Journal of the Korean Geotechnical Society (한국지반공학회논문집)

Korean Geotechnical Society (한국지반공학회)
권호 표지
DOI QR코드

DOI QR Code

Development of Empirical Fragility Function for High-speed Railway System Using 2004 Niigata Earthquake Case History

2004 니가타 지진 사례 분석을 통한 고속철도 시스템의 지진 취약도 곡선 개발

  • 양승훈 (한양대학교 대학원 건설환경시스템공학과) ;
  • 곽동엽 (한양대학교 공학대학 건설환경공학과)
  • Received : 2019.11.05
  • Accepted : 2019.11.13
  • Published : 2019.11.30
Download PDF
⟨ Previous Next ⟩

Abstract

The high-speed railway system is mainly composed of tunnel, bridge, and viaduct to meet the straightness needed for keeping the high speed up to 400 km/s. Seismic fragility for the high-speed railway infrastructure can be assessed as two ways: one way is studying each element of infrastructure analytically or numerically, but it requires lots of research efforts due to wide range of railway system. On the other hand, empirical method can be used to access the fragility of an entire system efficiently, which requires case history data. In this study, we collect the 2004 MW 6.6 Niigata earthquake case history data to develop empirical seismic fragility function for a railway system. Five types of intensity measures (IMs) and damage levels are assigned to all segments of target system for which the unit length is 200 m. From statistical analysis, probability of exceedance for a certain damage level (DL) is calculated as a function of IM. For those probability data points, log-normal CDF is fitted using MLE method, which forms fragility function for each damage level of exceedance. Evaluating fragility functions calculated, we observe that T=3.0 spectral acceleration (SAT3.0) is superior to other IMs, which has lower standard deviation of log-normal CDF and low error of the fit. This indicates that long-period ground motion has more impacts on railway infrastructure system such as tunnel and bridge. It is observed that when SAT3.0 = 0.1 g, P(DL>1) = 2%, and SAT3.0 = 0.2 g, P(DL>1) = 23.9%.

지진에 대한 경각심이 높아지는 가운데 고속철도 시스템의 지진 취약성을 분석하는 것은 지진피해 사전대응분석을 위해 필수적이다. 고속철도를 이루는 구조물은 400km/s 정도까지 속도를 낼 수 있는 고속열차의 직진성을 유지하기 위해 주로 교량, 터널 등으로 구성되어 있다. 이러한 구조물의 지진에 대한 취약도는 각 구조물의 단면을 분석하여 해석적 또는 수치적 방법으로 구할 수도 있으나, 고속철도 전체 시스템을 이러한 방법으로 분석하기에는 그 대상이 넓어 많은 연구 노력이 필요하다. 본 연구에서는 이런 해석적 방법이 아닌 경험적 방법을 사용하여 고속철도 시스템 전체의 일반적인 지진 취약도 곡선을 개발하였다. 연구에 활용한 대상 지진 사례는 규모 6.6 2004년 니가타 지진으로, 이 지진은 진앙 인근 부근을 지나는 고속철도에 심각한 피해를 초래하였다. 본 연구에서는 고속철도에서의 계기진도 및 피해 사례를 수집하였고, 통계분석을 통해 각 피해 정도에 따른 피해 확률을 결정하였다. 그 후, 최대우도추정법을 사용하여 계기진도를 함수로 하는 초과피해 확률을 로그정규누적분포함수로 추정하였다. 이러한 취약도 곡선을 분석한 결과, 장주기 성분의 계기진도인 주기 3초의 응답스펙트럼(SAT3.0)이 로그정규누적분포함수의 표준편차가 가장 작게 나타나고 오차의 표준편차 또한 작게 나타나 터널 및 교량 등 고속철도 시스템의 피해 확률을 추정하는데 가장 적합한 계기진도로 판단되었다. 이는 장주기 성분의 지진파가 터널 및 교량 등의 피해에 큰 연관성이 있기 때문으로 유추된다. 개발된 취약도 곡선으로부터 보통 이상(DL > 1)의 피해에 대해 SAT3.0 = 0.1g일 때 2%의 피해확률을 예측하였으며, SAT3.0 = 0.2g일 때 23.9%의 피해확률을 예측하였다.

