[논문]경주지진에 의한 곡선교량의 내진 안전성 평가

Jeon, Jun-Tai

doi:10.15683/kosdi.2018.03.31.43

경주지진에 의한 곡선교량의 내진 안전성 평가
Seismic Performance Evaluation of Curved Bridges by Gyeong-Ju Earthquakes 원문보기

한국재난정보학회논문집 = Journal of the Society of Disaster Information, v.14 no.1 = no.39, 2018년, pp.43 - 50

Jeon, Jun-Tai (Department of Civil & Environmental Engineering, INHA Technical Colege)

초록
AI-Helper

본 연구에서는 곡선형 보의 선형탄성 3D Solid 유한요소 모델을 구축하고 외력이 작용하였을 때 유한요소 해석을 수행하였다. 유한요소 해석결과와 이론해 결과의 오차는 대부분의 위치에서 1% 내외로 발생하는 것으로 보아 이론해와 잘 부합한다고 판단된다. 검증된 유한요소 모델을 이용하여 시간이력해석을 수행하였으며 시간이력해석결과 경주 지진파 적용 시 가장 작은 결과가 나타났으며 이는 경주 지진파의 특성이 고주파 성분의 영역의 특성을 보이기 때문이다. 또한 곡선형 보의 곡률중심을 $45^{\circ}$로 감소시켜 동적 해석을 수행하였을 때 Lomaprieta 지진파의 Von-Mises 결과가 647.824MPa로 가장 큰 것으로 나타났다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study presented 3D Finite Element (FE) analysis of curved beam structures subjected to static and dynamic loading conditions, which is particularly strong ground motions. It was shown that the results obtained from 3D FE analyses was similar to the theoretical solution within 1% convergency error, in order to validate the 3D solid FE models in this study. In particular, it was focusing on development of dynamic characteristics of curved beam structures subjected to three-different seismic ground motions: GyeongJu, Lomaprieta and Northridge earthquakes. Consequently, It was interesting to find that the results obtained from GyeongJu earthquake was detuned due to high frequency effect, but the Von-Mises of the curved beam structure under Lomaprieta earthquake was 647.824 MPa at 45 curvature degree.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

(5) 추후 연구에서는 곡선보의 단면 형상 및 곡률을 변화시킨 선형탄성 유한요소 모델을 구축 하고 이를 통해 곡선 보의 정적, 동적 거동 특성을 분석하고자 한다. 또한 지진파의 불확실성을 고려하여 확률론적 안전성 평가인 취약도 평가를 진행하고자한다.
본 연구에서는 곡선보의 동적거동 분석을 위해 선형 탄성 유한요소소 모델을 구축하였으며 곡선보의 곡률변화에 따른 동적 거동을 분석하였다.

