마찰복원형 지진격리받침이 설치된 사장교의 성능기반 내진설계법 개선

국문 초록 (Abstract)

「도로교설계기준 케이블교량편」은 일반 도로교 설계기준과 달리 성능기반 내진설계법으로서, 교량의 내진성능수준을 기능수행수준, 장기복구수준, 붕괴방지수준으로 구분하고 각 내진성능수준에 해당하는 설계지진과 목표성능 뿐만 아니라 지진해석법도 규정하고 있다.
내진성능수준별 지진해석법은 기능수행수준과 장기복구수준의 목표 내진성능을 검토하는 내진설계 단계에서는 다중모드스펙트럼해석법 또는 시간이력해석법을 적용할 수 있고, 붕괴방지수준의 내진성능 검증단계에서는 비선형 시간이력해석법을 적용해야 한다. 지진응답 산정 시 비선형 시간이력해석법은 지진격리받침의 비선형 거동 특성을 실질적으로 반영할 수 있지만, 다중모드스펙트럼해석법은 지진격리받침의 비선형 거동을 단순화하기 위해 유효강성()을 이용하여 해석한다.
마찰복원형 지진격리받침이 설치된 부산외곽순환 고속도로상의 사장교를 대상으로 동특성 분석 실험을 실시한 결과 받침 마찰면의 미끌림이 발생하기 전에는 받침의 무한강성()이나 초기강성()을 적용한 해석모델과 비슷한 거동을 보임에 따라, 받침의 유효강성()을 사용한 지진해석 모델은 지진 시 교량의 거동 특성, 즉 모드 및 고유주기 반영이 미흡한 것으로 나타났다.
또한, 해당 사장교를 대상으로 비선형 지진해석 모델을 작성하여 기능수행수준과 장기복구수준의 각 지진하중에 대해 지진해석을 수행한 결과, 비선형 시간이력해석과 다중모드스펙트럼해석 간에 지진응답은 매우 큰 차이를 나타냈고 다중모드스펙트럼해석법은 비선형 시간이력해석법보다 지진응답을 과소 평가하는 경향을 보였다.
위의 동특성 분석 실험과 비선형 지진해석 결과 마찰복원형 지진격리받침이 설치된 사장교에 대해 다중모드스펙트럼해석법을 이용하여 내진설계를 수행하면 내진성능수준별 허용손상수준 만족 여부를 잘못 판단할 수 있고, 교량의 안전성 측면에서 불합리한 설계가 될 수 있다는 사실을 확인하였다.
따라서, 사장교에 설치된 마찰복원형 지진격리받침의 실 거동 특성을 반영하여 각 내진성능수준별 받침의 지진격리효과 발휘 여부에 따라 지진해석법을 달리 적용하도록 하는 개선된 설계 절차를 제시하였다. 뿐만 아니라, 마찰복원형 지진격리받침이 설치된 사장교의 효율적인 내진설계를 위하여 받침의 마찰계수에 따른 지진응답 민감도 분석을 수행하여 각 내진성능수준별 최적마찰계수를 산출하였다.

목차 (Table of Contents)

• 제1장 서 론 1
• 1.1 연구 배경 1
• 1.2 연구 동향 4
• 1.3 연구 목적 및 내용 11
• 제2장 케이블교량 설계기준 및 마찰복원형 지진격리받침 특성 13
• 2.1 성능기반 내진설계 13
• 2.2 도로교설계기준 케이블교량편 16
• 2.2.1 일반사항 16
• 2.2.2 지진계수 16
• 2.2.3 내진성능수준과 설계지진 18
• 2.2.4 지진해석 방법 18
• 2.2.5 허용손상수준 22
• 2.3 내진설계기준 공통적용사항 24
• 2.4 지진격리교량 설계 기준 27
• 2.4.1 설계 원리 27
• 2.4.2 해석 방법 27
• 2.4.3 해외 주요 설계기준 29
• 2.5 마찰복원형 지진격리받침 구성 및 특성 40
• 2.5.1 받침 구성 40
• 2.5.2 받침 거동 이론 41
• 2.5.3 받침 설계 46
• 2.5.4 타 지진격리받침 대비 주요 특성 49
• 제3장 사장교 동특성 분석 실험을 통한 현 내진설계법 문제점 도출 51
• 3.1 동특성 분석 실험 목적 51
• 3.2 동특성 분석 실험 대상 교량 및 실험 개요 53
• 3.2.1 현장실험 대상 교량 현황 53
• 3.2.2 실험 개요 57
• 3.3 제1차 동특성 분석 실험 58
• 3.3.1 센서 제원 및 설치 현황 58
• 3.3.2 자유진동 가속도 데이터 획득 61
• 3.4 제2차 동특성 분석 실험 64
• 3.4.1 센서 제원 및 설치 현황 64
• 3.4.2 자유진동 가속도 데이터 획득 69
• 3.5 실험결과 및 분석 73
• 3.5.1 대상교량 개통 전·후 실험 결과 비교 73
• 3.5.2 해석 결과 비교 75
• 3.6 케이블장력 측정 결과 82
• 제4장 지진해석법에 따른 사장교 지진응답 결과 분석 89
• 4.1 사장교 비선형 지진해석 모델 작성 89
• 4.1.1 지진해석 모델링 개요 89
• 4.1.2 재료 비선형 특성 반영 90
• 4.1.3 입력 지반운동 92
• 4.1.4 받침 모델링 95
• 4.1.5 초기평형력 입력 96
• 4.1.6 비선형 지진해석 모델 적정성 검증 98
• 4.2 지진해석법에 따른 지진응답 비교 101
• 4.2.1 기능수행수준 지진하중에 대한 지진응답 비교 101
• 4.2.2 장기복구수준 지진하중에 대한 지진응답 비교 106
• 4.2.3 붕괴방지수준 지진하중에 대한 지진응답 110
• 4.2.4 지진해석에 따른 지진응답 결과 분석 113
• 4.2.5 비선형 시간이력해석 결과 지진응답 변화 추이 119
• 제5장 사장교 비선형 지진해석을 통한 최적마찰계수 산정 124
• 5.1 기존 연구사례 124
• 5.2 최적마찰계수 산정을 위한 사장교 비선형 지진해석 모델 133
• 5.3 최적마찰계수 산정을 위한 민감도 분석 134
• 제6장 마찰복원형 지진격리받침이 설치된 사장교의 내진설계법 개선 141
• 6.1 마찰복원형 지진격리받침 거동 특성 반영 141
• 6.2 성능기반 설계에 기초한 사장교의 내진설계법 제안 142
• 제7장 결론 및 향후 연구계획 149
• 7.1 결론 149
• 7.2 향후 연구계획 151
• 참 고 문 헌 153
• 부 록 158
• ABSTRACT 182

