본 연구에서는 공용 중인 91개 고속철도 터널을 대상으로 단계별 내진성능평가를 실시하여 설계기준에서 제시하는 목표 내진성능 확보여부를 검토하였다. 또한 지진취약도 함수도 함께 개발하여 지진규모에 따른 시설물의 확률론적 피해예측이 가능하도록 하였다. 단계별 내진성능평가는 내진성능 예비평가 및 상세평가 순으로 실시하였으며, 평가결과 대상터널들은 설계기준 수준의 내진성능을 확보하는 것으로 분석되었다. 지진취약도 함수는 최대지반가속도(Peak Ground Acceleration, PGA)를 기준으로 한 대수 정규분포형태로 설정하였으며, 함수도출방법은 설계 PGA수준에 대한 손상발생확률을 이용하여 취약도함수의 모수를 결정하는 방식으로 하였다. 손상발생 검토부재는 라이닝콘크리트로서, 대상터널을 굴착식 터널(NATM 터널) 및 개착식 터널로 구분하여 각각에 대한 손상수준별 지진취약도 함수를 개발하였다. 이번연구에서 도출된 지진취약도 함수와 기존연구결과(FEMA, 2004)와의 비교 분석을 통하여 대상터널의 내진성능확보수준을 평가하였으며, 그 결과 대상터널이 기존연구의 대상인 재래식 터널(American Steel Support Method, ASSM)에 비하여 상대적으로 내진성능이 우수한 것으로 분석되었다.
본 연구에서는 공용 중인 91개 고속철도 터널을 대상으로 단계별 내진성능평가를 실시하여 설계기준에서 제시하는 목표 내진성능 확보여부를 검토하였다. 또한 지진취약도 함수도 함께 개발하여 지진규모에 따른 시설물의 확률론적 피해예측이 가능하도록 하였다. 단계별 내진성능평가는 내진성능 예비평가 및 상세평가 순으로 실시하였으며, 평가결과 대상터널들은 설계기준 수준의 내진성능을 확보하는 것으로 분석되었다. 지진취약도 함수는 최대지반가속도(Peak Ground Acceleration, PGA)를 기준으로 한 대수 정규분포형태로 설정하였으며, 함수도출방법은 설계 PGA수준에 대한 손상발생확률을 이용하여 취약도함수의 모수를 결정하는 방식으로 하였다. 손상발생 검토부재는 라이닝콘크리트로서, 대상터널을 굴착식 터널(NATM 터널) 및 개착식 터널로 구분하여 각각에 대한 손상수준별 지진취약도 함수를 개발하였다. 이번연구에서 도출된 지진취약도 함수와 기존연구결과(FEMA, 2004)와의 비교 분석을 통하여 대상터널의 내진성능확보수준을 평가하였으며, 그 결과 대상터널이 기존연구의 대상인 재래식 터널(American Steel Support Method, ASSM)에 비하여 상대적으로 내진성능이 우수한 것으로 분석되었다.
In this study, the staged seismic performance evaluations were conducted to the 91 high speed railway tunnels in use for checking whether to comply with the recent design criteria or not. In addition, the seismic fragility functions of the tunnels were developed to allow the probabilistic risk asses...
In this study, the staged seismic performance evaluations were conducted to the 91 high speed railway tunnels in use for checking whether to comply with the recent design criteria or not. In addition, the seismic fragility functions of the tunnels were developed to allow the probabilistic risk assessment. The results of the staged seismic performance evaluations which consist of a preliminary assessment and a detailed assessment, show that the tunnels comply with the recent design criteria. With reference to the results of previous studies, a form of the proposed seismic fragility functions was set as a log-normal distribution by PGA, and the parameters of the functions were determined by using the probability of damage for the design PGA level. The seismic fragility functions were developed for each types (Cut & Cover, NATM) of tunnels. The seismic fragility functions from this study and the existing research results (FEMA, 2004) were compared to evaluate the seismic performance level of the tunnels, as a result the tunnels of this study were relatively superior to the ASSM tunnels on the seismic performance.
