3.1. 대상 컨테이너 터미널

컨테이너 터미널은 컨테이너의 해상운송과 육상운송을 연 계하는 연결점으로 표현할 수 있으며, 선박에 컨테이너를 양 하 (Unloading) 및 적하 (Loading)하고 나아가 컨테이너 수 리까지 포함할 수 있는 장소이다 (^{Kim, 2010}). 컨테이너 터 미널은 특성상 적재되는 컨테이너 화물하중이 항시 같은 위 치에 동일 중량으로 보관되지 않으며 다양한 중량과 분포로 화물이 적재된다. 또한, 컨테이너 선박으로 컨테이너 화물의 양하 및 적하 시에 발생할 수 있는 불균형 화물분포로 인해 구조물에 편심하중이 작용될 수 있다. 대상구조물이 부유식 인 점을 감안할 때 편심하중은 컨테이너 터미널의 안전성 및 사용성에 악영향을 미칠 수 있으므로, 사전에 위험 활하중분 포를 배제하는 것이 좋은 방안이라 할 수 있다. 이로 인해 본 연구에서는 240m (L)×240m (B)×14m (H) 콘크리트 부 유식 컨테이너 터미널에 대하여 수치해석을 수행하였다. 또 한, 총 10가지 컨테이너 활하중 분포에 따른 휨응력분포 및 변위분포를 비교분석하였으며, 위험 활하중분포를 검토하였다.

대상 컨테이너 터미널 개요는 Fig. 3과 같으며, 상세제원 및 재료 물성치는 Table 1에 나타내었다. 부유구조체는 Fig. 3과 같이 중앙과 단부 폰툰모듈의 높이가 각각 14m와 10m 변단면이며, 이와 같이 폰툰모듈 높이차로 인해 부력 프리플 래션이 도입된다. 또한, 단면높이 차로 인한 접합부 응력집 중을 예방하기 위해 도로교 설계기준에 따라 1.0 : 3.0 헌치 를 설치하였다 (^{KRTA, 2010}).

Fig. 3.

Outline of container terminal

다양한 활하중 분포에 따른 정적 구조해석을 수행하였으 며, 범용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS 13.0을 사용하였 다. 해석모델인 콘크리트 부유구조체는 3D-Shell 요소를 이 용하여 모델링하였으며, 부유구조체 하부 슬래브에 작용하는 부력은 실제 부력의 크기 (K (부력상수)=ρ (해수밀도)×ｇ (중력가속도))를 고려한 탄성지지 (Elastic support) 요소를 이용하여 모델링하였다 (ANSYS, 2011; ^{Allen et al., 2006}; ^{Haveman et al., 2006}). 또한, 부력 프리플랙션을 고려하기 위해 중앙부 모듈에 재하되는 부상력은 건현차이 (d)에 해당 하는 해수중량을 하부슬래브에 외력으로 작용시켰다.

컨테이너 터미널에는 안벽, 에이프론 (Apron), 장치장 (Yard), 컨테이너화물 조작장, 컨트롤 센터 (Control center), 컨테이 너 수리장 (repair shop), 게이트 (Gate), 철송시설 및 냉동시 설 등 다양한 시설이 있으며, 컨테이너 적재화물 이외에도 다양한 시설로 인한 활하중이 재하된다. 이와 같이 컨테이너 터미널에 재하되는 다양한 활하중을 본 연구에서는 두 가지 활하중으로 분류하였으며, 구조물의 외곽영역에 설치된 시설 물을 나타내는 에이프론 하중과 중앙영역인 컨테이너 장치 장에 재하되는 컨테이너 화물하중이다. 에이프론은 안벽에 접하여 일정한 폭으로 나란히 뻗어 있는 하역작업 공간이며, 크레인 등을 이용하여 선박에 양하 및 적하 하는 작업이 이 루어진다 (^{Kim, 2010}). 이와 같이 에이프론에 재하되는 시설 물의 하중을 약 19.6 kN/m²을 재하하였다. 또한, 총 4행의 컨테이너 장치장 (140m×31m)에는 컨테이너 화물 6단 적재 를 구현하여 약 78.43 kN/m² 분포하중을 재하하였다.

