[논문]2주탑 콘크리트 사장교의 경계조건별 지진 취약도 분석

신연우; 홍기남; 연영모; 지상원

doi:10.11112/jksmi.2020.24.5.77

2주탑 콘크리트 사장교의 경계조건별 지진 취약도 분석
Seismic Fragility Analysis by Boundary Conditions of a Two-pylon Concrete Cable-stayed Bridge 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.5, 2020년, pp.77 - 85

신연우 ((주)윤성ENG) , 홍기남 (충북대학교 토목공학과) , 연영모 (충북대학교 토목공학과) , 지상원 (충북대학교 토목공학과)

초록
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본 연구에서는 2주탑 콘크리트 사장교를 대상으로 경계조건에 따른 지진 취약도 곡선을 작성하고, 경계조건이 교량의 지진 취약도에 미치는 영향을 평가하고자 한다. 대상교량에 대한 해석모델이 Midas Civil을 사용하여 구축되었고 Fiber요소와 콘크리트, 철근의 재료모델을 적용하여 비선형 시간이력해석을 수행하였다. 주탑과 보강형 사이의 경계조건을 강결, 비구속, 포트받침, 면진받침의 총 4가지로 구분하여 각각의 경계조건에 대해 지진 취약도 곡선을 작성하였다. 주탑의 소성힌지구간과 연결부, 케이블을 취약부재로 선정하고 이 부재들에 대해 지진 취약도 곡선을 작성하였다. 분석결과 주탑의 소성힌지구간과 연결부에서는 면진받침모델이 가장 낮은 손상확률을 나타내고, 케이블의 지진 취약도는 경계조건에 의한 영향이 다른 부재에 비해 크지 않은 것을 알 수 있다.

Abstract ▼ AI-Helper

In this study, the seismic fragility curve according to the boundary conditions is created for a two-pylon concrete cable-stayed bridge, and the effect of the boundary conditions on the seismic fragility of the target bridge is evaluated. An analysis model for the target bridge is constructed using Midas Civil, and a nonlinear time history analysis is performed by applying the fiber element, concrete and rebar material models. The boundary conditions between the pylon and the stiffened girder are classified into four types: rigid, unconstrained, pot bearing, and seismic isolation bearing, and the seismic fragility curves are created for each boundary condition. The plastic hinge section of the pylon, the connection part, and the cable are selected as weak members, and the earthquake vulnerability curve is created for them. As a result of the analysis, it is found that the seismic isolation bearing model shows the lowest damage probability in the pylon and the connection part, and the seismic fragility of the cable is less affected by the boundary conditions than other members.

주제어

표/그림 (12)

그림 Fig. 1 Modeling of the target bridge
그림 Fig. 2 Conditions for numerical analysis
그림 Fig. 3 Concept of boundary conditions
그림 Fig. 4 Vibration mode shape for each boundary conditions model
그림 Fig. 5 Moment-curvature curve of the fiber section by PGA
표 Table 1 List of selected ground motions (Shin et al. 2020)
표 Table 2 Damage state clssification of the pylon (Shin et al. 2020)
표 Table 3 Damage state clssification of the connecting part (Shin et al. 2020)
표 Table 4 Damage state clssification of the cables (Shin et al. 2020)
그림 Fig. 6 Seismic fragility curve for the pylon
그림 Fig. 7 Seismic fragility curve for the connecting part
그림 Fig. 8 Seismic fragility curve for the cable