In this study, the staged seismic performance evaluations were conducted to the 91 high speed railway tunnels in use for checking whether to comply with the recent design criteria or not. In addition, the seismic fragility functions of the tunnels were developed to allow the probabilistic risk assessment. The results of the staged seismic performance evaluations which consist of a preliminary assessment and a detailed assessment, show that the tunnels comply with the recent design criteria. With reference to the results of previous studies, a form of the proposed seismic fragility functions was set as a log-normal distribution by PGA, and the parameters of the functions were determined by using the probability of damage for the design PGA level. The seismic fragility functions were developed for each types (Cut & Cover, NATM) of tunnels. The seismic fragility functions from this study and the existing research results (FEMA, 2004) were compared to evaluate the seismic performance level of the tunnels, as a result the tunnels of this study were relatively superior to the ASSM tunnels on the seismic performance.
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문제 정의
이에 본 논문에서는 경부고속선상에 위치한 터널시설물에 대한 지진취약도 함수를 개발하여 내진성능을 확률론적으로 검토하였다.
즉 지진취약도 분석은 재해시나리오를 단일한 상황으로 가정하는 기존 결정론적 방법(Deterministic Approach)으로는 다양한 요인(구조물, 지역조건 및 지진하중 등)으로부터 발생되는 무작위성 및 불확실성을 고려하지 못하는 단점을 보완하기 위하여 실시된다.
가설 설정
또한 경미한 손상(Slight/Minor Damage, ds2) 및 광범위한 손상(Extensive Damage, ds4)에 대한 안전율 기준은 Argyroudis & Pitilakis(2012)의 연구결과에 따라 각각 1.6 및 0.67로 가정하여 취약도함수를 도출하였다.
(Chi-Square) 검정을 통하여 각 확률분포 모형과 관측데이터(안전율의 히스토그램)와의 적합도를 검정하였다. 적합도 검정 결과 대수정규분포가 3가지 확률분포모형 중에서 관측데이터와의 적합도가 가장 우수한 것으로 분석되어, 본 연구에서는 터널 라이닝 콘크리트의 안전율이 대수정규분포를 따른다고 가정하였다.
제안 방법
즉 기존 연구결과(Kennedy & Ravindra, 1984)를 활용하여 대상시설물에 대한 지진취약도 함수모델을 Eq. (1)과 같이 대수정규분포형태로 가정하였고, 수치해석을 통하여 함수모델의 특성을 결정하는 모수(母數)를 결정하여 취약도함수를 도출한 후, 그를 이용해 PGA 변화에 따른 손상발생확률을 획득할 수 있도록 하였다.
한편 인공지진파는 주기와 위상각, 진폭이 다양한 정현함수와 포락함수를 중첩하여 Eq. (2)와 같은 시간의 함수로 나타낼 수 있으며, 본 연구에서는 관련 설계기준(KR, 2011)을 준용하여, 보통암을 기준으로 하고 지진구역이 I일 경우, 설계지진계수(Ca=0.11, Cv=0.11), 붕괴방지수준 지진에서의 위험도 계수(I=1.4)를 고려하여 설계기준가속도가 0.154 g인 표준설계응답스펙트럼을 생성하여, 이에 부합하는 최대지진가속도(PGA)가 0.154 g이고 지속시간이 20초인 인공지진파를 Earthquake Maker 프로그램을 이용하여 생성하였다.
