강도로교(鋼道路橋)의 신뢰성(信賴性) 설계규준(設計規準)에 관한 연구(硏究)

조효남,김우석,이징빈,Cho, Hyo Nam,Kim, Woo Seok,Lee, Cheung Bin 대한토목학회 1985 대한토목학회논문집 Vol.5 No.1

강도로교(鋼道路橋)에 있어서 가장 보편적으로 사용(使用)되고 있는 강교(鋼橋)(구형(矩形)보, 판항(鈑桁), 합성항(合成桁))에 대한 신뢰성설계규준(信賴性設計規準)을 제안(提案)하고, 또 하중(荷重)-저항계수(抵抗係數) 및 공칭안전율(公稱安全率)에 대한 이론적(理論的)인 근거를 제시(提示)하는 것이 본(本) 연구(硏究)의 주요(主要) 내용(內容)이다. Cornell의 MFOSM과 Lind-Hasofer의 AFOSM을 포함하는 주요 2차(次)모멘트 신뢰성(信賴性) 이론(理論)을 비교(比較) 분석(分析)함으로써 Lind-Hasofer의 근사식(近似式)과 대수정규형(對數正規型) 근사식(近似式)을 본(本) 연구(硏究)에서 제안(提案)하는 신뢰성(信賴性) 해석(解析) 및 설계규준(設計規準)의 유도에 사용함이 적절하다는 것을 알 수 있었다. Galambo의 이론(理論)에 의해 강구조부재(鋼構造部材)의 불확실량(不確實量) 산정(算定) 알고리즘을 유도하여 저항(抵抗)의 불확실량(不確實量)을 LRFD Format 및 SGST Format로 산정(算定)했으며, 하중(荷重)의 불확실량(不確實量)은 우리의 실정(實情)을 고려한 적절한 값을 택했다. 현행(現行) 강도로교(鋼道路橋) 설계규준(設計規準)에 따라 calibration함으로써 목표신뢰성지수(目標信賴性指數) ${\beta}_0=3.5$를 우리의 현실(現實)을 반영하는 최적치(最適値)로 선택하였다. 본(本) 연구(硏究)에서 강도로교(鋼道路橋)의 LRFD 신뢰성(信賴性) 설계규준(設計規準)은 일정(一定)한 신뢰성(信賴性)을 주는 보다 합리적(合理的)인 설계(設計)가 됨을 알 수 있었다. This study proposes a reliability based design criteria for the steel bridge (H-beam, plate-girder and composite-beam), which is most common type of steel bridge, and also proposes the theoretical bases of nominal safety factors as well as load and rasistance factors based on the reliability theory. Major 2nd moment reliability analysis and design theories including both Cornell's MFOSM (Mean First Order 2nd Moment) Methods and Lind-Hasofer's AFOSM(Advanced First Order 2nd Moment) Methods are summarized and compared, and it has been found that Lind-Hasofer's approximate and an approximate Log-normal type reliability formula are well suited for the proposed reliability study. A target reliability index (${\beta}_0=3.5$) is selected as an optimal value considering our practice based on the calibration with the safety pravisions of the current steel bridge design code. Galambo's theory is used for the derivation of the algorithm for the evaluation of uncertainties associated with resistences by LRFD Format and SGST Format, whereas the magnitude of the uncertainties associated with load effects are chosen primarily by considering our level of practice. It may be concluded that the proposed LRFD reliability based design provisions for the steel highway bridge give more rational design than the current standard code for steel highway bridge.

강상판교의 생애주기비용 최적설계

조효남,민대홍,이광민,Cho, Hyo Nam,Min, Dae Hong,Lee, Kwang Min 한국강구조학회 2001 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.13 No.4

