지진해일에 의한 구조물 피해분석기술 개발

지진해일 발생 시 인적·물적 피해에 대한 대비 가능해지다

USA 과제책임자

이필승

한국과학기술원

교수

초빙과학자

최우영

New Jersey Institute of Technology

Professor

U N I V E R S I T YTechnology에 Liberal Art를 담는 캠퍼스의 기술 스토리텔링

지진해일 내습 시뮬레이션

(a) (b)

2014년 8월 일본 교통성은 일본에서 지진이 발생했을 때 국내 동

해안 지역에 지진해일이 내습할 가능성이 있다는 연구결과를 발표

하였다. 시뮬레이션을 통해 예측된 동해 지진·쓰나미 예상도에 따

르면 일본 홋카이도 근해에서 규모 7.7의 강진 발생 시 2시간 이

내 국내 동해안 지역에 수 미터의 지진해일이 도달할 것으로 예측

되었다. 이에 관련된 실제 사례로 1983년 5월 강원도 삼척의 지진

해일의 경우, 일본 아키타현 서쪽해역에서 발생한 규모 7.7의 강진

으로 최대 높이 6m 규모의 지진해일이 임원항을 내습하였다. 이

사고로 건물 총 44동이 파손되고 1명이 사망하는 등 상당한 피해

가 발생하였다. 즉, 일본 근해의 지진발생 시 우리나라 또한 지진해

일(쓰나미)의 안전지대가 아니며, 이에 따라 우리나라에서도 해안

지역의 인명 및 재산피해를 최소화하기 위한 국가재난관리시스템

(NDMS, National Disaster Management System)이 구축되어야

함은 물론 이에 필요한 기반연구가 시급한 실정이다.

최근 발생한 대규모 지진해일 피해는 내륙으로의 단순한 침수가

아닌 구조물의 파괴와 전도에 의해 대부분 발생되었다. 하지만 국

내에서는 아직 파력과 구조물 피해 간의 관계가 연구된 바가 거의

없었으며, 지진해일의 전파 및 침수 피해 사례에 국한되어 이에 대

한 기술 개발이 반드시 필요한 상황이다. 이 기술

개발의 핵심은 구조역학 및 해양파, 그리고 구조-

유체 간 상호작용에 관련된 이론 및 수치 해석기

술이며, 이에 따라 해양유체역학 연구의 세계적

전문가이자 미 해군의 지원으로 비선형 해양파 모

델 개발 실적이 뛰어난 NJIT의 최우영 교수를 초

빙하게 되었다. 최우영 교수와 카이스트 연구진은

공동 연구를 수행하며 과제에 필요한 기초 연구를

중점적으로 수행하였다.

50 해외고급과학자초빙(Brain Pool)사업 우수성과 사례집

지진해일에 의한 경제적 피해 예측 기술 개발

이 연구 과제의 핵심은 지진해일로 인한 연안 지역의 구조물

피해의 정량적 추산 기법을 개발하고, 경제적 피해 예측 기술

을 개발하는 것이다. 주요 내용으로는 지진해일로 인한 구조물

피해 사례를 조사·분석하고 국내 연안구조물의 형태 분석 및

파력 산정 기술사례 조사를 수행함으로써 지진해일에 의한 구

조물의 파괴 메커니즘을 분석하는 것이다.

지진해일로 인한 구조물 피해 사례 조사·분석을 위하여 세부

적으로 지진해일에 의한 구조물 피해사례, 지진해일 파력 추정

기술, 구조물 피해 분석을 위한 관련 기술 조사를 수행하였고,

국내 연안 구조물의 형태 분석을 위하여 국내 주요 연안구조물

의 구조 형식 분류, 연안구조물의 재해 관련 기준 조사를 수행

하였다. 또한 파력 산정 기술 현황 조사를 위하여 국내·외 지진

해일의 파력에 관한 문헌 연구는 물론 경사면에 작용하는 고립

파의 파압 및 처오름 측정을 위한 수리실험을 수행하였다. 마

지막으로 구조물의 파괴 메커니즘 분석을 위해 단순 형태 구조

물에 대한 파력 특성을 분석하고, 파력에 의한 토목·건축구조

물의 파괴 메커니즘을 분석하였다.

구조물에 대한 형태별 분석과 내용 검증 수행

본 과제는 크게 파력추정기술을 개발하고 구조물에 대한 형태별

분석을 하는 1단계, 해일에 대한 피해분석기술을 개발하고 피해

발생 인자를 도출하는 2단계, 그리고 구조물 피해분석 기술을

개발하고 피해현상에 대한 수치해석적 재현을 통해 개발된 내용

의 검증을 수행하는 3단계로 진행되었다. 1단계에서는 국내·외

관련기술 현황을 조사하고 해외의 지진해일 피해사례 및 국내

연안구조물에 대한 분석을 수행하였다.