(2009b)은 기존 내진성능평가 결과를 활용하였으며, 본 연구에서도 동일한 방법으로 Eq. (3)에 의한 평가 부위별 안전율 분석결과(Table 2)를 활용하여 구조물 내진성능에 대한 확률적 정보(손상발생확률)를 획득하였다. 단, 취약도함수를 통한 정밀한 지진피해예측을 위해서는 대상 시설물의 지진응답거동이 유사함과 동시에 지진응답거동평가방법(수치해석방법)이 동일하여야 하므로, 본 연구에서는 27개소 상세평가대상터널 중에 박스형 단면(응답변위법 적용)인 OO터널 외 1개소를 제외한 25개소 아치형터널(시간 이력해석법 적용)의 결과만을 활용하여 지진취약도 함수를 도출할 수 있도록 하였다.
(4)를 통하여 획득한 설계수준의 PGA(a')에 대한 손상발생확률(Probability [Ds>ds │PGA])을 대입함으로써 산정하였다.
내진성능 예비평가 결과(Table 1)로부터 ‘내진보강 핵심(6개소)’ 및 ‘내진보강 중요(20개소)’ 터널과, 공용 중 터널 천장부에서 조사된 종방향 균열로 긴급점검이 이루어진 OO터널(내진보강 관찰) 1개소를 포함하여 27개소에 대하여 내진성능 상세평가를 수행하도록 하였다.
(3)에 의한 평가 부위별 안전율 분석결과(Table 2)를 활용하여 구조물 내진성능에 대한 확률적 정보(손상발생확률)를 획득하였다. 단, 취약도함수를 통한 정밀한 지진피해예측을 위해서는 대상 시설물의 지진응답거동이 유사함과 동시에 지진응답거동평가방법(수치해석방법)이 동일하여야 하므로, 본 연구에서는 27개소 상세평가대상터널 중에 박스형 단면(응답변위법 적용)인 OO터널 외 1개소를 제외한 25개소 아치형터널(시간 이력해석법 적용)의 결과만을 활용하여 지진취약도 함수를 도출할 수 있도록 하였다.
또한 구조물의 지진응답과 관련된 βD는 본 연구의 수치해석 시 획득한 구조물의 지진응답 분포를 통하여 결정하였다.
본 논문에 대상이 되는 경부고속철도 터널과 같이 공용 중인 시설물은 보유내진성능을 평가하기 위하여 기존 시설물(터널) 내진성능 평가요령(이하 ‘관련 요령’)에 따라 단계별 내진성능평가를 실시하여야 한다(MLIT, 2011).
본 연구에서 고려된 확률분포모형으로는 대수정규분포를 포함한 총 3가지(대수정규분포, 감마분포 및 정규분포) 모형이 있으며, χ2(Chi-Square) 검정을 통하여 각 확률분포 모형과 관측데이터(안전율의 히스토그램)와의 적합도를 검정하였다.
본 연구에서 도출된 지진취약도 함수를 활용하여 경부고속선상에 위치한 터널의 내진성능확보수준을 평가하기 위하여, 기존 연구(FEMA, 2004)에서 제시한 지진취약도 함수와 비교･분석을 실시하였다(Table 6 및 Fig. 8).
내진성능상세평가는 예비평가로부터 선정된 대상시설물에 대해서 내진성능을 수치해석적인 방법으로 평가하는 것으로, 부재가 보유하고 있는 내하력(Capacity)과 평가지진에 대해서 각 구성부재에 대한 부재력(Demand)을 비교하여 평가한다. 본 연구에서는 2차원 횡단면 해석을 원칙으로 하였으며, 박스터널과 같은 개착구조물에 대해서는 응답변위법을 적용하고, 그 외의 갱구부 또는 본선부 터널(아치형)에 대해서는 시간이력해석법을 적용하였다.
본 연구에서는 경부고속선상에 위치한 공용 중인 터널시설물을 대상으로 내진성능을 다양한 방법으로 평가･분석하였으며, 주요연구결과를 정리하면 다음과 같다.
본 연구에서는 국내에 지진피해기록이 다양하지 못한 점과 대상으로 하는 구조물이 단일 철도터널이 아닌 경부고속선 전체 터널 군(群)을 대상으로 하므로, 단일 PGA에 대한 수치해석을 통한 취약도함수의 모수(중앙값 및 표준편차)를 결정하는 방식(Kim et al., 2009b)을 적용하여 지진취약도 함수를 개발하였다.
