[논문]강재 교량의 노후화에 따른 확률적 보수.보강 주기 추정에 관한 연구

김현배; 김용수

[국내논문] 강재 교량의 노후화에 따른 확률적 보수.보강 주기 추정에 관한 연구
A Study on the Estimation of Probabilistic Repair.Reinforcement Cycles from Rating Curve of Steel Girder Bridges 원문보기

한국건설관리학회논문집 = Korean journal of construction engineering and management, v.10 no.2 = no.48, 2009년, pp.102 - 110

초록
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교량구조물의 유지관리비용은 크게 증가하는 추세이며 이에 대한 교량의 점검은 많은 비용뿐만 아니라 시간과 노력이 소요된다. 따라서 사전에 교량의 보수 또는 보강이 필요한 시점을 파악하고 그 주기를 예측하는 것은 비용의 절감뿐만 아니라 교량 구조물에 대한 안전성을 확보하는데 크게 도움이 된다. 따라서 본 연구에서는 강박스 도로교량에 대한 신뢰성 있는 보수 또는 보강 주기를 추정하기 위하여 노후화에 따른 기존의 성능등급 곡선을 우선적으로 분석하였다. 이를 바탕으로 보수보강 확률함수를 정의하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 확률적으로 보수보강 주기를 추정하는 독자적인 방법을 정립하여 제시 하였다. 또한 결과에 대한 통계적 분석을 통하여 신뢰성을 검증하였으며 강박스 도로교량에 대한 통계자료에서 얻어진 보수 또는 보강 주기와 그 결과가 유사하였다. 본 연구에서 얻어진 결과는 강재 교량 구조물에 대한 신뢰성 있는 보수 또는 보강 주기를 예측하는데 크게 기여할 것으로 판단된다.

Abstract ▼ AI-Helper

The cost for maintenance of bridge structures such as repair or reinforcement is increasing. In addition, the efforts for inspection of bridge structures is becoming more important since the proper repair or reinforcement should be performed to save the maintenance cost and ensure the safety for public infrastructure. Therefore, it is studied on this paper to estimate the repair or reinforcement cycles using probabilistic approach for the steel-box girders of bridge superstructure. In addition, a computer simulation program is uniquely developed based on probabilistic approach to calculate the cycles derived from the function of age of bridge and performance rating curve which were previously studied. In order to ensure the reliability of results and appropriateness of the model, statistical analyses were performed. Also, the results were compared and proved to be similar with ones from previous statistical data related to the repair or reinforcement cycles. The results from this study is expected to be useful for the determination of proper time to repair or reinforce the bridge structure and raise the safetyness of bridge structure in advance.

Keyword

AI 본문요약
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문제 정의

따라서 본 연구에서는 강박스 거더 교량에 대한 노후화를 고려하여 확률적으로 보수 또는 보강 주기를 판단하는 알고리즘을 개발하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 그 주기를 추정하는 독자적인 확률적 보수보강 주기추정 모델을 개발하는 한편, 이 모델의 신뢰성을 검증하는데 본 연구의 주요 목적을 두었다.
본 연구에서는 교량의 성능 등급 곡선에 지배되는 확률적 보수 또는 보강 주기 함수를 도출하였다. 즉 교량의 자연적인 노후화에 따른 성능 등급 곡선에 따라서 보수 또는 보강이 이루어질 확률이 높다는 사실에 근거하여 그 주기를 확률적으로 추정하는 함수식을 다음과 같이 정의하였다.
이 알고리즘에서는 30년을 기준으로 반복적인 작업을 하는데 먼저 앞에서 정의된 교량의 성능등급 및 보수보강 확률값을 산정한다. 그리고 난수를 발생시켜 계산된 확률값과 난수와의 비교를 통하여 보수보강 실시 여부를 판단하게 되는 것이다.
본 연구에서 도출한 보수 또는 보강 주기 추정법의 신뢰성에 관하여 검토하였다. 결과에 대한 충분한 신뢰성을 확보하기 위하여 1년부터 30년까지 보수 또는 보강이 발생하는 주기를 산정하는 시뮬레이션을 총 10,000회 수행하였다.
본 연구에서는 교량의 유지관리비용을 절감하고 교량의 안정성을 확보할 수 있도록 보수 또는 보강 주기를 추정하는 독자적인 모델을 개발하고 그 신뢰성을 검증코자 하였다.