또한 수리실험을 통한 파력 선정기술을

검토·제시함으로써 파력에 의한 구조

물의 파괴 메커니즘을 규명하였다. 2단

계에서는 지반 및 기초형태에 따른 피

해 발생인자를 조사하고 연안 구조물

형태별 2차원 수리실험 및 이와 연계한

수치해석을 수행하였다. 이 내용을 기

반으로 파력과 구조물 피해 간 관계를

제시하고 구조물 형태에 따른 피해 인

자를 도출하였다. 3단계에서는 실제 삼

척 임원항의 지진해일 재해 현장을 3차

원 수리실험으로 재현하여 내륙 해일

범람특성을 분석하였다. 또한 3차원 수

치해석과 실험결과와의 비교·분석을

통하여 해일에 의한 구조물 피해산정

시스템의 신뢰성을 검증하고자 하였다.

최종적으로 파력에 따른 각 구조물 별

피해율 평가기술을 개발하고 개발된 기

술의 적정성을 검토하였다.

비선형 해양파 해석과 유체-구조

상호작용 해석에 대한 이론적 기반

연구

이번 연구가 우리 카이스트 연구진에게

큰 도전으로 다가왔던 것은 첫째, 지진

해일과 같은 비선형 해양파에 대한 이

해일에 대한 해안방어체계 구축

연구를 통해 지진해일 발생 시

건축 구조물의 피해 상황 예측이

가능해져 해일피해에 대한

대비가 가능해질 것이다.

Part 3 UNIVERSITY 51

론적 해석 기술이 미흡했다는 것과 둘째, 지진해일에 따른 연

안 피해사례에 대한 자료와 분석 기술이 부족했다는 점이다.

실제로 지진해일의 피해가 많은 일본의 경우 데이터가 많이 축

적되어 관련 연구가 진행되어 왔지만, 국내의 경우 관련 데이

터 및 연구가 전무한 실정이었다. 하지만 이 과제에 최우영 교

수가 참여하게 되면서 비선형 해양파 해석과 유체-구조 상호작

용 해석에 대한 이론적 기반을 마련할 수 있었고, 지진해일을

모사하기 위한 수학적 모델을 개발하여 수치해석 시 관련 내용

을 활용할 수 있었다. 또한, 국내에 부족한 지진해일 관련 데이

터를 확보하기 위하여 카이스트와 일본 전문가들과의 기술 세

미나를 수차례 개최하였는데, 여기에 최우영 교수의 인적 네트

워크가 많은 도움이 되었다.

이번 과제에서 최우영 교수는 비선형 해양파 해석과 유체-구조

상호작용 해석에 대한 이론적 기반을 연구하는 등 과제 수행에

필요한 이론적 기초 연구를 중점적으로 수행하였다. 카이스트

연구진은 최우영 교수의 연구 결과를 수치로 해석하고 실험 결

과를 비교·분석함으로써 연구 결과의 정확도를 높였다. 첫째,

큰 파고의 지진해일을 모사하기 위한 고차(high-order) 수학적

모델을 개발하였다. 기존의 수학적 모델은 비선형의 영향이 작

다는 가정(the weakly nonlinear assumption)하에 개발되어

실제 연안에서 큰 파고의 지진해일의 정확한 예측에는 사용이

어렵다는 한계점이 있었다. 이에 초빙과학자 주도의 공동 연구

를 통해 큰 파고의 지진해일을 더 정확히 표현하는 새로운 수

학적 모델을 개발하였다.

여기에는 최근 제안된 strongly nonlinear long wave

theory(파고에 관한 가정 없이 연안의 바다 깊이에 비해 파장

이 크다는 가정만을 사용하는 이론)를 사용하였으며, 특히 물

리적 현상의 관측에 기초하여 쇄파의 영향을 좀 더 정확히 나

타내는 항들을 새로운 모델에 포함시켜 모델의 정확성을 제고

시켰다. 둘째, 물리현상 해석을 위한 이론적 연구를 수행하였

다. 지진 해일의 범람을 이론적으로 예측하기 위해 얻어진 수

학적 모델을 정수 가정(hydrostatic assumption) 등을 이용해

단순화시키고, 비정수 영향을 섭동법(perturbation method)을

통해 향상시킨 새로운 이론을 제안하였다. 그리고 이를 카이스

트에서 사용 중인 이론과 비교함으로써

기술의 성숙도를 높였다. 셋째, 수치적

해석과 진행 중인 2차원 수리 실험과의

결과를 비교·분석함으로써 수치해석을

고도화하였다.

