국제 설계규준의 변화로 다양한 신뢰성 설계기법(절차)이 개발되어 있으나, 기존의 결정론적 설계에 익숙한 기술자가 사용하기 적합한 가시환경 신뢰성 해석 프로그램의 개발은 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 신뢰성 설계 종사자가 보다 효율적으로 설계를 수행하고, 보다 개선된 작업환경에서 수월하게 설계인자 정보를 입력하여 해안구조물의 신뢰성 설계를 가능하도록 하는 GUI 환경 설계프로그램을 개발하였다. GUI 환경은 최근 Matlab 7.1 환경에서 제공하는 GUIDE (Graphic User Interface Development Environment) 도구를 이용하였다. 개발된 모델의 신뢰수준 파악을 위하여 신뢰성 설계 프로그램의 Level II, Level III 방법을 이용하여 산정한 결과 방파제 피복블럭과 중력식 안벽의 활동모드 파괴확률은 각각 55.4~55.7%, 0.0006~0.0007% 범위로 파악되었다. 기존의 설계결과에 따른 파괴확률은 피복블럭의 경우 55.6%, 중력식 안벽의 경우 0.0018% 정도로, 정확한 설계인자가 가용한 피복블럭은 본 프로그램을 이용한 경우와 정확하게 일치하고 있으나, 설계인자 정보가 부족한 중력식 안벽의 경우에는 동일한 설계 인자의 입력이 제약된 차이로 인하여 활동모드 파괴확률이 차이를 보이고 있는 것으로 판단할 수 있으나 그 파괴확률의 정도는 일치하고 있는 것으로 파악되었다.
국제 설계규준의 변화로 다양한 신뢰성 설계기법(절차)이 개발되어 있으나, 기존의 결정론적 설계에 익숙한 기술자가 사용하기 적합한 가시환경 신뢰성 해석 프로그램의 개발은 미흡한 실정이다. 본 연구에서는 신뢰성 설계 종사자가 보다 효율적으로 설계를 수행하고, 보다 개선된 작업환경에서 수월하게 설계인자 정보를 입력하여 해안구조물의 신뢰성 설계를 가능하도록 하는 GUI 환경 설계프로그램을 개발하였다. GUI 환경은 최근 Matlab 7.1 환경에서 제공하는 GUIDE (Graphic User Interface Development Environment) 도구를 이용하였다. 개발된 모델의 신뢰수준 파악을 위하여 신뢰성 설계 프로그램의 Level II, Level III 방법을 이용하여 산정한 결과 방파제 피복블럭과 중력식 안벽의 활동모드 파괴확률은 각각 55.4~55.7%, 0.0006~0.0007% 범위로 파악되었다. 기존의 설계결과에 따른 파괴확률은 피복블럭의 경우 55.6%, 중력식 안벽의 경우 0.0018% 정도로, 정확한 설계인자가 가용한 피복블럭은 본 프로그램을 이용한 경우와 정확하게 일치하고 있으나, 설계인자 정보가 부족한 중력식 안벽의 경우에는 동일한 설계 인자의 입력이 제약된 차이로 인하여 활동모드 파괴확률이 차이를 보이고 있는 것으로 판단할 수 있으나 그 파괴확률의 정도는 일치하고 있는 것으로 파악되었다.
Development of the reliability-based design program in the GUI environment is inadequate for engineers familiar with the deterministic design to deal with the international design criterion based on the probabilistic design. In this study, the design program based on the GUI environment is developed...
