[논문]생애주기비용을 이용한 잔교식 안벽의 신뢰도지수 최적화

김동현; 윤길림

doi:10.9765/kscoe.2011.23.6.422

생애주기비용을 이용한 잔교식 안벽의 신뢰도지수 최적화
Reliability Index Optimization for Pier Type Quay Walls Using Life Cycle Cost 원문보기

한국해안·해양공학회논문집 = Journal of Korean Society of Coastal and Ocean Engineers, v.23 no.6, 2011년, pp.422 - 428

김동현 (군산대학교 해양건설공학과) , 윤길림 (한국해양연구원 연안개발에너지연구부)

초록
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잔교식 안벽의 생애주기비용(Life Cycle Cost, LCC)을 이용하여 신뢰도지수의 최적값을 구하였다. 응답면 기법을 이용한 신뢰성해석을 통해 횡잔교와 돌제식 잔교의 파괴확률을 산정하였다. 파괴확률은 잔교의 파괴 시 복구비용을 산출하는데 활용하였으며 초기공사비와 유지관리비를 모두 고려한 LCC를 최소화시킬 수 있는 신뢰도지수를 찾았다. 지진하중과 접안하중에 대한 다양한 조건에서의 최적 신뢰도지수를 구하였고 이를 통해 신뢰성설계에 사용할 수 있는 목표신뢰도지수를 제안하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Optimal reliability indices were found by optimizing life cycle cost(LCC) of pier type quay walls. Failure probability of pier and shore bridge were calculated by response surface method. Then, they were used to obtain recovery cost after damage. Costs for initial construction and maintenance were also considered in finding optimal reliability indices. Target reliability indices which may be used in reliability based design were suggested by numerical examples under seismic load and ship load.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이 방법은 항만구조물의 초기공사비와 유지관리비 및 자연재해에 시 복구 및 재시공 비용을 모두 고려하므로 경제적 측면에서 최선의 선택이 될 수 있다. 본 연구에서는 항만구조물 중에서도 잔교식 안벽구조물의 목표신뢰도지수를 결정함에 있어 두 번째 방법인 생애주기비용 최적화 방법을 적용하고자한다.
항만구조물의 신뢰성설계는 외력 및 저항변수에 포함된 불확실성을 설계에 반영하여 일정수준 이상의 신뢰성이 확보된 구조물을 설계하기 위한 것이다. 이 때 목표로 하는 신뢰도지수의 수준을 설정하는 문제는 다양한 측면의 고려가 있어야 한다.

가설 설정

지진계수, 수평지반반력계수, 항복응력 등의 확률분포는 직항식 잔교와 동일하게 적용하였으며 지반조건은 단단한 토사지반(S_D)을 적용하였다. 원설계의 강관파일두께(1.6 cm)로 시공되었을 때의 초기 공사비를 100.0으로 가정하여 비용을 계산하였으며 신뢰도지수에 따른 초기공사비 및 LCC변화는 Fig. 9과 같다. 초기건설비에 대한 복구비용의 비율(k_f)에 따른 최적신뢰도지수는 각각 3.
구조물의 신뢰도 수준을 변화시키기 위하여 강관파일의 두께를 달리하였다. 지진계수는 1000년 재현빈도의 크기가 0.11인 극치분포를 사용하였으며 지반조건은 단단한 토사지반(S_D)으로 가정하였다. 인플레이션율과 할인율은 지난 10년간의 평균을 사용하여 각각, 0.

