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[국내논문] 3차원 해석 모델을 이용한 RC 프레임 구조물의 지진 취약도 평가
Seismic Vulnerability Assessment of RC Frame Structures Using 3D Analytical Models 원문보기

한국산학기술학회논문지 = Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, v.17 no.9, 2016년, pp.724 - 731  

문도수 (울산과학기술원 도시환경공학부) ,  이영주 (울산과학기술원 도시환경공학부) ,  이상목 (울산과학기술원 도시환경공학부)

초록
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지진으로 인한 구조물의 피해가 지속적으로 증가하면서, 구조물의 취약성을 평가하는 일은 지진 대비에 필수적으로 여겨지고 있다. 지진 취약도 곡선은 지진에 대한 구조물의 안전도에 대한 확률 지표로써 널리 이용되고 있으며, 많은 연구자들에 의해 보다 정확하고 효율적인 취약도 곡선 도출을 위한 노력이 계속되고 있다. 하지만 기존의 대부분의 연구에서는 취약도 곡선 도출시 수치해석 시간 절약을 위해 단순화된 2차원 해석모델을 사용해 왔는데, 많은 경우에 있어 2차원 모델은 정확한 구조물의 내진 거동 및 지진 취약성을 평가하기에 적당하지 않을 수 있다. 이에 본 연구에서는 3차원 해석 모델을 사용하여 더욱 정확하면서도 여전히 효과적으로 지진 취약도 곡선을 도출할 수 있는 방법을 제시한다. 이 방법은 신뢰성 해석 소프트웨어인 FERUM과 구조해석 소프트웨어인 ZEUS-NL을 서로 연동시켜 상호 자동적인 데이터 교환이 가능하게 하고, 샘플링 기법이 아닌 FORM 해석 기법을 통해 구조물의 파괴확률을 구한다. 이는 3차원 모델을 사용의 경우에도 효율적으로 구조 신뢰성 해석이 가능하게 해준다. 이를 이용해 RC 프레임 구조물의 3차원 해석 모델을 사용하여 지진 취약성 평가를 수행하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

As the structural damage caused by earthquakes has been gradually increasing, estimating the seismic fragility of structures has become essential for earthquake preparation. Seismic fragility curves are widely used as a probabilistic indicator of structural safety against earthquakes, and many resea...

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

  • 이에 본 연구에서는 3차원 구조해석 모델을 이용함으로써 보다 정교하게 구조물의 내진거동을 평가할 수 있으면서, 상대적으로 낮은 수준의 파괴 확률을 가지는 구조물에 대해서도 매우 정확한 지진 취약도 곡선을 효율적으로 얻을 수 있는 기법을 도입하였다. 기존 연구들에서는 주로 2차원 구조해석 모델을 바탕으로 한 샘플링 기반 기법이 사용된 반면, 이 기법에서는 구조해석으로 3차원 해석 모델을 이용한 비선형 시간 이력 해석 (nonlinear response history analysis)을 수행하면서, 이를 바탕으로 샘플링을 활용하지 않는 대표적인 확률기반 신뢰성 해석 기법인 FORM(First Order Reliability Method)[4]
  • 본 연구에서는 3차원 구조물에 대한 정확하고 효율적인 지진 취약도 평가를 위해 대표적인 신뢰성 해석 소프트웨어인 FERUM, 내진 해석에 특화되어 있는 비선형 구조해석 소프트웨어인 ZEUS-NL, 그리고 이들 소프트웨어들을 연결시켜 주는 인터페이스인 FERUM-ZEUS을 활용하여 지진 취약도 곡선을 도출하는 방법이 제시되었다. 이 방법을 통해 3차원 해석 모델을 사용하면서도 효율적으로 지진 취약도 곡선을 성공적으로 도출할 수 있었다.

