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Seismic Reliability Analysis of Offshore Wind Turbine Support Structure
Seismic Reliability Analysis of Offshore Wind Turbine Support Structure
Journal of Ocean Engineering and Technology. 2015. Oct, 29(5): 342-350
Copyright © 2015, Korean Society of Ocean Engineers
  • Received : February 13, 2015
  • Accepted : October 22, 2015
  • Published : October 31, 2015
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기남 이
동현 김

Abstract
A seismic reliability analysis of the jacket-type support structure for an offshore wind turbine was performed. When defining the limit state function using the dynamic response of the support structure, numerous dynamic calculations should be performedin an approach like the FORM (first-order reliability method). This causes a substantial increase in the analysis cost. Therefore, in this paper, a new reliability analysis approach using the static response is used. The dynamic effect of the response is considered by introducing a new parameter called the peak response factor (PRF). The probability distribution of the PRF could be estimated using the peak value of the dynamic response. The probability distribution of the PRF was obtained for a set of ground motions. A numerical example is considered to compare the proposed approach with the conventional static-response-based approach.
Keywords
1. 서 론
일반적으로 해상에는 상시 작용하는 파랑 및 풍 하중과 이벤트성 하중인 지진, 태풍, 해일 등이 있다. 상기의 환경 하중들 중 지진은 상시 작용하는 하중에 비해 구조물에 가해지는 피해가 상당히 크며, 한반도 내의 발생횟수가 점차 증가하고 있고 비교적 해상에서 큰 규모의 지진이 발생하고 있으므로 해당 하중에 대한 해양 구조물의 안전성 평가는 매우 중요하다. 기존의 내진설계에는 확정적 해석 방법이 사용되어왔으나 작용하는 하중과 설치되는 지역의 지반물성 등에는 불확실성이 존재하므로 이를 반영한 설계가 이루어져야만 과소 및 과다 설계를 예방하고 구조물의 정확한 안전성 평가가 가능하다. 그로인해 하중을 포함한 여러 변수들의 불확실성을 설계에 반영하는 신뢰성 설계는 그 필요성이 대두되고 있으며, 다양한 항만 및 해상 구조물에 대해 활발한 연구가 진행되고 있다( Bush and Manuel, 2009 ; Zhang et al., 2010 ). 기존의 신뢰성 해석에 대한 연구에서는 지진을 정적하중으로 적용하여 수행되어왔으나 구조물의 주파수 특성 등이 고려되지 않으므로 산정된 파손확률이 정확하지 않을 수 있다( Lee and Kim, 2011 ). 그러므로 정적 지진 하중만을 사용하여 신뢰성 해석을 수행하는 것은 적절하지 않으며, 동적 해석을 이용한 신뢰성 해석이 수행되어야 한다. 그러나 동적해석은 정적해석에 비해 해석에 소요되는 시간이 많고, 더불어 응답면(Response surface) 추정 및 신뢰성 해석에는 반복된 구조해석이 요구되므로 적용이 어려운 단점이 있다. 이는 동적응답과 정적응답의 비로 정의된 피크응답계수를 적용함으로써 시간적 문제점을 해결할 수 있으면서 동적 효과를 고려할 수 있다( Lee and Kim, 2014 ).
