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

Abstract

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.

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.