[논문]확률론적 구조물 수명관리의 유지보수 상관관계 영향 평가

김선용

doi:10.11112/jksmi.2016.20.1.048

초록
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구조물의 수명관리는 일반적으로 불확실성의 효율적 고려를 위해 신뢰성 이론을 적용한다. 전체 구조시스템의 신뢰성 평가는 구조요소의 신뢰성 평가와 구조시스템의 모델링을 통해 이루어진다. 구조시스템은 신뢰도에 대한 구조요소의 역할과 기여도를 고려하여 모델링 된다. 따라서, 구조시스템의 신뢰도는 구조요소의 모델링과 구조요소의 상관관계에 따라 서로 다른 결과를 제시하게 된다. 최초 구조시스템의 신뢰도 평가와 열화요소를 반영한 구조시스템의 수명 평가를 바탕으로 생애주기 비용 최소화와 관련된 목적함수를 가지는 최적화 과정을 통해 수명관리가 이루어진다. 본 논문에서는 구조시스템을 구성하는 구조요소의 상관관계와 더불어 기존의 연구에서 고려된 바 없는 유지보수 간의 상관관계에 따른 수명평가 영향분석을 수행하며, 이를 통해 향후 좀 더 효율적인 수명관리 기법 개발에 활용하고자 한다. 또한, 예방유지보수와 필수유지보수를 모두 고려하며, 유지보수간 독립 상태와 완전상관 상태에 따른 수명 예측 및 최적화 유지보수 계획 수립을 비교 제시한다.

Abstract ▼ AI-Helper

The assessment and prediction of service life of a structure are usually under uncertainty so that rational probabilistic concepts and methods have to be applied. Based on these rational assessment and prediction, optimum maintenance strategies to minimize the life-cycle cost and/or maximize the str...

The assessment and prediction of service life of a structure are usually under uncertainty so that rational probabilistic concepts and methods have to be applied. Based on these rational assessment and prediction, optimum maintenance strategies to minimize the life-cycle cost and/or maximize the structural safety can be established. The service life assessment and prediction considering maintenance actions generally includes effects of maintenance types and times of the structural components on the service life extensions of structural system. Existing researches on the service life management have revealed the appropriate system modeling considering the correlation among the components is required for system reliability analysis and probabilistic service life estimation. However, the study on correlation among the maintenance actions is still required. This paper deals with such a study for more effective and efficient service life management. In this paper, both the preventive and essential maintenances are considered for the extended service life estimation and management.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 구조시스템을 구성하는 구조요소의 상관관계와 더불어 기존의 연구에서 고려된 바 없는 유지보수간의 상관관계에 따른 수명평가 영향분석을 수행하며, 이를 통해 향후 좀 더 효율적인 수명관리 기법 개발에 활용하고자 한다. 또한, 예방유지보수(preventive maintenance)와 필수 유지보수 (essential maintenance)를 모두 고려하며, 유지보수간 독립 (independent) 상태와 완전상관(perfectly correlated) 상태에 따른 수명 예측 및 최적화 유지보수 계획 수립을 비교 제시한다.

제안 방법

본 논문에서는 구조시스템을 구성하는 구조요소의 상관관계와 더불어 기존의 연구에서 고려된 바 없는 유지보수간의 상관관계에 따른 수명평가 영향분석을 수행하며, 이를 통해 향후 좀 더 효율적인 수명관리 기법 개발에 활용하고자 한다. 또한, 예방유지보수(preventive maintenance)와 필수 유지보수 (essential maintenance)를 모두 고려하며, 유지보수간 독립 (independent) 상태와 완전상관(perfectly correlated) 상태에 따른 수명 예측 및 최적화 유지보수 계획 수립을 비교 제시한다.
본 논문에서는 구조시스템을 구성하는 구조요소의 상관관계와 유지보수 간의 상관관계를 동시에 고려하는 확률론적 수명예측을 통해 최적화 수명관리에서의 영향을 분석하였다. 유지보수의 대표적인 두 가지 모델인 예방유지보수와 필수유지보수에 대해 수명연장효과를 반영하는 확률론적 모델링을 통해 목표 수명동안 구조시스템의 파괴확률을 최소화하는 최적화 유지보수 시간 간격을 수립하게 된다.

