교각 강성과 교량의 붕괴기구

국승규,Kook, Seung-Kyu 한국전산구조공학회 2016 한국전산구조공학회논문집 Vol.29 No.2

일반설계에서 탄성거동을 전제로 구조물을 설계하는 것과 달리 내진설계는 구조물의 소성거동을 규명하고 조정하여 붕괴를 방지하는 것이 목적이다. 일반교량의 경우에 요구되는 붕괴방지수준은 교량의 특정한 구조부재의 소성거동으로 낙교를 방지하여 지진발생 이후에 긴급차량의 통과를 가능하게 하는 것이다. 이러한 소성거동은 연결부분 또는 교각기둥에 제한되고 각 경우에 적절한 조치가 요구된다. 도로교설계기준은 교각기둥에서 소성힌지를 형성하여 연성붕괴기구를 구성하는 설계방식과 함께 철근콘크리트 교각을 하부구조로 하는 교량을 대상으로 연결부분의 항복을 이용하여 취성붕괴기구를 구성하는 연성도 내진설계를 부록으로 제시하고 있다. 이 연구에서는 철근콘크리트 교각기둥과 강재받침으로 설계된 일반교량을 선정하고 연성붕괴기구와 취성붕괴기구를 모두 고려한 붕괴방지 설계절차 및 도로교설계기준에 요구되는 수정사항을 제안하였다. While structures are designed within elastic range by other designs, plastic behavior of structures should be verified and controlled in order to prevent structural collapse by the earthquake resistant design. No Collapse Requirement for typical bridges is to avoid falling down of superstructure by way of plastic behavior of certain structural elements and to operate emergency vehicles after earthquake. Such plastic behavior is restricted to connections or pier columns and appropriate measures are required for each case. Earthquake Resistant Design part of Roadway Bridge Design Code provides design processes for Ductile Collapse Mechanism by forming plastic hinges at pier columns. Also for bridges with reinforced concrete piers ductility-based design processes are provided as an appendix constructing Brittle Collapse Mechanism with connection yielding. In this study, a typical bridge with steel bearing connections and reinforced concrete piers is selected and No Collapse Design procedure considering both Ductile and Brittle Collapse Mechanism is proposed together with revisions required for the Earthquake Resistant Design part.

내진성능 확보를 위한 기존교량의 보강

국승규,Kook, Seung-Kyu 한국전산구조공학회 2009 한국전산구조공학회논문집 Vol.22 No.2

내진 설계기준이 도입된 이후, 신설교량에 대한 내진 설계의 시행은 물론 기존교량의 내진 성능 검토에 의한 내진 성능 확보가 요구되고 있다. 기존교량의 내진 성능 확보 또한 내진 설계의 기본개념에 따라 붕괴방지수준을 만족하여야 하며, 확보방안으로는 교량의 중요도와 형식에 따라 보강규모가 다른 여러 가지 방안이 제시되어야 한다. 현재 일반교량의 경우 받침의 교체, 교각의 보강 및 전단키 설치 등의 보강방안이 내진 성능 향상 및 확보 방안으로 가장 많이 연구, 적용되고 있는 상황이다. 이 연구에서는 내진 설계가 수행되지 않은 일반적인 기존 교량은 해석대상교량으로 선정하고, 붕괴방지 수준을 만족하기 위해 연성파괴메카니즘을 확보하도록 기존교량의 설계변경을 수행하고 내진 성능을 검토하였다. 기존교량의 경우, 하부구조 교각기둥의 설계단면 결정 및 상/하부구조 연결부 받침의 기능변경 등 교량시스템의 재 설계에 의해 내진 성능을 확보할 수 있다는 것을 제시하였다. After introduction of the earthquake resistant design code, it is required to achieve seismic performance of existing bridges as well as earthquake resistant design of new bridges. The achievement of seismic performance for existing bridges should satisfy the no collapse requirement based on the basic concept of earthquake resistant design, therefore, various methods with different strengthening scale should be suggested according to bridge types and importance categories. At present for typical bridges, most studied and applied strengthening methods are bearing change, pier strengthening and shear key installation for improvement of seismic performance. In this study a typical existing bridge, for which earthquake resistant design is not considered, is selected as an analysis bridge. Design changes are carried out to satisfy the no collapse requirement by way of the ductile failure mechanism and seismic performances are checked. It is shown that the seismic performance of existing bridges can be achieved by way of redesign of bridge system, e.g. determination of pier design section for substructure and change of bearing function for connections between super/sub-structure.

