Retrofit prioritization of bridges based on seismic damage risk and failure cost analysis = 손상위험도 및 손상비용에 근거한 교량구조물의 내진보강 우선순위 평가기법

국문 초록 (Abstract)

지진의 발생빈도가 상대적으로 작고, 지진강도 또한 크지 않은 중·약진지역에서 내진보강이 요구되는 모든 교량구조물에 대해 현행 내진설계수준으로 보강을 수행한다는 것은 매우 비경제적인 일이다. 특히 우리나라와 같이 중·약진의 지진강도가 예상되는 지역에서 한정된 재정자원으로 교량구조물의 내진안전성을 효과적으로 확보하기 위해서는 발생가능한 지진하중에 의한 교량구조물의 손상가능성을 평가하고, 이에 기초하여 내진보강이 요구되는 교량구조물의 우선순위를 결정하는 것이 우선적으로 필요하다. 본 연구에서는 발생가능한 지진하중에 의한 교량구조물의 손상위험도와 손상비용에 근거한 가중치를 이용하여 교량구조물의 내진보강 우선순위를 보다 실제적이고, 명확하게 구분할 수 있으며, 평가된 우선순위에 따라 교량별 내진보강이 요구되는 취약부위를 합리적으로 결정할 수 있는 방법론을 제안하였다.
이를 위하여 교량구조물의 지진거동에 영향을 미치는 중요인자들을 고려할 수 있으며, 다양한 지진취약부위의 손상상태를 평가할 수 있는 단순화된 교량해석모형을 개발하였다. 개발된 교량해석모형을 이용하여 교량구조물의 사용기간동안에 발생가능한 지진하중에 의한 각 지진취약부위의 손상확률을 평가하였다. 또한 각 지진취약부위들간의 상대적 영향이나 교량구조물간의 상대적 중요도를 반영하기 위하여 각 지진취약부위별, 교량별 가중치를 손상으로 인해 교량구조물에 야기되는 총 비용에 근거하여 산정하였다. 최종적으로 교량구조물의 내진보강 우선순위는 교량구조물의 손상위험도와 가중치로부터 구해지는 교량별 순위지수에 근거하여 결정되었으며, 결정된 우선순위에 따른 교량별 내진보강부위는 지진취약부위의 손상확률에 근거하여 선정되었다.
제안된 방법론의 타당성을 검증하기 위하여 본 방법론의 결과가 기존의 방법론에 의한 결과와 비교, 분석되었다. 현행 내진설계기준에 따라 두 방법론에 동일한 조건을 부여하기 위해 인접 진동계간 충돌 및 받침 손상에 따른 영향은 고려되지 않았다. 분석결과, 두 방법론에 의한 결과가 유사한 경향을 갖는 것으로 나타났으며, 특히 본 연구에서 제안한 방법론이 각 교량별 내진보강 우선순위를 보다 명확하게 구분할 수 있는 것으로 평가되었다. 따라서 본 방법론은 교량구조물의 사용기간동안에 발생가능한 지진하중에 의한 지진취약부위의 손상확률과 손상비용에 근거한 가중치를 이용함으로써 교량구조물의 내진보강 우선순위 및 교량별 내진보강이 요구되는 취약부위를 보다 실제적으로 결정할 수 있을 것으로 판단된다.
또한 내진보강에 따른 교량구조물의 우선순위 변화를 분석하기 위하여 우선순위에 따라 내진보강이 요구되는 취약부위가 보강된 교량구조물의 우선순위를 재평가하였다. 평가결과로부터 내진 보강된 교량구조물의 순위지수가 내진보강이 요구되지 않는 교량구조물보다도 상당히 낮은 것으로 분석되었다. 따라서 본 연구에서 제안된 방법론은 기존의 방법론과는 달리 기존교량이나 신설교량은 물론 내진 보강된 교량구조물에 대한 우선순위를 효과적으로 평가할 수 있으며, 보강된 교량구조물의 순위지수 변화를 통하여 교량구조물의 내진보강에 따른 내진성능 향상효과도 간접적으로 평가될 수 있을 것으로 판단된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

A seismic damage risk and failure cost based methodology is developed to determine the priority of bridges in need of seismic retrofit. The validity of the developed methodology is verified in comparison with the results of the existing methodology in current practice. The retrofit priority of selected model bridges is estimated using the developed methodology. The ranking indices of the model bridges retrofitted according to the retrofit priority are revaluated.
To determine the retrofit priority efficiently, a simulation procedure is developed by using a simplified mechanical bridge model. The bridge model can consider the damage states of various vulnerable components as well as various phenomena involved in the realistic seismic behaviors of girder-type bridges. The seismic damage risk of bridges is evaluated in the probabilistic perspectives using the simplified bridge model. Based on the failure cost of structural components and bridges, weighting factors are determined. The weighting factors reflect the relative effect and importance of vulnerable components as well as bridge systems. The ranking indices of bridges are evaluated using the overall damage risk and weighting factors. At the final stage, the vulnerable components in need of seismic retrofit are selected accordingly.
The retrofit priority of model bridges is determined and compared with that of the existing methodology in current practice. The results show the similar trends in both methodologies, confirming the validity of the developed methodology. In addition, the developed methodology can reveal the priority in more detail that cannot be determined from the existing methodology because the damage risk and the weighting factors are reasonably considered. Consequently, the developed methodology can give more realistic results in determining the priority of bridges for seismic retrofit.
The ranking indices of the model bridges retrofitted according to the retrofit priority are revaluated. Based on the simulated results of existing and retrofitted bridges, the application of retrofitting method is found to be either positive or negative in some cases. Therefore, the retrofitting method of existing bridges should be carefully selected based on the results of detailed seismic analysis of bridges. Consequently, the seismic damage risk and failure cost based methodology developed in this study can be effectively used in evaluating the retrofit priority of the existing and retrofitted bridges as well as in analyzing the retrofitting effects of the existing bridges.