제안 방법

돌제식 및 횡잔교에 대한 실물 모델을 이용하여 확률변수에 의한 파괴확률을 구하고 파괴시 복구비용 계산에 이용하였다. LCC는 초기공사비, 유지관리비 및 파괴시 복구비용을 모두 합한 비용으로 계산하였으며 현재가치화법을 적용하여 동일시점에서의 비용으로 환산한 후 최적화를 수행하였다. 해석결과 LCC를 최적화할 수 있는 신뢰도지수는 지진하중에 대해서는 최소 3.
돌제식 잔교의 LCC분석을 수행하였다. 구조물의 신뢰도 수준을 변화시키기 위하여 강관파일의 두께를 달리하였다. 지진계수는 1000년 재현빈도의 크기가 0.
신뢰성해석에는 FORM과 응답면기법을 적용하였으며 중요도 추출법으로 해석의 정확성을 검증하였다. 돌제식 및 횡잔교에 대한 실물 모델을 이용하여 확률변수에 의한 파괴확률을 구하고 파괴시 복구비용 계산에 이용하였다. LCC는 초기공사비, 유지관리비 및 파괴시 복구비용을 모두 합한 비용으로 계산하였으며 현재가치화법을 적용하여 동일시점에서의 비용으로 환산한 후 최적화를 수행하였다.
돌제식 잔교 및 횡잔교에 대한 LCC 최적화를 수행하였으며 지진하중 및 접안하중에 대한 최적 신뢰도지수를 구하였다. 신뢰성해석에는 FORM과 응답면기법을 적용하였으며 중요도 추출법으로 해석의 정확성을 검증하였다.
돌제식 잔교의 LCC분석을 수행하였다. 구조물의 신뢰도 수준을 변화시키기 위하여 강관파일의 두께를 달리하였다.
이들의 연구에서는 구조물의 파괴확률을 추정함에 있어 구조해석기법을 사용하였다. 본 연구에서는 잔교식안벽을 대상으로 응답면기법에 기반한 신뢰성해석을 수행하고 이를 생애주기비용 최소화기법에 접목시켜 최적신뢰도지수를 산정하였다. 수치해석에서는 돌제식 잔교와 횡잔교를 이용하였으며 지진하중과 접안하중에 대한 최적신뢰도지수를 산정하였다.
본 연구에서는 잔교식안벽을 대상으로 응답면기법에 기반한 신뢰성해석을 수행하고 이를 생애주기비용 최소화기법에 접목시켜 최적신뢰도지수를 산정하였다. 수치해석에서는 돌제식 잔교와 횡잔교를 이용하였으며 지진하중과 접안하중에 대한 최적신뢰도지수를 산정하였다.
8와 같은 사항식 횡잔교를 해석하였다. 지진계수, 수평지반반력계수, 항복응력 등의 확률분포는 직항식 잔교와 동일하게 적용하였으며 지반조건은 단단한 토사지반(S_D)을 적용하였다. 원설계의 강관파일두께(1.

대상 데이터

신뢰성설계 사례로 Fig. 2와 같은 단면을 가지는 돌제식 잔교 구조물을 사용하였다. 이 구조물은 횡방향 4개와 종방향 18개, 총 72개의 강관파일로 구성된 직항식 구조물로서 약최저저조위 아래 27.
2와 같은 단면을 가지는 돌제식 잔교 구조물을 사용하였다. 이 구조물은 횡방향 4개와 종방향 18개, 총 72개의 강관파일로 구성된 직항식 구조물로서 약최저저조위 아래 27.2 m의 암반층까지 시공되며 상판으로는 철근콘크리트가 사용되었다. 그리고 상판 양단에는 방충재 설치가 가능하도록 철근콘크리트 구조물을 상판과 연결하였다.

데이터처리

돌제식 잔교 및 횡잔교에 대한 LCC 최적화를 수행하였으며 지진하중 및 접안하중에 대한 최적 신뢰도지수를 구하였다. 신뢰성해석에는 FORM과 응답면기법을 적용하였으며 중요도 추출법으로 해석의 정확성을 검증하였다. 돌제식 및 횡잔교에 대한 실물 모델을 이용하여 확률변수에 의한 파괴확률을 구하고 파괴시 복구비용 계산에 이용하였다.

이론/모형

검증을 위해 중요도추출법을 이용하여 Level III 신뢰성해석을 수행하였다(김 등, 2009). 2000회의 해석 후 Fig.
잔교식 안벽의 신뢰성해석은 Level II 방법의 일종인 FORM(First Order Reliability Method)을 적용하였다. 이 방법은 표준확률변수 공간에서 일차근사화된 한계상태함수가 만드는 파괴면에서 원점까지의 거리를 이용하여 신뢰도지수를 추정하며 신뢰도지수를 다음 식으로 표현한다(Ang and Tang, 1975).