가설 설정

여기서 보수보강이 실시되는 경우는 교량의 성능 등급과 관련된 기존의 연구⁷⁾에 근거하여 교량의 성능 등급이 한 등급 상향되는 것으로 가정을 하였다. 단 여기서 상향된 등급값은 교량의 건전성이 100% 확보되는 등급인 5.

제안 방법

교량구조물은 구조물의 수명기간에 걸쳐서 시간이 지남에 따라서 그 성능이 점차적으로 감소하게 되고 최종적으로 폐기 된다. 따라서 본 연구에서는 시간이 지남에 따라서 보수 또는 보강이 발생할 확률이 높아진다는 사실에 근거하여 기존 교량의 상태평가와 성능등급을 통하여 성능등급곡선을 정밀 분석하였다.
이에 따라 강재교량 상부구조물의 거더를 중심으로 보수 또는 보강 함수를 정의하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 독자적인 확률적 보수보강주기를 도출하는 것을 연구의 범위로 설정하였다. 이를 위한 방법으로 보수 또는 보강 주기를 판단하는 알고리즘을 개발하고 보수 또는 보강 주기를 추정하는 모델을 개발 정립하였다. 한편 확률적 보수 또는 보강 주기는 마이크로소프트의 엑셀 스프레드시트를 이용한 컴퓨터 시뮬레이션의 반복적 수행을 통하여 산정하였다.
이를 위한 방법으로 보수 또는 보강 주기를 판단하는 알고리즘을 개발하고 보수 또는 보강 주기를 추정하는 모델을 개발 정립하였다. 한편 확률적 보수 또는 보강 주기는 마이크로소프트의 엑셀 스프레드시트를 이용한 컴퓨터 시뮬레이션의 반복적 수행을 통하여 산정하였다.
보수 또는 보강이 발생할 확률(%)이 사용연한의 함수로 정의되었다. 이 확률적 함수를 사용하여 보수 또는 보강을 판단하고 주기를 산정하기 위해서 본 연구에서는 엑셀 스프레트 시트⁶⁾를 이용한 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다.
이 시뮬레이션에서는 보수 또는 보강이 일어났는지에 대한 판단을 하기위하여 컴퓨터에서 무작위로 발생하는 난수가 사용되었다. 이 난수는 0부터 1사이의 값으로서 그 발생횟수를 무한히 하였을 때 각 값에 대한 발생빈도는 동일한 것으로 알려져 있다.
이러한 일련의 과정을 컴퓨터에서 반복적으로 수행하기 위하여 그림 6과 같이 확률적 보수보강 주기 추정법의 알고리즘을 개발하였다.
본 연구에서는 이러한 확률적 보수 또는 보강 주기의 산정을 위하여 마이크로소프트의 엑셀 스프레드시트를 사용하였으며 그림 9에서와 같이 반복적인 시뮬레이션을 단시간에 수행할 수 있어 효율성과 정확성을 제고할 수 있게 하였다.
본 연구에서 도출한 보수 또는 보강 주기 추정법의 신뢰성에 관하여 검토하였다. 결과에 대한 충분한 신뢰성을 확보하기 위하여 1년부터 30년까지 보수 또는 보강이 발생하는 주기를 산정하는 시뮬레이션을 총 10,000회 수행하였다.
첫째, 강재 거더 교량구조물의 보수 또는 보강 주기를 확률적으로 추정하는 독자적인 방법을 정립하여 제시하였다. 이 추정법은 노후화를 고려한 기존의 교량구조물이 가지는 성능곡선에 근거하여 보수보강 확률함수의 정의와 주기 추정 알고리즘을 개발하여 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 도출하였다.
첫째, 강재 거더 교량구조물의 보수 또는 보강 주기를 확률적으로 추정하는 독자적인 방법을 정립하여 제시하였다. 이 추정법은 노후화를 고려한 기존의 교량구조물이 가지는 성능곡선에 근거하여 보수보강 확률함수의 정의와 주기 추정 알고리즘을 개발하여 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 도출하였다.
이에 따라 강재교량 상부구조물의 거더를 중심으로 보수 또는 보강 함수를 정의하고 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 독자적인 확률적 보수보강주기를 도출하는 것을 연구의 범위로 설정하였다. 이를 위한 방법으로 보수 또는 보강 주기를 판단하는 알고리즘을 개발하고 보수 또는 보강 주기를 추정하는 모델을 개발 정립하였다.
이를 위하여 강재교량 상부구조물의 거더를 중심으로 보수 또는 보강 함수를 정의하고 보수보강 주기 추정 알고리즘을 개발 하여 반복적 컴퓨터 시뮬레이션을 수행하였다. 이러한 과정을 거쳐 연구한 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

