KR20050003673A - 교량의 유지관리계획 수립 및 생애주기 비용산정을 위한노후화 예측 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 효율적인 교량의 유지관리를 위한 계획을 수립하고 각종 의사결정을 위해 신뢰성 있는 생애주기비용을 산정하기 위한 교량의 노후화를 예측하는 방법에 관한 것이다.
이를 위해 교량의 최초상태를 나타내는 지수를 y0라고 하고 교량을 준공한 후 t간이 경과한 시점에서 각종 조사에 의하여 y를 결정하면함수 및함수의 미지수 a를 결정함으로서 향후 발생 가능한 노후도를 예측하는 방법에 관한 것이다.
또한 tr시점에서 교량의 상태를 나타내는 지수가 y0'가 되도록 유지관리 조치가 이루어 졌고 t1시점에서 교량을 조사하여 y1한 경우함수 및함수의 미지수 a1을 결정함으로서 유지관리 조치 후 교량의 노후화를 예측하는 방법에 관한 것이다.

Description

교량의 유지관리계획 수립 및 생애주기 비용산정을 위한 노후화 예측 방법 {The Life cycle profile for the life cycle cost and the management plan of bridge structures}
본 발명은 정기적으로 실시하고 있는 안전점검이나 안전진단에서 얻어진 각종 조사 자료를 이용하여 향후 발생 가능한 교량의 노후화 예측함으로서 교량의 체계적인 유지관리계획을 수립하고 합리적인 생애주기비용을 산정하기 위한 노후화 예측 방법에 관한 것이다.
일반적으로 교량은 준공 후 공용기간동안 환경적 요인 및 작용 활하중의 변동요인으로 인하여 노후화되기 때문에 교량을 신설할 때에는 계획단계부터 유지관리를 고려한 의사결정을 하여야 한다. 공용중인 교량은 수명연장을 위한 적극적인 개ㆍ보수여부와 경제성을 고려한 교체여부 등 유지관리계획을 수립하기 위하여는 향후 발생 가능한 유지관리조건을 고려하여 의사결정을 하여야 한다. 그러나 종래에는 교량구조물을 건설계획하고 선정할 때 일반적으로 설계 및 시공 등의 초기건설비용에 국한해서 교량계획을 세우는 경우가 많았으며 공용중인 교량은 손상 및 노후화가 발생되면 사후조치에 의한 유지관리를 하고 있는 실정이다.
이에 따라 최근에는 교량의 계획 단계에서 교량의 형식 및 주요자재를 결정하기 위하여 초기 건설비용뿐 아니라 교량구조물의 공용기간동안 소요되는 모든 비용을 포함한 생애주기비용분석을 통해 교량의 노후화 여부 등의 의사결정을 하기 위한 연구가 미국이나 일본 등에서 이루어지고 있다.
이러한 교량의 노후화 과정을 나타내는 모델로서 미국에서는 교량의 현장 조사 결과를 이용하여 메사추세츠교통시스템센터(Massachusetts TSC)와 뉴욕 교통국 (New York DOT)에서는 1개의 1차식으로 표현되는 모델을 제안하였으며, 미국의 알라바마(Alabama)주에서는 2개의 1차식으로 표현되는 모델을 제안하였고, 일본에서는 시험결과를 토대로 3차 함수식을 제안하였다. 국내에서는 교량의 노후화를 나타내는 함수에 대한 연구가 미진하며, 우리나라 실정에 맞지 않는 국외 연구결과를수정없이 사용하거나 전문가 집단의 설문조사결과에 의한 3차 함수식의 모델을 제안하였다.
상기 미국에서 제안된 2개의 1차 함수식을 이용하는 경우 함수의 연속성이 없어 2개의 함수식을 완성하기 위해서는 2개의 함수식이 만나는 특정점을 파악하여야 하는 문제점이 있다.
또한, 일본에서 제안된 3차 함수식은 실험적인 경향만을 반영하는 문제점이 있다.
국내에서 제안된 3차 함수식은 전문가의 설문조사를 기준으로 하여 교량의 주어진 환경을 반영하지 못하는 문제점이 있었고, 또한 교량의 주어진 조건에 따라 시간경과에 따른 교량의 노후도가 상이함에도 불구하고 모든 교량이 동일한 노화율을 가지고 노후화 되어 가는 것으로 정의하는 문제점이 있었다.
