Corrosion fatigue reliability-based life cycle cost analysis of high-speed railway steel bridges = 고속철도 강교량의 부식 피로신뢰성 기반 생애주기비용 분석

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

This study proposes a corrosion fatigue system reliability-based life cycle cost analysis model of high-speed railway steel bridge. As it recently appears that Life Cycle Cost Analysis may be considered as new methodology for economic valuation of infrastructure many researches have been made to assess LCC(Life Cycle Cost) of each facility based on a reasonable methods. In general, LCC is composed of construction cost and expected maintenance repair cost. And especially, maintenance repair cost must be estimated to enhance the reliability through systematic and reasonable methods. However in Korea, because high speed railway steel bridges are recently constructed no direct statistical data are available for the account of the maintenance cost and then their maintenance characteristics are not linear yet. It is important to estimate fatigue and corrosion of result in the effect of stress concentrations on fatigue resistance. Hence the stress-based Approach (S-N Curve) and the LEFM approach is used for corrosion fatigue reliability analysis based on Rahgozar et al.(2006)'s model on fatigue notch factor considering into the corrosion to incorporate the corrosion effect into the fatigue strength reduction. And the corrosion fatigue system reliability model based on S-N curve approach is proposed to compute the life cycle cost under construction.
Finally, this paper reviews the proposed LCC model in oder to confirm the applicability and feasibility by appling it to measured data of high speed railway steel bridges.

국문 초록 (Abstract)

최근 생애주기비용 분석이 사회기반 시설물 경제성 평가 분야의 새로운 방법론으로 대두됨에 따라 체계적이고 합리적인 방법으로 각 시설물의 생애주기비용을 산정하기 위한 노력이 진행되고 있다. 합리적인 생애주기비용 분석을 위해서는 초기비용 뿐만 아니라 유지관리 비용의 예측이 필요하나 국내의 고속철도 교량은 가설한지 얼마 되지 않았기 때문에 유지보수에 대한 자료가 부족하고 이에 대한 유지관리 특성을 파악하고 있지 못한 실정이다. 또한 강교량의 주된 열화의 원인이 되는 시간에 따른 부식과 피로누적으로 인한 성능의 저하를 공용기간이 증가함에 따라 적절히 평가할 수 있어야 한다. 특히, 고속철도 강교량은 큰 활하중으로 인한 진동으로 인하여 피로에 취약하며 부식에 의한 부재의 부분적인 손상으로 인해 발생하는 국부적인 손상과 그로 인한 응력집중이 강교의 손상 중에서 대부분을 차지한다.
따라서 부식과 피로의 열화로 인한 손상을 고려한 고속철도 강교량의 설계단계에서의 합리적인 유지관리비용분석이 필요하다. 이를 위해서 Rahgozar et al.(2006)이 제안한 부식열화에 따른 피로강도감소계수를 적용하여 S-N 방법과 LEFM 기법으로 부식 피로신뢰성 해석을 수행하였다. 설계단계의 생애주기비용 분석을 위해서 설계시의 허용응력을 기준으로 평가하는 S-N방법의 신뢰성해석 결과를 활용 하였다. 마지막으로 전체 교량을 하나의 시스템으로 보고 체계신뢰성해석을 기반으로 하는 생애주기비용 분석 모델을 제안하였다. 제안된 생애주기비용 모델을 경부 고속철도 소수주형교의 계측데이터를 이용하여 적용함으로써 고속철도 강교의 부식과 피로의 열화를 고려한 생애주기비용모델을 적절히 반영할 수 있음을 보였다.

목차 (Table of Contents)

• Chapter 1: Introduction = 1
• 1.1 Research Background and Objectives = 1
• 1.2 Previous Studies = 1
• 1.3 Research Scope = 4
• Chapter 2: Literature Rev iew and Background on Methods　for Corrosion　Fatigue Analysis = 5
• 2.1 Structural Reliability Analysis = 5
• 2.1.1 Limit State Function = 5
• 2.1.2 A Simple Load and Resistance Model = 6
• 2.1.3 Reliability Index and Probability of Failure = 8
• 2.1.3.1 First-Order Reliability Method (FORM) = 9
• 2.1.3.2 Monte Carlo Simulation = 10
• 2.1.4 Systems reliability = 12
• 2.2 Deterministic Fatigue Analysis for Steel Bridges = 13
• 2.2.1 Stress-Based Approach (S-N Curve Approach) = 14
• 2.2.1.1 AASHTO LRFD Fatigue Design Specifications = 17
• 2.2.2 Linear Elastic Fracture Mechanics (LEFM) Approach = 18
• 2.2.3 Rainflow Counting Method = 21
• 2.3 Corrosion Analysis for Steel Bridges = 24
• Chapter 3: Corrosion　Fatigue Reliability Analysis for High-Speed Railway Steel Bridges = 26
• 3.1 Target Reliability = 27
• 3.2 AASHTO Corrosion Fatigue Reliability Approach = 29
• 3.2.1 Limit State Function = 29
• 3.2.2 Miner’'s Critical Damage Accumulation Index = 30
• 3.2.3 Evaluation of the Corrosion Fatigue Reliability Index = 30
• 3.3 LEFM Corrosion Fatigue Reliability Approach = 31
• 3.3.1 Limit State Function = 32
• 3.3.2 Studies of Related Variables in the Limit State Function = 37
• 3.3.2.1 Initial Crack Size = 37
• 3.3.2.2 Fatigue Crack Growth Parameters, C and m = 38
• Chapter 4: Example Application = 40
• 4.1 Description of Example Bridge = 40
• 4.2 Measured Data Application = 41
• 4.3 FEM Modeling = 43
• 4.4 Reliability Analysis Condition = 45
• 4.5 reliability Results = 46
• 4.5.1 Maintenance cycles based on S-N approach = 46
• 4.5.2 Maintenance cycles based on LEFM approach = 48
• 4.5.3 Maintenance cycles based on system reliabilty = 50
• Chapter 5: Life Cycle Cost Analysis for High Speed Rail Way Steel Bridge = 52
• 5.1 Formulation of Life Cycle Cost Functions = 52
• 5.1.1 Initial cost = 53
• 5.1.2 Maintenance cost = 53
• 5.1.3 Disposal cost = 54
• 5.2 Application of Life Cycle Cost = 55
• 5.2.1 Initial cost = 55
• 5.2.2 Maintenance cost based on system reliability = 55
• 5.2.3 Disposal cost = 57
• 5.3 Result of Life Cycle Cost = 57
• Chapter 6: Conclusion = 59
• Reference = 60