3.2. 활하중 재하분포도

부유구조체에 재하되는 다양한 외력은 구조성능 및 거동 에 큰 영향을 미친다. 특히, 대상 구조물의 경우 장치장에 재 하되는 컨테이너 화물하중은 상황에 따른 변동성으로 인해 구조성능 및 거동을 예측하기 힘들며, 이로 인해 가능한 다 양한 분포에 따른 부유구조체의 구조성능 및 거동을 검토하 는 것이 안전성 및 사용성 검토를 위한 적절한 방안이라 할 수 있다. 본 연구에서는 Fig. 4와 같이 총 10가지 하중분포 대한 부유구조체의 구조성능 및 거동을 비교분석하였다.

Fig. 4.

Cases of various live load distributions

4.1. 활하중 재하분포에 따른 구조성능 비교분석

본 연구에서는 부유구조체에 A-type~J-type의 활하중이 재 하될 때 하부슬래브에 발생되는 휨응력 분포를 비교분석하 였다. 각 활하중 분포에 따른 구조성능 비교를 위해서 Fig. 5 과 같이 하부슬래브의 중앙라인에서 발생되는 휨응력을 도 출하여 Fig. 6, Fig. 8 및 Fig. 9와 같이 도표화 하였다.

Fig. 5.

Output of Bending stress at center line

A-type~C-type 활하중에 따른 하부슬래브의 휨응력 분포 는 Fig. 6에 나타내었다. Fig. 6과 같이 A-type일 때 구조물 전반적으로 인장응력이 발생되며 인장거동을 보인다. 구조물 의 접합부인 50m~60m과 180m~190m 지점에서 최대 약 2.5 MPa 비교적 작은 인장응력이 발생하는 것을 알 수 있다. 이 와 같은 결과는 Fig. 9의 J-type에 따른 결과와 같이 부력 프 리플랙션으로 인해 하부슬래브에 사전 도입되는 약 -4.4 MPa 사전 압축응력이 활하중으로 인해 발생되는 인장응력 을 약 64% 저감시켜 구조물의 구조성능이 향상되기 때문이 다. 하지만, 작은 인장응력의 발생도 콘크리트의 재료적 특 성과 해수와 접한 하부슬래브의 위치적 특성으로 인해 균열 에 대한 검토는 매우 중요한 사항이다. 일반적으로 콘크리트 구조물의 표면에서 균열은 평균 콘크리트 인장강도의 90% 에서 발생되고 마지막 주균열은 평균 콘크리트 인장강도 110% 내외에서 발생된다 (^{Clark, 1949}). 대상 구조물의 콘크리 트 인장강도는 약 3.0 MPa인 것을 감안할 때, 약 2.7 MPa~3.3 MPa에서 균열범위로 볼 수 있다. A-type에 의한 약 2.5 MPa 의 인장응력은 콘크리트 인장강도 및 균열범위에는 미치지 못하는 값이지만, 파랑하중, 조류하중 등 다양한 하중조건에 따른 검토를 추가할 경우 대비할 때 안전치로 보기 어려울 것으로 사료된다.

대상 부유구조체는 10m 간격의 격벽으로 인해 내부에 많 은 부재연결부가 형성되어 국부거동이 발생된다. 국부거동은 Fig. 7과 같이 슬래브와 내벽의 연결부에서 응력집중이 발생 되어 인장과 압축거동이 반복되는 것을 나타낸다. 즉, 슬래 브의 중앙에서 전체거동과 동일한 압축거동을 보이지만, 슬 래브와 격벽의 연결부에서는 응력집중의 영향으로 인장거동 을 나타낸다. 이와 같이 격벽으로 인해 발생하는 국부적인 영향은 부유구조체의 전체거동에 영향을 미치지 않으므로 배제하여도 무관할 것으로 판단된다.

Fig. 7.

