본 연구에서는 납면진받침(LRB)이 설치된 중경간 엑스트라도즈드교에서 교각의 파손, 상부구조의 이동변위, 그리고 케이블의 항복에 대한 지진위험도를 평가하였다. 지진위험도는 다수의 지진자료를 이용하여 지진에 대한 구조적 취약성을 평가한 지진취약도와 지진재해지도를 이용하여 해당지역에서의 지진재해도를 산정하여, 이들을 조합함으로써 평가할 수 있었다. 지진시 교각에서 소성힌지의 발생을 고려하기 위해 SAP2000을 사용하여 비선형 지진해석을 수행하였다. 지진자료는 암반노두에서 설계응답스펙트럼을 만족하는 인공지진을 작성한 후, SHAKE91을 사용하여 해당지역의 지반증폭효과를 고려하여 지진 가속도 시간이력을 구하여 사용하였다. 교각의 비선형 응답은 연성도를 사용하여 나타내었고, 2선형 직선의 모멘트-곡률 곡선으로 작성하였다. 본 연구에서는 대수정규분포함수로 지진취약도를 표현하였으며, 한반도를 대상으로 작성된 지진재해지도를 이용하여 지진재해도를 산정하였다. 해석결과 엑스트라도즈드교에서는 케이블과 거더보다는 교각하단에서 면진장치가 더 효과적인 것을 알 수 있었다.
본 연구에서는 납면진받침(LRB)이 설치된 중경간 엑스트라도즈드교에서 교각의 파손, 상부구조의 이동변위, 그리고 케이블의 항복에 대한 지진위험도를 평가하였다. 지진위험도는 다수의 지진자료를 이용하여 지진에 대한 구조적 취약성을 평가한 지진취약도와 지진재해지도를 이용하여 해당지역에서의 지진재해도를 산정하여, 이들을 조합함으로써 평가할 수 있었다. 지진시 교각에서 소성힌지의 발생을 고려하기 위해 SAP2000을 사용하여 비선형 지진해석을 수행하였다. 지진자료는 암반노두에서 설계응답스펙트럼을 만족하는 인공지진을 작성한 후, SHAKE91을 사용하여 해당지역의 지반증폭효과를 고려하여 지진 가속도 시간이력을 구하여 사용하였다. 교각의 비선형 응답은 연성도를 사용하여 나타내었고, 2선형 직선의 모멘트-곡률 곡선으로 작성하였다. 본 연구에서는 대수정규분포함수로 지진취약도를 표현하였으며, 한반도를 대상으로 작성된 지진재해지도를 이용하여 지진재해도를 산정하였다. 해석결과 엑스트라도즈드교에서는 케이블과 거더보다는 교각하단에서 면진장치가 더 효과적인 것을 알 수 있었다.
This study presents the seismic risk assesment for an extradosed bridge with seismic isolators of lead rubber bearings(LRB). First, the seismic vulnerability of a structure and then the seismic hazard of the site are evaluated using earthquake data set and seismic hazard map in Korea, and then the s...
This study presents the seismic risk assesment for an extradosed bridge with seismic isolators of lead rubber bearings(LRB). First, the seismic vulnerability of a structure and then the seismic hazard of the site are evaluated using earthquake data set and seismic hazard map in Korea, and then the seismic risk of the structure is assessed. The nonlinear seismic analyses are carried out to consider plastic hinges of bridge columns and nonlinear characteristics of soil foundation. The ductility demand is adopted to describe the nonlinear behavior of a column, and the moment-curvature curve of a column is assumed to be bilinear hysterestic. The fragility curves are represented as a log-normal distribution function for column damage, movement of superstructure, and cable yielding. And seismic hazard is estimated using the available seismic hazard maps. The results show that the effectiveness of the seismic isolators for the columns is more noticeable than those for cables and girders, in seismic isolated extradosed bridges under earthquakes.
