무스타파 이난 교량의 내진 평가

• 지진 피해에 따른 내진 재평가 연구
• 3D 두꺼운 보 요소를 이용한 선형 및 비선형 동적 해석
• 이전에 측정된 조화 주파수와 계산된 주파수 간의 매우 좋은 상관 관계 도출

1999년 8월, 터키 코자엘리에서 발생한 지진은 유럽 간선도로의 여러 구조물에 피해를 주었습니다. 총 20개의 교량, 5개의 터널 및 여러 개의 오버패스가 영향을 받았습니다. 피해는 콘크리트 벗겨짐, 거더의 좌석 이탈, 기둥 기울어짐, 접근 경량 토사 침하 및 일부 구조물의 전체 기중실 붕괴에 이르기까지 다양했습니다. Gebze Institute of Technology는 터키 고속도로 총국의 허가 및 협력으로 LUSAS Bridge를 사용하여 무스타파 이난 교량을 포함한 여러 구조물에 대한 지진 영향을 연구했습니다. 이 교량은 진앙지에서 불과 5km 떨어진 곳에 위치하고 있습니다.

무스타파 이난 교량은 각각 10개의 고르게 분포된 40m 길이 셀 박스 거더로 이루어진 두 개의 차선으로 구성되어 있습니다. 이 거더는 1982년 시공 당시 가장 높은 기둥인 90m 높이의 엘라스토머 베어링 위에 간단히 지지되고 있습니다. 지진 버퍼 스톱이 거더를 고정합니다. 기둥의 수평 강성이 큰 변동이 있어 이 교량은 복잡한 동적 거동을 보입니다. 중앙 스팬의 두 번째로 긴 기둥에 위치한 지진 버퍼가 손상되었지만, 교량 자체는 지진 이후 구조적으로 무손상인 것으로 보입니다.

모델링

지진 발생 전 센서에서 얻은 환경 진동 검사 데이터를 통해 손상되지 않은 구조의 동적 특성을 파악하였고, LUSAS 모델을 보정하는 데 도움을 주었습니다. 3D 두꺼운 보 요소를 사용하여 거더 및 기둥을 표현하였습니다. 거더는 기둥 사이에서 단순히 지지되고 있었지만, 모델을 단순화하기 위해 연속적으로 모델링되었습니다. 동기화되지 않은 움직임의 영향을 조사하기 위해, 엘라스토머 베어링은 적절한 끝 제약 조건을 가진 선형 스프링 요소로 모델링되었습니다. 비선형 모델링을 위해, 3D 공동 회전 두꺼운 보 요소가 사용되었습니다. 이 유형의 요소는 탄성 완전 소성 재료 특성을 지정할 수 있으며, 큰 기하학적 변형을 고려하는 해법 절차를 사용합니다. 불변적인 안정성을 가지는 Hilber-Hughes-Taylor 적분 방식을 사용하여 시간 단계 0.025초로 설정하였습니다. 교량에서 불과 2km 남쪽에 위치한 부지의 입력 가속도 데이터를 분석에 사용하였습니다.

결과

모드 형상 및 해당 주파수는 기둥과 데크 연결의 스프링 강도의 변동에 민감하게 반응하였습니다. LUSAS로 계산된 참여 계수는 낮은 주파수 모드(0.4 – 1.0 Hz)가 구조 전체 응답의 90%를 차지함을 나타냈습니다. 선형 및 비선형 과도 동적 해석의 결과를 비교한 결과, 짧은 기둥이 긴 중간 기둥보다 큰 모멘트 및 전단력을 받기 더 유리한 것으로 나타났습니다. 또한, 시간 도메인에서 교량의 변형 형태를 검사한 결과, 긴 기둥에서 중간 스팬에서 상당한 스냅 스루 거동이 나타나 두 번째 차수 효과가 확대되었습니다. 따라서, 기하학적 비선형성을 고려해야 실제 거동을 더 정확하게 표현할 수 있습니다.

LUSAS Bridge를 사용하여 계산된 모드 주파수와 측정된 모드 주파수 간의 매우 좋은 상관관계가 도출되었습니다. 연구 결과, 이 교량은 세 개의 다른 주파수 대역에서 세 가지 다른 동적 거동을 나타냅니다.

세 번째 주파수 범위는 3 Hz 이상에 해당하며, 3.7 Hz에서 엘라스토머 베어링 위에 떠 있는 구조의 응답을 포함합니다.
1.0~2Hz 사이의 두 번째 주파수 범위는 더 높은 길이 방향 및 횡 방향 모드에 해당합니다. 구조의 지배적인 주파수 근처에서 지지대로 갈수록 변위가 감소하고, 상당한 양의 에너지가 1~1.5 Hz 주파수 범위로 이동됩니다. 이는 1.5 Hz에서 측면 프레임의 응답과 기타 고주파 효과로 인해 발생한 것입니다. 이는 구조가 변위보다는 속도에 더 민감하다는 것을 확인시켜줍니다. 1.2~1.5 Hz 범위에서는 측면 및 중앙 프레임의 동기화되지 않은 움직임으로 인해 풀 오프 및 드롭 붕괴 효과가 발생할 수 있습니다. 이 중요 범위는 향후 지진에서 짧은 지속시간과 높은 가속력이 지배할 경우에 구조의 응답에서 중요한 역할을 할 수 있습니다.

측면 및 중앙 프레임의 동기화되지 않은 움직임은 실험 연구 및 수치 연구 모두에서 확인되었습니다. 비선형 해석에 따르면, 지진은 확장 조인트가 있는 데크를 확장시키며, 이는 드롭 붕괴 거동의 가능성을 나타내고 대칭 측면의 수축은 지진 버퍼 스톱의 실패 가능성을 나타냅니다. 이 점은 교량의 초기 피해 보고서에 의해 확인되었습니다.

이 지역은 향후 30년간 또 다른 주요 지진이 발생할 확률이 70%에 달하므로, 동적 시험 결과와 유한 요소 해석 연구가 이러한 구조물의 거동을 충분히 모델링하고 이러한 종류의 고속도로 교량에 대한 내진 설계 기준을 강화하는 데 필요합니다. 

Gebze Institute of Technology는 연구 작업에 있어 터키 고속도로 제1지구 및 칸딜리 천문대 지진 연구소에서 제공한 물적 지원 및 기술적 지원에 대해 감사드리며, 이러한 연구는 이 지역의 다른 필수 고속도로 구조물로 확장되어 설계 및 해석 기술을 향상하고, 구조적 손상을 식별하며, 구조적 보강 필요성에 대한 결정을 내리는 데 기여할 것입니다.