토석류에 대한 건축물의 취약성 곡선 평가

최승훈(Choi, Seung Hun),함희정(Ham, Hee Jung),이승수(Lee, Sungsu) 한국방재학회 2020 한국방재학회논문집 Vol.20 No.5

본 연구에서는 산사면에서 붕괴로 발생하는 토석류에 대하여 조적과 콘크리트 건축물의 평균손상확률 형태의 취약성 곡선(Vulnerability Curve)을 건축물의 초과손상확률 형태의 취약성 곡선(Fragility Curve)을 기초하여 평가하였다. 건축물의 초과손상확률 형태의 취약성 곡선은 신뢰도 지수 기반의 해석적 접근 방법인 First-Order Second-Moment (FOSM) 방법을 이용하여 평가하였다. 이 방법에서 초과손상확률 형태의 취약성 곡선을 도출하기 위하여 토석류로 인한 건축물의 최대 수평변위와 건축물의 손상상태별(Slight, Moderate, Extensive, Complete) 저항성능(건축물의 수평변위)에 대한 통계치가 적용되었다. 건축물의 평균손상확률 형태의 취약성 곡선은 각 손상상태에 대한 초과손상확률 형태의 취약성 곡선과 평균 손상률(Mean Damage Ratio)을 이용하여 평가되었으며, 평가된 평균손상확률 형태의 취약성 곡선은 평균 제곱근 오차(Root Mean Square Error)를 이용하여 과거 토석류 피해자료와의 적합성을 검증하였다. 또한, 본 연구에서는 평가된 토석류에 대한 건축물의 취약성 곡선에 대하여 건축물의 구조 재료, 형태, 높이에 대한 영향성을 평가하였다. 본 연구에서 평가한 모든 취약성 곡선은 로그정규 누적분포함수의 형태로 곡선 맞춤 후 해당 모수의 형태로 데이터베이스화되었으며, 토사재해가 빈번한 지역에 있는 건축물의 구조적 성능을 평가하거나 위험도(Risk) 및 손실(Loss)을 평가할 시 활용될 수 있다. In this study, the vulnerability curves for masonry and concrete frame buildings are assessed based on building fragility curves for the debris-flow caused by landslides on mountain slopes. The First-Order Second-Moment (FOSM) method is used to estimate the building fragility curve (expressed as probability of damage exceedance) subjected to debris-flow. In this method, the horizontal displacement of a building impacted by debris-flow and the statistics of resistance (i.e., building displacement) following four different damage states (i.e., slight, moderate, extensive, and complete) are utilized to estimate the building fragility curve. The building vulnerability curves (expressed as mean probability of damage) were evaluated based on the estimated building fragility curve and corresponding mean damage ratio for each damage state and were verified by calculating the root mean square error with datasets obtained from post-disaster damage assessment. In this study, the effects of structural material, type, and height on the building vulnerability curves were also studied. All vulnerability curves of buildings estimated in this study were fitted and databased using parameters of the log-normal cumulative distribution function and can be used to measure the performance of buildings in debris-flow prone areas as well as to provide information for risk and loss assessment.

거더 단면형상 변화에 따른 곡선교량의 지진 취약도 분석

전준태,주부석,손호영 한국재난정보학회 2019 한국재난정보학회 논문집 Vol.15 No.4

연구목적 : 동일한 단면 2차 모멘트를 갖는 곡선 거더의 형상 변화에 따른 곡선 교량의 확률론적 안전성 평가인 지진 취약도 평가를 수행하고자 한다. 연구방법 : I, T, Box Shape 단면을 갖는 곡선 교량을 유한 요소 모델로 구축하였으며 경주 및 포항지진을 포함하여 24개의 입력지진을 적용하여 지진 취약도 평 가를 수행하였다. 연구결과 : 거더의 응력에 대한 지진 취약도의 경우 T-Shpae 거더에서 가장 큰 파괴확 률이 나타났으며 수평변위에 대한 지진 취약도의 경우 3개의 곡선 교량에서 비슷하게 발생하는 것으로 나타났다. 결론 : 3개의 곡선 교량에 대한 지진 취약도 분석을 수행하였으며 비틀림 저항이 가장 큰 Box-Shape 거더의 파괴확률이 가장 낮은 것으로 나타났다. 추후 연구에서는 추가적인 매개변수를 고려 하여 지진 취약도 평가를 수행하고자한다. Purpose: The primery objecting of this paper is to explore the seismics fragility of curved bridge based on the change of girder section. Method: The cross section of the bridge structure was constructed with I, T, and Box shapes and then, in order to perform the seismic fragility 24 seismic ground motions were used, including Gyeongju Pohang Earthquake. Result: Fist, T-Shape of the bridge strucrue was much fragility in terms of the stress on girder section, in comparison to the other shapes. The seismic fragilies of the structures with respect to displacement(drift ratio), however, were shown simialr. Conclusion: In other to wvaluation the seismic fragility of curved structure using different girder shapes, analytical models of the structure were constructed and then, the probability failure of box-shape girder was shown lower probability. In further, Parametric studies of curved structures must be conducted.

