교량의 생애주기비용 효율적인 최적 내진보강과 유지관리전략 - (II) 생애주기비용해석 방법론 Life-Cycle Cost Effective Optimal Seismic Retrofit and Maintenance Strategy of Bridge Structures - (II) Methodology for Life-Cycle Cost Analysis원문보기
본 연구에서는 열화하는 교량의 생애주기비용(Life-Cycle Cost: 이하 LCC)-효율적인 최적 내진보강과 유지관리전략의 선정문제의 의사결정을 위한 현실적인 방법론을 제안하고자 한다. 제안된 방법론은 설계규준과 같은 제약조건하에서 내진보강비용, 기대 유지관리비용, 그리고 기대 경제손실비용의 합으로 표현되는 총 기대 LCC의 최소화 개념에 기초하고 있다. 본 연구에서 제안된 방법론은 동반논문에서 고려된 예제교량의 최적 내진보강과 유지관리전략의 선정을 위한 문제에 적용되었고, 부식환경과 교통조건에 따른 LCC-효율성에 대하여 고찰해 보았다. 또한, 개발된 방법론의 타당성을 검증해보기 위해 고려된 조건에 따른 LCC분석결과를 기존 연구에서 제안된 방법론과 비교 및 고찰을 수행하였다. 적용 예를 통해 제안된 방법론은 LCC-효율적인 내진보강과 유지관리전략의 선정을 위한 의사결정에 있어서 매우 효율적인 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
본 연구에서는 열화하는 교량의 생애주기비용(Life-Cycle Cost: 이하 LCC)-효율적인 최적 내진보강과 유지관리전략의 선정문제의 의사결정을 위한 현실적인 방법론을 제안하고자 한다. 제안된 방법론은 설계규준과 같은 제약조건하에서 내진보강비용, 기대 유지관리비용, 그리고 기대 경제손실비용의 합으로 표현되는 총 기대 LCC의 최소화 개념에 기초하고 있다. 본 연구에서 제안된 방법론은 동반논문에서 고려된 예제교량의 최적 내진보강과 유지관리전략의 선정을 위한 문제에 적용되었고, 부식환경과 교통조건에 따른 LCC-효율성에 대하여 고찰해 보았다. 또한, 개발된 방법론의 타당성을 검증해보기 위해 고려된 조건에 따른 LCC분석결과를 기존 연구에서 제안된 방법론과 비교 및 고찰을 수행하였다. 적용 예를 통해 제안된 방법론은 LCC-효율적인 내진보강과 유지관리전략의 선정을 위한 의사결정에 있어서 매우 효율적인 도구로 활용될 수 있을 것으로 기대된다.
The goal of this study is to develop a realistic methodology for determination of the Life-Cycle Cost (LCC)-effective optimal seismic retrofit and maintenance strategy of deteriorating bridges. The proposed methodology is based on the concept of minimum LCC which is expressed as the sum of present v...
The goal of this study is to develop a realistic methodology for determination of the Life-Cycle Cost (LCC)-effective optimal seismic retrofit and maintenance strategy of deteriorating bridges. The proposed methodology is based on the concept of minimum LCC which is expressed as the sum of present value of seismic retrofit costs, expected maintenance costs, and expected economic losses with the constraints such as design requirements and acceptable risk of death. The proposed methodology is applied to the LCC-effective optimal seismic retrofit and maintenance strategy of a steel bridge considered as a example bridge in the accompanying study, and various conditions such as corrosion environments and Average Daily Traffic Volumes (ADTVs) are considered to investigate the effects on total expected LCC. In addition, to verify the validity of the developed methodology, the results are compared with the existing methodology. From the numerical investigation, it may be positively expected that the proposed methodology can be effectively utilized as a practical tool for the decision-making of LCC-effective optimal seismic retrofit and maintenance strategy of deteriorating bridges.
The goal of this study is to develop a realistic methodology for determination of the Life-Cycle Cost (LCC)-effective optimal seismic retrofit and maintenance strategy of deteriorating bridges. The proposed methodology is based on the concept of minimum LCC which is expressed as the sum of present value of seismic retrofit costs, expected maintenance costs, and expected economic losses with the constraints such as design requirements and acceptable risk of death. The proposed methodology is applied to the LCC-effective optimal seismic retrofit and maintenance strategy of a steel bridge considered as a example bridge in the accompanying study, and various conditions such as corrosion environments and Average Daily Traffic Volumes (ADTVs) are considered to investigate the effects on total expected LCC. In addition, to verify the validity of the developed methodology, the results are compared with the existing methodology. From the numerical investigation, it may be positively expected that the proposed methodology can be effectively utilized as a practical tool for the decision-making of LCC-effective optimal seismic retrofit and maintenance strategy of deteriorating bridges.
