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1 Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society Vol. 17, No. 9 pp , ISSN / eissn 문도수, 이영주 *, 이상목 울산과학기술원도시환경공학부 Seismic Vulnerability Assessment of RC Frame Structures Using 3D Analytical Models Do-Soo Moon, Young-Joo Lee *, Sangmok Lee School of Urban and Environmental Engineering, Ulsan National Institute of Science and Technology 요약지진으로인한구조물의피해가지속적으로증가하면서, 구조물의취약성을평가하는일은지진대비에필수적으로여겨지고있다. 지진취약도곡선은지진에대한구조물의안전도에대한확률지표로써널리이용되고있으며, 많은연구자들에의해보다정확하고효율적인취약도곡선도출을위한노력이계속되고있다. 하지만기존의대부분의연구에서는취약도곡선도출시수치해석시간절약을위해단순화된 2차원해석모델을사용해왔는데, 많은경우에있어 2차원모델은정확한구조물의내진거동및지진취약성을평가하기에적당하지않을수있다. 이에본연구에서는 3차원해석모델을사용하여더욱정확하면서도여전히효과적으로지진취약도곡선을도출할수있는방법을제시한다. 이방법은신뢰성해석소프트웨어인 FERUM 과구조해석소프트웨어인 ZEUS-NL 을서로연동시켜상호자동적인데이터교환이가능하게하고, 샘플링기법이아닌 FORM 해석기법을통해구조물의파괴확률을구한다. 이는 3차원모델을사용의경우에도효율적으로구조신뢰성해석이가능하게해준다. 이를이용해 RC 프레임구조물의 3차원해석모델을사용하여지진취약성평가를수행하였다. Abstract As the structural damage caused by earthquakes has been gradually increasing, estimating the seismic fragility of structures has become essential for earthquake preparation. Seismic fragility curves are widely used as a probabilistic indicator of structural safety against earthquakes, and many researchers have made efforts to develop them in a more accurate and effective manner. However, most of the previous research studies used simplified 2D analytical models when deriving fragility curves, mainly to reduce the numerical simulation time; however, in many cases 2D models are inadequate to accurately evaluate the seismic behavior of a structure and its seismic vulnerability. Thus, this study provides a way to derive more accurate, but still effective, seismic fragility curves by using 3D analytical models. In this method, the reliability analysis software, FERUM, is integrated with the structural analysis software, ZEUS-NL, enabling the automatic exchange of data between these two software packages, and the first order reliability method (FORM), which is not a sampling-based method, is utilized to calculate the structural failure probabilities. These tools make it possible to conduct structural reliability analyses effectively even with 3D models. By using the proposed method, this study conducted a seismic vulnerability assessment of RC frame structures