Keywords

References

  1. Argyroudis, S. A. and Kaynia, A. (2015), "Analytical Seismic Fragility Functions for Highway and Railway Embankments and Cuts", Earthq. Eng. Struct. Dyn., Vol.44, pp.1863-1879. https://doi.org/10.1002/eqe.2563
  2. Argyroudis, S. A. and Pitilakis, K. D. (2012), "Seismic Fragility Curves of Shallow Tunnels in Alluvial Deposits", Soil Dyn. Earthq. Eng., Vol.35, pp.1-12. https://doi.org/10.1016/j.soildyn.2011.11.004
  3. Aslani, H. and Miranda, E. (2005), "Fragility Assessment of Slabcolumn Connections in Existing Non-ductile Reinforced Concrete Buildings", J. Earthq. Eng., Vol.9, pp.777-804. https://doi.org/10.1080/13632460509350566
  4. Baker, J. W. (2015), "Efficient Analytical Fragility Function Fitting Using Dynamic Structural Analysis", Earthq. Spectra, Vol.31, pp.579-599. https://doi.org/10.1193/021113EQS025M
  5. Han, S.-W., Seo, S.-T., Nam, J.-H., Park, J.-H., Park, H.-W., An, H.-G., and Park, J.-S. (2015), "Improvement Derived through the High-speed Train Derailment Case Study", Proc. of 2015 Annual Conference & Annual Meeting of the Korea Society for Railway, pp.309-319.
  6. FEMA (2014), HAZUS-MH 2.1 technical manual: Earthquake model.
  7. Kircher, C. A., Whitman, R. V., and Holmes, W. T. (2006), "HAZUS Earthquake Loss Estimation Methods", Natural Hazards Review, Vol.7, No.2, pp.45-59. https://doi.org/10.1061/(ASCE)1527-6988(2006)7:2(45)
  8. Kwak, D. Y., Stewart, J. P., Brandenberg, S. J., and Mikami, A. (2016), "Characterization of Seismic Levee Fragility Using Field Performance Data", Earthq. Spectra, Vol.32, No.1, pp.193-215. https://doi.org/10.1193/030414eqs035m
  9. Kwak, D., Yang, S., and Kishida, T. (2019), "Seismic Reliability of High-speed Railway Considering Composite Damage Types Using 2004 M6.6 Niigata Earthquake Case History", Proc. of the 2019 World Congress on Advances in Structural Engineering and Mechanics, Jeju, Korea, September 17-21, 2019.
  10. Ogura, M. (2006), The Niigata Chuetsu Earthquake-Railway response and reconstruction, Japan Railway and Transport Review, 43/44, pp.46-63.
  11. Pagni, C. A. and Lowes, L. N. (2006), "Fragility Functions for Older Reinforced Concrete Beam-column Joints", Earthq. Spectra, Vol.22, pp.215-238. https://doi.org/10.1193/1.2163365
  12. Park, B., Jeong, W., Kim, M., Choi, I., Seo, J., Jeon, Y., Han, S., Park, J., Kim, D., and Ham, D. (2008), The evaluation of seismic fragility functions for railway systems in Korea, National Institute for Disaster Prevention, Report No. NIDP-PR-2008-02-02.
  13. Porter, K., Kennedy, R., and Bachman, R. (2007), "Creating Fragility Functions for Performance-based Earthquake Engineering", Earthq. Spectra, Vol.23, pp.471-489. https://doi.org/10.1193/1.2720892
  14. Scawthorn, C. and Rathje, E. M. (2006), "The 2004 Niigata Ken Chuetsu, Japan, Earthquake", Earthq. Spectra, Vol.22, No.S1, pp. 1-8. https://doi.org/10.1193/1.2172259
  15. USGS (2019), M 6.6 - near the west coast of Honshu, Japan, last accessed at 2019 Oct. from https://earthquake.usgs.gov/earthquakes/eventpage/usp000d6vk/executive.
  16. Wald, D. J., Worden, B. C., Quitoriano, V., and Pankow, K. L. (2005), ShakeMap manual: Technical manual, user's guide, and software guide, USGS Report.
  17. Zhao, J. X., Zhang, J., Asano, A., Ohno, Y., Oouchi, T., Takahashi, T., Ogawa, H., Irikura, K., Thio, H. K., Somerville, P. G., Fukushima, Y., and Fukushima, Y. (2006), "Attenuation Relations of Strong Ground Motion in Japan Using Site Classification based on Predominant Period", Bull. Seism. Soc. Am., Vol.96, No.3, pp. 898-913. https://doi.org/10.1785/0120050122