토석류 사례 분석을 통한 구조물 취약곡선 개발

송창호(Chang-Ho Song),이지성(Ji-Sung Lee),응유엔 호 홍 듀이(NGUYEN HO HONG DUY ),김윤태(Yun-Tae Kim) 한국방재학회 2023 한국방재학회논문집 Vol.23 No.4

현재 이상기후로 인해 사면재해가 많이 증가하고 있다. 특히 토석류는 인명 및 사회기반시설에 큰 피해를 주고 있다. 일반적으로토석류 유동해석을 통해 얻는 위험강도와 취약곡선을 바탕으로 토사재해 취약성 평가를 수행한다. 취약성 평가의 신뢰성은 정확한 위험강도 산정과 취약곡선에 크게 의존한다. 본 연구에서는 2011년부터 2020년까지 발생한 총 27개 토석류에 대하여GIS 기반 지형학적 특성 정보를 수집하고 토석류 거동을 분석하였다. 이를 바탕으로 연행침식과 건물의 영향을 고려하여토석류 위험 강도를 분석하였다. 토석류로 피해받은 건물을 보강 콘크리트 구조(RC frame)와 비보강 콘크리트 구조(Non-RC frame) 두 가지 유형으로 구분하여 건물의 손상 정도(Slight, Moderate, Extensive, Complete)를 분석하였다. 그리고 건물의 손상정도와위험강도의 관계를 비선형 회귀분석을 통해 취약곡선과 취약함수를 도출하였다. 이와 같은 취약곡선은 토사재해 취약성 평가를 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다. In recent years, owing to climate change various slope disasters are rising. Debris flow causes large damage to human life and social infrastructure. Generally, the vulnerability assessment of slope disasters is carried out using vulnerability curve, which consists of hazard intensity and damage index. A vulnerability curve needs to be highly reliable. In this study, GIS-based topographical characteristics and the information about 27 debris flow events that occurred between 2011 and 2020 were collected and analyzed. The hazard intensity of the debris flow events was evaluated considering entrainment of soils and buildings. Two types of buildings, non-reinforced concrete structure (non-RC) and reinforced concrete structure (RC frame) were classified into four types of vulnerability indices (slight, moderate, extensive, and complete) based on the degree of damage to the building. The relationship between the hazard intensity and the degree of damage to the building was studied through nonlinear regression analysis to derive a vulnerability curve according to the hazard intensity. The proposed vulnerability curve can be used as fundamental data for the vulnerability assessment of landslide disasters.