with their 3D analytical models. Keywords : 3D frame structure, Fragility curve, Nonlinear dynamic analysis, Seismic vulnerability, Structural reliability analysis 본논문은 2016년 UNIST( 울산과학기술원 ) 연구비 ( ) 에의하여연구되었음. * Corresponding Author : Young-Joo Lee(Ulsan National Institute of Science and Technology) Tel: ylee@unist.ac.kr Received August 18, 2016 Accepted September 9, 2016 Revised September 6, 2016 Published September 30,
2 1. 서론전세계적으로지진이빈번하게발생하고있으며, 지진에의한각종건물과사회기반시설들의피해도지속적으로증가하고있다 [1]. 이에발생가능한지진에대한구조물의취약성을사전에평가하여, 예측되는구조물의피해를저감시키려는노력들이계속되어왔다. 이러한노력들에있어구조물의상대적인내진성능을확률적으로보여주는지진취약도곡선은다양한구조물의지진취약도평가를수행하는데매우유용하게활용되고있다. 지진취약도곡선은구조물의성능에영향을미치는여러가지불확실성요소를고려하여다양한지진강도에대하여구조물이정해진수준이상의피해를입을확률을계산하여얻어진다 [2]. 이를위한구조신뢰성해석은그특성상반복적인구조해석을필요로하게되는데, 구조해석에비교적오랜시간이소요되는 3차원구조물의경우수치해석시간을줄이기위해 2차원으로단순화된모델을사용하여지진취약도곡선을구하고있다. 하지만최근들어구조물의형태는점점더복잡하고다양해지고있다. 이러한경우에는단순화된 2차원모델로정확한구조물의거동을평가할수없게되기때문에, 3 차원구조해석모델을사용하면서도효율적으로지진취약도평가를할수있는방법이요구된다. 기존의많은연구들은 3차원구조물의지진취약성평가를위해단순화된 2차원구조해석모델을구축한후, 이를활용한확률론적시뮬레이션을통해지진취약도곡선을도출해왔다 [2, 3]. 하지만이러한방법에는다음과같은문제점이존재할수있다. 우선시뮬레이션비용절감을위해단순화한 2차원구조해석모델으로는, 구조물의형태가정형이아니거나면외방향지진하중의효과까지고려한해석을해야하는경우들을포함한다 양한경우의구조물에대해서, 정확한지진취약성평가가어렵다. 다음으로는몬테카를로시뮬레이션과같은샘플링기반의기법들은신뢰할만한결과를얻기위해서굉장히많은수의샘플과그에따른구조해석을요구하기때문에, 낮은수준의파괴확률들에대해서는상당한수의샘플로도결과의신뢰도가떨어지게된다 [3]. 이에본연구에서는 3차원구조해석모델을이용함으로써보다정교하게구조물의내진거동을평가할수있으면서, 상대적으로낮은수준의파괴확률을가지는구조물에대해서도매우정확한지진취약도곡선을효율적으로얻을수있는기법을도입하였다. 기존연구들에서는주로 2차원구조해석모델을바탕으로한샘플링기반기법이사용된반면, 이기법에서는구조해석으로 3차원해석모델을이용한비선형시간이력해석 (nonlinear response history analysis) 을수행하면서, 이를바탕으로샘플링을활용하지않는대표적인확률기반신뢰성해석기법인 FORM(First Order Reliability Method)[4] 해석을활용한다. 이를위하여신뢰성해석소프트웨어인 FERUM(Finite Element Reliability Using Matlab)[5] 과비선형동적해석에특화된구조해석소프트웨어인 ZEUS-NL[6] 이사용되었다. 그리고이들소프트웨어들을연동시켜줄수있는인터페이스인 FERUM-ZEUS이개발되었다. 이들을이용한구조신뢰성해석플랫폼의개요는 Fig. 1과같다. FERUM-ZEUS 를통한두소프트웨어사이의자동적인데이터교환은지진취약도곡선을더욱효율적으로구할수있게해준다 [3]. 이를이용해본연구에서는 RC 프레임구조물의지진취약도곡선을 3차원해석모델을이용하여도출하였다. Fig. 1. Outline of structural reliability analysis using FERUM-ZEUS 725
