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지진 진동수에 따른 교량의 내진성능기반 취약도 해석 방법

Fragility Analysis Method Based on Seismic Performance of Bridge Structure considering Earthquake Frequencies

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.21 no.2, 2009년, pp.187 - 197  

이대형 (경북도립대학 토목과) ,  정영수 (중앙대학교 토목공학과) ,  양동욱 (중앙대학교 토목공학과)

초록
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본 논문은 진동수에 따른 취약도 곡선과 손상확률을 제시하였다. 취약도곡선과 손상확률은 주어진 지진동에 의해 임의의 구조물이 견딜 수 있는 손상의 정도를 나타낸다. 지진에 의한 피해는 지진이 가지는 불확실성으로 인하여 확률적으로 예측하여야 한다. 기존 연구와 달리 본 연구에서는 비선형 동적 해석과 실험 결과를 이용하였다. 본 연구에서는 프리스트레스트 콘크리트 교량에 대한 수치적 시뮬레이션을 통하여 주어진 최대지반가속도에 따른 5단계의 손상 단계별 손상확률을 구하였다. 취약도 곡선을 산출하기위해 해석적 연구를 수행하였다. 이를 위해 지반조건에 따라 각각 100개의 인공지진파를 생성하고 비선형 시간이력해석을 수행하였다. 손상단계는 기존의 실험 결과에 기초한 성능기반에 따라 정의하였으며 RC 교각의 지진거동을 변위연성도로 나타내었다. 손상단계 및 지반가속도를 이용하여 PSC교량의 지반조건에 따른 손상곡선을 도출하여 비교분석하였다. 연구 결과에 따르면 지반조건 및 구속철근량에 따른 손상확률의 차이를 확인할 수 있다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This paper presents a systematic approach for estimating fragility curves and damage probability matrices for different frequencies. Fragility curves and damage probability indicate the probabilities that a structure will sustain different degrees of damage at different ground motion levels. The sei...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  • 본 연구에서는 교각의 내진성능에 기초한 손상기준에 따라 지반특성을 반영하기 위한 진동수별 입력지진에 따른 교량의 지진취약도를 분석하는 방법을 확률밀도함수를 이용하여 해석하였다. 본 연구를 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있다.
  • 본 연구에서는 교량의 내진안전성 평가수단으로 사용될 수 있는 성능 기반 지진취약도 곡선을 개발하였다. 기존의 연구 결과를 토대로 손상기준을 정의하였으며 손상기준은 심부구속철근비, 주철근비, 축하중비에 따라 각각의 손상정도를 다르게 평가하였다.
  • 그러므로 실제 지진동의 진동수가 구조물에 미치는 영향을 정량적으로 평가할 필요가 있다. 본 연구에서는 불확실한 지진동의 고유진동수에 따른 손상정도를 취약도 곡선을 통하여 손상확률을 구하는 것이다. 대상구조물은 상부구조는 프리스트레스 콘크리트 구조로 시공되고 하부구조는 철근 콘크리트 교각으로 시공된 교량을 선택하였다.
  • 본 논문에서 사용한 인공지진파 산출프로그램은 하나의 입력데이터를 이용하여 다수의 지진을 산출하게 되며 이때 각각의 지진에 대한 랜덤변수 (random variable)는 자연 발생되는 random seed값을 이용하였으며 IMSL (international mathematics and statistics library) subroutine을 사용하였다. 본 연구에서는 지반의 특성을 고려하기 위하여 탁월진동수 (dominant frequency)가 서로 다른 인공지진을 산출하였다. 연약지반 (UBC soil type 4)은 0.
  • 입력지진은 대상지역의 지반특성, 강진지속시간, 진동수 특성 등이 매우 다양하여 많은 불확실성을 내포하고 있어 다수의 지진파에 대한 응답을 확률론적으로 분석하여야 한다. 하지만, 국내의 계측 지진자료가 부족하고 큰 지진기록이 전무하여 인공지진파를 산출하여 지진응답해석을 수행하고자 한다. 인공지진은 포락함수와 가우시안 함수, g(t)의 곱으로 얻어진다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
설계지진 가속도는 무엇을 이용하여 정의하고 있나? 설계지진 가속도는 위험도계수, 중요도계수, 지반계수 등을 이용하여 정의하고 있으며 지반에 따라 특정지역에 맞는 지진동을 이용하도록 규정하고 있다. 그러므로 실제 지진동의 진동수가 구조물에 미치는 영향을 정량적으로 평가할 필요가 있다.
교량은 무엇인가? 최근 세계적으로 지진에 의한 막대한 인명 및 경제적 손실로 인하여 철근콘크리트구조물의 내진안전성확보를 위한 해석 및 설계 기술에 관한 관심이 한층 고조되고 있다. 교량은 지진발생시 피해 복구를 위해서 필수적인 구조물로써 이들의 내진안전성 확보가 매우 절실히 요구된다. 또한, 교량구조물의 손상도 평가는 내진보강, 재난 방지 대책 수립, 경제적 손실 평가 및 교량의 구조적인 손상률을 평가하는데 중요한 기준이 된다.
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참고문헌 (16)

