증분동적해석에 의한 교량 구조물의 지진취약도 평가 = Seismic fragility assessment of bridge structures using Incremental Dynamic Analysis

국문 초록 (Abstract)

현재 교량과 같은 인프라 구조물들이 지진으로 인해 많은 피해를 받고 있는 것은 사실이다. 교량 구조물은 지진 하중에 대해 복잡한 비선형 거동을 보이기 때문에, 이를 정밀하게 평가하는 해석방법이 필요하다. 본 연구는 교량 구조물의 내진성능을 정량적으로 평가하기 위하여 증분동적해석 또는Incremental Dynamic Analysis (IDA) 방법을 중심으로 지진취약도 곡선을 도출하고, 이를 바탕으로 확률론적 지진요구도 모델인 Probabilistic Seismic Demand Model (PSDM)을 활용하여 결과를 비교·분석하였다. 대상 구조물은 납-고무받침(Lead Rubber Bearing)과 탄성받침(Rubber Bearing)을 사용하는 교량이며, 해석에는 총 40개의 근거리(near-fault) 및 원거리(far-field) 지진의 지반운동이 사용되었다. 주요 응답 변수로는 변위비(교각의 최대변위를 유효높이로 나눈 값)를 사용하였고, 이를 기반으로 네 단계의 손상 상태(Damage States)를 정의하였다. IDA 수행 시, 각 지진기록에 대해 지반 가속도(Peak Ground Acceleration)를 0.01g에서 5.0g까지 단계적으로 증가시키며 비선형 해석을 수행하였으며, 0.01g부터 1.0g까지는 0.01g 간격, 1.0g부터 5.0g까지는 0.05g 간격으로 스케일링하여 정밀한 응답 곡선을 확보하였다. 도출된 응답 데이터를 바탕으로 로그정규분포(lognormal distribution)를 가정한 지진취약도 곡선을 구축하였고, 동일한 해석 조건에서 PSDM 기반 회귀분석을 수행하여 손상 확률을 추정하였다. 비교 결과, 근거리 지진 조건에서는 대부분의 손상 상태에서 PSDM 기반 중앙값이 IDA 결과보다 작거나 유사하게 나타났으며, 반대로 원거리 지진 조건에서는 일부 손상상태에서 PSDM이 IDA보다 큰 중앙값을 보여 손상 확률을 낮게 평가하는 경향도 확인되었다.
본 연구는 다양한 지진 조건에서 IDA 기반의 상세한 취약도 분석 결과를 PSDM과 비교함으로써 구조물의 손상 확률 차이를 정량적으로 분석하였으며, 해석방법에 따른 평가 결과의 변동성을 이해하는 데 기여하고자 하였다.

목차 (Table of Contents)

• Ⅰ. 서론 1
• 1. 연구 배경 및 동향 1
• 2. 연구에 대한 차별성 및 독창성 4
• 3. 연구 방법 5
• 4. 논문구성 6
• Ⅱ. 증분동적해석(IDA)의 원리 및 해석 절차 7
• 1. 기존 내진성능 해석법의 한계 7
• 2. 증분동적해석(IDA)의 개요 8
• 1) IDA의 등장 배경 및 발전 과정 8
• 2) IDA의 장.단점 및 필요성 9
• 3) IDA 방법을 활용한 사례 10
• 3. IDA의 해석 절차 11
• 1) 지진파 선택 및 스케일링 12
• 2) 강도지표(IM)와 응답지표(DM) 설정 13
• 3) 손상상태(DS)의 정의 14
• 4. IDA 결과의 해석 및 지진취약도 해석 15
• Ⅲ. 교량 모델링 및 해석 16
• 1. 교량 모델링 16
• 1) 상부구조 17
• 2) 교각 18
• 3) 교량받침 19
• (1) 탄선받침 (Rubber Bearing, RB) 20
• (2) 납-고무받침 (Lead-Rubber Bearing, LRB) 21
• 2. 해석 프로그램 22
• 3. 입력지진 23
• 1) 근거리 지진과 원거리 지진의 특성 차이 26
• 2) 지진하중의 특성 및 구조물에 미치는 영향 28
• Ⅳ. 예제 교량의 지진취약도 평가 29
• 1. 증분동적해석(IDA)에 의한 교량의 응답 분석 29
• 2. IDA를 이용한 지진취약도 평가 34
• 1) IDA를 이용한 손상상태 정의 34
• 2) IDA를 이용한 지진취약도 해석방법 35
• 3. IDA를 이용한 지진취약도 곡선 결과 36
• 1) 손상 단계별의 초과확률 계산 결과 36
• 2) IDA를 이용한 지진취약도 함수 및 지진취약도 곡선 41
• 4. 확률론적 지진요구도 모델(PSDM)을 이용한 지진취약도 45
• 1) 확률론적 지진요구도 모델(PSDM) 46
• 2) PSDM을 이용한 지진취약도 곡선 결과 50
• 5. IDA 기반 지진취약도와 PSDM 기반 지진취약도 비교 52
• 1) 방법론의 대수표준편차 비교 53
• 2) 대수정규분포함수의 중앙값 및 취약도 곡선 비교 55
• Ⅴ. 결론 및 향후 연구계획 58
• 1. 결론 58
• 2. 향후 연구계획 60
• 참고문헌 62
• Abstract 65