AI 본문요약
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문제 정의

2020)를 통해 2주탑 콘크리트 사장교의 주요 부재에 대한 손상상태를 규정하고 지진취약도 분석 연구를 수행하였다. 본 논문에서는 사전연구와 동일한 구조물인 2주탑 콘크리트 사장교를 대상으로 보강형과 주탑 사이의 경계조건(Boundary condition) 변화에 따른 동적 거동 특성을 분석하고자 한다. 지진시 보강형에서 케이블과 주탑으로 전달되는 하중은 이 경계조건들에 따라 달라지게 되고 발생변위와 부재력에도 큰 영향을 미치게 된다.
거동에 큰 영향을 미친다. 본 연구에서는 강결, 비구속, 포트받침, 면진받침까지 총 네 가지의 경계조건에 대해 사장교의 지진시 거동과 지진 취약도를 검토하였다. Fig.
본 연구에서는 사장교의 지진시 비탄성 동적거동을 정확하게 산출할 수 있는 비선형 시간이력해석이 수행되었다. 해석으로부터 Fiber 모델이 적용된 소성힌지구간에서 철근과 콘크리트의 최대응력과 항복여부를 조사하였고, Fiber 단면의 모멘트-곡률 곡선으로부터 경계조건에 따른 소성 힌지 구간의 비선형 거동을 확인하였다.
본 연구에서는 콘크리트 사장교의 주탑과 보강형 사이의 경계조건을 변화시켜 지진 취약도 곡선을 작성·분석하였다. 이를 통해 얻은 결론은 아래와 같다.
주탑과 보강형의 연결부에 적절한 에너지 소산장치를 사용한다면 사장교의 내진 성능을 향상시킬 수 있다는 것이 이 연구를 통해 확인되었다. 본 연구의 저자들은 사전연구(Shin et al. 2020)를 통해 2주탑 콘크리트 사장교의 주요 부재에 대한 손상상태를 규정하고 지진취약도 분석 연구를 수행하였다. 본 논문에서는 사전연구와 동일한 구조물인 2주탑 콘크리트 사장교를 대상으로 보강형과 주탑 사이의 경계조건(Boundary condition) 변화에 따른 동적 거동 특성을 분석하고자 한다.

제안 방법

강결구속, 비구속, 포트받침, 면진받침의 총 4가지 연결조건에 대한 비선형 시간이력해석의 결과값을 활용하여 지진취약도 분석이 수행되었다. Fig.
고유치해석이 경계조건별로 수행되었고 이를 통해 각 경계 조건별 고유진동수 및 진동형상을 확인하였다. Fig.
본 연구에서는 실제 지진발생시와 유사한 교량의 거동을 예측할 수 있도록 시간이력해석시 교축방향, 교축직각방향, 수직방향으로 지진파를 동시에 작용시켰다. Table 1에 나타낸 것과 같이 실제 계측된 20개의 지진파와 11개의 인공지진파를 조합하여 총 20개의 지진파 조합을 교축방향과 교축직각방향의 입력지진으로 사용하였다.
(2006)은 에너지 소산 장치가 설치된 강주탑 사장교의 지진 취약도 해석방법에 대한 연구를 수행하였다. 이 논문에서 취약도 분석은 주탑 하부의 전단력, 보강형의 교축방향 변위, 케이블 장력의 변동량 및 강 주탑의 좌굴에 대해 수행되었다. 주탑과 보강형의 연결부에 적절한 에너지 소산장치를 사용한다면 사장교의 내진 성능을 향상시킬 수 있다는 것이 이 연구를 통해 확인되었다.
2004; HAZUS 1997). 주탑의 소성힌지 발생구간, 보강형과 주탑 사이의 연결부, 케이블을 취약부위로 선정하고 동적응답의 결과에 따라 각각의 손상상태를 결정하였다.
지진 취약도 곡선 작성을 위해 각 지진파 조합의 PGA를 0.1g부터 2.0g까지 0.1g 간격으로 스케일링하여 총 400개의 입력 지진파 조합을 생성하였다. 입력 지진파 조합 생성에 대한 자세한 설명은 Shin et al.
해석으로부터 Fiber 모델이 적용된 소성힌지구간에서 철근과 콘크리트의 최대응력과 항복여부를 조사하였고, Fiber 단면의 모멘트-곡률 곡선으로부터 경계조건에 따른 소성 힌지 구간의 비선형 거동을 확인하였다.

대상 데이터

지진파를 동시에 작용시켰다. Table 1에 나타낸 것과 같이 실제 계측된 20개의 지진파와 11개의 인공지진파를 조합하여 총 20개의 지진파 조합을 교축방향과 교축직각방향의 입력지진으로 사용하였다. 수직방향 입력지진파는 KDS 17 10 00(2018)에 준하여 교축방향과 교축직각방향의입력 지진파 중 최대지반가속도(Peak ground acceleration, PGA)가 더 큰 지진파의 77%를 적용하였다.
(2020)에서 분석된 교량과 동일한 교량으로 총연장 700m, 주경간장 350m의 콘크리트 사장교이다. 대상 교량의 보강형은 콘크리트 박스 거 더 와 내부 스트럿을 적용하였다. 주탑은 콘크리트로 구성되었으며 Fig.
보강형과 주탑에는 50 MPa 강도의 콘크리트가 사용되었고, 케이블과 보강형에 사용된 텐던의 인장강도는 각각 2, 200 MPa, 2, 400 MPa이다. 대상 교량의 비탄성 거동을 예측하기 위해서는 재료 비선형을 적절하게 모사하는 재료모델이 사용되어야 한다.
본 연구의 대상 교량은 Shin et al. (2020)에서 분석된 교량과 동일한 교량으로 총연장 700m, 주경간장 350m의 콘크리트 사장교이다. 대상 교량의 보강형은 콘크리트 박스 거 더 와 내부 스트럿을 적용하였다.
1과 같이 구축되었다. 해석모델에서 보강형과 주탑은 각각 219개와 41개의 Beam요소로, 케이블은 총 200개의 Truss요소로 모델링되었다. 또한 교량의 비탄성 거동을 파악하기 위해 주탑의 하단부는 Fiber 모델을 적용한 Nonlinear beam column 요소로 모델링되었다.