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문제 정의
하지만 국내의 경우는 유지관리 적용시기에 대한 통계적 데이터가 정리되어 있지 않으므로, 동반논문에서 제안된 확률적 열화예측모델을 이용하였다. 동반논문에서 확률적 열화예측모델은 시간이력불확실변수인 철근단면 적의 변화를 예측하여 생애주기 지진신뢰성해석을 위한 목적으로 사용되었는데, 본 논문에서는 일련의 유지관리 적용 시기를 구하여 생애주기 동안의 유지관리확률을 구하기 위한 목적으로 사용되었다. 구조물의 생애주기 동안 유지관리 전략과 열화환경에 따른 일련의 유지관리 적용시기는 동반 논문에서 언급된 바와 같이 철근의 부식으로 인한 Rust로 인해 성장되는 균열크기를 예측하여 시설물의 안전점검 및 정밀안전진단 지침(시설안전기술공단, 2003)에서 제시된 상태등급에 상응하는 균열이 성장하였을 때 점검을 통해 균열이 발견되어지고 유지관리가 행해진다는 가정 하에 구해질수 있다.
이에 본 연구에서는 기존연구의 문제점을 개선하여 교량구조물에 대한 내진 LCC최적설계 뿐 아니라 최적 내진보강 및 유지관리전략의 선정에 있어서 의사결정을 위해 활용될 수 있는 현실적인 방법론을 제안하였다. 본 연구에서 제안된 방법론은 동반 논문에서 생애주기 지진신뢰성해석을 위해 적용된 예제교량의 최적 내진보강과 유지관리전략의 선정을 위한 문제에 적용되었고, 열화환경과 교통조건에 따른 LCC-효율성에 대해 고찰해 보았다. 또한, 개발된 방법론의 합리성을 검증해보기 위해 고려된 조건에 따른 LCC분석결과는 기존연구(Cho 등, 2001)에서 제안된 방법론과 비교 및 고찰을 수행하였다.
본 연구에서는 열화하는 교량의 LCC-효율적인 최적 내진보강과 유지관리전략의 선정문제의 의사결정을 위한 현실적인 방법론을 제안하였다. 제안된 방법론은 기존연구에서 고려 하지 못한 구조물의 성능저하에 대한 열화 및 유지관리와의 관계, 내진보강으로 인한 각 부재의 다양한 손상수준에 대해 긍정적인 혹은 부정적인 영향을 LCC분석에 모두 반영할 수있도록 정식화하였다.
즉, 내진 LCC최적설계나 성능개선 및 유지관리를 위한 연구는 아직까지도 미진한 실정이므로 구조물의 지진에 대한 LCC분석에 있어서 현실적인 방법론의 개발은 국가자원의 효율적인 운용을 위해 매우 절실하다 할 수 있다. 이에 본 연구에서는 기존연구의 문제점을 개선하여 교량구조물에 대한 내진 LCC최적설계 뿐 아니라 최적 내진보강 및 유지관리전략의 선정에 있어서 의사결정을 위해 활용될 수 있는 현실적인 방법론을 제안하였다. 본 연구에서 제안된 방법론은 동반 논문에서 생애주기 지진신뢰성해석을 위해 적용된 예제교량의 최적 내진보강과 유지관리전략의 선정을 위한 문제에 적용되었고, 열화환경과 교통조건에 따른 LCC-효율성에 대해 고찰해 보았다.
식 (6)~(7)에 제시된 바와 같이 교통량은 인적물적 손실비용과 간접비용의 산정에 중요한 영향을 미친다. 이에 본 연구에서는 한국교통협회의 교통 DB의 자료(http:// www.ktdb.go.kr)에 기초하여 대도시(ADTV=76,510대/일)와 소도시(ADTV=27,269대/일)의 도로상에 건설된 교량으로 가정하여 LCC분석에 미치는 영향을 고찰해 보았다. 또한 우회도로의 교통량은 본 도로보다 1.
가설 설정
i) 예제교량은 1980년에 건설되어 이미 25년의 공용수명을 가진 교량으로 가정하였다.
ii) 예제교량의 향후 잔존수명은 50년으로 가정하였다. 따라서 LCC분석 기간은 2005년에서 2055년으로 가정하였고, 내진보강은 탄성받침과 구속케이블 등을 적용할 계획이며, 이는 2005년에 시행하는 것으로 하였다.
간접비용을 산정하기 위해 앞서 제시된 데이터와 교통해석 프로그램 EMME/2를 사용하여 교통해석을 수행하였고, 교통해석 시 도로의 자유속도는 일반도로의 속도인 80 km/ hr로 가정하였다. 표 4는 대상도로의 교통해석결과를 보여주고 있다.