3 한국산학기술학회논문지제 17 권제 9 호, 신뢰성해석기법신뢰성해석기법들은크게두종류로나누어질수있는데, 몬테카를로시뮬레이션과같은샘플링기반의기법과 FORM과같은해석적기법이그것이다 [4]. 샘플링기반의해석방법은신뢰할만한결과를얻기위해서많은샘플을필요로하며, 낮은파괴확률에대해서는해석결과의신뢰도가떨어질수있다. 따라서본연구에서는해석의효율성과결과의신뢰성을높이기위해해석적방법인 FORM을사용하였다. 구조물에대해신뢰성해석을수행하기위해서는보통한계상태함수를정의하게되는데, 이는구조물의거동이어떤특성상태에도달하는것을수식으로표현한것이며흔히 g(x) 로표시한다. 이때구조물이정해진한계상태를넘는경우를파괴되었다고규정할수있으며, 수식적으로는 g(x) 0 로표현된다. 여기서 x는불확실성을갖는확률변수 n개의집합이며, x=[x 1, x 2,..., x n] T 같이벡터로표현된다. 그리고이경우파괴확률 P f 는식 1에의해계산된다. 여기서, arg min 은위의조건을만족시키는최소인수를의미하며, 은 L 2 -norm을나타낸다. u * 는 G(u)=0 을만족하는점으로서표준정규공간의원점에서최소거리를갖는다. Fig. 2는 2차원공간에서의 FORM해석의개념도이다. u * 는파괴영역인 G(u) 0을만족하는점들중에서가장큰확률을갖는점을의미하기때문에, 흔히 Most Probable Point(MPP) 또는 Design Point라고부른다. (1) Fig. 2. Linear approximation in FORM[4] 여기서, f x(x) 는 x에대한결합확률밀도함수 (probability density function, PDF) 를나타낸다. 이확률변수공간을표준확률변수공간으로변환하면파괴확률 P f 는식 2와같이다시나타낼수있다. MPP에서의선형함수는근사적으로식 4처럼표현된다. (4) (2) 여기서, 는기울기벡 터, 는 MPP 에서의음의정규기 여기서, G(u)=g(T -1 (u)) 는표준정규공간에서의한계상태함수이며, φ n( ) 은 n차표준정규확률밀도함수를나타낸다. u는 n개의표준정규확률변수를나타내는열벡터이고, T는확률변수공간에서표준확률변수공간으로의일대일사상변환매트릭스를의미한다. FORM에서는파괴확률 P f 를구하기위해서, 한계상태함수 G(u) 를식 3에의해정의되는점 u * 에서의선형함수로근사시킨다. (3) 울기벡터를의미한다. 그리고신뢰성지수는 로정의된다. 따라서파괴확률은식 5와같이근사적으로계산된다. (5) 여기서, Φ( ) 은표준정규분포의누적분포함수 (cumulative distribution function, CDF) 를의미한다. 보다자세한 FORM에대한설명은 Der Kiureghian[4] 에서찾아볼수있다. 726
4 3. 지진취약도평가 3.1 구조신뢰성해석정확하면서도효율적인구조신뢰성해석을위해신뢰성및구조해석소프트웨어연결을통한구조신뢰성연구가활발히진행되고있다 [5]. 이전연구를보면, Der Kiureghian과 Taylor[7] 가처음으로신뢰성및구조해석알고리즘의연결을시도하였으며, 이후다양한구조신뢰성해석소프트웨어가개발되어왔다. 이러한소프트웨어들은신뢰성및구조해석모듈의연결방식에따라두가지유형으로나눌수있다. 첫번째유형은 CalREL[8], FERUM[5] 과같이신뢰성해석소프트웨어에자체구조해석모듈이내재되어있어별도의구조해석소프트웨어가필요하지않는경우다. 하지만이들소프트웨어대부분은비교적간단한형태의구조해석만가능하다는한계점을가지고있다. 또다른유형은 NESSUS[9], FERUM-ABAQUS[10-12] 와같이각각의구조해석전용소프트웨어와신뢰성해석소프트웨어를사용할수있도록이들간의연결인터페이스를제공해주는경우다. 이는각소프트웨어들의장점을극대화하면서복잡하고다양한구조신뢰성문제를해석할수있도록해준다. 본연구에서는대표적인신뢰성해석소프트웨어인 FERUM, 구조물의내진해석에특화된 ZEUS-NL, 그리고이두소프트웨어를연결해주는인터페이스인 FERUM-ZEUS 을활용해 3차원구조물의지진취약도곡선을도출하였다. FERUM은 UC Berkeley 연구팀에서개발된신뢰성해석소프트웨어로서 FORM을포함하여다양한신뢰성해석이가능하다. ZEUS-NL은 Mid-America Earthquake (MAE) Center에서개발된화이버요소기반 (fiber-element-based) 비선형구조해석소프트웨어로, 기하비선형은물론재료비탄형을고려할수있으며특히부재단면내에서의비탄성영역이확산되는현상을고려할수있다 [6]. 신뢰성해석과구조해석소트프웨어들간의양방향소통을위해개발된 FERUM-ZEUS 인터페이스의대략적인기능은 Fig. 1에나타나있다. ZEUS-NL은 FERUM으로부터의불확실성정보를고려하여구조해석을수행하고, FERUM에서는 ZEUS-NL에서해석된결과 ( 힘, 변위등 ) 값을입력받아구조물의한계상태함수값을계산하게된다. 두소프트웨어의자동적인데이터 교환은구조신뢰성해석효율성을증대시킨다. 3.2 지진취약도평가본연구에서는 FERUM-ZEUS를이용해 3차원 RC 프레임구조물의지진취약도곡선을도출하였다. 이전연구에서 Kwon과 Elnashai[13] 는재료특성과지반운동에대한불확실성을고려하여 2차원 RC 구조물에대한지진취약도평가를수행한바있다. 이를참고하여본연구에서는 3차원모델을구성하고, 이를이용하여해당구조물의지진취약도평가를수행하였다 해석모델및입력지진파본논문의대상구조물은 3층 3경간의 RC 프레임구조물로써, Fig. 3에서구조해석을위해구축된 ZEUS-NL 모델을, Fig. 4에서 2차원정면도를보여주고있다. 총 48개의기둥부재와 72개의보부재로구성되어있으며, 기둥과보부재는각각 6개와 7개의요소로모델링되었다. 집중질량은각절점에위치하는것으로가정하였다. Fig. 3. 3D structural model for ZEUS-NL Fig. 4. Elevation view of the building example 727
