1.0 소개

 

유타 주 고속도로 운송시스템은 유타 주의 경제와 미래성장에 중요하다. 고속도로는 사람들과 경제활동 및 거주민의 일상생활을 위해 필요한 상품을 위한 운송을 제공한다. 도로운송시스템의 중요성 때문에, 유타 주, 그 주의 거주자, 연방정부는 도로인프라를 창출하고 유지하기 위해 대규모 투자를 해왔다. 유타 주의 도로시스템을 보호하고 유지하기 위해서 교량거동과 지진으로 발생하는 손상을 관측하는 강진계측계획이 제안되었다. 대규모 지진이 발생하는 동안 교량의 움직임을 정확히 모니터하는 것은 지진입력이 이러한 육중하고 큰 구조물에 어떻게 영향을 주는가에 대해 우리가 잘 이해하는데 도움이 된다. 여러 구조유형의 교량은 같은 지진파동패턴에 여러 형태로 다르게 반응한다. 역동적인 토양구조 상호작용이 연구될 수 있고, 읽기자료를 근거로 이론들을 검증할 수 있거나 반증할 수 있다. 강한 지진거동센서를 지면이나 도시구조물위에 설치하기에 앞서, 이론은 근거자료가 거의 없는 것이다. 그러므로 이러한 센서가 설치되어 있는 곳의 대규모 지진에서 수집된 그 데이터는 지진공학공동체(Hipley and Huang 2009)에 매우 유용하고 귀중한 자료이다. 강력한 지진거동계측에는 어떤 방향에서든 움직임을 기록하는 많은 다양한 센서의 설치가 포함된다. 그러한 연구에서 수집된 데이터를 사용해서, 교량과 기초, 교대, 기둥, 가설받침, 힌지 등 교량의 지지시스템과 같은 구조물에서 훼손영역을 정하는 것이 가능하다. 지진사고에서 수집된 데이터는 또한 미래에 더 나은 구조물을 설계하는데 사용될 수 있다. 장소특정연구를 수행함으로써, 지진에 대한 구조물의 반응을 모형으로 만드는 것이 가능하다. 이것은 강력한 지진거동계측을 가능하게 하는 위치를 최적화가 가능하게 한다. 확실한 지침을 준수하고, 주 전체의 복합구조물을 포함하는 대표적인 구조물을 선택하고 모형을 만들 수 있다. 이것은 주 전체의 구조물에 대한 계측을 수행하기 위해 같은 계획을 사용하는 것을 가능하게 한다.

 

2.0 핵심요약

 

유타 주, 그 주의 거주자, 연방정부는 유타 주의 도로와 교량을 건설하는데 상당한 재원을 투자해왔다. 유타 주의 교량을 포함한 기반시설을 보호하기 위해서, 지진활동으로 인한 사고에서 강한 거동을 기록하는 것은 중요하다. 이 계획에는 지진에서 교량에 대한 거동을 기록하기 위해 전략적으로 설치된 가속도계가 포함된다. 다음에 이 데이터는 교량에 대한 가능한 손상범위를 탐지하고 그 구조물의 반응을 결정하는데 사용될 수 있다. 이 데이터는 또한 미래에 더 나은 교량을 건설하는데 사용될 수 있다. 강한 지진거동계측에 투자하는 것은 비행기에 설치된 “블랙박스”에 투자하는 것과 비교될 수 있다. 만약 작은 사고가 없다면 비행기는 그 모든 수명을 다할 수 있지만, 만약 비행기에 사고가 일어난다면, “블랙박스”는 그 파괴의 원인으로 정확히 무슨 일이 일어났는지에 대한 주요 통찰력을 줄 수 있다. 강력한 지진거동계측은 또한 지진사고와 구조물의 파괴에서 구조적 행위를 결정하는데 중요하다. 어느 구조물을 계측하고 모형을 만들어야 되는지를 결정하기 위해서 고려되어야 할 많은 기준이 있다. 지리적 위치, 다른 계측된 교량에 근접, 교량 중요성, 교량유형, 복잡성은 계측되고 모형을 만들게 될 구조물을 선택할 때 고려해야만 하는 기준들 가운데 일부이다. 이러한 기준에 근거한 교량의 자격요건을 평가하기 위한 알고리즘은 강한 지진거동계측에 도움을 주기 위해 사용될 수 있다.