동반논문에서 확률적 열화예측모델은 시간이력불확실변수인 철근단면 적의 변화를 예측하여 생애주기 지진신뢰성해석을 위한 목적으로 사용되었는데, 본 논문에서는 일련의 유지관리 적용 시기를 구하여 생애주기 동안의 유지관리확률을 구하기 위한 목적으로 사용되었다. 구조물의 생애주기 동안 유지관리 전략과 열화환경에 따른 일련의 유지관리 적용시기는 동반 논문에서 언급된 바와 같이 철근의 부식으로 인한 Rust로 인해 성장되는 균열크기를 예측하여 시설물의 안전점검 및 정밀안전진단 지침(시설안전기술공단, 2003)에서 제시된 상태등급에 상응하는 균열이 성장하였을 때 점검을 통해 균열이 발견되어지고 유지관리가 행해진다는 가정 하에 구해질수 있다.
낸 자료를 활용하였고, 복구공사 기간 및 방법은 국내의 전문가 설문조사에 의한 자료를 활용하였는데, 이는 표 2와 같다. 그리고 복구공사 동안의 교통의 통제는 Shirato 등 (2003)의 연구에 기초하여 보통손상의 경우는 중차량 제한및 속도 30 km/hr(Type-I)을 극심한 손상과 붕괴에 대해서는 전면통제(Type-II)를 가정하였다.
ii) 예제교량의 향후 잔존수명은 50년으로 가정하였다. 따라서 LCC분석 기간은 2005년에서 2055년으로 가정하였고, 내진보강은 탄성받침과 구속케이블 등을 적용할 계획이며, 이는 2005년에 시행하는 것으로 하였다.
국내의 경우 할인율은 금리자유화가 시작된 이후 14년 간(1993~2002)의 자료가 있지만 할인율의 변동이 심하여 14년간의 자료를 그대로 통계분석하여 사용하면 비교적 큰 불확실변량을 가진다. 따라서 본 연구에서 할인율의 불확실변량은 향후 현행할인율에서 ±0.5%의 변동이 있을 것으로 가정하였다.
kr)에 기초하여 대도시(ADTV=76,510대/일)와 소도시(ADTV=27,269대/일)의 도로상에 건설된 교량으로 가정하여 LCC분석에 미치는 영향을 고찰해 보았다. 또한 우회도로의 교통량은 본 도로보다 1.2배 많은 교통량을 가지는 것으로 가정하였다.
마지막으로 본 연구에서는 열화환경이 최적 내진보강과 유지관리전략의 선정에 미치는 영향을 고찰해보기 위해 예제 교량은 동반논문에서와 같이 해안지역과 도심지역에 건설된 교량으로 가정하였다.
국내의 경우는 일반적으로 철근부식에 의한 교각의 균열을 보수하기 위해 실리콘주입공법과 부분교체공법이 많이 사용된다. 이중 본 연구에서는 부분교체공법을 유지관리방법으로 가정하였다. 시설안전기술공단(2000)에 의하면 부분교체공법의 경우 직접유지관리비용은 단위표면적당 253,670원이며, 평균보수물량은 상태등급 C와 D에 대해 각각 전체 교각의 14.
한편, LCC분석에 있어서 대상교량은 그림 3과 같이 주도로(6 km)이외에 우회도로(18 km)를 2개 가지는 교량으로 가정하였다. 식 (6)~(7)에 제시된 바와 같이 교통량은 인적물적 손실비용과 간접비용의 산정에 중요한 영향을 미친다.
제안 방법
LCC분석에 있어서 본 연구에서는 가정사항에 따라 복구공사기간, 할인율, 부재의 손상수준별 년 파손확률을 불확실 변량으로 사용하였다. 복구공사기간과 부재의 손상수준별 년 파손확률은 각각 전문가 설문조사 자료와 동반논문에 제시된 데이터를 사용하였다.
따라서 본 연구에서는 근사적인 사회-경제손실비용을 산정 하기 위해 Seskin (1990)의 연구결과에 기초하여 식 (7)과같이 지역규모별 도로이용자비용에 대한 사회-경제손실비용의 비율 rregion을 적용하여 정식화 하였다. Seskin(1990)의 연구결과에 의하면 사회-경제손실은 대도시, 중도시, 소도시로 구분되어서 제시되어 있으며 각각 도로이용자 비용의 약 150%~50%의 범위를 가진다고 제시되어 있다.
v) 기존연구들(건설교통부, 2004; Lee 등, 2004)에 기초할때, 손상 발생 시 복구공사기간과 할인율은 매우 중요한 변수이므로 부재의 손상수준별 년 파손확률과 같이 추가적인 불확실 변량으로 고려하였다. 또한 부재의 손상수준별 년 발생확률은 동반논문에서 수행된 결과를 활용하였다.
본 연구에서 제안된 방법론은 동반 논문에서 생애주기 지진신뢰성해석을 위해 적용된 예제교량의 최적 내진보강과 유지관리전략의 선정을 위한 문제에 적용되었고, 열화환경과 교통조건에 따른 LCC-효율성에 대해 고찰해 보았다. 또한, 개발된 방법론의 합리성을 검증해보기 위해 고려된 조건에 따른 LCC분석결과는 기존연구(Cho 등, 2001)에서 제안된 방법론과 비교 및 고찰을 수행하였다.