This study presents the seismic risk assesment for an extradosed bridge with seismic isolators of lead rubber bearings(LRB). First, the seismic vulnerability of a structure and then the seismic hazard of the site are evaluated using earthquake data set and seismic hazard map in Korea, and then the seismic risk of the structure is assessed. The nonlinear seismic analyses are carried out to consider plastic hinges of bridge columns and nonlinear characteristics of soil foundation. The ductility demand is adopted to describe the nonlinear behavior of a column, and the moment-curvature curve of a column is assumed to be bilinear hysterestic. The fragility curves are represented as a log-normal distribution function for column damage, movement of superstructure, and cable yielding. And seismic hazard is estimated using the available seismic hazard maps. The results show that the effectiveness of the seismic isolators for the columns is more noticeable than those for cables and girders, in seismic isolated extradosed bridges under earthquakes.
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문제 정의
본 연구에서는 내진성능 평가 방법으로 다수의 지진자료를 이용하여 지진에 대한 구조물의 취약성을 평가한 지진취약도와 지진재해지도를 이용하여 해당지역에서의 지진재해도를 산정하고, 이를 이용하여 지진위험도를 평가하는 방법을 제시하였다.
본 연구에서는 원형단면의 LRB 면진장치가 설치된 교량의 지진위험도를 평가하였다. 대상 구조물은 6경간 연속 콘크리트 엑스트라도즈드교(Extradosed Bridge)이며, 교각의 파손과 상부구조의 이동변위, 그리고 케이블의 항복 등에 대하여 손상유무를 평가하였다.
그러나 이러한 방법은 모두 결정론적인 접근방법에 의한 것으로 지진발생의 불확실성을 제대로 반영하기 어려운 점이 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 본 연구에서는 지진발생의 확률적 특성을 고려한 확률적 지진위험도 평가(Probabilistic Seismic Risk Assessment, PSRA)를 수행하였다. 우선 구조물의 지진에 대한 구조적 취약성을 다수의 지진자료를 이용하여 평가하였고, 지진재해지도(seismic hazard map)를 이용하여 해당지역에서의 지진재해도(seismic hazard)를 산정하였으며, 이를 조합함으로써 구조물의 확률적 지진위험도를 평가하였다.
가설 설정
임의지역에서 설계지진의 최대지반가속도를 a라고 하고, 최대지반가속도가 a를 초과하는 지진의 연중 평균발생횟수는 Poisson Process로 λe번이라고 가정하자. 이 경우 임의지역에서 발생할 지진의 연중 최대지반가속도(A)가 임의로 정한 최대지반가속도 a보다 작을 확률분포함수를 FA(a)라고 하고, λe를 사용하여 다음과 같이 나타낼 수 있다(Ang & Tang, 1975).
제안 방법
LRB 면진장치는 등가정적 해석법에 의해 교대부(Type A)와 교각부(Type B)의 특성을 고려하여 2종류의 LRB 면진장치로 설계하였다. 교대부에는 받침당 1개씩 교대당 2개의 LRB 면진장치를 설치하였으며, 교각부에는 받침당 4개씩 교각당 8개의 LRB 면진장치를 설치하였으며, LRB 면진장치의 단면 및 설계제원은 다음과 같다(그림 9, 표 1, 표 2).
교량의 지진취약도 분석을 위하여 교각의 손상, 상부구조의 거동, 케이블의 항복에 대하여 각각의 손상유무를 평가한 후, 교량에 대한 지진취약도 곡선을 작성하였다. 교각의 손상등급은 Dutta & Mander (2002)가 제시한 수평변위한계(높이에 대한 비)를 최대 연성도로 변환시켜 5개의 손상 등급으로 표 3에 정의하였으며, 손상등급 중 구조물의 성능에 큰 영향을 미칠 수 있는 손상등급 V(붕괴)에 대하여 지진취약도 곡선을 작성하였다.
1절에서 작성한 100개의 지진을 사용하였다. 구조물의 비선형 응답을 나타내기 위해 연성도를 사용하였으며, 연성도는 θ/ θy로 규정하였다. 여기서 θ는 소성힌지에서의 교각의 회전각이고, θy는 항복점에 해당하는 교각의 회전각이다.
