1 교량의내진설계 지진공학회 17 차기술강습회장소 ; 서울대호암교수회관일시 ; 005. 7.1~7.13 김익현 울산대학교건설환경공학부 발표내용 내진설계의기본개념 우리나라내진설계기준 현행도로교설계기준의문제점 성능기초내진설계의제안 1
Seismic Design Philosoh 내진설계의목적 설계지진과목표성능 3 4 내진설계의목적 내진설계기준 기본방침, 설계방법, 지진하중, 구조해석및강도, 구조세목등 기본개념 지진에의한구조물의손상제한 구조물의기능저하최소화 구조물붕괴에의한인명보호 설계지진에대한목표성능확보
5 설계지진과목표내진성능 CODE 설계지진 목표내진성능 ( 한계상태 ) Level 1 내진성능 1 완전한기능수행 ( 수리없이사용가능 ) JSCE Level 내진성능 내진성능 3 몇일안에구조물의기능정비 ( 얼마간의보수허용 ) 구조물붕괴방지 ( 큰손상허용 ) Eurocode 8 Level 1 Level 사용한계상태극한한계상태 손상의최소, 교통의제한이나보수의필요가없는작은손상만허용 붕괴방지, 상당한손상허용, 구조물의내하력은유지 New Zealand (Bridge Manual) Level 1 Level Level 3 사용한계상태극한한계상태 손상이적고, 교통에지장이없음 긴급교통을소통, 일시적인수리요구 붕괴방지, 긴급교통을소통, 낮은등급의교량일지라도영구적인보수가가능 6 CODE 설계지진 목표내진성능 ( 한계상태 ) Functional Evaluation (Level 1) 사용성레벨손상레벨 보통교량중요교량보통교량중요교량 즉시정상소통 위와같음 수리가능한손상 최소한의피해 Caltrans Safet Evaluation (Level ) 사용성레벨손상레벨 보통교량중요교량보통교량중요교량 제한적인교통소통몇달안에완전한기능회복즉시정상소통 상당한손상, 붕괴할위험은작으나보수를위해교량폐쇄필요 수리가능한손상, 보수가능한정도의손상을허용 3
우리나라내진설계의기준 내진설계상위기술기준 도로교내진설계기준 7 8 시설물의내진설계연혁 내진설계성능기준 (1997), - 상위기준마련도로교, 고속철도, 공항, 항만, 지중구조물, 댐, 터널, 도로, 건축구조물 Kobe 지진 (1995) 자연재해대책법 (1997) 197 1988 1991 1991993 1995 1997 원자로및관계시설 (197) 원자력법 (1995, 1), 원자력법시행령 (1995, 10), 과기처고시제 83-5 호및제 94-10 호, 경수로형원자력발전소안전심사지침 (1991, ) 건축물 (1988) 건축법 (1996, 1), 건축법시행령 (1997, 9), 건축물의구조기준등에관한규칙 (1996, ) 고속철도 (1991) 고속철도콘크리트구조물설계표준시방서 ( 안 )(1991. 9) 도로교 (199) 도로교표준시방서 V 내진설계편 (1996, 5) 댐 (1993) 댐시설기준 (1993, 9) 4
9 자연재해대책법 (1997. 10 제정 ) 내진설계법정시설물이규정 1. 건축법에의한건축물. 도로법에의한도로 3. 원자력법에의한원자로및관계시설 4. 댐건설및주변지역지원등에관한법률에의한다목적댐 5. 전기사업법에의한발전용수력설비및화력설비 6. 공항법에의한공항시설 7. 철도법에의한철도 8. 도시철도법에의한도시철도 9. 한국고속도로건설공단법에의한고속철도 10. 항만법에의한항만시설 11. 어항법에의한어항시설 1. 총포, 도검, 화약류등단속법에의한화약류저장소및취급소 13. 석유사업법에의한석유정제시설, 석유비축시설및석유저장시설 14. 수도법에의한수도시설 15. 농어촌정비법에의한농업생산기반시설 16. 도시가스사업법, 고압가스안전관리법등에의한도시가스, 고압가스, 액화석유가스의저장시설 17. 소하천및하천시설중제방, 수문, 배수관, 유수지및수위관측시설등 ( 대통령령 ) 18. 도로및철도시설중교량, 높이 5m 이상의옹벽, 석축등 ( 대통령령 ) 19. 상하수도시설중취수, 배수, 정수시설, 송배수관로시설, 배수펌프장및하수관거등 ( 대통령령 ) 0. 