초록 ▼

1. 지진취약도 평가기술의 국외 개발현황 조사
(가) 미국의 지진손상함수 개발현황
미국은 재난관리청에서 개발한 HAZUS프로그램을 이용하여 지진피해추정을 하고 있다. FEMA에서 HAZUS를 개발한 목적은 지진, 홍수, 바람과 같은 다양한 종류의 자연재해에 대한 인적, 경제적 피해를 추정하고 위험도를 평가하는 방법을 표준화하는 것과 지역사회 단체장이나 주정부가 재난을 미리 예측하고 그에 맞는 대비책을 세울 수 있도록 하는 것의 두 가지이다.
해석모듈로는 HAZUS-MH 지진의 경우 분석단계별로 6개의 해석모듈로 구성

1. 지진취약도 평가기술의 국외 개발현황 조사
(가) 미국의 지진손상함수 개발현황
미국은 재난관리청에서 개발한 HAZUS프로그램을 이용하여 지진피해추정을 하고 있다. FEMA에서 HAZUS를 개발한 목적은 지진, 홍수, 바람과 같은 다양한 종류의 자연재해에 대한 인적, 경제적 피해를 추정하고 위험도를 평가하는 방법을 표준화하는 것과 지역사회 단체장이나 주정부가 재난을 미리 예측하고 그에 맞는 대비책을 세울 수 있도록 하는 것의 두 가지이다.
해석모듈로는 HAZUS-MH 지진의 경우 분석단계별로 6개의 해석모듈로 구성되어 있고 평가수준은 사용자가 입력하는 자료의 정도에 따라 달라지고 해석결과 또한 달라지게 된다. 따라서 간단한 모형 및 제한적인 목표자료에 대해서도 기본적인 결과를 산출해내며, 구체적인 대상지역에 대하여 정확한 추정을 필요로 할 경우에는 더 광범위한 자료의 구축이 요구된다.
(나) 일본의 지진손상함수 개발현황
일본은 일본국토청에서 지진발생시 신속하고 정확한 재해파악을 목적으로 지진방재 정보시스템인 DIS를 개발하였고 현재 내각부에서 관리.운영하고 있다. 지진방재 정보시스템은 일시적인 피해정보와 복구와 관련된 공공시설, 라이프라인 등에 관한 정보를 지속적으로 수집한다. 그리고 이 시스템은 또한 정부에서 관심을 갖는 도로, 철도와 라이프라인의 피해에 대한 정보를 제공함으로써 응급 운영대책을 세우는데 유용하게 사용될 수 있다.
지진방재 정보시스템은 분석을 위한 기초를 제공하는 재해정보 조절시스템과 실제 분석을 수행하는 하부시스템들로 구성되어 있다. 재해정보 조절시스템은 지진피해 상정시스템과 지진방재시설 등 정비계획 지원시스템으로 이루어져 있으며, 각 하부시스템의 운용을 위해 필요한 정보를 다루고 조절한다. 지진피해 조기평가 시스템은 지진발생 직후의 정보가 한정된 상황하에서 피해규모의 개요를 단시간에 예측할 수 있도록 하였고, 지진발생 초기상황에서 정부의 신속하면서 적절한 판단을 가능하도록 지원하는 것을 목적으로 하고 있다. 그리고 응급대책 지원시스템은 재해시에 관계기관에 있어서 정보의 공유화에 대한 구조를 구축하고 정부의 응급대책 활동을 지원하는 것을 목적으로 하고 있다.
(다) 대만의 지진손상함수 개발현황
대만에서는 지진에 의한 피해평가를 위하여 미국 HAZUS를 바탕으로 HAZ-Taiwan을 개발하였다. HAZ-Taiwan의 구성은 크게 3가지 부분으로 분류할 수 있다. 즉, 자료수집, 재해분석 모듈 개발부분 및 소프트 적용과 재분석 부분으로 되어 있고 분석 모듈은 HAZUS와 같이 잠재적 지구과학적 위험 분석, 직접적인 1차 피해 분석, 간접적인 2차 피해 분석 및 사회·경제적 손실 분석, 간접적 경제피해 평가 등으로 구성되어 있다. 각 모듈은 상호 보완적으로 되어있고 한 모듈의 출력은 다른 모듈의 입력으로 사용될 수도 있도록 구성되어 있으며, 전체적인 수정 없이 입력과 모듈이 추가 및 교체가 가능하도록 되어있다. 부분적인 평가와 지방 피해 평가분석도 가능하도록 구성되어 있으며 사용자에게 편리하고 다양한 서비스를 제공하도록 되어 있으나, 이를 위해서는 입력 자료의 정확성을 요구하고 있다.
2. 교량구조물의 지진취약도함수 이론 연구
이 부분에서는 국내현황에 맞는 교량구조물의 지진취약도함수를 제시하기 위하여 교량구조물의 지진취약도함수의 이론에 대해서 정리하였다.
지진취약도 함수는 교량에 대한 비선형 지진해석결과를 이용하여 이론적으로 분석할 수 있으며, 또한 실제 지진에 의한 교량의 손상상태를 조사하여 경험적으로 분석할 수도 있다. 이와 같이 지진취약도함수는 여러 방법에 의하여 분석될 수 있는데, 최근에는 Shinozuka 등이 제안한 방법이 가장 널리 사용되고 있다. Shinozuka 등은 지진취약도함수를 대수정규분포함수로 표현하고, 대수정규분포함수의 중간값과 대수표준편차를 최우도추정법에 따라 세 가지 방법으로 제안한바 있다.
Shinozuka의 방법 외에도 여러 분석방법을 이용하여 교량의 지진취약도 함수를 개발할 수 있는데, 이러한 방법으로는 일정한 지진강도를 갖는 많은 수의 지진자료를 이용하여 비선형 지진해석을 수행함으로써 해당되는 지진강도에서의 손상확률을 구하고, 다시 지진강도를 증가시켜 비선형 지진해석을 수행하는 방법을 반복 적용함으로써 구하고자 하는 지진강도의 범위 내에서 지진취약도 함수를 결정하는 방법이 있다. 그러나 이러한 방법은 일정한 지진강도를 갖는 많은 수의 지진을 활용하여야 하며, 따라서 비선형 지진해석의 횟수가 과도하게 증가하는 단점이 있다.
