[논문]고속철도 강교량의 부식 피로신뢰성 기반 생애주기비용 분석

조효남; 전홍민; 선종완; 윤만근

고속철도 강교량의 부식 피로신뢰성 기반 생애주기비용 분석
Corrosion Fatigue Reliability-Based Life Cycle Cost Analysis of High-Speed Railway Steel Bridges 원문보기

한국철도학회 논문집 = Journal of the Korean Society for Railway, v.11 no.1 = no.44, 2008년, pp.107 - 113

조효남 (한양대학교 건설환경시스템공학과) , 전홍민 (금호건설 기술연구소) , 선종완 (한양대학교 토목공학과) , 윤만근 (한양대학교 토목공학과, 삼성물산 토목사업본부)

초록
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최근 생애주기비용 분석이 사회기반 시설물 경제성 평가 분야의 필수적 방법으로 대두됨에 따라 체계적이고 합리적인 방법으로 각 시설물의 생애주기비용을 산정하기 위한 노력이 진행되고 있다. 합리적인 생애주기비용 분석을 위해서는 초기비용 뿐만 아니라 유지관리 비용의 예측이 필요하나 국내에서는 고속철도 구간에 강교량을 가설한지 얼마 되지 않았기 때문에 이에 대한 유지관리 특성 등을 파악하고 있지 못한 실정이다. 이에 본 연구에서는 고속철도 소수주형교의 계측데이터와 Rahgozar 등이 제안한 부식열화를 고려한 피로강도감소계수 및 Miner 손상누적법칙을 이용하여 강교량의 주된 열화의 요인이 되는 부식과 피로의 손상을 고려한 체계신뢰성해석을 실시하였다. 이 체계신뢰성 해석결과를 바탕으로 고속철도 소수주형교의 설계단계 생애주기비용 분석 모델을 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

As it recently appears that LCC (Life Cycle Cost) analysis may be considered as an essential method for economic evaluation of infrastructures. Many researches have been made to assess LCC of each facility based on reasonable methods. However, expected maintenance repair cost must be reasonably estimated to enhance the reliability of LCC analysis through systematic and rational methods. This study is intended to propose a rational approach to reliability-based LCC analysis of high-speed railway steel bridges considering lifetime corrosion and fatigue damage. However in Korea, since high speed railway steel bridges are only recently constructed, no direct statistical data are available for the account of the maintenance cost and thus their maintenance characteristics are not clear yet. In this paper, for the assessment of expected maintenance/repair cost, the fatigue system reliability analysis incorporating the corrosion effect is proposed by considering the corrosion and fatigue damage using measured data of high speed railway steel bridges. A model proposed by Rahgozar, of at for fatigue notch factor considering the corrosion effect is used in order to incorporate the corrosion effect into the fatigue strength reduction and S-N curve. Finally, the effectiveness of LCC model proposed for high-speed railway steel bridges is demonstrated by a numerical example.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 고속철도 강교량의 설계단계 경제성을 합리적이고 체계적으로 평가하기 위하여, 체계 신뢰성을 해석을 기반으로 하여 고속철도 강교 구간의 주된 열화 요인인 부식과 피로를 동시에 고려한 생애주기비용 분석 모델을 제안하였다. 이를 위해서 Miner 선형 피해 법칙과 Rahgozar et al.
본 논문에서는 고속철도 강교량의 피로와 부식을 동시에 고려할 수 있는 한계상태방정식을 제안하였으며, 체계 신뢰성 해석을 이용하여 교량의 부식과 피로로 인한 유지보수 손상 시기를 결정할 수 있은 해석 방법 및 결과를 제시하였다. 본 논문에서 제안한 고속철도 강교량의 부식피로 신뢰성 기반 생애주기비용 분석 모델은 설계단계에서의 교량의 경제성평가에 이용될 수 있을 것으로 판단된다.

가설 설정

그 중 상부공은 고속철도 소수주형교의 m당 건설단가로 산정하였으며 하부공은 교대와 교각의 기당 단가를 사용하였다. 또한 하부기초의 말뚝공사는 강관 말뚝으로 가정하여 분석하였으며 제시된 값 중 최소비용을 시용하였다. 계획비용, 설계비용, 감리비용은 엔지니어링 사업 대가 요율을 이용하여 시공비용에 대한 비율로 결정하였다.
본 논문에서는 피로부식 피로 손상에 따른 유지보수 시기를 체계신뢰성이 목표 신뢰성 지수 3.0에 미치지 못하는 시점으로 가정하고 Category 조건, 사용 Steel 조건, 환경 조건을 고려한 보수 주기를 산정하였다. Fig.
유지보수 비용의 경우 일반철도교와 고속철도교의 차이가 없을 것으로 가정하고, 국내 일반 강철도교량의 교량 이력카드와 정밀안전진단보고서를 이용하여 산정된 결과를 적용하였으며, 사용된 값은 Table 8과 같다.
논문에서는 구조물의 성능에 따라 유지보수 적용시점이결정되는 성능제어 모델을 적용하였다. 이 경우 유지보수는 구조물의 성능이 사용자가 정한 조건에 도달한 경우 수행되는 것으로 가정된다.

