[논문]변위 비교를 통한 케이블지지교량의 긴급 지진 안전성 평가 방법의 고찰

박성우; 이승한

doi:10.11112/jksmi.2018.22.6.114

변위 비교를 통한 케이블지지교량의 긴급 지진 안전성 평가 방법의 고찰
Study on the Emergency Assessment about Seismic Safety of Cable-supported Bridges using the Comparison of Displacement due to Earthquake with Disaster Management Criteria 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.22 no.6, 2018년, pp.114 - 122

박성우 (한국시설안전공단 특수교관리센터) , 이승한 (한국시설안전공단 국가내진센터)

초록
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이 연구에서는 사장교 및 현수교에 부착된 지진가속도계측기를 활용하여 교량의 안전성을 긴급하게 평가할 수 있는 기법을 제안한다. 실측된 지진가속도계측기의 상시 응답을 이용하여 구조해석 모델의 고유주파수와 비교를 통해 최대한 유사한 동적특성을 갖도록 모델링을 개선한다. 설계지진에 대한 지진해석을 수행하여 지진가속도계측기 설치 위치별 최대 변위를 도출하며, 도출된 변위는 사전에 관리기준치로서 시스템에 기 입력된다. 지진발생 시 실시간으로 측정된 가속도 시간이력을 필터링 후 2중적분을 통해 변위시간이력으로 변환한 뒤 최대 변위를 추출한다. 최종적으로 시스템에 기 입력된 관리기준치와 추출된 변위와의 비교를 통해 안전성을 평가한다. 경주지진 시 기록된 데이터를 활용한 12개 특수교량의 긴급 안전성평가 수행을 통해 제안된 방법의 적용성을 확인한다.

Abstract ▼ AI-Helper

This study presents the emergency assessment method about seismic safety of cable-supported bridges using seismic acceleration sensors installed on the primary structural elements of them. The structural models of bridges are updated iteratively to make their dynamic characteristics to be similar to those of real bridges based on the comparison of their natural frequencies with those of real bridges estimated from acceleration data measured at ordinary times by the seismic acceleration sensor. The displacement at the location of each seismic acceleration sensor is derived by seismic analysis using design earthquake, and the peak value of them is determined as the disaster management criteria in advance. The displacement time history is calculated by the double integration of the acceleration time history which is recorded at each seismic acceleration sensor and filtered by high cut(low pass) and low cut(high pass) filters. Finally, the seismic safety is evaluated by the comparison of the peak value in calculated displacement time history with the disaster management criteria determined in advance. The applicability of proposed methodology is verified by performing the seismic safety assessment of 12 cable-supported bridges using the acceleration data recorded during Gyeongju earthquake.

