Deterministic and Probabilistic Assessment of Seismic Performance of Bridges Retrofitted with Shape Memory Alloy

Abstract

변위제어케이블(SRC)은 미국의 중소지간교량의 경우 과거 여러 지진을 통해서 내부힌지에서의 낙교를 방지하는데 효과가 있는 것으로 알려져 있다. 또한, 형상 기억합금(SMA) 인장 바는 동일한 적용을 위해 연구되고 있다. SMA는 초탄성과 같은 특수한 거동 때문에 교량의 지진성능 개선에 적용될 수 있는 충분한 가능성 을 가지고 있다. 본 연구는 교량의 지진거동을 감소시킬 수 있는 SMA 휨변위제 어장치의 효율을 평가하였다. 본 논문은 교량의 지진거동시 SMA 휨변위제어장 치의 효과를 평가하는 해석적 연구로 구성되었다. 먼저, SMA의 성능을 이해하기 위하여 고감쇄, 리센터링과 같은 SMA의 특성을 이전의 SMA 바의 인장시험과 휨 시험 결과를 검토하였다. 특히, 수행사례가 없었던 최근의 휨실험시의 기계적 거 동을 확인하였다. 두 번째로, SMA 휨바의 효용성은 다경간단순지지(MSSS) 교량 과 다경간연속(MSC) 교량의 해석적 연구를 통해서 평가되었다. 기존 교량과 변 위제어케이블(SRC), SMA 휨변위제어장치(SMA-B) 및 SMA 인장변위제어장치 (SMA-T)와 같은 세가지 형식의 변위제어장치로 내진보강된 교량의 지진성능 평가 를 위해 비선형시간이력해석이 수행되었다. 본 연구의 비선형해석을 위해 SMA 휨바의 해석모델이 개발되었다. 각 교량의 상세한 비선형해석모델이 비선형해석 프로그램인 DRAIN-2DX를 사용해서 개발되었다. 기둥, 교대, 받침 및 여러 변위 제어장치의 비선형거동을 위해 비선형모델이 적용되었다. 교량의 지진거동을 비 교분석하기 위해서, 여러 과거의 지진을 통해 기록된 10개의 실제 지진파가 사용 되었다. 그 결과 MSSS 교량의 경우, 모든 변위제어장치는 기둥의 횡변위를 어느 정도 감소시켰고 힌지열림을 상당히 감소시켰으며 이 중, SMA 인장변위제어장치 (SMA-T) 가 가장 효율적이었다. 그러나, SMA-T는 교대의 능동변위를 크게 증가 시켰다. SMA 휨변위제어장치(SMA-B)는 기둥의 횡변위를 미소하게 감소시켰으며 특히 교대의 능동변위에 가장 효과적이었다. MSC 교량의 경우, 모든 변위제어장 치는 지진격리장치(LUD)를 함께 사용하는 경우 기둥의 횡변위비와 힌지열림 및 교대의 수동변위를 감소시켰으나 교대의 능동변위는 증가시켰다. 변위제어장치들 은 장점과 단점을 동시에 발생시켰다. 특히, SMA-T는 교대의 능동변위를 심각하 게 증가시키는 반면, SMA-B는 SMA-T와 비교할 때 능동변위를 현격히 감소시켰 다. 비선형시간이력해석은 확정적 방법으로서 교량의 지진거동을 산출할 수는 있 으나 그것은 단지 기둥 횡변위, 힌지열림 및 교대의 변위와 같은 교량 주요 성분 만의 지진거동을 평가하게 된다. 그러나, 확정적 수준의 지반운동에 의한 거동은 지반운동의 특성과 교량의 특성치에 내재된 불확실성을 고려할 수 없다. 또한, 지진거동상 장단점이 동시에 발생하는 경우, 교량에서 변위제어장치의 효과를 시 스템적으로 평가할수 있는 도구가 필요하게 된다. 마지막으로, 본 연구에서는 교 량의 취약도평가를 위해 요구수준과 지진성능의 불확실성을 통합할수 있는 확률 적 접근방법으로 지진취약도해석이 수행되었다. 지진취약도해석을 위해 본 연구 에서는 Hwang(200b)에 의해 개발된 100개의 지반운동과 Choi(2002)가 사용한 지진 취약도해석 방법이 사용되었다. 그 결과 MSSS 교량시스템의 경우, 여러 손상 단 계에서 가장 효과적으로 지진 취약도를 감소기키는 변위제어장치는 SMA-B이며 특히 부분손상 단계 이상에서 효과가 더욱 커졌다. SMA-B는 감쇄와 리센터링 거동 모두를 제공하며 기둥의 횡변위와 교대의 능동변위를 제한하는데 가장 효과 적이었다. MSC 교량시스템의 경우, 모든 변위제어장치는 LUD를 함께 사용하는 경우에 LUD+SMA-T를 제외하고 교량시스템의 손상초과확률을 감소시키는데 미소 한 영향이 있었다. 그러나 LUD+SMA-T는 미소손상 단계부터 부분손상 단계까지 에서는 오히려 불리해졌다. 지진취약도해석의 결과로부터 SMA-B로 내진보강된 교량의 지진거동이 기존 교량뿐만 아니라 SRC나 SMA-T로 보강된 교량보다도 효 과적임을 알 수 있었다.; Steel restrainer cables(SRC) for middle and short span bridges in the United States showed the effectiveness to prevent the unseating at the internal hinges during the past several earthquakes. In addition, shape memory alloy(SMA) bars in tension are studied for the same application. The SMA has a sufficient possibility to apply for improvement bridges's seismic performance because of unique behavior such as superelasticity. This study presented the results of an evaluating efficacy of SMA bending restrainer to reduce the seismic response of bridges. The thesis consisted of analytical studies evaluating the effects of SMA bending restrainer on the seismic response of bridges. Firstly, for understanding of SMA's performance, the characteristics of SMA such as high damping and recentering capacity was reviewed by the previous tension test and bending test of SMA bar. In particular, it is confirmed a mechanical behavior of recent bending test which it was not a precedent. Secondly, the effectiveness of the SMA bending bar in bridges was evaluated through analytical studies of a multi?span simply supported(MSSS) bridge and multi-span