수리시설중저수지, 양수장, 배수장, 방조제, 하구둑, 용수로, 배수로및보등 ( 대통령령 ) 1. 사방시설중사방댐및야계사방등 ( 대통령령 ). 댐시설중다목적댐, 발전용댐, 생활, 공업용수댐및농업용수댐등 ( 대통령령 ) 3. 항만및어항시설중방파제, 방사제, 파제제, 갑문및안벽등 ( 대통령령 ) 4. 기타행정자치부령이정하는시설 ( 대통령령 ) 10 이원화된내진설계기준체계 중앙부처의장이규칙으로제정함 규제의최소화 내진성능기준 ( 상위개념기준 ) 시설물분류와등급설정 하중수준 성능목표설정 기본적인내진성능확보 품질보증 절차 관련학회, 협회에서시방서및표준서로작성 대안선택의자유보장 내진설계기술기준 ( 하위개념기준 ) 내진성능확보를위한구체적인기술적요구사항 국제적으로공통되는자연과학적, 공학적사항 기술지침서 5
11 상위기준내진설계 이원화된설계기준 : 건설교통부 ( 지진공학회, 1997년 ) 설계지진하중과내진성능목표규정 설계지진하중 설계지반운동 ; 지진구역계수, 지진위험도계수 설계응답스펙트럼 내진성능목표 내진등급 ; 특등급, 1 등급, 등급교 성능수준 ; 기능수행수준, 붕괴방지수준 1 설계지진과목표성능 상위기준 (1997) 설계지진 성능기준 ( 재현기간 ) 기능수행 붕괴방지 43 년 95 년 190 년 475 년 950 년 373 년 : 일반구조물과시설물 (II 등급 ) : 주요구조물과시설물 (I 등급 ) : 핵심안전구조물과시설물 ( 특등급 ) 6
13 설계지진과목표성능 ATC-49a(draft) & MCEER-0-SP01(001) (Recommended LRFD Guidelines for the Seismic Design of Highwa Bridges) Performance Level Probabilit of Exceedance For Design Earthquake Ground Motions Life Safet Oerational Rare Earthquake (MCE) 3% PE in 75 ears/1.5 Median Deterministic Service Damage Significant Disrution Significant Immediate Minimal Exected Earthquake 50% PE in 75 ears Service Damage Immediate Minimal Immediate Minimal to None 14 지진재해도 Return Period = 475 r Return Period = 373 r 7
15 구역계수및위험도계수 지진구역및지진구역계수 ( 재현주기 500 년 ) 지진구역 I (0.11g) II (0.07g) 위험도계수 시 도 도 행정구역 서울특별시, 인천광역시, 대전광역시, 부산광역시, 대구광역시, 울산광역시, 광주광역시 경기도, 강원도남부, 충청북도, 충청남도, 경상북도, 경상남도, 전라북도, 전라남도북동부 강원도북부, 전라남도남서부, 제주도 재현주기 ( 년 ) 50 100 00 500 1000 400 위험도계수 I 0.40 0.57 0.73 1 1.4.0 16 설계응답스펙트럼 0.6 0.6 0.5 0.5.5Ca 5% 감쇠비 붕괴방지붕괴방지기능수행기능수행 스펙트럼스펙트럼가속도가속도 (g) (g) 0.4 0.4 0.3 0.3 0. 0. Ca Cv/T 지진구역 I SD 지반 ( 단단한토사 ) I 등급구조 0.1 0.1 T 0 =0.Ts Ts=Cv/.5Ca 0 0 0 0 0.5 0.5 1 1 1.5 1.5.5.5 3 3 주기주기 ( 초 ( ) ) 8
17 지반분류 지반종류 지반종류의호칭 지표면아래 30m 토층에대한평균값 전단파속도 (m/s) 표준관입시험 (N 치 ) 비배수전단강도 (kpa) S A 경암지반 1500초과 - - S B 보통암지반 760-1500 - - S C 매우조밀한토사지반또는 360에서 760 > 50 > 100 연암지반 S D 단단한토사지반 180에서 360 15에서 50 50에서 100 S E 연약한토사지반 180미만 < 15 < 50 부지고유의특성평가가요구되는지반 S F 18 지반의물성치 평균전단파속도 n = i= 1 s n v i= 1 d d v i i si 표준관입저항 n = i= 1 n N i= 1 d i d N i i 9
