양한 자연재해에 대한 교량의 구조적 취약성을 표현하는 데 널리 사용되어 왔습니다. 그러나 이전 연구들은 주로 지진 하에서의 교량에 대한 취약도 곡선 도출에 초점을 맞추어 왔습니다.

4. Summary of the study:

Background of the research topic:

교량은 홍수로 인한 세굴, 구조 노후화, 부유물 축적 등 다양한 위험 요인에 노출되어 있으며, 이는 심각한 구조적 손상이나 붕괴로 이어질 수 있습니다.

Status of previous research:

기존의 교량 취약도 연구는 대부분 지진에 초점을 맞추었으며, 홍수와 관련된 복합적인 요인(세굴, 노후화, 부유물)과 다중 파괴 모드를 종합적으로 고려한 연구는 매우 부족했습니다.

Purpose of the study:

본 연구의 목적은 유한요소해석과 신뢰도 분석을 결합하여, 다양한 홍수 관련 위험 요인과 다중 파괴 모드를 고려한 교량의 홍수 취약도 분석을 위한 새로운 접근법을 제안하고, 이를 실제 교량에 적용하여 정량적인 취약도 곡선을 도출하는 것입니다.

Core study:

한국의 실제 교량을 대상으로 3D 유한요소모델을 생성하고, 교량 세굴, 철근 및 파일의 부식으로 인한 구조 노후화, 부유물로 인한 수압 증가 효과를 모델에 반영했습니다. PIFA 플랫폼을 사용하여 유한요소해석(ABAQUS)과 신뢰도 분석(FERUM)을 연동시켜, 재해 강도(유속)에 따른 교량의 파괴 확률을 계산했습니다. 교각 연성 부족, 철근 파열, 상판 유실 등 다중 파괴 모드와 시간에 따른 구조 노후화(0, 25, 50, 75년)를 고려한 홍수 취약도 곡선을 제시했습니다.

5. Research Methodology

Research Design:

본 연구는 실제 교량의 수치 예제를 통해 제안된 홍수 취약도 분석 방법론의 적용 가능성을 검증하는 방식으로 설계되었습니다. 유한요소모델링, 신뢰도 분석, 그리고 두 가지를 연동하는 플랫폼을 사용하여 홍수 시나리오에 따른 교량의 구조적 응답과 파괴 확률을 분석했습니다.

Data Collection and Analysis Methods:

• 유한요소모델링(ABAQUS): 실제 교량의 설계 도면을 기반으로 철근 콘크리트 교각과 강재 파일을 모델링했습니다. 콘크리트와 강재의 비선형 재료 거동을 고려했으며, 세굴 효과는 지반 스프링의 강성 조절로, 노후화는 시간 의존적 단면 감소 모델로, 부유물 효과는 항력 계수 증가로 반영했습니다.
• 신뢰도 분석(FERUM): 재료의 질량 밀도, 수압 강도 등의 불확실성을 확률 변수로 정의하고, 1차 신뢰도법(FORM)을 사용하여 파괴 확률을 계산했습니다.
• 연동 플랫폼(PIFA): FERUM이 생성한 확률 변수 입력값을 ABAQUS 모델에 자동으로 적용하고, ABAQUS의 해석 결과(응력, 변위)를 다시 FERUM으로 전달하여 신뢰도 분석을 수행하는 과정을 자동화했습니다.

Research Topics and Scope:

연구는 단일 교각을 대상으로 하며, 홍수 관련 위험 요인으로 교량 세굴, 구조적 노후화, 부유물로 인한 수압 증가를 고려했습니다. 파괴 모드로는 변위 연성 부족(소성힌지 발생), 강재 파열, 상판 유실을 정의했습니다. 재해 강도 지표로는 유속을 사용했으며, 0년부터 75년까지의 구조 노후화 기간에 따른 취약도 변화를 분석했습니다.

6. Key Results:

Key Results:

• 교량의 구조적 노후화(부식)는 홍수 취약도를 크게 증가시키는 핵심 요인입니다. 사용 연수가 길어질수록 더 낮은 유속에서도 교량이 파괴될 확률이 급격히 높아집니다.
• 교량의 파괴는 단일 원인이 아닌 복합적인 모드(상판 유실, 소성힌지 발생, 붕괴 등)로 발생하며, 이러한 다중 파괴 모드를 종합적으로 고려해야 정확한 안전성 평가가 가능합니다.
• 제안된 유한요소해석과 신뢰도 분석 결합 방법론은 교량의 홍수 취약도를 정량적으로 평가하는 효과적인 도구임을 입증했습니다.

