Data-Based Evaluation and Updating of Bridge Reliability Considering Traffic Environment and Strength Degradation

김지환 서울대학교 대학원 2021 국내박사

A bridge is subjected to various kinds of loads from the environmental conditions, and changes in its condition and performance, such as structural degradation due to aging over its service life. Therefore, in efforts regarding bridge maintenance, it is essential to continuously monitor these changes in conditions and evaluate the bridge reliability accordingly. Among the various types of loads, one of the most uncertain loads in the general environment condition, excluding those caused by disasters such as wind and earthquake load, is the traffic load. Therefore, it is important to accurately estimate traffic loads by considering uncertainty through probabilistic methods for the purpose of the design and condition evaluation of bridges. However, most studies have focused on elaborate modeling of strength degradation and deterioration processes to consider the strength degradation of bridge members, while paying relatively less attention to the traffic load effects on the bridge reliability. Therefore, this dissertation aims to evaluate the bridge reliability by sophisticated estimation of not only the strength of bridge members but also the traffic load effects on the members. Specifically, the dissertation presents a new framework for evaluating and updating reliability over the service life of post-tensioned concrete (PSC) box girder bridges by considering flexural strength degradation due to corrosion of strands, and changes in traffic load effects caused by traffic environment changes. First, to estimate the traffic loads while reflecting the diverse conditions of the traffic environment of the bridge, a comprehensive probabilistic model for bridge traffic load is developed based on the WIM data collected in three sites (Gimcheon, Sunsan, and Waegwan) of South Korea. Key variables are identified and then probabilistic models for them are developed based on statistical studies, theories of transportation engineering, and the analysis of WIM data representing the traffic environment. For a congested traffic flow, microsimulation models are introduced to consider changes in the lane and speed of vehicles. Numerical examples rigorously verify the developed model and confirm that the multiple presence factor of the current design code is conservative. In addition, a simple parametric study shows that the developed model can quantitatively evaluate the effect of changes in the key variables on the traffic load effects because all variables in the developed model are parameterized. Second, a Bayesian updating methodology is proposed to update traffic load effects by using in-service traffic data based on the changing traffic environment over time. Gaussian-inverse gamma distribution, Bayesian linear regression, and Gibbs sampling are used for Bayesian inference. A hyper-parameter setting method is proposed that