상기에서 기술한 방법으로 굴착식 터널(NATM 터널) 및 개착식터널(Cut & Cover)에 대하여 터널축의 직각방향 즉 횡단면에 대한 안전율을 평가하였으며, Table 2에 각 부재의 최저안전율을 표기하였다.
손상발생확률을 획득하기 위하여 안전율 분석결과를 근거로 히스토그램을 작성하고 그 형상에 가장 적합한 확률분포모형을 결정하도록 하였다(Fig. 5).
특히 시간이력해석법에 의한 아치형터널의 지진응답 해석 시 필요한 다양한 입력변수 중 입력지진파가 해석결과에 가장 큰 영향을 미치는 특성(Jeong & Park, 2009) 및 발생 가능한 지진파의 다양성을 고려하기 위하여 인공지진파 1개와 실지진파 2개를 이용하여 터널축의 직각방향에 대해 안전율을 검토하였다.
대상 데이터
또한 실지진파는 지진응답해석에 널리 쓰이고, 지진기록의 주파수 대역이 비교적 넓은 지진기록인 일본 Miyagiken-oki의 Ofunato항 지진기록 및 일본 Tokachi-oki의 Hachinohe항의 지진기록을 최대가속도가 설계기준가속도(0.154 g)에 부합되도록 크기조정(Scaling)하여 각각의 지진파 특성에 따라 장주기파(Hachinohe)와 단주기파(Ofunato)로 사용하였다(Fig. 4).
이용된 인공지진파는 지반종류, 지진구역, 구조물 중요도에 따라 작성된 설계응답스펙트럼에 의해 합성된 인공지진파 1개와 실지진파 2개를 적용하였다.
성능/효과
(1) 설계기준(MLIT, 2011)에서 제시하는 설계지진가속도 (PGA=0.154 g) 수준에서 대상시설물의 내진성능확보 여부를 검토하기 위하여 단계별 내진성능평가(예비평가 및 상세평가)를 실시하였으며, 그 결과 경부고속철도 터널은 설계목표내진성능을 확보한 것으로 분석되었다.
(2) 내진성능 상세평가 결과인 터널별 안전율을 활용하여 경부고속철도 터널에 대한 터널종류 및 손상수준별 지진취약도 함수를 개발하여 제시함으로써, 지진가속도크기에 따른 확률적 피해예측이 가능토록 하였다.
(3) 굴착방법(굴착식, 개착식)에 따른 터널의 내진성능을 비교ㆍ분석하기 위하여 각각의 지진취약도 함수를 비교ㆍ분석하였으며, 굴착식터널(NATM)의 지진취약도가 개착식터널(Cut & Cover)에 비하여 작은 것으로 나타나 지진에 의한 피해발생 확률이 상대적으로 작은 것으로 분석되었다.
(4) 이번연구를 통하여 도출된 경부고속선상 터널의 지진 취약도 함수와 FEMA(2004)에서 제시한 재래식 터널의 것과 비교ㆍ분석을 통하여 경부고속선상 터널의 내진성능확보수준을 평가하였으며, PGA 1.0 g 기준으로 경부고속선상 터널의 손상발생확률(지진취약도)이 기존연구의 대상인 재래식 터널에 비하여 개착식은 약 71 %, 굴착식은 약 77 % 수준인 것으로 평가되어 상대적으로 우수한 내진성능을 확보한 것으로 확인되었다.
PGA 1.0 g 수준에서 손상발생확률을 비교･분석한 결과, 경부고속선 터널은 기존연구 대상터널에 비하여 개착식은 약 71 %, 굴착식은 약 77 % 수준인 것으로 평가되어, 경부고속선 터널이 상대적으로 지진취약도가 낮은 것으로 분석되었다.