강력한 거동계측계획을 정의하기 위해서, 첫째로 가진 영향에 대한 가능한 반응을 예측하는 문제에 있어서 구조물의 모형을 만드는 것이 필요하다. 구조물을 나타내는 소프트웨어를 사용해서 수학적 모형을 만들 수 있다. SAP2000(SAP)은 Computer and Structures, Inc.(CSI)가 만들어 낸 유한요소프로그램이며 모형구조물에 사용될 수 있고, 사용자가 부재 뿐 만 아니라 모형을 정의하는데 도움을 주는 구조적 특성을 입력하도록 허용한다. 지진동은 모형으로 만들 수 있고 예측도 가능하다. 토지특성과 결함에 근접한 것을 근거로 주어진 지역에서 전형적인 지진의 모형을 결정할 수 있다. 자유영역 지질공학적 계측이 또한 구조물에 적용된 정확한 지면 가속도를 측정하는 문제로 각 구조물 인접 지역에서 이루어 져야만 할 것이다.

SAP를 사용해서, 대표모형에 지진동을 적용하고 계산할 수 있으며 또는 예상 변위를 결정할 수 있다. 그 모형들은 계측으로 가장 좋은 정보를 수집할 수 있는 곳인 최대 변위의 가능한 위치를 결정하는데 유용하다. 그러한 모형의 실제 데이터 없이 가진 영향에 대한 모형의 반응은 실제 반응에 대한 이론에 불과하다. 수학적 모형에 의해 결정된 예측변위를 사용해서 강한 지진거동계측계획을 개발하는 것이 가능하다. 다른 비슷한 교량의 미래계측을 위해 또한 만들어 질 수 있는 계측선택과 특정 위치에 대한 지침들의 목록이 가능하다.

 

3.0 계측을 위한 교량선택 고려사항

 

이상적인 상황에서, 모든 교량구조물은 강력한 거동에 대해 계측될 것이다. 그러나 이것은 실현가능성이 없는 것에 불과하다. 상세한 식별자를 보유한 선택절차가 아래에 논의되어 있다. 그 선택고려사항에는 5가지 주요 카테고리가 포함되는데, 그것을 식별자라고 부르고, 각 식별자는 자체의 서브 식별자를 갖게 되며, 그 서브 식별자는 식별자의 범위 내에서 보다 상세한 선정을 하게 된다.

 

3.1 식별자: 근접성

지리적 위치는 가장 중요한 식별자이다. 어떤 교량이 계측의 가치가 있는지 여부를 결정하는데 도움을 주는 두 개의 식별자가 있다. 첫 번째는 식별된 소스에 대한 근접성이며 두 번째는 또 다른 계측교량에의 근접성이다. 강력한 거동사고가 있는 동안 교량거동에 대한 보다 나은 이해를 유도하는 가치 있는 데이터를 수집하기 위해서 식별된 소스에 근접하지만 또 다른 계측교량에서 비교적 거리가 먼 교량을 계측했다는 것이 중요하다. 붕괴된 교량의 100%가 표면단층파열대의 5km 범위 내에 위치해 있고 모든 남아 있는 파괴교량은 16km 범위 내에 있었기 때문에 결정트리에 사용된 값이 선택되었다. (Rojahn & Raggett, 1981)

계측된 교량들은 서로 충분히 멀리 떨어져 있어야 한다는 것이 권고사항이다. 만약에 두 교량을 계측했는데 서로 인접해 있다면 수집된 데이터는 불필요하고 따라서 쓸모가 없을 확률이 보다 높다. 이것이 다른 계측된 교량에서 더 멀리 떨어진 교량에 보다 많은 점수를 부여하는 이유이다.