considers the degrees of belief in the prior model and the measurement accuracy of new observations. Through numerical investigations, the proposed updating methodology is verified. Next, updating examples confirm that the proposed methodology can quantitatively evaluate the effect of changes in the traffic environment on the traffic load effects of the bridge, and the accuracy of estimated traffic load effects can be improved in the specific bridge (the 2nd Jindo Bridge) whose information is insufficient to estimate traffic loads. Third, a new design live load model for long-span bridges in South Korea is proposed by incorporating the diverse traffic environment into the bridge design. The traffic environments of long-span bridges in Korea were investigated and the classification was proposed for two important variables (heavy vehicles and traffic congestion). For each traffic environment condition, traffic flow simulations were conducted to calculate the live load samples, upon which a design lane load model and multiple presence factor are proposed. The live load effects are calculated using the influence line of the actual cable-stayed bridge based on the new proposed live load model and compared to the live load effects from the Korean Highway Bridge Design Code-Cable-supported Bridges. Furthermore, a final unified design live load model is proposed which covers short- to long-span bridges, and statistical characteristics of live loads and live load effects are investigated. Lastly, the time-dependent reliability of the PSC box girder bridges over the service life is evaluated through elaborate modeling of the corrosion of strands and using the developed bridge traffic load estimation techniques. Various variables related to corrosion are considered to describe strength degradation, and classification of the corrosive environment is proposed. Two sections (positive and negative moment) of Hwayang-Jobal Bridge are selected as application examples. The traffic load effect (bending moment) of the target section is estimated based on the traffic information around the example bridge and the assumed scenarios of traffic environment change. The flexural strength of the girder is calculated through an iterative method with considering strength degradation due to corrosion. Ultimate limit state 1 is used as the limit state, and a total of 22 random variables are used for time-dependent reliability evaluation. To efficiently calculate the time-dependent reliability, the subset simulation and a recently proposed structural reliability method that combines FORM and sampling-based methods are used. The time-dependent reliability of the bridge over 100 years is evaluated to investigate the effects of corrosion and traffic load on reliability. These examples show that not only corrosion of steel strands but also the traffic load is an important factor in evaluating reliability. In addition, the reliability is updated using the data and information obtained through inspection and monitoring. Based on this result, maintenance strategies to satisfy the target level of reliability are established. The data-based bridge reliability evaluation and updating framework that considers traffic environment and strength degradation proposed in this dissertation is expected to contribute to enhancing bridge condition evaluation technology and establishing optimized maintenance strategies. 