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문제 정의
- 고려한 파괴손실비용의 반영에 어려움이 따른다. 본 연구에서는 퍼지신뢰성해석에 의해 산정된 퍼지신뢰성지수를 이용하여 파괴확률을 산정하고, 이를 파괴손실비용에 반영하고자 한다.
- 특히 안벽을 신축할 경우에는 회수배율 1안이 되며, 안 벽을 보수 및 교체할 경우에는 회수배율2안이 된다. 본 연구에서는 안벽구조물의 대안별 LCC값을 상호 비교하여 성과측정 및 경제성평가를 하고자 하며, 표 5는 성과측정 및 경제성평가의 산출 식을 나타내고 있다.
가설 설정
- 어렵다. 본 연구에서는 LCC 분석대상인 안벽구조물의 공용년수를 현재의 기술수준과 중요도를 고려하여 80년으로 가정하여 수행하였다.
제안 방법
- 본 연구의 LCC 분석에 있어 유지보수비를 적용하기 위한 기초자료로서 30개 시설물에 대한 평균 유지보수율인 1.35%를 적용하였고, 설계비는 기본설계비 요율과 실시설계비 요율을 합산하여 총공사비 대비 3.48%를 적용하였으며, 김리비용은 1.4%를 적용하였다. 또한 실질 할인율은 국내의 LCC 분석 시 가장 많이 사용하는 통계청 자료인 4.
- 안벽구조물의 성능평가 기준항목은 지금까지 체계적으로 선정된 문헌분석 기준이 없기 때문에 본 연구에서는 본 적용사례대상 사업의 특성을 고려하여 항만분야의 전문가 6인 및 V死 분석자 4인의 총 10인들과의 인터뷰를 통해 검증받은 후 8가지 항목에 대하여 선정하였으며, 그림 2는 AHP 분석계층도를 보여주고 있다.
- 그림 2의 AHP 분석계층에서와 같이 1계층을 기술적 요인과 사회적 요인으로 분류하고 2계층을 내구성안정성, 유지관리성, 시공성, 경제성, 환경성, 연계성 및 이용성으로 분류하여 선정하였다. 또한 이에 따른 안벽구조물의 성능평가 기준항목 및 성능 정의를 표 3에나타내었다.
- 상이성을 나타내고 있다. 따라서 가치평가 절차에서의 일관성 및 효율성을 확보하기 위해서는 합리적인 평가지표가 필요하며, 본 연구에서는 가치분석 평가지표를 표 4와 같이 설정하였다.
- : LCP)은 크게 두 가지 방법이 있다. 첫 번째 방법은 주요 유지관리가 실시되는 시기와 개축시기에 대한 이력을 통계적으로 분석하여 활용하는 방법이며, 두 번째 방법은 안벽의 상태등급 모델을 설정하고 관리수준 목표에 도달했을 때에 유지관리조치를 부여하는 식으로 LCP를 결정하는 방법이다.
- 안벽구조물의 확률론적 VE/LCC 분석을 위해 본 연구에서 개발한 MATRAB용 "일명 CALIFE 프로그램”은 사용자가 입 - 출력 데이터를 최대한 편리하게 통제할 수 있도록 구성하였으며, 그림 4는 CALIFE 프로그램 및 시스템의 흐름을 나타낸 것으로서, 초기 입력화면에서 VE/LCC 분석 및 결과의 저장을 흐름대로 표현한것이다.
- 본 연구에서는 전술한 식 ⑴의 안벽구조물의 LCC 분석모델에 따라 퍼지신뢰성해석에 따른 파괴확률을 반영한 LCC 분석을 수행하였으며, 확률론적 LCC분석에 의한 생애주기 비용 결과 값을 대안별로 비교하여 그림 5 및 표 8에 나타내었다. 이때, 직접손실 비용 및 간접손실비용은 생애주기 동안 4번의 유지관리조치 (보수)를 취하는 것으로 산정하였다.
- 전술한 표 3의 성능평가 기준항목에 대한 가중치(DR) 산정을 위하여 설계자가 대상사업의 현황 설명을 수행하였으며, 이에 항만전문가 6인 및 V田분석자 4인을 대상으로 설문조사가 수행되었다. 또한 성능평가 기준항목에 대한 중요도를 바탕으로 AHP (Analytic Hierarchy Process)기법을 사용하여 가중치를 산정하였으며, 그 결과를 표 9 및 그림 6에 정리하였다.