데이터처리

또한 확률적 보수 또는 보강 주기를 유사한 교량 형식에 대한 기존의 자료와 결과를 비교하고, 통계적 분석을 통하여 그 신뢰성을 검증하였다. 연구의 범위와 방법을 요약정리하면 그림 1의 연구의 흐름도와 같다.

성능/효과

도로시설물 유지관리 기본계획 종합보고서를 참조하면 다음의 표 4와 같이 진단대상 교량 중 강교의 총 경간수에 대한 각 손상유형의 경간비와 강재 주형의 손상이 발견된 각 경간에 대하여 해당 손상현황이 차지하는 손상분포율을 보여주고 있다. 강재주형 손상의 원인은 전체 강재 주형 손상중에 부식에 의한 손상과 볼트이완 ∙ 탈락에 의한 손상이 차지하는 비율이 각각 91.3%와 49.5%로서 상부구조가 강재주형인 경간의 대부분은 부식에 의해서 손상이 발생됨을 알 수 있다.
이렇게 얻어진 시뮬레이션 결과를 그래프로 나타내면 그림 10과 같다. 그래프에서 알 수 있듯이 30년 동안 1차 보수 또는 보강이 발생한 연도는 평균값을 중심으로 거의 좌우대칭을 이루고 있으며 2차 보수 또는 보강이 발생한 연도는 30년에 가까울수록 증가하는 형태를 보이고 있다.
얻어진 데이터에 대한 통계적 분석을 수행한 결과 1차 보수 또는 보강이 발생한 연도는 평균 13.90년이며 5%의 유의수준에서 그 범위는 13.79년째 해부터 14.02년이었다.
또한, 평균값인 13.90년을 중심으로 좌우대칭의 정규분포에 가까운 분포형태를 나타내고 좌우 대칭을 이루고 있으므로 13.90년에 1차 보수 또는 보강이 발생한다는 사실에는 신뢰성이 있는 것으로 판단되었다.
04년째에 발생을 하였다. 또한, 1차, 2차, 3차 및 4차 보수가 10,000회의 시뮬레이션에서 발생한 횟수는 9,984회, 6,640회, 275회 및 11회로서 차수가 증가할수록 현저히 감소함을 알 수 있다.
이를 확률적으로 나타내면 그림 11과 같이 30년 동안 1차 보수 또는 보강이 발생할 확률은 99.84%, 2차 보수는 66.40%, 그리고 3차 보수는 2.75%로서 그 발생빈도가 매우 낮았다.
5년째에 발생을 한다는 사실이 연구에 의해 밝혀진 바 있다.⁸⁾ 따라서 본 연구에서 도출한 확률적 보수 또는 보강주기 추정법은 10,000회 이상의 시뮬레이션을 거칠 때 평균값을 중심으로 정규분포를 나타내며 유사한 교량의 실적데이터에 근거한 보수 또는 보강 주기와 유사하므로 그 결과에 대한 신뢰성은 확보된 것으로 판단된다.
기존의 통계적인 방법은 장기간에 걸쳐서 축적된 데이터와 그에 대한 분석이 필수적이었다. 그러나 본 연구에서 얻어진 추정법을 이용할 경우 간단한 컴퓨터 시뮬레이션을 통하여 교량의 보수 또는 보강 주기를 확률적으로 산정할 수 있는 큰 장점이 있다.
둘째, 결과에 대한 신뢰성을 확보하기 위하여 기존의 형식과 유사한 고속도로 교량의 통계치에서 나타나는 보수 또는 보강 주기와 비교할 때 정립된 추정법에 의하여 산정된 보수 또는 보강 주기는 일치하였다. 또한 10,000회에 이르는 시뮬레이션을 통하여 주기의 분포는 평균값을 중심으로 정규분포를 나타내므로 추정된 결과에 대한 신뢰성이 있는 것으로 나타났다.