데이터처리

Fig. 2에서는 최초의 구조물의 수명이 평균 20년과 표준편차 4년을 가지는 로그정규분포로 표현될 때 확률밀도함수(PDF: probabilitydensity function)를 Monte Carlo Simulation을 이용하여 도식화하였다. 또한, 10, 20, 25, 30년에 예방유지보수가 적용되고, 연장된 수명시간 t^(PM)_ex이 로그정규분포로 표현되고, 평균과 표준편차가 각각 5년과 1년일 경우 식 (8)을 이용하여 PDF를 Fig.

이론/모형

최적화기법은 Matlab R2013a Optimization Tool의 fminsearch을 적용하여 결과를 얻었으며, genetic algorithm을 이용하여 검토하였다. 여기서, fminsearch는 최적화문제의 목적함수인 파괴확률 p_F,paral과 같은 불연속 비선형 함수에 적합하나 초기 가정값(Initial value)에 따라 그 결과가 상이할 수 있어(Mathwork, 2015) 이를 보완하기 위해 genetic algorithm을 적용하여 최종 결과의 타당성 여부를 검토하였다.
8에서는 Table 3에서의 결과 일부를 CDF로 도식화하였다. 최적화기법은 Matlab R2013a Optimization Tool의 fminsearch을 적용하여 결과를 얻었으며, genetic algorithm을 이용하여 검토하였다. 여기서, fminsearch는 최적화문제의 목적함수인 파괴확률 p_F,paral과 같은 불연속 비선형 함수에 적합하나 초기 가정값(Initial value)에 따라 그 결과가 상이할 수 있어(Mathwork, 2015) 이를 보완하기 위해 genetic algorithm을 적용하여 최종 결과의 타당성 여부를 검토하였다.

후속연구

유지보수의 대표적인 두 가지 모델인 예방유지보수와 필수유지보수에 대해 수명연장효과를 반영하는 확률론적 모델링을 통해 목표 수명동안 구조시스템의 파괴확률을 최소화하는 최적화 유지보수 시간 간격을 수립하게 된다. 본 연구에서 제시된 구조요소 및 유지보수간의 상관관계 영향을 고려한 실제 구조물 확률론적 수명 평가와 유지보수 전략수립을 위해서는 전체 구조물을 구성하는 구조요소의 적절한 모델링과 적용 가능한 유지보수를 고려한 수명연장효과의 정량적 평가가 좀 더 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	구조물의 수명관리에서는 어떤 이론을 적용하는가?	구조물의 수명관리는 불확실성의 효율적 고려를 위해 신뢰성 이론을 적용한다. 구조시스템(structural system)의 신뢰성 평가는 시스템을 구성하는 구조요소(structural component)의신뢰성 평가와 시스템 모델링을 통해 수행된다(Ang and Tang, 1984; Leemis, 1995).
	구조시스템의 파괴확률에서 고려해야 할 요인들은 무엇인가?	구조시스템의 파괴확률이나 신뢰성을 평가하기 위해서는 구조요소와 가능 파괴모드를 모두 고려할 필요가 있다. 예를 들어, 교량의 파괴확률 혹은 신뢰성을 구하기 위해서는 그 구성요소인 deck, girder 그리고 pier 등의 요소를 전체 구조시스템으로 모델링 하고, 파괴를 초래하는 요인인 휨, 전단, 좌굴, 피로 등 또한 구조시스템으로 고려할 수 있다.
	구조시스템을 모델링하는 방법은?	구조시스템(structural system)의 신뢰성 평가는 시스템을 구성하는 구조요소(structural component)의신뢰성 평가와 시스템 모델링을 통해 수행된다(Ang and Tang, 1984; Leemis, 1995). 구조시스템은 신뢰도에 대한 구조요소의 역할과 기여도를 고려하여 모델링 된다. 따라서, 구조시스템의 신뢰도는 구조요소의 모델링과 구조요소의 상관관계 (correlation)에 영향을 받는다.

참고문헌 (17)

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