19 도로교설계기준의내진설계 199년, 도로교표준시방서의내진설계편신설 1996년, 1차개정 000년, 차개정 도로교설계기준으로변경 상위기준의성능기초내진설계개념의일부도입 004 년, 3 차개정 지진격리교량신설 0 내진등급과설계지진수준 내진등급 내진 I 등급교 내진 II 등급교 교량 -고속도로, 자동차전용도로, 특별시도, 광역시도또는일반국도상의도로 -지방도, 시도및군도중지역의방재계획상필요한도로에건설된교량, 해당도로의일일계획교통량을기준으로판단했을때중요한교량 -내진I등급교가건설되는도로위를넘어가는고가교량 내진 I등급교에속하지않는교량 설계지진의평균재현주기 1000 년 500 년 10
C C 1 s sm C sm 탄성지진응답계수 1.AS = /3 T 1.AS = T = /3 m 3AS T 4/3 m ( T m >4.0 초 ) C s 0.35 0.3 0.5 0. 0.15 0.1 0.05 A=0.11.5A I (S=1.0) II (S=1.) III (S=1.5) IV (S=.0) 0 0 1 3 4 T 지반계수 지반의분류 지반종류 지반종류의호칭 지반계수 S 1.0 전단파속도 (m/s) I II 1. 지반종류 III 1.5 지표면아래 30m 토층에대한평균값 표준관입시험 (N 치 ) IV.0 비배수전단강도 (kpa) I 경암지반보통암지반 760이상 - - 매우조밀한 II 토사지반또는 360에서 760 > 50 > 100 연암지반 III 단단한토사지반 180에서 360 15에서 50 50에서 100 IV 연약한토사지반 180미만 < 15 < 50 V 부지고유의특성평가가요구되는지반 11
3 내진설계개념 ( 도로교 ) 내진설계개념 SA(g) T1 연성도확보교량구조물 응답수정계수 (R) 의도입 Mdesign=Melastic/R 단주 R=3 다주 R=5 T SD(cm) 큰연성도의확보가필요 Equal Dislacement R=µ Equal Energ R=(µ-1) 1/ 내진규정 심부구속철근규정 심부구속철근량 배근구간 & 간격 배근상세 ( 후크, 이음길이 ) 4 응답수정계수 (R) 설계지진력 = 탄성지진력 /R 단, 하부구조의경우축방향력과전단력은적용하지않음 벽식교각 상부구조와교대 0.8 철근콘크리트말뚝가구 (Bent) 1. 수직말뚝만사용한경우 3. 한개이상의경사말뚝을사용한경우 단일기둥 3 강재또는합성강재와콘크리트말뚝가구 1. 수직말뚝만사용한경우 5. 한개이상의경사말뚝을사용한경우 3 상부구조의한지간내의신축이음 0.8 기둥, 교각또는말뚝가구와캡빔또는상부구조 1.0 기둥또는교각과기초 1.0 다주가구 5 1
5 콘크리트교의내진설계 (1) 최소횡방향철근 원형기둥의나선철근비 : 큰값사용 Ag f ρs = 0.45 1 Ac f ck f ρ 0.1 ck s = f A c : 기둥심부의면적 (cm ), A g : 기둥의총단면적 (cm ) 원형후프띠철근도적용가능 ( 단, 정착단의슬립방지 - 용접, 기계적연결, 보강띠철근이용등 ) 6 콘크리트교의내진설계 () 최소횡방향철근 사각형기둥에서횡방향철근총단면적 : 큰값사용 f A ck g Ash = 0.30ahc 1 f A c fck Ash = 0.1ahc f a : 띠철근의수직간격, 최대 15cm h c : 띠철근기둥의고려하는방향으로의심부의단면치수 (cm) 13
7 콘크리트교의내진설계 (3) 횡방향철근은하나혹은중복된후프띠철근사용 보강띠철근 : 135 이상 + 90 이상갈고리 횡방향철근간격 설치구간 : 기둥최대단면치수, 기둥순높이의 1/6, 450mm 중큰값선택 ( 기둥상부와하부에설치, 완전용접겹이음 ) 최대간격 : 부재최소단면치수의 1/4 또는 6d b 중작은값을초과하면안됨 8 연성도 (Ductilit Ratio) 변위연성도 부재레벨에서정의 극한변위 / 항복변위 µ = m 밑면전단력 Seism ic Force L L 변위 m 14
