지진 공학

Earthquake engineering
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지진
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지진공학은 지진을 염두에 두고 건물이나 교량 등의 구조물을 설계하고 분석하는 공학 분야입니다.그것의 전체적인 목표는 그러한 구조물을 지진에 더 잘 견딜 수 있도록 만드는 것이다.지진(또는 지진) 엔지니어는 작은 흔들림에도 손상되지 않고 큰 지진에서도 심각한 손상이나 붕괴를 피할 수 있는 구조물을 건설하는 것을 목표로 합니다.지진공학은 지진 위험을 사회경제적으로 허용 가능한 [1]수준으로 제한함으로써 지진으로부터 사회, 자연환경, 인공환경을 보호하는 과학 분야이다.전통적으로, 지진 하중을 받는 구조 및 지질 구조의 거동에 대한 연구로 좁게 정의되어 왔다. 구조 공학, 지질 공학, 기계 공학, 화학 공학, 응용 물리학 등의 하위 세트로 간주된다.그러나 최근 지진의 막대한 비용은 토목공학, 기계공학, 원자력공학 등의 폭넓은 분야와 사회과학, 정치학, 경제학,[2] 금융학 등의 분야를 망라하는 범위 확대로 이어졌다.

지진 엔지니어링의 주요 목표는 다음과 같습니다.

  • 도시 지역과 토목 인프라에 대한 강진의 잠재적 결과를 예측한다.
  • 지진에 노출되었을 때 건물 [3]법규를 준수하고 예상대로 수행할 수 있는 구조물을 설계, 건설 및 유지관리합니다.

적절하게 설계된 구조물은 반드시 매우 견고하거나 비용이 많이 들 필요는 없습니다.허용 가능한 수준의 손상을 유지하면서 지진 영향을 견딜 수 있도록 적절하게 설계되어야 합니다.

UCSD에서 일반 건물 모델(왼쪽)과 면진 건물 모델(오른쪽)[4]의 흔들림 테이블 충돌 테스트

지진 하중

튜닝 매스 댐퍼를 갖춘 도쿄 스카이트리는 세계에서 가장 높은 타워이자 세계에서 두 번째로 높은 구조물이다.
주요 기사:지진 하중

지진하중은 구조물(또는 지형구조)에 지진 발생 여진 적용을 의미한다.지반,[5] 인접 [6]구조물 또는 쓰나미로 인한 중력파와의 접촉 표면에서 발생합니다.지구 표면의 특정 위치에서 예상되는 하중은 공학 지진학에 의해 추정됩니다.그것은 그 장소의 지진 위험과 관련이 있다.

내진 성능

주요 기사:지진 분석

지진 또는 지진 성능은 특정 지진 노출 시 및 이후에 안전 및 사용 가능성과 같은 주요 기능을 유지할 수 있는 구조물의 능력을 정의합니다.구조물이 부분적 또는 완전히 붕괴됨으로써 구조물 내부 또는 주변 사람들의 생명과 안녕을 위태롭게 하지 않는 경우 일반적으로 안전하다고 간주한다.구조물이 설계한 운용기능을 수행할 수 있는 경우 서비스 가능한 것으로 간주할 수 있다.

주요 건축 법규에서 구현된 지진 공학의 기본 개념은 건물이 전 세계적으로 [7]붕괴되지 않고 상당한 피해를 입음으로써 드물고 매우 심각한 지진에서 살아남아야 한다고 가정한다.반면에, 더 자주 발생하지만 덜 심각한 지진 사건에 대해서는 계속 작동해야 한다.

내진성능평가

엔지니어는 특정 지반 흔들림의 영향을 받는 개별 건물의 직접적 손상과 관련된 실제 또는 예상 지진 성능의 정량적 수준을 알아야 한다.이러한 평가는 실험적으로 또는 분석적으로 수행될 수 있다.

실험 평가

실험 평가는 일반적으로 구조물의 (스케일링된) 모델을 지구 흔들림을 시뮬레이션하는 흔들림 테이블에 배치하고 [8]그 동작을 관찰함으로써 이루어지는 값비싼 테스트이다.이런 종류의 실험은 100여 년 [9]전에 처음 행해졌다.최근에야 전체 구조물에 대해 1:1 스케일 테스트를 수행할 수 있게 되었습니다.

이러한 시험은 비용이 많이 들기 때문에 구조물의 지진 거동을 이해하고 모델을 검증하며 분석 방법을 검증하는 데 주로 사용되는 경향이 있다.따라서 일단 적절하게 검증되면 계산 모델과 수치 절차는 구조물의 내진 성능 사정에 큰 부담을 지우는 경향이 있다.

분석적/수치적 평가

6층 비연성 콘크리트 건물 파괴 시험 흔들림 테이블 영상 스냅샷

내진 성능 평가 또는 내진 구조 분석은 구조 해석 방법과 함께 구조물의 상세한 모델링을 활용하여 건물 및 비건물 구조물의 내진 성능을 더 잘 이해하는 지진 엔지니어링의 강력한 도구이다.공식적인 개념으로서의 기술은 비교적 최근의 발전이다.

일반적으로 지진 구조 해석은 구조 [10]역학 방법에 기초한다.수십 년 동안 지진 분석의 가장 중요한 도구는 제안된 건물 법규의 [11]개념에 기여한 지진 대응 스펙트럼 방법이다.

그러나 그러한 방법은 선형 탄성 시스템에만 적합하며, 손상(즉, 비선형성)이 나타날 때 구조적 거동을 모델링할 수 없다.수치적 단계적 통합은 지상 운동 [12]들뜸의 과도 프로세스에서 유의한 비선형성을 갖는 다자유도 구조 시스템에 대한 보다 효과적인 분석 방법임이 입증되었다.유한요소법의 사용은 비선형 토양구조 상호작용 컴퓨터 모델을 분석하기 위한 가장 일반적인 접근법 중 하나이다.