제안 방법

곡선형 보의 시간이력 해석을 수행하기에 앞서 구축된 곡선보 유한요소 모델의 동적 거동 특성을 파악하기 위해 고유치해석을 수행하였다. Fig.
따라서 본 연구에서는 상용구조해석 프로그램인 ABAQUS, ANSYS, MIDAS를 이용하여 곡선형 보의 3차원 Solid 요소를 활용한 선형탄성 유한요소 모델을 구축하고 유한요소 해석결과와 이론해의 비교를 통해 유한요소 모델을 검증하였다.
또한 검증된 유한요소 모델에 지진파를 적용한 시간이력해석을 수행하여 동적거동을 분석하였으며 나아가 중심각을 45°로 감소시켜 중심각 변화에 따른 곡선형 보의 동적 거동의 변화를 분석하여 내진안전성을 평가하였다.
본 연구에서는 상용구조해석 프로그램인 ABAQUS, ANSYS, MIDAS를 이용하여 단면은 0,1524m × 0,1524m의 정사각형 단면이며 곡률반경 R = 48.768m, 중심각 θ = 180° 인 반원의 곡선형 보를 3D Solid Element를 적용한 선형 탄성 유한요소 모델을 구축하였다.
본 절에서는 곡선보의 중심각을 45° 로 변화시켜 곡률 변화에 따른 동적 거동의 변화를 분석하였다.
곡선형 보의 해석방법은 휨, 비틀림, 뒤틀림의 거동에 기초를 두고 있다. 본 절에서는 곡선형 보에 임의의 외력이 작용하였을 때 발생할 수 있는 모든 내력을 방향성분에 따라 분류하고 평형방정식을 유도하고 이에 따라 내력과 외력의 관계식을 도출한다. (Lee, W.
외력이 작용했을 때 곡선형 보의 정적거동을 평가하기 위해 하중은 반원의 중심에서 4.448N을 적용하였고 곡선형 보의 양 끝단인 0°와 180° 위치를 고정단으로 정의하여 정적해석을 수행하였다.
이론해 및 유한요소 해석의 0° , 22.5° , 45° , 67.5° , 90° 인 위치에서 y축 방향 모멘트 결과를 비교하여 구축된 유한요소 모델을 검증하였다.
중심각이 180° 일 때를 Case 1, 45° 일 때를 Case 2로 정의하였으며 곡선보의 길이 방향의 중심에서 Von-Mises 응력값을 비교하였다.
5는 각 지진파의 시간이력에 대한 가속도를 보여 주고 있다. 지진파의 방향은 곡선교량의 수평 성분과 직각인 곡선보의 양끝 지점 Z축 방향으로 적용하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 곡선보의 지진에 의한 동적 거동을 분석하기 위해 Northridge, Lomaprieta, Gyeong-Ju 지진파를 적용하였으며, Fig. 5는 각 지진파의 시간이력에 대한 가속도를 보여 주고 있다. 지진파의 방향은 곡선교량의 수평 성분과 직각인 곡선보의 양끝 지점 Z축 방향으로 적용하였다.

성능/효과

(1) 곡선보의 검증을 위해 외력이 적용하여 유한요소 해석을 수행하여 발생된 모멘트와 정밀해로 계산된 모멘트를 비교하였으며 대체적으로 오차가 1% 미만으로 적합한 것으로 판단된다.
(2) 곡선보에 지진파를 적용하여 시간이력 해석을 수행하였을 때 Northridge 지진파에서 가장 큰 변위 및 응력 값이 나타났다. 곡선보의 대부분의 질량 참여가 1Hz 미만의 영역에서 발생하는 것으로 나타났고 Northridge 지진파의 1Hz 미만의 영역에서 가속도가 크기 때문에 변위 및 응력 응답이 가장 큰 것으로 판단된다.
(3) Lomaprieta 지진파 적용 시 곡선형 보의 중심각이 180° 에서 90° 로 감소하였을 때 Von-Mises 응력이 약 14.9배의 증가하는 것으로 나타났으며 이는 중심각이 변화하면서 곡선형 보의 동적 거동 특성이 변화하였고 이에 따라 Lomaprieta 지진파의 주파수 영역과 맞물려 큰 결과 값이 나타나는 것으로 판단된다.
(4) Gyeong-Ju 지진파 적용 시 중심각이 180°일 때 다른 지진파에 비해 굉장히 작은 변위 및 Von-Mises 응력이 발생하였는데 이는 Gyeong-Ju 지진파 경우 고주파 특성을 보이고 있고 곡선형 보의 고유진동수 영역은 1Hz 미만에 분포하고 있어 작게 나타난 것으로 판단된다.
4는 각 Platform에 따른 Mode별 고유진동수와 축방향 별 Effective Mass를 정리하여 나타내었다. X축 방향의 질량 참여율은 2차 모드에서 전체 질량의 약 69%로 가장 크게 나타났으며 이때 고유진동수는 6.6266E-02Hz로 나타났다. Y축은 1차 모드에서 약 68%의 질량참여율이 나타났으며 이때 고유진동수는 2.
유한요소 해석결과 ABAQUS Platform의 경우 각도가 0°인 위치에서 24.177 N-m, 90° 인 위치에서 32.735N-m의 모멘트가 발생하는 것으로 나타났으며 이론해와 비교하였을 때 각도가 67.5° 인 위치에서 3.089%의 오차로 가장 큰 오차가 발생하였지만 67.5° 를 제외한 위치에서 1% 내외의 오차가 발생한 것으로 보아 이론해의 결과와 잘 부합한다고 판단된다.
중심각이 180° 일 때를 Case 1, 45° 일 때를 Case 2로 정의하였으며 곡선보의 길이 방향의 중심에서 Von-Mises 응력값을 비교하였다. 해석결과 Gyeong-Ju 지진파 적용 시 0.165MPa에서 15.689MPa로 가장 큰 변화가 나타나는 것으로 보이며 Lomaprieta 지진파 적용 시 647.824MPa로 가장 큰 응력 값이 나타났다. Table 4에서 Table 6은 각 지진파 적용에 따른 결과를 Table로 정리하였다.