2차원 가정 하에 제안된 수학적 모델을

풀기 위해 유한차분법과 반복계산법을

이용하여 최적화된 컴퓨터 코드를 만들

고 고립파의 연안에서 진행과 변형하는

과정을 수치 계산하였으며, 그 결과를

과제의 일부로 진행 중인 2차원 수리

실험의 측정치와 비교하였다. 더불어

실험적 측면에서는, 카이스트 내에 건

설된 2차원 수조에서 파고계와 초고속

카메라를 이용하여 고립파와 해저면 지

형과의 상호작용, 범람 실험을 수행하

였다. 최우영 교수는 연구과제 수행에

있어 수시로 카이스트 연구팀의 연구

분석 회의에 참여해 의견을 교환했다.

또한 다른 기관의 과제 책임자들과의

분기별 모임에도 참석해 연구 결과를

소개하고 의견을 교환하였다. 국내 및

국제 학회를 통해 6번의 세미나를 진

행하며 연구 관련 내용과 결과를 발표

하였으며, 공학과 수학 분야 간 융합 연

구를 돕기 위해 국가 수리과학 연구소

를 수차례 방문해 두 번의 세미나를 통

해 과제와 관련된 연구 분야를 수학자

들에게 소개하였다. 또한, 관련 분야를

연구하는 카이스트의 석사 과정 학생들

의 졸업 논문 심사에 참여하여 학생들

의 연구에 관하여 연구 방향을 제안하

고 토론하였고, 카이스트 연구 모임을

통해 유체와 구조물의 상호 작용에 대

한 의견을 교환하였다. 또한 최우영 교

52 해외고급과학자초빙(Brain Pool)사업 우수성과 사례집

수는 카이스트에 머무는 동안 Shanghai Jiao Tong University

의 Xinshu Zhang 교수를 초빙하여 세미나를 듣고 비선형파의

운동의 수학적 모델을 만들기 위한 공동 연구를 수행하고 그

결과를 주제로 한 논문을 준비 중이며, 연구과제와 관련해 총 3

편의 논문이 출간 또는 출간 예정이다.

지진해일 발생 시 건축 구조물 피해 상황 예측 가능해져

이번 연구 개발된 기술을 통해 지진해일 발생 시 건축 구조물

의 피해 상황 예측이 가능해지고, 이에 따라 기술적 내용에 근

거한 인적·물적 피해에 대한 대비가 가능해질 것이다. 해일에

대한 해안방어체계 구축 연구는 안전한 해안 사회 구축에 필수

적인 사항으로 해안 재해로 인한 막대한 경제적인 손실을 저감

시킴은 물론, 해안에 집중되어 있는 국가 기간 산업시설을 보

호한다는 측면에서 국가 기본 전략의 특성을 갖추고 있다. 또

한 해안에 국가 기간 시설물을 건설할 때 지진 해일로부터 안

전한 지역을 선정·배치할 수 있다. 연구를 통한 활용 가능 분야

는 산업시설, 발전소 등 다양한 형태의 구조물의 피해 예측 및

부지 선정, 해안 지역에 대한 해일 피해 저감 대책 수립, 국내

구조물의 침수 심별 피해 예측 등에 활용이 가능할 것으로 판

단된다. 한편 최우영 교수는 내부 연구에 적극 참여하고 논문

및 세미나를 통해 연구 결과를 관련 학회와 연구자들에게 알림

으로써 매우 만족한 연구 과제를 수행하였다. 이번 연구 활동

을 통해 개발된 수학적 모델은 좀 더 다듬고 다양한 실험과 결

과를 비교하면 앞으로 지진해일의 예측과 그로 인한 구조물에

미치는 영향을 연구하는데 큰 도움이 될 것이라 생각한다.

연구 후기

이필승 | 한국과학기술원

“해외 과학자가 지진해일 연구 과제에 적극

참여함은 물론, 논문 및 세미나 등 다양한 연

구 활동을 통해 관련 학회 및 연구자들과 연

구결과를 공유함으로써 연구 과제 수행에

많은 도움을 받았습니다. 또한 카이스트 내

부적으로도 학생들의 논문 심사와 연구 토

론을 통해 교육 측면에서도 기여해주신 바

가 큽니다. 브레인풀의 도움으로 수행한 연

구활동을 통해 개발된 수학적 모델은 다양

한 실험 결과와의 비교ㆍ분석을 하여 부분

적인 보완 작업을 거치면 향후 지진해일의

예측 및 구조물에 미치는 영향을 연구하는

데 활용성이 크리라 판단합니다.”

최우영 | New Jersey Institute of

Technology

“It was my great pleasure to get

involved in the KAIST project on Tsunami

research. After recent Tsunami disasters,

among many, in the Indian ocean

and Japan, the accurate prediction of

Tsunami occurrence and its resulting

impact on coastal structures has become

crucial in mitigating damages from

Tsunami. I personally feel grateful to

have made contribution to this timely

research project, which would not have

been possible without the support of the

KAIST research group, and will therefore

continue this collaboration for further

research progress. I finally would like to

thank the Brain Pool Program for giving

me an opportunity to have a rewarding

experience at KAIST.”

Part 3 UNIVERSITY 53