교량은 계속적으로 변하는 하중 환경에 의해서 다른 구조물에 비해 비교적 빨리 노후화 되기 때문에 초기비용 이외에도 교량의 유지관리, 교통의 원활한 소통 또는 적체 등에 따른 비용, 교량의 손상에 따른 보수보강 및 교량의 해체 재건설 등 추가적인 비용의 영향이 크므로 공용간 생애주기 비용(LCC)을 설계단계에서부터 체계적이고 합리적으로 고려되어야 한다. 이에 본 연구에서는 강상판교의 설계에 있어서 주형의 휨 전단, 사용성, 피로에 대한 보강기대비용 등을 포함하는 LCC에 근거한 비용함수모형을 이용하여 이를 최적설계에 적용하고 기존의 설계방법과 비교 분석하였다. 적용예제의 결과에 나타난 바와 같이 LCC를 고려한 강상판 교량의 최적설계는 더욱 합리적이고, 경제적이며, 안전한 설계를 유동할 수 있으리라 판단된다. This study present an optimum deck and girder system design for minimizing the life-cycle cost (LCC) of orthotropic steel deck bridges. The problem of optimum LCC design of orthotropic steel deck bridges is formulated as that of minimization of the expected total LCC that consists of initial cost, maintenance cost, expected retrofit costs for strength, deflection, and fatigue. To demonstrate the effect of LCC optimum design of orthotropic steel deck bridges, the proposed optimum LCC design is compared with the conventional method for orthotropic steel deck bridges design. From the numerical investigations, it may be positively stated that the proposed optimum design procedure for orthotropic steel deck bridges based on the LCC will lead to more rational, economical and safer design.

군용전차(軍用戰車) 통과(通過)에 대한 도로교량(道路橋梁)의 안전도분석(安全度分析) 및 내하력판정(耐荷力判定)

조효남,한봉구,전재명,Cho, Hyo Nam,Han, Bong Koo,Chun, Chai Myung 대한토목학회 1988 대한토목학회논문집 Vol.8 No.1

본(本) 연구(硏究)에서는 군용전차의 교량통과시 노후도(老朽度)를 비롯한 각종 저항(抵抗) 및 하중(荷重)관련 불확실량(不確實量)을 체계적으로 포함한 한계상태모형(限界狀態模型)을 유도하고, 실용적이며 진보된 2차(次)모멘트 신뢰성(信賴性) 이론(理論)을 사용하여 군용교량(軍用橋梁) 및 일반교량(一般橋梁)의 신뢰성(信賴性)에 기초한 안전도(安全度) 분석방법(分析方法)과 하중저항계수(荷重抵抗係數) 형식의 급수계산방법(級數計算方法)을 제안(提案)하였다. 본(本) 연구(硏究)에서 제안(提案)하는 안전도(安全度) 분석(分析) 및 내하급수(耐荷級數) 판정방법(判定方法)을 몇 개의 실제 교량에 적용하여 보았다. 본(本) 연구(硏究)의 결과 현행 재래식 허용응력개념에 의한 NATO 급수계산방법은 실내하력(實耐荷力) 판정(判定)이 아닌 명목적인 급수판정방법에 불과함을 알 수 있으며, 따라서 본 연구에서 제시(提示)한 신뢰성방법(信賴性方法)에 의한 안전도(安全度) 분석방법(分析方法)과 하중(荷重)-저항계수(抵抗係數)형 급수 계산방법이나 이에 대응하는 합리적인 허용응력법(許容應力法)에 의한 실내하급수(實耐荷級數) 계산방법(計算方法)의 도입이 시급하다고 본다. This study is intended to propose an approach to reliability-based safety evaluation as well as LRFR(Load and Resisitance Factor Rating) type capacity classification of military or civilian bridges based on the limit state models which are delived by incorporating all the uncertainties of resistance and load random variables including deterioration, and are used in a practical AFOSM (Advanced First Order Second Moment) method. The proposed methods for the assement of safety and load carrying capacity are applied for the evaluation of rating and classifications of several practical bridges against the crossing of military vehicles. Based on the observation of the numerical results, it can be concluded that the current NATO classification method which is based on the traditionl allowable stress concept can not provide real load carrying capacity but results in nominal classification, and therefore the reliability-based safety evaluation and LRFR-classification method or the corresponding rational allowable stress method proposed in this paper may have to be introduced into the classification practice.