9 연성도 (Ductilit Ratio) 곡률연성도 단면에서정의 극한곡률 / 항복곡률 φu µ φ = φ M Mn Mi 항복초기항복 φi φ φu 극한상태 φ [ 변형률 ] ε cu Seism ic Force c u φ u φ L L φ = M / E I n c c ε φ = ε / c u cu u 30 연성도 (Ductilit Ratio) 에너지연성도 변위연성도에서는고려할수없는반복하중의영향을고려 극한시흡수에너지 / 항복시흡수에너지 µ E =E u / E 힘 E u E 항복 극한 변위 15
31 변위연성도 - 곡률연성도관계 항복변위 Seism ic Force φ L = 3 소성변위 L L M u = M n 1 u 등가소성힌지길이 + L ( φ φ )( L 0.5L ) 0.08L + 0.0 f edbl 0.044 f d L = 0.08L + 0.15 f edbl 0.3 f edbl e bl (MPa) (ksi) M Mu Mn 항복 초기항복 µ = u = 1+ M L L u = + 3( µ φ 1) (1 0.5 ) M L L n φ if µ φ =10, µ =.7 φu φ 3 항복변위정의방법 Pmax 최대내력 수평력 P 초기항복 수평력 P δ 수평변위 δ (a) 초기항복에근거한정의방법 δ 수평변위 δ (b) 초기강성과비선형강성의교점 최대내력 최대내력 Pmax Pmax 수평력 P 0.75Pmax 수평력 P δ 수평변위 δ (c) 에너지를등가로치환한경우 δ 수평변위 δ (d) 0.75Pmax 를통과하는 1 차강성과비선형강성의교점 16
33 극한변위정의방법 34 연성도영향인자및개선방법 휨연성의개선 단면의휨압축측을철근으로보강한다 방법 인장측철근량을줄인다 콘크리트강도를크게한다 압축철근을늘린다 휨압축부를횡구속콘크리트로한다 나선철근기둥으로한다 ( 기둥부재 ) 장단점 단면내하력감소 단면의재설계필요연성은일단증가 콘크리트자체의취성파괴성이증가하므로연성개선효과는적다연성은일단증가 역방향휨모멘트시의강재량이크게된다압축철근의좌굴방지대책이필요연성은증가한다 횡구속상태를만들기위한보강근이필요 ( 단, 량은많지않고보강구간도작다 ) 단면의크기는변하지않아라멘응력은불변단면내하력은거의같거나조금증가한다큰연성을손쉽게확보대변형반복하중에대한열화가크게개선 단면내하력은거의같거나조금증가한다큰연성을손쉽게확보전단보강강재로서도유효하게작용배근이복잡해진다 17
35 연성도영향인자및개선방법 방법 장단점 전단보강근, 띠철근을늘린다 나선철근, 띠철근을늘린다 배근이복잡해진다전단저항, 횡구속효과는증가 전단저항의증가 중간띠철근을넣는다 배근이매우복잡해진다전단저항, 횡구속효과는증가 콘크리트강도를크게한다 강도증가에비해전단저항증가비율이작다 축력을도입한다 콘크리트의전단저항은증가하지만휨연성은감소 36 항복및극한정의 ( 일본 ) εs=ε 합력 단면 변형률분포 인장력분포 극한상태 항복상태 하중 하중 - 변위곡선의포락선 항복점하중 P 항복점변위 u 극한변위 18
37 연성도평가식 (1) NCEER 위원회식 (Nadim 등 ) A ' f sh f c, n f ce P = 0.1µ + 0.1 0.15 + 1.5 0.13 0. 01 ' ρl s t hc f ce f e f ' ce Ag f s, n Priestle & R.Park 식 L µ = 1+ 3(1 + 5.4α ) L L L α = ρ ρ code 38 연성도평가식 () 일본 Working 위원회식 µ 0 0 b = µ + ( 1 µ )( σ 0 / σ ) (0 σ 0 10 kgf/cm ) 0.5V c + V s µ 0 = 1 3 ( σ 0 > 10 kgf/ cm ) V mu Ishibashi 식 µ 0 = 1.9 + 6.6( S u a / M u) + (13 1.6) w w 19
