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논문 기본 정보
- 자료유형
- 학위논문
- 저자정보
- 발행연도
- 2014
- 저작권
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이용수10
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지반운동의 공간적 변화와 지반-구조물 상호작용을 고려한 교량의 지진거동 해석
Seismic Behavior Analysis of Bridges Considering Ground Motion Spatial Variation and Soil-Structure Interaction
토목공학과 강 승 우
지도교수 최 광 규
지진운동의 파장의 길이에 비해 구조물의 크기가 상대적으로 작은 구조물의 경우 전체 구조물의 기초에 지반운동이 동일한 것으로 가정하는 것이 합리적이다. 하지만 장대교량 같은 길이가 긴 다 지점 구조물에서는 지진하중이 작용하는 동안 각 지점에서의 지반운동은 필연적으로 차이가 난다. 이것은 지반운동의 공간적 변화로 알려져 있다. 지반운동의 공간적 변화는 각기 다른 위치에서 지진파의 도착시간의 차이에 의해 발생하는 파동전파 효과(wave passage effect), 지반의 이질적인 매체에서의 지진파의 산란에 의한 일관성손실(coherency lose), 부지의 특성에 따른 부지증폭 효과(site amplification effect) 등의 이유에 의해 발생한다. 또한 지반-구조물 상호작용(soil- structure interaction, SSI)으로 알려져 있는 기초 주위의 지반에 의해서도 지반운동은 달라진다.
본 논문에서는 입력지진파의 공간적 변화 및 지반-구조물 상호작용을 고려하여 교량의 충격력을 산정하고 충돌 및 낙교를 피하기 위한 신축이음부의 받침지지길이를 평가한다.
이를 위해 먼저, 기반암운동을 Kanai?Tajimi 파워스펙트럼밀도 함수로 모델링하고 경험적 일관성손실 함수(empirical coherency loss function)와 1차원 파동전파 이론(one-dimensional wave propagation theory)을 이용해 확률론적 시뮬레이션 방법으로 지표면에서의 공간적 변화를 고려한 지반운동 시간이력을 생성하였고, 또한 경험적 일관성손실 함수를 이용하여 국내 표준 응답스펙트럼에 적합한 지반운동 시간이력도 생성하였다.
두 번째로, 지반-구조물 상호작용을 고려하기위해 기초의 크기 및 지반의 전단파속도에 따른 임피던스 해석을 수행하고 교량의 기초를 둘려 싼 지반을 수평방향과 회전방향의 진동수의존 동적강성으로 모델링하였다.
끝으로, 충돌을 고려하기 위해 상이한 동적특성을 갖는 단위교량으로 구성된 교량시스템을 단순화 된 평면뼈대구조와 충돌요소로 모델링하여 상부구조물간의 충돌현상에 대한 응답해석을 수행하였다.
매개변수 해석결과 지반운동의 공간적 변화는 교량의 응답에 큰 영향을 미칠 수 있다는 것을 보여주었다. 예제 교량의 경우 지반운동의 공간적 변화 효과가 지반-구조물 상호작용 효과 보다 구조물의 응답에 더 큰 영향을 미치는 것으로 해석되었다.
주요어 : 지반운동의 공간적 변화, 파동전파, 일관성손실, 부지증폭, 시간이력, 지반-구조물 상호작용, 임피던스 해석, 충돌, 낙교
지반운동의 공간적 변화와 지반-구조물 상호작용을 고려한 교량의 지진거동 해석
Seismic Behavior Analysis of Bridges Considering Ground Motion Spatial Variation and Soil-Structure Interaction
토목공학과 강 승 우
지도교수 최 광 규
지진운동의 파장의 길이에 비해 구조물의 크기가 상대적으로 작은 구조물의 경우 전체 구조물의 기초에 지반운동이 동일한 것으로 가정하는 것이 합리적이다. 하지만 장대교량 같은 길이가 긴 다 지점 구조물에서는 지진하중이 작용하는 동안 각 지점에서의 지반운동은 필연적으로 차이가 난다. 이것은 지반운동의 공간적 변화로 알려져 있다. 지반운동의 공간적 변화는 각기 다른 위치에서 지진파의 도착시간의 차이에 의해 발생하는 파동전파 효과(wave passage effect), 지반의 이질적인 매체에서의 지진파의 산란에 의한 일관성손실(coherency lose), 부지의 특성에 따른 부지증폭 효과(site amplification effect) 등의 이유에 의해 발생한다. 또한 지반-구조물 상호작용(soil- structure interaction, SSI)으로 알려져 있는 기초 주위의 지반에 의해서도 지반운동은 달라진다.