본 연구에서 제안된 방법론은 동반논문에서 고려된 예제교량의 최적 내진보강과 유지관리전략의 선정을 위한 문제에 적용하였다. LCC분석에 있어서 적용된 가정사항은 다음과 같다.
그 항목 중 시간지연비용과 차량운행비용은 일반적으로 도로이용자비용의 중요비용 항목으로서 고려되어 왔다(De Brito and Branco, 1994; Lee 등, 2004). 본 연구에서도 도로이용자비용모델은 시간지연비용과 차량운행비용만을 고려하여 정식화하였다.
구조물의 열화는 구조성능을 저하시키게 되는데, 이에 대한 유지관리전략에 따른 효과는 동반논문에서 고찰되어 있다. 본 절에서는 표 6과 같은 Case에 추가적으로 유지관리를 수행하지 않는 경우, 교각의 부식으로 인한 균열을 상태 등급 C와 D로 관리하는 경우를 고려하여 총 36가지 경우에 대한 LCC분석을 수행하였다. 이에 앞서 열화환경과 유지관리전략에 따른 생애주기 동안의 기대유지관리비용을 산정하였는데, 유지관리확률의 산정을 위한 열화환경 및 유지관리 전략에 따른 유지관리 시기는 동반논문에서 산정된 결과를 활용하였다.
마지막으로 식 (4)를 이용하여 기대경제손실비용을 산정하기 위해서는 지진으로 인한 인적·물적 손실비용의 산정이 필요하다. 이를 위해 본 연구에서는 Cho 등 (2001)이 교량의 인적·물적 기대손실비용의 산정을 위해 제안한 정식화를 시간의 개념으로 확장하여 다음과 같이 기대사망비용과 기대 상해비용의 합으로 정식화 하였다.
전술한 바와 같이 교통량은 간접비용의 산정에 영향을 주며, 열화환경은 교량성능의 저하에 영향을 준다. 이에 본 연구에서는 3가지의 내진보강전략에 대해 교통량과 열화환경에 따라 표 6과 같이 12가지 Case를 고려하여 LCC분석을 수행하였다.
본 절에서는 표 6과 같은 Case에 추가적으로 유지관리를 수행하지 않는 경우, 교각의 부식으로 인한 균열을 상태 등급 C와 D로 관리하는 경우를 고려하여 총 36가지 경우에 대한 LCC분석을 수행하였다. 이에 앞서 열화환경과 유지관리전략에 따른 생애주기 동안의 기대유지관리비용을 산정하였는데, 유지관리확률의 산정을 위한 열화환경 및 유지관리 전략에 따른 유지관리 시기는 동반논문에서 산정된 결과를 활용하였다.
제안된 방법론은 기존연구에서 고려 하지 못한 구조물의 성능저하에 대한 열화 및 유지관리와의 관계, 내진보강으로 인한 각 부재의 다양한 손상수준에 대해 긍정적인 혹은 부정적인 영향을 LCC분석에 모두 반영할 수있도록 정식화하였다. 이와같이 제안된 방법론은 동반논문에서 고려된 예제교량인 3경간 단순지지교량에 적용하였고, 교통량과 열화환경에 따른 최적 내진보강과 유지관리전략의 선정을 위한 문제에 적용하였다. 적용 예로부터 기존연구와 상반되는 현실적인 결과를 얻었으며, 이는 다음과 같다.
전술한 바와 같이 본 연구에서는 예제교량에 대해 고무의 감쇠특성을 활용한 탄성받침(Elastomeric Bearing: 이하 EB) 으로 보강된 교량(Bridge-EB)과 거더와 교대간의 상대변위와 교대에 가해지는 충격력을 효율적으로 제어할 수 있는 케이블구속장치(REstrainer Cable: 이하 REC)로 보강된 교량 (Bridge-REC)에 대해 보강되지 않은 교량(Bridge-O)와 LCC 의 효율성을 비교하였다. 내진보강을 위한 시공비용은 한국도로공사(2003)의 데이터에 기초하였고, 계획설계비용과 시공 후 점검비용 등은 시공비용의 규모에 따라 국내의 실정이 반영된 엔지니어링 사업대가기준(과학기술부, http:// www.
본 연구에서는 열화하는 교량의 LCC-효율적인 최적 내진보강과 유지관리전략의 선정문제의 의사결정을 위한 현실적인 방법론을 제안하였다. 제안된 방법론은 기존연구에서 고려 하지 못한 구조물의 성능저하에 대한 열화 및 유지관리와의 관계, 내진보강으로 인한 각 부재의 다양한 손상수준에 대해 긍정적인 혹은 부정적인 영향을 LCC분석에 모두 반영할 수있도록 정식화하였다. 이와같이 제안된 방법론은 동반논문에서 고려된 예제교량인 3경간 단순지지교량에 적용하였고, 교통량과 열화환경에 따른 최적 내진보강과 유지관리전략의 선정을 위한 문제에 적용하였다.