continuous(MSC) bridge. Nonlinear time history analyses were conducted to assess the seismic performance of the as-built bridge and the bridges retrofitted with three types of restrainers such as steel restrainer cable (SRC), SMA bar in bending(SMA-B), and SMA bar in tension(SMA-T). The analytical model of SMA bar in bending was developed for nonlinear analysis of this study. Detailed nonlinear analytical models of each bridge are developed using DRAIN-2DX nonlinear analysis program. The nonlinear models account for nonlinear behavior of the columns, abutments, bearings, and various restrainers. For comparison of seismic responses of the bridges, ten real ground motions which are recorded from several past earthquakes are used. As a result, in MSSS bridges, the all restrainers reduce the drifts of the columns moderately and hinge opening substantially in which the SMA-T was the most effective. However, the SMA-T increased greatly the active deformation of the abutments. The SMA-B was also moderate to reduce the column's drift, moreover it was the most effective on active deformation of abutments. In MSC bridges, the all restrainers with the lock-up device(LUD) reduced drift ratios of columns, hinge openings, and passive deformation of abutments, but increased active deformation of abutments; they produced both profit and loss. In particular, the SMA-T increased active deformation of abutment seriously but the SMA-B decreased the active action considerably comparing to the SMA-T. Although the nonlinear time history analyses, as a deterministic approach, can be evaluated the seismic response of the bridges it is only assessed the seismic performance of critical bridge components such as column drifts, hinge opening, and deformation of abutment. However, the response of the deterministic levels of ground motions cannot account for the uncertainty in both ground motion characteristics and properties of the bridges. Futhermore, in case the seismic responses produce both profit and loss it is need a tool to assess the effect of the restrainers on bridges systematically. Finally, this study performed the fragility analysis as a probabilistic approach which can incorporate uncertainty in demand and capacity to assess the vulnerability of the bridges. For the fragility analysis in this study, a suite of one hundred ground motions was introduced which were previously developed by Hwang(2000b) and the method of fragility analysis was used Choi's study(2002). As a result, in the MSSS bridge systems, the most effective restrainer for reducing the seismic vulnerability of any damage state was the SMA-B which was very effective above moderate damage state particularly. The SMA-B provided both damping and recentering performance and were very effective in limit the column drift and the active action of abutments. In the MSC bridge systems, the all restrainers with LUD except the LUD+MA-T were slightly effective in reducing the probability of exceeding damage in the bridge system. However, the LUD+SMA-T was rather unfavorable in reducing on from slight to moderate states. As a results of fragility analyses it was showed that the seismic performance of bridges retrofitted with SMA-B was more effect than the as-built bridges as well as the bridges retrofitted with SRC and SMA-T.