39 응답수정계수 (R)- 연성도 (µ)- 주기 (T) 힘 탄성거동 ; 탄성지진력 1 소성거동 ; 설계지진력 1/R µ =? 항복 변위 40 응답수정계수 (R)- 연성도 (µ)- 주기 (T) Equal Energ( 단주기구조 ) Equal Dislacement( 장주기구조 ) 힘 힘 1 에너지일정 1 변위일정 1/R R=(µ 1) 1/ 1/R R=µ 변위 변위 0
41 응답수정계수 (R)- 연성도 (µ)- 주기 (T) Newmark Miranda & Bertero Nassar & Krawinkler Eurocode8 New Zealand ATC/MCEER R = 1 T 0. 003s R = µ 1 01. s T 0. 5s R = µ T 1s µ 1 Rµ = + 1 Φ 1 Φ = 1+ e (ln( T ) 0.) 1T µ T 5T 1 R = [c(µ 1) + 1] µ c = fn(t) T < T = 1.5T O T T O Nonlinear Sectrum T < 1.5T s T 1.5T s,, C /c TO, µ d = ( q 1) + 1 T, µ = q DR d 1 1.5T 1 = 1 s λdr + R T R λ = 1.0 제안식 4 응답수정계수 (R)- 연성도 (µ)- 주기 (T) Newmark & Hall (198) Miranda & Bertero (1994) Nassar & Krawinkler (199) 8 8 Ductilit Foctor 6 4 에너지일정 변위일정 0 0 0.5 1 1.5.5 3 3.5 4 Period (second) μ=6 μ=4 μ= Newmark R-μ-T 관계 Ductilit Factor 6 4 0 μ=6 μ=4 u= Miranda - Alluvium Nassar & Krawinkler 0 0.5 1 1.5.5 3 3.5 4 Period (seconds) 1
43 탄성 - 비탄성변위비 Alluvium 과 Soft Soil Site 의평균변위비 (after Miranda and Bertero, 1994) 44 비선형스펙트럼 seismic Coefficient, C 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0. μ = 1 탄성지진력 μ = μ = 3 μ = 4 Standard New Zealand 0.1 μ = 5 μ = 6 0 0 0.5 1 1.5.5 3 Period, T (seconds)
45 변위연성도 - 횡구속 Seismic Force L L u µ = = 1+ φh = 3 L = θ (H ) L P : 소성힌지길이 Priestle 식 L = 0. 08L + 0. 0 f d 0. 044 f d 일본도로교식 L = 0. h 01. D 01. D L 0. 5D ATC/MCEER M L = 0. 08 + 4400ε d V bl b bl θ = = φl (φu-φ )L φ = ε / c u ε cu = cu u ) fn(ρ s 46 3
47 탄성지진력산정시 모드수 전체구주응답에기여도가큰주요모드고려 각방향의질량참여도 90% 이상권장 모드별응답조합 SRSS ; 연속하는진동모드의고유주기차가 10% 이상시 CQC 48 탄성지진력산정시 설계응답스펙트럼의감쇠보정 설계응답스펙트럼의감쇠비 ; 5% 콘크리트구조 ; 5% 정도, 강구조 ; ~3% 정도 감쇠보정식 EC-8 C = /( + h ) D 7 i 일본도로교 1.5 CD = + 0.5 40( h /100) + 1 i.5 1.5 1 0.5 일본 EC-8 도로교 h i ; 감쇠비 (%) 0 0 5 10 15 0 4
49 탄성지진력산정시 유효강성 모멘트 EI eff EI g 초기항복 [ 변형률 ] 균열 εs=ε φ i φ 곡률 50 탄성지진력산정시 유효강성 - 축력 - 주철근비 5
51 5 직교지진력의조합 동시하중영향 SRSS 조합으로구한경우 M M 0.3M F = + θ F x 0.3F F = + θ 0.3F x F M x 0.3M x M x 100%-30% 조합으로구한경우 LC1 F LC1 F x LC1 θ F = ( F ) + ( F LC1 x ) LC1 LC F LC F x LC θ F = ( F ) + ( F LC x ) LC 6
