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교량의 생애주기비용 효율적인 최적 내진보강과 유지관리전략 - (I) 생애주기 지진신뢰성해석 프로그램 개발
Life-Cycle Cost Effective Optimal Seismic Retrofit and Maintenance Strategy of Bridge Structures - (I) Development of Lifetime Seismic Reliability Analysis S/W 원문보기

大韓土木學會論文集, Journal of the Korean Society of Civil Engineers. A. 구조공학, 원자력공학, 콘크리트공학, v.26 no.6A, 2006년, pp.965 - 976  

이광민 (대림산업(주)) ,  최은수 (한국철도기술연구원) ,  조효남 (한양대학교 공학대학) ,  안형준 ((주)삼안 구조부)

초록

지진하중에 대한 구조물의 생애주기비용 최적설계나 성능개선을 위해서는 생애주기 지진신뢰성해석에 기초한 접근이 불가피하다. 최근 몇몇 연구자들이 생애주기비용에 기초한 구조물의 내진설계 및 성능개선을 위한 방법론은 제안하여 왔지만, 대부분의 연구가 생애주기비용 산정을 위한 방법론 개발에 중점을 둔 연구이다. 따라서 대부분의 기존연구에서는 열화하는 구조물의 생애주기 지진신뢰성해석에 있어서 내진보강, 유지관리, 그리고 환경적 열화와 같은 주요한 인자들을 고려하지 못한 것이 사실이다. 이에 본 연구에서는 교량의 체계적인 생애주기 지진신뢰성해석 방법론을 제안하였고, 교량의 지진신뢰성해석을 위한 프로그램인 HPYER-DRAIN2DX-DS를 개발하였다. 개발된 프로그램은 내진보강이나 유지전략의 적용유무에 따른 예제교량의 생애주기 지진신뢰성해석 문제에 적용되었으며, 이를 통해 프로그램의 적용성을 검토해 보았다. 적용 예를 통해 본 연구에서 개발된 HPYER-DRAIN2DX-DS는 지진에 대한 교량의 생애주기비용 최적설계, 내진보강 및 유지관리에 있어 서 매우 유용한 도구로 사용될 수 있을 것으로 판단된다.

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A realistic lifetime seismic-reliability based approach is unavoidable to perform Life-Cycle Cost (LCC)-effective optimum design, maintenance, and retrofitting of structures against seismic risk. So far, though a number of researchers have proposed the LCC-based seismic design and retrofitting metho...

주제어

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문제 정의

  • 2. 또한 본 연구에서는 생애주기 지진신뢰성해석을 위해 교각의 철근부식에 대한 새로운 확률적 열화예측 모델 제안하였다. 이는 생애주기 지진신뢰성 해석 뿐 아니라 유지관리데이터가 존재하지 않은 경우 유지관리전략 수립을 위한 유용한 도구로 사용될 수 있을 것으로 기대된다.
  • 본 연구에서는 균열에 대한 유지관리가 지진신뢰성에 미치는 영향을 검토해 보기 위해 확률적 균열성장모델을 개발하였다. Liu & Wayers(1998)의 연구에 기초하여 균열의 부피의 증가는 철근 수산화물의 부피증가와 같다고 가정하면 균열의 증가는 철근직경, 철근의 유효 깊이, 직경의 감소를 이용하여 식 (9-a)와 같이 근사적으로 산정할 수 있다.
  • 본 연구에서는 앞서 기술된 확률적 열화예측모델과 PSHA, PLSRA, PLSDA, 그리고 지진 신뢰성해석을 통합적으로 수행할 수 있는 프로그램인 HYPER-DRAIN2DX-DS (latin HYPERcube sampling based DRAIN2DX for lifetime seismic reliability analysis of Deteriorating Structure)를 개발하였다. 그림 2는 HYPER-DRAIN2DX-DS의 흐름도를 나타내고 있다.
  • 본 연구에서는 열화하는 구조물의 생애주기 지진신뢰성해석에 있어서 내진보강, 유지관리, 그리고 열화환경을 고려한 현실적인 생애주기 지진신뢰성해석방법론을 제안하였고, 교량의 지진신뢰성해석을 위한 프로그램인 HPYER-DRAIN2DX-DS를 개발하였다. 개발된 프로그램은 내진보강이나 유지전략의 적용유무에 따른 예제교량의 생애주기 지진신뢰성해석 문제에 적용되었으며, 이를 통해 다음과 같은 결론을 얻을 수 있었다.
  • 본 예제교량의 열화하지 않은 상태에 대한 확률적 지진응답해석은 기존연구(이광민 등, 2005a)에서 수행된 바 있으므로 본 연구에서는 주요결과에 대해 간략히 기술하였다. 예제 교량의 확률적 지진응답해석결과의 주요 내용은 다음과 같다: i) 예제교량의 받침지지길이는 250 mm이며 강진인 0.
  • 이중 가장 대표적인 것은 부식으로 인한 저항감소가 가장 많이 보고되고 있다(Enright 등, 1998). 이에 본 연구에서는 교량의 지진응답에 있어서 가장 중요한 부재인 교각의 유지관리효과를 고려한 생애주기 동안 저항감소를 모사하기 위해 철근부식을 고려한 확률적 열화예측 모델을 개발하였다. 개발된 열화예측모델은 기본적으로 기존연구(Liu & Wayers, 1998; Thoft-Christensen, 1997)를 활용하여 부식개시, 균열개시, 균열성장을 예측하게 된다.
  • 이에 본 연구에서는 기존연구(이광민 등, 2005a-b)에서 제안된 방법론을 개선하여 구조물의 열화환경에 따른 성능저하나 계획된 유지관리전략을 반영할 수 있는 방법론과 이를 수행 할 수 있는 프로그램을 개발하여 구조물의 내진설계와 내진보강 및 유지관리에 있어서 수행될 LCC분석의 실용적인 도구로 사용될 수 있도록 하였다. 개발된 프로그램은 내진보강이나 유지전략의 적용유무에 따른 3경간 단순 지지된 강교량의 생애주기 지진신뢰성해석 문제에 적용되었으며, 이를 통해 프로그램의 적용성을 검토해 보았다.

