[논문]연약지반에 건설된 단일형 현장타설말뚝 교량의 근단층지반운동에 대한 내진성능

선창호; 안성민; 김정한; 김익현

doi:10.11112/jksmi.2019.23.7.137

연약지반에 건설된 단일형 현장타설말뚝 교량의 근단층지반운동에 대한 내진성능
Seismic Performance of Bridge with Pile Bent Structures in Soft Ground against Near-Fault Ground Motions 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.23 no.7, 2019년, pp.137 - 144

선창호 (울산대학교 건설환경공학부) , 안성민 (건화엔지니어링) , 김정한 (부산대학교 토목공학과) , 김익현 (울산대학교 건설환경공학부)

초록
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근단층 지역에 위치한 교량은 근단층지반운동에 대한 내진안전성을 확보하는 것이 중요하다. 본 연구에서는 연약지반이 두껍고 다양한 지층으로 구성된 지역에 건설되는 단일형 현장타설말뚝 교량의 지진거동특성과 내진안전성을 분석하였다. 근단층지반운동을 생성하고 지반해석을 수행하여 각 지층에서의 지반가속도이력을 산정하였다. 이 가속도이력을 이용하여 각 지층의 지반을 등가스프링으로 모델화하고, 각 지층에서의 가속도시간이력을 입력지반운동으로 하는 다지점 가진 지진해석을 수행하였다. 근단층지반운동의 특성으로 인하여 교량은 탄성영역 내에서 거동하였지만 최대모멘트의 발생 위치 등이 설계지반운동을 고려할 때와는 상이한 특성을 보였다.

Abstract ▼ AI-Helper

For the structures near the seismogenic fault, the evaluation of seismic performance against near-fault ground motions is important as well as for design ground motions. In this study, characteristics of seismic behaviors and seismic performance of the pile-bent bridge constructed on the thick soft soil site with various weak soil layers were analyzed. The input ground motions were synthesized by the directivity pulse parameters for intra-plate regions. The ground motion acceleration histories of each layer were obtained by one-dimensional site response analysis. Each soil layer was modeled by equivalent linear springs, and multi-support excitations with different input ground motions at each soil spring were applied for nonlinear seismic analyses. The analysis result by the near-fault ground motions and ground motions matched to design spectra were compared. In case of the near fault ground motion input, the bridge behaved within the elastic range but the location of the maximum moment occurred was different from the result of design ground motion input.

주제어

표/그림 (19)

그림 Fig. 1 Longitudinal and cross sections of bridge considered
표 Table 1 Characteristics of soil profile
그림 Fig. 2 Locations of fault and bridge
그림 Fig. 3 Modeling of fault rupture plane
그림 Fig. 4 Locations of hypocenters on fault rupture plane
그림 Fig. 5 Acceleration histories and response spectra
그림 Fig. 6 Response acceleration histories at each layer for EQ1
그림 Fig. 7 Distribution of maximum peak ground accelerations at each soil layer
그림 Fig. 8 Fiber model for pile-bent
그림 Fig. 9 Soil spring model and input motions
표 Table 2 Average of soil spring coefficients(unit; kN/m)
그림 Fig.10 Moment response history
그림 Fig.11 Moment-curvature curve
그림 Fig.11 Moment-curvature curve
그림 Fig. 13 Max. shear force
그림 Fig. 14 Shear response history
표 Table 3 Comparison of behavior characteristics between seismic design motion and near-fault ground motion
그림 Fig. 15 Max. displacement response of superstructure
그림 Fig. 16 Displacement response history

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 기존의 연구와 달리 내진설계가 수행된 단일형 현장타설말뚝을 갖는 9경간 연속교를 대상으로 하여 근단층지반운동에 대한 지진거동특성과 내진성능을 분석하였다. 지반의 비선형성을 고려하기 위하여 지반해석을 수행하였으며, 그 결과를 반영하여 지반을 등가선형스프링으로 모델화하였고, 각 지층에서 발생하는 각기 다른 지반운동을 각 지반스프링의 입력운동으로 하여 교량의 다지점 가진 비선형 지진해석을 수행하였다.

가설 설정

단층운동에 의한 지반운동은 단층면의 직각방향이 주된 방향이고, 단층방향으로의 지반운동의 세기는 상대적으로 매우 작다. 대상 교량은 단층 직각방향으로 놓인 것으로 가정하여 입력지반운동은 교축방향으로만 입력하고 교축직각방향으로의 입력은 생략하였다.
대상교량은 낙동강 유역의 연약층에 위치한 것으로 하여 양산단층남부로 가정하였으며 고려한 지진의 규모는 6.8이다(활성단층지도 및 지진위험지도 제작, 소방방재청, 2012). 양산단층과 교량의 상대적인 위치는 Fig.
지진원 모델 시 중요한 것은 부지와 단층면과의 최단거리이므로 Fig. 3과 같이 양산단층의 남쪽이 끝으로 오도록 단층파열면을 모델링하고 단층 상단의 깊이는 2 km로 가정하였다.