교량은 사용수명동안 다양한 환경으로부터 여러 종류의 하중이 재하 되며 노후화 및 열화 현상으로 인한 강도 저하 등의 상태 변화를 겪는다. 따라서 이러한 상태 변화를 지속적으로 관찰하고 이를 반영하여 교량의 신뢰도를 평가하는 것은 교량 유지관리에 있어 필수적이다. 여러 종류의 하중 중에서 강풍, 지진 하중 등의 재난으로부터 발생하는 하중을 제외한 일반적인 사용환경에서 가장 불확실성이 큰 하중 중 하나는 차량 활하중이다. 그러므로 확률론적 방법론을 통해 불확실성을 고려하여 차량 활하중을 정확하게 산정하는 것은 교량의 설계 및 상태 평가에 중요하다. 그러나 대부분의 연구들은 교량 부재의 강도저하를 고려하기 위해 부식 및 노후화 과정을 정교하게 모델링하는 반면 차량 활하중효과는 상대적으로 소홀하게 추정해왔다. 따라서 본 논문에서는 교량 부재의 강도뿐만 아니라 부재에 가해지는 차량 활하중효과도 정교하게 추정하여 신뢰도 평가를 수행하는 것을 목표로 한다. 이를 위해 본 학위논문은 구체적으로 교통환경에 따른 차량 활하중 변화 및 강연선의 부식으로 인한 휨 강도저하에 초점을 맞추어 PSC 박스 거더 교량의 사용수명동안 신뢰도를 평가하고 업데이트하는 프레임워크를 제안하였다. 먼저, 교량의 다양한 교통환경을 반영하여 차량 활하중을 산정하기 위하여 국내 세 지역(김천, 선산, 왜관)의 고속도로에서 1년동안 수집된 WIM 데이터를 기반으로 교량 차량 활하중 확률 모델을 개발하였다. 교통환경을 나타내는 WIM 데이터를 분석하여 핵심 랜덤 변수를 선정하고 확률론적 분석과 교통공학 이론에 기초하여 확률 모델을 구축하였다. 정체 교통 상황 시, 차량의 속도 및 차로 변경을 고려하기 위하여 마이크로 시뮬레이션 모델을 도입하였다. 수치 예제를 통해 개발된 모델은 엄밀하게 검증이 되었으며 설계기준의 다차로재하계수가 보수적임을 확인하였다. 또한 개발된 모델의 주요 변수들은 파라미터화 되어있기 때문에 주요 교통환경 변수의 변화가 차량 활하중효과 산정에 미치는 영향을 정량적으로 평가할 수 있음을 간단한 파라미터 스터디를 통해 확인하였다. 두번째로 시간에 따라 변화하는 교통환경에 주목하여 이를 지속적으로 고려하여 차량 활하중효과를 업데이트할 수 있는 베이지안 추론 기반 차량 활하중 업데이트 방법론을 제안하였다. 가우시안-역감마 분포, 베이지안 선형회귀, 깁스 샘플링을 이용하였으며 사전 분포의 믿음의 정도와 새 관측값의 정확도를 고려한 하이퍼파라미터 설정 방법을 제안하였다. 업데이트 예제를 통해 제안한 업데이트 방법론은 검증되었으며, 개발된 방법론을 이용하면 교통환경의 변화가 교량의 차량 활하중효과 미치는 영향을 정량적으로 평가할 수 있고 교통정보가 부족한 특정 교량(제2진도대교)의 차량 활하중효과를 더 정확하게 추정할 수 있음을 보였다. 세번째로 국내 장경간 교량의 교통환경을 반영한 새로운 설계 차량 활하중 모델을 제안하였다. 이를 위해 국내 장경간 교량들의 교통환경을 조사하고 2개의 중요 변수(중차량, 교통 정체)에 대해 교통환경 분류를 제안하였다. 각 교통환경에 대해 정체 교통류 시뮬레이션을 하여 차량 활하중 샘플들을 계산하고 이를 바탕으로 설계 차로하중 모델과 다차로재하계수를 제안하였다. 케이블교량의 영향선을 통해 차량 활하중효과를 산정하여 도로교설계기준-케이블교량편으로부터 산정된 차량 활하중효과 값과 비교하였다. 비교 결과는 현재 설계기준의 차량 활하중 모델이 보수적임을 보여준다. 이뿐만 아니라 단경간 교량부터 장경간 교량까지 적용가능한 통합 설계 차량 활하중 모델을 최종적으로 제안하였고 활하중과 활하중효과의 통계 특성을 계산하였다. 마지막으로 앞서 개발된 교량 차량활하중 산정 기법들을 이용하여 차량 활하중효과를 정확히 산정하고 강연선의 부식을 정교하게 모델링하여 강도저하를 고려한 PSC 박스 거더의 시간의존 신뢰도를 평가해보았다. 이를 위해 불확실성을 가진 여러 변수들을 고려하여 강연선의 부식을 모델링하고 부식환경 분류를 제안하였다. 적용 예제로 화양조발대교의 두 단면(정모멘트, 부모멘트)을 선정하였다. 대상 교량 주변의 교통 정보와 가정한 교통환경 변화 시나리오를 기반으로 대상 단면의 차량 활하중효과(휨 모멘트)를 추정해 보았고 거더의 휨 강도는 부식을 고려한 반복법을 통해 산정하였다. 극한한계상태1을 신뢰도 계산 시 한계상태로 이용하였으며 총 22개의 랜덤변수가 신뢰도 평가에 사용되었다. 시간의존 신뢰도를 효율적으로 계산하기 위해 Subset simulation과 최근 제안된 FORM과 샘플링 기반 방법론을 결합한 구조 신뢰성 방법을 사용하였다. 교량의 총 수명 100년동안의 시간의존 신뢰도를 평가하여 부식과 차량하중이 신뢰도에 미치는 영향을 분석하였다. 이를 통해 PSC 박스 거더 교량 신뢰도 평가 시 강연선의 부식뿐만 아니라 차량 활하중 역시도 중요한 요소임을 알 수 있었다. 또한 검사 및 모니터링을 통해 얻은 데이터와 정보를 이용하여 신뢰도를 업데이트해보았고 이 결과를 토대로 목표 신뢰도 수준을 만족시키기 위한 유지보수 전략을 수립할 수 있었다. 본 논문에서 제안된 교통 및 부식 환경을 고려한 데이터 기반 교량 신뢰도 평가 및 업데이팅 프레임워크는 교량 성능평가 기술 고도화 및 최적화된 유지보수 의사결정에 기여할 것으로 기대된다.