5 한국산학기술학회논문지제 17 권제 9 호, 2016 입력지진파로는총 3가지종류의총 15개지진파가사용되었는데, 이는지진취약도평가시지진파의불확실성을고려하기위함이다. 이 3가지지진파종류는최대지반가속도와최대지반속도의비 (a/v) 에따라분류되었으며, 자세한사항들은 Table 1에서보여주고있다 확률변수및한계상태본연구에서는지진파, 콘크리트의압축강도, 철근의항복강도를불확실성요소로결정하였다. 지진파는 Table 1에서분류된것처럼 a/v 값의수준에따라여러개의지진파를사용하여해석함으로써불확실성을고려하였다. 반면에콘크리트의압축강도와철근의항복강도는확률변수로써불확실성을고려하였고, 이들의통계적특성이 Table 2에정리되어있다. 한편지진하중을받는구조물의한계상태는 serviceability, damage control, collapse prevention으로총 3가지로구분하였다. 구조물의푸쉬오버해석을통해각각의한계상태에해당하는층간횡방향변형률 (ISD, Inter-story drift ratio) 은 0.57%, 1.2%, 2.3% 으로구해졌으며 [3, 13], 이들을각각 LS1, LS2, LS3로명명하였다. 해석모델의기둥부재가운데어느하나라도층간횡방향변형률이정해진기준에도달하게되는경우 를구조물의한계상태로보며, 한계상태함수는식 6으로표현할수있다. 식에서 max[ ] 는최대값을, ISD C-1,..., ISD C-48 은 48개기둥의층간횡방향변형률을의미한다 해석결과 예제구조물인 3차원 RC 프레임구조물에대한지진취약도곡선을앞에서제시된방법을통해도출하였다. Fig. 5은 3가지서로다른특성을가진입력지진파에대한구조물의지진취약도곡선들을보여준다. Kwon과 Elnashai[13] 는동일한구조물의 2차원해석모델에대해샘플링기반의몬테카를로시뮬레이션기법을활용해지진취약도분석을수행한바있는데, 그결과를 Fig. 5와비교해보면매우유사하다는것을알수있다. 그런데 Kwon과 Elnashai[13] 는비교적구조해석시간이짧게소요되는 2차원모델을사용했음에도몬테카를로시뮬레이션기법을활용하기위해슈퍼컴퓨터에서병렬컴퓨팅 (parallel computing) 을사용한반면, 본연구에서는구조해석에시간이길게소요되는 3차원모 (6) Table 1. Input ground motions[3,13] a/v level Name Earthquake event/location Magnitude Date Soil type Distance (km) Max. acceleration (m/s 2 ) (g/ms -1 ) Set01-01 Bucharest/Romania /4/1977 Rock Set01-02 Erzincan/Turkey Unknown 3/13/1992 Stiff soil Low Set01-03 Aftershock of Montenegro/Yugoslavia /24/1979 Alluvium Set01-04 Kalamata/Greece /13/1986 Stiff soil Set01-05 Kocaeli/Turkey Unknown 8/17/1999 Unknown Set02-01 Aftershock of Friuli/Italy /15/1976 Soft soil Set02-02 Athens/Greece Unknown 9/7/1999 Unknown Intermediate Set02-03 Umbro-Marchigiano/Italy /26/1997 Stiff soil Set02-04 Lazio Abruzzo/Italy /7/1984 Rock Set02-05 Basso Tirreno/Italy /15/1978 Soft soil Set03-01 Gulf of Corinth/Greece /4/1993 Stiff soil Set03-02 Aftershock of Montenegro/Yugoslavia /24/1979 Rock High Set03-03 Aftershock of Montenegro/Yugoslavia /24/1979 Alluvium Set03-04 Aftershock of Umbro-Marchigiana/Italy /9/1997 Rock Set03-05 Friuli/Italy /6/1976 Rock Table 2. Statistical properties of random variables Random variables Mean (MPa) Coefficient of variation Distribution type Concrete strength (f c) Normal Steel strength (f y) Normal 728