Detailed stress contour of bottom slab

B-type과 C-type은 부유구조체의 3행 장치장에 활하중이 재하되는 것을 나타낸다. B-type은 편심 (2nd~4th line) 활하 중 재하로 Fig. 6과 같이 선수의 87m 지점에서 인장과 압축 거동이 나누어지며, 선수는 압축거동 선미는 인장거동을 나 타낸다. 이와 같이 인장과 압축거동이 변화되는 변곡점이 있 는 경우는 전단파괴에 대한 검토가 필요할 것으로 사료된다. B-type 은 선미에서 A-type일 때와 유사한 최대 약 2.5 MPa 인장응력이 발생된다. C-type은 부유구조체의 양단부에 2행 (1st, 2nd line)과 1행 (4th line)이 재하되어 총 3행의 비대칭 활하중 분포를 나타낸다. C-type일 때 Fig. 6과 같이 양단부 에서는 인장거동을 보이며, 중앙 폰툰모듈에서는 압축거동을 보인다. 또한, 선수에서 약 102.5m 지점에서 약 -4.6 MPa 최대 압축응력이 발생되며, 사전 압축응력에 비해 약 4% 증 가된다.

Fig. 6.

Bending stress according to structure length (A~C-type)

활하중 분포 D-type~G-type는 2행 장치장에 활하중이 재 하되는 상황이며, 하부슬래브 휨응력 분포는 Fig. 8에 나타 내었다. D-type은 활하중이 중앙 2행 재하되는 경우이며, 중 앙모듈에서는 인장거동, 양단부 모듈은 압축거동을 나타낸 다. 특히, 컨테이너 화물하중이 집중되는 중앙모듈에서는 약 1.8 MPa 인장응력이 발생되며, A-type에 비해 약 28% 인장 응력이 감소된다. E-type은 단부 에 2행이 재하되는 분포를 나타내며, 선수에서 약 94m 지점에서 약 5.1 MPa 최대 압 축응력을 나타낸다. 또한, 선수에서 160m지점부터는 인장거 동을 보이며 단부모듈에서는 인장응력이 발생되는 것을 알 수 있다. F-type은 비대칭 (2nd, 4th line) 활하중 재하를 나 타낸다. Fig. 8와 같이 중앙 폰툰모듈에서 확연하게 비대칭 응력분포를 나타내며, 선미를 제외한 모든 영역에서 압축거 동을 나타낸다. 또한, 선수에서 약 135m 지점에서 약 -4.1 MPa 최대 압축응력이 발생된다. G-type은 양단부 적재라인에 활 하중이 재하되는 경우이며, Fig. 8와 같이 구조물 전반적으 로 압축거동을 나타낸다. 또한, 구조물의 중앙으로 갈수록 압축응력이 점차 증가되어 사전 압축응력에 비해 약 45% 증 가되어 약 -8.0 MPa 최대 압축응력이 발생된다. 이와 같은 결과는 G-type으로 인한 구조거동이 부력 프리플랙션과 동 일한 호깅을 나타내기 때문에 하부슬래브의 압축응력이 더 욱 증가된다. 하부슬래브 하면의 과도한 압축응력은 상면에 동일한 인장응력이 유발되기 때문에 해수에 접하지 않은 내 부지만 부재의 내구성에 문제가 발생될 수 있으므로 과도한 압축응력에 대한 제어가 필요하다. 즉, 활하중 분포로 인해 부력 프리플랙션과 동일한 구조거동이 예상된다면 유입되는 해수량 조절을 통하여 사전 압축응력을 감소시켜야 될 것으 로 판단된다.

Fig. 8.