Development of the reliability-based design program in the GUI environment is inadequate for engineers familiar with the deterministic design to deal with the international design criterion based on the probabilistic design. In this study, the design program based on the GUI environment is developed in order to more efficiently input the design factor and more easily carry out the design works. The GUI environment is the GUIDE (Graphic User Interface Development Environment) tool supported by the latest MATALB version 7.1. In order to test the model reliability, the probabilities of failure (POF) on the breakwater armor block (AB) and gravity quay-wall (QW) in the sliding mode are computed using the model in the Level II and Level III. The POF are 55.4~55.7% for breakwater AB and 0.0006~0.0007% for gravity QW. A non-GUI environment program results of the POF are 55.6% for breakwater AB and 0.0018% for gravity QW. In comparison, the POF difference is negligible for breakwater AB because the exact input design parameters are available, whereas the large POF difference, but within the same order, for gravity QW can be explained by the difference of the input design factors because of the poor input data information.
Development of the reliability-based design program in the GUI environment is inadequate for engineers familiar with the deterministic design to deal with the international design criterion based on the probabilistic design. In this study, the design program based on the GUI environment is developed in order to more efficiently input the design factor and more easily carry out the design works. The GUI environment is the GUIDE (Graphic User Interface Development Environment) tool supported by the latest MATALB version 7.1. In order to test the model reliability, the probabilities of failure (POF) on the breakwater armor block (AB) and gravity quay-wall (QW) in the sliding mode are computed using the model in the Level II and Level III. The POF are 55.4~55.7% for breakwater AB and 0.0006~0.0007% for gravity QW. A non-GUI environment program results of the POF are 55.6% for breakwater AB and 0.0018% for gravity QW. In comparison, the POF difference is negligible for breakwater AB because the exact input design parameters are available, whereas the large POF difference, but within the same order, for gravity QW can be explained by the difference of the input design factors because of the poor input data information.
* AI 자동 식별 결과로 적합하지 않은 문장이 있을 수 있으니, 이용에 유의하시기 바랍니다.
문제 정의
본 연구에서는 신뢰성 설계 종사자가 보다 효율적으로 설계를 수행하고, 보다 개선된 작업환경에서 수월하게 설계인자 정보를 입력하여 해안구조물의 신뢰성 설계를 가능하도록 하는 GUI 환경기반 프로그램을 개발하였다. GUI 환경은 최근 Matlab 7.
제안 방법
(2002)과 홍 등(2004)은 각각 Hanzawa et al.(1996) 및 Shimosako and Takahashi(1999)의 방법을 확장하여 파향의 변동성을 고려할 수 있는 신뢰성 설계 기법을 제안하였다. 김승우(2005), 김승우 등(2005, 2006)은 동해항 방파제를 대상으로 태풍 피해 발생 전과 후의 단면에 대한 신뢰성 해석을 실시하였다.
GUI 환경은 최근 Matlab 7.1 환경에서 제공하는 GUIDE (Graphic User Interface Development Environment) 도구를 이용하였으며, 본 연구에서 개발한 GUI 기반 해안 구조물 신뢰성 프로그램의 검증을 위하여 방파제 피복블럭과 중력식 안벽의 파괴확률을 계산하여 기존의 유사한 또는 동일한(가능한 경우) 해안구조물 설계결과와의 비교·분석을 수행하였다.
Level I 기법은 부분안전계수법, Level II 기법은 대표적인 근사화 방법으로 이용되는 AFOSM 방법, Level III 기법은 Monte Carlo 모의방법에 근거하고 있다. Level 수준은 UIControl Object Group 영역에서 선택하여 GUI 환경에 접속할 수 있도록 구성하였다. 신뢰성 설계의 해석 수준을 선택하면, 신뢰성 설계를 수행하고자 하는 설계대상 해안·항만구조물을 선택하는 창이 생성된다(Fig.
본 연구에서는 GUI 기반 신뢰성 설계 프로그램의 검증을 위하여 국토해양부(2010b)에서 발간된 “중력식 안벽의 신뢰성 설계 표준서”의 중력식 안벽의 활동 파괴와 김 등(2009)에 발표된 국내 항만의 방파제 피복 블록의 파괴모드에 대한 설계결과를 이용하였다. 개발된 프로그램의 적용과정에서는 기본적인 프로그램 메인 화면 및 가시화 환경에서의 설계 수준(방법 등) 선택과정 및 설계인자 정보입력 환경과 가시화된 결과를 제시하였다. 입력프로그램 검증에 사용한 설계조건의 입력변수 정보 및 기본적인 설계 인자 정보는 각각 다음과 같다(Table 1, Table 2 참조).
