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RC교량 교각부 FRP 내진보강에 따른 지진취약도 평가
전오현 강릉원주대학교 일반대학원 2019 국내석사
In recent years, many natural disasters, which are large in scale and unpredictable due to environmental pollution, global warming and abnormal weather, are occurring with increased frequency. Especially in case of an earthquake disaster, the tsunami is secondarily generated, and it can also cause serious damage. In Korea, large amounts of property damage and human casualties have occurred due to frequent earthquakes and aftershocks in Gyeongju and Pohang in North Gyeongsang province. Since Korea is located inside Eurasia Plate, there was a strong perception that the earthquake would not occur, or damage would be minimal, but the earthquake in the plate has occurred and a larger damage is more likely to occur. As a result, the need to establish guidelines for safety review and maintenance of structures is needed, as citizens are more concerned about their habitability and awareness of the securing the functionality of structures increases. Particularly, Social Overhead Capital (SOC) structures such as bridges, dams, and nuclear power plants are very important for safety assessment since they cause extensive damage if damaged or collapsed or destroyed by earthquakes. In the case of Korea, most of the aging structures were constructed before the seismic design was applied, so it is necessary to review the safety guidelines to suit the current situation. In Korea, about 80 percent of structures are not earthquake-resistant, and since the proportion of aging structures older than 30 years is rapidly increasing, guidelines for safety review that are appropriate for domestic situations are needed. Therefore, in this research, a study on earthquake safety of highway bridge structures with FRP reinforcement was conducted by mean of finite element analysis. Based on the frequency and damage of recent earthquakes in Gyeongbuk, Daegu was selected as the target structure. 3D finite element model of the bridge was developed in commercial FEM program ABAQUS based on design drawing and specifications of the actual structure. For seismic reinforcement of the pier, commonly applied wrapping reinforcement method was considered, and the materials used for wrapping were selected as Fiber Reinforced Polymer. In this study, Carbon Fiber Reinforced Polymer (CFRP) which representing the highest strength characteristics among FRP and Basalt Fiber Reincorporated Polymer (BFRP) which currently being studied with many eco-friendly materials. For seismic loading, the seismic waves were generated based on the design response spectra specified in the KBC 2016 building structure standards. A total of 588 time-history analyses were performed at each step of PGA (0.05g, 0.1g, 0.2g, 0.4g, 0.6g, 0.8g and 1.0g), they were divided into three cases: general bridge, BFRP reinforced bridge, and CFRP reinforced bridge. Seismic fragility function in the form of a lognormal cumulative distribution function was derived based on maximum likelihood estimation method and Monte Carlo Simulation method. The results of time history analysis were used for the limit state of the structural performance. The analysis shows that the stress and maximum displacement values of the FRP reinforced bridge were lower than that of the general bridge, and the reinforcement of the CFRP was more effective than those of the BFRP when the same thickness was used. Moreover, in the case of compressive failure of the pier, fragility in the direction perpendicular to the bridge’s axis was shown to be more dominant. However, for tensile failure of the pier, fragility in the bridge’s axis direction was more dominant. Likewise, in term of horizontal displacement limits of the pier showed that the fragility in the direction of the bridge’s axis was predominant. 최근 환경파괴와 이상기후로 인해 규모가 크고 예측 불가한 자연재해가 많이 발생하고 있다. 특히 지진재해 발생의 경우 2차적으로 쓰나미를 발생시켜 그 피해가 더욱 심각하다. 국내에서도 최근 경상북도 지역의 경주 및 포항지역에서 규모가 큰 지진과 여진이 빈번히 발생함에 따라 많은 재산손실과 인명피해가 발생하였다. 우리나라는 유라시아 판의 내부에 위치하기 때문에 지진에 대해 안전하거나 그 피해가 미비할 것이라는 인식이 강했으나, 판 내 지진(Intra-Plate Earthquake)이 발생함에 따라 큰 피해가 발생하고 있다. 이로 인해 시민들의 거주성에 대한 불안감이 증가하고 있으며, 구조물의 기능성 확보에 대한 인식이 높아지면서 구조물에 대한 안전성 검토와 피해예측의 가이드라인 확립 필요성이 요구되고 있다. 특히 교량, 댐, 원자력발전소 등의 사회간접자본(Social Overhead Capital)은 지진으로 인해 손상되거나 파괴가 발생하면 막대한 피해를 발생시키기 때문에 이에 대한 안전성 평가를 수행하는 것은 매우 중요하다. 국내의 경우 약 80%정도의 구조물이 내진설계가 적용되지 않은 구조물이며, 30년 이상된 노후화 구조물의 비중이 급격히 증가하고 있는 시점이기 때문에 국내 실정에 맞는 안전성 검토 지침이 필요하다. 따라서, 본 연구에서는 교통과 운반의 기능을 수행하고 있는 교량 구조물에 대해서 교각부 FRP 내진보강에 따른 지진취약도 연구를 수행하였다. 최근 국내 경북지역의 지진발생 빈도와 피해를 바탕으로 대구광역시 달성군 화원읍에 위치한 사문진교량을 대상구조물로 선정하였으며, 모델링 구성의 경우 ABAQUS 유한요소 해석프로그램을 통해 실제 제원을 기반으로 3D 교각 유한요소 모델링을 실시하였다. 교각부 내진보강의 경우 일반적으로 많이 적용되는 감싸기(Wrapping) 보강공법을 고려하였으며, 랩핑에 사용되는 재료로는 섬유복합재료(Fiber Reinforced Polymer)로 선정하였다. 본 연구에서는 FRP 중 가장 높은 강도특성을 나타내는 탄소섬유복합재료(CFRP : Carbon Fiber Reinforced Polymer)와 최근 친환경 재료로 많은 연구가 진행되고 있는 현무암섬유복합재료(BFRP : Basalt Fiber Reinforced Polymer)를 적용하였다. 지진파는 KBC 2016 건축구조기준에 명시된 설계응답스펙트럼의 기준을 토대로 생성된 인공지진파를 적용하였으며 최대지반가속도(PGA) 0.05g, 0.1g, 0.2g, 0.4g, 0.6g, 0.8g, 1.0g 스케일로 구분하여 일반 교각, BFRP 보강교각, CFRP 보강교각에 대해 각각 196번씩 총 588번의 시간이력해석을 수행하였다. 시간이력해석 결과를 기반으로 한 취약도 함수 산정은 성능한계상태를 설정하고 이를 최우도추정법과 몬테카를로 시뮬레이션(Monte Carlo Simulation)의 확률론적인 방법을 통해 대수정규분포의 누적확률분포형태로 지진취약도 곡선을 도출하였다. 취약도 분석 결과 일반 교각 대비 FRP 보강교각의 최대응력과 최대변위 값이 낮게 도출되었으며, FRP 보강성능면에서는 같은 두께로 보강했을 시 BFRP 보다는 CFRP의 보강 효과가 더 좋은 것으로 나타났다. 교각의 압축파괴에서는 교축직각방향에 대한 취약도가 더 지배적인 파괴형태로 나타났으며, 교각의 인장파괴에서는 교축방향에 대한 취약도가 더 지배적인 파괴형태로 나타났다. 교각의 수평변위한계(Drift Ratio)에서는 교축방향에 대한 취약도가 지배적인 파괴형태로 나타났다.
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