본 논문에서는 입력지진파의 공간적 변화 및 지반-구조물 상호작용을 고려하여 교량의 충격력을 산정하고 충돌 및 낙교를 피하기 위한 신축이음부의 받침지지길이를 평가한다.
이를 위해 먼저, 기반암운동을 Kanai?Tajimi 파워스펙트럼밀도 함수로 모델링하고 경험적 일관성손실 함수(empirical coherency loss function)와 1차원 파동전파 이론(one-dimensional wave propagation theory)을 이용해 확률론적 시뮬레이션 방법으로 지표면에서의 공간적 변화를 고려한 지반운동 시간이력을 생성하였고, 또한 경험적 일관성손실 함수를 이용하여 국내 표준 응답스펙트럼에 적합한 지반운동 시간이력도 생성하였다.
두 번째로, 지반-구조물 상호작용을 고려하기위해 기초의 크기 및 지반의 전단파속도에 따른 임피던스 해석을 수행하고 교량의 기초를 둘려 싼 지반을 수평방향과 회전방향의 진동수의존 동적강성으로 모델링하였다.
끝으로, 충돌을 고려하기 위해 상이한 동적특성을 갖는 단위교량으로 구성된 교량시스템을 단순화 된 평면뼈대구조와 충돌요소로 모델링하여 상부구조물간의 충돌현상에 대한 응답해석을 수행하였다.
매개변수 해석결과 지반운동의 공간적 변화는 교량의 응답에 큰 영향을 미칠 수 있다는 것을 보여주었다. 예제 교량의 경우 지반운동의 공간적 변화 효과가 지반-구조물 상호작용 효과 보다 구조물의 응답에 더 큰 영향을 미치는 것으로 해석되었다.
주요어 : 지반운동의 공간적 변화, 파동전파, 일관성손실, 부지증폭, 시간이력, 지반-구조물 상호작용, 임피던스 해석, 충돌, 낙교
목차
목 차Ⅰ. 서 론 11. 연구의 배경 및 필요성 12. 연구 목적 및 범위 3Ⅱ. 지반운동의 공간적 변화 71. 기반암 운동 102. 파동전파 이론 및 부지응답 해석 123. 일관성손실 함수 174. 지반운동 시뮬레이션 18Ⅲ. SSI 및 충돌해석 261. 지반-구조물 상호작용 해석 26가. 부구조법의 해석이론 28나. 임피던스 해석 30다. 다지점 지진입력 하중에 대한 해석 322. 충돌해석 36가. 충돌 판정 37나. 충돌해석 이론 38다. 충격력 산정 393. 최소 받침지지길이 및 교량의 여유간격 41Ⅳ. 지반운동 시뮬레이션 및 임피던스 해석 441. 부지응답 전달함수 442. 경험적 일관성모델 473. 지반운동 시뮬레이션 51가. 일관성손실 함수를 고려한 지진파의 생성 54나. 부지응답을 고려한 지진파의 생성 62다. 응답스펙트럼에 적합한 지진파의 생성 734. 임피던스 해석 81Ⅴ. 교량해석 및 결과검토 871. 해석대상 교량의 제원 및 수치해석 모델 87가. 상부구조 모델링 89나. 최소 받침지지길이 및 교량의 여유간격 91다. 기초 및 교각 93라. 프로그램 검증 및 교량간격 선택 942. 균일 가진에 의한 교량의 해석 96가. 부지응답 전달함수를 고려한 교량해석 98나. 응답스펙트럼을 고려한 교량해석 103다. 기초의 임피던스를 고려한 교량해석 1063. 다지점 가진에 의한 교량의 해석 111Ⅵ. 요약 및 결론 1161. 요약 1162. 결론 119REFERENCES 120Abstract 129
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