본 연구에서는 GUI 기반 신뢰성 설계 프로그램의 검증을 위하여 국토해양부(2010b)에서 발간된 “중력식 안벽의 신뢰성 설계 표준서”의 중력식 안벽의 활동 파괴와 김 등(2009)에 발표된 국내 항만의 방파제 피복 블록의 파괴모드에 대한 설계결과를 이용하였다.
본 프로그램은 MATLAB 7.1 GUI(Graphical User Interface) 환경을 바탕으로 작성하였다. MATLAB 프로그램은 이미 많은 분야에서 자료를 보다 쉽게 분석할 수 있도록 그래프와 다양한 함수를 제공하는 수치해석프로그램으로써 정교한 그래프 체계를 구축할 수 있다.
본 프로그램은 신뢰성 설계의 모든 기법에 해당하는 Level I, II, III 방법을 모두 이용하여 설계가 가능하도록 구성하였다(Fig. 3 참조). Level I 기법은 부분안전계수법, Level II 기법은 대표적인 근사화 방법으로 이용되는 AFOSM 방법, Level III 기법은 Monte Carlo 모의방법에 근거하고 있다.
데이터처리
개발된 프로그램의 검증을 위하여 기수행된 설계인자 자료를 이용하여 신뢰성 해석을 수행하였다. Level I 기법의 수행을 통해 나타난 부분안전계수는 Table 3~4와 같고 구조물마다 목표 파괴확률에 따라 부분안전계수가 변하였음을 알 수 있으며, 목표파괴확률을 작게 할수록 저항요소들의 부분안전계수는 커지고 목표파괴확률을 크게 할수록 하중 요소의 값이 커짐을 알 수 있다.
성능/효과
개발된 모델의 신뢰수준 파악을 위하여 신뢰성 설계 프로그램의 Level II, Level III 방법을 이용하여 산정한 결과 방파제 피복블럭과 중력식 안벽의 활동모드 파괴확률은 각각 55.4~55.7%, 0.0006~0.0007% 범위로 파악되었다. 기존의 설계결과에 따른 파괴확률은 피복블럭의 경우 55.
0007% 범위로 파악되었다. 기존의 설계결과에 따른 파괴확률은 피복블럭의 경우 55.6%, 중력식 안벽의 경우 0.0018% 정도로, 정확한 설계인자가 가용한 피복블럭은 본 프로그램을 이용한 경우와 정확하게 일치하고 있으나, 설계인자 정보가 부족한 중력식 안벽의 경우에는 동일한 설계 인자의 입력이 제약된 차이로 인하여 활동모드 파괴확률이 차이를 보이고 있다. 그러나 파괴확률 정도는 일치하고 있기 때문에 구조물의 중요도에 따른 목표파괴확률 기준설정을 위한 자료로는 활용 가능하다고 판단된다.
MATLAB 프로그램은 이미 많은 분야에서 자료를 보다 쉽게 분석할 수 있도록 그래프와 다양한 함수를 제공하는 수치해석프로그램으로써 정교한 그래프 체계를 구축할 수 있다. 또한 그래픽 사용자 접속기(GUI) 기능을 추가하여 표준형 사용자 접속기 제어를 포함하는 향상된 GUI 환경을 제공하며, 특히 고급 명령체계(script 환경)를 기반으로 저수준(기계어에 근접한) 언어를 사용하여 구성된 GUI 프로그램보다 시간 절약 및 다양한 기능을 추가할 수 있다. GUI 접속기의 개발은 HG(handle graphics, 그래픽도구활용) 객체를 사용하여 GUI 성분객체들을 생성하고 그 성분들의 거동을 명령실행함수(callback 함수)로 정의하는 것이다.
