방파제 위치에서의 파랑계산에 인공신경망을 도입한 케이슨 방파제의 기대활동량 산정

김소연 서울대학교 대학원 2012 국내석사

초 록 국제적인 설계기준의 변화에 따라 항만구조물에도 확률론적인 설계법이 도입되고 있다. 기존의 결정론적 설계법의 경우, 하중의 재현주기를 설정하여 설계하중을 계산한 후에 일정한 안전율을 적용하였다. 이 경우, 구조물의 안전성에 대한 정량적인 평가나 파괴모드에 따른 상대적인 평가가 어렵기 때문에 결과적으로 구조물을 과대 또는 과소 설계할 가능성을 내포하고 있다. 이러한 결정론적 설계법의 단점을 극복하기 위해 신뢰성 설계법이 개발되었다. 방파제의 경우, 파괴모드에 따라 영향을 주는 설계변수들과 각 변수들의 확률분포 또는 결합확률밀도함수를 고려하여 파괴확률을 추정하는 방법이 주로 사용되고 있다. 케이슨 방파제의 파괴는 주로 활동에 의해 발생된다. 따라서, 본 연구에서는 케이슨의 기대활동량과 파괴확률만을 산정하였다. 케이슨방파제의 설계 및 안전성을 평가하기 위해서는 방파제 위치에서의 파랑자료가 필요하다. 신뢰성 설계법에서는 불확실성을 고려하기 위해 확률분포함수로 정의된 심해파고를 이용한다. 기대활동량을 구하기 위해서는 심해에서 정의된 확률파를 천해로 전파시키는 과정을 수천 번 반복해야 한다. 하지만 기존파랑변형모델의 경우, 이 과정을 수행하는데 굉장히 많은 시간이 소요되기 때문에 결과적으로 신뢰성 설계 또한 괘 오랜 시간이 필요하다. 이를 극복하기 위해 본 연구에서는 인공신경망을 이용하여 심해파의 파랑변형을 예측하는 방법을 제안하였다. 예측된 파고와 파향을 이용하여 케이슨방파제의 기대활동량을 산정함으로써 결과적으로 신뢰성설계에 소요되는 시간을 획기적으로 단축시켰다. 동해항 북방파제 제 11 구간에 대해서 신뢰성 설계법을 적용하여 케이슨의 기대활동량과 파괴확률을 계산하였다. 동해항 북방파제 설계조건에 따른 조건을 사용하여 각각 보강 전과 보강 후에 적용하였다. 학습자료는 Goda’s spectral method와 SWAN 모델을 사용하여 산정하였다. 인공신경망으로 방파제 위치에서의 유의파고와 파향을 예측한 결과, 목표값과 출력값의 상대오차가 약 2% 미만으로 인공신경망이 신뢰할 만한 수준으로 예측가능함을 확인하였다. 인공신경망을 이용하여 방파제 위치에서의 파고와 파향을 예측하는데 걸린 시간은 30초 이내로, 적절한 은닉층의 노드 수만 결정된다면 순전히 예측에 소요된 시간은 1초 정도로 매우 짧았다. 보강 전의 기대활동량이 평균적으로 약 3 m, 파괴확률을 약 80%로 위험한 것으로 판단되었다. 보강 후에는 파괴확률이 약 15%로 낮아졌으며, 기대활동량 또한 0.1 m 미만으로 허용활동량을 넘지 않음을 확인하였다. 본 연구에서는 기대활동량 산정에 필요한 다량의 파랑변형을 인공신경망을 도입함으로써 기존의 파랑변형모델과 비교하여 획기적으로 시간을 단축시킬 수 있었다. 결과적으로는 기대활동량과 파괴확률 산정에 소요되는 총 시간을 단축시켜 효율적인 신뢰성 설계법 수행이 가능해졌다. 앞으로 케이슨방파제의 설계변수에 대한 확률분포 추정이 활발히 진행되고, 다중파괴모드에 대한 연구가 이루어진다면 더욱 정확하고 효율적인 설계가 가능할 것이다. 주요어: 케이슨방파제, 기대활동량, 신뢰성 설계법, 인공신경망, 파랑변형 학 번: 2010-20934

Calculation of expected sliding distance of concrete caisson of vertical breakwater considering variability in wave direction : 파향의 변동성을 고려한 직립방파제 콘크리트 케이슨의 기대활동량 산정

홍수영 서울대학교 대학원 2003 국내박사

Comparative study of design methods for sliding of perforated wall caisson breakwater