다양한 비선형지진해석방법에 따른 철근콘크리트 전단벽 구조물의 취약도곡선 평가

장동휘,송종걸,강성립,박창호 한국지진공학회 2011 한국지진공학회논문집 Vol.15 No.4

지진취약도 분석은 원자력 발전소의 내진성능평가를 위하여 발전되어져 왔지만, 현재는 적용성이 건물과 교량 등에도 확대되어지고 있다. 일반적으로 지진취약도 곡선은 수많은 지진가속도 기록을 이용하여 비선형 시간이력해석으로 구한다. 비선형 시간이력해석에 의한 지진취약도 분석은 구조물의 모델링과 해석에 많은 시간이 소요되는 과정을 요구한다. 비선형 시간이력해석의 이와 같은 약점을 보완하기 위해서 변위계수법과 역량스펙트럼 방법과 같은 간단한 해석방법을 지진취약도 분석에 적용하였다. 변위계수법과 역량 스펙트럼 방법을 적용한 지진취약도 곡선의 정확성을 평가하기 위하여, 철근콘크리트 전단벽 구조물에 대한 변위계수법과 역량스펙트럼 방법을 적용한 지진취약도 곡선을 비선형 시간이력해석에 의해 구해진 지진취약도 곡선과 비교하였다. 지진취약도 곡선의 작성을 위해서는 설계스펙트럼에 대응되는 190개의 인공지진과 Shinozuka 등이 제안한 방법이 적용되었다. Seismic fragility analysis has been developed to evaluate the seismic performance of existing nuclear power plants, but now its applicability has been extended to buildings and bridges. In general, the seismic fragility curves are evaluated from the nonlinear time-history analysis (THA) using many earthquake ground motions. Seismic fragility analysis using the nonlinear THA requires a time consuming process of structural modeling and analysis. To overcome this shortcoming of the nonlinear THA, simplified methods such as the displacement coefficient method (DCM) and the capacity spectrum method (CSM) are used for the seismic fragility analysis. In order to evaluate the accuracy of the seismic fragility curve calculated by the DCM and the CSM, the seismic fragility curves of a reinforced concrete shear wall structure calculated by the DCM and CSM are compared with those calculated by the nonlinear THA. In order to construct a numerical fragility curve, 190 artificially generated ground motions corresponding to the design spectrum and the methodology proposed by Shinozuka et al. are used.

강재 재료 불확실성을 고려한 I형 곡선 거더 교량의 경주 지진 기반 지진 취약도 분석

전준태,주부석,손호영 한국재난정보학회 2021 한국재난정보학회 논문집 Vol.17 No.4

연구목적: 곡선 교량은 기하하적 특성으로 직선교량에 비해 복잡한 거동을 보이기 때문에 지진 안전성 평가가 반드시 이루어져야 한다. 본 연구에서는 곡선 거더를 갖는 교량의 강재 재료 특성의 불확실성을 고려한 지진 취약도 평가를 수행하였다. 연구방법: I형 곡선 거더를 갖는 교량의 유한요소 모델을 구축 하였으며 선행연구에서 제시된 강재 특성의 통계적 매개변수를 이용하였다. 라틴 하이퍼큐브 기법을 이용하여 100개의 강재 재료 모델을 샘플링하였다. 경주지진의 지반가속도를 0.2g, 0.5g, 0.8g, 1.2g, 1.5g로 scale을 변화시켜 지진 취약도 평가를 수행하였다. 연구결과: 곡선거더의 지진 취약도 평가결과 한계상태가 190MPa일 때 0.03g 파괴가 시작되었으며 한계상태가 315MPa일 때 0.11g를 초과하면서 파 괴가 시작되는 것으로 나타났다. 결론: 본 연구에서는 재료 불확실성을 고려한 지진 취약도 평가를 수행 하였으며 추후 연구에서는 지진파의 불확실성과 재료의 불확실성을 동시에 고려한 지진 취약도 분석 이 필요할 것으로 판단된다. Purpose: Seismic safety evaluation of a curved bridge must be performed since the curved bridges exhibit the complex behavior rather than the straight bridges, due to geometrical characteristics. In order to conduct the probabilistic seismic assessment of the curved bridge, Seismic fragility evaluation was performed using the uncertainty of the steel material properties of a curved bridge girde, in this study. Method: The finite element (FE) model using ABAQUS platform of the curved bridge girder was constructed, and the statistical parameters of steel materials presented in previous studies were used. 100 steel material models were sampled using the Latin Hypercube Sampling method. As an input ground motion in this study, seismic fragility evaluation was performed by the normalized scale of the Gyeongju earthquake to 0.2g, 0.5g, 0.8g, 1.2g, and 1.5g. Result: As a result of the seismic fragility evaluation of the curved girder, it was found that there was no failure up to 0.03g corresponding to the limit state of allowable stress design, but the failure was started from 0.11g associated with using limit state design. Conclusion: In this study, seismic fragility evaluation was performed considering steel materials uncertainties. Further it must be considered the seismic fragility of the curved bridge using both the uncertainties of input motions and material properties.