저질량 원소 의 동위원소 존재비 측정 ; 수소 , 헬륨 , 네온

김정은 과학기술연합대학원대학교 2023 국내박사

Isotopes are used for tracking contaminants or for tracking purposes in investigations and are used to find out whether a product is counterfeit or not, detection of impurities in food, or the geographical origin of a specific substance. In particular, the demand for radioactive isotopes is increasing in various studies such as radiometric dating, nuclear power generation, nuclear weapons development, diagnosis, and treatment of diseases, etc. In this study, various gas isotope ratios and atomic weights were determined through various gas mass spectrometry methods: isotopes of hydrogen, helium, and neon gases. Hydrogen or helium isotopes are used in a variety of industries, such as fusion technology, and tritium fusion facilities such as the International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER). Among the hydrogen isotopes, tritium is also used in consumer goods that applied the principle which is emitted electrons (β-rays) during decay are stimulate fluorescent materials to emit light. In this study, gas components including tritium gas were analyzed using a gas mass spectrometer, and tritium gas and gas components including tritium were quantified, for safety regulation of these radioactive products. In addition, tritium is stabilized by being converted to 3He through a half-life. The half-life can be inversely calculated, and the analysis of tritium is also possible when we precisely measured the trace amount of 3He. Since the helium is stable gases, the atomic weight of helium is used for precise measurements such as experiments to determine the physical constant. However, the abundance ratio of 3He varies depending on the production period, mining area, and refining process. Therefore, a trace amount of 3He affect the studies for precise measurement. For analytical accuracy and traceability of 3He, many studies require a 3He standard material. Thus, a helium isotope standard gas mixtures (3He/4He) were developed in this study. Since the 3He that can be utilized is usually a trace amount, the target mole fraction of the standard material was prepared similar to the ratio of 3He in air. Most of the inert gases as well as the helium or neon, the isotope ratio is discrepancy depending on the collection method, production area, and production period. Since the standard atomic weight is determined by the fractions and each atomic weight of isotopes, a more accurate measurements of the atomic weights are important in precise experiments or research. However, most methods for measuring atomic or molecular weights rely on mass spectrometers, which