사용자가 쉽게 접근하고, GUI 환경에서 사용하기 편리한 해안구조물의 신뢰성 해석 프로그램을 개발하였으며, 개발된 모델의 신뢰수준 파악을 위하여 신뢰성 설계 프로그램의 Level II, Level III 방법을 이용하여 산정한 결과 방파제 피복블럭과중력식안벽의활동모드파괴확률은각각 55.4~55.7%, 0.0006~0.0007% 범위로 파악되었다. 기존의 설계결과에 따른 파괴확률은 정확한 설계인자가 가용한 피복 블럭의 경우 본 프로그램을 이용한 경우와 정확하게 일치하고 있으나, 중력식 안벽의 경우에는 동일한 설계 인자의 통계적 특성을 가정하였기 때문에 기 수행 된 활동모드 파괴확률과 차이를 보이고 있으나 정도(Order)는 일치하고 있기 때문에 목표파괴확률 기준설정을 위한 자료로는 활용가능하다고 판단된다.
후속연구
향후 결과 오차를 최소화하기 위하여 명령실행함수(callback 함수)의 프로그래밍과정 등 프로그램의 개선(보완)이 필요하며, 다양한 항만 구조물에 대하여 GUI 환경에서 신뢰성 설계를 수행할 수 있도록 다양한 구조물을 추가 할 필요가 있다. 또한 한계상태함수 수립 및 다양한 기능을 내재한 도구개발도 필요할 것으로 사료된다.
향후 결과 오차를 최소화하기 위하여 명령실행함수(callback 함수)의 프로그래밍과정 등 프로그램의 개선(보완)이 필요하며, 다양한 항만 구조물에 대하여 GUI 환경에서 신뢰성 설계를 수행할 수 있도록 다양한 구조물을 추가 할 필요가 있다. 또한 한계상태함수 수립 및 다양한 기능을 내재한 도구개발도 필요할 것으로 사료된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
MATLAB 프로그램은 무엇인가?
1 GUI(Graphical User Interface) 환경을 바탕으로 작성하였다. MATLAB 프로그램은 이미 많은 분야에서 자료를 보다 쉽게 분석할 수 있도록 그래프와 다양한 함수를 제공하는 수치해석프로그램으로써 정교한 그래프 체계를 구축할 수 있다. 또한 그래픽 사용자 접속기(GUI) 기능을 추가하여 표준형 사용자 접속기 제어를 포함하는 향상된 GUI 환경을 제공하며, 특히 고급 명령체계(script 환경)를 기반으로 저수준(기계어에 근접한) 언어를 사용하여 구성된 GUI 프로그램보다 시간 절약 및 다양한 기능을 추가할 수 있다.
우리나라 직립 방파제와 사석 방파제는 어떤 방법으로 설계되어 왔는가?
우리나라 직립 방파제는 주로 Goda(1974, 2000) 공식, 사석방파제는 Hudson 공식을 이용하는 결정론적 방법으로 설계하여왔다. 최근, 결정론적 설계법의 문제점이 제시되면서 신뢰성 설계법에 대한 연구가 진행되어왔다.
결정론적 방법으로 설계되는 것의 문제점이 제시되면서 어떤 연구가 진행되었나?
우리나라 직립 방파제는 주로 Goda(1974, 2000) 공식, 사석방파제는 Hudson 공식을 이용하는 결정론적 방법으로 설계하여왔다. 최근, 결정론적 설계법의 문제점이 제시되면서 신뢰성 설계법에 대한 연구가 진행되어왔다. 이(1999)는 Level II, Level III 방법을 이용하여 경사제 피복재의 안정성에 대한 신뢰성 해석을 수행하였으며, 이(2000b,c)는 확률변수들을 정규화, 독립화시키는 복잡한 과정을 거치지 않고 경사제 피복재의 안정성에 대한 해석을 직접 수행할 수 있는 직접 계산법을 개발하였다.
