VE／LCC를 이용한 교량상부구조의 경제성 평가에 관한 연구
A Study on the Economic Evaluation for Bridge Superstructures Using VE／LCC
초록/요약
본 연구에서는 건설계획과정에서 대안으로 제시된 세 가지 교량상부구조 형식(강상자형교, 소수주형교, PSC-I형 거더교)에 대한 가치공학(Value Engineering : VE) 검토를 수행하여 최적대안을 선정하였다. 연구는 생애주기비용(Life Cycle Cost : LCC)을 고려한 최적설계와 계층분석적 의사결정기법(Analytic Hierarchy Process : AHP)을 이용한 VE 검토 부분으로 나누어 수행되었으며 그 내용은 다음과 같다. 1) LCC 최적설계에 의한 경제성 분석 교량 상부구조의 경제성 평가를 위하여 동일한 설계조건에서 강상자형교, 소수주형교, PSC-I형 거더교에 대한 생애주기비용 최적설계를 수행하였다. 상부구조의 공용수명은 상태등급곡선과 보수·보강이력에 근거한 콘크리트 바닥판과 강재주형의 내하율곡선을 이용하여 산정하였다. 생애주기비용함수는 공용수명동안 발생하는 초기비용, 손상비용, 유지관리비용, 보수·보강비용, 해체·폐기비용 및 사용자비용 등을 포함한 직·간접비용으로 구성되어 있으며 가장 경제적인 설계를 얻기 위해 연간비용을 목적함수로 설정하였다. 특히 하중, 부재치수 및 재료강도의 불확실성을 고려하기 위해 손상확률의 개념을 도입하였으며, 생애주기비용 분석에서 중요한 비용항목인 사용자비용을 합리적으로 고려하기 위해 도로등급별 사용자비용에 따른 연간비용의 민감도분석을 실시하였다. 이로부터 본 연구에서는 생애주기비용을 고려한 교량 상부구조의 최적 공용수명 결정과 도로등급별 사용자비용을 합리적으로 고려할 수 있는 생애주기비용 최적설계 모델을 제시하였다. VE 검토 시 가장 중요한 요소인 경제성을 평가하기 위하여 각각의 대안에 대하여 공용수명을 다양하게 변화시키며 최적설계를 수행하였다. 2) AHP 기법을 이용한 VE 검토 교량 상부구조에 대한 다속성 의사결정과정을 AHP 기법을 이용한 속성평가를 통해 체계적으로 제시하였으며, 속성 가운데 경제성은 특별히 생애주기비용 최적설계결과를 이용하였다. 그 외의 평가요소에 대해서는 전문가에 의한 평가를 종합·분석하여 결정하였다. LCC를 고려한 최적설계에 의해 구하여진 목표공용수명별 경제성 중요도와 다른 대안별 속성의 중요도는 AHP기법에서의 쌍대비교행렬에 의한 종합 AHP기법 수행 시 일관성 확보를 위하여 각각의 평가요소에 대한 대안의 쌍대비교행렬의 일관성을 측정하였다. 고속국도, 일반국도, 지방국도의 3가지 도로등급에 대하여 AHP 기법을 이용한 VE 검토를 수행하였다. 3) 연구결과 생애주기비용을 고려한 최적설계 모델을 제시하였으며, 그 결과는 VE에서 경제성 평가를 위하여 사용하였다. 생애주기비용을 고려한 교량상부구조의 최적설계 시 사용자 비용이 매우 중요한 요소임을 확인하였다. 또한 도로 등급이 AHP 분석에 미치는 영향을 확인하였다. 결론적으로 도로등급과 이에 따른 사용자 비용이 교량 상부구조의 VE 검토 시 매우 중요한 요소임을 확인하였다. 강상자형교, 소수주형교, PSC-I형 거더교 등에 대한 사례연구 결과 본 연구의 설계조건에서는 여러 대안 중에서 소수주형판형교가 최적의 대안인 것으로 나타났다.
more초록/요약
The purpose of this study is to select a best alternative plan of presented superstructure types(steel box girder, plate girder, PSC-I girder) in the planning stage of bridge construction project. The study has been performed using the Analytic Hierarchy Process(AHP) technique and Life Cycle Cost(LCC) optimization. The result of this study can be summarized as followings; 1) Economic attribute by LCC optimization The optimal design considering life cycle cost is performed for a bridge superstructure. Load carrying capacity curves for the steel girder, the PSC-I girder and concrete deck are proposed to calculate life cycle cost. These curves are derived on the basis of bridge diagnostic results and condition grade curves suggested by the Korea Infrastructure Safety and Technology Corporation(KISTEC). The service life of the superstructure is determined considering load carrying capacity curves and maintenance histories. The total life cycle cost is consisted of initial cost, damage cost, maintenance cost, user cost, disposal cost for the service life and the objective function is set to annual cost. Initial cost is calculated based on standard costs of the Korea Construction Price Index and damage cost on the damage probabilities to consider the uncertainty of load and resistance. Maintenance cost and cycle is determined by a stochastic method and user cost includes traffic operation costs, time delay costs, and costs by accident. Design constraints are formulated on the basis of Korean Standard. To improve computational efficiency, a multi level optimization scheme is used where concrete decks and main girders are sequentially optimized. The optimal design of the superstructure is performed for various service lives and change of cost is investigated. The validity of the proposed method is verified and the effect of user cost is also investigated through the sensitivity analysis. 2) VE using AHP method Multi-attribute decision process of a bridge superstructure is systematically suggested by attribute evaluation using AHP method. Economic attribute of many features is evaluated in particular by LCC optimization. Relative weight among alternatives and attributes is evaluated by using AHP method. In this AHP method, the evaluation items are economic, landscape, constructability, maintenance, stability and functionality of a bridge superstructure. When AHP method has been performed, pair-wise comparisons Matrix evaluate for security of consistency. VE based on AHP method is performed independently for three road types. These road types are national expressway, national highway and provincial road. 3) Conclusions The optimal design model is proposed and used to evaluation of economic attribute. The user cost is the important factor in the optimal design of the bridge superstructure considering life cycle cost. And the weighted values with AHP is affected by the road type. Consequently, the road type and the user cost are the important factor in VE of a bridge superstructure. As a result of the case study by VE, the superstructure of few member plate girder type is investigated the best alternative under the condition of this study.
