캘리포니아 박스거더 교량의 비대칭성 및 근거리·원거리 지진동에 대한 취약성 보정계수

초록

본 논문은 캘리포니아에 널리 분포한 비대칭(스키우) 콘크리트 박스거더 교량을 대상으로, 근거리(NF)와 원거리(FF) 지진동이 교량 취약성에 미치는 영향을 정량화한다. 재료·기하·구조적 불확실성을 반영한 확률적 취약성 곡선을 구축하고, 기존 HAZUS의 스키우 보정계수가 중위값 변화를 충분히 포착하지 못함을 확인한다. 이를 보완하기 위해 스키우 각도와 진원 위치를 동시에 고려한 새로운 보정계수를 제시한다.

상세 분석

이 연구는 캘리포니아 주 내 60% 이상을 차지하는 비대칭(스키우) 콘크리트 박스거더 교량을 대상으로, 근거리(NF)와 원거리(FF) 지진동이 교량의 구조적 취약성에 미치는 복합 효과를 정밀히 분석하였다. 먼저, Dabaghi(2014)가 정리한 120쌍의 NF 지진동과 Baker et al.(2011)의 120쌍 FF 지진동을 각각 1.5~2배 스케일링하여 총 360개의 지진동을 확보하고, Sa‑1.0 s를 강도 측정값(IM)으로 채택하였다. 이는 HAZUS와 동일한 기준이지만, 근거리 지진동에 대한 적합성은 추가 검증이 필요함을 언급한다.

모델링은 OpenSees 기반으로 수행되었으며, 교량 상부구조는 탄성 빔‑컬럼 요소, 기둥은 섬유형 비선형 요소로 구현하였다. 좌우 스키우 각도에 따라 변형된 토양·말뚝 스프링을 적용하고, 다이어프램 및 시트식 교각을 각각 다른 경계조건으로 설정했다. 특히, 교각 스키우에 따른 수동·능동 저항을 tan(α)·0.3/tan 60° 식으로 보정함으로써 스키우 각도와 구조 강성·강도의 상관관계를 반영하였다.

불확실성은 기하·재료·시스템 3가지 범주에서 라틴 하이퍼큐브 샘플링(LHS)으로 320개의 교량 모델을 생성하고, 각 모델을 360개의 지진동과 무작위 결합해 총 115,200개의 비선형 시간 이력 해석(NLTHA)을 수행하였다. 주요 응답 변수(EDP)로는 최대·잔류 기둥 전단, 수동·능동 교각 변위, 데크 이탈, 베어링 변위 등을 선정하고, 로그-로그 회귀를 통해 확률적 수요 모델(PSDM)을 도출하였다.

취약성 곡선은 로그정규 누적분포로 정의했으며, 각 구성요소별 중위값(θ50)과 표준편차(β) 를 구해 HAZUS 기존 계수와 비교하였다. 결과는 스키우 각도가 클수록, 특히 30° 이상일 때 NF 지진동에 대한 중위값이 현저히 낮아져 취약성이 크게 증가함을 보여준다. 또한, 기존 HAZUS의 스키우 보정계수는 0.8~1.2 범위에 머물러 실제 변화를 충분히 반영하지 못한다는 한계를 드러냈다.

이를 해결하기 위해 저자들은 스키우 각도(α)와 진원 위치(NF/FF)를 독립 변수로 하는 새로운 보정계수 ψ(α, type)를 제안한다. ψ는 NF 상황에서 α가 증가함에 따라 선형적으로 감소하고, FF 상황에서는 완만한 감소 추세를 보인다. 제안된 계수는 기존 HAZUS 중위값에 곱해 적용하면, 관측된 시뮬레이션 결과와 높은 일치성을 확보한다.

전반적으로 이 논문은 스키우와 근거리 지진동이 교량 취약성에 미치는 복합 영향을 정량화하고, 실무 적용 가능한 보정계수를 제공함으로써 캘리포니아 및 유사 지진 위험 지역의 교량 위험 평가 정확도를 크게 향상시킬 수 있음을 입증한다.