김남훈 서울대학교 대학원 2014 국내석사

케이슨 방파제를 설계함에 있어서 방파제의 주요 파괴 모드인 활동에 대하여 안전율을 이용하는 결정론적 설계법이 사용되어 왔다. 하지만 구조물에 작용하는 하중과 구조물의 저항력 등에 대한 불확실성을 안전율이라는 간단하지만 경험적인 상수를 대신하기 때문에 활동량에 대한 정량적, 상대적인 평가가 어려워 구조물을 과대 혹은 과소 설계할 가능성을 내포하고 있다. 이러한 설계변수의 불확실성을 확률적 개념으로 고려하여 케이슨의 활동량을 계산하는 성능 설계법이 제안되고 있다. 무공케이슨 방파제의 성능 설계법은 과거 여러 연구자들에 의해 연구가 진행되어 왔으며, 현재 그 틀이 거의 잡혀져 있다 해도 과언이 아니다. 반면, 유공케이슨 방파제의 경우 전면의 유공벽 구조에 의한 파력 감쇄에 따라 구조물의 안정성이 증대되는 효과가 있음에도 불구하고 이와 관련된 연구는 국내∙외적으로 아직 많이 이루어지지 않았다. 본 연구에서는 기존의 무공케이슨 방파제의 성능 설계법 이론을 유공케이슨 방파제에 확장, 적용하여 이론의 적용 가능성 여부를 판단한다. 또한 결정론적 설계법의 결과와 비교 분석하여 합리적인 설계법을 결정 한다. 이는 유공케이슨 방파제의 성능 설계법에 대한 기준을 제시하기 위해 수행되는 기초 연구이다. 따라서 향후 유공케이슨 방파제의 성능 설계에 매우 중요한 지표가 될 것으로 예상된다. In the design of a caisson breakwater against sliding, the deterministic design method has been used with consideration of certain margin of safety factor. However, it is difficult to quantitatively and comparatively evaluate the sliding distance using the safety factor because of the uncertainty of the design variables. It may cause the over- or under-design of the structure. Therefore, it is required to develop probabilistic design methods (e.g., performance-based design method) to consider the uncertainties of the design variables by computing the sliding distance of the caisson. The performance-based design method of a solid-wall caisson breakwater has been investigated by many researchers and its framework is almost completed. On the other hand, researches on a perforated-wall caisson breakwater have been scarcely made despite the fact that it has greater structural safety due to decreased impulsive wave force at the perforated-wall. In this study, the conventional performance-based design method of the solid-wall caisson breakwater has been expanded and applied to the perforated-wall caisson breakwater in order to examine the feasibility of its application. In addition, a comparative analysis is made between the deterministic design method and performance-based design method. It will serve as a basic research to standardize the criteria of the performance-based design method of a perforated-wall caisson breakwater. Moreover, it is expected to be an important and useful tool in designing a stable perforated-wall caisson breakwater in the future.

혼성제 케이슨의 시간에 따른 활동량 추적 및 예방적 유지관리

강희원 강원대학교 2017 국내석사

현재 시행되고 있는 유지관리 체계의 문제는 다음과 같다. 먼저 점검 및 안전성 등급 판단에 너무 치중되어 있어 점검이 가진 신뢰성 문제와 안전성 등급 판단에 있어 한계성이 내포되어 있다는 점이다. 또한, 시설물의 성능이 미래에 어떻게 변할지, 또는 시설물에 피해가 미래에 얼마나 발생할지에 대한 예측이 불가능하다는 점이다. 셋째는 경제성 분석을 통한 최적 점검시기가 아닌 시설물의 안전성 등급별 점검시기를 사용하고 있다는 점이다. 따라서 본 연구에서는 현행 유지관리 체계의 문제점을 해결하고자 시설물의 성능이 미래의 어떻게 변할지, 또는 시설물에 피해가 얼마나 발생할지를 해석하기 위한 추계학적 피해진행 모형을 수립했다. 그리고 경제성 모형을 수립하고 이용하여 시설물의 최적 점검시기 및 보수⦁보강시기를 결정하였다. 즉, 예방적 유지관리를 위한 추계학적 최적 모형을 수립하였다. 먼저 시간에 따른 누적피해의 거동 특성과 파괴시간에 따른 거동특성을 해석하였다. 본 연구에서는 기존연구와 달리 시간에 따른 누적피해의 비선형 거동특성에 대한 해석과 몬테카를로 시뮬레이션을 통한 표본경로를 추가 해석하였다. 그리고 파괴시간에 따른 거동특성을 이용하여 경제성 분석을 실시하였다. 본 연구에서는 기존 연구와 달리 이자율을 고려할 수 있는 경제성 모형을 수립하였다. 따라서 이자율을 고려하는 경제성 모형을 통한 최적 유지관리 시기와 최소 기대비용률을 계산하여 예방적 유지관리를 위한 방법을 제시하였다. 마지막으로, 본 연구에서는 제시된 방법들을 혼성제 케이슨에 적용하였다. 먼저 혼성제 케이슨의 활동량 산정 모형을 수립하고, Ling 등(1999)이 사용한 임의의 단면과 실제 동해항 북방파제 단면을 이용하여 혼성제 케이슨의 활동량 산정 모형을 검증하였다. 그리고 검증된 활동량 산정 모형의 결과를 이용하여 추계학적 피해진행 모형에서 사용되는 매개변수들을 추정하였다. 또한, 추정된 매개변수들을 이용하여 파괴시간의 분포함수를 구하고 경제성 분석을 실시하였다. 경제성 분석으로 계산된 총 기대비용률을 이용하여 예방적 유지관리의 최적 시기 및 규모를 산정하였다. The problems of maintenance management system that is using currently are as follows. One is related to the accuracy of inspection and assessment of safety level. The other is that it is impossible to predict the future damage of facilities. Therefore, the inspection intervention has been determined according to the safety level, which is not optimal value resulted from the life-cycle cost analysis In this study, stochastic deterioration models are developed to analysis how facility performance will be changed or how many damage will be generated to facility. A cost model, then, is developed and used to determine the optimum maintenance time and size of a facility. It is called the preventive maintenance based on the stochastic model. Some characteristics of cumulative deterioration and failure time are analyzed first. Unlike the previous study, the analysis of nonlinear deterioration and sample path through Monte- Carlo simulation are studied in this thesis. Results such as the probability density function of failure times are used in cost model which can account of the interest rate over time. Therefore, a policy for the preventive maintenance is suggested in this thesis by calculating the minimal value of the expected total cost rate, from which the optimal decision variable are determined economically. Finally, the suggested models are applied to the composite breakwaters. The prediction model for the sliding distance of caisson of composite breakwater is formulated and calibrated satisfactorily, in which the Ling et al.(1999) arbitrary section and the section of Donh-hae harbor north breakwater are used. The parameters are estimated with the results of sliding distance. The optimal time and size for the preventive maintenance on the composite breakwaters are evaluated by minimizing the expected total cost rate calculated from cost model.