[논문]일반교량 하부구조의 내진설계

국승규

일반교량 하부구조의 내진설계
Earthquake Resistance Design for a Typical Bridge Substructure 원문보기

한국전산구조공학회논문집 = Journal of the computational structural engineering institute of Korea, v.24 no.3, 2011년, pp.283 - 288

초록
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내진설계에서 설계자가 제시해야 하는 사항은 구조물의 항복과정이 원칙적으로 연성파괴메카니즘으로 구성되는 것이다. 일반교량의 연성파괴메카니즘은 연결부분과 교각기둥 두 구조부재 중 교각기둥이 먼저 항복하도록 설계되어야 한다. 그러나 불필요하게 강성이 큰 하부구조가 사용되는 국내의 설계관행에 의해 지진하중은 크게 발생하게 되므로 연성파괴메카니즘을 확보하기가 어렵다. 이러한 문제는 내진설계가 기본설계 단계에서 수행되지 않아 발생한다. 이 연구에서는 일반교량을 해석대상 교량으로 선정하고 기본설계 단계에서 연결부분과 하부구조의 설계강도를 결정하는 내진설계를 수행하여, 이러한 설계방식으로 타설계에서 결정되는 구조부재를 변경하지 않아도 연성파괴메카니즘을 확보할 수 있다는 것을 제시하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

For the earthquake resistance design designer should provide that structural yielding process is principally designed with the ductile failure mechanism. In order to get the ductile failure mechanism for typical bridges, pier columns yielding should occur before that of connections. However domestic bridge design with unnecessary stiff substructure leads to unnecessary seismic loads and makes it difficult to get the ductile failure mechanism. Such a problem arises from the situation that earthquake resistant design is not carried out in the preliminary design step. In this study a typical bridge is selected as an analysis bridge and design strengths for connections and pier columns are determined in the preliminary design step by carrying out earthquake resistant design. It is shown through this procedure that it is possible to get the ductile failure mechanism with structural members determined by other design.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

응답수정계수를 적용하는 스펙트럼해석법의 목적은 연성파괴메카니즘을 확보하고자 하는 것이다. 즉, 설계지진 시 구조 부재에 발생하는 작용력(탄성지진력)에 각각 다른 응답수정계수를 적용하고 설계지진력(소요강도)을 결정하여 설계강도를 소요강도에 맞추면(설계강도≃소요강도), 구조부재의 항복순서를 조정할 수 있고 이로부터 연성파괴메카니즘을 구성할 수 있다는 것이다.
이러한 문제는 내진설계가 기본설계 단계에서 수행되지 않아 발생한다. 이 연구에서는 일반교량을 해석대상 교량으로 선정하고 기본설계 단계에서 연결부분과 하부구조를 결정하는 내진설계를 수행하여, 이러한 설계방식으로 일반설계에서 결정되는 구조부재를 변경하지 않아도 연성파괴메카니즘을 확보할 수 있다는 것을 검토/입증하고자 한다.
이 연구에서는 일반교량을 해석대상 교량으로 선정하고, 내진설계에서 목적하는 연성파괴메카니즘을 확보하기 위한 기본설계 단계에서의 설계과정을 제시하였다. 내진해석 방법으로는 도로교설계기준에 제시되어 있는 응답수정계수를 적용하는 다중모드 응답스펙트럼해석 방법을 사용하였다.
지진저감장치 또는 지진격리장치 도입 등의 비용증가 없이 내진설계를 수행할 수 있음을 알 수 있다. 이 연구에서는 하부구조의 형상을 변경하는 예(다주교각을 단주교각으로 변경)를 들었으나, 현장여건에 의해 형상변경이 불가한 경우에는 다른 방법을 사용하여 하부구조의 강성을 합리적으로 조정하는 것이 목적임을 제시한 것이다. 또한 한반도와 같은 중약진지역은 타설계에서 교각기둥의 설계단면이 결정되는 상황이 발생할 수 있으므로, 이러한 경우는 그 설계단면을 기준으로 실제 응답수정계수를 구하고 연성파괴메카니즘을 확보하기 위한 강재 받침의 설계강도를 결정한다.

가설 설정

∙기능수행 수준은 설계지진과 응답수정계수의 비로 결정된다. 교량 ①과 같이 응답수정계수가 작으면 기능수행수준은 높아진다.
이와 관련된 국내연구는 콘크리트 압축강도 및 철근 항복강도를 측정하여 수행한 철근콘크리트 교각의 초과강도계수에 관한 연구(이재훈 등, 2005)가 있으나 아직 설계기준으로 제시되어 있지 않다. 이 연구에서는 다음과 같이 항복강도 분포를 가정하였다.
일반교량의 내진설계조건으로는 지진구역Ⅰ에 의한 구역계수 0.11, 내진Ⅰ등급교(재현주기 1000년의 설계지진)에 대한 위험도 계수 1.4를 가정하여 가속도계수(A) 0.154를 적용하였다. 지반조건은 매우 조밀한 토사지반 또는 연암지반(지반종류Ⅱ)을 가정하여 지반계수(S) 1.
154를 적용하였다. 지반조건은 매우 조밀한 토사지반 또는 연암지반(지반종류Ⅱ)을 가정하여 지반계수(S) 1.2를 적용하였다.