본 발명은 상기와 같은 종래의 여러 가지 문제점을 고려하여 이루어 진것으로 그 목적은 정기적으로 실시하고 있는 안전점검이나 안전진단에서 얻어진 각종 조사 자료를 이용하여 향후 발생 가능한 교량의 노후화 예측함으로서 교량의 체계적인 유지관리계획을 수립하고 합리적인 생애주기비용을 산정하기 위한 노후화 예측 방법을 제공함에 있다.
상기한 목적을 달성하기 위한 본 발명은 안전점검이나 안전진단에서 얻어진 자료를 각종 방법에 의하여 계산된 교량평가지수를 이용하여 국내 교량의 노후화를 예측할 수 있는 수학적 모델을 제시함으로서 단위교량의 각종 조사결과에 의해 단위교량의 노후화를 예측할 수 있을 뿐만 아니라 노선별, 지역별 교량군에 대한 노후화 과정을 표현할 수 있는 함수식에 의해 경제적이고 합리적인 유지관리대책을 수립할 수 있을 뿐만 아니라 신뢰성있는 생애주기비용을 산정하여 최적의 의사결정을 할 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
도 1은 무리함수식에 의한 초기노후화 과정과 유지관리조치 후 노후화 과정을 나타낸 것이고,
도 2는 2차함수식에 의한 초기노후화 과정과 유지관리조치 후 노후화 과정을 나타낸 것이며,
도 3은 무리함수식에 의한 노후화 예측을 나타낸 것이고,
도 4는 2차함수식에 의한 노후화 예측을 나타낸 것이다.
＜도면의 주요부호에 대한 설명＞
t: 공용년수
y: 교량평가지수(상태등급)
본 발명은 효율적인 교량의 유지관리를 위한 계획을 수립하고 각종 의사결정을 위해 신뢰성 있는 생애주기비용을 산정하기 위한 교량의 노후화를 예측하기 위한 방법을 제공하는 것이다.
이러한 교량의 노후화 과정을 예측하기 위한 방법의 모델(함수식)로서 표1과 같이 미국에서는 교량의 현장 조사 결과를 이용하여 메사추세츠교통시스템센터 (Massachusetts TSC)와 뉴욕 교통국(New York DOT)에서는 1개의 1차식으로 표현되는 모델을 제안하였으며, 미국의 알라바마(Alabama)주에서는 2개의 1차식으로 표현되는 모델 등을 제안하였고, 일본에서는 시험 결과를 토대로 3차 함수식 등을 제안하였다. 국내에서는 교량의 노후화를 나타내는 함수에 대한 연구가 미진하며, 우리나라 실정에 맞지 않는 국외 연구결과를 수정없이 사용하거나 전문가 집단의 설문조사결과에 의한 3차 함수식의 모델을 제안하였다.
상기 미국에서 제안된 2개의 1차 함수식을 이용하는 경우 함수의 연속성이 없어 2개의 함수식을 완성하기 위해서는 2개의 함수식이 만나는 특정점을 파악하여야 하는 문제점이 있다.
또한, 일본에서 제안된 3차 함수식은 실험적인 경향만을 반영하는 문제점이있다.
국내에서 제안된 3차 함수식은 전문가의 설문조사를 기준으로 하여 교량의 주어진 환경을 반영하지 못하는 문제점이 있었고, 또한 교량의 주어진 조건에 따라 시간경과에 따른 교량의 노후도가 상이함에도 불구하고 모든 교량이 동일한 노화율을 가지고 노후화되어 가는 것으로 정의하는 문제점이 있었다.
이러한 문제점을 해소하기 위해 표1과 같이 노후화 과정에 대한 모델(함수식)을 연구한 결과, 교량의 노후화경향을 가장 근접하게 나타나는 것은로 표현되는 함수로 나타났다.함수는 1차 미분을 하였을 때 공용년수 t와승을 갖는 함수로 되어 초반부에는 1차식과 같은 경향을 나타내나 t값이 어느 정도 증가하게 되면 y가 급격히 변하는 성질을 갖고 있어 초반부의 노후화율와 후반부의 노후화율을 표현할 수 있다. 또한으로 표현되는 2차함수식은 1차 미분하였을 때 공용년수 t의 1차함수식이 되므로 노후화 속도가 일정한 경우 노후화를 표현할 수 있으며,로 노후화를 표현하는 경우 노후화가 거의 진행되지 않은 초반부의 노후화율과 일정하게 노후화되는 후반부의 노후화율을 표현할 수 있다. 따라서 본 발명에서는 수학적 노후화예측모델로로 표현되는 무리식과으로 표현되는 2차함수식을 제공한다.