후속연구

본 연구에서 정립한 확률적 보수보강주기 추정법은 강재 교량 구조물에 대하여 신뢰성 있는 보수 또는 보강주기를 예측함으로써 교량에 대한 보수시기를 제시하고 나아가 유지관리비용을 절감하는데 크게 도움이 될 것이다.
그러나 향후의 연구에서는 교량의 주요 부재인 거더 뿐만 아니라 상판, 신축이음 등을 포함하는 교량 구조물에 대하여 그 적용을 확대하는 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	보수란?	성능등급이 가장 나쁜 1인 경우, 그 교량은 심각한 손상을 입었음을 나타내며 통행제한이 필요하고 보수 또는 보강이 즉각적으로 이루어져야 함을 의미한다. 보수란 손상된 부위를 고쳐서 원래의 기능을 회복시키는 작업으로서 시설물에 대한 안전점검 및 정밀안전진단과 같은 작업을 통하여 교량의 손상상태에 대한 분석을 하고 그 수행 여부를 판단하게 된다.
	성능등급이 1이라는 것은 무엇을 의미하는가?	성능등급이 가장 나쁜 1인 경우, 그 교량은 심각한 손상을 입었음을 나타내며 통행제한이 필요하고 보수 또는 보강이 즉각적으로 이루어져야 함을 의미한다. 보수란 손상된 부위를 고쳐서 원래의 기능을 회복시키는 작업으로서 시설물에 대한 안전점검 및 정밀안전진단과 같은 작업을 통하여 교량의 손상상태에 대한 분석을 하고 그 수행 여부를 판단하게 된다.
	강재교량이 사용연한이 25년 이상을 초과하게 되도 그 성능등급은 초기 시공이 이루어진 직후 급격하게 떨어지지 않는 이유는?	그러나 대부분의 경우 교량은 그림 3과 같은 성능곡선을 나타내게 되지 않는다. 그 이유는 교량의 공용수명을 연장시키고 공공시설물에 대한 안전을 확보하기 위하여 보수∙보강 또는 교체 등의 행위를 통하여 구조물의 안전수준을 유지하기 때문이다.

참고문헌 (7)

건설교통부, '강교량의 최적설계와 경제적 유지관리를 위한 Life Cycle Cost 분석 기법 및 시스템 개발', 2004
건설교통부, '도로시설물 유지관리 기본계획 종합보고서', 2003
건설교통부, "교량관리시스템의 성능개선에 관한 연구", 1999
건설교통부, '유지관리를 고려한 교량의 설계 및 시공지침', 2001
Ang, A., Lee, J. C and Pires, J. A., 'Cost Effectiveness Evaluation of Design Criteria', Proceedings of International Workshop on Optimal Performance of Civil Infrastructure Systems, 1997
De Brito, J. and Branco, F.A., 'Road Bridges Functional Failure Costs and Benefits', Canadian Journal of Civil Engineering, 1998

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Ramey and Wright, 'Bridge Deterioration Rates and Durability/Longevity Performance', Practice Periodical on Structural Design and Construction, 1997

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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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