3. 국내 교량구조물의 분류체계 제안
우리나라는 고속도로, 국도, 시도, 군도 등에 수많은 교량들이 건설되어있다. 이렇게 많은 교량을 하나하나 구체적으로 조사하여 각각의 교량에 대해 내진 성능 혹은 지진위험도를 평가는 것은 시간과 인력의 노력이 많이 필요 될 뿐만 아니라 경제적으로도 많은 경비가 필요 된다. 또한 과거에 건설된 많은 교량에 대한 설계자료를 수집하는 것도 어려운 작업이라고 할 수 있다. 따라서 국내 교량에 대해서 개별적으로 취약도함수를 평가하는 것은 거의 불가능하다고 볼 수 있다. 이와 같은 문제점을 효율적으로 해결하기 위해서는 모든 교량을 구조형식 등에 따라서 몇 가지로 분류하는 분류체계를 도입하고 각각의 분류된 형식마다 대표교량을 선정하고 대표교량에 대하여 구하고자 하는 지진취약도등을 구한다면 간단하게 대부분의 교량의 지진위험도를 평가가능하다. 그리고 표준교량과 차이가 나는 부분(경간수, 곡선교의 여부, 사교의 고려, 기초형식 등)은 표준교량에 대한 평가 값에 보정계수를 고려하여 적용한다면 해결할 수 있다. 이 방법의 장점은 각종 교량에 대해서 짧은 시간에 상세한 설계자료 없이 지진위험도를 근사적으로 평가할 수 있다는 점이다. 하지만 개별적인 교량에 대해서 해석의 정확성이 확률적인 값으로만 평가된다는 점이 단점이기도 하다.
국내교량에 대한 분류체계는 미국 HAZUS에서 제시한 분류체계를 참고로하여 3가지 안을 작성하였으며 본 연구에서는 제 1안을 제안하는 바이다.
4. 국내 교량구조물에 적합한 지진취약도함수 제안 및 정확성 검증
지진취약도 함수는 실제 지진발생에 의한 교량구조물의 손상에 대한 육안 관찰에 의한 평가를 활용하는 방법과 수치 시뮬레이션에 의해 취약도를 평가하는 방법으로 나눌 수 있다. 국내에서는 실제 지진에 의한 손상사례가 거의 없으므로 미국의 취약도함수를 국내실정에 맞게 수정하여 사용하는 것이 합리적일 것이다. 취약도 함수의 국산화를 위해서는 국내 대표적 형식의 교량에 대하여 수치 시뮬레이션을 통해 취약도 함수를 평가하고 HAZUS-99에서 사용하는 취약도 함수와 비교하여 이를 국내실정에 맞게 수정하여 사용하는 것이 가장 합리적일 것이다.
국내의 경우 미국이나 일본과는 달리 비교적 소규모의 지진이 다수 발생하고, 중규모의 지진은 주로 일본이나 중국과 가까운 해안에서 발생하는 특성이 있어 한반도 내륙은 지진 발생의 위험이 비교적 적은 것이 사실이다. 국내에 대하여 교량의 지진취약도 함수를 개발하기 위해서는 국내 교량의 지진에 의한 손상상태의 정의가 중요한 부분이다. 그러나 국내의 지진에 의한 교량의 구조적인 피해사례가 없기 때문에 손상상태의 정의는 미국이나 일본의 연구결과 등을 활용하는 것이 바람직 할 것이다. 미국이나 일본, 대만과 같이 강진이 자주 발생하고 지진으로 인한 피해가 심각한 국가와 지역에서는 지진 손상에 대한 연구가 활발한 상태이지만, 비교적 소규모의 지진이 자주 발생하는 이른바 중약진 지진지역인 한반도의 경우 지진 손상은 보고된 바가 없다. 다만 역사지진을 통하여 과거 어느 정도 이상의 지진이 발생하였을 것이라는 역추적을 수행하고 있는 상황이며, 따라서 중약진 지역의 특성이 반영된 지진취약도 함수 개발이 필요하다.
국내에서는 지진에 의한 피해사례가 거의 없기 때문에 지진취약도 함수를 국내의 연구결과로부터 작성한다는 것은 불가능한 작업이다. 그러므로 가장 간편한 방법은 미국 HAZUS에서 제안된 지진손상함수를 국내에 실정에 맞게 몇몇의 "표준교량(standard bridge)"에 대해 수정하여 사용하는 것이다. 국내외에서 제안 및 사용되고 있는 지진취약도 함수와 관련된 연구 동향을 분석하고, 정리함으로써 교량에 관한 지진취약도 함수를 국내실정에 맞게 개선할 수 있다. 특히 국내의 내진설계 수준이 미국에 비하여는 그 정도가 약한 것이 사실일 것이므로 미국에서 내진설계 여부에 적용하는 취약도 함수의 변수값을 국내실정에 맞게 수정하여 사용하는 것이 취약도 함수를 가장 효울적으로 국산화하는 방안이므로 본 연구에서는 3장에서 설명한 HAZUS-99의 간편한 취약도 함수의 평가방법에서 내진설계 여부에 따라 정의되는 스펙트럼 수정 계수($B_S$ 및 $B_L$), 강도감소계수$(\lambda_Q)$, 변위한계(D)에 대하여 분석하고 국내 교량중 가장 많이 건설된 PSC 박스거도교와 PSC I형거도교를 선택하여 비탄성 시간이력해석을 통해 계산된 지진취약도를 HAZUS의 해석결과와 비교정리한 후 국내 교량구조물에 비교적 적합한 지진취약도함수를 제시하였고 국내 교량구조물에 대한 적용성에 대해서도 검증하였다.