총 91개 대상터널에 대한 일반현황을 분석한 결과 대부분 공용기간이 15년 이하이며, 터널형상은 원형, 마제형, 박스형, 아치형 총 4가지로 분류되고 다양한 연장분포를 나타내었다. 굴착방법은 개착식 및 NATM으로 대별되었고, 모든 터널의 입･출구부는 개착식으로 시공되어있으며, 일부 연장이 긴 터널의 경우 중간개착부도 존재하는 것으로 분석되었다. 또한 진단 및 점검결과에 의한 상태평가 결과가 모두 B등급 이상인 것으로 조사되어 유지관리상태가 대부분 양호한 것으로 분석되었다(Fig.
굴착방법은 개착식 및 NATM으로 대별되었고, 모든 터널의 입･출구부는 개착식으로 시공되어있으며, 일부 연장이 긴 터널의 경우 중간개착부도 존재하는 것으로 분석되었다. 또한 진단 및 점검결과에 의한 상태평가 결과가 모두 B등급 이상인 것으로 조사되어 유지관리상태가 대부분 양호한 것으로 분석되었다(Fig. 2).
총 91개 대상터널에 대한 일반현황을 분석한 결과 대부분 공용기간이 15년 이하이며, 터널형상은 원형, 마제형, 박스형, 아치형 총 4가지로 분류되고 다양한 연장분포를 나타내었다. 굴착방법은 개착식 및 NATM으로 대별되었고, 모든 터널의 입･출구부는 개착식으로 시공되어있으며, 일부 연장이 긴 터널의 경우 중간개착부도 존재하는 것으로 분석되었다.
7과 같다. 터널종류(굴착방법)에 따른 내진성능을 비교･분석하기 위하여 지진취약도 곡선을 함께 도시하였으며, 그 결과 개착식 터널의 지진취약도가 굴착식 터널(NATM 터널)에 비하여 상대적으로 큰 것으로 분석되었다. 이는 굴착식공법(NATM 터널)이 적용된 구간의 주변지반이 개착식 구간의 주변지반인 되메움토사에 비하여 상대적으로 강성이 큰 암반지반에 가까우므로 지진발생 시 지진동 발생이 적고 상대적변위차가 작게 나타냄에 따라 부재에 발생되는 응력이 작기 때문인 것으로 분석되었다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
지진취약도 분석의 목적은?
지진취약도 분석은 PGA 등과 같은 입력지반운동의 변화에 따른 구조요소의 내진성능과 그 불확실성을 평가하여, 다양한 지진재해 발생 경우에 대한 구조물의 물리적 피해정도를 신속하게 예측하기 위함이다.
지진취약도 함수란?
지진취약도 함수는 주어진 지진동 매개변수(Parameter) 의 변화에 대한 분석 대상 구조물에 일정수준의 손상이 발생할 확률(지진취약도)을 함수형태로 표현한 것으로서, 지진에 따른 내진보유성능의 중앙값(Median)과 그 값의 불확실성(Uncertainty) 및 무작위성(Randomness)과 관련된 분산도를 나타내는 대수정규표준편차의 항으로 표현된다.
각 형식별 평가부재와 내진성능검토 기준을 정립한 내용은?
총 91개 대상터널에 대한 일반현황을 분석한 결과 대부분 공용기간이 15년 이하이며, 터널형상은 원형, 마제형, 박스형, 아치형 총 4가지로 분류되고 다양한 연장분포를 나타내었다. 굴착방법은 개착식 및 NATM으로 대별되었고, 모든 터널의 입･출구부는 개착식으로 시공되어있으며, 일부 연장이 긴 터널의 경우 중간개착부도 존재하는 것으로 분석되었다. 또한 진단 및 점검결과에 의한 상태평가 결과가 모두 B등급 이상인 것으로 조사되어 유지관리상태가 대부분 양호한 것으로 분석되었다(Fig. 2).
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