제안 방법

이를 위해서 Miner 선형 피해 법칙과 Rahgozar et al.[기이 제안한 부식 열화를 고려한 피로강도감소계수를 활용한 부식 피로한계 상태함수를 제시하였다. 피로한계 상태함수와 수집된 계측데이터를 활용하여 체계신뢰성해석을 수행하였으며, 이를 바탕으로 고속철도 강교의 생애주기비용 모델을 제안하였다.
또한 하부기초의 말뚝공사는 강관 말뚝으로 가정하여 분석하였으며 제시된 값 중 최소비용을 시용하였다. 계획비용, 설계비용, 감리비용은 엔지니어링 사업 대가 요율을 이용하여 시공비용에 대한 비율로 결정하였다.
고속철도 강교량의 부식, 부식-피로 기반 생애주기비용 분석을 위해 필요한 유지보수 시나리오 모델을 개발하기 위해본 논문에서는 구조물의 성능에 따라 유지보수 적용시점이결정되는 성능제어 모델을 적용하였다. 이 경우 유지보수는 구조물의 성능이 사용자가 정한 조건에 도달한 경우 수행되는 것으로 가정된다.
따라서 많은 구성요소를 가진 구조계의 파괴는 분명 구조계를 구성하는 요소들의 파괴 특성과 종류에 좌우될 것이다. 본 논문에서는 구조계를 구성하는 구성요소의 파괴와 구조계의 파괴모드 사이의 관계를 직렬체계 (series system) 로 구성하였다. 즉, 교량의 위험 부재를 경간의 중앙부(A-A)와 최대 모멘트부(C-C) 그리고 지점부 (C-C)로 선정하고 각 부재별 요소신뢰성 해석 결과를 직렬체계로 구성하고 다시 위험 부재별 해석 결과를 직렬체계로 구성하였다.
실질적인 피로 신뢰성 해석을 위하여 실제 경부고속철도 소수 주형 교의 계측데이터의 응력 이력곡선 자료를 활용하여 등가 응력을 산정하였다. 계측 대상교량의 제원은 Table 2에 나타내었으며 계측위치는 Fig.
본 논문에서는 구조계를 구성하는 구성요소의 파괴와 구조계의 파괴모드 사이의 관계를 직렬체계 (series system) 로 구성하였다. 즉, 교량의 위험 부재를 경간의 중앙부(A-A)와 최대 모멘트부(C-C) 그리고 지점부 (C-C)로 선정하고 각 부재별 요소신뢰성 해석 결과를 직렬체계로 구성하고 다시 위험 부재별 해석 결과를 직렬체계로 구성하였다. 요소신뢰성은 식 (7)과 (8)에 주어진 한계 상태방정식과 Table 1과 3에 주어진 통계모수를 이용해 위치별로 계산하였으며, 식 (9)의 uni-modal bounds를 이용하여 직렬체계의 체계 신뢰성을 산정하였다.
철도교량의 공용기간동안 발생하는 총 생애주기비용을 식 (10)과 같이 할인율을 고려하여 정식화 하였다.
[기이 제안한 부식 열화를 고려한 피로강도감소계수를 활용한 부식 피로한계 상태함수를 제시하였다. 피로한계 상태함수와 수집된 계측데이터를 활용하여 체계신뢰성해석을 수행하였으며, 이를 바탕으로 고속철도 강교의 생애주기비용 모델을 제안하였다.
해체폐기 비용은 Table 8과 같이 철거비, 재활용비, 폐기 비용으로 분류되고 철도 LCC 보고서[2]의 자료를 바탕으로 단위면적당 비용으로 산출하였다.

이론/모형

시간의 흐름에 따른 부식 효과를 고려하기 위하여 본 논문에서는 식 (5) 와 같이 Rahgozar et al.[기이 제안한 평균부식깊이(d, 에 따른 피로 강도감소계수 Kfc 를 사용하였으며, 시간에 따른 평균 부식 깊이는 Jiang and Staehle[5]가 제안한 식 (6)을 사용하였다.
소요되는 유지보수비용으로 구성된다. 관리비용은 일반적으로 연간 공사비의 1%를 책정하며, 점검/진단 비용은 시설안전기술공단μ] 기준을 사용하였다.
사용된 재료와 손상정도의 통계적 확률 특성치 중 기울기는 AASHTO LRFD 시방서에서 제안한 값을 사용하였고, 피로 강도 계수 및 누적손상지수는 Wirsching[8, 9]이 제안한 값을 변수 특성치를 사용하였으며, 이를 Table 3에 나타내었다.
시공비는 과거 예산서, 설계사 자료 및 문헌자료를 종합적으로 고려해 추정하였으며, 자세한 설명은 철도 LCC 보고서 [2] 를 참조할 수 있다. 그 중 상부공은 고속철도 소수주형교의 m당 건설단가로 산정하였으며 하부공은 교대와 교각의 기당 단가를 사용하였다.
식 (8)의 한계상태 식에 포함되어 있는 불확실변량# C 을 고려한 피로부식 피로 신뢰성해석을 위하여, 본 논문에서는 가장 일반적인 사용되는 모의실험 기법인 MCS (Monte Carlo Simulation)를 이용하였으며, 사용한 Sample 수는 1,000, 000회이다.
일반적으로 널리 사용되는 Rainflow counting 기법을 사용하여 전체 응력범위를 20등분하여 계측자료의 응력 이력 곡선의 응력범위의 각위치별 빈도수를 산출하였으며 그 예는 Fig. 5-7과 같다.