6 델을사용했음에도퍼스널컴퓨터 (3.60GHz CPU, 8GB RAM) 을이용해상대적으로짧은시간에유사한결과를얻을수있었다. 이는본연구에서활용한 FERUM- ZEUS의효율성을보여주는것으로써, 지진취약성평가에 3차원구조해석모델의도입이필요할경우, 소프트웨어를연결하여 FORM 해석을수행하는기법이유용하게활용될수있음을나타낸다. Exceedance probability Exceedance probability LS1 LS2 LS PGA, g 1 (a) Low a/v input ground motion LS1 LS2 LS PGA, g 아울러 Fig. 5 의세가지취약도곡선을비교해보면, 낮은수준의 a/v 를갖는입력지진파에서비교적낮은 PGA(peak ground acceleration) 에서도손상을입을확률이중간또는높은수준의 a/v의입력지진파에서보다높다는것을알수있다. 이는지진파의유형이지진취약도곡선에큰영향을준다는것을나타내며, 따라서특정지역에서의지진취약도곡선을도출할때에는해당지역에어떤유형의입력지진파가발생할확률이가장높은지에대한고려가필수적이라할수있다. 만약이러한입력지진파유형에대한조사가어렵다면보통은세가지종류의입력지진파가동일한발생가능성을갖는다는가정하에각취약도곡선들의평균을취하게된다. 이러한방식으로이번연구에서의예제구조물인 3차원 RC 프레임구조물에대해구한지진취약도곡선은 Fig. 6과같다. Exceedance probability PGA, g Fig. 6. Fragility curve of 3D RC frame example LS1 LS2 LS3 1 (b) Intermediate a/v input ground motion 4. 결론 Exceedance probability PGA, g (c) High a/v input ground motion Fig. 5. Fragility curves for three types of input ground motion LS1 LS2 LS3 본연구에서는 3차원구조물에대한정확하고효율적인지진취약도평가를위해대표적인신뢰성해석소프트웨어인 FERUM, 내진해석에특화되어있는비선형구조해석소프트웨어인 ZEUS-NL, 그리고이들소프트웨어들을연결시켜주는인터페이스인 FERUM-ZEUS 을활용하여지진취약도곡선을도출하는방법이제시되었다. 이방법을통해 3차원해석모델을사용하면서도효율적으로지진취약도곡선을성공적으로도출할수있었다. 샘플링기반의몬테카를로시뮬레이션을활용해동일한예제구조물에대해 2차원모델로취약도 729
7 한국산학기술학회논문지제 17 권제 9 호, 2016 곡선을도출한기존연구결과와비교해보면, 본연구에서는 3차원모델을이용하면서도효율적으로매우유사한결과를얻을수있음을확인하였다. 또한입력지진파의유형이지진취약도곡선에큰영향을주기때문에, 특정지역에서의지진취약도곡선을도출할때에는해당지역에어떤유형의입력지진파가발생할확률이가장높은지에대한고려가필수적임을확인하였다. and applications to structural systems, Struct. Infrastruct. E., Vol.8, No.5, pp , [12] H. Kim and S.-H. Sim, Flood fragility analysis of bridge piers in consideration of debris impacts, Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.17, No.5, pp , DOI: [13] O.S. Kwon and A.S. Elnashai, The effect of material and ground motion uncertainty on the seismic vulnerability curves of RC structure, Engineering Structures, Vol.28, No.2, pp , DOI: References [1] C.S. Chung, Structural integrity evaluation of nuclear seismic category IIA 2" globe valve for seismic loads, Journal of the Korea Academia-Industrial cooperation Society, Vol.9, No.6, pp , DOI: [2] S. Jeong and A.S. Elnashai, Probabilistic fragility analysis parameterized by fundamental response quantities, Engineering Structures, Vol.29, pp , DOI: [3] D.S. Moon and Y.J. Lee, A new