2주탑 콘크리트 사장교의 주요 부재 지진 취약도 분석

신연우,홍기남,권용민,연영모 한국구조물진단유지관리공학회 2020 한국구조물진단유지관리공학회 논문집 Vol.24 No.4

This study intends to present a fragility analysis method suitable for concrete cable-stayed bridges by performing an analysis reflectingdesign criteria and material characteristics from the results of inelastic time-history analysis. In order to obtain the fragility curve of the cable-stayedbridge, the limit state of the main component of the cable-stayed bridge is determined, and the damage state is classified by comparing it with theresponse value based on inelastic time history analysis. The seismic fragility curve of the cable-stayed bridge was made by obtaining the probabilityof damage to PGA that the dynamic response of the vulnerable parts to input ground motion would exceed the limit state of each structural member. According to the pylon's fragility curve, the probability of moderate damage at 0.5g is 32% for the longitudinal direction, while 7% for the transversaldirection, indicating that the probability of damage in the longitudinal direction is higher in the same PGA than in the transversal direction. The seismicfragility curve of the connections showed a very high probability of damage, meaning that damage to the connections caused by earthquakes is verysensitive compared to damage to the pylon and cables. The cable's seismic fragility curve also showed that the probability of complete damage stateafter moderate damage state gradually decreased, resulting in less than 30% probability of complete damage at 2.0g. 본 연구에서는 2주탑 콘크리트 사장교를 모델링하고 취약부재에 대한 비탄성 시간이력해석 결과들로부터 설계기준과 재료특성을반영한 취약도 분석을 수행하여 콘크리트 사장교에 적합한 취약도 분석을 제시하고자 한다. 사장교의 지진 취약도 곡선을 작성하기 위해 사장교의 주요 취약부재에 대한 한계상태를 결정하고 비탄성 시간이력해석에 의한 응답값과 비교하여 손상상태를 구분한다. 입력지반운동에 대한취약부위들의 동적응답이 각 구조부재의 한계상태를 초과할 손상확률을 최대지반가속도(PGA)에 대해 구함으로써 사장교의 지진 취약도 곡선을 작성하였다. 주탑의 취약도 곡선에 의하면 0.5g에서 보통손상상태의 확률이 교축방향의 경우 32%인데 반해 교축직각방향의 경우 7%로나타나 동일 PGA에서 교축직각방향에 비해 교축방향의 손상확률이 더 높은 것으로 나타났다. 연결부의 지진 취약도 곡선을 보면 심한 손상상태의 손상확률이 다른 부재에 비해 매우 높은 수준을 보였는데 이는 지진에 의한 연결부의 손상이 주탑과 케이블의 손상에 비해 매우 민감하다는 것을 의미한다. 케이블의 지진 취약도 곡선에서는 보통손상상태 등급 이후의 손상확률이 점차 낮아져 완전손상상태에 이를 확률은 2.0g의큰 지진에서도 30%미만의 확률을 가지는 것으로 나타났다.