가설 설정

  • 총 48개의 기둥 부재와 72개의 보 부재로 구성되어 있으며, 기둥과 보 부재는 각각 6개와 7개의 요소로 모델링 되었다. 집중질량은 각 절점에 위치하는 것으로 가정하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
3차원 구조물의 지진 취약성 평가를 위해 2차원 구조해석 모델을 구축하고 지진 취약도 곡선을 도출하는 방법의 문제점은? 하지만 이러한 방법에는 다음과 같은 문제점이 존재할 수 있다. 우선 시뮬레이션 비용 절감을 위해 단순화한 2차원 구조해석 모델으로는, 구조물의 형태가 정형이 아니거나 면외방향 지진하중의 효과까지 고려한 해석을 해야 하는 경우들을 포함한 다양한 경우의 구조물에 대해서, 정확한 지진 취약성 평가가 어렵다. 다음으로는 몬테카를로 시뮬레이션과 같은 샘플링 기반의 기법들은 신뢰할만한 결과를 얻기 위해서 굉장히 많은 수의 샘플과 그에 따른 구조해석을 요구하기 때문에, 낮은 수준의 파괴 확률들에 대해서는 상당한 수의 샘플로도 결과의 신뢰도가 떨어지게 된다[3].
샘플링 기반의 해석 방법의 특징은? 신뢰성 해석 기법들은 크게 두 종류로 나누어질 수 있는데, 몬테카를로 시뮬레이션과 같은 샘플링 기반의 기법과 FORM과 같은 해석적 기법이 그것이다[4]. 샘플링 기반의 해석 방법은 신뢰할 만한 결과를 얻기 위해서 많은 샘플을 필요로 하며, 낮은 파괴 확률에 대해서는 해석 결과의 신뢰도가 떨어질 수 있다. 따라서 본 연구에서는 해석의 효율성과 결과의 신뢰성을 높이기 위해 해석적 방법인 FORM을 사용하였다.
지진 취약도 곡선은 어떻게 얻어지는가? 이러한 노력들에 있어 구조물의 상대적인 내진성능을 확률적으로 보여주는 지진 취약도 곡선은 다양한 구조물의 지진 취약도 평가를 수행하는데 매우 유용하게 활용되고 있다. 지진 취약도 곡선은 구조물의 성능에 영향을 미치는 여러 가지 불확실성 요소를 고려하여 다양한 지진 강도에 대하여 구조물이 정해진 수준 이상의 피해를 입을 확률을 계산하여 얻어진다[2]. 이를 위한 구조신뢰성 해석은 그 특성상 반복적인 구조해석을 필요로 하게 되는데, 구조해석에 비교적 오랜 시간이 소요되는 3차원 구조물의 경우 수치해석 시간을 줄이기 위해 2차원으로 단순화된 모델을 사용하여 지진 취약도 곡선을 구하고 있다.
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참고문헌 (13)

  1. C.S. Chung, "Structural integrity evaluation of nuclear seismic category IIA 2" globe valve for seismic loads", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.9, No.6, pp.1500-1505, 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2008.9.6.1500 

  2. S. Jeong and A.S. Elnashai, "Probabilistic fragility analysis parameterized by fundamental response quantities", Engineering Structures, Vol.29, pp. 1238-1251, 2007. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2006.06.026 

  3. D.S. Moon and Y.J. Lee, "A new methodology of the development of seismic fragility curves", Smart Structures and Systems, Vol.14, No.5 pp. 847-867, 2014. DOI: http://dx.doi.org/10.12989/sss.2014.14.5.847 

  4. A. Der Kiureghian. Fisrt-and second-order reliability methods. chap.14, CRC press, Boca Raton, FL, USA, 2005. 

  5. T. Haukaas, "Finite element reliability and sensitivity methods for performance-based engineering", Ph.D. Dissertation, University of California, Berkeley, CA, USA, 2003. 

  6. A.S. Elnashai, V.K. Papanikolaou and D. Lee. ZEUS NL-A System for Inelastic Analysis of Structures, User's manual, Mid-America Earthquake (MAE) Center, Department of Civil and Environmental Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL, USA, 2010. 

  7. A. Der Kiureghian and R.L. Taylor, "Numerical methods in structural reliability", Proc. of the 4th International Conference on Applications of Statistics and Probability in Civil Engineering (ICASP4), June, 1983. 

  8. P.L. Liu, H.Z. Lin, A. Der Kiureghian. CalREL User Manual. Report No. UCB/SEMM-89/18, University of California, Berkeley, CA, USA, 1989. 

  9. SwRI. NESSUS (ver 9.6), Southwest Reserch Institute, 2011[cited 2016 June 1], Available from: http://www.nessus.swri.org. 

  10. Y.J. Lee, J. Song and E.J. Tuegel, "Finite element system reliability analysis of a wing torque box", Proc. of the 10th AIAA Nondeterministic Approaches Conference, Schaumburg, IL, April, 2008. DOI: http://dx.doi.org/10.2514/6.2008-1718 

  11. W.H. Kang, Y.J. Lee, J. Song and B. Gencturk, "Further development of matrix-based system reliability method and applications to structural systems", Struct. Infrastruct. E., Vol.8, No.5, pp. 441-457, 2012. 

  12. H. Kim and S.-H. Sim, "Flood fragility analysis of bridge piers in consideration of debris impacts", Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.17, No.5, pp.325-331, 2016. DOI: http://dx.doi.org/10.5762/KAIS.2016.17.5.325 

  13. O.S. Kwon and A.S. Elnashai, "The effect of material and ground motion uncertainty on the seismic vulnerability curves of RC structure", Engineering Structures, Vol.28, No.2, pp. 289-303, 2006. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/j.engstruct.2005.07.010 

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