지진하중을 받는 강뼈대구조물의 표준단면에 대한 다목적 최적설계

조효남,민대홍,정봉교,Cho, Hyo Nam,Min, Dae Hong,Jeong, Bong Gyo 한국강구조학회 2002 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.14 No.6

본 논문에서는 지진하중을 받는 강뼈대구조물의 표준단면에 대한 다목적 최적설계 정식화 방법을 제안하였다. 다목적 최적화 문제는 강재중량, 변형에너지, 안전성을 목적함수로 구성하였다. 표준단면제원을 이용한 다목적 최적설계 문제를 효율적으로 해결하기 위하여 전역기준법(Global Criterion Method)을 이용하였다. 실제적인 대형구조물의 다목적 최적설계 문제를 효율적으로 해결하기 위해 전체 구조계와 구조 요소계로 나누는 다단계 알고리즘을 적용하였고 자동미분을 이용하여 매개변수에 대한 민감도해석을 이용한 근사재해석 기법을 사용하였다. 또한 전체 구조계와 구조 요소계의 연결을 위해 표준단면을 이용하여 단면 2차 모멘트와 단면적, 단면상수와의 관계를 희귀분석 하였다. 수치해석 결과 안정성을 고려한 강 뼈대 구조물의 최적설계 방법은 기존의 방법보다 합리적인 설계를 유도할 것으로 기대된다. An improved formulation for multi-objective optimization was proposed. This formulation was applied to steel seismic loads. The multi-objective optimization problem was formulated with minimum structural weight, maximum strstability. The global criterion method was employed to find a rational solution closest to the ideal solution for the optimization problem using standard steel profile, To efficiently solve the optimization problem, the decomposition meth both system-level and element-level was used. In addition, various techniques including efficient reanalysis technique intermediate variables and sensitivity analysis using an automatic differentiation(AD) were incorporated. Moreover the reamong section properties fitted to the section profile used in order to link the system level and the element level. From numerical investigation, it could be stated that the proposed method will lead to the more rational design compared with one.

도로교 내하급수 판정시스템 개발

조효남,장동일,이희현,Cho, Hyo Nam,Chang, Dong Il,Lee, Hee Hyun 대한토목학회 1991 대한토목학회논문집 Vol.11 No.4

본 연구는 도로교량들의 효율적인 안전도 명가 및 내하급수 판정 전산화 시스템을 개발하는데 그 목적이 있다. 이를 위해 현행 도로교 내하급수 체계를 합리적으로 개선한 후 외관조사 또는 가용 통계자료 만으로 안전성 평가를 실시할 수 있는 신뢰성 방법에 기초한 합리적인 내하력 평가방법을 제시하고 비상작전시 군용차량의 설제적인 허용통과 급수 판정시스템을 개발하였다. 연구결과 본 연구에서 제시된 내하력 및 내하급수 판정시스템, 그리고 내하력 평가 프로그램 BRS(Bridge Rating System)은 교량의 노후도와 각종 불확실량을 체계적으로 반영한 실 내하력 평가수단으로서 장차 교량의 안전성 및 내하력 평가에 널리 활용될 수 있다고 사료되었다. This study is directed for the development of rational rating models for realistic safety assessment and the computer rating system for highway bridges. For this purpose, the conventional rating system is considerably improved in appropriate way, and a rational rating system based on the reliabilty method is proposed to estimate safety of deteriorated bridges by using only the visual inspection data or the statistical data available. In addition. the rating system which can assess the realistic allowable passing tonnage of military vehicles in case of the military operations is also presented. From this study, it is known that the presented rating system and the computer program BRS(Bridge Rating System) provide an effective tool which can handle the degree of deterioration and various uncertainities of the bridge systematically. so it can be used widely for assessment of safety and load carrying capacity of existing deteriorated or damaged bridges.

강상판교의 다목적 최적설계

조효남,정지승,민대홍,Cho, Hyo Nam,Chung, Jee Seung,Min, Dae Hong 한국강구조학회 2002 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.14 No.3