본 연구에서는 상기 내용과 같이 동적 효과를 반영하기 위해 피크응답계수를 이용하여 신뢰성 해석을 수행하였다. 지진하중 및 지반물성, 그리고 피크응답계수를 확률변수로 고려하고, 응답면 기법을 이용하여 한계상태함수를 정의하였다. 정의된 한계상태함수를 통해 일계신뢰도법(First-order reliability method, FORM)을 이용한 신뢰성 해석을 수행하였으며( Hasofer et al., 1974 ), 정규분포가 아닌 확률변수는 Rackwitz-Fiessler 변환법에 의해 등가의 정규분포 확률변수에 대한 평균과 표준편차를 정의하였다( Rackwitz and Fiessler, 1978 ). 예제로 사용된 기초형식은 장기간 석유 채굴 설비로 사용되어 설치 및 운용에 대한 경험이 있는 재킷 형식을 사용하였다. 피크응답계수를 이용한 방법에 대한 검증으로 Level III 신뢰성 해석을 수행하여 얻은 결과를 참값으로 가정하고 비교하였다. 피크응답계수에 대해 Lee and Kim(2014) 은 실제 구조물이 아닌 단자유도 모델을 이용하여 검증하였으나 본 연구에서는 대상 모델을 이용하였다. 많은 모의 횟수를 요구하는 기존 Monte carlo simulation (MCS)방법은 단순 모델이 아닌 경우 적용에 어려움이 따른다. 이에 본 연구에서는 상대적으로 적은 모의 횟수로도 만족할만한 결과를 얻을 수 있는 Latin hypercube sampling (LHS) 기반의 MCS를 사용하여 검증하였다. 또한 동특성을 반영할 수 있는 피크응답계수를 상수로 고려한 경우에 대해 FORM을 수행하여 피크응답계수가 결과에 미치는 영향을 확인하였다.
2. 연구 이론
- 2.1 신뢰성 해석
신뢰성 해석은 설계자가 원하는 수준에 따라 다음과 같은 3가지 수준으로 분류할 수 있다. 수많은 난수를 발생시켜 파손을 일으키는 경우에 대한 확률을 직접적으로 구하는 방법인 추출법(Level III), 정의된 한계상태함수를 이용하여 파손점 부근에서 근사적으로 해를 찾는 방법(Level II), 설계자가 하중함수와 저항함수에 각각 계수를 적용함으로써 보다 간략히 안정성을 평가하는 방법(Level I)이 있다. 추출법이 비교적 정확한 파손확률을 얻을 수 있으나 공학적 측면에서 구조물의 파손확률은 비교적 매우 작으므로 많은 추출횟수를 필요로 하는 단점이 있다.
- 2.2 응답면 기법
신뢰성 해석을 수행하기 위해서는 확률변수로부터 한계상태함수를 정의해야 하고, 구조물의 변위 또는 회전각 등의 응답은 종속변수로써 이를 이용하여 정의된 한계상태함수는 음함수(Implicit function)의 형태를 나타내므로 신뢰성 해석을 수행하기에는 어려움이 따른다. 이 경우 응답면 기법(Response surface method, RSM)을 이용하면 한계상태함수를 양함수(Explicit function)로 근사화 할 수 있어 기존 방법의 해석이 가능하다( Scheuller et al., 1987 ). 응답면은 중심으로부터 일정 간격의 표본점을 선정하고, 해당 표본점에서 구조해석을 수행하여 구할 수 있다( Khuri and Cornell, 1987 ). 각 표본점은 다음과 같은 식으로 구할 수 있다.
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여기서,
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σXi 는 확률변수 Xi 의 중심점(평균)과 표준편차이고, hi Ii 는 확장폭과 Scattering index를 의미한다.
- 2.3 피크응답계수
동적 피크응답과 확률변수의 결합 확률밀도함수 fRp , X 는 식 (2)와 같으며, 파손확률 Pf 는 한계상태함수가 음수인 부분에 해당하는 결합 확률밀도함수의 체적으로 식 (3)과 같다.
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식 (2)에서 fX 는 각 확률변수들의 확률밀도함수이고, f Rp|X 는 해당 확률변수에 대한 동적 피크응답의 확률밀도함수이다. 그리고 x rp 는 확률변수들 중 하나의 변수와 해당 변수에 대한 동적 피크응답이며, 식 (3)의 g 는 한계상태함수이다.