- 본 연구에서는 안벽구조물의 VEVLCC분석에 있어 퍼지 신뢰성 해석에 따라 파괴확률을 파괴손실비용에 반영할 수 있는 확률론적 VE/LCC 분석모델을 제안하고, 실제 안벽구조물의 대상 사업에 적용하였으며, 그 결과를 요약하면 다음과 같다.
대상 데이터
- 타당성을 검토하기 위한 분석대상은 "。。。항 안벽 축조공사, 의 안벽구조물을 선정하였으며 , 비교대안에 대한 단면 형상을 그림 3에 정리하였다.
- 본 적용대상 안벽구조물의 생애주기비용 산정에 있어, LCC 분석을 위한 기본적인 데이터인 비교안별 유지관리물량은 설계된 대안에 대하여 물량을 산출하여 분석하였고, 단위 유지관리비용 및 각종 주기 관련데이터는 항만공사(2003) 연구자료의 데이터를 활용하였다.
이론/모형
- 안벽구조물의 유지관리를 위한 생애주기비용 분석은 여러 가지 방법이 있는데, 본 연구에서는 직접손실비용과 간접손실 비용으로 구성하여 유지관리조치 횟수에 따라 LCC를 정식화하고, 시간가치를 고려한 생애주기비용분석의 누적 경제성분석 모델 (Kong, J.S., Frangopol, D.M., 2003)을 사용흐].면 식 (1)과 같이 된다.
- 안벽구조물의 퍼지신뢰성지수의 산정에 있어 본 연구에서는 Kong, J.S., Frangopol, D.M.(2003)이 개발한 손상된 구조물에 대한 시간이력 신뢰성해석(time variant reliability Analysis)모델을 이용하였으며, 보유성능에 의한 신뢰성 지수의 감소(△/?)는 식 (2)에 의해 계산할 수 있다.
- Kanda, J, and Adachi, T.(2001)가 제안한 신뢰성 해석으로 산정된다.
- 안벽구조물의 VE/LCC 분석을 위한 성능평가의 절차는 먼저 성능평가 항목을 선정하고 AHP기법(Saaty, 1980)에 의해 가중치를 산정한 후에 성능점수를 산정하는 단계로 진행되었으며, 그림 1에 정리하였다.
- 본 연구에서는 안벽구조물의 현재 상태 및 미래상태의 유지관리전략을 결정하기 위한 경제성분석을 실시하는 것을 목표로 하므로 안벽구조물의 현재 상태에 따른 미래조치여부가 보다 용이한 구조성능함수에 기초한 신뢰성지수프로파일 (Reliability Index Profile)을 적용하였다.
- 전술한 Kong, J.S., Frangopol, D.M.(2003)의 손상된 구조물에 대한 시간이력 신뢰성해석(time variant reliability Analysis)모델을 이용하여, 안벽구조물의 대안별 퍼지신뢰성지수(Rto)) 와 파괴확률(Pf)을 계산한 결과를 표 7에 정리하였다
- 또한 성능평가 기준항목에 대한 중요도를 바탕으로 AHP (Analytic Hierarchy Process)기법을 사용하여 가중치를 산정하였으며, 그 결과를 표 9 및 그림 6에 정리하였다.
성능/효과
- 이와 같은 점을 보완하고자 본 연구에서는 안벽구조물의 계획 및 설계에 있어 사전 열화성능 차원의 설계를 수행하도록 유도하기 위하여 퍼지신뢰성 이론에 기초한 확률론적 VE/LCC 분석모델을 제안하였으며, 제안된 분석모델의 신뢰성과 활용성을 향상시키기 위한 측면에서 실제 대상 구조물에 적용하였다 특히 퍼지 신뢰성이론에 기초한 확률론적 VE/LCC 분석방법은 구조물의 열화성능을 고려한 확률적 불확실성을 포함하는 생애주기 비용 분석을 수행할 수 있고, 가치분석에 필요한 정량적 또는 객관적으로 표현하기 어려운 정보를 객관화시킬 수 있는 특징을 지니고 있다.
- 표 10 및 그림 7에서 보는 바와 같이 대안별 성능평가 결과 대안 1=82.83, 대안3=82.12, 원안=78.21 및 대안2=78.13의 순서로서 대안1의 성능점수가 가장 높게 분석되었다.
