[논문 리뷰] A new design strategy based on a deterministic definition of the seismic input to overcome the limits of design procedures based on probabilistic approaches

Marco Fasan, Claudio Amadio외 5명|arXiv (Cornell University)|2015. 09. 30.

Seismic Performance and Analysis참고 문헌 5인용 수 8

한 줄 요약

이 논문은 실제 지진 행동을 보다 잘 반영할 수 있도록 확률론적 방법의 한계를 극복하기 위해, 현장별 지진 입력을 정의하는 데 Neo-Deterministic Seismic Hazard Assessment (NDSHA)를 사용하는 결정론적 지진 설계 전략을 제안한다. 기초에서의 최대 결정론적 지진 입력(MDSIBD)과 현장별 입력(MDSISS)을 유도함으로써, 현실적인 반응 스펙트럼과 시간 이력치를 제공하는 성능 기반 설계가 가능해지며, 목표 성능 수준을 지진 입력 강도가 아닌 구조물의 중요성과 직접 연결시킨다.

ABSTRACT

In this paper, a new seismic Performance Based Design (PBD) process based on a deterministic definition of the seismic input is presented. The proposed procedure aims to address the following considerations, arisen from the analysis of seismic phenomena, which cannot be taken in account using standard probabilistic seismic input (PSHA): a) any structure at a given location, regardless of its importance, is subject to the same shaking as a result of a given earthquake, b) it is impossible to determine when a future earthquake of a given intensity/magnitude will occur, c) insufficient data are available to develop reliable statistics with regards to earthquakes. On the basis of these considerations, the seismic input at a given site - determined on the basis of the seismic history, the seismogenic zones and the seismogenic nodes - is defined using the Neo Deterministic Seismic Hazard Assessment (NDSHA). Two different analysis are carried out at different levels of detail. The first one (RSA) provides the Maximum Deterministic Seismic Input as a response spectra at the bedrock (MDSIBD), similarly to what is proposed by the codes. The second one (SSA) takes the site effects into account, providing a site specific seismic input (MDSISS). A SSA provides realistic site specific seismograms that could be used to run time history analysis even where no registrations are available. Reviewing the standard PBD procedure, MDSISS is always associated with the worst structural performance acceptable for a building, called Target Performance Level (TPL). In this way, the importance of the structure (risk category) is taken into account by changing the structural performance level to check rather than to change the seismic input.

연구 동기 및 목표

• 확률론적 지진 위험 평가(PSHA)가 실제 지진 거동을 포괄하지 못하는 한계를 해결한다.
• PSHA가 크기와 원천 위치와 같은 결정론적 지진 특성을 반영하지 못하는 문제를 해결한다.
• 역사적 지진 활동, 지진 발생 지구, 노드를 바탕으로 신뢰할 수 있는 지진 입력 정의를 제공한다.
• 구조물의 중요성이 지진 입력 강도가 아니라 성능 수준에 반영되는 성능 기반 설계 프레임워크를 도입한다.
• 강진 기록이 없는 지역에서도 현장별 가속도 이력치를 생성함으로써 비선형 시간 이력 분석을 실현 가능하게 한다.

제안 방법

• 기존 지진 기록과 지각운동 원천을 바탕으로 Neo-Deterministic Seismic Hazard Assessment (NDSHA)를 사용해 지진 입력을 정의한다.
• 기초에서의 최대 결정론적 지진 입력(MDSIBD)을 응답 스펙트럼으로 계산하여 기존 코드 기반 접근과 유사하게 한다.
• 현지의 토양 및 지질 조건 영향을 고려해 현장 응답 분석을 적용하여 현장별 지진 입력(MDSISS)을 유도한다.
• MDSISS에서부터 비선형 시간 이력 분석에 사용 가능한 현실적인 현장별 가속도 이력치를 생성한다.
• 목표 성능 수준(TPL)을 구조물의 중요성과 연결함으로써, 성능 요구사항이 위험 등급에 따라 비례하도록 한다.
• MDSISS를 구조물 설계의 기초로 사용하여, 가장 악성인 성능 요구사항이 결정론적 입력과 일관되게 연결되도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 확률론적 지진 위험 평가에 내재된 통계적 불확실성을 극복하기 위해 결정론적 지진 입력을 어떻게 정의할 수 있는가?
• RQ2 역사적 지진 활동과 지진 발생 원천 지구를 얼마나 활용하여 현실적인 최대 가능 지진 입력을 정의할 수 있는가?
• RQ3 결정론적 지진 입력이 더 합리적이고 일관성 있는 성능 기반 설계 프레임워크를 제공할 수 있는가?
• RQ4 지반 영향을 지진 입력(MDSISS)에 포함시킬 경우, 구조물의 반응 예측 정확도는 어떻게 향상되는가?
• RQ5 자료가 부족한 지역에서 결정론적 지진 입력을 사용해 비선형 동적 분석에 적합한 신뢰할 수 있는 시간 이력치를 생성할 수 있는가?

주요 결과

• 제안된 결정론적 접근법은 실제 지진 기록과 지각운동 원천을 바탕으로 일관성 있고 물리적으로 타당한 지진 입력 정의를 제공한다.
• 기초에서의 최대 결정론적 지진 입력(MDSIBD)은 응답 스펙트럼으로 유도되어 기존 설계 코드와의 호환성을 확보한다.
• 현장별 지진 입력(MDSISS)은 현지 지반 영향을 반영하여 시간 이력 분석에 적합한 현실적인 가속도 이력치를 생성한다.
• 이 방법은 구조물의 중요성과 지진 입력 강도를 분리함으로써 성능 수준(TPL)과 연결함으로써 설계의 합리성을 향상시킨다.
• 역사적 지진 기록이 없는 지역에서도 결정론적 위험 평가로부터 현장별 가속도 이력치를 생성함으로써 성능 기반 설계를 실현할 수 있다.
• MDSISS의 사용은 최악의 지진 요구 조건이 항상 최대 가능 지진과 일관되게 연결되도록 하여 설계 신뢰도를 향상시킨다.