신뢰성 해석에서는 수렴된 신뢰도 지수를 구하기까지 반복된 구조해석이 요구되며, 매회 동적 피크응답을 구하기란 어려움이 따르므로 일반적으로 정적응답이 사용된다. 본 연구에서는 동적효과를 고려하되 기존의 기법을 적용하고자 동적 피크응답( Rp )과 정적응답( Rst )의 비를 이용하여 식 (4)와 같이 새로운 확률변수인 피크응답계수( Rn , Peak response factor, PRF)를 사용하였다.
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위 식의 개념으로부터 한계상태함수를 정의하면 식 (5)와 같이 표현할 수 있다.
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피크응답계수와 확률변수의 결합 확률밀도함수, 그리고 한계상태함수를 표준정규분포 공간에 표현하면 일계신뢰도법을 통해 원점과 파손면의 최단거리인 신뢰도 지수( β )를 구할 수 있다.
3. 수치 해석
- 3.1 대상 모델 및 환경 조건
모델링 및 수치 해석에는 범용 유한요소해석 프로그램인 ANSYS Ver. 12.0 ( Ansys Inc, 2009 )을 사용하였다. 해석 대상은 5MW급 해상풍력발전기로 NREL(National Renewable Energy Laboratory) reference model( Jonkman et al., 2009 )을 참조하였고, 지지구조물은 서남해안의 환경 조건에 잘 부합하도록 설계된 재킷(Jacket) 구조를 적용하였다. 모델링 과정에서 타워와 재킷은 보요소(Beam element)를 사용하였으며, RNA(Rotor and nacelle assembly)는 Fig. 1(a) 의 각 무게중심에 질량요소(Mass element)를 이용하여 집중질량으로 처리하였다.
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Offshore wind turbine and soil profile
- 3.1.1 지반 모델
지지구조물은 Fig. 1(b) 와 같이 점성토와 사질토로 구성된 지반과 연동되어 있고, 각 지반은 15.5m와 18.5m의 심도를 갖도록 가정하였다. 일반적으로 지반에 임의의 방향에서 하중이 가해지면 해당 방향으로 변위가 발생하고, 변위에 저항하기 위한 지반반력이 발생한다. 말뚝의 경우 해당 말뚝의 변위가 커짐으로써 지반반력이 항복점에 가까워지고, 항복점에 도달할 때 탄성영역에서 소성영역으로 넘어가기 때문에 말뚝 변위와 지반반력 간에는 비선형적 함수관계가 존재한다. 이와 같은 말뚝변위-지반반력의 함수관계를 p - y 곡선이라 표현하고, p - y 곡선법의 개념은 1956년에 McMlelland-Focht가 수평재하시험결과와 실내시험결과로부터 수평하중을 받는 말뚝의 지반반력과 삼축시험에 의한 점토의 압밀비배수 응력-변형률 관계를 비교 검토하여 도입하였다. Reese와 Matlock, Reese와 Cox는 연구를 확장하여 p - y 곡선을 말뚝의 수평지지력 계산에 적용하는 방법을 제안하였으며, API RP 2A( American Petroleum Institute, 2007 )에 채택되어 말뚝 직경 및 지반의 유효 비중량(effective specific weight) 등을 통해 p - y 곡선을 산정하고 이를 적용하도록 제시되어있다.
점성토 지반에 대한 p - y 곡선은 Table 1 을 이용하여 계산하며, 식 (6)을 통해 계산된 극한 지지력( pu )을 p - y 곡선 계산에 사용한다. 여기서, X , c , D , γ , J 는 각각 지표면에서의 깊이, 비배수 전단강도, 말뚝의 직경, 유효 비중량, 경험상수를 의미하고, XR 은 식 (7)로 계산되는 임계 깊이를 의미한다. yc 는 임계 변위에 대한 매개변수로 식 (8)을 통해 계산하며, c 는 실험에 의해 결정되는 상수로 샘플의 비배수 압축시험에서 구한 최대 응력의 절반에 해당하는 변형률을 의미한다.
p-ycurves under cyclic loading
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p-y curves under cyclic loading
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사질토 지반에 대한 p - y 곡선은 식 (9)를 이용하여 산정하며, k H , 그리고 A 는 각각 초기지반반력계수와 말뚝의 관입깊이, 반복하중과 정적하중을 결정짓는 계수이다.