기본적으로 건물의 내진 성능을 평가하기 위해 수치 분석을 실시합니다.성능 평가는 일반적으로 비선형 정적 만만한 분석 또는 비선형 시간 이력 분석을 사용하여 수행됩니다.이러한 분석에서는 보, 기둥, 보-기둥 접합부, 전단벽 등 구조부품의 정확한 비선형 모델링이 필수적이다.따라서, 실험 결과는 특히 유의한 비선형 변형에 노출되는 개별 구성요소의 모델링 매개변수를 결정하는 데 중요한 역할을 합니다.그런 다음 개별 구성요소를 조립하여 구조물의 완전한 비선형 모델을 작성합니다.이렇게 생성된 모델을 분석하여 건물의 성능을 평가합니다.

구조 분석 소프트웨어의 기능은 가능한 구성요소 모델, 사용 가능한 분석 방법 및 가장 중요한 수치적 건전성을 제한하기 때문에 위의 프로세스에서 주요 고려 사항이다.후자는 비선형 범위를 모험하고 수치 해법이 점점 불안정해져 도달이 어려워짐에 따라 전역 또는 국지적 붕괴에 접근하는 구조물에 대한 주요 고려사항이 된다.CSI-SAP2000 및 CSI-PERformance-3D, MTR/SASSI, Scia Engineer-ECTOOLS, ABAQUS 및 Ansys와 같은 상업적으로 이용 가능한 여러 유한 요소 분석 소프트웨어가 있습니다.또한, MOOSE 프레임워크에 기반을 둔 OpenSee, MASTODON, RUAUMOKO 및 오래된 DRAIN-2D/3D와 같은 연구 기반 유한 요소 분석 플랫폼이 있으며, 그 중 일부는 현재 오픈 소스이다.

지진공학 연구

EERC에서의 마찰진자 베어링 진동대 시험

지진공학연구란 지진공학 관련 사실의 발견 및 과학적 설명, 새로운 연구결과에 비추어 종래의 개념의 수정 및 발전된 이론의 실용화를 목적으로 하는 현장·분석적 조사 또는 실험을 말한다.

NSF(National Science Foundation)는 지진 공학의 모든 분야에서 기초 연구와 교육을 지원하는 미국 정부 기관이다.특히 구조 시스템의 설계 및 성능 향상에 대한 실험, 분석 및 계산 연구에 초점을 맞추고 있습니다.

전자 방위 흔들기[13] 테이블

지진공학연구소(EERI)는 지진공학 연구 관련 정보를 미국과 전 세계에 전파하는 선두 기업이다.

전 세계 지진 공학 연구 관련 최종 목록은 전 [14]세계 지진 공학 시뮬레이션을 위한 실험 시설에서 확인할 수 있다.그 중 가장 눈에 띄는 것은 현재 일본의 전자방어용[15] 흔들림 테이블이다.

미국의 주요 연구 프로그램

NSF는 George E도 지원합니다.브라운 주니어지진공학 시뮬레이션 네트워크

NSF 위험 완화 및 구조 엔지니어링 프로그램(HMSE)은 지진 위험에 노출되는 구조 시스템의 거동과 대응 개선을 위한 신기술 연구, 건설된 시스템의 안전과 신뢰성에 대한 기초 연구, 구조 분석 및 모델 기반 시뮬레이션의 혁신적인 개발을 지원한다.토양-토양 상호작용, 구조성능 및 유연성을 개선하는 설계 개념, [16]구조시스템에 대한 새로운 제어기법의 적용 등 다양성과 대응.

국가 민간 인프라의 지진 및 쓰나미 손실 감소와 새로운 실험 시뮬레이션 기법과 계측기에 [17]대한 지식 발견과 혁신을 촉진하는 NEES.

NEES 네트워크에는 지리적으로 분산된 14개의 공유 사용 연구소가 있으며, 지반 원심 분리 연구, 흔들림 테이블 테스트, 대규모 구조 테스트, 쓰나미 파장 실험 및 현장 [18]연구 등 다양한 유형의 실험 [17]작업을 지원합니다.참가 대학은 다음과 같습니다.Cornell University, Leigh University, Oregon State University, Rensselaer Polytecic Institute, 버클리, 캘리포니아 대학교, 버클리, 캘리포니아 대학교, 데이비스, 캘리포니아 대학교, 로스앤젤레스, 캘리포니아 대학교, 샌디에이고f 일리노이, Urbana-Champaign, 미네소타 대학교, 네바다 대학교, 리노 대학교, 텍사스 대학교 오스틴.[17]

버팔로 테스트 시설의 NEES

장비 사이트(랩)와 중앙 데이터 저장소는 NEESHub 웹사이트를 통해 글로벌 지진 기술 커뮤니티에 연결됩니다.NEES 웹사이트는 퍼듀 대학에서 나노용으로 개발한 HUBzero 소프트웨어로 구동됩니다.특히 과학 커뮤니티가 자원을 공유하고 협업할 수 있도록 지원하는 허브입니다.인터넷2를 통해 연결된 사이버 인프라는 대화형 시뮬레이션 도구, 시뮬레이션 도구 개발 영역, 큐레이션된 중앙 데이터 저장소, 애니메이션 프레젠테이션, 사용자 지원, 텔레프레젠스, 리소스 업로드 및 공유 메커니즘, 사용자 및 사용 패턴에 대한 통계를 제공합니다.

이 사이버 인프라스트럭처를 통해 연구자는 중앙의 표준화된 프레임워크 내에서 데이터를 안전하게 저장, 정리 및 공유할 수 있습니다.또, 동기화된 리얼 타임 데이터와 비디오를 사용해 리모트로 관찰 및 실험에 참가할 수 있습니다.또, 동료와 협력해, 자원 계획, 퍼포먼스, 분석, 공개를 용이하게 할 수 있습니다.또한 여러 분산 실험의 결과를 결합하고 물리적 실험을 컴퓨터 시뮬레이션과 연결하여 전체 시스템 성능을 조사할 수 있는 계산 및 하이브리드 시뮬레이션을 수행합니다.