연결부분 설계에 의한 일반교량의 내진성능

국승규,Kook, Seung-Kyu 한국전산구조공학회 2010 한국전산구조공학회논문집 Vol.23 No.5

내진설계는 타 설계의 요구사항, 즉 각 구조부재의 설계강도가 소요강도 이상이어야 한다는 것을 만족해야 하는 동시에 지진발생시 구조물의 항복과정을 규명하여 제시하여야 한다. 이러한 요구사항이 추가되는 이유는 타 하중과는 차별되는 지진하중의 불확실성이다. 이 연구에서는 일반교량을 해석대상교량으로 선정하고 연결부분의 설계를 수행하여 연성파괴메카니즘을 확보하는 과정을 제시하였다. 이와 같은 과정으로부터 구조부재의 강도 증가 또는 지진저감장치 도입 등의 비용증가 없이 타 설계에서 요구되는 구조부재의 강도 이내에서 내진성능을 확보할 수 있다는 것을 확인하였다. Earthquake resistant design should provide a description of the structural failure mechanism under earthquakes as well as satisfy the requirement of other designs, e.g. design strengths of each structural member should be equal or greater than the required strengths. The reason of such a requirement is the randomness of seimic loads different from other loads. In this study, a typical bridge is selected as an analysis bridge and the procedure is given to get the ductile failure mechanism through connection design. It is shown with the procedure that the earthquake resistant capacity can be ensured within structural member's strengths required by other designs, without cost raise by strength increase of structural members or by use of shock absorbing device e.g. shock transfer unit.

일반교량의 내진성능 확보를 위한 기본설계

국승규,Kook, Seung-Kyu 한국전산구조공학회 2013 한국전산구조공학회논문집 Vol.26 No.1

일반교량은 상부구조, 연결부분, 하부구조 및 기초로 구성되어 있고 내진성능은 하부구조와 연결부분의 파괴메카니즘에 의해 결정된다. 그러므로 내진설계는 구조부재의 설계강도, 즉 설계단면을 결정하는 기본설계단계에서 수행되어야 한다. 도로교설계기준 내진설계편은 두 가지 기본설계 방식을 제시하고 있다. 첫째는 기존 설계방식으로 내진설계편이 제시한 응답수정계수를 적용하는 방식이고 둘째는 새로 도입된 연성도 내진설계 방식으로 설계자가 응답수정계수를 결정하는 방식이다. 이 연구에서는 일반교량을 대상으로 두 설계방식을 같이 적용하는 기본설계를 수행하고 내진성능 확보의 관점에서 요구되는 보완사항을 제시하였다. Structural elements of typical bridges are superstructure, connections, substuctures and foundations and earthquake resistance is decided with the failure mechanism formed by substuctures and connections. Therefore earthquake resistant design should be carried out in the basic design step where design strengths, e.g. design sections for structural elements are determined. The Earthquake Resistant Design Part of Korean Roadway Bridge Design Code provides two basic design procedures. The first conventional procedure applies the Code-provided response modification factors. The second new procedure is the ductility-based earthquake resistant design, where designer can determine the response modification factors. In this study, basic designs including the two design processes are carried out for a typical bridge and supplements are identified in view of providing earthquake resistance.

중진지역 교량 내진설계와 응답수정계수

국승규,이동욱,Kook, Seung-Kyu,Lee, Dong-Uk 한국전산구조공학회 2009 한국전산구조공학회논문집 Vol.22 No.1

‘Korean Highway Bridge Design Code’ provides the spectrum analysis method with response modification factors for the seismic design of typical bridges. However, considering that korean peninsula is classified as moderate seismic regions and domestic circumstances for bridge design and construction are different from other countries, the applicability of this code is not yet proved. Therefore it is required to verify that applying the spectrum analysis method fulfills the no collapse requirement which is set forth as the basic seismic design concept. In this study two typical bridges with T and ${\prod}$ type piers are selected as analysis bridges and seismic designs are carried out by applying the spectrum analysis method with design conditions given for moderate seismic regions. Based on the results obtained through deign procedures, the role of the response modification factors and fulfillment of the no collapse requirement are discussed, from which supplementary provisions for the design code are identified. 도로교설계기준은 일반교량에 대한 내진설계방법으로 응답수정계수를 사용하는 스펙트럼해석법을 제시하고 있다. 그러나 중진지역이라는 한반도의 상황과 국내의 교량설계 및 시공환경에 대한 적용성은 아직 검증되지 않은 실정이다. 그러므로 도로교설계기준의 스펙트럼해석법을 적용하여 내진설계의 기본개념으로 제시되는 붕괴방지수준이 만족되는가에 대한 검토가 요구된다. 이 연구에서는 T형 및 ${\prod}$형 교각을 하부구조로 하는 두 개의 일반교량을 해석대상교량으로 선정하고, 중진지역의 설계조건과 스펙트럼해석법을 적용하여 내진설계를 수행하였다. 이 과정에서 응답수정계수의 역할과 붕괴방지수준의 만족여부를 검토하고, 그 결과를 토대로 설계기준에 보완해야 하는 사항을 제시하였다.