 

4.0 결정트리절차

4.1 일반개요

여러 다른 식별자와 서브 식별자 그리고 상응하는 기준에 대한 가중 포인트 값을 가진 결정트리는 어느 구조물이 후보자 가운데에서 계측되어야 하는지를 선택하는데 도움이 되기 위해 사용될 수 있다. 어떤 교량에 대한 최종 점수는 계측에 대한 그 교량의 장점에 대해 수량화하여 나타낼 수 있다. 이러한 점수는 다른 가능한 교량들의 점수와 신속하게 비교할 수 있다. 교량이 받는 가중점수는 그 교량이 상응하는 기준분류에 대해서 받은 점수에 서브 식별자의 가중치를 곱함으로써 이루어진다. 예를 들면, 한 교량이 확인된 근원지에서 2.3마일 떨어져 있다면, 그 교량은 0

측정의 변수와 단위는 결정트리 상의 각 서브 식별자 내의 목록에 기입되어 있다.

 

5.0 두 UDOT 구조에 대한 전시 계측

 

교량 F-774와 C-986이 계측을 위해 선택되었다고 가정. 그 제안된 계측설계는 아래 설명되어 있다.

 

5.1 교량 F-774

F-774는 Beck Street, Warm Springs Road, 유타 주의 Rose Park근처, 여러 철도선을 횡단하는 주간도로 15번(I-15)위에 있는 교량이다. 그 계측설계는 평면도와 정면도를 예시하고 있는 아래 그림에서 볼 수 있다. 그 설계에서는 총 30개의 센서를 요구하는데(그것은 평면도에서 동그라미 십자모양으로 표시되어 있음), 데이터 수집에 대한 제어장치로서 역할을 하는 구조물에서 멀리 떨어져 위치한 3축의 자유영역센서(하나는 수직축, 하나는 가로축, 하나는 세로축)를 포함한다.

 

 

구조
수직축	11
가로축	7
세로축	9
자유영역	3
계	30

 

 

평면도

 

 

 

정면도

 

그림 5: 교량 F-774에 대한 제안된 계측설계: 평면도 및 정면도

 

5.2 교량 C-986

C-987은 Layton Parkway위에 있는 1-15도로를 횡단하는 교량이며 유타 주 Layton City에 위치하고 있다. 그 계측설계를 아래 그림에서 볼 수 있다. 그 설계에서는 총 30개의 센서를 요구하는데(그것은 평면도에서 동그라미 십자모양으로 표시되어 있음), 데이터 수집에 대한 제어장치로서 역할을 하는 구조물에서 멀리 떨어져 위치한 3축의 자유영역센서(하나는 수직축, 하나는 가로축, 하나는 세로축)를 포함한다.

 

구조
수직축	11
가로축	4
세로축	4
자유영역	3
계	22

 

 

평면도

 

 

정면도

 

그림 6: 교량 C-986의 제안된 계측

 

 

6.0 일반지침

 

교량현장은 그 위치 근처에 잘 알려진 지진 근원지가 있을 가능성을 이용하기 위해서 주 전체에서 선택되어야 할 것이다. 광범위하게 분산된 현장을 배열하는 것이 동시다발적 접근방법에 유리해서 수집된 데이터를 가장 좋고 폭넓게 배열할 수 있다. 교량현장 결정을 위한 또 다른 기준은 유타 주의 지진단층지도를 보유하고 있는 유타 주 지질조사국과 미국지질조사국이 후원하는 연구 자료를 사용하는 것이다. 교량은 가능한 한 주요 단층대 근처를 선택해야 할 것이다. 단층대를 따라 있는 일부 위치는 대규모 지진이 일어날 확률이 더 높다. 모든 일반 UDOT 교량유형에 대하여 알아보기 위한 계측을 위해서 여러 다양한 구조유형을 선택해야 할 것이다.