따라서 구조물의 생애주기 유지관리확률을 구하기 위해 가장 중요한 것은 그림 2(a)와 같은 일련의 유지관리 적용시기(relative tine scale)와 관련한 데이터가 준비되어야 한다는 것이다. 하지만 국내의 경우는 유지관리 적용시기에 대한 통계적 데이터가 정리되어 있지 않으므로, 동반논문에서 제안된 확률적 열화예측모델을 이용하였다. 동반논문에서 확률적 열화예측모델은 시간이력불확실변수인 철근단면 적의 변화를 예측하여 생애주기 지진신뢰성해석을 위한 목적으로 사용되었는데, 본 논문에서는 일련의 유지관리 적용 시기를 구하여 생애주기 동안의 유지관리확률을 구하기 위한 목적으로 사용되었다.
은 유지관리로 인한 교통통제 조건과 본 연구에서 제안된 도로이용자비용함수를 이용하여 구할 수 있다. 한편 식 (3)에서 기대유지관리비용을 산정하기 위해서는 생애주기 동안의 유지관리 확률 #(t)의 산정이 필요한데, 이를 위해 본 연구에서는 생애주기 동안의 유지관리확률을 예측하기 위해 사건수기법(Event Tree Method)를 활용한 접근방법을 제안하였다.
대상 데이터
낸 자료를 활용하였고, 복구공사 기간 및 방법은 국내의 전문가 설문조사에 의한 자료를 활용하였는데, 이는 표 2와 같다. 그리고 복구공사 동안의 교통의 통제는 Shirato 등 (2003)의 연구에 기초하여 보통손상의 경우는 중차량 제한및 속도 30 km/hr(Type-I)을 극심한 손상과 붕괴에 대해서는 전면통제(Type-II)를 가정하였다.
LCC분석에 있어서 본 연구에서는 가정사항에 따라 복구공사기간, 할인율, 부재의 손상수준별 년 파손확률을 불확실 변량으로 사용하였다. 복구공사기간과 부재의 손상수준별 년 파손확률은 각각 전문가 설문조사 자료와 동반논문에 제시된 데이터를 사용하였다. 국내의 경우 할인율은 금리자유화가 시작된 이후 14년 간(1993~2002)의 자료가 있지만 할인율의 변동이 심하여 14년간의 자료를 그대로 통계분석하여 사용하면 비교적 큰 불확실변량을 가진다.
마지막으로 인적물적 손실비용 및 간접비용을 산정하기 위해서는 도로상의 차종별/업무 및 비업무별 구성비, 평균재차 인원, 그리고 도로이용자의 시간가치를 산정하기 위한 평균 급여 등의 데이터를 필요로 한다. 이들 데이터는 한국교통협회의 교통 DB(http://www.ktdb.go.kr), 서울특별시 교통통계 사이트(http://traffic.metro. seoul.kr), 건설교통부의 교통통계연보(2004)에 기초하였으며, 이는 표 3과 같다. 그리고 차량의 유류비용은 한국에너지경제연구원(http://www.
데이터처리
본 연구에서 제안된 방법론의 타당성을 검토해 보기위해표 6에서 대도시 교통량과 해안지역 열화환경을 가지는 경우에 대해 Cho 등(2001)이 제안한 기존방법론을 활용하여 비교분석을 수행하였다. 이에 대한 결과는 표 8에 제시되어 있다.
이론/모형
표 5는 표 2에 제시된 데이터를 활용하여 간접비용을 산정한 결과를 보여주고 있다. 간접비용을 산정함에 있어 사회 경제손실비용은 전술한 바와 같이 Seskin (1990)의 제안치를 활용하였는데, 대도시와 소도시에 대해 각각 도로이용자비용의 150%와 50%를 적용하였다. 표 5에서 제시된 바와 같이 교통통제가 발생하지 않는 경미한손상의 경우를 제외하고는 간접복구비용은 총 복구비용의 91~99%정도 인 것을 알 수 있다.
kr), 건설교통부의 교통통계연보(2004)에 기초하였으며, 이는 표 3과 같다. 그리고 차량의 유류비용은 한국에너지경제연구원(http://www.keei.re.kr)의 자료와 한국개발연구원(2001)의 차량의 종류 및 주행속도에 따른 단위거리 당 연료소모량예측 식을 사용하였다. 물적피해를 포함한 1인당 생명가치 및 상해비용은 이수범과 심재익(1997) 수행한 교통사고비용분석데이터를 사용하였는데, 국내의 경우 물적피해를 포함한 1인당 생명가치는 35억원, 상해비용은 생명가치의 6%로 제시되어 있다.