연결부분 및 교각의 배열과 일반교량의 내진성능

국승규,Kook, Seung-Kyu 한국전산구조공학회 2015 한국전산구조공학회논문집 Vol.28 No.2

사회기반시설물인 교량은 인적/물적 자원의 신속하고 원활한 이동을 위해 지장물을 극복하도록 설계/시공되는 구조물이다. 그러므로 교량의 교축방향으로 배열되는 교각의 형상과 규모는 지형의 제약을 받을 수밖에 없다. 이러한 교각의 형상과 규모는 지진하중의 전달경로를 결정하는 연결부분 배열과 함께 연결부분과 교각에 발생하는 작용력을 좌우하게 된다. 이 연구에서는 강재받침과 철근콘크리트 기둥을 연결부분과 교각으로 하는 일반교량을 대상으로 교각 및 강재받침 배열이 다른 해석모델을 설정하여 지진해석을 수행하였다. 해석결과로 구한 교각기둥과 강재받침의 강도/작용력 비로부터 각 해석모델의 연성파괴메카니즘을 구성하고 연결부분 및 교각 배열이 일반교량의 내진성능에 미치는 영향을 연성파괴메카니즘 구성 측면에서 제시하였다. Bridges are designed and constructed as infrastructures in order to overcome topographical obstructions for fast and smooth transfer of human/material resources. Therefore the shape and size of piers constructed along the longitudinal bridge axis should be restricted by topographical conditions. Action forces of connections and piers are affected by pier shapes and sizes together with connection arrangement which decides load carrying path under earthquakes. In this study a typical bridge is modelled with steel bearings and reinforced concrete piers and seismic analyses are performed with analysis models with different arrangement of steel bearings and piers. From analysis results ductile failure mechanisms for all analysis models are checked based on strength/action force ratios of steel bearings and pier columns. In this way the influences of arrangement of connections and piers on the earthquake resistant capacity of typical bridges are figured out in view of forming ductile failure mechanism.

기능수행수준과 응답수정계수

국승규,Kook, Seung-Kyu 한국전산구조공학회 2012 한국전산구조공학회논문집 Vol.25 No.2

While the Earthquake Resistant Design Part of Korean Roadway Bridge Design Code provides design procedures for the No Collapse Requirement, requirements for the Serviceability Limit State are not clearly provided. The basic design method to meet the No Collapse Requirement is the spectrum analysis method using response modification factors and the Serviceability Limit State is determined by both the importance factor and the response modification factor applied in the design procedure. The importance factor can be simply applied according to the bridge importance category, however, in moderate/low seismic regions the application of the response modification factor may bring different result according to design conditions. In this study, for a typical bridge in the moderate/low seismic regions, determination procedures for the Serviceability Limit State are reviewed by carrying out earthquake resistant design and supplementary provisions for the Earthquake Resistant Design Part are identified based on the study results. 도로교설계기준 내진설계편은 붕괴방지수준의 확보를 설계절차에 의해 규정하고 있는 반면 기능수행수준의 확보에 대한 요구사항은 명확하게 제시하고 있지 않다. 붕괴방지수준의 확보를 위해 기본적으로 제시된 설계방법은 응답수정계수를 사용하는 스펙트럼해석법으로, 기능수행수준은 설계과정에 적용되는 위험도계수와 응답수정계수에 의해 결정 되어진다. 위험도계수는 교량의 중요도에 따라 단순하게 적용할 수 있으나 중약진지역에서의 응답수정계수 적용은 설계조건에 따라 다른 결과를 갖게 된다. 이 연구에서는 중약진지역의 일반 도로교량을 대상으로 내진설계를 수행하여 기능수행수준의 결정과정을 검토하고, 이 결과를 토대로 기능수행수준의 확보와 관련하여 내진설계편에 보완해야 하는 사항을 제시하였다.