가설 설정

  • 69 MPa로 가정하였다. 또한 REC의 단면적은 143 mm2, 길이는 1.5 m, 탄성계수 및 경화율은 각각 69,000 MPa와 0.05, 그리고 케이블구속장치의 초기 슬랙은 12.7 mm으로 가정하였다. 이와 같은 EB와 REC는 각각 Kellay(1997)와 Chio(2002)에 기초하여 bi-linear요소와 인장만 받는 링크요소로 모델링하였다.
  • 그림 6은 내진보강방법에 따른 손상수준별 년 발생확률의 산정결과를 보여주고 있다. 이러한 년 파손확률은 본 연구에서 제안한 확률적 지진위험도해석(PSHA) 방법을 적용하였는데, 대상교량은 서울지역(37.5oN, 127oE)에 가설된 교량으로 가정하였다. 그림 5는 서울지역의 최대지반가속도의 년 초과확률에 대해 본 연구에 의한 결과와 이철호(1992)의 연구에 의한 결과를 나타내고 있다.
  • 54년으로 전문가 설문조사에 의한 결과 보다 다소 늦은 것으로 나타났다. 주기적으로 수행되는 점검을 통해 균열이 100% 발견된다는 가정을 도입하면 이와같은 균열 성장까지의 시간은 곧 유지관리시기로 가정될 수 있다. 이에 본 연구에서는 그림 7의 결과를 주기적인 부식환경과 상태등급별 유지관리의 적용시기로 적용하였다.
  • 한편 본 적용 예에서 내진보강을 위해 사용된 EB는 사각형이고 치수는 305 mm×203 mm×102 mm(L×W×H)이며, 고무의 전단탄성계수는 0.69 MPa로 가정하였다. 또한 REC의 단면적은 143 mm2, 길이는 1.
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참고문헌 (32)

  1. 시설안전기술공단(2001) 국도상 기존교량의 내진성능 평가 및 보강방안 연구 최종보고서 

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  3. 이광민, 최은수, 조효남(2005b) 교량의 지진 신뢰성해석 (II)-성능 개선된 교량에 적용 예. 대한토목학회논문집, 대한토목학회, 제22권 제6A호, pp.1105-1112 

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  5. 이철호(1992) A study on the seismic reliability analysis of simple nonlinear structures based on stochastic seismic motion. 박사학위논문, 서울대학교 

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  32. Yeh, C.-H. and Wen, Y.K. (1990) Modeling of Non-stationary Ground Motion and Analysis of Inelastic Structural Response. Structural Safety, 8, pp. 281-298 

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