철도교량의 노선수준 생애주기비용기반 유지관리 전략

Abstract

철도시스템은 열차운행 중 발생하는 재해, 사고, 또는 차량통행에 영향을 미치 는 긴급상황 발생 시 도로의 경우와 같이 차선을 축소시켜 운행하거나 우회로 를 설치할 수 없는 구조로 이루어져 있다. 이와 같은 체계는 교량의 유지관리 측면에서 단위교량(Project Level)의 성능이 철도노선(Railroad Line)의 전반적 인 성능에 영향을 미칠 수 있는 직렬 연결구조를 형성한다. 그러므로 철도교 량은 노선 상에 존재하는 전체교량을 대상으로(Line Level) 균형있는 생애주 기성능(Life Cycle Performance; LCP)관리가 요구된다. 본 논문에서는 철도노선 상에 존재하는 다수의 교량을 효율적으로 관리할 수 있는 최적의 시나리오를 구성하고 노선의 안전과 성능을 고려하여 제한된 예 산을 효율적이고 합리적으로 할당할 수 있는 방법을 제시하였다. 현재의 유지관리체계에 따른 자료를 바탕으로 교량의 성능과 보수·보강효과에 대한 정량화를 implicit한 방법을 사용하여 신뢰성지수로 표현하였다. 상반관계 (trade-off)를 나타내는 LCP와 비용(Life Cycle Cost; LCC)은 MCS (Monte Carlo Simulation)방법을 사용하여 최적의 유지관리 시나리오를 구성하였다. 개별교량의 유지보수예산이 합리적으로 할당될 수 있도록 교량의 중요도와열 화정도를 산정하였으며 선형계획법(Linear Programming)을 활용한 최적화된 예산할당기법을 도입하였다. 제약조건 하에서 중요도를 고려한 노선 상의 모 든 교량의 성능이 최대의 신뢰성 증가로 나타날 수 있도록 목적함수를 구성하 여 제한된 예산에서 최적의 효과를 나타낼 수 있는 해를 구하였다. 각 교량의 목표 신뢰성지수(Target Reliability Index)설정과 uni-modal bounds기 법을 활용한 안전도분석을 통해서 부등호 제약조건(inequality constraints)을 구 성하였으며 주어진 예산과 유지보수·보강비용의 합으로 등호제약조건(equality constraints)을 나타내었다. 제안된 방법과 개발된 모델을 사용하여 성능과 비용을 만족할 수 있는 유지 보수 시나리오를 자동으로 생성하고 철도노선의 성능과 안전을 최적화 할 수 있는 예산할당 프로그램을 개발 하였으며 경부선 상에 10개의 교량으로 구성 된 가상의 노선(Line)을 구성하여 제안된 기법과 프로그램의 적용 예를 제시 하고 적용성을 검토하였다. 제안 된 노선수준(Line Level)의 유지관리기법은 단위 교량수준(Project Level) 의 유지관리기법의 한계를 극복하고 철도의 특성에 맞는 효율적이고 진일보된 방법으로 현재 운행 중인 철도노선에도 적용이 가능할 뿐아니라 다른 시설의 유지관리에도 유용하게 활용될 수 있을 것으로 기대된다.; This study focuses on proposing practical and reasonable methodologies for the assessment of the Life Cycle Maintenance Cost(LCMC) and the allocation of the maintenance budgets for railroad bridges at line level. Unlike conventional road bridges, railroad bridges are located in series on a railroad line, which are unable to reduce the operating lanes or construct detour lanes or lines when emergency situations such as natural disasters, train accidents occur during operations. Due to the characteristics of the railway bridges, the line level maintenance strategies are required prior to commence the project level maintenance stage for the effective life cycle performance(LCP) maintenance. This thesis presents the practical and reasonable methods to generate optimal maintenance scenario for managing the bridges on the railroad line effectively and to allocate the limited budget efficiently considering safety and performance of railroad lines. Reliability index is used implicitly to quantify performance of bridges and the effect of repair and reinforcement based on existing maintenance data. By using MCS(Monte Carlo Simulation) method, the optimal maintenance scenario, which has the trade-off relationship between LCP and LCMC, is generated. In order to create the optimal maintenance plan with the assigned budget, degree of importance and deterioration of each bridge is determined. Optimial cost allocation method is formulated as LP(Linear Programming) program with the objective of performance maximization. In terms of reliability increase of the whole bridge on railroad line considering importance of bridges is subjected to available budget equality constraint and inequality target reliability constraints, which enables to achieve optimal maintenance effects of all the bridges of the line with limited budget. By assigning a target reliability index to each bridge and performing an approximate system reliability analysis using uni-modal bounds method, inequality constraints are derived and by summing up maintenance costs of all the bridges equality budget constraints is formulated. By using the proposed methods and suggested models, the optimal budget allocation program for bridge maintenance, which automatically generates the maintenance scenario satisfying life cycle performance and cost, is developed. This study is applied to a virtual railroad line which simulates a part of Kyung-Bu railroad system with 10 bridges in order to show the procedure for the optimal maintenance cost allocation with assigned budget. It is found that the proposed study is applicable to the real problems of railroad bridge maintenance. The optimal LCC effective maintenance with optimal maintenance budget allocation at the line level is able to overcome the limit of the existing maintenance method in the project level. Also, it is expected that the proposed methodes can be applied to the optimal maintenance problems for other infra-facilities as well as the railroad systems.