즉, 교량의 최초상태를 나타내는 지수를 y0라고 하고 교량을 준공한 후 t시간이 경과한 시점에서 각종 조사에 의하여 y를 결정하면함수 및함수의 미지수 a를 결정함으로서 향후 발생 가능한 노후도를 예측하는 방법에 관한 것이며, 또한 tr시점에서 교량의 상태를 나타내는 지수가 y0'가 되도록 유지관리조치가 이루어 졌고 t1시점에서 교량을 조사하여 y1한 경우함수 및함수의 미지수 a1을 결정함으로서 유지관리 조치 후 교량의 노후화를 예측하는 것을 특징으로 한다.
이하에서 본 발명을 첨부도면에 의해 상세히 설명한다.
본 발명의 구성은 교량의 초기노후화를 예측할 수 있는 함수식과 유지관리조치를 실시한 이후의 노후화 과정을 예측할 수 있는 함수식으로 각각 구성되어 있다.
본 발명은 첫째로, 교량의 외관조사에 의한 평가지수, 내구성 조사에 의한 평가지수, 내하력조사에 의한 평가지수 및 상기 세가지를 조합한 평가지수 등을 이용하여 교량의 노후화 과정을과로 표현되는 노후화예측모델을 제공한다.
본 발명은 이러한 경향을 다음 (1)식과 (2)식으로 나타내는 것이다.
도1에서 x축은 교량의 공용년수(또는 공용기간) t를 나타내며, y축은 교량의 상태를 평가하는 상태등급(또는 평가지수)을 나타낸다 외관지수, 내구지수 및 상태지수로 구성되는 교량평가지수는 y=5이면 최상의 상태이고 y=1이면 최악의 상태을 나타낸다. 교량의 최초상태를 점 A(t0,y0)라고 하고, 교량을 준공한 후 t시간이 경과한 시점에서 각종 조사에 의하여 y를 결정하면 B(t,y)점이 된다. 따라서 교량을 한번 조사하면 y0, y, t를 알 수 있음으로 (1)식과 (2)식의 미지수 a를 계산 할 수 있다. 일단 a가 결정되면 준공 후 교량의 노후화의 과정을 도1의 (1)과 같이 나타낼 수 있다.
본 발명은 둘째로, 교량의 외관조사에 의한 평가지수, 내구성 조사에 의한 평가지수, 내하력조사에 의한 평가지수 및 상기 세가지를 조합한 평가지수 등을 이용하여 교량의 유지관리조치 이후 노후화되는 과정을과로 표현하는 노후화예측모델을 제공한다.
유지관리 조치에 따른 노후화예측모델은 표1에 제시된 노후화예측모델에서,로 치환한다. 여기에서 결정되는 미지수 a1는 초기 노후화예측모델의 a와 동일한 것을 사용할 수 있으며, 유지관리조치 후 각종조사에 의해 새로운 값을 구할 수 있다.
즉, 교량을 준공한 후 tr시점에서 유지관리조치를 실시하여 y0'의 교량평가지수를 상향 조정하였다면 점 C(tr,y0')점을 구할 수 있다. 이때 t1되는 시점에서 조사를 실시하여 y1의 평가지수를 결정하면 D(t1,y1)점을 구할 수 있다. 이와 같이 유지관리 조치를 반영한 교량의 노후화는 다음 (3)식과 (4)식으로 표현한다.
tr시점에서 유지관리조치를 실시하여 y0'의 교량평가지수를 상향 조정하고t1되는 시점에서 조사를 실시하여 y1의 평가지수를 결정하였음으로 tr, y0', y1, t1를 알 수 있음으로 (3)과 (4)의 미지수 a1을 계산할 수 있다. 일단 a1이 결정되면 유지관리조치 이후 교량의 노후화의 과정을 도1의 (2)와 같이 나타낼 수 있다.
본 발명의 교량 노후화를 표현하는 함수식에 의하여 교량의 노후화 과정을 도시하여 보면, 도 1은 무리함수식 (1)식과 (3)식에 의한 초기 노후화 과정과 유지관리조치 후 노후화 과정을 나타낸 것이며, 도 2는 2차함수식 (2)식과 (4)식에 의한 교량의 노후화 진행과정을 나타낸 것이다.