본 연구는 강상판교량의 합리적인 설계를 위한 다목적 최적설계 방법을 제안하였다. 다목적 최적설계 방법은 기존의 제작비용만을 목적함수로 사용하는 최적설계와는 달리 제작비용과 처짐을 동시에 고려함으로써 보다 합리적인 설계를 유도하고자 하였다. 강상판교량은 많은 부재를 가지고 있고 구조거동이 복잡한 이유로 기존의 최적설계 알고리즘을 이용하면 매우 비효율적이다. 따라서, 매우 효율적인 다단계 최적설계를 이용하였다. 강상판교량의 합리적이고 경제적인 설계를 위해 최적의 제작비용과 처짐과의 관계를 파레토 곡선으로 표현하고 이를 이용하여 합리적인 설계 수준을 정하는 척도로 사용하였다. 이러한 방법은 기존의 단일목적 최적설계에 비해 매우 합리적인 설계결과를 얻을 수 있었다. This study proposed a muti-objective optimum design method for rational optimizing of orthotropic steel deck bridges. This multi-objective optimum design method was found to be effective in optimizing multi-objective problems, considering cost and deflection functions. It may ve difficult to optimize orthotropic steel deck bridges using a conventional optimization, since the bridges have several parts and show complex structural behaviors. Therefore, the Pareto curve can be obtained by performing the multi-objective optimization for real orthotropic steel deck bridges, using the multi-level technique with excellent efficiency. A reasonable and economical design can be attained using the Parato curve in the cost and deflection functions of the bridge. Thus, more reasonable design values can be determined based on a comparison with those using a conventional design procedure.

철근(鐵筋)콘크리트 도로교(道路橋) 상부구조(上部構造) 신뢰성(信賴性) 설계규준(設計規準)에 관한 연구(?究)

조효남,Cho, Hyo Nam 대한토목학회 1982 대한토목학회논문집 Vol.2 No.3

R.C.도로교(道路橋) 상부구조(上部構造)의 신뢰성(信賴性) 설계(設計) 기준(基準) 제안(提案)는 것이 본(本) 연구(硏究)의 주요 내요(內容)이다. T형 및 4각형 단면(斷面)의 저항(抵抗) 불확실량(不確實量)과 교량사하중(橋梁死荷重) 및 교통활하중(交通活荷重)에 대한 불확실량(不確實量) 우리의 현실(現實)을 반영하는 적절(適切)한 값으로 제안(提案)하였다. Cornell의 MFOSM과 Lind Hasofer의 AFOSM을 포함하는 주요 2차(次)모멘트 신뢰성(信賴性) 이론(理論)을 비교(比較) 분석(分析)하므로서 Elllngwood의 반복시행(反復試行) 알고리즘과 대수정규형(對數正規型) 근사공식(近似公式)을 본(本) 연구(硏究)에서 제안(提案)하는 신뢰성(信賴性) 해석(解析) 및 설계기준(設計基準)의 유도에 사용함이 적절(適切)하다는 것을 알 수 있었다. 현행(現行) 도로교(道路橋) 설계규준(設計規準)에 따라 Calibration 하므로서 목표신뢰성지수(目標信賴性指數) ${\beta}_0=3.5$를 우리의 현실(現實)을 반영하는 최적치(最適値)로 선택(選擇)하였다. 상기(上記)한 불확실량(不確實量) 해석(解析) 이론(理論)에 의해 ${\beta}_0=3.5$에 대응(對應)하는 하중(荷重) 및 저항계수(抵抗係數)를 유도하였다. 그리고 현행(現行) WSD 도로교(道路橋) 설계(設計) 규준(規準)을 위해 신뢰성(信賴性) 이론(理論)에 의한 공칭안전율(公稱安全率)과 허용응력(許容應力)을 제안(提案)하였다. 본(本) 연구(硏究)에서 제안(提案)하는 R.C.도로교(道路橋)의 LRFD 신뢰성(信賴性) 설계기준(設計基準) 현행(現行) R.C.표준설계(標準設計) 시방서(示方書)의 규준(規準)에 대응(對應)하는 설계기준(設計基準)으로 도입(導入)함이 바람직하다는 사실(事實) 확인(確認)할 수 있었다. This study proposes a reliability based design criteria for the R.C. superstructures of highway bridges. Uncertainties associated with the resistance of T or rectangular sections are investigated, and a set of appropriate uncertainties associated with the bridge dead and traffic live loads are proposed by reflecting our level of practice. Major 2nd moment reliability analysis and design theories including both Cornell's MFOSM(Mean First Order 2nd Moment) Methods and Lind-Hasofer's AFOSM(Advanced First Order 2nd Moment) Methods are summarized and compared, and it has been found that Ellingwood's algorithm and an approximate log-normal type reliability formula are well suited for the proposed reliability study. A target reliability index (${\beta}_0=3.5$) is selected as an optimal value considering our practice based on the calibration with the current R.C. bridge design safety provisions. A set of load and resistance factors is derived by the proposed uncertainties and the methods corresponding to the target reliability. Furthermore, a set of nominal safety factors and allowable stresses are proposed for the current W.S.D. design provisions. It may be asserted that the proposed L.R.F.D. reliability based design criteria for the R.C. highway bridges may have to be incorporated into the current R.C. bridge design codes as a design provision corresponding to the U.S.D. provisions of the current R.C. design code.