목차 (Table of Contents)

• ACKNOWLEDGEMENT = iv
• TABLE OF CONTENTS = vi
• LIST OF FIGURES = ix
• LIST OF TABLES = xi
• NOTATION = xiv
• ABSTRACT = xxi
• Chapter 1 INTRODUCTION = 1
• 1.1 Objectives = 2
• 1.2 Review of Literature = 4
• 1.2.1 Methodology for retrofit prioritization of bridges = 4
• 1.2.2 Seismic damage assessment = 6
• 1.2.3 Development of a simplified bridge model for seismic analysis = 9
• 1.2.4 Formulation of cost function = 14
• 1.3 Scope and Limitation = 16
• 1.4 Organization = 17
• Chapter 2 SEISMIC DAMAGE RISK AND FAILURE COST BASED METHODOLOGY = 19
• 2.1 Introduction = 19
• 2.2 Review of the Existing Methodologies = 21
• 2.2.1 Seismic rating system in the U.S. = 22
• 2.2.2 Seismic retrofit prioritization scheme = 24
• 2.2.3 Seismic screening procedure in Canada = 26
• 2.2.4 Retrofit prioritization procedure in Korea = 28
• 2.3 Conceptual Procedure of Methodology Based on Seismic Damage Risk and Failure Cost Analysis = 31
• 2.4 Formulation of Failure Cost Function = 35
• 2.4.1 Structural failure cost = 35
• 2.4.2 Functional failure cost = 40
• 2.4.3 Environmental impact and social cost = 42
• Chapter 3 SIMPLIFIED MECHANICAL BRIDGE MODEL FOR SEISMIC ANALYSIS = 43
• 3.1 Introduction = 43
• 3.2 Modeling of Superstructure System = 45
• 3.2.1 Pounding between adjacent vibration units = 46
• 3.2.2 Fixed and movable bearing = 48
• 3.3 Modeling of Substructure System = 50
• 3.3.1 Nonlinearity of RC piers = 51
• 3.3.2 Motion of deep foundations = 56
• 3.3.3 Abutment-backfill system = 59
• 3.4 Structural Damage Model = 61
• 3.4.1 Damage model for RC piers = 62
• 3.4.2 Damage model for bearings = 64
• 3.4.3 Unseating failure model = 70
• 3.5 Modeling of a Whole Bridge = 72
• 3.5.1 Modeling of a multi-span simply supported bridge = 72
• 3.5.2 Modeling of a multi-span continuous bridge = 75
• Chapter 4 EVALUATION OF PRIORITY OF BRIDGES FOR SEISMIC RETROFIT = 77
• 4.1 Description of Model Bridges = 77
• 4.1.1 Description of multi-span simply supported bridges = 78
• 4.1.2 Description of multi-span continuous bridges = 81
• 4.2 Input Seismic Excitations and Seismic Hazard = 83
• 4.3 Damage Probability Analysis = 86
• 4.4 Retrofit Prioritization of Model Bridges = 87
• 4.4.1 Damage probability of each vulnerable component = 88
• 4.4.2 Failure cost of each component and bridge = 93
• 4.4.3 Equivalent damage probability of each component = 100
• 4.4.4 Ranking indices of model bridges = 102
• 4.5 Verification of the Developed Methodology = 103
• 4.5.1 Verification by comparison with existing methodology = 103
• 4.5.2 Verification using the seismic responses of bridges = 108
• Chapter 5 DETERMINATION OF PRACTICAL RETROFIT MEASURES BASED ON RANKING INDEX = 114
• 5.1 Seismic Retrofit Methods = 114
• 5.1.1 Retrofit method applying steel jackets = 114
• 5.1.2 Retrofit method using cable restrainers = 115
• 5.2 Revaluation of Priority of the Bridges Retrofitted Based on Needs for Seismic Retrofit = 116
• 5.3 Effective Retrofit Measures Based on the Ranking of Existing and Retrofitted Bridges = 118
• Chapter 6 SUMMARY AND CONCLUSIONS = 122
• REFERENCES = 125
• Appendix A EQUATIONS OF MOTION FOR BRIDGE SYSTEMS = 138
• Appendix B BASIC DATA FOR RANKING INDEX AND SEISMIC RESPONSES OF MODEL BRIDGES = 145
• Appendix C DETAILS OF FAILURE COST = 158
• ABSTRACT IN KOREAN = 167