The bridge responses obtained under the assumption of fixed supports, in which the soil-structure interaction effects are not taken into account, may be seriously erroneous. Thus the interaction effects have to be considered in the seismic analysis and design of bridges, particularly long-span bridges with multiple supports. In this study, a simplified substructure method is presented for bridge-foundation-soil interaction analysis using time domain approximation. At first frequency-dependent impedance functions are evaluated for the bridge foundations on layered soil media, which are modeled by finite and infinite elements. Then the frequency-independent stiffness and damping of the foundation are taken from the impedance at the first natural frequency of the bridge on fixed supports at each direction. Then the results are incorporated into the finite element model of the bridge, which can be easily analyzed in time domain.
Verification of the present method is carried out in a pier-foundation system, and numerical analysis is conducted on a long span cable-stayed bridge. Several conclusions are drawn from verification and example study as follows:
(1) From the verification study, it has been found that the proposed method gives very reasonable results for SSI analysis.
(2) The conventional response spectrum method may give unconservative results. Thus the SSI effects must be considered for safe design of bridges.
(3) The free-field motion may be used instead of the scattered motion for the SSI analysis.
(4) The amplification of ground motion in soft soil medium greatly affects the magnitude of the effective earthquake forces and member forces of the structure.
(5) Pylon responses at softer soil are larger.
(6) The interaction effects are more significant in the longitudinal direction that in the transverse direction due to support conditions of bridges.
지반-구조물 상호작용을 고려하지 않고, 고정된 기초로 가정하여 해석한 교량의 응답은 정확하지가 않다. 따라서 다중지지점을 가지는 장대교량과 같은 교량의 지진해석이나 내진설계 시에는 상호작용 효과를 고려하여야 한다. 본 논문에서는, 시간영역 근사기법을 이용한 교량-기초-지반 상호작용에 대한 간편한 부분구조법을 제안하였다. 이 방법은 우선 유한-무한 연계요소로 모델링한 다층 지반 위의 교량기초부의 주파수 종속 임피던스 함수를 구한 후 교량 상부구조물의 고유진동수에 해당하는 기초부의 각 방향별 주파수 독립의 강성과 감쇠계수를 산정한다. 그리고 이를 교량의 유한요소모델과 결합하여 시간영역에서 해석을 수행하는 방법이다.
제안된 방법의 검증을 위하여 피어-기초 시스템에 대한 해석을 수행하였으며, 또한 장대 사장교에 대한 수치해석을 수행하였다. 검증과 수치해석을 통하여 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
1) 검증을 통하여, 제안된 방법이 교량의 지반-구조물 상호작용 해석에 효과적으로 이용될 수 있음을 알았다.
2) 통상의 응답스펙트럼 해석법이 항상 보수적인 결과를 주는 것이 아님을 확인하였으며, 안전한 교량의 설계를 위하여 지반-구조물 상호작용을 고려한 해석이 필요함을 알 수 있었다.
3) 지반-구조물 상호작용 해석시 산란운동 대신 자유장운동을 사용하여도 유사한 결과를 얻을 수 있음을 알 수 있었다.
4) 연약한 지반에서의 지반증폭이 유효지진력과 교량의 부재력에 크게 영향을 미친다는 것을 알 수 있었다.
5) 보다 연약한 지반일수록 주탑의 응답이 커짐을 알 수 있었다.
6) 본 사장교의 수치해석에서는 지점조건의 차이에 의해서 교축방향이 교축직각 방향보다 더 상호작용이 크게 나타남을 알 수 있었다.
