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Title Page 1

Contents 5

NOMENCLATURES 12

ACRONYMS 14

ABSTRACT 16

요지(Abstract in Korean) 19

CHAPTER 1. INTRODUCTION 23

1.1. BACKGROUND 23

1.2. RESEARCH AIMS AND OBJECTIVES 27

1.3. STRUCTURE OF THESIS 28

CHAPTER 2. BURIED PRECAST ARCH BRIDGES 30

2.1. INTRODUCTION BURIED PRECAST ARCH BRIDGES 30

2.1.1. Definition 30

2.1.2. Classification 31

2.2. DESIGN PHILOSOPHY AND TECHNICAL REQUIREMENTS 34

2.2.1. Design philosophy 34

2.2.2. Technical requirements 34

2.3. SOIL-RELATED ISSUES OF BPABs 38

2.3.1. Soil envelope 38

2.3.2. Soil model and Ground Response Analysis 39

2.3.3. Finite Element Analysis of Dynamic foundation problem 41

2.4. REVIEWS ON RESEARCH METHODOLOGY 42

2.5. REVIEWS ON SEISMIC PERFORMANCE EVALUATION 45

2.6. CONCLUSIONS 48

CHAPTER 3. SEISMIC BEHAVIOR EVALUATION OF BPABs 50

3.1. INTRODUCTION 50

3.2. FINITE ELEMENT MODELING 51

3.2.1. Case study of BPAB 52

3.2.2. Concrete Damaged Plasticity model 54

3.2.3. Surrounding soil 56

3.2.4. Interaction model 57

3.2.5. Synthetic ground motions 60

3.3. DYNAMIC CHARACTERISTICS AND SEISMIC RESPONSES 62

3.3.1. Dynamic characteristics 62

3.3.2. Maximum seismic response 64

3.3.3. Crack propagation 71

3.4. CONCLUSIONS 75

CHAPTER 4. PARAMETERS IMPACT SEISMIC RESISTANCE OF BPABs 77

4.1. INTRODUCTION 77

4.2. INFLUENCES OF PARAMETERS ON SEISMIC RESPONSE OF BPABs 78

4.2.1. Effects of the ratio between arch Length (L) and arch Diameter (D) 79

4.2.2. Effects of Soil-Structure Interaction 82

4.2.3. Effects of Arch-to-Arch Interaction 86

4.2.4. Effects of Prestressed Rebar 89

4.3. CONCLUSIONS 92

CHAPTER 5. FRAGILITY-BASED SEISMIC PERFORMANCE ANALYSIS FOR BPABs 94

5.1. INTRODUCTION 94

5.2. METHODOLOGY OF FRAGILITY-BASED ANALYSIS FOR BPABs 96

5.2.1. Damage States of BPABs 96

5.2.2. Fragility curve development 100

5.2.3. Intensity Measurement 103

5.3. GROUND MOTION DATABASE 103

5.3.1. Ground motion selection 103

5.3.2. Earthquake characteristics 109

5.4. ANALYTICAL RESULTS 111

5.4.1. Probabilistic seismic demand model 111

5.4.2. Fragility curve 115

5.5. CONCLUSIONS 119

CHAPTER 6. CONCLUSIONS, LIMITATIONS, AND FUTURE WORKS 121

6.1. CONCLUSIONS 121

6.1.1. Chapter 2: Buried Precast Arch Bridges 121

6.1.2. Chapter 3: Seismic Behavior Evaluation of BPABs 122

6.1.3. Chapter 4: Parameters Impact Seismic Behavior of BPABs 122

6.1.4. Chapter 5: Fragility-based Seismic Performance Analysis for BPABs 123

6.2. LIMITATIONS OF THE STUDY 125

6.3. FUTURE WORKS 125

REFERENCES 126

BIOGRAPHY 141

List of Tables 11

Table 2-1. Recommended compressive strength of precast segments 35

Table 2-2. Recommended minimum concrete cover for RC precast segments 35

Table 2-3. Recommended allowable crack width for precast segments 36

Table 2-4. Primary studies in terms of buried precast arch bridges 43

Table 3-1. Segment component characteristics 52

Table 3-2. Properties of BPAB model concrete 56

Table 3-3. Properties of the surrounding soil 57

Table 3-4. Mechanical properties of prestressed rebar 59

Table 3-5. Vibration periods and effective modal masses 63

Table 5-1. Definition of damages states for BPABs 99

Table 5-2. The selected ground motions from the PEER ground motion database 106

Table 5-3. Site classification criteria for seismic site response of soil profile 112

Table 5-4. Variation of shear wave velocities of the soil deposits corresponding to earthquake standards 113