주제어

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문제 정의

이 연구에서 제안한 안전성 평가방법의 목적은 다량의 현수교 및 특수교량을 지진관리시스템에서 단시간 내에 평가할 수 있는 기법을 제안하는 것이므로 상세해석보다는 간략한 해석법의 제안에 초점을 두었으며 추가적인 연구를 통해 보다 정밀하고 합리적인 안전성 평가 방법을 도출하고자 한다.
이 연구에서는 사장교 및 현수교에 부착된 지진가속도계를 활용하여 교량의 지진 안전성을 평가할 수 있는 기법을 제안하였다. 제안된 기법은 실측된 지진가속도계의 상시 응답을 이용하여 구조해석 모델의 고유주파수와의 비교를 통해 최대한 유사한 동적특성을 갖도록 모델링을 개선하고, 지진해석을 수행하여 지진가속도계 설치 위치별 최대 변위를 도출하며, 도출된 변위는 사전에 관리기준치로서 시스템에 기 입력된다.
이와 같은 방법은 주탑 뿐만 아니라 보강거더에도 적용 가능하다. 이 연구에서는 이 방법에 대한 구제적인 방안을 검토한다.
이 연구에서는 지진가속도계에 의해 실측된 데이터를 활용하여 교량의 안전성을 평가할 수 있는 다양한 방법들에 대해 논하고, 이를 통해 가장 합리적인 안전성평가 방법을 제안하고자 한다. 이 연구의 목적은 지진발생 시마다 행정안전부로 전송되는 지진가속도계 데이터를 이용하여 교량의 안전여부를 긴급하게 판단할 수 있는 기법을 제안함에 있다.
이 연구에서는 지진가속도계에 의해 실측된 데이터를 활용하여 교량의 안전성을 평가할 수 있는 다양한 방법들에 대해 논하고, 이를 통해 가장 합리적인 안전성평가 방법을 제안하고자 한다. 이 연구의 목적은 지진발생 시마다 행정안전부로 전송되는 지진가속도계 데이터를 이용하여 교량의 안전여부를 긴급하게 판단할 수 있는 기법을 제안함에 있다. 기술자가 직접 데이터를 분석하고 수치해석을 수행하는 등의 일반적인 안전성 검토 절차를 지진발생 직후의 특수교량 안전성 평가에 적용할 경우, 여러 개의 특수교량의 안전여부를 단시간 내에 판단하는 것은 불가능하다.
이상과 같이 이 연구에서는 설계변위와 실측변위의 비교를 통한 긴급 지진 안전성평가 방법의 적용성을 분석하였다. 그러나, 설계변위는 구조물의 이상적인 상태를 가정한 것으로서 각 교량의 부지 특성을 고려한다면 교량의 공용 중에 설계 변위를 초과할 가능성이 거의 없다.