이러한 자원은 공동으로 토목 및 기계 인프라 시스템의 내진 설계와 성능을 개선하기 위한 협업 및 발견 수단을 제공한다.

지진 시뮬레이션

최초의 지진 시뮬레이션은 건물의 [19]수학적 모델에 스케일링된 피크 지반 가속도에 기초한 수평 관성력을 정적으로 적용하여 수행되었다.계산 기술의 발전으로 정적 접근법이 동적 접근법으로 대체되기 시작했습니다.

건물 및 비건물 구조물에 대한 동적 실험은 흔들림 테이블 테스트 또는 가상 테스트와 같은 물리적 실험일 수 있습니다.두 경우 모두 구조물의 예상 지진 성능을 검증하기 위해 일부 연구자들은 건물 코드 또는 특정 연구 요건에 의해 지정된 가상 지진의 경우 마지막 지진은 "실제"일 수 없지만 소위 "실제 시간 이력"을 다루는 것을 선호한다.따라서, 실제 사건의 필수적인 특징만을 가진 지진 입력인 지진 시뮬레이션을 참여시키는 강력한 동기가 있다.

지진 시뮬레이션은 강한 지진의 국지적 영향을 재현하는 것으로 이해될 수 있다.

구조 시뮬레이션

실제 프로토타입과 [20]운동학적으로 동등한 두 건물 모델을 사용한 동시 실험.

예상 지진 성능에 대한 이론적 또는 실험적 평가에는 대부분 구조적 유사성 또는 유사성의 개념에 기초한 구조 시뮬레이션이 필요하다.유사성은 두 개 이상의 물체 사이의 유사성 또는 유사성입니다.유사성의 개념은 비교 항목에서 패턴의 정확하거나 대략적인 반복에 있다.

일반적으로 건물 모델은 기하학적 유사성, 운동학적 유사성 및 동적 유사성을 공유하는 경우 실제 대상과 유사성을 갖는다고 한다.유사성의 가장 생생하고 효과적인 유형은 운동학적 유형이다.운동학적 유사성은 모형과 프로토타입의 움직이는 입자의 경로와 속도가 유사할 때 존재합니다.

지진 공학의 경우 모델과 프로토타입의 각 층 수평 변위의 시간 이력이 동일할 때 운동학적 유사성의 궁극적인 수준은 운동학적 등가성이다.

내진 진동 제어

내진 진동 제어는 건물 및 비건물 구조물의 지진 충격을 완화하기 위한 기술적 수단이다.모든 내진 진동 제어 장치는 패시브, 액티브[21] 또는 하이브리드로 분류할 수 있다.

  • 수동 제어 장치, 구조 요소 및 접지 사이에 피드백 기능이 없다.
  • 능동 제어 장치는 구조물 내 지진 입력 처리 장비 및 액추에이터와 통합된 지상의 실시간 기록 계기를 통합한다.
  • 하이브리드 제어 장치는 능동형 및 수동형 제어 [22]시스템의 기능을 결합합니다.

지상 지진파가 건물의 기초에 도달하여 침투하기 시작하면 반사로 인해 에너지 흐름 밀도가 크게 감소합니다. 보통 최대 90%까지 감소합니다.그러나 대지진 발생 시 사고 파동의 나머지 부분은 여전히 엄청난 파괴력을 가지고 있다.

지진파가 상부 구조물에 들어간 후, 예를 들어 지진파의 피해를 완화시키고 건물의 내진 성능을 개선하기 위해 지진파를 제어할 수 있는 여러 가지 방법이 있습니다.

  • 적절히 설계된 댐퍼를 사용하여 상부 구조물 내부의 파동에너지를 방산한다.
  • 더 넓은 주파수 범위 사이에 파동 에너지를 분산시킨다.
  • 이른바 매스 [23]댐퍼의 도움으로 전체 파동 주파수의 공명 부분을 흡수합니다.
세계에서 가장 오래된 면진 건물인 키루스의 무덤

튜닝(패시브)의 경우 TMD, 액티브(액티브)의 경우 AMD, 하이브리드 매스 댐퍼의 경우 HMD로 약칭되는 마지막 종류의 장치는 25년 [24]동안 주로 일본에서 고층 건물에 연구되어 설치되었다.

그러나 다른 접근법이 있다: 지진 에너지의 부분적 억제, 즉 지진 또는 기저 절연으로 알려진 상부 구조물에 유입된다.

이를 위해 일부 패드는 건물 기초의 모든 주요 하중 운반 요소에 삽입되며, 이는 상부 구조물을 흔들리는 지반 위에 놓인 하부 구조에서 실질적으로 분리해야 한다.

면진 원리를 이용한 지진 방지의 첫 증거는 고대 페르시아의 도시 파사르가대에서 발견됐으며 기원전 6세기까지 거슬러 올라간다.다음은 오늘날의 지진 방진 기술의 샘플입니다.

페루의 건석벽

페루 태양의 마추픽추 사원의 마른 돌담

페루는 매우 지진에 강한 땅이다; 수 세기 동안 건석 건축은 모르타르를 사용하는 것보다 내진성이 더 높다는 것이 입증되었다.잉카 문명의 사람들은 아슐라라고 불리는 광택이 나는 '마른 돌 벽'의 달인들이었다. 이 벽은 돌 덩어리를 절구공 없이 단단하게 잘 맞도록 잘랐다.잉카인들은 세계에서 가장[25] 훌륭한 석공들 중 하나였고, 그들의 석공들의 많은 접합부들은 너무 완벽해서 풀잎조차 돌 사이에 들어갈 수 없었다.