위 방법을 이용하여 LRB 면진장치가 설치된 면진 엑스트라도즈드교에서 교각의 파손, 상부구조의 이동변위 및 케이블의 항복에 대하여 중약진 규모의 지진에 대하여 지진위험도를 평가하였다. 그리고 지진위험도를 비교/분석하여 면진받침의 내진보강효과를 고찰하였다.
대상 구조물은 6경간 연속 콘크리트 엑스트라도즈드교(Extradosed Bridge)이며, 교각의 파손과 상부구조의 이동변위, 그리고 케이블의 항복 등에 대하여 손상유무를 평가하였다. 대수정규분포함수로 지진취약도를 표현하였으며, 지진재해도는 한반도를 대상으로 작성된 지진재해지도를 이용하여 산정하였다.
설계지진에서 정의되는 지반가속도는 모두 암반노두에서의 거동이다. 따라서 본 연구에서는 암반노두에 대해 주어진 설계응답스펙트럼을 만족하는 인공지진을 작성한 후, 해당 지역의 지반조건에 맞는 지반증폭효과를 고려하여 지표면에서의 가속도 시간이력을 구하였다.
지진재해지도는 일반적으로 해당 지역에 발생한 역사지진을 통계 처리하여 분석하게 되는데, 이러한 지진재해지도는 주로 지진의 재현기간 T 또는 일정기간 동안의 초과발생확률(exceedance probability)을 갖는 지진의 최대지반가속도를 지도위에 표시한 것으로써, 지진재해지도로부터 재현기간 및 해당 재현기간을 갖는 지진의 최대지반가속도를 읽을 수 있다. 본 연구에서는 내진설계기준연구(II)의 5년 및 10년, 20년, 50년, 100년, 250년, 1000년 동안 발생확률이 10%인 지진재해지도를 사용하여 해당지역에서의 최대지반가속도를 구하였다(한국지진공학회, 1997).
본 연구에서는 설계지진계수 산정 및 부지응답해석을 위해 SHAKE91을 사용하였으며, 이 경우 지반의 층상구조를 나타내는 변수로는 그림 4(b)와 같이 단위밀도 ρ(또는 단위중량), 전단파 속도 Vs, 감쇠비 D, 그리고 G/Gmax를 사용한다. 이 때 변형률에 대한 G/Gmax 및 감쇠비의 변화를 비선형 변형 특성으로 이용하였다(Rechart 등, 1970).
비선형 지진해석을 수행하기 위해 도로교 설계기준의 표준 설계 응답스펙트럼을 이용한 인공지진을 작성하여 입력지진으로 사용하였으며, 암반노두에서의 지반가속도 산정에 있어서 입력지진의 최대지반가속도를 불확실성 인자로 가정하여 사다리꼴 모양의 인공포락곡선을 이용하여 최대지반가속도를 중약진 규모인 0.005 g~0.6 g 범위의 안에서 100개의 인공지진을 고르게 작성하였다.
해석 대상 교량에서 교각의 손상과 케이블의 항복, 그리고 상부구조의 거동에 대한 구조물의 사용기간 1회, 20년, 50년 및 100년에 해당되는 지진위험도를 구하여 표 5에 정리하였다. 여기서 교각의 손상상태는 구조물의 성능에 큰 영향을 미치는 지진취약도의 손상등급 5(붕괴)에 대하여 지진위험도를 구하였다.
이러한 문제점을 보완하기 위해 본 연구에서는 지진발생의 확률적 특성을 고려한 확률적 지진위험도 평가(Probabilistic Seismic Risk Assessment, PSRA)를 수행하였다. 우선 구조물의 지진에 대한 구조적 취약성을 다수의 지진자료를 이용하여 평가하였고, 지진재해지도(seismic hazard map)를 이용하여 해당지역에서의 지진재해도(seismic hazard)를 산정하였으며, 이를 조합함으로써 구조물의 확률적 지진위험도를 평가하였다.
위 방법을 이용하여 LRB 면진장치가 설치된 면진 엑스트라도즈드교에서 교각의 파손, 상부구조의 이동변위 및 케이블의 항복에 대하여 중약진 규모의 지진에 대하여 지진위험도를 평가하였다. 그리고 지진위험도를 비교/분석하여 면진받침의 내진보강효과를 고찰하였다.