제안 방법

따라서 강재받침의 실제 배치 b)를 c)와 같이 모델링하였다. 강재받침 기능의 모델링은 동일한 위치에서 연결되는 상/하부구조에 연결된 무한강성요소 절점에 두 개의 절점번호를 부여하고 가동방향은 힘이 전달되지 않도록 하였다. 교각기둥의 하부(기초)는 지반계수를 반영하였으므로 고정지점으로 경계조건을 설정하였다.
강재받침의 항복강도 분포는 해석대상 교량과 동일하며 설계변경 교량 교각기둥의 항복강도 분포는 P-M상관도에서 설계강도 8720kN·m, 공칭강도 10880kN·m, 초과강도 14110 kN·m를 산정하였다(축력:5331kN≃544tonf).
강재받침 기능의 모델링은 동일한 위치에서 연결되는 상/하부구조에 연결된 무한강성요소 절점에 두 개의 절점번호를 부여하고 가동방향은 힘이 전달되지 않도록 하였다. 교각기둥의 하부(기초)는 지반계수를 반영하였으므로 고정지점으로 경계조건을 설정하였다.
내진해석 방법으로는 도로교설계기준에 제시되어 있는 응답수정계수를 적용하는 다중모드 응답스펙트럼해석 방법을 사용하였다. 구조 부재의 항복범위를 고려하여 파괴메카니즘을 검토하고 연성파괴메카니즘을 확보하기 위한 연결부분과 교각기둥의 설계 강도를 제시하였다. 이 연구의 결과는 다음과 같이 요약할 수 있다.
스펙트럼해석으로 구한 교축방향과 교축직각방향에 의한 직교지진력은 하중경우 1(교축방향 100%+교축직각방향 30%)과 하중경우 2(교축방향 30%+교축직각방향 100%)를 구성하고 사하중을 고려하여 하중조합 1(Load Case 1: 이하 LC1)과 하중조합(Load Case 2: 이하 LC2)를 제시하였다. 강재받침과 교각기둥에서 직교방향으로 산정한 단면력은 두부재 모두 원형단면이므로 표 1에 제시한 바와 같이 제곱합평방근법으로 합력을 구하였다.
즉 교각기둥에 걸리는 축력과 P-M상관도(그림 2)는 하부구조의 강성을 감소하는 설계변경을 수행하면 지진력을 감소할 수 있다는 것을 제시하고 있다. 이 연구에서는 해석대상 교량의 다주교각을 그림 3과 같이 교각기둥의 크기를 변경하지 않고 단주로 변경(이하 설계변경 교량)하여 파괴메카니즘과 내진성능을 비교/검토하였다. 이러한 설계변경의 의도는 하부구조 즉, 교각의 교축 및 교축직각방향의 강성을 감소하여 상부구조에 전달되는 지진하중을 감소하고자 한 것이다.
표 2에 제시한 바와 같이 강재받침의 설계강도는 제작사가 제시한 설계강도 710kN으로부터 공칭강도 880kN 및 초과강도 1060kN을 산정하였고, Φ1.8m 교각기둥의 설계강도는 P-M상관도(그림 2)에서 설계강도 8830kN·m, 공칭강도 10410kN·m 및 초과강도 13500kN·m를 산정하였다(축력:2217kN≃226tonf).

대상 데이터

내진해석 모델링 e)는 구조해석 프로그램 Midas/Civil(Midas IT, 2001)을 사용하여 다음과 같이 구성하였다. 상판은 플레이트 요소를 사용하고 강상자형, 크로스빔, 캡빔 및 교각기둥은 보요소를 사용하였다. 강상자형 보요소의 절점과 강재받침 위치 절점의 연결요소 및 강재받침 위치 절점과 캡빔 보요소의 해당 절점과의 연결요소는 무한 강성요소를 사용하였다.

이론/모형

스펙트럼해석으로 구한 교축방향과 교축직각방향에 의한 직교지진력은 하중경우 1(교축방향 100%+교축직각방향 30%)과 하중경우 2(교축방향 30%+교축직각방향 100%)를 구성하고 사하중을 고려하여 하중조합 1(Load Case 1: 이하 LC1)과 하중조합(Load Case 2: 이하 LC2)를 제시하였다. 강재받침과 교각기둥에서 직교방향으로 산정한 단면력은 두부재 모두 원형단면이므로 표 1에 제시한 바와 같이 제곱합평방근법으로 합력을 구하였다.
이 연구에서는 일반교량을 해석대상 교량으로 선정하고, 내진설계에서 목적하는 연성파괴메카니즘을 확보하기 위한 기본설계 단계에서의 설계과정을 제시하였다. 내진해석 방법으로는 도로교설계기준에 제시되어 있는 응답수정계수를 적용하는 다중모드 응답스펙트럼해석 방법을 사용하였다. 구조 부재의 항복범위를 고려하여 파괴메카니즘을 검토하고 연성파괴메카니즘을 확보하기 위한 연결부분과 교각기둥의 설계 강도를 제시하였다.
연성파괴메카니즘을 검토/확보하기 위한 해석방법으로 도로교설계기준 내진설계편에 제시되어 있는 응답수정계수를 적용하는 다중모드 스펙트럼해석법을 사용하였으며 50개의 모드를 고려하였다. 모드해석 결과 교축방향 최저차모드의 주기는 0.