잉카족이 건설한 건석벽의 돌은 벽이 무너지지 않고 약간 움직이며 재정착할 수 있으며 에너지 소산 원리(쿨롬 댐핑)와 공명 [26]증폭을 억제하는 수동적 구조 제어 기술이다.

튜닝된 질량 댐퍼

주요 기사:튜닝된 질량 댐퍼
세계에서 세 번째로 높은 고층 빌딩인 타이베이 101의 튜닝 매스 댐퍼

일반적으로 튜닝된 질량 댐퍼는 고층 건물이나 다른 구조물에 설치된 거대한 콘크리트 블록으로, 일종의 스프링 메커니즘을 통해 구조물의 공진 주파수 진동과 반대로 움직입니다.

타이베이 101 초고층 빌딩은 아시아/태평양의 이 지역에서 흔히 볼 수 있는 태풍 바람과 지진 진동을 견뎌야 한다.이를 위해 튜닝된 질량 댐퍼 역할을 하는 660 미터톤의 강철 진자가 구조물 위에 설계 및 설치되었습니다.92층부터 88층까지 매달려 있는 진자는 지진과 강한 돌풍에 의한 건물 내 횡방향 변위의 공진 증폭을 줄이기 위해 흔들린다.

이력 댐퍼

히스테리틱 댐퍼는 지진 입력 에너지 [27]소산을 증가시킴으로써 기존 구조물보다 우수하고 신뢰성 높은 내진 성능을 제공하는 것을 목적으로 한다.이 용도로 사용되는 이력 댐퍼에는 다음과 같은 5가지 주요 그룹이 있습니다.

  • 유체 비스코스 댐퍼(FVD)

비스코스 댐퍼는 보조 댐핑 시스템이라는 장점이 있습니다.이들은 타원형 이력 루프를 가지고 있으며 댐핑은 속도에 따라 달라집니다.약간의 유지보수가 필요할 수 있지만 일반적으로 지진 후 비스코스 댐퍼를 교체할 필요는 없습니다.다른 댐핑 기술보다 비싸지만 지진 및 풍하중에 모두 사용할 수 있으며 가장 일반적으로 사용되는 이력 [28]댐퍼입니다.

  • 마찰 댐퍼(FD)

마찰 댐퍼는 선형 및 회전식 두 가지 주요 유형으로 제공되며 열에 의해 에너지가 분산됩니다.댐퍼는 쿨롱 댐퍼의 원리로 작동합니다.마찰 댐퍼는 설계에 따라 스틱 슬립 현상과 냉간 용접이 발생할 수 있습니다.주요 단점은 마찰 표면이 시간이 지남에 따라 마모될 수 있다는 것이며 이러한 이유로 바람 부하를 분산시키는 데 권장되지 않습니다.지진 용도로 사용하면 마모에 문제가 없고 유지보수가 필요하지 않습니다.그들은 직사각형 모양의 이력 고리를 가지고 있고 건물이 충분히 탄성이 있는 한 지진 후에 원래 위치로 되돌아가는 경향이 있다.

  • 금속 항복 댐퍼(MYD)

금속 항복 댐퍼는 이름에서 알 수 있듯이 지진 에너지를 흡수하기 위해 항복합니다.이러한 유형의 댐퍼는 많은 양의 에너지를 흡수하지만 지진 발생 후 교체해야 하며 건물이 원래 위치로 다시 안착하는 것을 방해할 수 있습니다.

  • 점탄성 댐퍼(VED)

점탄성 댐퍼는 바람 및 지진 애플리케이션 모두에 사용할 수 있다는 점에서 유용하며, 일반적으로 작은 변위로 제한됩니다.일부 브랜드는 미국에서 건물에서 사용이 금지되어 있기 때문에 기술의 신뢰성에 대한 우려가 있다.

  • 스트래들링 진자 댐퍼(스윙)

베이스 분리

베이스 아이솔레이션은 지진의 운동 에너지가 건물 내의 탄성 에너지로 전달되는 것을 막기 위한 것입니다.이러한 기술은 지상에서 구조물을 격리시킴으로써, 구조물이 다소 독립적으로 움직일 수 있게 함으로써 그렇게 한다.에너지가 구조물로 전달되는 정도와 에너지가 소멸되는 방법은 사용된 기술에 따라 달라집니다.

  • 납 고무 베어링
UCSD Caltrans-SRMD 설비에서 테스트되는 LRB

납 고무 베어링 또는 LRB는 무거운 댐핑을 사용하는 베이스 절연의 한 유형입니다.그것은 뉴질랜드인 [29]빌 로빈슨에 의해 발명되었다.

진동 제어 기술, 특히 면진 장치에 통합된 중량 감쇠 메커니즘은 종종 진동을 억제하는 귀중한 원천으로 간주되어 건물의 내진 성능을 향상시킨다.그러나 상대적으로 베어링 강성이 낮지만 감쇠력이 높은 면진 구조물과 같은 다소 유연한 시스템의 경우, 이른바 "감쇠력"이 강진 시 주요 밀어내는 힘을 발생시킬 수 있다.이[30] 비디오에서는 UCSD Caltrans-SRMD 시설에서 테스트되는 납 고무 베어링을 보여 줍니다.베어링은 납 심이 있는 고무로 제작됩니다.베어링도 전체 구조 하중을 받는 단축 테스트였습니다.뉴질랜드와 다른 지역의 많은 건물과 교량은 납 댐퍼와 납 및 고무 베어링으로 보호됩니다.뉴질랜드 국립박물관인 테 파파 통가레와와 뉴질랜드 국회의사당에는 베어링이 설치됐다.둘 다 웰링턴에 있는데, 웰링턴은 [29]활단층에 위치해 있다.