- )로 검증할 수 있으며, Satty는 C, R의 값이 10%이내인 경우에 쌍대비교 분석결과 가중치의 일관성에 무리가 없는 결과임을 말하고 있다. 표 9 및 그림 6어서와 같이 AHP분석에 의한 품질모델 산정결과는 내구성, 안정성, 이용성, 연계성, 유지관리성, 환경성, 시공성 및 경제성의 가중치가 각각 12%, 21%, 12%, 21%, 13%, 7%, 7% 및 7%이고, =8.023, 0.1=0.0036, C.R=0.0027로 분석결과의 일관성을 유지하고 있음을 알 수 있었다.
- 표 11 및 표 12에서 보는 바와 같이 안벽구조물의 VE/LCC 분석에 따른 가치점수가 대안1, 대안2, 원안 및 대안3안의 순으로 각각 106.04점, 92.58점, 87.59점 및 76.85점으로 분석되었으며, 가치향상지수는 대안3의 최소치 대비 대안1= 37.96%, 대안 2=20.43%, 원안=13.94%로 각각 향상된 것으로 분석되었다.
- 안벽구조물의 형식 선정 시에 퍼지신뢰성해석에 기초한 확률론적 VE/LCC 분석을 수행한 결과 대안1이 모든 대안에 비해 LCC측면에서 월등히 유리할 뿐만 아니라 성능면에서도 유리하게 나타났다. 따라서 최종적인 안벽구조물의 VE/LCC 분석 결과 가장 유리한 대안으로 대안1을 설계 제안할 수 있게 된다.
- 0배)의 순으로 분석되었다. 또한 대안별 경제성평가(ECI)는 대안 1(ECI= 26.89%), 대안 2(ECI=21.03%), 원안 (ECM6.45%) 및 대안3(ECI=0.0%)의 순으로 분석되었다.
- (1) 안벽구조물의 형식선정을 위한 VE/LCC 분석에서 보다 체계적인 비용항목 분류를 통한 생애주기비용의 산정과 AHP 기법을 활용한 성능평가를 통해 비용과 성능면에서 가장 유리한 최적 대안을 선정할 수 있었다.
- (2) 퍼지신뢰성해석에 따라 안벽구조물의 생애주기 동안의 유지관리비용과 파괴손실비용까지 포함한 LCC를 산정하여 가치분석을 수행함으로서 기존의 확정론적 VE/LCC 분석 방법보다 과학적이고 합리적인 유지관리전략을 고려한 설계대안을 선정할 수 있었다.
- 표 14의 대안별 유지관리전략 분석결과의 각종 지수 값을 종합 분석해 보면, 대안1의 결과가 유지관리전략 측면에서 가장 유리하게 도출되고 있으며, 이러한 분석을 통하여 보다 합리적인 유지관리전략을 세울 수 있을 뿐만 아니라 경제적 측면의 가치 창출을 도모할 수 있을 것으로 판단된다.
후속연구
- 안벽구조물의 설계 및 VE/LCC 분석에서 엔지니어가 고려해야 할 가장 중요한 사항으로는 설계규정을 만족하는 구조물의 안전성과 사용성이며, 추가적으로 내구성 및 부수적인 기능을 만족하도록 해야 할 것이다. 다만 이러한 설계조건들은 반드시 비용적인 면을 고려해야 하며 최소한의 비용을 이용하여 구조 성능적인 면을 만족하기 위한 검토가 반드시 필요하다.
- 따라서 퍼지신뢰성해석에 따라 안벽구조물의 생애주기 동안의 직접손실비용(유지관리비용)과 간접손실비용(파괴손실비용) 까지 포함한 LCC를 산정하여 가치분석을 수행함으로서 기존의 확정론적 VE/LCC 분석 방법보다 과학적이고 합리적인 유지관리전략을 고려한 설계 대안을 선정할 수 있을 것으로 판단된다.
- (3) 안벽구조물의 생애주기비용 산정과 가치분석의 실무 적용에 있어 이론적 모델과 표준지침 및 소프트웨어 등이 정립되어있지 않기 때문에 분석자에 따라 일관성과 전문성에 한계를 나타내는 문제점을 본 연구모델의 발전을 통해 보완해 나갈 수 있을 것으로 판단된다.
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