are high-performance and expensive instruments. Therefore, in this study, a new method for determining the atomic weight of neon using gas chromatography, which is more easily accessible, was developed. Standards materials are almost used for gas analysis mentioned above. For gases, a gravimetric method is used to prepare the reference gas mixtures. Although an automatic weighing device has already been used to measure the weights of a gases, there is a disadvantage in that a large number of resources are consumed as the number of dilution steps increases when manufacturing a low-concentration gas standard material. In this study, to improve this point, a new weighing system (Mini-AWS) using a mini-cylinder of 100 mL or less was developed. The developed new automatic weighing system evaluated their performance in consideration of external factors. Additionally, a gas mixtures were prepared with developed Mini-AWS, and compared with the gas mixture prepared by the existing automatic weighing system. 동위원소는 오염 물질을 추적하거나 수사 업무에서도 추적용으로 사용되며, 제품의 위조 여부, 식품의 불순물 검출 또는 특정 물질의 지리적 기원 등을 알아내는데 사용된다. 특히 방사성 동위원소는 그 반감기를 이용하여 방사능 연대 측정(radiometric dating), 원자력 발전, 핵무기 개발, 병에 대한 진단 및 치료에 활용되는 등 다양한 연구에 그 수요가 늘고 있으며, 여러 방면에서 그 활용 영역이 점점 증가하는 추세이다. 본 연구에서는 다양한 기체 질량 분석법을 이용하여 여러가지 기체의 동위원소 비와 원자량을 결정하였다. 특히, 수소, 헬륨, 네온 기체의 동위원소에 대해 연구를 수행하였다. 수소나 헬륨 동위원소는 핵융합 기술, 국제핵융합실험로(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)와 같은 삼중수소 핵융합 시설과 같은 다양한 산업 분야에 사용된다. 수소 동위원소 중 삼중수소는 붕괴하면서 나오는 전자(β-ray)가 형광물질을 자극하여 빛이 나게 하는 원리를 적용시킨 일상 제품에도 활용되고 있다. 이러한 방사성 제품에 대한 안전규제를 위해 본 연구에서는 삼중수소 기체를 포함한 기체 성분들을 기체질량분석기를 사용하여 분석하였으며, 삼중수소 기체 및 삼중수소를 포함한 기체 성분을 정량 하였다. 삼중수소는 반감기를 거쳐 3He로 바뀌면서 안정화 된다. 미량의 3He를 잘 측정할 수 있다면 반감기를 역으로 계산하여 삼중수소에 대한 분석도 가능하다. 헬륨은 안정하기 때문에 물리상수를 결정하는 실험 등 정밀한 측정에 헬륨의 원자량이 사용되기도 한다. 그러나 생산 시기나 광구, 정제공정에 따라 3He의 존재비가 달라지기 때문에 미량의 3He가 위와 같은 정밀한 측정에 영향을 줄 수 있다. 따라서 3He에 대한 분석의 정확성이나, traceability 같은 측면에서 3He의 표준물질이 필요하기 때문에, 본 연구에서는 헬륨 동위원소 표준물질을 개발하였다. 보통 활용될 수 있는 3He는 미량이므로 표준물질의 목표농도는 공기의 3He 비율에 맞추었다. 헬륨뿐만 아니라 대부분의 실험용 비활성 기체의 경우, 포집 방법이나 생산 광구, 생산 시기에 따라 동위원소 비가 다르다. 동위원소 분율과 각각의 원자량의 합으로 표준 원자량이 결정이 되므로, 원자량의 정확한 측정이 정밀한 실험이나 연구에서 중요한 역할을 한다. 그러나 원자 또는 분자량을 측정하는 대부분의 방법은 고성능의 비싼 장비인 질량분석기에 의존적이다. 따라서 본 연구에서는 보다 더 쉽게 접근할 수 있는 가스 크로마토그래피를 이용해서 네온의 원자량을 결정하는 방법을 개발하였다. 위에서 언급한 모든 기체 분석에는 표준물질이 사용된다. 기체의 경우, 기준가스 혼합물을 제조하기 위해 중량 측정 방법을 사용하고 있다. 이미 가스의 중량 측정에 자동무게측정장치가 사용되고 있지만, 저농도의 가스 표준물질을 제조할 때에 희석단계가 많아짐에 따라 그만큼 소모되는 자원이 많다는 단점이 있다. 이러한 점을 개선하고자 본 연구에서는 100 mL 이하의 미니실린더를 사용하는 새로운 무게측정 시스템 (Mini-AWS)을 개발하였다. 개발된 새로운 자동무게측정 시스템은 외부 요인을 고려하여 그 성능을 평가하였고, 이를 바탕으로 가스 혼합물을 제조하였으며, 기존의 자동 무게 측정 시스템으로 제조된 가스 혼합물과 비교 분석을 하였다.

