혼성제 케이슨의 시간에 따른 활동량 추적 및 예방적 유지관리

국문 초록 (Abstract)

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.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

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.

목차 (Table of Contents)

• 목 차
• 제 1 장 서 론 1 1.1 연구배경 및 목적 1
• 1.2 연구동향 8
• 1.3 연구범위 10
• 제 2 장 시간에 따른 누적피해 추적을 위한 추계학적 확률모형 11
• 2.1 시간에 따른 누적피해와 파괴시간 11
• 2.2 확률변수 모형 13
• 2.3 감마 확률과정 모형 15
• 2.4 시간에 따른 누적피해의 거동 특성 17
• 2.4.1 확률변수 모형의 결과 18
• 2.4.2 감마 확률과정 모형의 결과 22
• 2.5 파괴시간의 거동특성 비교 26
• 제 3 장 예방적 유지관리를 위한 경제성 모형 33
• 3.1 갱신 보상 확률과정 33
• 3.2 최적 유지관리시기 결정방법 35
• 제 4 장 혼성제 케이슨에 대한 적용 41
• 4.1 혼성제 케이슨 활동량 산정 모형 41
• 4.2 활동량 산정모형의 민감도 분석 54
• 4.3 혼성제 케이슨에 대한 예방적 유지관리 모형의 적용 61
• 4.3.1 임의 설계단면의 예방적 유지관리 61
• 4.3.2 동해항 단면의 예방적 유지관리 89
• 제 5 장 결 론 103
• 참 고 문 헌 106
• 표 목 차
• Table 1.1 시설물별 안전관리 주요 법령 4
• Table 1.2 시설물 상태에 따른 안전등급과 점검시기 5
• Table 2.1 파괴확률에 따른 파괴한계치 도달 시점 32
• Table 4.1 동해항 북방파제 실제 피해 사례 53
• Table 4.2 하중이 5회 내습한 경우에 대한 RV모형의 최적 유지관리 시기 88
• Table 4.3 하중이 10회 내습한 경우에 대한 RV모형의 최적 유지관리 시기 88
• Table 4.4 하중이 5회 내습한 경우에 대한 GP모형의 최적 유지관리 시기 88
• Table 4.5 하중이 10회 내습한 경우에 대한 GP모형의 최적 유지관리 시기 88
• Table 4.6 하중이 5회 내습한 경우에 대한 RV모형의 최적 유지관리 시기 102
• Table 4.7 하중이 5회 내습한 경우에 대한 GP모형의 최적 유지관리 시기 102
• 그 림 목 차
• Fig. 1.1 시설물 안전 관련 현행 법체계 3
• Fig. 1.2 예방적 유지관리를 위한 추계학적 모형 체계 6
• Fig. 2.1 포화모형, 선형모형, 가속모형의 시간에 따른 누적피해 12
• Fig. 2.2 RV모형의 시간에 따른 누적피해경로와 확률밀도함수-선형모형 19
• Fig. 2.3 RV모형의 시간에 따른 누적피해경로와 확률밀도함수-포화모형 20
• Fig. 2.4 RV모형의 시간에 따른 누적피해경로와 확률밀도함수-가속모형 21
• Fig. 2.5 GP모형의 시간에 따른 누적피해경로와 확률밀도함수-선형모형 23
• Fig. 2.6 GP모형의 시간에 따른 누적피해경로와 확률밀도함수-포화모형 23
• Fig. 2.7 GP모형의 시간에 따른 누적피해경로와 확률밀도함수-가속모형 24
• Fig. 2.8 RV모형 및 GP모형의 파괴시점에 대한 확률밀도함수 27
• Fig. 2.9 RV모형 및 GP모형의 파괴시점에 대한 누적확률밀도함수 27
• Fig. 2.10 RV모형 및 GP모형의 시간에 따른 생존확률 28
• Fig. 2.11 파괴확률에 따른 파괴한계치 도달 시점-선형모형 30
• Fig. 2.12 파괴확률에 따른 파괴한계치 도달 시점-포화모형 30
• Fig. 2.13 파괴확률에 따른 파괴한계치 도달 시점-가속모형 31
• Fig. 3.1 이자율을 고려한 보수⦁보강비용의 현재가치 36
• Fig. 3.2 RV모형 및 GP모형의 시간에 따른 기대비용률-선형모형 38
• Fig. 3.3 RV모형 및 GP모형의 시간에 따른 기대비용률-포화모형 38
