새만금 만경해상관측타워의 현장 계측자료를 이용한 동특성 추정 및 최적화 방법에 의한 모델 개선

Abstract

새만금 방조제 전면 해상에 위치한 만경해상관측타워(Fig. 1) 구조물이 노후화됨에 따라 구조 안전성 평가가 필요하며, 이를 위하여 수치해석모델을 구성하고 보다 정확한 해석모델을 구축하기 위하여 구조물 동특성을 이용한 해석모델을 개선하고자 하였다. 만경해상관측타워의 상시진동(ambient vibration)을 계측하고, 계측자료로부터 스펙트럼 밀도함수(power spectral density function)의 피크 주파수를 추출하는 방법(peak picking)과 시간영역 모드해석법인 추계론적 부공간 규명법(stochastic subspace identification)을 이용하여 주요 저차 모드의 동특성을 추정하였다. 조위에 따른 고유주파수 추정 결과로부터, (1) 조위가 하강할수록 즉, 부가질량 효과가 감소할수록 고유주파수는 증가하며, (2) 상부질량의 비대칭성으로 인해 동일한 모드에서 강축, 약축에 대한 각각의 굽힘모드가 발생하고, 또한 (3) 강축과 약축의 동일한 굽힘 모드가 2개의 주파수 영역에서 발생하는 것을 확인하였다. 세 번째 현상은 구조물 주변 지반의 세굴에 의해 구조물이 세굴면에 닿은 경우와 닿지 않은 경우의 지반 강성 효과가 달리 작용하였기 때문으로 판단되었다. 한편, 모델 개선은 현장계측으로부터 추정된 고유주파수와 최적화 방법 중의 하나인 패턴서치 방법(pattern search method)을 적용하여 수행하였다. 해석모델 개선에 사용한 변수는 불확실성이 높은 물성치로, 상부질량, 구조물이 세굴면에 닿은 경우의 가상고정점의 깊이, 세굴면에 닿지 않은 경우의 가상고정점의 깊이 등 총 3가지로 설정하였다. 구조물의 도면과 배터리 등 중량물의 제원을 반영하여 구성한 초기 해석모델(baseline model)로 구한 고유주파수와 개선 모델(updated model)로 구한 고유주파수를 계측 고유주파수와 비교한 결과, 개선 모델로부터 구한 고유주파수가 실제 계측 결과에 매우 근접함을 알 수 있었다. 또한 개선 모델로부터 추정한 세굴깊이와 실제로 측정된 구조물의 세굴깊이가 유사함을 확인하였으며, 추후 만경해상관측타워의과 구조 안전성 검토를 위한 구조해석을 진행하고자 한다.