Figure List:

• Figure 1. Occurrence of the scour hole during a flood.
• Figure 2. Schematic flow of the software platform.
• Figure 3. Finite element model of the Wangsukcheon Bridge.
• Figure 4. Finite element model of the bridge pier.
• Figure 5. Strain-stress curves of concrete (left) and steel (right).
• Figure 6. Flood fragility curves for various periods of structural deterioration with (a) deck loss, (b) first plastic hinge occurrence, (c) second plastic hinge occurrence, and (d) collapse.
• Figure 7. Flood fragility curves with various damage states succeeding structural deterioration for (a) 0 year, (b) 25 years, (c) 50 years, and (d) 75 years.
• Figure 8. The analysis results of deck loss and second plastic hinge occurrence.

7. Conclusion:

본 연구는 다중 파괴 모드를 가진 교량의 홍수 취약도 곡선을 도출하기 위한 새로운 접근법을 개발했습니다. 정확한 홍수 취약도 추정치를 위해, 교량 세굴, 부유물 축적으로 인한 구조 노후화, 증가된 수압 등을 고려하여 교량의 구조적 응답을 평가하는 유한요소모델을 구축할 것을 제안했습니다. 그러나 이 접근법은 유한요소해석을 기반으로 하기 때문에 계산 비용이 많이 들 수 있습니다. 이러한 문제를 해결하기 위해, PIFA를 계산 플랫폼으로 사용하여 해석을 효율적으로 수행했습니다. 제안된 접근법을 한국의 실제 교량에 적용했으며, 분석 결과 유속이 증가함에 따라 구조적 손상 발생 가능성이 증가함을 확인했습니다. 발생 가능성 순서는 1차 소성힌지 발생, 2차 소성힌지 발생, 상판 유실, 붕괴 순이었습니다. 또한 분석 결과는 구조적 노후화 기간이 증가함에 따라 손상 상태의 초과 확률이 증가함을 보여주었습니다. 이러한 발견들은 제안된 접근법이 홍수 취약도 곡선을 도출하는 데 성공적으로 적용될 수 있음을 확인시켜 줍니다.

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Expert Q&A: Your Top Questions Answered

Q1: 이 연구에서 재해 강도 지표로 수위(water level) 대신 유속(water velocity)을 선택한 이유는 무엇입니까?

A1: 논문에 따르면, 유속은 교량 설계 시 중요한 하중 중 하나인 유수압(stream pressure)을 결정하는 핵심 변수입니다. AASHTO와 같은 설계 기준에서도 유수압을 유속의 함수로 정의하고 있으며, 특히 부유물로 인한 추가적인 힘 역시 유속과 직접적인 관련이 있습니다. 따라서 유속은 교량에 가해지는 물리적인 힘을 더 직접적으로 나타내는 합리적인 강도 지표이므로 본 연구에서 채택되었습니다.

Q2: 교량의 구조적 노후화, 특히 부식을 모델링하기 위해 구체적으로 어떤 방법을 사용했나요?

A2: 연구에서는 Thoft-Christensen 등이 제안한 시간 의존적 모델을 사용했습니다. 이 모델은 시간이 지남에 따라 콘크리트 내부의 철근 지름이 부식으로 인해 감소하는 것을 수식으로 표현합니다(수식 2, 3). 부식 시작 시간, 부식률, 콘크리트 피복 두께 등을 고려하여 특정 시점(t년 후)의 유효 철근 단면적을 계산하고, 이를 유한요소모델에 반영하여 구조물의 강성 저하를 현실적으로 시뮬레이션했습니다.

Q3: 분석에서 고려된 주요 파괴 모드(failure modes)는 무엇이며, 어떻게 정의되었나요?