• Fig. 3.4 RV모형 및 GP모형의 시간에 따른 기대비용률-가속모형 39
• Fig. 4.1 혼성제 케이슨에 사용되는 제원 42
• Fig. 4.2 주기에 따른 파랑계수, 속도, 활동량 48
• Fig. 4.3 동해항 북방파제 설계제원 51
• Fig. 4.4 주기에 따른 파랑계수 및 활동속도, 활동량 52
• Fig. 4.5 주기에 따른 파랑계수 및 활동속도, 활동량 56
• Fig. 4.6 주기에 따른 파랑계수 및 활동속도, 활동량 58
• Fig. 4.7 주기에 따른 파랑계수 및 활동속도, 활동량 60
• Fig. 4.8 RV모형의 시간에 따른 활동량경로와 확률밀도함수-선형모형 64
• Fig. 4.9 RV모형의 시간에 따른 활동량경로와 확률밀도함수-선형모형 64
• Fig. 4.10 RV모형의 시간에 따른 활동량경로와 확률밀도함수-포화모형 66
• Fig. 4.11 RV모형의 시간에 따른 활동량경로와 확률밀도함수-포화모형 66
• Fig. 4.12 RV모형의 시간에 따른 활동량경로와 확률밀도함수-가속모형 68
• Fig. 4.13 RV모형의 시간에 따른 활동량경로와 확률밀도함수-가속모형 68
• Fig. 4.14 GP모형의 시간에 따른 활동량경로와 확률밀도함수-선형모형 70
• Fig. 4.15 GP모형의 시간에 따른 활동량경로와 확률밀도함수-선형모형 70
• Fig. 4.16 GP모형의 시간에 따른 활동량경로와 확률밀도함수-포화모형 72
• Fig. 4.17 GP모형의 시간에 따른 활동량경로와 확률밀도함수-포화모형 72
• Fig. 4.18 GP모형의 시간에 따른 활동량경로와 확률밀도함수-가속모형 74
• Fig. 4.19 GP모형의 시간에 따른 활동량경로와 확률밀도함수-가속모형 74
• Fig. 4.20 하중이 5회 내습한 경우에 대한 파괴시간의 확률밀도함수 76
• Fig. 4.21 하중이 10회 내습한 경우에 대한 파괴시간의 확률밀도함수 76
• Fig. 4.22 하중이 5회 내습한 경우에 대한 파괴시간의 누적확률밀도함수 78
• Fig. 4.23 하중이 10회 내습한 경우에 대한 파괴시간의 누적확률밀도함수 78
• Fig. 4.24 하중이 5회 내습한 경우에 대한 시간에 따른 생존확률 80
• Fig. 4.25 하중이 10회 내습한 경우에 대한 시간에 따른 생존확률 80
• Fig. 4.26 하중이 5회 내습한 경우에 대한 시간에 따른 기대비용률-선형모형 82
• Fig. 4.27 하중이 10회 내습한 경우에 대한 시간에 따른 기대비용률-선형모형 82
• Fig. 4.28 하중이 5회 내습한 경우에 대한 시간에 따른 기대비용률-포화모형 84
• Fig. 4.29 하중이 10회 내습한 경우에 대한 시간에 따른 기대비용률-포화모형 84
• Fig. 4.30 하중이 5회 내습한 경우에 대한 시간에 따른 기대비용률-가속모형 86
• Fig. 4.31 하중이 10회 내습한 경우에 대한 시간에 따른 기대비용률-가속모형 86
• Fig. 4.32 RV모형의 시간에 따른 누적피해경로와 확률밀도함수-선형모형 90
• Fig. 4.33 RV모형의 시간에 따른 누적피해경로와 확률밀도함수-포화모형 90
• Fig. 4.34 RV모형의 시간에 따른 누적피해경로와 확률밀도함수-가속모형 91
• Fig. 4.35 GP모형의 시간에 따른 누적피해경로와 확률밀도함수-선형모형 93
• Fig. 4.36 GP모형의 시간에 따른 누적피해경로와 확률밀도함수-포화모형 93
• Fig. 4.37 GP모형의 시간에 따른 누적피해경로와 확률밀도함수-가속모형 94
• Fig. 4.38 RV모형 및 GP모형의 파괴시점에 대한 확률밀도함수 96
• Fig. 4.39 RV모형 및 GP모형의 파괴시점에 대한 누적확률밀도함수 96
• Fig. 4.40 RV모형 및 GP모형의 시간에 따른 생존확률 97
• Fig. 4.41 하중이 5회 내습한 경우에 대한 시간에 따른 기대비용률-선형모형 99
• Fig. 4.42 하중이 5회 내습한 경우에 대한 시간에 따른 기대비용률-포화모형 99
• Fig. 4.43 하중이 5회 내습한 경우에 대한 시간에 따른 기대비용률-가속모형 100