제안 방법

이 때의 해석변위는 보다 정밀한 방법으로 추출할 수도 있으나 이 연구에서는 정형화된 방법을 적용하기 위하여 응답스펙트럼해석을 활용하였다. 각 지진가속도계의 설치 위치별로 추출된 해석변위를 시스템에 입력하고 지진발생 단계마다 입력된 해석변위와 비교토록 하여 안전성 평가를 수행한다.
설계 시 또는 유지관리 목적으로 만든 해석모델을 이용한 모드해석을 실시하여 각 차수별 고유주파수를 추출하고 지진 가속도계의 상시데이터에 대한 각 차수별 고유주파수를 추출하여 상호 비교한다. Fig.
수정된 모델링을 통하여 응답스펙트럼 해석을 수행하고 최대변위를 추출한다. 이 때의 해석변위는 보다 정밀한 방법으로 추출할 수도 있으나 이 연구에서는 정형화된 방법을 적용하기 위하여 응답스펙트럼해석을 활용하였다.
우선 해당 교량에 대한 수치해석 모델을 작성한 뒤 모드분석을 실시하고 지진가속도계의 상시 진동에 의한 FFT를 수행하여 실제 구조물의 주파수 특성과 모델의 주파수 특성이 최대한 일치하도록 모델을 수정한다. 수정된 모델은 실제 동적거동과 유사하다고 보고 설계응답스펙트럼 또는 관리기준으로 적용하고 있는 최대지반가속도에 대한 응답스펙드럼 해석을 실시하여 지진가속도계 설치 위치에서 발생한 최대 변위를 도출한다. 여기까지의 과정은 지진이 발생하기 이전에 미리 결정된 관리기준치로 시스템에 기 입력되며 지진발생 시에는 지진가속도 측정기록을 필터링을 통한 이중적분 등의 기법을 도입하여 변위시간이력을 계산하고 발생된 최대 변위와 기 입력된 관리기준치와의 비교를 통해 안전성 확보 여부를 판정한다.
Table 5의 안전율이 대부분 높게 분석된 이유는 경주지진의 진앙지로부터 비교적 멀리 떨어진 교량의 응답이기 때문이다. 실제 지진의 진앙 기준 세기를 고려하여 분석해보기 위하여 각 교량의 자유장 및 주탑기초의 최대가속도와 설계지진가속도와의 비를 지반가속도에 대한 안전율로 정의하고 주탑의 안전율과 비교 분석하였고, 그 결과는 Table 6에 제시하였다. 자유장 및 교각기초의 설계지반가속도(151gal)에 대한 경주지진 시 계측된 최대가속도의 비는 NH대교 및 SCP대교와 같이 비교적 진앙(경주)과 가까운 교량에서 10.
5에는 앞장에서 논의된 지진 시 발생 변위와 구조해석 모델을 이용하여 구한 변위와의 비교를 통한 안전성평가 절차를 나타내었다. 우선 해당 교량에 대한 수치해석 모델을 작성한 뒤 모드분석을 실시하고 지진가속도계의 상시 진동에 의한 FFT를 수행하여 실제 구조물의 주파수 특성과 모델의 주파수 특성이 최대한 일치하도록 모델을 수정한다. 수정된 모델은 실제 동적거동과 유사하다고 보고 설계응답스펙트럼 또는 관리기준으로 적용하고 있는 최대지반가속도에 대한 응답스펙드럼 해석을 실시하여 지진가속도계 설치 위치에서 발생한 최대 변위를 도출한다.
수정된 모델링을 통하여 응답스펙트럼 해석을 수행하고 최대변위를 추출한다. 이 때의 해석변위는 보다 정밀한 방법으로 추출할 수도 있으나 이 연구에서는 정형화된 방법을 적용하기 위하여 응답스펙트럼해석을 활용하였다. 각 지진가속도계의 설치 위치별로 추출된 해석변위를 시스템에 입력하고 지진발생 단계마다 입력된 해석변위와 비교토록 하여 안전성 평가를 수행한다.
이 연구에서 제안된 방법의 적용성 검토를 위해 실제 경주 지진에 의해 얻어진 데이터를 활용하여 긴급 지진 안전성 검토를 수행하였다. 대상교량은 현수교 2개 교량을 포함한 12개 교량이며 각 교량의 제원은 Table 3에 제시하였다.
, 2010)을 활용하는 방법 등이 있다. 이 연구에서는 원본 가속도데이터를 저주파영역과 고주파영역을 제거하는 bandwidth filtering을 수행한 후 2중 적분을 수행하여 최대변위를 도출하는 방법을 적용하였다. 지진에 대한 각 부재에서의 데이터는 지난 2016년 경주지진에서 얻어진 데이터를 활용하였다.
이 연구에서는 지진가속도계 측정 가속도로부터 주탑 및 보강거더의 안전성을 평가할 있는 방법을 Table 1에 나타낸 것과 같이 크게 3가지로 구분하여 제시한다.
그림에서 10% 내외의 피크치의 차이가 발생하기 때문에 모델과 실제거동과 상이하다 판단할 수 있다. 이를 고려하여 질량, 강성, 경계조건 등의 조건을 조금씩 수정하고 다시 계산하는 작업의 반복을 통하여 실제 모드별 피크치와 최대한 일치하도록 모델을 업데이트한다. 그 결과 Fig 7과 같이 실측고유주파수와 해석 고유주파수가 거의 일치하는 모델을 구축할 수 있다.
이 연구에서는 사장교 및 현수교에 부착된 지진가속도계를 활용하여 교량의 지진 안전성을 평가할 수 있는 기법을 제안하였다. 제안된 기법은 실측된 지진가속도계의 상시 응답을 이용하여 구조해석 모델의 고유주파수와의 비교를 통해 최대한 유사한 동적특성을 갖도록 모델링을 개선하고, 지진해석을 수행하여 지진가속도계 설치 위치별 최대 변위를 도출하며, 도출된 변위는 사전에 관리기준치로서 시스템에 기 입력된다. 지진발생 시 실시간으로 측정된 가속도시간이력을 필터링 후 2중적분을 통해 변위시간이력으로 변환한 뒤 최대변위를 추출한다.
제안된 방법의 적용성을 확인하기 위하여 경주지진 시 기록된 데이터를 활용하여 12개 특수교량의 긴급 안전성 평가를 수행하였다. 보강거더에서의 연직방향 응답의 경우 지진 하중 보다는 차량활하중의 영향을 많이 받기 때문에 이 연구에서 제안한 긴급안전성 평가 방법을 적용하기에 적절하지 않은 것으로 분석되었다.
첫 번째 방법은 지진발생 전후의 고유주파수의 변화율을 이용하여 평가하는 것이다. 이 방법은 지진 전에 구조물의 각 모드별 고유주파수를 파악하는 것이 필요하고 지진발생 시 FFT(Fast Fourier Transform)를 통한 주파수분석과 각 모드별 피크(peak)치를 추출하는 과정을 통한 비교가 이루어져야 한다.
지진발생 시 실시간으로 측정된 가속도시간이력을 필터링 후 2중적분을 통해 변위시간이력으로 변환한 뒤 최대변위를 추출한다. 최종적으로 시스템이 기 입력된 관리기준치와의 추출된 변위와의 비교를 통해 안전성을 평가한다.