53 응답수정계수의적용 종방향핀지지시스템 종방향모멘트저항시스템 R=3 R=3 R=3 R=5 R=5 R=3 R=5 R=5 54 현행도로교설계기준의문제점 외국의내진설계개념및상세비교, 검토 뉴질랜드 유렵 일본 우리나라내진상세문제점 응답수정계수 철근상세 ; 주철근겹침이음, 횡철근량 7
55 외국의성능기초내진설계 뉴질랜드유럽일본 성능에기초한내진설계 입력지반운동의세기를다단계로설정 목표내진성능규정 구체적인설계기법과상세규정에는차이가있음 구조물의설계지진력산정 내진상세규정 ( 목표연성도확보 ) 전단설계 56 뉴질랜드 (Standard New Zealand,1995) seismic Coefficient, C 0.9 0.8 0.7 0.6 0.5 0.4 0.3 0. μ = 1 μ = μ = 3 μ = 4 비선형응답스펙트럼을이용하여설계지진력산정 곡률연성도에의한횡철근량산정식제안 φu 33 tm + sh" Ag A φ sh = 111 A c * f ' c N 0.006 shh" A φ f ' A t c g 0.1 μ = 5 μ = 6 0 0 0.5 1 1.5.5 3 Period, T (seconds) 목표연성도에따라각기다른횡철근량산정 소성힌지영역에서의전단강도는별도로정의 When N * /f c A g < 0.1, V c = 0 When N * * /f c A g > 0.1, N Vc = 4(0.07 + 10Pw ) f ' c 0. 1 f ' A c g 8
57 유럽 (EU8/-draft(1996)) 설계지진력탄성지진력 / q-factor q-factor 부재특성과연성도 ( 한정연성도또는완전연성도 ) 에따라정의 곡률연성도에의한횡철근량산정한정연성도설계 : 7 완전연성도설계 : 13 ω wd = 횡철근량산정 (Rectangular hoos) Ac.74 (0.009 µ c + 0.17) η k 0.07 ω A 1 w min cc 소성힌지영역에서의콘크리트전단강도감소고려 V = 0, c c 콘크리트전단강도 η = N V =.5τ b k Rd wc d c Ed, /( A cc f ck ) 0.1 η > 0.1 k 58 일본 ( 도로교시방서동해설, 내진설계편, 001) 설계지진력산정시구조물의연성도고려 횡구속콘크리트의응력 - 변형률관계식에서변위연성도산출 f = fn(ρ ), c s ρ 0.018 단면강도 부재연성도연계 부재연성도 횡철근량연계 s f cc 0.8f cc P k c EQ hc s = k s hc w = c c k = 1 µ z a hc 0 1 f c = f cc E des ( ε c ε cc ) n 1 1 ε c f c = Ecε c 1 n ε cc ε cc ε cu 반복하중에의한콘크리트전단강도의감소고려 V = 0. 6V c ci 0. 8V ci (Plate 경계형지진 ) : 반복재하회수가많음 ( 내륙직하형지진 ) 9
59 비교검토 구분 우리나라 뉴질랜드 유럽 일본 설계지진력 F EQ /R R: 부재특성을고려 F EQ /c(μ,t) μ : 구조시스템에따라결정비선형응답스펙트럼제공 구조물의진동주기 (T) F EQ /q q : 부재특성및연성도특성을고려 F EQ / (μ a -1) μ a ; 횡철근량에따라결정 특성이반영 목표연성도 ( 변위또는곡률연성도 ) 명시규정없음 구조시스템에따라변위연성도 : 1~6 곡률연성도완전연성 = 13 한정연성 = 7 임의의변위연성도단, 최대횡철근비에의해제한 횡철근 단일규정 변위연성도에대응하는곡률연성도에의해결정 A sh = fn(φ u /φ ) 곡률연성도에의해결정 w wd,r fn(μ c ) 횡구속콘크리트의응력 - 변형도관계식으로부터직접산정 전단설계 ( 설계전단력, 콘크리트전단강도 ) 초과강도비고려전단강도감소비고려 초과강도고려소성힌지영역에서의전단강도감소고려 초과강도고려소성힌지영역에서의전단강도감소고려 초과강도비고려반복하중에의한전단강도감소고려 60 현행도로교기준의문제점 P P E 탄성지진력 탄성설계, No Reqirement 현설계 P E/R (R=3) 설계기준 Req'd ductilit μδ =1 μδ 내진설계규정의비합리성 Uniform R-factor 강도특성비고려 횡철근규정 ; 주철근겹침이음허용에따른과다한횡철근 부재레벨의내진규정 적용의유연성이결여 지진거동, 내진안전도검토가불명확 30