Table 5-5. Fragility function-related parameters for the soil deposit classification corresponding with the damage state levels 118

List of Figures 8

Figure 1-1. Buried precast arch bridge system: (a) and (b) ODOTECHNIKI/Tech-span Arches, (c) and (d) Main construction stages, and (e) and (f) Economical three-... 24

Figure 1-2. Two-hinged and three-hinged buried precast arch bridges 25

Figure 1-3. Multi-hinged buried precast arch bridges 26

Figure 1-4. Signs of damage to arch structures reported by Abe and Nakamura 27

Figure 1-5. Schematic of the proposed methodology for numerical research 28

Figure 2-1. Example of the two- and three-sided arch-box bridge 32

Figure 2-2. Structure the two- and three-hinged type BPABs 33

Figure 2-3. A downscaled model made by the wood of the novel multi-hinged BPAB 34

Figure 2-4. Bridge replacement or rehabilitation by a BPAB system 36

Figure 2-5. New construction of bridges: flyover and river crossings 37

Figure 2-6. Create an environmentally friendly landscape in the office and house 37

Figure 2-7. Environmentally friendly landscapes and ecosystems in traffic system 38

Figure 2-8. Structural backfill envelope and influence zone of BPABs 38

Figure 2-9. Seismic response of simple down-scale models of BPABs from centrifuge tests 45

Figure 2-10. Relative positions of the precast arch with the ground level 46

Figure 2-11. Different seismic sources consist of human-made-induced and natural seismic events 48

Figure 3-1. Flowchart of seismic behaviorevaluation for BPABs 51

Figure 3-2. Schematic of the studied BPAB 54

Figure 3-3. Contact surfaces for AAIs and SSIs 58

Figure 3-4. Prestressed rebar arrangement with L-J and C-J holes 59

Figure 3-5. Flowchart of generated synthetic ground motion 60

Figure 3-6. The synthetic ground motions matched the Korean-code-based spectrum 62

Figure 3-7. Mode shapes for the first 12 modes 64

Figure 3-8. Sketch of critical BPAB sections and their monitoring points 65

Figure 3-9. Relationship between crack width and depth of normal RC beam subjected to single bending moment with influences of key parameters: (a) reinforcement ratio, (b) cover... 67

Figure 3-10. Theoretical schematic of stress status on the cross-section of RC components corresponding to cracking levels 68

Figure 3-11. Peak crack depth of BPAB subjected to earthquakes with varying PGAs 69

Figure 3-12. Peak tensile and compressive stresses of BPAB subjected to earthquakes with varying PGAs 70

Figure 3-13. Peak displacement of BPAB subjected to earthquakes with varying PGAs 71

Figure 3-14. Cracking patterns of BPAB loaded with longitudinal and transverse ground motions 72

Figure 3-15. Plan view of BPAB subjected to ground motion with PGAs of 1.2 g 74

Figure 3-16. Schematic of damage to three-hinged arch bridges subjected to the Great East Japan earthquake reported by Abe and Nakamura and Miyazaki et al. 75

Figure 4-1. Influences of embankment shapes on the crack surface indicated that the asymmetry model of soil caused noise in the seismic analysis 78

Figure 4-2. Maximum displacement of BPAB concerning arch length 79

Figure 4-3. Maximum compressive and tensile stresses of BPAB concerning arch length 81

Figure 4-4. Maximum crack depth of BPAB concerning arch length 82

Figure 4-5. Maximum displacement of BPAB concerning SSI coefficient 83

Figure 4-6. Maximum compressive and tensile stresses of BPAB concerning SSI coefficient 85

Figure 4-7. Maximum crack depth of BPAB concerning SSI coefficient 85

Figure 4-8. Maximum displacement of BPAB concerning AAI coefficient 86

Figure 4-9. Maximum compressive and tensile stresses of BPAB concerning AAI coefficient 88

Figure 4-10. Maximum crack depth of BPAB concerning AAI coefficient 88

Figure 4-11. Maximum displacement of BPAB concerning prestressed rebar stiffness 89

Figure 4-12. Maximum compressive and tensile stresses of BPAB concerning prestressed rebar stiffness 91

Figure 4-13. Maximum crack depth of BPAB concerning prestressed rebar stiffness 91

Figure 5-1. Various cross-section shapes of BPABs correspond with their internal-force combination from thrust (N) and/or shear force (V) and/or moment (M) 98

Figure 5-2. Methodology of fragility curve based on the analytical approach 101

Figure 5-3. The response spectrum of the selected ground motion records 109

Figure 5-4. Distribution function in data of earthquake record characteristics 110

Figure 5-5. DI (EDP) versus various IMs for four soil profile classes in accordance with the Korean standard to take into account the effects of local soil conditions, geological... 114