본 발명은 (1)식과 (2)식의 미지수 a와 (3)식과 (4)식의 미지수 a1을 동일하게 사용하거나 조사결과에 의하여 상이하게 사용할 수 있다.
또한, (1)식과 (2)식의 y0와 (3)식과 (4)식의 y0' 를 교량의 평가지수의 기준에 의해 변경할 수 있다.
＜실시 예＞
본 발명을 검증하기 위하여 표 3과 같이 국도상의 2등교에 대한 교량의 외관조사에 의한 평가지수, 내구성 조사에 의한 평가지수, 내하력조사에 의한 평가지수 및 상기 세가지를 조합한 교량평가지수를 산정한 후 본 발명에서 제안한 함수식을 적용하여 보았다. 동일한 데이터에 대해서 도 3에서는 (1)식에 의한 무리함수식을 적용하였으며, 도 4에서는 (2)식의 2차 함수식을 적용하였다. 도 3과 도 4에서 보는 바와 같이 교량의 여건에 따라 교량의 노후화 경향은 크게 2종류로 분류되며, (1)은 y0를 5로 정한 반면 (2)는 y0를 4.5로 정하였다. 노후화 예측도에서 보는 바와 같이 교량의 사용여건이 유사한 경우 동일한 경향의 노후화가 진행되는 것을 알 수 있었다.
따라서, 전체적으로 수집된 데이터와 본 발명에서 제안한 식이 잘 일치하고 있음을 알 수 있었다.
이상 상세히 설명한 바와 같이, 교량의 유지관리계획을 수립하는데 가장 중요한 요소는 향후 교량의 노후화 진행과정이라 할 수 있다. 이러한 시간이력에 따른 노후화 진행과정을 나타내는 본 발명의 표준화된 노후화 예측 함수식을 이용한다면 최소한의 자료만으로도 교량의 노후화 과정을 예측할 수 있음으로 공용중인 교량에 대하여 가장 경제적인 유지관리 대안을 결정할 수 있는 장점이 있다.
즉, 예방적 유지관리, 사후유지관리 및 대규모 수선여부를 결정할 수 있는 의사결정수단을 제공할 수 있게 되는 장점이 있다.
또한, 표준화된 노후화 함수식은 우리나라와 같이 교량의 유지관리 역사나 데이터베이스(D/B)가 적은 경우라 할지라도 최소 횟수의 정밀점검이나 정밀안전진단의 결과만으로도 노후화예측모델 구축이 가능하게 되어 단위 교량별 특성을 충분히 반영한 유지관리계획의 수립이 가능하게 되는 장점이 있다.

Claims (4)

  1. 교량의 외관조사에 의한 평가지수, 내구성 조사에 의한 평가지수, 내하력조사에 의한 평가지수 및 상기 세가지를 조합한 평가지수 등을 이용하여 교량의 노후화 과정을과(여기서 교량의 최초상태를 나타내는 지수 y0, 교량을 준공한 후 시간 t, 교량평가지수 y, 미지수 a를 말함)로 표현하는 것을 특징으로 하는 교량의 유지관리계획 수립 및 생애주기 비용산정을 위한 노후화예측방법.
  2. 교량의 외관조사에 의한 평가지수, 내구성 조사에 의한 평가지수, 내하력조사에 의한 평가지수 및 상기 세가지를 조합한 평가지수 등을 이용하여 교량의 유지관리조치 이후 노후화되는 과정을과(여기서 교량을 준공한 후 시점 tr, t1, 교량평가지수 y0', y1, 미지수 a1을 말함) 로 표현하는 것을 특징으로 하는 교량의 유지관리계획 수립 및 생애주기 비용산정을 위한 노후화예측방법.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 미지수 a와 미지수 a1을 동일하게 사용하거나 조사결과에 의하여 상이하게 사용할 수 있는 것을 특징으로 하는 교량의 유지관리계획 수립 및 생애주기 비용산정을 위한 노후화예측방법.
  4. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 교량평가지수 y0와 교량평가지수 y0'를 교량의 평가지수의 기준에 의해 변경할 수 있는 것을 특징으로 하는 교량의 유지관리계획 수립 및 생애주기 비용산정을 위한 노후화예측방법.
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