Bending stress according to structure length (D~G-type)

H-type~J-type이 재하될 때 부유구조체에 발생되는 휨응력 분포를 Fig. 9에 나타내었으며, H-type은 중앙 편심 1행 (3rd line)에 재하되는 것을 나타낸다. Fig. 9과 같이 구조물 전반 적으로 압축거동을 보이며, 부력 프리플랙션으로 인한 사전 압축응력과 동일한 약 4.4 MPa 최대 압축응력이 발생된다. 또한, 활하중이 재하되는 위치에서 압축응력이 급격히 감소 되는 것을 알 수 있다. I-type은 Fig. 9과 같이 선수에서는 거 의 0에 가까운 휨응력을 나타내며, 전반적으로 G-type과 유 사하게 약 -7.7 MPa 과도한 압축응력이 발생된다. 이와 같 은 결과도 부력 프리플랙션과 동일한 구조거동으로 인해 압 축응력이 증가되는 것으로 사료된다. 또한, I-type은 비대칭 단부 하중으로 인한 모멘트의 영향으로 접합부 응력변동이 증가하므로 접합부 상세검토가 필요할 것으로 사료된다. 부 유구조체에 컨테이너 화물하중이 재하되지 않는 경우인 J-type은 순수 부력 프리플랙션의 영향을 검토하였다. Fig. 9 과 같이 구조물 중앙에서 약 -4.4 MPa의 압축응력이 도입되 는 것을 알 수 있다. 이와 같이 부력 프리플랙션으로 도입되 는 사전 압축응력으로 인해 컨테이너 화물하중으로 인해 발 생되는 최대 인장응력을 약 64% 저감하여 구조성능이 향상 되는 것을 확인할 수 있다. 하지만, 활하중분포가 부력 프리 플랙션과 동일한 구조거동을 할 경우 과도한 압축응력이 발 생하는 문제점이 발생되어 부재의 상면에 과도한 인장응력 이 발생하게 된다. 이와 같이 동일한 구조거동을 갖는 활하 중 분포는 유입해수량을 조절하여 사전 압축응력을 감소시 킬 필요가 있을 것으로 판단된다.

Fig. 9.

Bending stress according to structure length (H~J-type)

본 연구의 총 10가지 활화중 분포 중에서 A-type, B-type D-type를 제외한 모든 하중분포에서 중앙 폰툰모듈이 압축 거동을 하여 압축응력이 발생하는 것을 알 수 있다. 또한, 인 장거동을 하는 경우도 최대 약 2.5 MPa 비교적 작은 인장응 력이 발생된다. G-type과 I-type은 중앙 폰툰모듈에서 과도 한 압축응력이 발생하는 것을 확인할 수 있으며, 사전 압축 응력을 제어할 필요가 있을 것으로 사료된다.

4.2. 활하중 재하분포에 따른 구조거동 검토

부유구조체는 고정되지 않고 항시 해수위에 부유되어 있 으므로 상부 활하중의 크기 및 위치에 따라 구조물의 구조거 동이 다양하게 발생된다. 또한, 구조거동에 따른 구조물의 기울기에 따라 사용성, 작업성 등에 문제가 발생될 수 있고, 더 나아가 큰 사고로 이어질 수 있다. 이로 인해 부유구조체 의 사용성 검토는 시설물을 유지하는 중요한 사항이라고 할 수 있지만, 국내·외에서는 부유식 컨테이너터미널의 사용성 에 대한 구체적인 규제나 기준이 없는 실정이다. 본 연구에 서는 다양한 활하중 분포에 따른 대상구조물의 구조거동을 비교분석 하였다. 또한, 사용성 검토를 위해 사용목적은 다 르지만 동일한 구조형식인 일본의 메가플로트 사용성 기준 과 비교하였으며, Table 2에 사용성 기준을 정리하였다 (^{Suzuki, 2004}).