  1. 김상훈, Masanobu S., 김종인, “지진으로 인한 교통망 피해추정 기법,” 한국지진공학회 논문집, 8권, 3호, 2004,pp. 43-51. 

  2. 건설교통부, 도로교표준시방서, 건설교통부 2005, pp. 471-489 

  3. 이대형, 박창규, 정영수, “겹침이음 및 보강된 철근콘크리트 교각의 내진성능평가를 위한 Macro모델,” 대한토목학회 논문집, 밥5A호, 2005, pp. 857-864. 

  4. 이대형, “원형 콘크리트 교각의 내진성능 평가에 관한 이론 및 실험적 연구,” 공학박사학위 논문, 중앙대학교, 서울, 1999, pp. . 

  5. Computer and Structures, SAP2000/Nonlinear Users Manual Version 8, Computer and Structures, Berkley, CA, USA, 2002, pp. 326-331. 

  6. 박창규, “철근콘크리트 교각의 내진성능평가를 위한 심부구속철근비에 관한 연구,” 공학박사학위논문, 중앙대학교, 서울, 2005, pp. 119-124. 

  7. 김재천, 변지석, 신수봉, “지반특성 고려한 FCM교량의 지진취약도 분석,” 지진공학회 논문집, 12권, 3호, 2008, 3744 pp. 

  8. Kim, S. H. and Masanobu S. H., Development of Fragility Curves of Bridges Retrofitted by Column Jacketing, Probabilistic Engineering Mechanics, Vol. 19, 2004, pp. 105-112. 

  9. Hazus, Multihazard Loss Estimation Methodology, Technical Manual, National Institute of Building for the Federal Emergency Management Agency, Washington (DC), 2007, pp. 5-13-5-20. 

  10. Karim, K. R. and Yamazaki F., “Effect of Earthquake Ground Motions on Fragility Curves of Highway Bridge Piers Based on Numerical Simulation,” Earthquake Engineering and Structural Dynamics, Vol. 30, 2001, pp. 1839-1856. 

  11. 정영수 외, 철근콘크리트 교각의 내진성능평가와 향상에 관한 연구, 지진공학연구센터, 2006, pp. 103-106. 

  12. 정영수, 박창영 박지오, “철근콘크리트 교각의 연성능력에 따른 지진취약도,” 콘크리트학회 논문집, 19권, 1호, 2007, pp. 91-102. 

  13. 이대형, 박창규, 정영수, “다 경간교량의 받침조건에 따른 지진취약도 해석,” 대한토목학회 논문집, 27권, 2A호, 2007, pp. 227-236. 

  14. Priestley, M. J. N., Seible, F., and Calvi, G. M., Seismic Design and Retrofit of Bridges, John Wiely & Sons Inc., New York, 1996 

  15. Chung, Y. S., Shinozuka, M., and Meyer, C., SARCF User's Guide Seismic Analysis of Reinforced Concrete Frames, NCEER, New York, 1988, pp. 2-4-2-5. 

  16. Wen, Y. K., Method for Random Vibration of Hysteretic Systems, Journal of the Engineering Mechanics Division, ASCE, Vol. 28, No. EM2, 1976, pp. 1079-1182. 

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