제안 방법

7개의 입력지반운동(EQ1~EQ7)으로부터 생성된 각 지층의 가속도시간이력을 교량의 입력운동으로 하여 지진해석을 수행하였고, 이 중에서 각 부재에 발생하는 최대응답을 구하여 교량의 지진거동특성과 내진성능을 분석하였다.
각 지층의 지반스프링모델은 지반의 비선형거동특성을 고려하기 위하여 등가탄성스프링으로 모델화하였다.
단층파열면에서의 진원 위치(Fig. 4에서 1~7)를 다르게 하여 총 7개의 가속도시간이력(EQ1~EQ7)을 생성하였다. 이들 가속도시간이력의 최대가속도의 분포는 0.
(2018)은 비교적 간단한 구조물인 2경간 연속교를 대상으로 근단층지반운동에 대한 지진거동특성을 분석하여, 단층까지의 거리가 가까울수록 상부구조의 변위가 증가하였다고 보고하였다. 본 연구와 가장 유사한 연구로는 Washington State Transportation Commission(2007)에서 수행한 연구로, 단일형 말뚝을 갖는 5경간 연속교를 대상으로 하여 지반을 스프링으로 모델화하고 실제로 발생한 근단층지반운동을 입력운동으로 하여 교량의 지진거동특성을 연구하였다. 그러나 이 연구에서는 각 지반스프링으로 입력되는 지반운동을 동일하게 적용하였다.
상부구조와 하부구조를 연결하는 탄성받침은 받침의 역학적 특성값(강성)을 적용한 elastic link로 모델화하였다.
연약층이 매우 두꺼운 지반에 설치된 단일형 현장타설말뚝 교량의 근단층지반운동에 대한 지진거동특성과 내진성능을 분석하였다.
우선, 지반응답해석을 통해 각 지층에서 구한 지반의 최대전단변형률(\(\gamma \)_max)의 2/3를 유효전단변형률(\(\gamma \)_eff)로 하여 이에 상응하는 전단탄성계수(G)를 구하고, 전단탄성계수와 전단파속도(V_s)와의 관계(G=pV²_s, p는 흑의 밀도)를 이용하여 전단파속도를 구하고, 이를 이용하여 N값(표준관입시험값)을 구하였다.(Ohsaki and Iwasaki, 1973).
이를 위해 2.2.2에서 생성된 지반운동(EQ1~EQ7: 최대지반가속도 0.37g~0.88g)을 기반암에서의 입력지반운동으로 하여 Shake2000으로 지반응답해석을 수행하였다. 7개의 입력지반운동 중에서 EQ1에 대한 각 지층의 가속도응답시간이력을 Fig.
입력지반운동에 대해 탄성거동이 예측되는 상부구조는 탄성부재로 모델화하였으며 균열 및 철근의 항복으로 소성거동이 예측되는 단일형 현장타설말뚝은 재료 비선형 거동이 가능하도록 파이버요소를 사용하여 모델화하였다. 이때 횡철근으로 구속된 심부콘크리트에는 Mander et al.
지반은 2.3.2에서 산정한 지반스프링계수를 갖는 지반스프링을 각 지층별로 말뚝에 부착하여 모델화하였다(Fig. 9). 단층운동에 의한 지반운동은 단층면의 직각방향이 주된 방향이고, 단층방향으로의 지반운동의 세기는 상대적으로 매우 작다.
본 연구에서는 기존의 연구와 달리 내진설계가 수행된 단일형 현장타설말뚝을 갖는 9경간 연속교를 대상으로 하여 근단층지반운동에 대한 지진거동특성과 내진성능을 분석하였다. 지반의 비선형성을 고려하기 위하여 지반해석을 수행하였으며, 그 결과를 반영하여 지반을 등가선형스프링으로 모델화하였고, 각 지층에서 발생하는 각기 다른 지반운동을 각 지반스프링의 입력운동으로 하여 교량의 다지점 가진 비선형 지진해석을 수행하였다.

대상 데이터

대상교량은 재현주기 1000년의 설계지진에 대해서 내진설계가 된 9경간 연속교(9@50m=450m)이다. 상부구조는 PSC BEAM이며, 교대는 역T형, 교각과 기초는 일체로 된 단일형현장타설말뚝 형식으로 지름은 2.
대상교량은 재현주기 1000년의 설계지진에 대해서 내진설계가 된 9경간 연속교(9@50m=450m)이다. 상부구조는 PSC BEAM이며, 교대는 역T형, 교각과 기초는 일체로 된 단일형현장타설말뚝 형식으로 지름은 2.5m이고, 교량받침은 탄성받침이다. 교량의 종횡단면은 Fig.
한편, 대상교량은 재현주기 1000년의 설계지진에 대해 안전하도록 설계된 교량이다. ‘내진설계일반(KDS 17 10 00,2018)’에 따라 암반지반(S₁)의 설계응답스펙트럼에 부합되는 인공합성지진 7개에 대해서 응답이력해석을 수행하여 얻은 단일형 말뚝의 최대모멘트와 근단층지반 운동의 결과를 Table 3에 비교하였다.

