위험도와 성능저하에 기초한 교량의 설계단계 생애주기비용분석을 위한 새로운 방법론

Abstract

신설교량 건설사업의 설계단계의 교량 형식 선정뿐만 아니라 유지관리 단계에서의 보수?보강 또는 교체 등에 대한 최적의사결정의 도구로서 최근 각광을 받고 있는 것이 생애주기비용(Life Cycle Cost; Recently, the demand on the practical application of life-cycle cost effectiveness for design and rehabilitation of civil infrastructure is rapidly growing unprecedently in civil engineering practice. Accordingly, in the 21st century, it is almost obvious that life-cycle cost together with value engineering will become a new paradigm for all engineering decision problems in practice. However, in spite of impressive progress in the researches on the LCC, the most researches have only focused on the Deterministic or Probabilistic LCC analysis approach (Level-1 LCC Model) at design stage. Thus, the goal of this study is to develop a practical and realistic methodology for the Life-Cycle Cost (LCC)-effective optimum decision-making of bridges at design stage. A general LCC model for optimum design of bridges consists of those of initial cost and direct/indirect rehabilitation costs of a bridge, including repair/replacement costs, loss of contents or fatality and injury losses, road user costs, and indirect socio-economic losses. The proposed new methodology is based on the concept of Life Cycle Performance(LCP) which is expressed as the sum of present value of expected direct/indirect maintenance costs with expected optimal maintenance scenario. For that purpose, Level-3 LCC Model were applied to this study which is mainly used for Time-variant Structural Reliability-based LCC for optimal presentive maintenance strategies at maintenance stage. And, the condition and reliability index are used as factor for performance degradation models to evaluate the degradation rate with respect to target performance. The new LCC methodology proposed in this study is applied to the optimum design problem of an actual highway bridge with three simple spans. In this example, three bridge types ? namely, PSC-Beam Girder bridge, Steel Plate Girder bridge and Steel Box Girder bridge are considered as the alternatives. And the sensitivity analyses of various maintenance scenario are performed to investigate the effects of performance indexes and total budget on the LCC-effectiveness. In conclusion, based on the application of the proposed methods to an actual example bridge, it is demonstrated that a new methodology for risk & performance-based LCC analysis proposed in this thesis, shown applicably in practice as a efficient, practical, process LCC analysis method at design stage.; LCC) 분석이다. 이는 투자비용의 효율성을 극대화하는 노력의 일환으로 최근 토목 구조물의 설계 및 유지관리 시 생애주기비용 효과의 실질적인 적용이 요구되어 지고 있다. 이에 LCC 분석은 모든 엔지니어의 의사결정 문제에 대해 새로운 방법론으로 제시되고 있다. 하지만 이러한 LCC 연구 개발의 괄목할만한 진보에도 불구하고, 대부분의 설계단계 LCC 분석에 관한 연구 개발은 확정적, 확률적 분석기법(Level-1 분석수준)에 그치고 있다. 따라서 본 논문의 목적은 설계단계 LCC 분석에 대한 실용적이고 합리적인 신뢰성 및 성능 기반 새로운 분석 방법론을 개발하는데 있다. 일반적으로 최적 의사결정을 위한 LCC 비용 모델은 초기건설비용, 직/간접 유지관리비용, 해체폐기비용의 직접비용과 더불어 사회-경제 손실비용, 도로이용자비용 등의 간접비용으로 구성된다. 기존 LCC분석 방법은 유지관리비용의 산정 시 확정적이거나 확률적인 주기만을 사용하기 때문에 비용의 중복발생, 보수?보강?교체의 상호 영향 등을 고려하지 못하였다. 이에 본 논문은 합리적이고 실질적인 유지관리비용을 산출하기 위해 생애주기 성능모델의 개념을 도입하였으며, 현재가치의 합으로 표현되는 직/간접 유지관리비용을 기대 성능저하에 바탕을 둔 최적 유지관리 시나리오를 통하여 분석하는 기법을 제시하였다. 이러한 본 논문의 목적을 위해 현재 유지관리단계 LCC 분석에서 연구가 진행되고 있는 시간 이력 구조신뢰성의 LCC 분석 기법(Level-3 분석 기법)을 설계단계 LCC분석에 적합한 기법으로 변환하여 적용하였다. 성능저하모델을 위한 성능인자로 보수항목의 경우 상태평가를 통해 결정되어지는 상태지수를 고려하였고, 보강항목은 신뢰성 해석을 통해 얻어지는 신뢰성 지수를 사용하였다. 보수항목의 성능저하모델을 위한 상태지수의 저하율, 보수?보강?교체의 정량적 효과 등은 교량카드, 정밀안전진단보고서, FMS자료를 바탕으로 산출하였다. 그리고 시간 변화 신뢰성 해석을 위한 저항 변화율은 과거이력자료와 전문가 판단 및 설문조사를 통해 산정하고, 이를 한계상태방정식에 적용하여 신뢰성해석을 실시하는 설계단계에 적합한 새로운 기법을 제안하였다. 본 논문에서 제안한 새로운 설계단계 LCC 분석 방법을 고속 도로상 실제 교량설계 예제에 적용하여 합리적이고 체계적인 분석 방법 및 최적의사결정과정을 제시하였다. 분석을 위한 교량 형식은 3@45m의 동일한 경간구성을 가지는 IPC거더교, 강플레이트거더교, 강박스거더교를 고려하였다. 이를 통해 기존 LCC분석 방법과 본 논문에서 제안한 위험도 및 성능저하기반 LCC분석 방법을 비교/고찰하였고, 유지관리 시나리오 설정에 따른 민감도 분석을 수행하여 최적유지관리 시나리오에 대한 성능과 예산의 영향을 분석 고찰하였다. 결론적으로, 실 교량에 대한 적용 예를 통하여 본 연구에서 제안하는 새로운 LCC 분석 방법의 효율성과 합리성, 그리고 설계단계의 보다 정확한 LCC 분석 방법으로서의 적용 가능성을 입증할 수 있었다.