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극한 지지력 산정은 식 (11)을 통해 이루어지며, 계산된 pus pud 중 작은 값을 사용한다.
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여기서, 극한 지지력 산정에 사용되는 계수 C 1 , C 2 , C 3 p - y 곡선 산정에 사용되는 초기지반반력계수는 내부마찰각( ϕ ′)을 이용하여 Fig. 2 Fig. 3 을 통해 추정할 수 있다( API, 2007 ).
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Coefficients according to ϕ
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Initial modulus of subgrade reaction
Fig. 4 는 각 지반의 특성에 따른 힘과 변위의 관계를 몇 가지 심도에 대해 계산하여 p - y 곡선으로 나타낸 그림이다.
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p-y curves for soils
- 3.1.2 부가질량
해상에 설치되는 구조물은 해수의 영향을 고려해야만 하므로 본 연구에서는 Goyal and Chopra(1989) 가 제안한 부가질량법을 이용하였다. 이는 해수가 비압축성 유체라는 가정을 기초로 원통형 실린더 형식의 지지구조물에 작용하는 해수면 아래의 수압을 등가의 부가질량으로 고려하는 방법으로 계산된 부가질량은 질량요소에 입력하여 적용한다. 식 (12)와 식 (13)은 말뚝의 외부에 작용하는 부가질량과 내부에 작용하는 부가질량의 계산방법으로
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이다. 수식에 있는 z , ρw , ro , ri , Ho , Hi 는 각각 구조물이 해수에 잠겨있는 총 깊이, 해수의 비중량, 지지구조물의 외부 및 내부 반경, 지지구조물의 외부 및 내부의 높이를 의미하고, αm 은 (2 m −1) π /2이다. 식 (14)와 식 (15)에 있는 Em Dm 을 식 (12)와 식 (13)에 대입하여 부가질량을 계산할 수 있으며, Kn 은 계수가 n 인 제 2종의 수정된 베셀함수이고, In 은 계수가 n 인 제 1종의 수정된 베셀함수이다.
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수심의 변화에 따라 말뚝(Pile)과 능구(Bracing)의 외부와 내부에 작용하는 압력을 통해 계산된 부가질량을 Fig. 5 에 도시하였고, 작용하는 해수의 총 부가질량을 Table 2 에 나타내었다.
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Hydrodynamic added mass on jacket type substructure
Added mass according to water depth
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Added mass according to water depth
- 3.1.3 지진하중
신뢰성 해석에 앞서 각 확률변수들의 확률분포를 추정해야 하며, 한반도에 대한 각 재현주기 별 설계진도는 항만 및 어항 설계기준( MOF, 2005 )에 제시되어 있다. 한국 전력공사에서 설치한 HeMOSU-1은 서남해안 해상풍력발전단지 개발을 위한 자원조사 및 설계외력 산출 등의 목적으로 운용되고 있으므로 본 연구의 해상풍력발전기 설치 예상 지역으로 가정하였다. 해당 지역에대한 세계지구좌표체계(World geodetic system, WGS84)의 위도 및 경도는 각각 126° 07´ 45.30˝과 35° 27´ 55.17˝이다. Fig. 6 은500년 재현주기에 대한 지진재해도이며, 각 재현주기에 대한 지 진재해도로부터 설치 예상 지역의 값을 읽어 표로 정리하면 Table 3 과 같다.
