PUKYONG

직립 방파제 구조-지반 시스템의 진동특성 기반 구조성능 평가

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Abstract
In this study, structural performance assessment of upright breakwater’s structure-foundation system using dynamic characteristics is presented. In order to achieve the objective, the following approaches are implemented. Firstly, the schematic of structural performance assessment for upright breakwater is described. The scheme consists of 1) vibration monitoring, 2) simplified analytical model, and 3) structural performance assessment. Secondly, an existing breakwater which employs caisson structure as upright part is selected as the target structural system to examine vibration-based structural performance assessment. Dynamic responses of the target structure are numerically analyzed to understand behaviors of the caisson-foundation system of the breakwater. Also, the detectability of dynamic characteristics of the system for the limited measurable condition is examined. The change of dynamic responses with respect to several parameters like wave condition, structural damage and water-level variation are analyzed. Thirdly, a vibration monitoring method is designed to measure vibration responses and modal parameters of the system which has limited sensor deployment and excitation conditions. Two output-only modal parameter extraction methods (i.e., SSI and FDD) are utilized for the extraction of modal parameters. The feasibility of the proposed vibration monitoring method is evaluated for a lab-scale test. Then, the sensitivity of the caisson-foundation system is analyzed with respect to several field parameters such as wave condition, structural damage and water-level variation. Fourthly, a simplified analytical model based on the in-situ vibration data is designed to represent the target caisson-foundation system. The caisson-foundation system is simplified into a 3-DOF model which has vertical, horizontal and rotational motions. The initial simplified model is constructed by employing the as-design information of the target breakwater. Then, the target system is identified by two-phase model update process. Fourthly, a vibration-based structural assessment method is proposed to estimate the stability and load-carrying capacity of the target caisson-foundation system. The stability is estimated from accounting the load actions of the present structural status relative to the designed structural status. Also, the load-carrying capacity is estimated by comparing strain energies and dissipated energies between the as-present status and the as-built status. Finally, the proposed structural assessment method is applied to an existing breakwater in Korea (Oryuk-do Breakwater). A part of the breakwater is selected as the target structure. In-situ vibration responses are measured and analyzed by using the vibration monitoring method. A simplified model is constructed for the target structure based on the as-design information and the in-situ measurement. The structural performance is evaluated by assessing the structural stability and the load-carrying capacity of the target structure using the vibration characteristics and the simplified model.
Author(s)
이소영
Issued Date
2017
Awarded Date
2017. 8
Type
Dissertation
Publisher
부경대학교
URI
https://repository.pknu.ac.kr:8443/handle/2021.oak/14452
http://pknu.dcollection.net/common/orgView/000002381578
Affiliation
부경대학교 대학원
Department
대학원 해양공학과
Advisor
김정태
Table Of Contents
List of Figures v
List of Tables xi
ABSTRACT xiv

1. 서론 1
1.1 연구배경 1
1.1.1 연구의 필요성 1
1.1.2 방파제 구조물의 진동모니터링 기술 3
1.1.3 직립 방파제의 간략모델 기술 4
1.1.4 직립 방파제 시스템 구조식별 기술 6
1.1.5 진동기반 구조성능 평가 7
1.2 연구목표 및 내용 9
1.3 논문 구성 10

2. 직립 방파제 구조-지반 시스템의 진동특성 기반 구조성능 평가 기법 12
2.1 개요 12
2.2 직립 방파제 구조-지반 시스템의 진동특성 기반 구조성능 평가 체계 13
2.3 진동특성 모니터링 기법 15
2.3.1 직립 방파제의 진동계측 조건 16
2.3.2 출력자료기반 모드특성 추출 기법 17
2.4 계측자료 기반 직립 방파제 구조-지반 시스템의 간략모델 19
2.4.1 직립 방파제 구조-지반 시스템의 간략모델 19
2.4.2 간략모델의 구조식별 기법 24
2.5 직립 방파제 구조-지반 시스템의 구조성능 평가 기법 27
2.5.1 활동파괴에 대한 구조성능 평가 28
2.5.2 전도파괴에 대한 구조성능 평가 33
2.5.3 지반침하에 대한 구조성능 평가 36
2.6 소결 37