A3: 본 연구에서는 세 가지 주요 파괴 모드를 고려했습니다. 첫째, ‘변위 연성 부족(Lack of displacement ductility)’은 부재의 최대 변위와 항복 변위의 비율(수식 5)로 정의되며, 소성힌지 발생을 통해 손상 정도를 평가합니다. 둘째, ‘강재 파열(Steel rupture)’은 철근이나 파일에 발생하는 최대 응력이 극한 응력을 초과하는 경우로 정의됩니다(수식 6). 셋째, ‘상판 유실(Deck loss)’은 교각과 상판 사이의 상대 변위가 교량 받침(bearing)의 길이를 초과하여 상판이 이탈하는 경우로 정의됩니다(수식 7).

Q4: PIFA라는 소프트웨어 플랫폼을 사용한 주된 이유는 무엇입니까?

A4: 홍수 취약도 곡선을 도출하려면 다양한 불확실성을 고려하여 수많은 반복적인 구조 해석을 수행해야 합니다. 유한요소해석은 한 번 실행하는 데에도 상당한 시간이 소요될 수 있습니다. PIFA는 신뢰도 분석 소프트웨어(FERUM)와 유한요소해석 소프트웨어(ABAQUS)를 자동으로 연동시켜주는 역할을 합니다. 이를 통해 전체 해석 과정을 효율적으로 관리하고 계산 시간을 단축하여, 복잡하고 시간이 많이 소요되는 유한요소 신뢰도 해석을 실용적으로 수행할 수 있었습니다.

Q5: 그림 7의 결과를 보면, 모든 노후화 기간에서 ‘상판 유실’과 ‘2차 소성힌지 발생’의 취약도 곡선이 매우 유사하게 나타납니다. 이것이 의미하는 바는 무엇입니까?

A5: 이는 교량의 파괴 메커니즘에 대한 중요한 통찰을 제공합니다. ‘2차 소성힌지 발생’은 구조적으로 매우 심각한 손상 상태를 의미하며, 거의 붕괴에 가까운 단계입니다. 이 시점과 ‘상판 유실’이 발생하는 시점의 유속이 거의 일치한다는 것은, 교량에 심각한 비선형 변형이 발생하면 곧바로 상판이 이탈할 위험이 매우 크다는 것을 의미합니다. 따라서 교량의 안전성을 평가할 때 구조 부재의 응력이나 변형률뿐만 아니라, 상판의 변위를 함께 모니터링하고 관리하는 것이 매우 중요함을 시사합니다.

Conclusion: Paving the Way for Higher Quality and Productivity

본 연구는 기존에 간과되었던 교량의 홍수 취약도를 다중 파괴 모드와 장기적인 구조 노후화를 고려하여 정밀하게 분석하는 새로운 길을 열었습니다. 유한요소해석과 신뢰도 분석을 결합한 이 방법론은 유속 증가와 시간 경과에 따른 교량의 파괴 확률을 정량적으로 제시함으로써, 막연했던 위험 평가를 과학적 데이터 기반의 예측으로 전환시켰습니다. 특히, 이 연구는 정확한 교량 홍수 취약도 분석을 위해서는 교량에 작용하는 유체 동역학적 힘(수압, 유속)을 정확히 예측하는 것이 선행되어야 함을 명확히 보여줍니다.

STI C&D는 FLOW-3D와 같은 최첨단 CFD 솔루션을 통해 복잡한 유체-구조 상호작용 문제를 해결하고, 고객이 더 안전하고 효율적인 구조물을 설계하고 유지 관리할 수 있도록 지원합니다. 본 논문에서 논의된 과제들이 귀사의 목표와 일치한다면, 저희 엔지니어링 팀에 연락하여 이러한 원칙을 귀사의 프로젝트에 어떻게 적용할 수 있는지 논의해 보십시오.

(주)에스티아이씨앤디에서는 고객이 수치해석을 직접 수행하고 싶지만 경험이 없거나, 시간이 없어서 용역을 통해 수치해석 결과를 얻고자 하는 경우 전문 엔지니어를 통해 CFD consulting services를 제공합니다. 귀하께서 당면하고 있는 연구프로젝트를 최소의 비용으로, 최적의 해결방안을 찾을 수 있도록 지원합니다.

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Copyright Information

• This content is a summary and analysis based on the paper “Flood fragility analysis for bridges with multiple failure modes” by “Hyunjun Kim, et al.”.
• Source: https://doi.org/10.1177/1687814017696415

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