  • 댐퍼가 있는 스프링 베이스 아이솔레이터
스프링 및 댐퍼 클로즈업

1994년 노스리지 지진에 앞서 촬영된 사진에는 캘리포니아 주 산타모니카의 3층 타운하우스 아래에 설치된 댐퍼가 있는 스프링 베이스 아이솔레이터가 나와 있다.납 고무 베어링과 개념적으로 유사한 베이스 절연 장치입니다.

이와 같은 3층짜리 타운하우스 2채 중 1채는 바닥과 지면에서 수직과 수평의 가속도를 기록하기 위해 잘 설치돼 있으며 노스리지 지진 당시 심한 흔들림에도 살아남아 연구를 위해 귀중한 기록 정보를 남겼다.

  • 단순 롤러 베어링

단순 롤러 베어링은 강력한 지진의 잠재적 측면 충격으로부터 다양한 건물 및 비건물 구조물을 보호하기 위한 베이스 격리 장치입니다.

이 금속 베어링 지지대는 특정 주의사항과 함께 고층 건물 및 연약 지반의 건물에 대한 내진 절연체로 적합할 수 있다.최근에는 일본 [31]도쿄의 한 주택단지(17층)에 메탈릭 롤러 베어링이라는 이름으로 채용되고 있다.

  • 마찰 진자 베어링

마찰진자베어링(FPB)은 마찰진자시스템(FPS)의 다른 이름이다.3개의 [32]기둥을 기반으로 합니다.

  • 관절 마찰 슬라이더;
  • 구형 오목한 접동 표면
  • 측면 변위 구속을 위한 밀폐 실린더.

오른쪽에는 견고한 건물 모델을 지원하는 FPB 시스템의 흔들림 테이블 테스트 비디오 클립 링크가 있는 스냅샷이 나와 있습니다.

내진 설계

내진설계는 지진피폭 [19]대상 구조물을 설계 또는 개조하기 위한 공인 엔지니어링 절차, 원칙 및 기준에 기초한다.이러한 기준은 지진 공학 [33]구조에 대한 지식의 현대적 상태와만 일치한다.따라서 내진규정을 정확히 준수하는 건물설계는 붕괴나 심각한 [34]손상에 대한 안전을 보장하지 않는다.

내진 설계가 부실하면 그 대가는 엄청날 수 있다.그럼에도 불구하고 지진 설계는 물리적 법칙에 기초하든, 다양한 형태와 재료의 구조적 성능에 대한 경험적 지식에 기초하든 간에 항상 시행착오 과정이었다.

샌프란시스코 시청은 1906년의 지진과 화재로 파괴되었다.
1906년 지진과 화재 이후 샌프란시스코

신규 및 기존 토목 프로젝트의 내진 설계, 내진 분석 또는 내진 평가를 실시하기 위해 엔지니어는 일반적으로 캘리포니아 주에서 다음을 포함하는 내진 원리에[35] 대한 시험을 통과해야 한다.

  • 지진 데이터 및 내진 설계 기준
  • 엔지니어링 시스템의 내진 특성
  • 지진력
  • 지진 분석 절차
  • 내진상세 및 시공품질관리

복잡한 구조 [36]시스템을 구축하기 위해 내진 설계는 비 내진 설계 프로젝트와 동일한 수의 기본 구조 요소를 사용한다(진동 제어 장치는 말할 것도 없고).

일반적으로, 건축 법규에 따르면, 구조물은 자신의 위치에서 발생할 가능성이 있는 특정 확률의 가장 큰 지진을 "견디는" 목적으로 설계됩니다.이는 건물 붕괴를 방지함으로써 인명 손실을 최소화해야 한다는 것을 의미한다.

내진설계는 구조물의 가능한 기능 상실 모드를 이해하고 해당 모드가 발생하지 않도록 구조물에 적절한 강도, 강성, 연성 및 구성을[37] 제공함으로써 수행된다.

내진 설계 요건

내진설계 요건은 구조물의 유형, 프로젝트의 지역성 및 적용 가능한 내진설계 규정과 [7]기준을 규정하는 당국에 따라 달라진다.예를 들어 캘리포니아 교통부의 지진 설계 기준(SDC)이라 불리며 캘리포니아의[38] 새 교량 설계를 목표로 하는 요구사항은 혁신적인 지진 성능 기반 접근방식을 통합한다.

메트사모르 원자력 발전소는 1988년 아르메니아 지진[39] 이후 폐쇄되었다.

SDC 설계 철학에서 가장 중요한 특징은 지진 수요의 힘 기반 평가에서 수요와 용량의 변위 기반 평가로 전환하는 것이다.따라서 새로 채택된 변위 접근방식은 모든 잠재적 플라스틱 힌지 위치에서 최소 수준의 비탄성 용량을 보장하면서 탄성 변위 수요를 일차 구조 구성요소의 비탄성 변위 용량과 비교하는 것에 기초한다.

내진설계요건에는 설계 구조물 자체 외에도 구조물 아래의 지반 안정화가 포함될 수 있다. 때로는 심하게 흔들리는 지반이 붕괴되어 구조물의 [40]붕괴가 초래된다.액상화, 옹벽의 동적 횡방향 토압, 지진 경사 안정성, 지진에 의한 [41]침하 등의 주요 관심사가 되어야 한다.

원자력 시설은 지진이나 기타 적대적인 외부 사건의 경우 안전을 위태롭게 해서는 안 된다.따라서 지진설계는 비핵시설에 [42]적용되는 것보다 훨씬 엄격한 기준에 기초하고 있다.그러나 2011년 도호쿠 대지진과 쓰나미 이후 후쿠시마 I 원전 사고와 다른 원자력 시설의 손상은 일본 원자력 지진 설계 기준에 대한 지속적인 우려를 불러일으켰고 많은 다른 정부들이 원자력 프로그램을 재평가하게 만들었다.프랑스의 페센하임 원자력 발전소를 포함한 다른 발전소들의 내진 평가와 설계에 대해서도 의문이 제기되었다.