3. 케이슨-지반 시스템의 진동응답 특성 39
3.1 개요 39
3.2 케이슨-지반 시스템의 유한요소모델 39
3.2.1 대상 케이슨 방파제 39
3.2.2 케이슨-지반 시스템의 유한요소 모델링 41
3.3 케이슨-지반 시스템의 진동특성 분석 44
3.3.1 자유 진동응답 분석 44
3.3.2 강제 진동응답 분석 48
3.4 파랑, 구조손상, 수위 조건에 따른 케이슨-지반 시스템의 진동특성분석 55
3.4.1 파랑조건에 따른 진동특성 분석 55
3.4.2 구조손상에 따른 진동특성 분석 64
3.4.3 수위변화에 따른 진동특성 분석 69
3.5 소결 72

4. 케이슨-지반 시스템의 진동계측 및 모드특성 추출 기법 73
4.1 개요 73
4.2 케이슨-지반 시스템의 진동계측 및 모드특성 추출 알고리즘 73
4.3 케이슨 방파제 모형실험 구성 76
4.4 케이슨 방파제 모형의 진동특성 모니터링 78
4.4.1 해머 충격가진 응답 분석 79
4.4.2 선박모형 충격가진 응답 분석 85
4.4.3 파랑가진 응답 분석 91
4.5 파랑하중, 구조손상, 수위조건에 따른 케이슨 방파제 모형의 진동특성 모니터링 95
4.5.1 파랑하중 변화에 따른 진동특성 분석 95
4.5.2 구조손상에 따른 진동특성 분석 100
4.5.3 수위변화에 따른 진동특성 분석 104
4.6 소결 108

5. 계측자료 기반의 케이슨-지반 시스템 간략모델 기법 110
5.1 개요 110
5.2 케이슨-지반 시스템 간략모델링 알고리즘 110
5.3 케이슨-지반 시스템 간략모델링 알고리즘의 검증 114
5.3.1 케이슨-지반 시스템 유한요소모델의 초기 간략모델 114
5.3.2 케이슨-지반 시스템 간략모델의 업데이트 114
5.4 식별된 케이슨-지반 시스템 간략모델의 민감도 분석 121
5.4.1 강성변화에 따른 간략모델의 진동특성 분석 122
5.4.2 감쇠변화에 따른 간략모델의 진동특성 분석 125
5.5 소결 127

6. 진동특성과 간략모델을 이용한 케이슨-지반 시스템의 구조성능 평가 기법 128
6.1 개요 128
6.2 케이슨-지반 시스템 구조성능 평가 알고리즘 128
6.3 케이슨-지반 시스템의 구조성능 평가 130
6.3.1 비손상 케이슨-지반 시스템 131
6.3.2 파괴모드별 안정성 검토 132
6.3.3 변형에너지 및 소산에너지 분석 135
6.4 손상된 케이슨-지반 시스템의 구조성능 분석 137
6.4.1 강성변화에 따른 구조성능 분석 137
6.4.2 감쇠변화에 따른 구조성능 분석 142
6.5 소결 145

7. 현장 직립 방파제의 진동계측 및 구조성능 평가 146
7.1 개요 146
7.2 현장 케이슨-지반 시스템의 진동기반 구조성능 평가 체계 147
7.3 현장실험을 통한 오륙도 방파제의 진동특성 모니터링 148
7.3.1 현장 실험 구성 149
7.3.2 오륙도 케이슨-지반 시스템의 진동특성 분석 152
7.3.3 병렬 케이슨-지반 시스템의 진동특성 분석 156
7.3.4 수위변화에 따른 진통특성 분석 160
7.4 오륙도 케이슨-지반 시스템의 간략모델링 165
7.4.1 초기 간략모델링 165
7.4.2 간략모델 업데이트 166
7.5 진동특성과 간략모델을 이용한 오륙도 케이슨-지반 시스템의 구조성능 평가 178
7.5.1 활동파괴에 대한 구조성능 평가 178
7.5.2 전도파괴에 대한 구조성능 평가 182
7.5.3 지반침하에 대한 구조성능 평가 186
7.6 소결 187

8. 요약 및 결론 189

참고문헌 191
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