케이블 파단 시나리오 및 지진을 고려한 인천대교의 구조여용성 평가 :Structural redundancy evaluation of the Incheon bridge considering cable fracture scenarios and earthquake loadings

김은수

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자료유형: 학위논문

저자정보: 김은수 (홍익대학교, 홍익대학교 대학원)

지도교수: 강준원

발행연도: 2022

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이용수11

이 논문의 연구 히스토리 (3)

2022

케이블 파단 시나리오 및 지진을 고려한 인천대교의 구조여용성 평가

김은수 토목공학과 2022.01 학위논문

2021

한계상태 지진응답을 이용한 인천대교의 구조여용성 평가

김은수 , 강준원 대한토목학회 학술대회 2021.10 학술대회자료

2020

설계변수의 확률분포를 이용한 인천대교의 구조여용성 평가

김은수 , 홍상원 , 강준원 대한토목학회 학술대회 2020.10 학술대회자료

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이 논문에서는 한계상태응답을 이용하여 케이블 파단과 지진 발생 시나리오를 고려한 인천대교의 구조여용성 평가기법을 제시한다. 이를 위해 손상 시나리오에 대한 교량의 구조여용성을 정량적으로 나타낼 수 있는 한계상태응답 기반 구조여용성지수를 정의한다. 교량시스템의 한계상태로써 극한한계상태, 사용한계상태, 부재의 선 손상을 전제로 한 시스템의 극한한계상태를 고려하며, 한계상태에서의 활하중계수를 이용해 각 한계상태에 대한 구조여용성지수와 상대신뢰도지수를 계산한다. 표준차로하중에 대한 구조여용성 평가기법의 타당성 평가를 위해 공용 중인 인천대교에 대해 케이블 파단 시나리오와 표준차로하중을 고려한 구조여용성 평가를 수행하였다. 인천대교의 설계 특성을 반영하는 유한요소모델을 구성하고, 점진적 케이블 파단 시나리오를 상정하여 표준차로하중에 대한 인천대교의 구조여용성을 평가하였다. 계산 결과 케이블 파단 수가 증가함에 따라 구조여용성지수 및 상대신뢰도지수가 감소하였다. 구조여용성 평가 결과를 통해 제시한 구조여용성 평가방법의 타당성을 평가하였다. 또한 지진하중에 대한 구조여용성 평가를 위해 국내 도로교설계기준(한계상태설계법)의 설계응답스펙트럼에 부합하는 인공지진파를 이용해 인천대교의 내진 구조여용성을 평가하였다. 인천대교 유한요소모델에 인공지진파를 적용하고 최우도추정법(maximum likelihood estimation)을 이용해 한계상태별 지진취약도 곡선을 작성하였다. 이러한 지진취약도 곡선을 이용해 HCLPF 성능지수를 계산하고 케이블 파단 수의 증가에 따른 HCLPF 성능지수의 변화 추이를 제시하였다. HCLPF 성능지수 계산 결과 케이블 파단 수가 증가함에 따라 HCLPF 성능지수가 감소하였다. 또한 극한한계상태의 전 단면 항복 기준을 보수적으로 설정하여 전 단면 항복 기준에 따른 HCLPF 성능지수의 변화 추이도 제시하였다. 그 결과 전 단면 항복 기준을 보수적으로 설정함에 따라 HCLPF 성능지수가 감소하였다.
이 논문에서는 도로교설계기준(한계상태설계법)(국토교통부, 2016)의 설계하중에 대한 사장교의 구조여용성 평가기법을 제안하였다. 이 논문의 구조여용성 평가기법은 재난 및 재해에 대한 케이블교량의 신뢰도 기반 안전성 평가 체계의 구축에 기여할 수 있다.