장애 모드

기능 상실 모드는 지진에 의한 기능 상실을 관찰하는 방법이다.일반적으로 장애가 발생하는 방법을 설명합니다.비용과 시간이 많이 소요되지만, 각 실제 지진 붕괴로부터 배우는 것은 내진 설계 방법의 발전을 위한 일상적인 방법들로 남아 있다.아래에는 지진 발생 고장의 몇 가지 전형적인 모드가 제시되어 있다.

지진시 비보강 석조건물의 대표적인 피해

철근의 부족과 박격포의 불량, 지붕과 벽 사이의 부적절한 침목은 보강되지 않은 석조 건축물에 상당한 손상을 초래할 수 있습니다.벽이 심하게 갈라지거나 기울어지는 것은 가장 흔한 지진 피해 중 하나이다.벽과 지붕 또는 바닥 다이아프램 사이에 발생할 수 있는 손상도 위험합니다.프레임과 벽 사이의 분리는 지붕과 바닥 시스템의 수직 지지대를 위태롭게 할 수 있습니다.

지표면 전단강도 미달로 인한 연층 붕괴, 로마 프리타 지진

소프트 스토리 효과지면에 적절한 강성이 없어 이 구조물에 손상을 입혔다.이미지를 자세히 검사한 결과 벽돌 베니어판으로 덮여 있던 거친 보드 사이드가 스터드월에서 완전히 분해된 것으로 나타났습니다.위쪽 바닥의 강성과 가로변처럼 큰 문이 뚫리지 않은 연속벽에 의한 숨겨진 두 측면의 지지대가 결합되어 구조물의 완전한 붕괴를 막고 있다.

1964년 니가타 지진의 토양 액상화 영향

토양 액상화토양이 충분히 크고 콤팩트한 정수공 수압을 발생시키는 경향이 있는 느슨한 입상 퇴적물로 구성되어 있는 경우, 이러한 느슨한 포화 퇴적물의 액상화는 불균일한 침하 및 구조물의 경사를 초래할 수 있다.이것은 1964년 일본 니가타 지진 [43]때 수천 채의 건물에 큰 피해를 입혔다.

2008년 쓰촨성 대지진 산사태로 부서진 자동차

산사태가 일어나다.산사태는 낙석을 포함한 광범위한 지반 이동을 포함하는 지질 현상입니다.일반적으로 산사태가 발생하는 주된 원동력은 중력 작용이지만, 이 경우 원래의 경사면 안정성에 영향을 미치는 또 다른 요인이 있는데, 그것은 산사태가 방출되기 전에 지진 방아쇠가 필요하다는 것이다.

인접한 건물인 로마 프리타에 대한 타격 효과

옆 건물에 부딪혔어이 사진은 캘리포니아 로스 알토스에 있는 세인트 조셉 신학교의 붕괴된 5층 타워의 사진입니다.로마 프리타 지진 동안, 그 탑은 뒤쪽에서 독립적으로 진동하는 인접 건물을 강타했다.충돌 가능성은 두 건물의 측면 변위에 따라 달라지며, 두 건물의 측면 변위는 정확하게 추정되고 설명되어야 한다.

Northridge 콘크리트 골조 이음새 완전파손 효과

노스리지 대지진으로 카이저 퍼머넌트 콘크리트 골조 사무실 건물은 이음매가 완전히 깨져 감금용 강철이 불충분해 2층이 붕괴됐다.가로 방향에서는 2개의 벽돌과 가로 하중을 전달하는 숏크리트 층으로 구성된 복합 엔드 전단벽이 부적절한 관통 타이로 인해 박리되어 파손되었다.

재단으로부터의 이행, 휘티어

1987년 휘티어 협스 지진 당시 비교적 견고한 주거용 건물의 기초가 미끄러져 나간 영향.리히터 규모 5.9의 강진이 캘리포니아 몬터레이 파크의 가비 웨스트 아파트를 강타했고 상부 구조물이 기초 위에서 동쪽으로 약 10인치 이동했다.

피칠레무 지진 피해

상부구조물이 면진시스템에 장착되지 않은 경우 지하실에서의 이동을 방지해야 한다.

불충분한 전단 보강으로 인해 주 철근이 버클, 노스리지

Northridge 지진시 철근콘크리트 기둥의 버스트(burke out)를 주철근으로 할 수 있는 전단보강모드가 불충분하여 발생.갑판이 경첩에서 빠져서 전단에 실패했다.그 결과, 10번 고속도로의 La Cienega-Venice 언더패스 구간이 붕괴되었다.

지지 기둥 및 상부 갑판 파손, 로마 프리타 지진

로마 프리타 지진: 캘리포니아주 오클랜드 주 880번 주간 고속도로의 2층 편백 고가교 하부 데크 붕괴를 촉발한 철근 콘크리트 지지 기둥 붕괴 측면도.

지반 이동으로 인한 옹벽 고장, Loma Prieta

산타크루즈 산맥 지역 로마 프리타 지진의 옹벽 붕괴: 북쪽 접점인 오스트리아 댐으로 가는 콘크리트 유로의 너비 최대 12cm(4.7인치)의 눈에 띄는 북서쪽 돌출 균열.

접지 장애의 횡방향 확산 모드, Loma Prieta

지반 흔들림은 지표면 아래 모래 층에서 토양 액상화를 유발하여 액상화되지 않은 모래와 침전물의 덮인 틈새에서 횡방향과 수직방향의 차이를 발생시켰다.수평 확산이라고 불리는 이러한 지반 붕괴 모드는 액상화 관련 지진 [44]손상의 주요 원인이다.