대상 데이터

이 연구에서 제안된 방법의 적용성 검토를 위해 실제 경주 지진에 의해 얻어진 데이터를 활용하여 긴급 지진 안전성 검토를 수행하였다. 대상교량은 현수교 2개 교량을 포함한 12개 교량이며 각 교량의 제원은 Table 3에 제시하였다. 주탑과 보강거더의 응답스펙트럼 해석결과를 주 경간장 길이와 주탑의 높이별로 도시하여 각각 Fig.
이 연구에서는 원본 가속도데이터를 저주파영역과 고주파영역을 제거하는 bandwidth filtering을 수행한 후 2중 적분을 수행하여 최대변위를 도출하는 방법을 적용하였다. 지진에 대한 각 부재에서의 데이터는 지난 2016년 경주지진에서 얻어진 데이터를 활용하였다. Fig.

성능/효과

보강거더에서의 연직방향 응답의 경우 지진 하중 보다는 차량활하중의 영향을 많이 받기 때문에 이 연구에서 제안한 긴급안전성 평가 방법을 적용하기에 적절하지 않은 것으로 분석되었다. 그러나 주탑의 수직, 수평방향 변위나 보강거더 직각방향 변위의 경우 제안된 방법을 적용할 수 있음을 보였다.
자유장에 설치된 지진가속도계는 구조물과 위치가 이격되어 있어 구조물과 무관하게 지반자체만의 지진동의 크기를 평가할 수 있다는 특징이 있다. 따라서 측정된 최대지반가속도와 설계지반가속도의 단순 비교만으로 구조물의 안전 여부를 판단하는 신속한 안전성 평가가 가능하다. 또한, 입력지진에 대한 응답스펙트럼을 도시한 후 설계응답스펙트럼과의 비교를 통하여 간단하게 안전성 여부를 판단할 수 있다.
3g 이상의 가속도부터 주탑의 crack이 발생함을 확인하였고 주탑의 실물모형 측정 가속도 및 변위가 수치해석 결과와 대체로 일치함을 보였다. 또한, 주탑의 손상이 축적되면 주탑의 강성이 줄어들어 고유주기가 증가하는 양상도 확인하였다. Wang et al.
제안된 방법의 적용성을 확인하기 위하여 경주지진 시 기록된 데이터를 활용하여 12개 특수교량의 긴급 안전성 평가를 수행하였다. 보강거더에서의 연직방향 응답의 경우 지진 하중 보다는 차량활하중의 영향을 많이 받기 때문에 이 연구에서 제안한 긴급안전성 평가 방법을 적용하기에 적절하지 않은 것으로 분석되었다. 그러나 주탑의 수직, 수평방향 변위나 보강거더 직각방향 변위의 경우 제안된 방법을 적용할 수 있음을 보였다.
실제 지진의 진앙 기준 세기를 고려하여 분석해보기 위하여 각 교량의 자유장 및 주탑기초의 최대가속도와 설계지진가속도와의 비를 지반가속도에 대한 안전율로 정의하고 주탑의 안전율과 비교 분석하였고, 그 결과는 Table 6에 제시하였다. 자유장 및 교각기초의 설계지반가속도(151gal)에 대한 경주지진 시 계측된 최대가속도의 비는 NH대교 및 SCP대교와 같이 비교적 진앙(경주)과 가까운 교량에서 10.0 미만의 안전율을 보인 반면에 진앙거리가 긴 대부분의 교량은 10 이상의 안전율을 확보하고 있는 것으로 분석되었다. 반면에 주탑 상부의 경우 일부 교량을 제외하고는 대부분의 교량이 10 이상의 안전율을 확보하고 있고 100을 넘는 경우도 상당수 발견할 수 있다.

