한국지반공학회논문집 (Journal of the Korean Geotechnical Society)

  • 제35권11호
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  • Pages.111-119
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  • 2019
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  • 1229-2427(pISSN)
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  • 2288-646X(eISSN)
한국지반공학회 (Korean Geotechnical Society)
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2004 니가타 지진 사례 분석을 통한 고속철도 시스템의 지진 취약도 곡선 개발

Development of Empirical Fragility Function for High-speed Railway System Using 2004 Niigata Earthquake Case History

  • 양승훈 (한양대학교 대학원 건설환경시스템공학과) ;
  • 곽동엽 (한양대학교 공학대학 건설환경공학과)
  • 투고 : 2019.11.05
  • 심사 : 2019.11.13
  • 발행 : 2019.11.30
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초록

지진에 대한 경각심이 높아지는 가운데 고속철도 시스템의 지진 취약성을 분석하는 것은 지진피해 사전대응분석을 위해 필수적이다. 고속철도를 이루는 구조물은 400km/s 정도까지 속도를 낼 수 있는 고속열차의 직진성을 유지하기 위해 주로 교량, 터널 등으로 구성되어 있다. 이러한 구조물의 지진에 대한 취약도는 각 구조물의 단면을 분석하여 해석적 또는 수치적 방법으로 구할 수도 있으나, 고속철도 전체 시스템을 이러한 방법으로 분석하기에는 그 대상이 넓어 많은 연구 노력이 필요하다. 본 연구에서는 이런 해석적 방법이 아닌 경험적 방법을 사용하여 고속철도 시스템 전체의 일반적인 지진 취약도 곡선을 개발하였다. 연구에 활용한 대상 지진 사례는 규모 6.6 2004년 니가타 지진으로, 이 지진은 진앙 인근 부근을 지나는 고속철도에 심각한 피해를 초래하였다. 본 연구에서는 고속철도에서의 계기진도 및 피해 사례를 수집하였고, 통계분석을 통해 각 피해 정도에 따른 피해 확률을 결정하였다. 그 후, 최대우도추정법을 사용하여 계기진도를 함수로 하는 초과피해 확률을 로그정규누적분포함수로 추정하였다. 이러한 취약도 곡선을 분석한 결과, 장주기 성분의 계기진도인 주기 3초의 응답스펙트럼(SAT3.0)이 로그정규누적분포함수의 표준편차가 가장 작게 나타나고 오차의 표준편차 또한 작게 나타나 터널 및 교량 등 고속철도 시스템의 피해 확률을 추정하는데 가장 적합한 계기진도로 판단되었다. 이는 장주기 성분의 지진파가 터널 및 교량 등의 피해에 큰 연관성이 있기 때문으로 유추된다. 개발된 취약도 곡선으로부터 보통 이상(DL > 1)의 피해에 대해 SAT3.0 = 0.1g일 때 2%의 피해확률을 예측하였으며, SAT3.0 = 0.2g일 때 23.9%의 피해확률을 예측하였다.

The high-speed railway system is mainly composed of tunnel, bridge, and viaduct to meet the straightness needed for keeping the high speed up to 400 km/s. Seismic fragility for the high-speed railway infrastructure can be assessed as two ways: one way is studying each element of infrastructure analytically or numerically, but it requires lots of research efforts due to wide range of railway system. On the other hand, empirical method can be used to access the fragility of an entire system efficiently, which requires case history data. In this study, we collect the 2004 MW 6.6 Niigata earthquake case history data to develop empirical seismic fragility function for a railway system. Five types of intensity measures (IMs) and damage levels are assigned to all segments of target system for which the unit length is 200 m. From statistical analysis, probability of exceedance for a certain damage level (DL) is calculated as a function of IM. For those probability data points, log-normal CDF is fitted using MLE method, which forms fragility function for each damage level of exceedance. Evaluating fragility functions calculated, we observe that T=3.0 spectral acceleration (SAT3.0) is superior to other IMs, which has lower standard deviation of log-normal CDF and low error of the fit. This indicates that long-period ground motion has more impacts on railway infrastructure system such as tunnel and bridge. It is observed that when SAT3.0 = 0.1 g, P(DL>1) = 2%, and SAT3.0 = 0.2 g, P(DL>1) = 23.9%.

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