이론/모형

이에 본 연구에서 콘크리트에는 Mander et al.(1988)의 재료모델이 적용되었고, 철근에는 Menegotto and Pinto(1973)가 제시한 재료모델이 적용되었다.
해석모델에서 보강형과 주탑은 각각 219개와 41개의 Beam요소로, 케이블은 총 200개의 Truss요소로 모델링되었다. 또한 교량의 비탄성 거동을 파악하기 위해 주탑의 하단부는 Fiber 모델을 적용한 Nonlinear beam column 요소로 모델링되었다. Fig.
도출된다. 본 연구에서는 다수의 저자들의 사전 연구를 통해 신뢰성이 검증된 Baker et al. (2015)이 제안한 방법을 활용하여 취약도 분석을 수행하였다. 최우도 추정법을 적용한 취약도 곡선 작성과정은 Shin et al.
Table 1에 나타낸 것과 같이 실제 계측된 20개의 지진파와 11개의 인공지진파를 조합하여 총 20개의 지진파 조합을 교축방향과 교축직각방향의 입력지진으로 사용하였다. 수직방향 입력지진파는 KDS 17 10 00(2018)에 준하여 교축방향과 교축직각방향의입력 지진파 중 최대지반가속도(Peak ground acceleration, PGA)가 더 큰 지진파의 77%를 적용하였다.