methodology of the development of seismic fragility curves, Smart Structures and Systems, Vol.14, No.5 pp , DOI: [4] A. Der Kiureghian. Fisrt- and second-order reliability methods. chap.14, CRC press, Boca Raton, FL, USA, [5] T. Haukaas, Finite element reliability and sensitivity methods for performance-based engineering, Ph.D. Dissertation, University of California, Berkeley, CA, USA, [6] A.S. Elnashai, V.K. Papanikolaou and D. Lee. ZEUS NL-A System for Inelastic Analysis of Structures, User s manual, Mid-America Earthquake (MAE) Center, Department of Civil and Environmental Engineering, University of Illinois at Urbana-Champaign, Urbana, IL, USA, [7] A. Der Kiureghian and R.L. Taylor, Numerical methods in structural reliability, Proc. of the 4 th International Conference on Applications of Statistics and Probability in Civil Engineering (ICASP4), June, [8] P.L. Liu, H.Z. Lin, A. Der Kiureghian. CalREL User Manual. Report No. UCB/SEMM-89/18, University of California, Berkeley, CA, USA, [9] SwRI. NESSUS (ver 9.6), Southwest Reserch Institute, 2011[cited 2016 June 1], Available from: [10] Y.J. Lee, J. Song and E.J. Tuegel, Finite element system reliability analysis of a wing torque box, Proc. of the 10 th AIAA Nondeterministic Approaches Conference, Schaumburg, IL, April, DOI: [11] W.H. Kang, Y.J. Lee, J. Song and B. Gencturk, Further development of matrix-based system reliability method 문도수 (Do-Soo Moon) [ 정회원 ] 2006 년 2 월 : 서울대학교지구환경시스템공학부 ( 토목공학석사 ) 2012 년 12 월 : Univ. of Illinois, Urbana-Champaign ( 토목공학박사 ) 2006 년 2 월 ~ 2007 년 7 월 : 서울대학교지진공학센터연구원 2013 년 1 월 ~ 현재 : Univ. of Illinois, Urbana-Champaign 박사후연구원 2015 년 6 월 ~ 현재 : 울산과학기술원도시환경공학부박사후연구원 < 관심분야 > 구조공학, 내진해석및설계 이영주 (Young-Joo Lee) [ 정회원 ] 2006년 2월 : 서울대학교지구환경시스템공학부 ( 토목공학석사 ) 2012년 5월 : Univ. of Illinois, Urbana-Champaign ( 토목공학박사 ) 2012년 6월 ~ 2013년 5월 : 울산과학기술원도시환경공학부연구조교수 2013년 6월 ~ 현재 : 울산과학기술원도시환경공학부조교수 < 관심분야 > 구조공학, 신뢰성공학, 내진해석및설계 730
8 이상목 (Sangmok Lee) [ 정회원 ] 2012 년 2 월 : 한양대학교토목공학과 ( 토목공학학사 ) 2014 년 2 월 : 한양대학교건설환경공학과 ( 구조공학석사 ) 2014 년 2 월 ~ 2014 년 12 월 : 예담엔지니어링토목사업부사원 2015 년 1 월 ~ 2015 년 7 월 : 코스피 구조설계팀사원 2015 년 9 월 ~ 2016 년 2 월 : 울산과학기술원도시환경공학부석사후연구원 2016 년 3 월 ~ 현재 : 울산과학기술원도시환경공학부박사과정 < 관심분야 > 구조공학, 신뢰성공학 731
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