일반교량의 붕괴방지설계

국승규,Kook, Seung-Kyu 한국전산구조공학회 2014 한국전산구조공학회논문집 Vol.27 No.3

일반교량 내진설계의 목적은 붕괴방지설계이고 도로교설계기준 내진설계편은 교량구조의 연성파괴메카니즘을 구성하는 설계방식을 제시하고 있다. 그러나 구조형식 또는 현장여건에 의해 연성파괴메카니즘을 구성하는 것이 비합리적인 경우 차선책으로 취성파괴메카니즘을 구성하여 붕괴방지설계를 수행할 수 있다. 연성파괴메카니즘을 구성하는 기존 설계방식과 함께 내진설계편은 연성도 내진설계를 부록으로 제시하고 있다. 연성도 내진설계는 철근콘크리트 교각으로 구성되는 교량에 적용하며 설계자가 하부구조의 소요응답수정계수를 결정하고 이로부터 심부구속철근을 설계하는 방식이다. 이 연구에서는 철근콘크리트 교각기둥과 강재받침으로 설계된 일반교량을 선정하여 기존 설계방식과 연성도 내진설계를 모두 적용한 결과로부터 차이점을 확인하고 설계자가 내진설계를 수행하는 과정에서 두 설계방식을 모두 고려하는 설계절차를 제안하였다. The purpose of earthquake resistant design for typical bridges is the No Collapse Design and the Earthquake Resistant Design Part of Roadway Bridge Design Code provides a design process to construct the Ductile Failure Mechanism for the bridge structure. However, if it is not practical to provide the Ductile Failure Mechanism due to structure types or site conditions, the Brittle Failure Mechanism is an alternative way to get the No Collapse Design. As well as the existing design process constructing the Ductile Failure Mechanism, the Earthquake Resistant Design Part provides a ductility-based design process as an appendix, which is prepared for bridges with reinforced concrete piers. According to the new design process, designer determines a required response modification factor for substructure and transverse reinforcement for confinement therefrom. In this study, a typical bridge with steel bearing connections and reinforced concrete piers is selected for which the existing as well as the ductility-based design processes are applied and different results from the two design processes are identified. Based on the results, an earthquake resistant design procedure is proposed in which designers should consider the two design processes.

Influence of the Random Yield Strength Distribution on the Behaviour Factor of Steel Structures

국승규,Kook, Seung Kyu Korean Society of Steel Construction 1997 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.9 No.2

임의항복강도가 강구조물의 에너지소산능력에 미치는 영향을 파악하기 위해 본 논문에서는 7개의 강뼈대구조물을 모델링하여 응답스펙트럼해석법에 적용되는 거동계수를 산출하고 그 분포상태를 결정하였다. 또한 지진하중의 임의성이 거동계수에 미치는 영향과 비교하기 위해 주어진 스펙트럼을 만족하는 4개의 인공지진을 시뮬레이션하여 적용하였다. 본 연구의 특성상 방대한 양의 시간-이력계산을 수행하여야 하므로 근사해법인 시간-이력해석법을 개발하여 신뢰도를 검토하고 적용하였다. In order to check the influence of the randomness in yield strengths on the energy dissipation capacity of steel structures, behaviour factors applied for the "Response Spectrum Method" and their distributions are determined in this study with 7 steel framed models. Also 4 artificial accelerograms simulated with a given spectrum are applied to check the influence of the randomness in seismic action on the behviour factor. To execute numerous time-step calculations for the investigation a time-step analysis method is developed and applied after the reliability estimation to determine the action effects.

일반교량 하부구조의 내진설계

국승규,Kook, Seung-Kyu 한국전산구조공학회 2011 한국전산구조공학회논문집 Vol.24 No.3

내진설계에서 설계자가 제시해야 하는 사항은 구조물의 항복과정이 원칙적으로 연성파괴메카니즘으로 구성되는 것이다. 일반교량의 연성파괴메카니즘은 연결부분과 교각기둥 두 구조부재 중 교각기둥이 먼저 항복하도록 설계되어야 한다. 그러나 불필요하게 강성이 큰 하부구조가 사용되는 국내의 설계관행에 의해 지진하중은 크게 발생하게 되므로 연성파괴메카니즘을 확보하기가 어렵다. 이러한 문제는 내진설계가 기본설계 단계에서 수행되지 않아 발생한다. 이 연구에서는 일반교량을 해석대상 교량으로 선정하고 기본설계 단계에서 연결부분과 하부구조의 설계강도를 결정하는 내진설계를 수행하여, 이러한 설계방식으로 타설계에서 결정되는 구조부재를 변경하지 않아도 연성파괴메카니즘을 확보할 수 있다는 것을 제시하였다. For the earthquake resistance design designer should provide that structural yielding process is principally designed with the ductile failure mechanism. In order to get the ductile failure mechanism for typical bridges, pier columns yielding should occur before that of connections. However domestic bridge design with unnecessary stiff substructure leads to unnecessary seismic loads and makes it difficult to get the ductile failure mechanism. Such a problem arises from the situation that earthquake resistant design is not carried out in the preliminary design step. In this study a typical bridge is selected as an analysis bridge and design strengths for connections and pier columns are determined in the preliminary design step by carrying out earthquake resistant design. It is shown through this procedure that it is possible to get the ductile failure mechanism with structural members determined by other design.