전술한 바와 같이 본 연구에서는 예제교량에 대해 고무의 감쇠특성을 활용한 탄성받침(Elastomeric Bearing: 이하 EB) 으로 보강된 교량(Bridge-EB)과 거더와 교대간의 상대변위와 교대에 가해지는 충격력을 효율적으로 제어할 수 있는 케이블구속장치(REstrainer Cable: 이하 REC)로 보강된 교량 (Bridge-REC)에 대해 보강되지 않은 교량(Bridge-O)와 LCC 의 효율성을 비교하였다. 내진보강을 위한 시공비용은 한국도로공사(2003)의 데이터에 기초하였고, 계획설계비용과 시공 후 점검비용 등은 시공비용의 규모에 따라 국내의 실정이 반영된 엔지니어링 사업대가기준(과학기술부, http:// www.cmcost.com, 2004)에 제시되어 있는 해당 요율을 적용하였으며, 이는 표 1과 같다. 표에 제시된 바와 같이 케이블구속장치의 내진보강비용은 탄성받침에 비해 매우 경제적 임을 알 수 있다.
이외의 변수들의 구체적인 산정방법은 Cho 등(2001)의 연구에 구체적으로 제시되어 있다. 본 연구에서 평균교통속도 υ0는 교통해석프로그램인 EMME/2 v5.1(Inro Consultants, 1999)을 이용하였다.
한편 식 (6)에서 유지관리나 복구공사 기간 Tres는 매우 중요한 변수이다(Lee 등, 2004). 본 연구에서는 전문가 설문조사에 기초하여 적용하는 것으로 하였는데, 이는 참고문헌(이광민, 2006)에서 찾아볼 수 있다.
식 (6)과 같이 도로이용자비용을 산정하기 위한 교통해석은 전술한 교통해석프로그램인 EMME/2 v5.1(Inro Consultants, 1999)을 이용하였다. 한편 식 (6)에서 유지관리나 복구공사 기간 Tres는 매우 중요한 변수이다(Lee 등, 2004).
성능/효과
하지만 그림 8(a)에 나타난 바와 같이 해안지역의 경우는 상태등급 C로 유지관리를 수행하는 경우가 상태등급 D로 관리하는 경우 보다 오히려 약간 많은 기대유지관리비용이 소요되는 것을 알 수 있는데, 이는 그림 7(a)에 나타난 바와 같이 상태 등급 C로 유지관리하는 경우의 누적 유지관리확률이 높기 때문이다. 한편 도심지역의 경우는 역시 그림 7(b)에 나타난 바와같이 상태등급 C로 유지관리하는 경우에 대한 누적 유지관리확률은 높지만 그 차이가 크지 않아서 상태등급 D로 유지관리를 수행하는 경우가 약간 많은 기대유지관리비용이 소요되는 것으로 나타났다. 이상의 결론으로부터 기대유지관리비용은 단순히 유지관리수준 뿐 아니라 열화환경에 의해서도 변화될 수 있음을 보여 주는 예 이다.
7로나타낼 수 있다. 한편 임의의 유지관리의 적용시기 #을 만족하는 모든 경우는 그림 2(b)와 같이 사건수기법을 이용하여 구할 수 있는데, 일예로 12년에 유지관리가 시행될 수있는 경우는 그림(굵은 선)에 나타난 바와 같으며, 식 (8)을 이용하면 #로 표현할 수 있고, 결론적으로 12년에 유지관리가 행해질 확률은=0.517 임을 확인 할 수 있다.
1. 한국과 같은 약진지역의 경우는 큰 성능향상을 제공하지만 비경제적인 내진보강전략 보다는 적정한 내진보강 성능을 제공하면서 경제적인 내진보강이 생애주기비용 측면에서 용이하다.
2. 또한 한국과 같은 약진지역의 경우는 많은 교통량을 부담 하는 중요한 교량이나 열화가 심한 해안지역 환경에 위치한 교량은 현행의 일상적인 유지관리보다는 적극적인 유지관리전략이 적용되어야 한다. 하지만 적은 교통량을 부담하면서 열화환경이 심하지 않은 지역에 위치한 교량은 일상적인 유지관리가 적용되어도 LCC 측면에서는 경제적인 유지관리전략이 될 수 있을 것으로 판단된다.
3. 이상의 결과로부터 본 연구에서 제안된 방법론은 기존 연구들과 비교 시 더욱 합리적이고, 현실적인 결과를 도출하는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서 제안된 방법론은 향후 내진보강과 유지관리전략 선정을 위한 의사결정 시 매우 유용한 도구로 활용될 것이 기대된다.
iii) 건설교통부(2004)의 연구에 기초하여 LCC분석에 있어서 할인율은 4.00%를 적용하였다.