61 교량의단면강도특성 5 T형중실원형단면 단면지름 (D) : 3m R-factor 4 3 교각높이 (H) : 1m~4m 주철근비 : 1% 1 0 1 3 4 연속경간수 5 6 7 1m 15m 18m 1m 교각높이 4m 연속경간수 : 1~7 대부분의교량시스템 R-factor = 3 이하 소요연성도감소 6 도로교내진상세의비교 구분 AASHTO 우리나라 지진구역 I II III IV I II 가속도계수 (A) A 0.09 0.09 < A 0.19 < A 0.19 0.9 0.9 < A A = 0.11 A = 0.07 겹침이음 (Slice) Not secified Used onl within the center half of column height ( > 400mm or 60d b ) Not secified ( 허용됨 ) 횡철근 (Transverse reinforceme nt) No considera tion of seismic forces : Conventi onal design Ductile 거동을보장하는내진상세 Amount & sacing are secified AASHTO Categor II 에해당하는내진상세 Plastic Hinge Region 에서 La Slice 허용 Amount & sacing are secified 31
63 주철근겹침이음교각의거동특성 400 300 00 100 μ=1.5 μ=1 μ= WEST (ush) μ=3 P i P f Lateral Load(kN) 0-00 -150-100 -50 0 50 100 150 00-100 P f -00 P i -300 EAST (ull) 피복콘크리트의박리및주철근의좌굴없슴 ; 부착파괴 -400 Dislacement(mm) 64 겹침이음없는교각의거동특성 400 300 P i 00 P f Lateral Load(kN) 100 0-300 -00-100 0 100 00 300-100 P f -00 P i -300 피복콘크리트의박리및주철근의좌굴발생 ; 휨파괴 -400 Dislacement(mm) 3
65 주철근겹침이음 - 연성도관계 소성힌지영역에겹침이음이없는교각 소성힌지영역에 100% 겹침이음된교각 연성적인파괴특성 취성적인파괴특성 La Slice C1 C 400 300 Continuous Bars 00 Lateral Load(kN) 100 0-00 -150-100 -50 0 50 100 150 00-100 -00-300 -400 Dislacement(mm) 66 횡철근 - 연성도관계 0.035 횡철근비 0.03 0.05 0.0 0.015 0.01 0.005 도로교설계기준의횡철근비 국부좌굴방지에필요한철근량 주철근겹침이음이있는경우의변위연성도 - 횡철근비관계 주철근겹침이음이없는경우의변위연성도 - 횡철근비관계 0 1 3 4 5 6 7 8 9 변위연성도 소성힌지영역의주철근겹침이음제한횡철근비개선 33
67 성능기초내진설계의제안 SA(g) T1 새로운설계방법제안 기본방침 설계절차및관련연구 향후제언 T SD(cm) 68 성능기반내진설계를위한고려사항 소요내진성능 (Performance Level) 은적정하게설정되어있는가? 소요내진성능은합리적 ( 경제적 ) 으로확보되고있는가? 지진응답, 내진안전율에대한검토가가능한가? 지진거동특성을파악할수있는해석방법이확립되어있는가? 설계의편의성이고려되고있는가? 새로운설계기법, 내진상세의적용을유도하고있는가? 설계자의설계에대한많은자유도가부여되고있는가? 다양한상세제공및적용 34
69 소요내진성능의확보의합리성 내진설계의기본개념 ; 연성설계 SA(g) T1 소요연성도의크기는? 소요내진성능 ( 붕괴방지수준 ) 확보에필요한연성도 T SD(cm) 70 새로운내진설계의기본방침 성능기반내진설계에부합되는새로운내진설계기법확립 설계자에게많은자유도부여 다양한철근상세제공 목표내진성능을확보할수있는다양한설계의유도 설계지진시구조물의거동예측 내진여유도 ( 안전도 ) 예측 35