Seismic Fragility Curves for Multi-Span Concrete Bridges

Kim Sang Hoon 한국지진공학회 2003 한국지진공학회논문집 Vol.7 No.6

다수의 지점 위에 놓인 교량의 경우, 지진으로 인한 지반운동은 교량길이에 따른 거리에 걸쳐 지점마다 현저하게 다를 수 있다. 본 연구는 이러한 공간적 특성을 고려하기 위하여 지점마다 다른 진폭과 위상 그리고 주파수 성분을 갖도록 지반운동 시간이력곡선을 생성하였고, Monte Carlo 해석기법을 사용하여 생성된 지반운동 하에서 교량의 비선형 동적거동을 고찰하였으며 두개의 실제 교량에 대한 취약도 해석을 수행하였다. 공간적 특성이 지진반응에 미치는 영향을 고려하여 교량교각의 연성도에 대한 취약도 곡선을 개발하였고, 동일지진 하에서의 취약도 곡선과 비교 검토하였다. 본 연구는 동일 지반운동을 사용하여 교량해석을 수행하는 경우 교각의 요구 연성계수가 상이 지반운동을 사용하는 경우보다 저평가 될 수 있다는 것을 입증하였다. 지진취약도 곡선은 지반운동의 강도를 표시하는 PGA, PGV, SA, SV와 SI의 함수로 나타내어졌다. 본 연구는 최초로 공간적 특성을 반영한 지반운동 하에서의 지진취약도 곡선을 개발하였으며, 다경간 교량의 내진설계시 시방서에 그 영향을 고려하기 위한 설계지침의 근거를 제공할 것이다. Seismic ground motion can vary significantly over distances comparable to the length of a majority of highway bridges on multiple supports. This paper presents results of fragility analysis of two actual highway bridges under ground motion with spatial variation. Ground motion time histories are artificially generated with different amplitudes, phases, as well as frequency contents at different support locations. Monte Carlo simulation is performed to study dynamic responses of the bridges under these ground motions. The effect of spatial variation on the seismic response is systematically examined and the resulting fragility curves are compared with those under identical support ground motion. This study shows that ductility demands for the bridge columns can be underestimated if the bridge is analyzed using identical support ground motions rather than differential support ground motions. Fragility curves are developed as functions of different measures of ground motion intensity including peak ground acceleration(PGA), peak ground velocity(PGV), spectral acceleration(SA), spectral velocity(SV) and spectral intensity(SI). This study represents a first attempt to develop fragility curves under spatially varying ground motion and provides information useful for improvement of the current seismic design codes so as to account for the effects of spatial variation in the seismic design of long-span bridges.

I-Shape 단면을 갖는 곡선 보의 지진 취약도 분석

전준태,주부석,손호영 한국재난정보학회 2018 한국재난정보학회 논문집 Vol.14 No.3

연구목적: 본 연구는 I-Shape 단면형상을 가지고 있는 곡선교량의 지진파 불확실성에 따른 안전성 분석을 위해 확률론적 기반 취약도 평가를 목적으로 한다 연구방법: 상용유한요소해석 프로그램(ABAQUS, ANSYS)구축된 모델의 검증을 위해 토크 와 집중하중을 적용하여 정적해석에 따른 해석결과와 이론해를 곡선 보의 1/4L, 2/4L, 3/4L 지점에서 휨 모멘트를 비교한 결과 모든 지점에서 1%내로 오차가 발생하는 것으로 나타나 3차원 유한요소 모델에 대한 신뢰성을 확보 하였다. 곡선교량 구조물의 지진파의 불확실성을 위해 경주 및 포항 지진을 포함하여 세계각지에서 발생한 20개의 지진파를 0.2g부터 1.5g까지 5개의 Scale로 변화시켜 시간이력해석을 수행하였으며, Monte-Carlo Simulation을 기반으로 지진 취약도 평가를 수행하였다. 연구결과: 지진 취약도 분석결과 한계상태를 190MPa로 하였을 때 0.2g를 넘어가면서 파괴가 발 생하나 한계상태를 315MPa로 하였을 경우 0.6g를 넘어서면서 파괴가 발생하는 것으로 나타났다. 결론: 본 연구에서 이론해와 수치해석 모델을 비교함으로써 유한요소 모델을 검증하였으며 구축된 I-Shape 곡선 보 모델의 경우 고주파수 영역에 민감성을 보이며, 추후 연구에서 곡 선 보의 주요 매개변수인 단면형상에 따른 지진 취약도 평가를 수행하고자 한다. Purpose: This study was to the fragility evaluation of I-shape curved beam structure subjected to strong ground motions including Gyeongju and Pohang earthquakes Method: In particular, to conduct the analytical model, ABAQUS and ANSYS platform was used in this study. Furthermore, the analytical model using 3D Finite Element Model (FEM) was validated, in comparison to the theoretical solutions at the location of 025L, 05L, and 0.75L in static loading condition. In addition, in order to evaluate the seismic fragility of the curved beam structure, 20 seismic ground motions were selected and Monte-Carlo Simulation was used for the empirical fragility evaluation from 0.2g to 1.5g. Result: It was interesting to find that the probability of the system failure was found at 0.2g, as using 190 MPa limit state and the probability of the failure using 390 MPa limit state was starting from 0.6g. Conclusion: This study showed the comparison of the theoretical solution with analytical solution on I-shaped curved beam structures and it was interesting to note that the system subjected to strong ground motions was sensitive to high frequency earthquake. Further, the seismic fragility corresponding to the curved beam shapes must be evaluated