성능/효과

이는 부식과 피로를 동시에 고려하였을 경우가 피로 손상만 고려하였을 때 보다 유지보수주기가 짧고 보수 횟수가 많아 발생한 것으로 판단된다. 또한 공용수명동안 발생하는 총 생애주기비용에 비해 초기비용이 약 50%를 차지함을 확인할 수 있으며 할인율을 고려한 해체폐기비용은 전체비용에 비해 아주 낮은 비율을 차지한 것을 확인할 수 있다.
25배 줄일 수 있으나, 초기비용이 많이 소요되는 무도장 강재의 특성을 볼 때 효과가 거의 없다 할 수 있다. 반면에 해안지역의 무도장강재를 사용하는 것이 그렇지 않은 경우에 비해 유지보수횟수 측면에서 최대 20배 유리한 것을 알 수 있다.

후속연구

즉, 고속철도교량의 기존 유지보수 이력 자료가 부족하고, 유지보수비용을 산정하기 위한 전문가의 판단에 근거 역시 미약하여 피로와 부식 열화로 인한 유지보수비용을 결정하기가 어려운 경우에 교량가설환경, 사용한 강종, 설계 Category에 따른 유지보수 주기를 이용한다면, 합리적으로 생애주기비용분석을 수행할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 베이지안 기법을 이용한다면, 본 논문에서 제안된 주기는 점검 및 진단을 통해 획득한 자료를 이용하여 갱신될 수 있을 것이며, 이를 위해 향후 체계적인 데이터베이스 개발에 관한 연구가 필요하다.
제시하였다. 본 논문에서 제안한 고속철도 강교량의 부식피로 신뢰성 기반 생애주기비용 분석 모델은 설계단계에서의 교량의 경제성평가에 이용될 수 있을 것으로 판단된다. 즉, 고속철도교량의 기존 유지보수 이력 자료가 부족하고, 유지보수비용을 산정하기 위한 전문가의 판단에 근거 역시 미약하여 피로와 부식 열화로 인한 유지보수비용을 결정하기가 어려운 경우에 교량가설환경, 사용한 강종, 설계 Category에 따른 유지보수 주기를 이용한다면, 합리적으로 생애주기비용분석을 수행할 수 있을 것으로 판단된다.
본 논문에서 제안한 고속철도 강교량의 부식피로 신뢰성 기반 생애주기비용 분석 모델은 설계단계에서의 교량의 경제성평가에 이용될 수 있을 것으로 판단된다. 즉, 고속철도교량의 기존 유지보수 이력 자료가 부족하고, 유지보수비용을 산정하기 위한 전문가의 판단에 근거 역시 미약하여 피로와 부식 열화로 인한 유지보수비용을 결정하기가 어려운 경우에 교량가설환경, 사용한 강종, 설계 Category에 따른 유지보수 주기를 이용한다면, 합리적으로 생애주기비용분석을 수행할 수 있을 것으로 판단된다. 또한 베이지안 기법을 이용한다면, 본 논문에서 제안된 주기는 점검 및 진단을 통해 획득한 자료를 이용하여 갱신될 수 있을 것이며, 이를 위해 향후 체계적인 데이터베이스 개발에 관한 연구가 필요하다.

참고문헌 (9)

건설교통부/한국시설안전기술공단(2003), "안전점검 및 정밀안전 진단 세부지침"(교량)
철도시설공단, 철도교량 설계단계 생애주기비용(LCC)분석 시스템 개발 연구, 2007
AASHTO LRFD Bridge Design Specifications (2007), American Association of State Highway and Transportation Officials, Washington, D. C
Barsom, J. M. and Rolfe, S. T. (1999). Fracture and Fatigue Control in Structures: Applications of Fracture Mechanics, 3rd Edition, Butterworth -Heinemann, Massachusetts, USA
Jiang, X. C. and Staehle, R. W. (1997), "On the activation energy in the chemical-mechanical correlation model", Corrosion, Vol.53, No.11, pp.869-879

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Kayser, J. R. (1988), The effects of corrosion on the reliability of steel girder bridges, PhD thesis, University of Michigan, USA
Rahgozar, R. ,Khalaghi, A. R. and Javanmardi, R. (2006), "Fatigue notch factor in steel bridges due to corrosion", 7th International Congress on Civil Engineering, Tehran, Iran, on-line paper
Wirsching, P. H. (1984). "Fatigue Reliability for Offshore Structures." Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol.110, No.10, pp.2340-2356

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Wirsching, P. H. and Chen, Y. N. (1987). "Fatigue Design Criteria for TLP Tendons." Journal of Structural Engineering, ASCE, Vol.113, No.7, pp.1398-1414

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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