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Seismic hazard (return period - 500 year)
Peak ground accelerations at site
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Peak ground accelerations at site
지진계수의 확률분포는 식 (16)과 같은 3-모수 와이블(3-parameter weibull) 분포로 척도모수(Scale parameter, σ )와 형상모수(Shape parameter, k ), 그리고 위치모수(Location parameter, μ )를 이용하며, 평균재현주기에 대한 최대지반가속도를 이용하여 추정 가능하다. 확률분포의 모수는 이러한 재현주기( T )에 대한 지진계수( KhT )의 관계로부터 구할 수 있고, FKh 는 3-모수 와이블 분포의 누적확률분포이다.
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식 (18)의 회귀분석을 이용하여 구한 모수는 σ = 4.001 × 10 −4 , k = 0.3636, μ = 0의 값을 갖는다. Fig. 7 에는 지진재해도로부터 얻은 지진가속도에 따른 초과확률과 수행된 회귀분석으로부터 구한 지진가속도별 초과확률을 나타내었다.
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Estimated probability of exceedence for PGA
피크응답계수를 구하기 위해서는 동적 구조해석이 수행되어야 하기 때문에 설치 예상 지역의 계측된 지진 시간이력 자료가 요구된다. 그러나 해당 지역의 계측 자료는 존재하지 않으므로 본 연구에서는 예상 지역의 지반 조건에 부합하는 인공지진을 생성하여 동적 구조해석에 사용하였다. 피크응답계수의 분포 추정을 위해서는 충분한 자료가 요구되므로 Table 3 의 각 PGA(Peak ground acceleration)에 대해 50개의 시드(Seed)를 적용하여 총 350개의 지진가속도를 생성하였다. Fig. 8 은 최대지반가속도가 0.01 g 인 지진 시간이력을 나타낸 그림이다.
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Time history of seismic acceleration (pga - 0.01 g)
- 3.2 동적 증폭
해당 구조물의 동적 특성으로 인한 증폭 효과를 확인하고자 고유치해석을 수행하여 진동수비를 확인하였다. 1차 모드의 고유진동수와 질량 참여율은 0.2645Hz와 63.52%로 나타났고, 하중의 가진진동수는 1.3 ~ 3.7 Hz의 범위에서 시드에 따라 다르게 나타나므로 진동수비는 5 ~ 14의 범위를 갖는다. 진동수비가 1에 가까운 경우 지지구조물에 대한 동적 특성의 변화에 따라 동적증폭계수의 변화가 크게 나타나고, 본 연구에서 사용된 하중과 구조물의 진동수비 범위(5 ~ 14)에서는 동적증폭계수의 변화가 크지 않음을 Fig. 9 로부터 알 수 있다. 따라서 지지구조물의 동특성 변화가 크지 않은 경우 동적 피크응답은 주파수의 영향이 미세하게 작용하므로 식 (4)와 같이 정의된 피크응답계수의 적용이 가능하다.
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Dynamic amplification factor (DAF)
- 3.3 피크응답계수의 확률분포
피크응답계수의 분포는 동적 구조해석을 수행하여 얻은 동적피크응답과 정적해석으로부터 구한 정적응답을 이용하여 산정할 수 있다. 변위 응답을 이용한 결과 3-모수 와이블 분포에 가장 적합한 것을 Fig. 10 을 통해 알 수 있으며, 정량적인 적합도 검증을 위해 Kolmogorov-smirnov test (이하 K-S test)를 수행하였다( Alfredo and Wilson, 2007 ). 일반적으로 K-S test의 임계치에 사용되는 유의수준(Significance level)은 1~5%이므로 본연구에서는 5%의 유의수준을 적용하였다. 산정된 임계치는 0.0727이며, K-S 통계량은 0.0229로 나타났다. 임계 통계량과 K-S 통계량의 비는 31.5%로 나타났고, 이 결과로부터 3-모수 와이블 분포가 적합함을 알 수 있다. 피크응답계수의 히스토그램과 확률밀도함수는 Fig. 11 에 도시하였다.