Abstract ▼

1. Investigation of the Development Conditions of Seismic Fragility Functions for Bridge Structures beyond the Sea
2. Study the Theory of Seismic Fragility Functions
3. Presentation of Classification System of Bridge Structures in Korea
4. Presentation and Application of the Seismic Fragili

1. Investigation of the Development Conditions of Seismic Fragility Functions for Bridge Structures beyond the Sea
2. Study the Theory of Seismic Fragility Functions
3. Presentation of Classification System of Bridge Structures in Korea
4. Presentation and Application of the Seismic Fragility Analysis Method Suitable to Domestic Conditions

목차 Contents

• 표지 ... 1
• 제출문 ... 3
• 요약문 ... 5
• SUMMARY ... 11
• 제목차례 ... 12
• 그림차례 ... 14
• 표 차 례 ... 20
• 제1장 서 론 ... 24
• 1.1 연구필요성 ... 24
• 1.2 연구목적 및 내용 ... 26
• 제2장 국내외 교량의 지진손상함수 개발현황 조사 ... 28
• 2.1 외국의 지진손상함수 개발현황 조사 ... 28
• 2.1.1 미국의 지진손상함수 개발현황 ... 28
• 2.1.2 일본의 지진손상함수 개발현황 ... 37
• 2.1.3 대만의 지진손상함수 개발현황 ... 42
• 2.2 국내 지진위험도 추정기법 개발현황 ... 48
• 2.2.1 국내 관련연구 수행현황 ... 48
• 2.2.2 국내 적용성에 대한 검토 ... 51
• 제3장 교량구조물의 지진취약도함수 개발방법의 도출 ... 54
• 3.1 지진취약도함수의 이론정리 ... 54
• 3.1.1 최우도추정법에 의한 지진취약도함수 ... 55
• 3.1.2 그 외의 방법에 의한 지진취약도함수 ... 65
• 3.2 지진취약도함수의 경험적 분석 ... 67
• 3.3 국내 적용성을 위한 지진취약도함수 개발방안 제시 ... 74
• 3.3.1 지진취약도함수 정식화 과정 ... 74
• 3.3.2 표준교량에 대한 지진취약도함수 이용 ... 85
• 제4장 우리나라 교량구조물의 분류 ... 94
• 4.1 교량구조물의 현행 분류체계 조사 ... 94
• 4.2 재해피해추정을 위한 교량구조물의 분류 및 외국과의 비교 ... 98
• 4.3 분류별 대표 구조형식의 선정방식 제안 ... 102
• 제5장 국내실정에 적합한 지진취약도함수 개발 ... 110
• 5.1 국내에 적용하기 위한 지진취약도함수 ... 110
• 5.1.1 Bs 및 BL 에 대한 내진설계의 영향분석 ... 112
• 5.1.2 강도감소계수(λQ)에 대한 분석정리 ... 119
• 5.1.3 변위한계에 대한 분석정리 ... 124
• 5.2 수치해석을 통한 대표 교량구조물의 지진취약도곡선 ... 126
• 5.2.1 PSC Box 거도교의 지진취약도곡선 ... 126
• 5.2.2 PSC I형 거도교의 지진취약도곡선 ... 153
• 5.3 국내실정을 고려한 정식화방법에 의한 지진취약도해석 ... 187
• 제6장 결 론 ... 196
• 참고문헌 ... 198
• 부록 ... 202
• 서지자료 ... 275
• REPORT DOCUMENTATION PAGE ... 276