참고문헌 (40)
국토해양부 (2010a). 방파제 신뢰성 설계 표준서(안) - 경사식 .케이슨식-
국토해양부 (2010b). 안벽 신뢰성 설계 표준서(안) - 중력식.잔교식-
김승우 (2005). 동해항 방파제를 대상으로 한 신뢰성 설계법의 비교연구. 서울대학교 대학원 지구환경시스템공학부 공학석사학위논문, 서울대학교, 1-148.
김승우, 서경덕, 오영민 (2005). 동해항 방파제를 대상으로 한 신뢰성 설계법의 비교 연구. 1. 피복 블록의 안정성. 한국해안.해양공학회지, 17(5), 498-509.
김승우, 서경덕, 오영민 (2006). 동해항 방파제를 대상으로 한 신뢰성 설계법의 비교 연구. 2. 케이슨의 활동. 한국해안.해양공학회지, 18(2), 137-146.
Ang, A. H-S and Tang, W.H. (2007). Probability concepts in engineering Emphasis on applications to civil and environmental engineering, John Wiley & Sons, Inc, 199-242.
van der Meer, J.W. (1988). Deterministic and probabilistic design of breakwater armor layers. J. Waterway, Port, Coastal and Ocean Engineering, ASCE, 114(1), 66-80.
Burcharth, H.F. (1992a). Reliability Evaluation of a Structure at Sea. Proc. Short Course on Design and Reliability of Coastal Structures, Proc. 23rd Int. Conf. Coastal Eng., ASCE, Venice, 597-644.
Burcharth, H.F. (1992b). Introduction of partial coefficient in the design of rubble mound breakwaters, Proc. Conf. Coastal Struct. Breakwaters, Institution of Civil Engineers, London, 543-565.
Burcharth, H.F. and Sorenson, J.D. (1998). Design of Vertical Wall Caisson Breakwaters Using Partial Safety Factors. Coastal Engineering, 12, 2138-2151.
Burcharth, H.F. and Sorenson, J.D. (1999). The PIANC Safety Factor System for Breakwaters. Coastal Structures '99, Balkema, Rotterdam, 1125-1144.
The Overseas Coastal Area Development Institute of Japan (2009). Technical Standards and Commentaries for Port and Harbor Facilities in Japan.
Goda, Y. (1974). A new wave pressure formulae for composite breakwater, Proc. 14th Int. Conf. Coastal Eng., ASCE, Copenhagen, 1702-1720.
Goda, Y. (2000). Random seas and design of maritime structures, World Scientific.
Lee, C.-E. and Kwon, H.J. (2009). Reliability analysis and evaluation of partial safety factors for random wave overtopping. KSCE J. of Civil Engineering, 13(1), 7-14.
Suh, K.D., Kweon, H.-M. and Yoon, H.D. (2002). Reliability design of breakwater armor blocks considering wave direction in computation of wave transformation. Coastal Eng. J., 44(4), 321-341.
Hanzawa, M., Sato, H., Takahashi, S., Shimosako, K., Takayama, T. and Tanimoto, K. (1996). New stability formula for wave-dissipating concrete blocks covering horizontally composite breakwaters. Proc. 25th Int. Conf. Coastal Eng., ASCE, Orlando, 1665-1678.
Shimosako, K. and Takahashi, S. (1999). Application of deformation- based reliability design for coastal structures. Proc. Int. Conf. Coastal Struct., 1999, A.A. Balkema, Spain, 363-371.
Melby, J.A. and Mlakar, P.F. (1997). Reliability assessment of breakwaters, TR CHL-97-9, U.S. Army Engineer Waterways Experiment Station, Vicksburg, MS.
AI-Helper
※ AI-Helper는 부적절한 답변을 할 수 있습니다.