2008년 쓰촨성 대지진 보 및 교각기둥 대각선 균열

2008년 쓰촨성 대지진 이후 중국농업개발은행 건물이 심하게 파손돼 대들보와 부두 기둥 대부분이 절단됐다.석조 및 단판의 큰 대각선 균열은 면내 하중에 의한 것이며,[45] 건물 오른쪽 끝의 갑작스러운 침하에는 지진이 발생하지 않더라도 위험할 수 있는 매립지가 원인이어야 한다.

쓰나미가 아오낭을 [46]덮쳤다.

쓰나미 영향의 두 가지: 바다 파도의 수압과 침수.따라서, 2004년 12월 26일 인도네시아 수마트라 서쪽 해안에서 진원지를 포함한 인도양 지진은 일련의 파괴적인 쓰나미를 유발했고, 30미터([47]100피트) 높이의 거대한 파도로 주변 해안 지역 사회가 침수되어 11개국에서 23만 명 이상이 사망했다.

내진 구조

상세 정보:내진 구조

지진 건설이란 건물 및 비건물 구조물이 예상 지진 노출을 통해 해당 건물 법규를 준수하고 생존할 수 있도록 내진 설계를 구현하는 것을 의미한다.

지진 및 바람의 횡력에 견딜 수 있는 진주강 타워 X-브레이싱 시공

설계와 시공은 밀접하게 관련되어 있습니다.우수한 제작 능력을 얻기 위해서는 구성원과 그 인맥에 대한 세부 사항은 가능한 한 간단해야 합니다.일반적으로 지진 건설은 이용 [48]가능한 건축 자재를 고려하여 기반 시설의 건설, 개조 또는 조립으로 구성된 프로세스입니다.

건설물에 대한 지진의 불안정 작용은 직접적(지반의 지진 운동) 또는 간접적(지진으로 인한 산사태, 토양 액상화 및 쓰나미의 파도)일 수 있다.

구조물은 모든 안정감을 가지고 있을 수 있지만,[49] 지진이 일어났을 때 위험성 외에는 아무것도 제공하지 않습니다.중요한 사실은 안전을 위해서는 내진 시공 기술이 품질 관리 및 정확한 재료 사용만큼이나 중요하다는 것이다.지진 청부업자는 프로젝트 소재지의 주/도/국에 등록하고(현지 규정에 따라), 보세 및 보험에[citation needed] 가입해야 합니다.

피해를 최소화하기 위해서는 공사가 끝나기 전에 지진이 발생할 수 있다는 점을 염두에 두고 공사 과정을 짜야 한다.

각 건설 프로젝트에는 건설 관리뿐만 아니라 다양한 구조물의 내진 성능의 기본 특징을 이해하는 자격을 갖춘 전문가 팀이 필요합니다.

어도비 구조

캘리포니아 웨스트모랜드의 어도비 빌딩이 부분적으로 붕괴되었습니다.

전 세계 인구의 약 30%가 흙으로 만든 [50]건설업에 종사하고 있다.Adobe 타입의 진흙 벽돌은 가장 오래되고 널리 사용되는 건축 자재 중 하나입니다.Adobe의 사용은 전통적으로 라틴 아메리카, 아프리카, 인도 아대륙 및 아시아, 중동 및 남유럽의 다른 지역에 걸쳐 세계에서 가장 위험성이 높은 지역에서 매우 흔하게 사용됩니다.

어도비 빌딩은 [51]강한 지진에 매우 취약한 것으로 여겨진다.그러나 신규 및 기존 어도비 건물의 내진 강화 방법은 여러 가지가 있습니다.[52]

Adobe 구조물의 내진 성능 향상을 위한 주요 요인은 다음과 같습니다.

  • 건축 품질
  • 컴팩트한 박스형 레이아웃.
  • 내진 보강.[53]

석회암 및 사암 구조물

유타주 솔트레이크시티, 기지로 격리된 시티 및 카운티 빌딩

석회암은 건축, 특히 북미와 유럽에서 매우 흔하다.전 세계의 많은 랜드마크들이 석회암으로 만들어져 있다.유럽의 많은 중세 교회와 성들은 석회암과 사암 석조로 만들어졌다.그것들은 오래 지속되는 재료이지만, 그 중량이 적절한 내진 성능에 도움이 되지 않는다.

내진 개조에 현대 기술을 적용하면 비강제 석조 구조물의 생존성을 높일 수 있다.예를 들어, 1973년부터 1989년까지 유타에 있는 솔트레이크 시티 앤 카운티 빌딩은 외관의 역사적 정확성을 보존하는 데 중점을 두고 전면적으로 개조 및 보수되었습니다.이는 지진 피해로부터 더 잘 보호하기 위해 면진 기초 위에 약한 사암 구조를 배치하는 내진 업그레이드와 함께 수행되었습니다.

목재 프레임 구조

덴마크 안네 히데의 집 (1560년)

목재 골조는 수천 년 전으로 거슬러 올라가 고대 일본, 유럽, 중세 영국 등 세계 각지에서 목재가 잘 공급되고 석재가 쌓이는 지역이나 작업기술이 좋지 않은 지역에서 사용되어 왔다.

건물에서 목재 골조를 사용하면 목재 골조가 제대로 설계되면 내진 [54]생존성이 향상되므로 구조적인 이점을 얻을 수 있습니다.

경골조

주거용 건물 구조용 2층 목조건축

경량 프레임 구조는 일반적으로 견고한 합판 전단 벽과 목재 구조 패널 [55]다이아프램에서 내진 내성을 얻는다.엔지니어링된 모든 목재 구조물에 대한 내진 하중 시스템에 대한 특별 규정에서는 다이어프램 비율, 수평 및 수직 다이어프램 전단 및 커넥터/고정자 값을 고려해야 한다.또한 다이어프램 길이를 따라 전단을 분배하기 위한 수집기 또는 드래그 스트럿이 필요합니다.