자동미분을 이용한 뼈대구조의 다단계 최적설계

조효남,정지승,민대홍,이광민,Cho, Hyo-Nam,Chung, Jee-Sung,Min, Dae-Hong,Lee, Kwang-Min 한국강구조학회 2000 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.12 No.5

본 논문에서는 지진하중이 작용하는 뼈대구조에 대해 자동미분(Automatic Differentiation)을 이용한 개선된 다단계 최적설계 알고리즘을 제안하고자 한다. 제안된 알고리즘의 효율성을 위해 전체구조계와 구조요소계 최적설계를 각각 분리하는 분해기법을 적용한 다단계 최적설계기법과 제약조건소거기법을 본 알고리즘에서 조합하여 사용하였다. 또한 수치계산을 효율적으로 수행하기 위해 중간매개변수를 사용하여 휨모멘트나 진동수와 같은 근사구조응답을 이용한 효율적인 재해석기법을 제시하였다. 복잡한 음함수 형태인 동적구조응답에 대한 민감도분석을 정확하고 효율적으로 계산하기 위해 자동미분기법을 사용하였다. 수치예제를 근거로 다단계알고리즘의 효율성과 신뢰성을 기존의 단순다단계알고리즘과 비교하여 제시하였다. An improved multi-level (IML) optimization algorithm using automatic differentiation (AD) of framed structures is proposed in this paper. For the efficiency of the proposed algorithm, multi-level optimization techniques using a decomposition method that separates both system-level and element-level optimizations, that utilizes and an artificial constraint deletion technique, are incorporated in the algorithm. And also to save the numerical efforts, an efficient reanalysis technique through approximated structural responses such as moments and frequencies with respect to intermediate variables is proposed in the paper. Sensitivity analysis of dynamic structural response is executed by AD that is a powerful technique for computing complex or implicit derivatives accurately and efficiently with minimal human effort. The efficiency and robustness of the IML algorithm, compared with a plain multi-level (PML) algorithm, is successfully demonstrated in the numerical examples.

개선(改善)된 Monte-Carlo 시뮬레이션 방법(方法)에 의한 한국(韓國)의 태풍위험도(颱風危險度) 분석(分析)

조효남,장동일,차철준,Cho, Hyo Nam,Chang, Dong Il,Cha, Cheol Jun 대한토목학회 1987 대한토목학회논문집 Vol.7 No.4