강재 거더, 트러스 구조, 프리캐스트 콘크리트 거더, 등이 설치되어야 할 것이다.

강한 거동연구를 위해 여러 하부구조 유형이 또한 선택될 수 있다. 벽식 교각, 멀티기둥벤트, 단일기둥벤트 교량을 모두 모니터 해야 할 것이다. 대도시 지역에서, 비슷한 지진입력을 가지는 여러 구조물을 연구하기 위해 같은 인터체인지에서 다양한 교량유형을 선택해야 할 것이다. 전 세계의 교량모델에 대한 구조적 모드형태를 이해하는 것에 덧붙여, 교량의 여러 구성성분에 대한 연구 또한 중요하다. 이러한 연구에는 경간 내 힌지의 개폐, 교대위의 움직임, 기둥의 최상 및 최하의 상대적 움직임, 등등이 포함된다. (Hipley and Huang 2009)

 

 

그림 8: C-865 와 F-669 교량, 아리엘 풍경사진

그림 9: C-865 교량, 평면도

그림 10: F-669 교량, 평면도

 

 

7.0 미래 UDOT프로젝트에 포함시킬 상세사항, 시방, 지침

 

건설 중 교량위에 가속도계를 설치할 수 있거나 나중에 그 구조물에 그들을 개선하여 설치할 수 있다. 연구를 위해 선택한 두 교량은 이미 건설되었기 때문에, 가속도계를 개선하여 설치해야만 한다. 제시된 강력한 지진거동계측계의 제조업자는 미국의 Kinemetrics사이다. 다음은 Kinemetrics사의 웹사이트에서 직접 가져온 제시된 센서유형에 대한 글이다.

EpiSensor ES-U: EpiSensor는 지진기록적용을 위해 최적화된 단축가속도계이다.

내부에 방수, 산화알루미늄하우징은 힘 평형 가속도계 모듈이다.

 

그림 12: EpiSensor FBA ES-T, 3축 센서

 

이러한 센서는 EpiSensor의 사용자 설명서에 제공된 설치지침을 따라 콘크리트에 직접 부착될 수 있다. EpiSensor의 설치를 위한 몇몇 위치가 여기 그림 13에 지시되어 있다.

 

 

그림 13: 계측장비 설치 위치

 

10.0 결론

유타 주의 도로운송시스템은 그 주의 계속적인 번영을 위해서 중요하다. 게다가, 기반시설에 대한 상당한 규모의 공공투자가 적당하게 이루어져야 한다. 그러므로 유타 주에 대한 강력한 거동계측설계가 필수적이고 당연하다.

이 보고서에는 UDOT설계와 강한 거동프로그램개발에 필요한 정보가 포함되어 있다. 제공된 지침과 동반된 결정트리는 전체적인 주의 골격체계와 일치하는 계측을 위해 적합한 구조물의 선택에 도움을 줄 것이다. 이러한 지침은 UDOT가 모든 제안된 교량을 평가하는데 도움을 줄 것이다. 그 평가는 확장된 강력한 거동계측프로그램을 위한 후보교량이 될 교량들을 선택하는데 사용될 것이다. 이 보고서는 또한 두 예시 교량에 대한 특정 모델링과 계측설계를 포함한다. 그 접근방법은 지역적인 것, 중요성, 구조적인 것, 현장 및 노화 고려사항에 대해 심사숙고한다.

 

 

 

▣ 원문제목 : Strong Motion Instrumentation Implementation Plan for the Utah Department of Transportation

 

▣ 원문의 주요목차*******************************************************************

 

1. 소개

2. 요약

3. 계측을 위한 교량선택 고려사항

4. 결정 TREE 절차

5. 두 UDOT구조에 대한 전시 계측

6. 일반지침

7. 미래 UDOT 프로젝트에 포함시킬 상세사항, 시방, 지침

8. 모델링과 분석

9. 현장 특별 계측설계

10 결론