71 새로운내진설계방법의제안 시 작 제원결정 ( 기능수행수준만족 ) 내진설계관련계수 ( 내진등급, 지진구역가속도계수, 지반계수 ) 주철근상세 ( 소성힌지영역 ) 50% 겹침이음 연속화 단면강도 (P n ) 탄성주기 설계응답스펙트럼탄성지진력산정직교지진력조합 설계지진력 (P EQ ) 설계전단강도 (V d ) V d = φ V (µµ s n 횡철근산정전단검토 설계전단력 (V EQ ) ( 초과강도고려 ) R-factor : P EQ / P n 소요연성도 (μ req ) 설계연성도 (μ Δ ) V EQ < V d Yes 종료 No 전단철근 ( 횡철근 ) 조정 7 R-factor 산정 R-factor 소요연성도 (μ req ) 설계연성도 (μ Δ ) 주철근상세횡철근상세전단검토기능수행수준내진설계만족시탄성지진력(PEQ ) R = 단면강도(P ) n P EQ P EQ P EQ / R P n R = P / P EQ n 현행방법 δ 제안된방법 δ 36
73 소요연성도의산정 R-factor 소요연성도 (μ req ) 설계연성도 (μ Δ ) 주철근상세횡철근상세전단검토 Newmark Miranda & Bertero Nassar & Krawinkler Eurocode8 New Zealand ATC/MCEER 소요연성도산정시 R - μ - T 관계고려 R = 1 T 0. 003s μ=6 6 R = µ 1 01. s T 0. 5s R = µ T 1s µ 1 Rµ = + 1 Φ 1 Φ = 1+ e (ln( T ) 0.) 1T µ T 5T 1 R = [c(µ 1) + 1] µ c = fn(t) T < T = 1.5T O T T O Nonlinear Sectrum T < 1.5T s T 1.5T s C /c TO, µ d = ( q 1) + 1 T, µ = q d, λdr 1 1.5T 1 = 1 s + R T R, λ = 1.0 DR Ductilit Foctor 8 μ=4 4 μ= Newmark R-μ-T 관계 0 0 0.5 1 1.5.5 3 3.5 4 Period (second) 8 μ=6 6 μ=4 4 Ductilit Factor u= Miranda - Alluvium Nassar & Krawinkler 0 0 0.5 1 1.5.5 3 3.5 4 Period (seconds) 74 설계연성도의산정 R-factor 소요연성도 (μ req ) 설계연성도 (μ Δ ) 주철근상세횡철근상세전단검토 안전계수를사용한설계연성도정의 µ = 1+ α ( µ 1) α : 안전계수 P req 1 µ req 1 µ req µ α( µ req 1) 37
75 소성힌지영역에서의내진상세 R-factor 소요연성도 (μ req ) 설계연성도 (μ Δ ) 주철근상세횡철근상세전단검토 주철근상세 연속화 50% 겹침이음 설계연성도확보를위한횡철근상세 횡구속된콘크리트의응력 - 변형률관계식이용 ( 횡철근과 Cross-tie 의조합에따른횡구속력고려 ) 재료레벨의설계 76 소수 (50%) 겹침이음모델거동 중공단면 중실단면 횡구속없음 38
77 78 39
79 80 40
81 설계편의성을고려한상세규정예 부재 LEVEL 상세 Elastic Design 최소규정 상세 I 상세 II 재료 LEVEL 상세 검토 tool 제공 (σ ε curve 에따른횡구속량결정 ) 1.0.0 4.0 최대허용 μ Design 8 제언 성능기반 ( 목표연성도 ) 내진설계방법확립 성능기초내진설계의구체적인확립을위해서는향후집중적인연구가필요 설계지진시구조물의거동특성파악 대상구조물의내진안전도확보 설계편의성고려 내진성능을만족하는다양한설계가능 현행도로교설계법의문제점 구조물의강도특성비고려 ; 동일한 R-factor 의적용 동일한횡철근비의적용 비합리적 ( 비경제적 ) 설계 41
83 감사합니다 4