후속연구

(5) 추후 연구에서는 곡선보의 단면 형상 및 곡률을 변화시킨 선형탄성 유한요소 모델을 구축 하고 이를 통해 곡선 보의 정적, 동적 거동 특성을 분석하고자 한다. 또한 지진파의 불확실성을 고려하여 확률론적 안전성 평가인 취약도 평가를 진행하고자한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	직선형 교량이 아닌 곡선형 교량을 건설하는 주된 이유는 무엇인가?	현대사회는 급격한 산업화로 인해 물류와 인적자원의 신속한 이동을 위해 교통망이 중요하며 특히 교량의 경우 우리나라와 같이 산악지역이 많은 곳에서는 도시와 도시를 잇는 중요한 교통망 중의 하나이다. 교량은 공간적, 경제적 제약조건으로 인해 직선형 교량이 아닌 곡선형 교량을 건설하는 경우가 많이 있고 심미적인 아름다움을 추구하기 위해서 건설되기도 한다.
	곡선형 보의 해석방법은?	곡선형 보의 해석방법은 휨, 비틀림, 뒤틀림의 거동에 기초를 두고 있다. 본 절에서는 곡선형 보에 임의의 외력이 작용하였을 때 발생할 수 있는 모든 내력을 방향성분에 따라 분류하고 평형방정식을 유도하고 이에 따라 내력과 외력의 관계식을 도출한다.
	곡선형 교량의 다양한 해석법 및 유한요소 해석을 위한 연구중 Kim, K. S. et al.(2015)는 무엇을 제안하였는가?	et al.(2015)은 곡률변화와 교좌장치의 배치형식에 따른 거동을 분석하여 곡률 변화에 따른 지점의 부반력 크기를 예측하는 산정식을 제안하였다. Pack, N.

참고문헌 (13)

ABAQU S Ver. 2017, Dassault Systems.
MIDAS Civil 2017 Ver. 1.6, MIDAS Information Technology.
ANSYS Workbench Ver. 18.0,
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Choi, M. S., Yeo, D. J. (2017). "Free Vibration Analysis of Curved Beams Regarded as Discrete System Using Finite Element-Transfer Stiffness Coefficient Method." Journal of the Korea society for power system engineering, Vol. 21, No. 11, pp. 37-42.

원문보기 상세보기
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Yoon, H. T., Kim, M. Y., Kim, Y. K. (2003). " Exact Static Element Stiffness Matrices of Non-symmetric Thin-walled Curved Beams." Journal of The Korean Society of Civil Engineers, Vol. 23, No. 4, pp. 753-764.
JEON, J. T., Jung, W. Y., Ju, B. S. (2014) "Evaluation of Seismic Performance of 3-Story Fire Protection Sprinkler Piping System." Journal of The Korean Society of Disaster Information, Vol. 10, No.3, pp. 458-464

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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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