강화 석조 구조

보강된 중공 석조벽

석조 모르타르 이음매에 철제 보강재를 박거나 구멍에 넣어 콘크리트나 그라우트로 메운 것을 철근 [56]석조라고 한다.석조 건축을 강화하기 위한 다양한 관행과 기술이 있다.가장 일반적인 유형은 강화 중공 유닛 석조 구조입니다.

석공에서 연성 거동을 달성하기 위해서는 벽의 전단 강도가 휨 [57]강도보다 커야 한다.수직 및 수평 보강재의 효과는 석조 단위와 모르터의 유형과 품질에 따라 달라집니다.

파괴적인 1933년 롱비치 지진은 석조 건물이 지진 피해를 입기 쉽다는 것을 드러냈고, 캘리포니아 주 법규는 캘리포니아 전역에 석조 건물 보강을 의무화하도록 했다.

철근콘크리트 구조물

오리건주 그랜츠 패스 로그 강 위의 스트레스 리본 보행자 다리
양쯔강 위의 프리스트레스트 콘크리트 사장교

철근콘크리트는 철근(리바) 또는 섬유를 사용하여 깨지기 쉬운 재료를 강화한 콘크리트이다.보, 기둥, 바닥 또는 교량을 생산하는 데 사용할 수 있습니다.

프리스트레스트 콘크리트는 콘크리트 본연의 장력을 극복하기 위해 사용되는 철근콘크리트이다.일반 철근콘크리트보다 경간이 긴 보, 바닥, 교량 등에 적용할 수 있다.프리스트레스 힘줄(일반적으로 고장력 강철 케이블 또는 로드)은 콘크리트 압축부재가 휨하중에 의해 겪게 되는 인장응력을 상쇄하는 압축응력을 생성하는 클램프하중을 제공하기 위해 사용된다.

(생명 안전을 위해) 대지진동에 대한 치명적인 붕괴를 방지하기 위해 기존의 철근 콘크리트 프레임에는 연성 조인트가 있어야 한다.사용된 방법 및 가해진 지진력에 따라 그러한 건물은 즉시 사용할 수 있거나 광범위한 수리가 필요하거나 철거해야 할 수 있다.

프리스트레스트 구조

프리스트레스 구조는 전체적인 무결성, 안정성 및 보안이 주로 프리스트레스에 의존하는 구조입니다.프리스트레스란 다양한 서비스 조건에서 [58]성능을 개선하기 위해 구조물에서 의도적으로 영구 응력을 생성하는 것을 의미한다.

로마 콜로세움 외벽의 자연 압축

프리스트레스에는 다음과 같은 기본적인 유형이 있습니다.

  • 사전 압축(대부분 구조물의 자체 중량을 사용)
  • 고강도 내장 힘줄 프리텐션
  • 고강도 접합 또는 미접합 힘줄을 사용한 포스트 텐션

오늘날, 프리스트레스트 구조의 개념은 건물, 지하 구조물, TV 타워, 발전소, 부유식 저장고 및 연안 시설, 원자로 선박, 그리고 많은 종류의 교량 [59]시스템의 설계에 광범위하게 관여하고 있다.

프리스트레싱의 유익한 아이디어는 분명히 고대 로마 건축가들에게 익숙한 것이었다; 예를 들어 콜로세움의 높은 다락방 벽이 아래 벽 교각의 안정 장치로서 작동하는 것을 보라.

철골 구조물

로마 프리타 지진 대응 샌프란시스코-오클랜드 베이 브리지 붕괴 구간

강철 구조는 대부분 내진 구조로 간주되지만 일부 고장이 발생했습니다.1994년 노스리지 [60]대지진 때 내진처럼 보이는 다수의 용접 철골 모멘트 내구성 골조 건물이 놀랄 만큼 메짐 현상을 겪었고 위험한 손상을 입었다.그 후, 연방 비상 관리청(FEMA)은 향후 [61]지진에서 철골 모멘트 프레임 건물의 손상을 최소화하기 위해 수리 기법과 새로운 설계 접근법의 개발을 시작했다.

하중 및 저항계수 설계(LRFD) 접근방식에 기초한 구조용 강철 내진설계의 경우 구조물의 내력 개발 및 비탄성 범위에서의 내력 유지 능력을 평가하는 것이 매우 중요하다.이 능력의 척도는 연성입니다.연성은 재료 자체, 구조 요소 또는 전체 구조에서 관찰될 수 있습니다.

노스리지 지진 경험의 결과로, 미국 철강 건설 협회는 AISC 358 "특수 및 중간 강철 모멘트 프레임을 위한 사전 적격 연결부"를 도입했습니다.AISC 내진설계규정에 따르면 모든 강철 모멘트 저항 프레임은 AISC 358에 포함된 연결부 또는 사전 인정 주기 [62]시험을 거친 연결부 중 하나를 사용해야 한다.

지진 손실 예측

지진손실 추정은 일반적으로 건물의 [63]총가치에 대한 지진손상복구비의 비율인 피해비율(DR)로 정의된다.PML(Probable Maximum Loss)은 지진 손실 추정에 일반적으로 사용되는 용어이지만 정확한 정의는 없다.1999년 ASTM E2026 '지진시 건물 손상성 추정을 위한 표준 지침'은 지진 손실 추정을 위한 명명법을 표준화하고 [64]검토자의 검토 프로세스와 자격에 대한 지침을 수립하기 위해 제작되었다.

지진 손실 추정은 지진 위험 평가라고도 한다.위험 평가 프로세스에는 일반적으로 다양한 지반운동의 확률을 그러한 지반운동에 따른 건물의 취약성 또는 손상과 결합하는 것이 포함된다.결과는 건물 교체 [65]값의 백분율로 정의됩니다.

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레퍼런스

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외부 링크