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Probability plot for PRF
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Histogram and PDF of PRF
확률밀도에서 볼 수 있듯이 x 축인 피크응답계수의 위치모수는 약 0.3296으로 나타났으며, 이는 Fig. 7 을 통해 알 수 있듯이 진동수비가 클 경우 이처럼 피크응답계수의 위치모수가 작게 나타날 수 있다. 실제 지진의 경우 인공지진과 같은 고주파가 아닌 비교적 저주파 범위의 주요주파수를 가지므로 더 큰 증폭효과가 발생할 수도 있다.
- 3.4 신뢰성 해석
해상 구조물의 해석 시 상시 작용하는 파랑 및 풍 하중을 함께 고려해야 한다. 그러나 신뢰성 해석 시 하중요소는 반복 해석을 통해 확률분포의 극한 값에 근접한 최확파괴점(Most probable failure point, MPFP)을 나타내고, 파랑 하중과 풍 하중, 그리고 지진 하중이 모두 극한의 상태가 나타남을 의미하게 된다. 이러한 현상은 현실적으로 나타나기 어렵고, API RP 2A(2007) 에도 지진 하중에 대해서는 단일 하중으로 사용하도록 제시되어있다. 따라서 신뢰성 해석에는 지진하중과 지반의 물성 등을 확률변수로 고려하였으며, 각 확률변수들의 분포와 모수를 Table 4 에 나타내었다. 적용한 해석 기법은 서론에서 언급한 바와 같이 Level II 신뢰성 해석 기법인 FORM을 이용하였다.
Characteristics of random variables
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Characteristics of random variables
사질토층의 내부마찰각은 Fig. 2 Fig. 3 을 통해 곡선적합(Curve fitting)을 이용하여 계산하며, 신뢰성 해석 시 그림의 내부마찰각이 범위를 벗어나는 값으로 선정되어 계산될 경우 타당하지 않은 초기지반반력계수가 계산될 수 있다. 따라서 내부마찰각은 Beta 분포를 사용하였으며, 그림의 범위에 속하는 값인 30°와 40°를 상한과 하한으로 정하였다. 선행 연구들의 경우 지반물성의 분포는 정규분포를 이용하였지만( Yoon et al., 2013 ; Yoon et al., 2014 ), 지반물성은 0 또는 음수가 나올 수 없다. 만약 지반물성의 민감도가 매우 높을시 최확파괴점은 현저히 낮아질 수 있으므로 이러한 가능성을 염두에 두고 본 연구에서는 대수정규분포를 사용하였으며, 지진계수와 피크응답계수는 3-모수 와이블분포를 사용하였다. 허용수평변위( Rall )는 도로설계 요령 제 3권의 25mm를 사용하였다( KRA, 1992 ).
상기 내용에 대해 응답면 기법을 이용하여 한계상태함수를 식 (19)와 같이 정의하였고, 응답면 추정에 사용되는 표본점은 SD기법을 이용하여 추출하였다.
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Level II 신뢰성 해석 결과의 검증을 위해 Level III 신뢰성 해석을 수행하였다. 기존의 MCS 방법에서는 예상 파손 확률의 역수에 대해 10~100배를 곱한 값을 모의 횟수로 사용한다. 기존 MCS를 사용할 경우 동적 구조해석이 수행되어야 함으로 적용에 어려움이 있지만, LHS는 적은 모의 횟수를 적용하여도 비교적 파손확률의 수렴이 빠르므로 본 연구에서는 동적 구조해석을 적용한 LHS 기반 MCS를 수행하였다. 확률변수와 해당 변수의 특성치는 Level II 해석 조건과 동일한 Table 4 를 적용하였으며, 동적 응답을 이용하므로 피크응답계수는 확률변수로 고려하지 않았다. 총 1500번의 모의 횟수에 대해 해석을 수행하였으며, 응답의 누적확률에 대해 곡선 적합을 통해 확률분포를 추정하여 허용치를 초과하는 파손확률을 산정하였다.