이론/모형

(1988)의 횡구속 콘크리트의 응력-변형률 관계식을 적용하였으며, 철근의 응력-변형률 곡선은 Menegotto et al.(1973) 모델을 적용하였다(Fig. 8).
이때 횡철근으로 구속된 심부콘크리트에는 Mander et al.(1988)의 횡구속 콘크리트의 응력-변형률 관계식을 적용하였으며, 철근의 응력-변형률 곡선은 Menegotto et al.(1973) 모델을 적용하였다(Fig.

성능/효과

(1) 근단층지반운동은 장주기 펄스를 가지고 있지만 교량에 비해서는 상대적으로 단주기이고 탁월 주기 이후의 진동주기의 증가에 따라 매우 빠르게 감소하는 특징을 보인다. 예제 단층모델에서는 0.
(2) 지반해석 결과, 지층의 전단파속도가 갑자기 증가하는 지층 5의 하단층, 즉 지층 6에서 최대가속도가 크게 감소하는 특성을 보인다.
(3) 암반에서의 근단층지반운동의 최대가속도는 설계지반운동에 비해서 크지만(4.2배) 말뚝의 최대모멘트는 92% 수준으로 오히려 작다. 이는 두 입력운동의 응답스펙트럼의 특성에 기인한 것이다.
(4) 단일형 말뚝에 최대모멘트가 발생하는 위치는 설계지반운동 시에는 지표 부근에서 발생하지만 근단층지반운동 시에는 말뚝의 선단 부근에 위치하여 상이한 특성을 보인다. 이는 펄스 형태의 근단층지반운동 특성에 의해 하부로부터 변형이 전파되어 발생하는 현상으로 추측된다.
(5) 설계지반운동에 대해 안전하게 설계된 대상교량은 암반에서의 최대지반가속도가 매우 큰 근단층지반운동에 대해서 거의 탄성에 준하는 거동을 하여 내진성능이 충분하였다.
근단층지반운동의 특성을 반영한 응답(시간)이력해석 결과, 최대모멘트는 지표 근처가 아닌말뚝의 선단에 가까운 위치에 발생하였으며 그 크기는 15,047(kN·m)이다(Fig. 10 참조).

후속연구

0이하의 중소규모 지진에서도 몇 차례 관측된 바 있다. 우리나라는 발생 가능한 최대 지진의 규모가 6.5 내외로 강진지역에 비해서는 크지 않을 것으로 예상되지만 진앙거리가 가까우면 구조물에 심각한 피해를 줄 수 있으므로 내진설계가 수행된 교량일지라도 근단층지반운동에 대한 지진거동특성과 내진성능을 확인할 필요가 있다. 근단층지반운동에 대한 교량의 지진거동특성은 국내에서 매우 제한적으로 수행되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	근단층지반운동의 특성은 무엇입니까?	한편, 낙동강 유역은 양산단층과 인접한 곳이어서 여기서 발생하는 지진동의 특성은 단층에서 멀리 떨어진 원역에서의 지진동과는 특성이 다르다. 근단층지반운동은 전방지향성(forward directivity)에 의해 장주기 성분의 펄스 형태를 가지며, 단층면 내에서 파열의 전파방향과 전단파의 전파방향이 일치할 때 지진파가 동일한 시점에서 중첩되는 특성을 보인다(Somerville et al., 1997).
	단일형 현장타설 말뚝 교량은 무엇입니까?	우리나라의 낙동강 유역은 연약층이 매우 두꺼워 암반까지의 깊이가 매우 깊다. 이러한 지역에 적합한 교량형식 중의 하나는 교각과 기초를 하나의 부재로 하는, 즉 단일형 현장타설 말뚝 교량일 것이다. 단일형 말뚝의 직경은 일반적으로 1.
	지반가속도이력으로 무엇을 수행하였습니까?	근단층지반운동을 생성하고 지반해석을 수행하여 각 지층에서의 지반가속도이력을 산정하였다. 이 가속도이력을 이용하여 각 지층의 지반을 등가스프링으로 모델화하고, 각 지층에서의 가속도시간이력을 입력지반운동으로 하는 다지점 가진 지진해석을 수행하였다. 근단층지반운동의 특성으로 인하여 교량은 탄성영역 내에서 거동하였지만 최대모멘트의 발생 위치 등이 설계지반운동을 고려할 때와는 상이한 특성을 보였다.

참고문헌 (13)

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Menegotto, M., Pinto, P.E., (1973), Method of analysis of cyclically loaded RC plane frames including changes in geometry and non-elastic behavior of elements under normal force and bending, Preliminary Report IABSE, 13.
Somerville, P. G., Smith, N. F., and Graves, R. W., (1997), Modification of Empirical Strong Ground Motion Attenuation Relations to Include the Amplitude and Duration Effects of Rupture Directivity, Seismological Research Letters, 68(1), 199-222.

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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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