후속연구

지진발생 시 긴급 안전성 평가를 통한 실시간 의사결정을 위해서는 모든 절차가 자동화된 시스템이 안전성 평가지표에만 근거하여 즉각적으로 판단 및 의사결정을 할 수 있도록 하는 것이 보다 효과적이라 볼 수 있다. 다시 말하면, 지진발생 시 상황의 긴급성을 고려하여 다소 정밀한 평가가 아닐지라도 계측데이터와 평가지표와의 비교만을 통해 특수교량의 개략적인 안전성 여부를 신속하게 판단할 수 있어야 하며 이를 위한 기법의 제안이 필요하다.
이 방법은 지진 전에 구조물의 각 모드별 고유주파수를 파악하는 것이 필요하고 지진발생 시 FFT(Fast Fourier Transform)를 통한 주파수분석과 각 모드별 피크(peak)치를 추출하는 과정을 통한 비교가 이루어져야 한다. 자동화된 시스템으로 간단하게 적용하기에는 다소간의 오류가 발생할 가능성이 큰데, 이에 대한 평가 방법은 이 연구에서는 다루지 않고 추후 연구를 통해 논의하고자 한다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	자유장에 설치된 지진가속도계의 특징은?	자유장에 설치된 지진가속도계는 구조물과 위치가 이격되어 있어 구조물과 무관하게 지반자체만의 지진동의 크기를 평가할 수 있다는 특징이 있다. 따라서 측정된 최대지반가속도와 설계지반가속도의 단순 비교만으로 구조물의 안전 여부를 판단하는 신속한 안전성 평가가 가능하다.
	지진 안전성에 대한 관심이 증대되는 이유는 무엇인가?	현재 국내에서는 최근의 경주지진 및 포항지진을 계기로 우리나라도 더 이상 지진의 안전지대가 아니라는 인식이 확산되었고, 이와 함께 대형 사회기반시설물, 특히 케이블에 의해 지지되는 현수교 및 사장교와 같은 특수교량의 지진 안전성에 대한 관심이 증대되고 있다. 최근에는 ‘지진가속도계측기 설치 및 운영기준(MOIS, 2017)’에 근거하여 주 경간장 200m 이상의 사장교와 현수교는 지진가속도계측기(seismic acceleration sensor, 이하 지진가속도계)의 설치 및 운영을 의무화하고 있으며, 이에 따라 자유장과 주탑, 보강거더 및 케이블에 지진가속도계를 설치하고, 일정 규모 이상의 지진발생 시 계측 데이터를 즉시 행정안전부로 전송하도록 하고 있다.
	주탑상부의 교축방향의 변위에서 연직방향의 변위가 주 경간장 길이와 큰 관련성을 찾아볼 수 없다고 여기는 이유는 무엇인가?	그러나 연직방향 변위의 경우 주 경간장 길이와의 큰 관련성을 찾아볼 수 없으며 상당수의 교량에서 변위가 거의 발생하지 않음을 확인할 수 있다. 이는 주탑의 변위가 교량의 주경간장 길이 이외에도 주탑의 높이, 교량의 형상 및 경계조건등의 다른 인자에 따라 영향을 받기 때문이며 지진하중을 수평방향(교축방향 및 교축직각방향)만으로 재하하였기 때문에 발생한 결과로 판단된다.

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상세보기
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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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