Seismic Risk Analysis of Track-on-Steel Plate Girder Railway Bridges

More than 40% of railway bridges on the conventional lines in Korea consist of track-on-steel plate girder (TOSPG) bridges. This type of bridge is typically designed without considering seismic loadings, as most of them were built before 1970. The seismic performance of this particular type of bridge could be upgraded through various seismic retrofit schemes, and seismic risk assessment could play a key role in decision-making on the level of the seismic retrofit. This study performed a seismic risk assessment of TOSPG bridges in Korea. The seismic damage of several crucial components of TOSPG bridges--fixed bearings, free bearings, and piers--were probabilistically estimated, and their seismic fragility curves were developed. The probability that the components would exceed their predefined limit states was also calculated by combining the fragility curves and the seismic hazard function. The analysis showed that the piers of TOSPG bridges, which are made of plain concrete without rebars, have relatively low risk against seismic loadings in Korea. This is because the mass of the superstructures of TOSPG bridges is relatively small, and hence, the seismic loading being transferred to the piers is minimal. The line-type bearings typically used for TOSPG bridges, however, are exposed to a degree of seismic risk. Among the bearings, the probability of the free-end bearings and the fixed-end bearings exceeding the slight damage state in 50 years was found to be 12.78% and 4.23%, respectively. The gap between these probability values lessened towards more serious damage states. This study could effectively provide an engineering background for decision-making activities on the seismic retrofit of railway bridges.

무도상 강판형 철도교의 지진 위험도 해석

우리나라 기존철도 교량의 40% 이상이 무도상 강판형교로 구성되어 있으며, 이들 중 대부분은 1970년대 이전에 건설되었기에 일반적으로 지진하중의 고려 없이 설계되었다. 이들 무도상 강판형 철도교의 내진성능을 향상시키기 위해서는 내진성능이 부족한 요소들에 대하여 여러가지 방법의 내진보강을 수행할 수 있는데, 내진보강의 적정수위를 정하기 위해서는 이에 대한 지진위험도 평가가 필수적이라 할 수 있다. 본 연구에서는 확률적 지진 위험도 해석과 확률적 손상해석을 통해서 무도상 강판형교에 대한 지진위험도 평가를 수행하였다. 먼저 받침 및 교각을 교량의 지진 응답에 주 영향을 미치는 주요 요소로 정의하고 각 요소 별로 지진취약도를 작성하였다. 그 후 작성된 취약도를 지진재해도함수와 결합하여 각 손상상태에 해당하는 연간 손상확률을 산정하였다. 지진 위험도 해석을 통하여 50년 초과손상확률을 계산한 결과, 무근콘크리트로 되어 있는 무도상 강판형 철도교의 교각은 우리나라의 지진상황에서 위험도가 매우 낮게 나타났다. 이는 무도상 강판형교의 특성 상 가벼운 상부구조로 인하여 지진 시 하부구조에 전달되는 횡하중이 상대적으로 적기 때문인 것으로 분석된다. 반면에 선받침으로 구성된 무도상 강판형교의 받침요소들의 50년 초과 손상확률은 상대적으로 크게 나타났는데, 그 중 자유단 받침의 경우 slight damage에 대한 초과손상확률이 12.78%로 고정단 받침의 4.23%보다 높게 나타난 반면 complete damage에 대해서는 자유단 받침과 고정단 받침 모두 비슷한 수준의 초과손상확률($0.18%{\sim}0.19%$)을 보였다. 본 연구에서 수행한 지진 위험도 평가는 추후 강판형 철도교의 내진보강을 수행함에 있어서 의사결정을 뒷받침할 수 있는 자료로 효과적으로 사용될 수 있을 것이다.