또한 표에서부터 해안지역 열화환경인 경우는 교통량에 상관없이 비록 상태등급 C로 유지관리하는 경우의 기대유지관리비용이 상태등급 D로 유지관리 하는 경우보다 비경제적이지만 기대복구비용의 절감효과는 우수함을 알 수 있다. 대도시 교통량과 도심지역 열화환경인 경우는 상태 등급 C로 유지관리 하는 경우 기대복구비용을 줄이는 효과 뿐 아니라 기대 유지관리비용 또한 상태등급 D로 관리하는 것 보다는 LCC측면에서 경제적으로 나타났다. 마지막으로 소도시 교통량을 가지는 도심지역 열화환경인 경우는 유지관리를 수행 하는 경우 보다 일상적인 유지관리가 수행되는 경우가 더욱 경제적인 것으로 나타났다.
무조치 교량의 경우는 기대복구비용이 LCC의 대부분을 차지하지만 내진 보강된 교량의 경우는 동반논문의 지진신뢰성해석에 나타난 바와 같이 내진보강으로 인해 년 파손확률이 적어지므로 내진보강비용과 기대복구비용 LCC에 차지하는 비율이 크게 나타났다. 또한 표에 제시된 바와 같이 대도시 교통량을 가지는 경우는 열화환경에 상관없이 탄성받침으로 보강된 경우 (Case-LC-EB, Case-LU-EB) LCC측면에서 가장 경제적인 것으로 나타났다. 하지만 열화환경이 상대적으로는 양호한 도심지역의 경우는 구속케이블로 보강된 경우(Case-LC-REC, Case-LU-REC)과 탄성받침으로 보강된 경우의 LCC차이는 1.
또한 표에서부터 해안지역 열화환경인 경우는 교통량에 상관없이 비록 상태등급 C로 유지관리하는 경우의 기대유지관리비용이 상태등급 D로 유지관리 하는 경우보다 비경제적이지만 기대복구비용의 절감효과는 우수함을 알 수 있다. 대도시 교통량과 도심지역 열화환경인 경우는 상태 등급 C로 유지관리 하는 경우 기대복구비용을 줄이는 효과 뿐 아니라 기대 유지관리비용 또한 상태등급 D로 관리하는 것 보다는 LCC측면에서 경제적으로 나타났다.
대도시 교통량과 도심지역 열화환경인 경우는 상태 등급 C로 유지관리 하는 경우 기대복구비용을 줄이는 효과 뿐 아니라 기대 유지관리비용 또한 상태등급 D로 관리하는 것 보다는 LCC측면에서 경제적으로 나타났다. 마지막으로 소도시 교통량을 가지는 도심지역 열화환경인 경우는 유지관리를 수행 하는 경우 보다 일상적인 유지관리가 수행되는 경우가 더욱 경제적인 것으로 나타났다. 이는 소도시 교통량을 가지는 도심지역의 경우 유지관리로 인한 기대복구비용의 감소보다 유지관리비용의 증가가 더욱 크기 때문이다.
표 7은 고려된 Case들에 대한 최적 내진보강전략의 선정을 위한 LCC분석결과를 보여주고 있다. 무조치 교량의 경우는 기대복구비용이 LCC의 대부분을 차지하지만 내진 보강된 교량의 경우는 동반논문의 지진신뢰성해석에 나타난 바와 같이 내진보강으로 인해 년 파손확률이 적어지므로 내진보강비용과 기대복구비용 LCC에 차지하는 비율이 크게 나타났다. 또한 표에 제시된 바와 같이 대도시 교통량을 가지는 경우는 열화환경에 상관없이 탄성받침으로 보강된 경우 (Case-LC-EB, Case-LU-EB) LCC측면에서 가장 경제적인 것으로 나타났다.
표 8에 제시된 바와 같이 조효남 등(2001)이 제안한 방법에 의하면 구속케이블로 보강된 경우가 LCC측면에서 경제적인 것으로 나타났는데, 이는 표 7의 결과와 상반되는 결과임을 쉽게 알 수 있다. 예제교량의 경우는 동반논문에서 논의된 바와 같이 교각의 거동에 취약한 교량인데 반해 탄성받침과 구속케이블로 내진보강된 경우는 전반적인 구조성능은 향상되며, 각각 상부구조의 손상과 교대의 능동거동에 의한 손상에 의한 경제손실비용이 예상되었다. 즉 교각의 거동이 지배적이지 않은 경우에 대해 기존방법론은 비현실적인 결과를 줄 수 있음을 본 예제를 통해 알 수 있다.
한편 도심지역의 경우는 역시 그림 7(b)에 나타난 바와같이 상태등급 C로 유지관리하는 경우에 대한 누적 유지관리확률은 높지만 그 차이가 크지 않아서 상태등급 D로 유지관리를 수행하는 경우가 약간 많은 기대유지관리비용이 소요되는 것으로 나타났다. 이상의 결론으로부터 기대유지관리비용은 단순히 유지관리수준 뿐 아니라 열화환경에 의해서도 변화될 수 있음을 보여 주는 예 이다.