This thesis presents a method for evaluating structural redundancy of Incheon Bridge considering cable fracture and earthquake scenarios based on limit-state responses. To this end, we defined structural redundancy indices based on the limit state response that can quantitatively represent the structural redundancy of bridge to damage scenarios. As the limit state of bridge system, the ultimate limit state, the serviceability limit state, and the ultimate limit state on the assumption that one component of the system has previously been damaged are considered and calculate the structural redundancy indices and relative reliability indices for each limit state using the live load factor. To evaluate the validity of the structural redundancy evaluation method for the standard lane load, the structural redundancy evaluation was performed considering cable fracture scenario and the standard lane load for the Incheon Bridge. A finite element model reflecting the design characteristics of Incheon Bridge was constructed and evaluate the structural redundancy of Incheon Bridge considering gradual cable fracture scenario and standard lane loads. As a result of the calculation, as the number of fractured cables increased, the structural redundancy indices and the relative reliability indices decreased. The validity of the structural redundancy evaluation method presented in this thesis was evaluated through the results of the structural redundancy evaluation. In addition, to evaluate the structural redundancy for earthquake loads, the seismic structural redundancy of Incheon Bridge was evaluated using artificial seismic waves that conform to the design response spectrum of the Korea Highway Bridge Design Coda-Limit State Design Method(KHBDC-LSD). Artificial seismic waves were applied to finite element model of the Incheon Bridge and seismic fragility curves for each limit state were created by the maximum likelihood estimation method. Using this seismic fragility curves, the high confidence of low probability of failure(HCLPF) was calculated, and the change trend of the HCLPF according to the increase in the number of fractured cables was presented. As a result of calculating the HCLPF, the HCLPF decreased as the number of fractured cables increased. In addition, the change trend of the HCLPF according to full section yielding criterion was also presented by conservatively setting the full section yielding criterion of ultimate limit state. As a result of calculating the HCLPF, the HCLPF decreased as the full section yielding criterion was set conservatively.
In this thesis, a method for evaluating the structural redundancy of cable-stayed bridges for the design load of KHBDC-LSD is proposed. The structural redundancy evaluation method of this thesis can contribute to the establishment of a reliability-based safety evaluation system for cable-stayed bridges against disasters.

제 1장. 서론 1
1.1. 연구 배경 1
1.2. 연구 목적 4
제 2장. 구조여용성 평가 모듈 6
제 3장. 케이블교량의 한계상태응답 기반 구조여용성 평가방법 8
3.1. 한계상태 활하중계수를 이용한 방법 8
3.1.1. 구조여용성지수 8
3.1.2. 상대신뢰도지수 10
3.2. 지진취약도를 이용한 방법 11
3.2.1. 최우도추정법 11
3.2.2. High Confidence of Low Probability of Failure(HCLPF) capacity 14
3.3. 케이블교량 구조여용성지수의 임계값 19
3.3.1. 임계여용성지수 계산 방법 19
3.3.2. 사장교의 유한요소모델 21
3.3.3. 사장교 설계변수의 확률분포 23
3.3.4. 사장교의 임계여용성지수 및 임계상대신뢰도지수 24
3.3.5. 임계여용성지수 및 임계상대신뢰도지수 계산 결과 27
제 4장. 구조여용성 평가 기법 적용 31
4.1. 인천대교의 유한요소모델 구축 32
4.1.1. 부재별 기하모델 32
4.1.2. 재료 및 단면 특성 36
4.1.3. 부재간 연결 설정 및 경계조건 48
4.1.4. 감쇠특성 52
4.1.5. 유한요소모델의 타당성 평가 53
4.2. 하중모델 62
4.2.1. 표준차로하중 62
4.2.2. 지진하중 64
4.3. 한계상태 및 손상시나리오 66
4.4. 구조여용성 평가 결과 83
4.4.1. 한계상태 활하중계수를 이용한 구조여용성 평가 결과 83
4.4.2. 지진취약도를 이용한 구조여용성 평가 결과 90
제 5장. 통합 forward 해석 제어 모듈 117
5.1. Forward 해석 제어 모듈의 기능 117
5.2. Forward 해석 제어 모듈의 구성 118
제 6장. 결론 119
참고문헌 121
SUMMARY 126
감 사 의 글 129

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