유한요소 해석프로그램인 SAP2000을 사용하여 비선형 지진해석을 수행하였으며, 교축방향에 대해서만 검토하였다.
작성된 암반노두에서의 인공지진에 대하여 지반증폭효과를 고려하기 위해, SHAKE91을 사용하여 지표면에서의 인공지진을 작성하였다(그림 5). 여기서 최대지반가속도에 따른 평균 지반증폭비는 1.
해석 대상 교량에서 교각의 손상과 케이블의 항복, 그리고 상부구조의 거동에 대한 구조물의 사용기간 1회, 20년, 50년 및 100년에 해당되는 지진위험도를 구하여 표 5에 정리하였다. 여기서 교각의 손상상태는 구조물의 성능에 큰 영향을 미치는 지진취약도의 손상등급 5(붕괴)에 대하여 지진위험도를 구하였다.
해석에 사용된 모델은 그림 6에 보인바와 같이 6경간 연속 콘크리트 엑스트라도즈드교로서, 면진장치 사용유무에 따른 지진위험도를 평가하기 위하여 일반교량 받침과 소성힌지가 설치된 일반교량(CASE I)과 LRB 면진장치와 소성힌지가 설치된 면진교량(CASE II) 2가지 유형으로, 교량의 받침부를 제외한 나머지 구조는 모두 동일하게 모델링하였다. 교량의 총경간은 670 m이며, 상부구조는 사각형 준공단면을 갖은 교각 5개로 지지되고 있다.
대상 데이터
본 연구에서는 원형단면의 LRB 면진장치가 설치된 교량의 지진위험도를 평가하였다. 대상 구조물은 6경간 연속 콘크리트 엑스트라도즈드교(Extradosed Bridge)이며, 교각의 파손과 상부구조의 이동변위, 그리고 케이블의 항복 등에 대하여 손상유무를 평가하였다. 대수정규분포함수로 지진취약도를 표현하였으며, 지진재해도는 한반도를 대상으로 작성된 지진재해지도를 이용하여 산정하였다.
지진취약도 곡선을 작성하기 위해 SAP2000을 사용하여 비선형 지진해석을 수행하였으며, 입력지진으로는 5.1절에서 작성한 100개의 지진을 사용하였다. 구조물의 비선형 응답을 나타내기 위해 연성도를 사용하였으며, 연성도는 θ/ θy로 규정하였다.
이론/모형
이러한 지진에 대한 파괴확률을 지진위험도(seismic risk)라 하고, 지진취약도와 지진재해도로부터 구할 수 있다. 본 연구에서는 Shinozuka 등(2002)과 Kim & Shinozuka(2004)가 제안한 지진취약도 분석기법과 지진재해도 분석기법을 이용하여 구조물의 지진위험도를 분석하였다.
Shinozuka 등(2002)은 지진취약도 곡선을 2계수 대수정규 분포함수의 형태로 나타내었다. 여기서 계수인 중간값과 대수표준편차는 최우도추정법(maximum likelihood estimate)에 의해 구하였으며, 지진취약도 곡선이 교차하지 않도록 대수표준편차를 같은 값으로 추정하였다(Devore, 1991).
교각은 탄성(선형)영역으로 모형화 하였으나 교각의 끝단은 탄소성(비선형)영역으로 모형화 하였다. 여기서 관련변수는 단면해석 프로그램인 UCFyber를 사용하여 2선형 직선의 모멘트-곡률 곡선으로 작성한 후 Priestley 등(1996)이 제안한 응력-변형도 곡선에 의하여 계산하였다(UCFyber Users Manual, 2001, 그림 7, 그림 8).
성능/효과
1. 동일한 사용기간에 대하여 교각의 손상은 면진교량이 일반교량에 비해 초과발생확률이 80% 정도 감소하여, 면진받침의 설치로 지진위험도가 감소하였으나, 상부구조의 이동변위는 면진장치의 특성에 의해 면진교량이 일반교량보다 초과발생확률이 최대 30%정도 증가하여 지진위험도가 증가함을 보였다. 그러나 이 경우 받침만 교체하면 교량의 성능에 지장이 없으므로 불리하지 않다.