증분동적해석을 이용한 철골모멘트골조의 지진취약도 함수

이승원,이원호,김형준,Lee, Seung-Won,Yi, Waon-Ho,Kim, Hyung-Joon 한국전산구조공학회 2014 한국전산구조공학회논문집 Vol.27 No.6

일반적으로 지진취약도를 평가할 때 사용되는 해석방법 중 하나인 역량스펙트럼 방법은 증분동적해석에 비해 해석의 정확성이 떨어지는 제한점이 있다. 본 연구에서는 증분동적해석이 가장 정확도가 높은 해석기법이라는 점에 착안하여 증분동적해석을 이용한 지진취약도 곡선의 도출과정을 제안하였다. 타당성 비교를 위하여 역량스펙트럼 방법과 제안된 방법으로 도출한 취약도 곡선을 비교하여 두 해석기법에 의한 지진취약도 곡선의 경향을 분석하였다. 그 결과 Slight damage와 Moderate damage의 경우 두 해석방법이 유사한 곡선 경향을 보이나 Extensive damage와 Complete damage의 경우에는 IDA방법에 의한 곡선이 더 가파른 경향을 보였다. 이는 구조물의 거동을 이상화하여 극한점 이후 구조물의 저항 강도가 떨어지지 않는다고 가정하는 역량스펙트럼 방법의 영향을 받는 것으로 사료된다. Accuracy of seismic response evaluated by a capacity spectrum method (CSM) is generally known to be less than that by Incremental dynamic analysis (IDA). In this paper, a procedure for IDA based seismic fragility curves for steel moment resisting frames was suggested. This study compares seismic fragility curves using the suggested method (IDA method) with those using a CSM and intends to verify the validity of the IDA method. The shapes of both seismic fragility curves are similar in slight and moderate damage states. However, in the case of extensive and complete damage states, the fragility curves obtained from the IDA method presents a more steep slope due to less variation (or uncertainties). This is due to the fact that the IDA method can properly capture the structural response beyond yielding rather than the CSM.

PSC 상자형교의 지진취약도 곡선에 대한 근거리 및 원거리 지진의 영향

김학수,송종걸 한국지진공학회 2010 한국지진공학회논문집 Vol.14 No.5

구조물의 지진취약도 곡선은 지진의 다양한 강도를 최대지반가속도 등의 함수로 하여 몇 가지로 구분된 손상상태를 초과할 확률을 나타내는 것으로 구조물의 내진성능과 지진위험도를 평가하는데 유용하게 활용된다. 기존의 많은 연구자들이 수행한 지진취약도 곡선에 대한 연구에서 근거리 및 원거리 지진하중의 특성에 대하여 고려하지 못하였다. 본 연구에서는 근거리 및 원거리 지진으로 구분되는 지진가속도 기록을 사용하여 국내 교량의 대표적인 형식의 하나인 PSC상자형교에 대한 지진취약도 곡선을 평가하였으며 근거리와 원거리로 구분된 지진 특성이 지진취약도 곡선에 미치는 영향을 분석하였다. 예제교량의 지진취약도 곡선에 대한 근거리 및 원거리 지진의 영향이 현저한 차이를 나타내므로 지진취약도 해석시 근거리와 원거리로 구분되는 지진의 특성을 반영하여야 할 것이다. Seismic fragility curves of structures represent the probability of exceeding the prescribed structural damage state for a given various levels of ground motion intensity, such as peak ground acceleration (PGA). This means that seismic fragility curves are essential to the evaluation of structural seismic performance and assessments of risk. Most of existing studies have not considered the near- and far-fault earthquake effect on the seismic fragility curves. In order to evaluate the effect of near- and far-fault earthquakes, seismic fragility curves for PSC box girder bridges subjected to near- and far-fault earthquakes are calculated and compared. The seismic fragility curves are strongly dependent on the earthquake characteristics such as fault distance. This paper suggests that the effect of near- and far-fault earthquakes on seismic fragility curves of PSC box girder bridge structure should be considered.