본(本) 연구(硏究)에서는 특정지역에서 태풍(颱風)의 통계적(統計的) 분석(分析) 및 확률적(確率的) 기술방법(記述方法)을 이용하여 한국(韓國)의 태풍위험도분석(颱風危險度分析)에 관한 합리적(合理的) 방법(方法)을 제시(提示)하였다. 간접적(間接的) 방법(方法)으로 태풍(颱風)의 확률풍속(確率風速)을 예측하기 위해 두가지 시뮬레이션 과정(過程) 및 fitting 방법(方法)에 대해 논(論)하였다. 일반적으로 간접적(間接的) 방법(方法)으로는 Russell의 방법(方法)이 사용되고 있는데 이 방법(方法)은 특정지역에서 태풍(颱風)의 확률적(確率的) 예측을 위한 기상학적(氣象學的) 특성(特性)과 풍속장(風速場)모형(Wind field Model)에 기초를 두고 시뮬레이션 방법(方法)에 의해 약 1,000개의 태풍(颱風)을 발생시켜 통계적(統計的)으로 기저확률분포(基底確率分布)를 구한 다음, 그 결과를 Weibull분포(分布)에 fitting하도록 하고 있다. 그러나, 본(本) 연구(硏究)에서는 150년(年) 내지 200년간(年間)의 연최대풍속(年最大風速)을 발생시켜 그 data를 이용하여 Weibull분포(分布)에 직접 fitting하는 방법(方法)을 제안(提案)하였다. 수치해석(數値解析)결과, 본(本) 연구(硏究)에서 제안(提案)한 방법(方法)이 보다 효율적(效率的)이고 합리적(合理的)인 태풍(颱風)의 위험도평가방법(危險度評價方法)임을 알 수 있었다. 아울러, 제안(提案)된 확률풍속(確率風速) 예측방법(豫測方法)을 이용하여 태풍(颱風)취약지역인 남서해안(海岸) 일대에서 송전탑(送電塔)의 설계풍속(設計風速)에 대해 검토, 분석하였다. This study proposes an operational method of typhoon risk assessments in Korea, using Statistical analysis and probabilistic description of typhoon at a site. Two alternative simulation and fitting methods are discussed to predict the probabilistic typhoon wind speeds by indirect methods. A Commonly used indirect method is Russell's procedure, which generates about 1,000 Simulation data for typhoon winds, statistically evaluate the base-line distribution, and then fits the results to the Weibull distribution based on probabilistic description of climatological Characteristics and Wind field model of typhoon at a site. However, an alternative procedure proposed in this Paper simulates extreme typhoon wind data of about 150~200 years and directly fits the generated data to the Weibull distribution. The computational results show that the proposed simulation method is more economical and reasonable for typhoon risk-assessment based on the indirect method. And using the proposed indirect method, the probabilistic design wind speed for transmission towers in typhoon-prone region along the South-Western coast is investigated.

상시 계측 데이터를 이용한 신뢰성에 기초한 판형 철도교의 내하력 평가법

조효남,최현호,이상윤,선종완,Cho, Hyo Nam,Choi, Hyun Ho,Lee, Sang Yoon,Sun, Jong Wan 한국강구조학회 2003 韓國鋼構造學會 論文集 Vol.15 No.2

현재 까지도 철도교의 내하력 평가는 일반적으로 허용응력 판정법(Working Stress Rating, WSR)에 의해 수행되고 있다. 그러나 WSR 방법은 구조물, 하중 등의 여러 요인에 의한 불확실성을 고려하지 못한다는 단점이 있으며, 이러한 재래적인 내하력 평가법의 불완전성을 해결하기 위하여 신뢰성에 기초한 내하력 평가법의 개발에 대한 여러 연구가 수행되어오고 있다. 한편, 최근에는 실용적인 내하력 평가방법이라 할 수 있는 등가내하력 평가법이 제안되었다. 보다 효율적인 등가내하력 평가를 위한 가장 중요한 요소는 무엇보다 한계상태 함수에 적용되는 확률변수(저항 및 하중 관련 변량)에 대한 불확실성이 합리적이고 실제적으로 추정되어야 한다는 것이며, 특히 활하중에 대한 불확실성은 다른 확률변수보다도 중요하게 다루어 져야 보다 신뢰도 있는 해석이 된다. 본 연구에서는 하중에 대한 불확실성의 합리적인 적용을 위해, 교량의 상시 계측 데이터로부터 추정한 하중관련 불확실성을 보다 합리적으로 적용할 수 있는 한계상태모형을 이용하여 등가내하력 평가법을 개선하였으며, 기존의 내하력 평가법들과의 비교를 통하여 개선된 등가내하력 평가방법에 대한 적용성을 검증하였다. Today, the Working Stress Rating (WSR) is being widely used for the capacity-rating and the safety assessment of railroad steel bridges. Since it cannot incorporate the uncertainties, several studies have been carried out in order to get over the incompleteness of the conventional capacity-rating and safety assessment. A system reliability-based equivalent capacity-rating method, which can evaluate the capacity of existing bridges, has been recently proposed. For more efficient reliability analysis, probabilistic parameters of the random variables in the limit-state models should be reasonably evaluated. Especially, uncertainties for live load effects must be realistically included. In this study, an improved limit-state model was used for the system reliability-based equivalent strength method. This model can incorporate the probabilistic parameters obtained from ambient measurement data. To demonstrate the applicability of the improved system reliability-based equivalent capacity rating method, this was applied to the existing steel plate girder bridge for comparison with the conventional capacity-rating and safety assessment.