Model Development and Seismic Fragility Assessment of Precast Segmental Bridge Columns

Abstract

Following the increasing demand for accelerated bridge construction, precast segmental bridge columns (PSBCs) have received extensive attention as an alternative to conventional bridge columns. The PSBCs could facilitate rapid construction, minimize traffic disruption, and improve work zone safety. Despite the various advantages of the PSBCs, their use is limited to areas of low seismicity. Understanding their seismic performance is necessary to apply the PSBCs to high seismicity zones. Therefore, this research aims to assess the seismic performance of the PSBCs by developing seismic fragility curves. To achieve this aim, a generalized numerical model of the PSBCs for predicting the inelastic earthquake response with limited experimental data is developed. This research proposes a new model parameter that can capture the complex response of segment joints. The parameter is defined as the ratio between the slip and the strain at the joint fiber. The parameter values are calibrated with existing experimental results, and a model parameter predictive equation is derived from regression analysis, which has four input variables such as axial load ratio, prestressing force ratio, prestressing tendon ratio, and energy dissipation rebar (ED bar) ratio of the PSBCs. The developed PSBC model is applicated to bridge structures. A two-span concrete I-girder bridge with a conventional single-column bent is selected, and the conventional column is designed as a PSBC with the same earthquake performance. The designed PSBC is modeled using the proposed numerical modeling approach. The model is modified using the combination of the column aspect ratio, ED bar ratio, and initial prestressing ratio. A total of 100 PSBC models are created, and nonlinear time history analyses are performed for 100 bridge models. With the simulated dynamic responses and developed capacity models, seismic fragility curves are derived with different levels of damage state, and the influence of design parameters on the seismic fragility of PSBCs is analyzed. The aspect ratio, ED bar ratio, and initial prestressing stress significantly affect the seismic fragility of PSBCs. A high aspect ratio, high ED bar ratio, and low initial prestressing stress make the structure more resistant to earthquakes. Furthermore, with the numerical model developed in this study, the system fragility of bridges supported by PSBCs can also be derived and analyzed. In addition, using the findings in this research, it is possible to develop a design optimization framework for PSBCs that finds the most economical values for design parameters while ensuring seismic stability. |교량 급속 시공에 대한 수요가 증가함에 따라 프리캐스트 세그멘탈 교량 교각(Precast Segmental Bridge Column, PSBC)이 기존 현장 타설 교각의 대안으로서 주목받고 있다. PSBC 공법은 급속 시공이 가능하며, 교통 통제를 최소화하고 현장 작업 안전성을 증진시킬 수 있다. 그러나 이러한 장점에도 불구하고 그 활용이 약진 지역에만 국한되고 있다. PSBC를 강진지역에도 적용하기 위해서는 PSBC의 내진 성능을 이해할 필요가 있다. 따라서 본 논문은 지진 취약도 곡선을 도출하여 PSBC의 내진 성능을 평가하는 것을 목적으로 한다. 이 목적을 달성하기 위하여 제한된 실험 데이터로 PSBC의 비탄성 지진응답을 예측할 수 있는 일반화된 수치해석 모델을 제안한다. 본 연구는 세그먼트 조인트 부분의 복잡한 거동을 모사할 수 있는 새로운 모델 매개변수를 도입한다. 이 매개변수는 조인트 단면 파이버의 변형률에 대한 미끄러짐(slip)의 비율로 정의된다. 기존에 수행된 실험 연구 결과로 매개변수 값을 교정하고, 회귀분석을 통해 축력비(axial load ratio), 긴장력비(prestressing force ratio), 긴장재비(prestressing tendon ratio), 그리고 ED bar 철근비(ED bar ratio) 네 가지 입력변수를 갖는 매개변수 예측 방정식을 도출한다. 개발한 PSBC 해석 모델은 교량 구조물에 적용된다. 본 논문에서는 일반적인 현장 타설 교각을 갖는 2경간 콘크리트 I-거더교를 선정하였으며, 기존 기둥을 동일한 내진성능을 갖는 PSBC로 설계하였다. 설계된 PSBC는 제안된 수치모델을 사용하여 모델링된다. 교각의 형상비, ED bar 비율, 긴장재의 초기응력비의 조합으로 모델을 수정하여 총 100개의 PSBC 모델을 생성하고, 생성된 100개의 교량 모델에 대하여 비선형 시간이력 해석을 실시한다. 동적 해석 응답 결과와 본 논문에서 제안한 변위비 저항 성능 모델을 이용하여 다양한 수준의 손상 상태의 지진 취약도 곡선을 도출하고 각 설계 변수가 PSBC의 지진 취약도에 미치는 영향을 분석한다. 교각의 형상비, EDbar 철근비, 그리고 긴장재의 초기응력은 PSBC의 지진 취약도에 상당한 영향을 미친다. 높은 형상비, 높은 EDbar 철근비, 그리고 낮은 긴장재 초기응력을 갖는 구조물일수록 더 강한 지진에도 견디는 것으로 드러났다. 나아가서 본 연구에서 개발된 수치 모델을 이용하면 PSBC가 적용된 교량의 시스템 취약도 곡선도 도출하고 분석할 수 있다. 또한 본 연구의 결과를 활용하여 내진 안정성을 확보하면서 가장 경제적인 설계변수 값을 구하는 PSBC의 설계 최적화 프레임워크를 개발할 수 있다.