성능/효과

FORM을 이용하여 정적 지진하중에 대한 신뢰성 해석을 수행한 결과 신뢰도지수가 Fig. 3과 같이 2회 반복 후에 수렴하였으며 그 값은 3.4473이었다.
162로 달라진다. 즉, 지반조건이 열악해질수록 연약지반에 의한 지진의 증폭이 초기공사비의 증가를 초래하고 결과적으로 최적 신뢰도지수도 감소하게 된다.
5)으로 나타났다. 지진으로 인한 재해가 커서 복구비용이 증가할수록 목표신뢰도지수가 커지는 것을 확인하였다. 즉, 지진으로 인한 복구비용이 크게 예상될수록 처음부터 안전하게 짓는 것이 LCC를 줄이는 방법으로 보인다.
LCC는 초기공사비, 유지관리비 및 파괴시 복구비용을 모두 합한 비용으로 계산하였으며 현재가치화법을 적용하여 동일시점에서의 비용으로 환산한 후 최적화를 수행하였다. 해석결과 LCC를 최적화할 수 있는 신뢰도지수는 지진하중에 대해서는 최소 3.0, 접안하중에 대해서는 최소 3.8을 적용하는 것이 타당한 것으로 확인되었다. 물론 최적 신뢰도지수라는 것은 적용모델과 지진 조건 등의 다양한 변수에 영향을 받기 때문에 경우에 따라서는 본 연구에서 제안한 신뢰도지수와 다소 차이가 발생할 수 있다.

후속연구

8로 정할 수 있다. 그러나, 이 값은 특정 잔교에 대한 분석 결과이므로 다른 잔교의 설계에 직접 적용하기보다 여기서 제시된 값을 참고하되 설계하고자 하는 항만지역의 현재 신뢰도수준을 구체적으로 파악하고 가정된 단면의 초기공사비용을 기준으로 LCC에 기초한 최적파괴확률을 산정하여 이들을 비교함으로써 목표파괴확률을 결정함이 바람직할 것이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	응답면이란 어떤 면을 말하는가?	이와 같이 음함수로 정의된 한계상태함수를 양함수로 변환하여 신뢰도지수를 구하는 해석법이 이른바 응답면기법(response surface method)이다(Haldar and Mahadevan, 2000). 응답면이란 구조물의 거동을 표현하는 미소구간의 특정 응답을 구조해석으로부터 구하고 이를 설계변수의 저차함수로 근사화한 면을 말한다. 응답면을 구하면 FORM을 그대로 적용하여 신뢰도지수를 구할 수 있으므로 교량, 건축물 등 유연구조물의 신뢰성해석에 자주 사용된다.
	생애주기비용이 최소가 되도록 목표신뢰도수준을 결정하는 방법이 경제적 측면에서 최선의 선택이 될 수 있는 이유는?	둘째, 구조물이 설계 시공되어 그 수명을 다하기까지 투여되는 모든 비용 즉, 생애주기비용(Life cycle cost, LCC)이 최소가 되도록 목표신뢰도수준을 결정하는 것이다. 이 방법은 항만구조물의 초기공사비와 유지관리비 및 자연재해에 시 복구 및 재시공 비용을 모두 고려하므로 경제적 측면에서 최선의 선택이 될 수 있다. 본 연구에서는 항만구조물 중에서도 잔교식 안벽구조물의 목표신뢰도지수를 결정함에 있어 두 번째 방법인 생애주기비용 최적화 방법을 적용하고자한다.
	항만구조물의 신뢰성설계는 무엇을 위한 것인가?	항만구조물의 신뢰성설계는 외력 및 저항변수에 포함된 불확실성을 설계에 반영하여 일정수준 이상의 신뢰성이 확보된 구조물을 설계하기 위한 것이다. 이 때 목표로하는 신뢰도지수의 수준을 설정하는 문제는 다양한 측면의 고려가 있어야 한다.

참고문헌 (8)

김동현, 조홍연, 김두기, 조병일 (2007). 잔교식 안벽구조물의 확률론적 지진위험도 평가,한국해안.해양공학회지, 19(3), 237-243.

원문보기 상세보기
이상근, 김동현, 윤길림 (2010). 잔교식 안벽구조물의 신뢰성설계, 한국해안.해양공학회 학술발표회, 9, 105-108.
조효남, 임종권, 최영민, 박경훈 (2008). 기반시설물의 생애주기 비용분석, 구미서관.
해양수산부 (2005). 항만 및 어항 설계기준.
Ang, A.H.S. and Tang, W.H. (1975). Probability concepts in engineering planning and design. vol. I & II, John Wiley & Sons, Inc.
Haldar, A. and Mahadevan, S. (2000). Reliability assessment using stochastic finite element analysis. John Wiley & Sons, Inc.
Nagao, T. and Fujimori, S. (2007). A study on the estimation of failure probability of pile-supported wharves against a level one earthquake ground motion by using first order second moment method. Technical note of national institute for land and infrastructure management.
Rackwitz, R. and Flessler, B. (1978). Structural reliability under combined random load sequences. Computers and Structures, 9(5), 489-494.

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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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