An analysis of weighing key factors for improving COTE D’IVOIRE’s logistics system utilizing ISM and MICMAC

Zongo Deborah Graduate School of Logistics, University of Incheo 2023 국내박사

ABSTRACT An analysis of weighing key factors for improving COTE D’IVOIRE’s logistics system utilizing ISM and MICMAC Department of Logistics Management, Graduate School of Logistics, University of Incheon, Incheon, Korea Transport costs in Cote d’Ivoire are far higher than in other neighboring countries. Inefficiencies in transport are a major obstacle to the exports of agricultural products. Although there are many transportation problems, in-depth research has not yet been conducted to identify problems that need to be solved to improve the logistics system. The objective of the study is to analyze and weigh the core factors that lead to the development of the logistics system in Cote d’Ivoire. To achieve the objective of this study, an interpretative structural modeling (ISM) methodology is conducted to identify the relationships among specific items that define a problem or an issue and give decision-makers a realistic picture of their situation. The first thing to improve as a result of the MICMAC analysis was international cooperation and the invitation of FDI (or foreign capital), which was the highest at level 7. Next, financial support was important. Logistics security was the lowest priority at level 1. Therefore, it can be seen that international cooperation and the invitation of FDI (or foreign capital) should be considered first for improving the logistics system in Cote d’Ivoire. Keywords: COTE D’IVOIRE, key factors, logistics system, Interpretive structural modeling, MICMAC analysis. ABSTRACT An analysis of weighing key factors for improving COTE D’IVOIRE’s logistics system utilizing ISM and MICMAC Department of Logistics Management, Graduate School of Logistics, University of Incheon, Incheon, Korea Transport costs in Cote d’Ivoire are far higher than in other neighboring countries. Inefficiencies in transport are a major obstacle to the exports of agricultural products. Although there are many transportation problems, in-depth research has not yet been conducted to identify problems that need to be solved to improve the logistics system. The objective of the study is to analyze and weigh the core factors that lead to the development of the logistics system in Cote d’Ivoire. To achieve the objective of this study, an interpretative structural modeling (ISM) methodology is conducted to identify the relationships among specific items that define a problem or an issue and give decision-makers a realistic picture of their situation. The first thing to improve as a result of the MICMAC analysis was international cooperation and the invitation of FDI (or foreign capital), which was the highest at level 7. Next, financial support was important. Logistics security was the lowest priority at level 1. Therefore, it can be seen that international cooperation and the invitation of FDI (or foreign capital) should be considered first for improving the logistics system in Cote d’Ivoire. Keywords: COTE D’IVOIRE, key factors, logistics system, Interpretive structural modeling, MICMAC analysis.

도시홍수 피해규모에 영향을 미치는 요인

임희진 연세대학교 공학대학원 2013 국내석사

우리나라는 집중호우 등 크고 작은 자연재해로 인해 인명피해와 재산피해가 발생하고 있으며, 난개발로 인한 수계의 변경, 도시화 및 밀집화로 불투수 면적의 증가, 저류공간 축소 등 재해 위험성은 급속도로 증가하는 추세이다. 본 연구에서는 경기도 지역을 대상으로 홍수 피해규모에 영향을 주는 요인에 대해 살펴보고자 한다. 첫째, 시간 범위는 최근 10년 간(1997년-2006년)의 시계열 자료를 사용하였다. 둘째, 공간 범위는 경기도 지역 25개 시?군을 대상으로 하였다. 셋째, 모형 설정에 있어서 독립변수와 종속변수로 구분하여 살펴보았다. 독립변수로는 유발요인, 가중요인, 방재요인으로 선정하였고 종속변수로는 홍수 피해액의 건물 피해액과 공공시설 피해액의 합계로 도시홍수 피해규모를 살펴보았다. 동일한 화폐가치에서 분석을 실시하기 위해 '97년 소비자 물가지수를 기준으로 홍수 피해액의 물가상승률을 맞추었다. 또한 홍수 피해액을 시각적으로 살펴보기 위해 GIS를 활용하여 도면에 나타냈다. 분석은 유발요인, 가중요인, 방재요인의 카테고리로 관련 변수들을 선정하고 단계적 회귀분석을 통해 도시홍수 피해규모에 영향을 미치는 요인을 도출하고자 하였다. 단계적 회귀분석은 첫째, 도시홍수 피해규모가 높은 지역의 요인을 파악하기 위해 분석을 실시하였고 둘째, 1997년-2006년 경기도 지역을 대상으로 도시홍수 피해규모에 영향을 미치는 요인을 도출하기 위해 실시하였다. 마지막으로 Durbin-Watson값의 자기상관성 문제를 Prais-Winsten 방법을 이용하여 자기상관 보정을 실시하였다. 회귀분석 결과에 따르면, 유발요인의 하절기 강우 집중도, 가중요인인 불투수층 면적, 방재요인인 하수관거 보급률이 유의수준 5%에서 유의한 변수로 나타났다. 유의하게 나타난 요인들은 향후 경기도 방재 계획 수립에 참고자료로 기여할 수 있을 것으로 기대한다.