성능/효과

1) 주탑 소성힌지구간의 지진 취약도 분석 결과 강결구속모델은 모든 PGA에서 손상확률이 가장 높은 것으로 나타났고, 면진받침 모델이 가장 낮은 손상확률을 보였다. 또한, 대상 교량은 재현주기 2400년의 지진에 대해 경계조건에 상관없이 완전손상상태(CD)에 이를 확률이 매우 낮은 것으로 나타나므로 설계기준에서 요구하는 내진 성능을 확보하고 있는 것으로 평가된다.
5g PGA 지진 작용시에는 단면이 거의 선형에 가까운 탄성 거동을 보여준다. 1.0g PGA의 지진하중이 작용할 때는 단면이 비선형 거동을 보이며 일부 피복 콘크리트가 파쇄되었다. 이후 1.
2) 연결부의 지진 취약도 분석 결과 다른 모델에 비해 면진 받침 모델의 손상확률이 모든 손상등급에서 뚜렷이 낮은 것을 확인할 수 있었다. 이로부터 면진받침에 의해 상부구조로부터 전달되는 하중과 변위를 감소시켜 대상 교량의 내진성능을 향상시킬 수 있는 것으로 판단된다.
3) 케이블의 지진 취약도에서는 경계조건에 따른 손상확률의 차이가 다른 부재에 비해 크지 않고, 케이블의 파단이 발생할 수 있는 완전손상상태(CD)의 손상확률은 1.0g에서도 모든 경계조건모델에서 10% 이내인 것으로 나타났다. 이로써 케이블의 지진 취약도는 다른 부재에 비해 경계조건에 의한 영향이 가장 작은 것으로 분석되었다.
7은 주탑과 보강형 연결부의 지진 취약도 곡선을 보여준다. 강결구속 모델은 경미한 손상상태(SD)에서 매우 낮은 확률을 보여주고 있으며 보통손상상태(MD) 이상의 손상확률은 거의 없는 것으로 나타났다. 이는 주탑과 보강형이 강결로 구속되어 있어 보강형의 변위가 주탑에 의해 제한되기 때문이다.
8에 나타내었다. 경계조건에 따른 손상상태를 살펴보면 모든 손상상태에서 강결조건은 가장 낮은 손상확률을 나타내었고 그다음으로 면진받침, 포트받침, 비구속조건 순으로 높은 손상확률을 나타내었다. 재료적인 특성에 의해 구분된 경미한 손상상태(SD)와 보통 손상상태(MD)의 취약도 곡선은 경계조건에 따른 손상확률 차이가 크지 않은 것을 알 수 있다.
5g의 지진 발생시 표면균열과 박리 등과 같은 경미한 손상(SD)이 발생할 확률이 강결구속은 87%, 비구속은 68%, 포트받침은 60%, 면진받침은 46%로 나타났다. 교량의 붕괴로 이어질 수 있는 완전손상상태(CD)의 확률을 살펴보면 모든 경계조건 모델이 0.3g에서 1% 미만의 값을 보이고 그 이후 손상확률이 급격히 증가하는 양상을 보이고 있다. KDS 17 10 00(2018)에서는 케이블 교량과 같은 내진 특등급 교량은 평균재현주기 4800년을 갖는 설계지진에 대해 내진성능목표를 만족하도록 하고 있다.
보였다. 또한, 대상 교량은 재현주기 2400년의 지진에 대해 경계조건에 상관없이 완전손상상태(CD)에 이를 확률이 매우 낮은 것으로 나타나므로 설계기준에서 요구하는 내진 성능을 확보하고 있는 것으로 평가된다.
재료적인 특성에 의해 구분된 경미한 손상상태(SD)와 보통 손상상태(MD)의 취약도 곡선은 경계조건에 따른 손상확률 차이가 크지 않은 것을 알 수 있다. 설계기준의 한계상태에 의해 구분된 심각한 손상상태(ED)와 완전손상상태(CD)의 취약도 곡선은 주탑 하단부나 연결부에 비해 손상확률이 낮게 나타났다. 이는 지진에 의한 케이블이 받는 경미한 손상(SD)과 보통 손상(MD)의 확률은 경계조건에 대해 덜 민감하다는 것을 의미하며, 다른 취약부재에 비해 심한 손상상태(ED) 또는 완전 손상상태(CD)가 일어날 확률은 현저히 낮은 것을 알 수 있다.
이는 면진받침 모델의 손상확률이 같은 규모의 지진하중 작용시 다른 경계조건 모델들에 비해 더 작은 것을 의미한다. 수치적으로 보면 0.5g의 지진 발생시 표면균열과 박리 등과 같은 경미한 손상(SD)이 발생할 확률이 강결구속은 87%, 비구속은 68%, 포트받침은 60%, 면진받침은 46%로 나타났다. 교량의 붕괴로 이어질 수 있는 완전손상상태(CD)의 확률을 살펴보면 모든 경계조건 모델이 0.
0g에서도 모든 경계조건모델에서 10% 이내인 것으로 나타났다. 이로써 케이블의 지진 취약도는 다른 부재에 비해 경계조건에 의한 영향이 가장 작은 것으로 분석되었다.
KDS 17 10 00(2018)에서는 케이블 교량과 같은 내진 특등급 교량은 평균재현주기 4800년을 갖는 설계지진에 대해 내진성능목표를 만족하도록 하고 있다. 재현주기 4800년에 해당하는 지진하중은 PGA 0.286g에 해당하는 값이므로 대상 교량은 설계기준지진에 대해 안전성을 확보하고 있는 것으로 판단할 수 있다. 0.
이 논문에서 취약도 분석은 주탑 하부의 전단력, 보강형의 교축방향 변위, 케이블 장력의 변동량 및 강 주탑의 좌굴에 대해 수행되었다. 주탑과 보강형의 연결부에 적절한 에너지 소산장치를 사용한다면 사장교의 내진 성능을 향상시킬 수 있다는 것이 이 연구를 통해 확인되었다. 본 연구의 저자들은 사전연구(Shin et al.
일반적으로 구조물의 고유주기를 증가시켜 에너지를 소산시키는 면진받침은 이미 긴 고유주기를 가진 사장교와 같은 케이블 교량에는 상대적으로 효율이 떨어지는 것으로 알려져 있다. 하지만 연결부의 지진 취약도 곡선에 의하면 면진 받침 모델의 손상확률은 일반 교량과 마찬가지로 비 구속모델이나 포트받침 모델에 비해 낮은 것으로 나타났다. 즉, 비구 속 모델과 포트받침 모델은 동일한 PGA에서 받침의 손상, 인접 부재와의 충돌(Pounding), 낙교(Unseating) 등의 손상 발생 확률이 면진받침 모델보다 높은 것을 의미한다.

후속연구

지식이 요구되는 작업이다. 그러므로 지진 취약도 곡선을 간단히 작성하여 실무에서 쉽게 활용할 수 있는 실용적 방법에 대한 연구가 필요한 것으로 평가된다.

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표제어: PCR

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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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