참고문헌 (Reference)

1. 사장교의 시공 중 장력 평가, 심성한, 이용한, 진동법을, 조수진, 윤정방, Journal of the Korean Society of Safety, Vol. 29, No. 2, pp. 38∼44, , 2014

2. 우리나라의 면진 및 진동제어, 이동근, 김태호, 한국지진공학회 제10권 제6호, pp. 67∼77, , 2006

3. 도로교설계기준(한계상태설계법), 도로교설계기준, 국토교통부, , 2016

4. 지진격리장치의 품질관리 시험기준, 박창호, 장동휘, 한국구조물진단유지관리공학회 봄 학술발표회 논문집, pp. 969∼972, , 2013

5. 인장 케이블의 장력 추정에 관한 연구, 진동법을, 김남식, 이용한, 한국소음진동공학회논문집 제12권 제12호, pp. 956∼963, , 2002

6. 원전 EQS 면진장치의 성능개선을 위한 연구, 조명석, 이유진, 이홍표, 지용수, 백준호, 이유인, 한국지진공학회 논문집 19권 1호, pp. 13∼19, , 2015

7. 교량에 대한 지진격리받침의 내진성능 평가, 이인원, 박규식, 김운학, 정형조, 대한토목학회논문집 제23권 제3A호, pp. 457∼469, , 2003

8. 마찰 진자형 지진격리받침의 설계특성 검증, 아재석, 홍동희, 건설기술연구소 논문집, 제36권 제2호, pp. 25?33, , 2017

9. 도로교설계기준(한계상태설계법) 케이블교량편, 도로교설계기준, 국토교통부, , 2016

10. 지진격리받침을 이용한 기존 교량의 내진성능 향상, 박선규, 김민지, 한경봉, 한국지진공학회 논문집 제8권 제2호, pp. 9?17, , 2004

11. 전단거동이 우세한 기둥의 비선형 해석에 관한 연구, 선창호, 김익현, 이종석, 대한콘크리트학회논문집 제16권 제4호, pp. 467∼476, , 2004

12. PTFE 미끄럼받침을 적용한 지진격리교량의 해석적 연구, 김효범, 정길영, 박종찬, 음성우, 대한토목학회논문집 제19권 제1-2호, pp. 149∼159, , 1999

13. 장대 사장교 시공중 형상관리(가설엔지니어링) 체계화, 손윤기, 조용우, 김성헌, 유동호, 한국강구조학회지 기술기사, pp. 68∼76, , 2011

14. 공영이, 지진격리받침이 설치된 사장교의 동적거동 특성, 공영이, 부산대학교 박사학위 논문, , 2015

15. 중약진 지역에서 지진격리교량의 상대강성비에 관한 연구, 김용길, 서울대학교 박사학위 논문, , 2000

16. ICT센터 사례 연구를 통한 EQS의 건축 구조물 면진에의 적용 연구, 이유인, 김두기, 유성문, 지용수, 최대성, 한국지진공학회 논문집 제17권 2호, pp. 61∼70, , 2013

17. EQS 면진장치의 항복 후 강성을 고려한 면진 원전구조물의 지진응답, 김병수, 송종걸, 한국지진공학회 제20권 제5호, pp. 319∼329, , 2016

18. 지진격리교량설계의 현황 및 적용 연구, 대한토목학회 정기학술대회, 강형택, 하동호, 고현무, 이일근, 박진완, 안상섭, 구조, pp. 272?276, , 2004

19. 마찰받침을 가진 지진격리교량의 지진응답특성, 대한토목학회논문집, 고현무, 하동호, 제20권 제6-A호, pp. 937∼944, , 2000

20. 지진격리받침을 갖는 PSC I형 거더교량의 지진거동 특성 및 경제성 분석, 박장호, 최광수, 신영석, 홍순호, 한국전산구조공학회 제21권 제2호, pp. 145?151, , 2008

21. 폴리우레탄 마찰복원형 지진격리받침의 동적거동에 대한 실험 및 해석적 연구, 이유인, 정대유, 박형기, 한국지진공학회 제15권 제2호, pp. 61∼69, , 2011