2. 케이블의 항복하중에 대한 평가는 0.6g 이하의 지반강도에서는 2유형의 교량 모두 설계허용하중보다 작은 사용하중을 보여 지진취약도 평가를 실시할 수 없었다.
표 3의 교각의 손상수치는 해석 교량에 대한 손상등급별로 교각에 손상을 일으킨 지진의 수이다. 결과로부터 알 수 있듯이 교각의 손상등급이 높아지거나 같은 손상등급 상에서 일반 교량보다 면진 교량에 손상을 일으키는 지진의 수가 적은 것을 알 수 있다. 그림 10은 교각의 손상과 상부구조의 거동에 대한 지진취약도 곡선을 일반교량과 면진교량에 대해 나타내어 비교하였다.
분석 결과를 살펴보면 동일한 사용기간에 대하여 면진교량에서의 교각의 손상은 일반교량에 비해 초과발생확률이 80% 정도로 감소함을 보이며, 상부구조의 이동변위는 최대 30% 정도 증가함을 보였다.
지진취약도 해석결과를 살펴보면 교각 하단에서의 최대 회전변위는 동일한 최대지반가속도상에서 일반교량에서 보다 면진교량에서 작아 내진성능이 향상되는 것을 알 수 있고, 케이블의 항복하중은 0.6 g 이하의 지반강도에서는 2유형의 교량 모두 사용하중(2.3MN)이 설계허용하중보다 작아 지진취약도 평가를 실시할 수 없었으며, 상부구조의 이동변위는 면진장치의 특성에 의해 증가함을 알 수 있었다.
후속연구
추후 케이블 교량의 케이블 비선형성, 중장대 교량의 다지지점 지진입력, 지진의 발생빈도 및 다양한 시간포락함수 등을 포함한 교량의 구조거동에 영향을 미치는 주요 인자와 지진위험도간의 상관관계를 규명하기 위한 연구가 필요하다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
내진성능 검토의 방법으로 최근 어떤 경향이 있는가?
내진성능 검토의 방법으로 최근 설계응답스펙트럼을 이용하여 설계지진의 지반운동가속도를 작성하고 이로부터 비선형 지진해석을 수행하거나 역량스펙트럼법을 이용하는 경향이 있다. 그러나 이러한 방법은 모두 결정론적인 접근방법에 의한 것으로 지진발생의 불확실성을 제대로 반영하기 어려운 점이 있다.
지진위험도는 어떻게 평가할 수 있었는가?
본 연구에서는 납면진받침(LRB)이 설치된 중경간 엑스트라도즈드교에서 교각의 파손, 상부구조의 이동변위, 그리고 케이블의 항복에 대한 지진위험도를 평가하였다. 지진위험도는 다수의 지진자료를 이용하여 지진에 대한 구조적 취약성을 평가한 지진취약도와 지진재해지도를 이용하여 해당지역에서의 지진재해도를 산정하여, 이들을 조합함으로써 평가할 수 있었다. 지진시 교각에서 소성힌지의 발생을 고려하기 위해 SAP2000을 사용하여 비선형 지진해석을 수행하였다.
최근 내진성능 검토의 방법으로 설계응답스펙트럼을 이용하여 설계지진의 지반운동가속도를 작성하고 이로부터 비선형 지진해석을 수행하거나 역량스펙트럼법을 이용하는 방법은 어떤 단점이 있는가?
내진성능 검토의 방법으로 최근 설계응답스펙트럼을 이용하여 설계지진의 지반운동가속도를 작성하고 이로부터 비선형 지진해석을 수행하거나 역량스펙트럼법을 이용하는 경향이 있다. 그러나 이러한 방법은 모두 결정론적인 접근방법에 의한 것으로 지진발생의 불확실성을 제대로 반영하기 어려운 점이 있다. 이러한 문제점을 보완하기 위해 본 연구에서는 지진발생의 확률적 특성을 고려한 확률적 지진위험도 평가(Probabilistic Seismic Risk Assessment, PSRA)를 수행하였다.
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