성능/효과

(2) 도로교설계기준에 제시된 응답수정계수를 적용하는 스펙트럼해석 방법은 간편법으로 연결부분과 하부구조에서 산정되는 설계지진력을 만족하는 것만으로는 연성파괴메카니즘을 보장할 수 없다. 그러므로 구조 부재의 항복범위를 고려한 파괴메카니즘의 검토는 반드시 수행하여야 한다.
(3) 내진설계의 결과로 산정되는 기능수행수준은 하부구조 강성의 변경에 의해 정해진다. 일반적으로 하부구조 강성이 감소하면 기능수행 수준은 낮아지므로 교량의 중요도에 따라 이를 감안하여 설계에 반영하여야 한다.
각 조합의 설계지진력은 고정단이 위치한 교각 P1에서 결정되었고, 강재받침의 설계지진력은 LC2, 교각기둥의 설계지진력은 LC1에서 제시된다는 것을 알 수 있다.
강재받침과 교각기둥의 강도/작용력 비를 산정한 결과는 표 5와 같고 LC1과 LC2 모두 연성파괴메카니즘을 만족하고 있는 것을 확인할 수 있다. 강재받침의 설계강도는 LC1의 경우 323kN(=530kN×0.
강재받침의 설계강도는 LC1의 경우 323kN(=530kN×0.61), LC2의 경우 630kN(=460kN×1.37), 즉 630kN이 요구되므로 타설계에서 결정한 강재받침의 설계강도 710kN으로 충분하다는 것을 알 수 있다.
또한 해석대상 교량과 마찬가지로 설계변경 교량의 경우도 강재받침의 수평강도가 설계지진력 530kN을 만족하는 것으로는 연성파괴메카니즘이 확보되지 않는다는 것을 확인할 수 있다.
연성파괴메카니즘을 검토/확보하기 위한 해석방법으로 도로교설계기준 내진설계편에 제시되어 있는 응답수정계수를 적용하는 다중모드 스펙트럼해석법을 사용하였으며 50개의 모드를 고려하였다. 모드해석 결과 교축방향 최저차모드의 주기는 0.83초, 탄성지진응답계수 C_s는 0.25, 질량기여도는 86.0%이고, 교축직각방향 최저차모드의 주기는 0.31초, 탄성지진응답계수 C_s는 0.385, 질량기여도는 79.8%로 산정되었다.
설계변경 교량의 모드해석 결과 교축방향 최저차모드의 주기는 1.17초 탄성지진응답계수는 0.19, 질량기여도는 89.9%이고, 교축직각방향 최저차모드의 주기는 0.59초, 탄성지진응답계수는 0.32, 질량기여도는 73.6%로 산정되었다. 이와 같이 해석대상 교량의 하부구조 설계변경에 의해 최저차모드의 주기는 증가하고 탄성지진응답계수는 약 20%의 감소로 나타난다.
하부구조 강성의 감소로 교각기둥에서 산정된 모멘트 설계지진력(LC1: 7709 kN·m)과 교각기둥의 설계강도(8720kN·m)와의 차이가 현격하게 줄었음을 확인할 수 있다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	내진설계에서 설계자가 제시해야하는 것은?	내진설계에서 설계자가 제시해야 하는 사항은 구조물의 항복과정이 원칙적으로 연성파괴메카니즘으로 구성되는 것이다. 일반교량의 연성파괴메카니즘은 연결부분과 교각기둥 두 구조부재 중 교각기둥이 먼저 항복하도록 설계되어야 한다.
	국내 일반교량의 연성파괴메카니즘이 확보되기 어려운 이유는?	일반교량의 연성파괴메카니즘은 연결부분과 교각기둥 두 구조부재 중 교각기둥이 먼저 항복하도록 설계되어야 한다. 그러나 불필요하게 강성이 큰 하부구조가 사용되는 국내의 설계관행에 의해 지진하중은 크게 발생하게 되므로 연성파괴메카니즘을 확보하기가 어렵다. 이러한 문제는 내진설계가 기본설계 단계에서 수행되지 않아 발생한다.
	일반교량의 연성파괴메카니즘은 어떻게 설계되어야 하는가?	내진설계에서 설계자가 제시해야 하는 사항은 구조물의 항복과정이 원칙적으로 연성파괴메카니즘으로 구성되는 것이다. 일반교량의 연성파괴메카니즘은 연결부분과 교각기둥 두 구조부재 중 교각기둥이 먼저 항복하도록 설계되어야 한다. 그러나 불필요하게 강성이 큰 하부구조가 사용되는 국내의 설계관행에 의해 지진하중은 크게 발생하게 되므로 연성파괴메카니즘을 확보하기가 어렵다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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