more목차
1. 서론 = 1
1.1 연구배경 및 목적 = 1
1.2 연구동향 = 2
1.2.1 생애주기비용 분석 기법의 연구동향 = 2
1.2.2 VE 기법의 연구동향 = 5
1.3 연구 범위 및 방법 = 6
2. 생애주기 비용 = 10
2.1 생애주기비용의 정의 = 10
2.2 생애주기비용 분석 기법 = 12
2.3 공용수명 = 13
2.3.1 공용수명 추정방법 = 13
2.3.2 상태 등급 곡선 = 14
2.3.3 내하율 곡선 = 23
2.4 할인율 = 34
2.4.1 현재가치법 = 34
2.4.2 연가등액법 = 35
2.4.3 할인율 산정 = 36
3. 생애주기 비용 최적설계 = 37
3.1 최적설계의 정의 = 37
3.2 최적설계 기법 = 38
3.3 대상 구조물과 설계 변수 = 40
3.4 최적설계 흐름도 = 44
3.5 신뢰성 평가 = 45
3.5.1 한계상태 설계법 = 46
3.5.2 신뢰성 계수와 손상확률 = 47
3.5.3 한계상태 모형 및 신뢰성 해석 = 49
3.6 제약조건 = 50
3.6.1 강상자형교의 제약조건 = 51
3.6.2 소수주형교의 제약조건 = 52
3.6.3 PSC-I형교의 제약조건 = 54
3.7 생애주기비용 목적함수 = 56
3.7.1 초기비용 = 57
3.7.2 손상비용 = 58
3.7.3 유지관리비용 = 60
3.7.4 보수보강비용 = 61
3.7.5 사용자비용 = 62
3.7.6 해체 폐기 비용 = 70
4. 가치공학(VE) = 72
4.1 VE 이론 = 72
4.1.1 VE의 정의 = 72
4.1.2 건설 VE의 적용 효과 = 75
4.1.3 설계 VE와 시공 VE = 78
4.1.4 건설VE의 추진절차 = 79
4.2 의사결정 = 80
4.2.1 의사결정의 의미 = 80
4.2.2 의사결정의 필요성 = 81
4.2.3 의사결정의 합리적 방법 = 82
4.3 VE 평가기법 = 86
4.3.1 다기준 평가기법 = 86
4.3.2 가중치 결정법의 종류별 특성 = 87
4.3.3 평가항목 측정방법의 종류 = 89
4.4 AHP 기법 = 92
4.4.1 AHP 기법의 특징 및 공리(Axioms) = 93
4.4.2 AHP 기법의 의사결정과정 = 94
4.4.3 계층구조 결정 = 95
4.4.4 AHP의 가중치 산출방법 = 96
4.4.5 쌍비교행렬의 구성 = 98
4.4.6 고유벡터법(Eigenvector) = 99
4.4.7 일관성 측정 = 102
4.4.8 AHP에 대한 비판 = 103
4.5 성능 평가항목 선정 = 105
4.5.1 경제성 = 105
4.5.2 경관성 = 105
4.5.3 안전성 및 기능성 = 107
4.5.4 유지관리 용이성 = 108
4.5.5 시공성 = 108
5. 생애주기비용 최적설계 결과 = 109
5.1 강상자형교의 LCC 최적설계 결과 = 109
5.1.1 종방향 위치별 최적설계 = 109
5.1.2 공용수명에 따른 최적설계 = 121
5.1.3 도로등급에 따른 사용자 비용 분석 = 127
5.1.4 보수·보강 변주기에 따른 최적설계 = 129
5.2 교량 상부구조 형식별 경제성 평가 = 137
5.2.1 교량 상부구조 형식별 LCC 최적설계 결과 = 137
5.2.2 교량 상부구조 형식별 활성화제약조건 = 141
5.2.3 공용수명에 따른 생애주기비용 및 연간비용의 비교·분석 = 143
5.2.4 할인율에 따른 민감도 분석 = 146
6. VE/LCC 평가 모델 분석 = 149
6.1 교량상부구조의 경제성 평가 = 149
6.2 대안의 속성평가 = 151
6.3 쌍비교 및 중요도 산정 = 152
6.3.1. 평가속성의 쌍비교행렬 구성 = 152
6.3.2 대안의 쌍비교행렬 구성 = 154
6.3.3 일관성 검토 = 157
6.4 공용수명별 교량대안선정 = 158
7. 결론 = 163
7.1 생애주기비용 최적 설계 = 163
7.2 교량 상부구조의 VE 검토 = 164
8. 참고 문헌 = 166
ABSTRACT = 171