하중분포 A-type~C-type에 따른 구조물의 변위분포는 Fig. 10에 나타내었다. 또한, 각 하중분포에 따른 구조물의 기울 기는 Table 3에 정리하였다. A-type일 때 구조물의 중앙부로 갈수록 처짐이 증가하며, 선수 및 선미의 50m에서 최대 기 울기 약 0.01°를 나타낸다. 다른 하중분포에 비해 기울기는 미소하지만, 구조물 전반적인 흘수는 약 7.3m로 최대인 것을 확인할 수 있다. A-type에 대한 사용성 검토를 위해 Table 2 메가플로트 기준과 비교하였을 때 모든 사용성 기준이 만족 되는 것을 확인할 수 있다. B-type에 따른 변위분포는 선수 로 급격히 기울어진 것을 확인할 수 있으며, 약 0.46°의 기울 기를 나타낸다. 메가플로트 기준에서 활주로와 유도로 (Taxiway) 기준을 제외한 모든 기준에서 초과되는 것을 알 수 있 다. C-type에 따른 구조물의 기울기는 약 0.15°를 나타내며, A-type과 같이 활주로와 유도로 사용성 기준에 만족되는 것 을 알 수 있다.

Fig. 10.

Deformation according to structure length(A~C-type)

D-type~G-type에 따른 변위분포는 Fig. 11에 나타내었다. D-type일 때 부유구조체 측면에서 처짐이 증가되고 선수와 선미에서는 처짐이 비교적 작게 발생된다. 이로 인해 구조물 의 기울기는 선수와 선미에서 40m~110m에서 최대 약 0.01° 이다. 하중분포 E-type은 Fig. 11와 같이 선미에서 최대 처 짐을 보이며, 약 0.61° 기울기를 나타낸다. 또한, 본 연구의 하중분포에서 최대 기울기를 나타내며, 사용성 측면에서 가 장 위험한 하중분포라는 것을 확인할 수 있다. 컨테이너 화 물을 적재할 경우 E-type 분포는 배제해야 될 것으로 판단된 다. F-type은 선수에서 최대 처짐, 선미에서 최소 처짐을 나 타내며 선수 방향으로 기울어진 구조거동을 보인다. 또한, 구조물의 기울기는 약 0.46°로 B-type과 동일하며, 사용성 기준은 활주로와 유도로 사용성 기준을 만족하는 것을 알 수 있다. 하중분포에 따른 구조성능에서는 F-type일 때 문제가 없었지만, 기울기가 커지며 불안정한 구조거동을 보인다. 이 와 같은 결과를 볼 때 장치장에 화물을 적하할 경우 B-type 과 F-type 하중분포는 회피하는 것이 좋을 것으로 사료된다. G-type에 따른 변위분포는 중앙부에서 최소 처짐이 발생하 며 선수와 선미에서 처짐이 최대로 발생되며, 선수에서 중앙 까지 기울기가 약 0.07°를 나타낸다.

Fig. 11.

Deformation according to structure length(D~G-type)

H-type~J-type에 따른 변위분포는 Fig. 12에 나타내었다. H-type으로 인해 부유구조체는 선수에서 최대 변위가 발생 되며 선미로 기울어지는 구조거동을 보인다. 또한, 구조물의 기울기는 약 0.15°이며, C-type과 동일한 것을 알 수 있다.I-type에 따른 변위분포는 선수에서 최소 선미에서 최대를 나타낸다. 구조물의 기울기는 약 0.31°이며, 메가플로트의 활 주로와 유도로 사용성 기준에 만족되는 것을 알 수 있다. J-type은 구조물의 호깅으로 인해 중앙에서 최소 처짐이 발 생되며, 구조물의 기울기는 약 0.04°를 나타낸다. 또한, 메가 플로트 사용성 기준을 모두 만족하는 것을 알 수 있다.

본 연구에서의 다양한 활하중 분포 중 B-type, E-type, F-type 및 I-type과 같이 편심이 크게 작용하는 하중분포는 모멘트의 영향의 증가로 인해 구조물의 기울기가 증가되며 사용성 기준에 초과되는 것을 확인할 수 있다. 이와 같은 하 중 분포는 컨테이너 화물 적하 시에 유의하여 작업해야 할 것으로 판단된다. 또한, 부력 프리플랙션을 위해 유입되는 해수량의 조절을 통하여 기울기 제어가 가능하며, 부유구조 체의 중심이 과도하게 높은 경우 유입된 해수량을 조절하여 기울기 조정이 필요할 것으로 사료된다.

Fig. 12.

Deformation according to structure length(H~J-type)