예제교량의 경우는 동반논문에서 논의된 바와 같이 교각의 거동에 취약한 교량인데 반해 탄성받침과 구속케이블로 내진보강된 경우는 전반적인 구조성능은 향상되며, 각각 상부구조의 손상과 교대의 능동거동에 의한 손상에 의한 경제손실비용이 예상되었다. 즉 교각의 거동이 지배적이지 않은 경우에 대해 기존방법론은 비현실적인 결과를 줄 수 있음을 본 예제를 통해 알 수 있다.
지면의 제약상 각각의 내진보강전략에 대한 LCC분석결과는 나타내지 않았는데, 이는 참고문헌(이광민, 2006)에서 찾아볼수 있다. 표 9에 나타난 바와 같이 전반적으로 유지관리가 적용되는 경우는 유지관리를 수행하지 않는 교량과 비교 시 기대복구비용이 총 기대 LCC에 차지하는 비중이 적으므로 구속케이블로 내진보강 된 경우(Case-LC-REC, Case-LUREC, Case-SC-REC, Case-SU-REC)가 LCC측면에서 경제적인 것으로 나타났다.
60% 경제적일 확률이 있는 것을 알 수 있다. 한편 소도시 교통량을 가지는 경우는 열화환경에 상관없이 구속케이블로 보강된 경우(Case-SC-REC, Case-SU-REC)가 LCC측면에서 가장 경제적인 것으로 나타났다. 이는 전술한 바와 같이 소도시 교통량을 가지는 경우는 간접비용이 대도시 교통량을 가지는 경우의 9.
후속연구
4. 하지만 제안된 방법론을 이용하여 내진보강 및 유지관리 전략을 위한 더욱 합리적인 결과를 얻기 위해서는 간접비용의 항목인 사회-경제손실비용의 산정을 위한 더욱 개선된 연구가 수행되어야 할 것으로 판단된다.
이상의 결과로부터 본 연구에서 제안된 방법론은 기존 연구들과 비교 시 더욱 합리적이고, 현실적인 결과를 도출하는 것으로 판단된다. 따라서 본 연구에서 제안된 방법론은 향후 내진보강과 유지관리전략 선정을 위한 의사결정 시 매우 유용한 도구로 활용될 것이 기대된다.
마지막으로 인적물적 손실비용 및 간접비용을 산정하기 위해서는 도로상의 차종별/업무 및 비업무별 구성비, 평균재차 인원, 그리고 도로이용자의 시간가치를 산정하기 위한 평균 급여 등의 데이터를 필요로 한다. 이들 데이터는 한국교통협회의 교통 DB(http://www.
또한 그림 5에 나타난 바와 같이 기존방법론은 열화환경을 고려하지 않으므로 LCC가 과소평가되며, 그림 6에 나타난 바와 같이 다양한 손상수준을 고려하지 못하므로 이 또한 LCC가 과소평가되는 요인이라 할 수 있다. 이외에도 본 연구에서 제안된 방법론은 파손확률, 할인율, 복구공사기간과 같은 주요변수의 불확실성을 고려하여 그림 4와 같은 LCC의 확률분포를 제공함으로서 기존의 방법론 보다 효과 적인 의사결정의 도구로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
Cho 등 (2001)은 교량의 내진 LCC최적설계를 위해 교각의 시스템손상지수(Global Damage Index)만의 함수로 LCC 를 정식화 한 바 있다. 하지만 이는 동반논문에서 언급된 바와 같이 구조물을 구성하는 각각의 부재에 대해 긍정적인 혹은 부정적인 영향이 모두 반영될 수 없으며, 구조물이 붕괴인 경우를 제외하고는 구조물의 손상으로 인한 기대경제 손실은 일반적으로 시스템의 손상이라기보다는 국부 요소의 손상에 따라 평가되므로 이 부분에 대한 개선이 필요할 것으로 판단된다. 또한 기존연구에서는 일반적으로 막대한 경제적인 손실을 초래하지만 발생빈도가 적은 심각한 수준의 손상만을 기대경제손실비용의 산정에 고려하고 있는데, 결국 상대적인 경제적 손실은 작고 발생빈도가 큰 미약한 수준의 손상으로 인한 경제적 손실이 배재되어 기대경제손실비용은 과소평가되는 요인이 된다.
최근에는 구조물의 최적 LCC내진설계를 위해 몇몇 연구자들(Chang and Shinozuka, 1996; Ang 등, 1997a, 1997b; Wen and Kang, 1998; Cho 등, 2001)은 기존연구에서의 문제점을 개선한 제계적인 방법론을 제안한 바 있다. 하지만 이들의 연구는 이론적인 부분만을 지나치게 강조하여 현실적인 최적 LCC내진설계에 적용하거나 특히 구조물의 내진보강 및 유지관리전략의 선정과 관련된 문제에 적용 하기 위해서는 개선된 연구가 필요할 것으로 판단된다.
참고문헌 (26)
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