Figure 5-6. Relationship between the damage state levels of BPAB for each soil deposit and ground motion records intensity levels 115

Figure 5-7. Multiple stripe analysis results for observed fractions of collapse, fragility curves based on fragility-estimated function according to maximum likelihood method 116

Figure 5-8. The probability thresholds for each seismic performance level considering stratum-uncertainty characteristics 117

Figure 5-9. Variation in IM level with a 50% probability of collapse for the soil classification 118

Figure 5-10. PGAs of the probabilistic ground motion in modern earthquake-resistant design standard 119

초록보기

 전세계적으로 지하와 지상 모두에서 정교한 건설 프로젝트가 점점 더 많이 수행되고 있다. 다층 건물, 교량, 댐 및 지하 구조물의 내진성능평가는 연구의 중요한 주제이다. 프리캐스트 아치 부재로 만들어진 매설프리캐스트아치교량(BPAB)은 기반시설로 널리 사용되는 암거의 일종이다. 기존의 많은 BPAB 가 강한 지진으로 인해 피해를 입은 것으로 기록되어 있다. 따라서 보다 정확한 기법으로 BPAB 의 내진성능을 평가하는 것은 지진 또는 기타 지진사건으로 인한 BPAB 의 예방 및 위험 감소에 중요한 역할을 한다. 한편, 이 연구는 BPAB 의 내진성능 평가를 위한 실현 가능한 연구해법을 제공하였고, 다른 한편으로 BPAB 의 내진설계 및 내진성능 개선을 위한 기술적 권고사항을 제시하였다.

연구는 아치직경이 10m 이고 아치 길이가 7.5m 인 3 힌지 BPAB 의 3D 유한요소해석(FEA)을 수행하는 것을 1 차 목표로 하였고, 그 지진거동을 조사하기 위해 피크스펙트럼이 넓은 최대지반가속도(PGA)를 갖는 일련의 인공합성지반운동을 적용하였다. 종방향 및 횡방향 인공합성지반운동을 받는 BPAB 의 FEA 모델은 다양한 지진응답(즉, 최대변위, 최대 인장/압축 응력, 최대 균열깊이)을 결정하기 위한 모델링 매개변수(아치-아치상호작용(AAI), 지반-구조물상호작용(SSI) 및 프리스트레스 철근의 강성) 연구에 적용되었다. BPAB 의 지진응답은 고려된 모델링 매개변수의 영향과 관련된 다양한 수준의 지진 저항으로 인해 지진하중의 방향에 따라서 유사하지 않다. 즉, BPAB 의 지진거동은 PGA와 지반운동방향에 따라 다르다.

다음으로, 이 연구는 각 모델링 매개변수가 지진응답에 미치는 영향의 조사에 대해 깊이 분석하였다. BPAB 의 매개변수 연구는 아치 길이, SSI 와 AAI 의 마찰계수, 프리스트레스 철근의 강성 변화에 따라 수행되었다. BPAB 의 지진거동은 PGA 와 지진운동 방향에 따라 달라진다. 아치 길이와 프리스트레스 철근 강성에 대하여 민감도를 나타냈다. 또한 SSI 마찰계수는 BPAB 의 지진응답, 특히 최대 압축 및 인장 응력과 최대 균열깊이에 상당한 영향을 미친다. 한편 AAI 마찰계수는 지진응답에 중간 정도의 영향을 미침을 확인하였다. 따라서 이 연구는 BPAB 에 대한 지진거동 평가의 절차적 측면에 대한 귀중한 통찰력을 제공한다.

BPAB 의 취약도기반 지진성능해석은 3D FEA 모델에 적용된 최대우도함수와 함께 다중띠분석을 이용하였다. 지층의 불확실성을 구체적으로 기술하기 위해 지반운동을 무작위로 선택하고 여러 국가의 설계코드에 따라 지진위치를 분류하는 새로운 방법을 제안하였다. 이 연구는 PEER 의 강진운동 데이터베이스에서 무작위로 지반운동을 선택하기 위해 제안된 절차가 BPAB 의 지진취약도를 평가하는데 적용 가능하고 유용함을 확인하였다. 아치 부재의 균열 깊이와 두께의 관계로 제시되는 손상상태에 대한 새로운 제안을 제시하였다. 최대우도함수를 사용한 다중띠분석기법은 다양한 지진강도 수준에서 서로 다른 지반운동을 허용하여 지층의 불확실한 특성을 나타낼 수 있다. 지층프로파일특성에서 불확실성을 고려한 붕괴확률을 지진강도와 확률수준에 따라 기술하였으며, 이 방법으로 BPAB 의 지진성능을 예측하였다.

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