- 3.5 해석 결과
검증을 위해 수행된 LHS 기반 MCS의 신뢰도 지수는 3.381로 나타났고, 피크응답계수를 이용하여 FORM을 수행한 결과 신뢰도 지수( β )는 4번의 반복과정 이후 약 3.2012로 수렴하여 6.8428×10 −2 %의 파손확률을 나타내었다. Table 5 는 FORM 과 추출법을 이용한 결과와 상대오차이다. 피크응답계수를 확률변수로 고려하지 않은 경우는 2.8693의 신뢰도 지수를 보였으며, 파손확률은 2.0569×10 −1 %를 나타내었다. 두 경우에 대한 신뢰도 지수의 수렴과정을 Fig. 12 에 도시하였으며, Table 6 에는 각 확률변수의 MPFP(most probable failure point)와 민감도 계수(Sensitivity factors)를 나타내었다.
MPFPs and sensitivity factors
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MPFPs and sensitivity factors
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Convergence of reliability index using FORM
Reliability index
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Reliability index
해석에 사용된 PC는 OS Windows 7 64bit, CPU quad core(3.4 GHz)로 Level II 신뢰성 해석에는 6분 30초가 소요되었으며, Level III 신뢰성 해석에는 약 21일 20시간 30분이 소요되었다.
4. 결 론
재킷 형식 해상풍력발전기의 지진 신뢰성 해석을 수행하였다. 동적 효과를 고려한 신뢰성 해석을 수행하기 위해 동적응답과 정적응답으로부터 새로운 확률변수인 피크응답계수( Rn )를 적용 하였다. 수평변위를 이용하여 응답면을 추정하였고, 이로부터 정의된 한계상태함수를 통해 일계신뢰도법을 사용하여 신뢰성 해석을 수행하였다. 민감도로부터 알 수 있듯이 지진계수가 가장 결정적인 영향을 미치며, Rn 의 영향은 지진계수보다 적으나 그 외에 다른 확률변수보다 높은 영향을 보이는 것으로 나타났다. 또한 지반 물성의 민감도는 지지구조물의 형식으로 인해 작게 나타난 것으로 판단된다( Yi et al., 2015 ).
Rn 의 검증을 위해 추출법을 이용하여 동적 구조해석을 수행하였고, 수행결과 FORM과의 신뢰도 지수 오차는 약 0.1469로 나타났다. 참값과의 오차에 대한 명확한 판단 기준은 없으나 공학적 의미로 볼 때 4.3876%의 오차율은 허용 가능한 오차로 판단되며, Rn 을 이용한 신뢰성 해석에서 동적 특성이 잘 고려되었음을 검증하였다. 해석을 위해 소요된 시간을 비교했을 때 동적 구조해석을 이용하여 파손확률을 산정하는 것은 현실적으로 불가능하며, Level II 방법이 약간의 오차를 수반하나 비교적 적합한 방법임을 확인할 수 있었다.
Rn 의 사용여부에 따른 신뢰도 지수는 Rn 을 사용한 Case 1이 상수로 고려한 Case 2보다 비교적 높은 신뢰도 지수를 보임으로써 Case 1의 파손확률이 낮게 나타났다. 이러한 결과는 추출법에 의한 결과와 비교했을 때 과다 설계가 될 수 있음을 알 수 있다. 이는 동특성을 고려함으로써 보다 정확도 높은 설계를 수행할 수 있고, 기존의 정적 기반 해석 기법이 적합하지 않음을 의미한다.
또한 하중의 주파수 특성에 따라 구조물의 응답은 증폭 될 수도 있고 감소 될 수도 있다. 그로인해 다양한 주기의 하중이 발생했을 경우 안전성을 보장할 수 없으므로 구조물의 안전성 평가에는 반드시 동적 효과가 고려되어야 한다.
본 연구에서는 해양구조물에 대해 해석을 수행했으나, 사용된 피크응답계수는 육상의 구조물에도 적용이 가능하기 때문에 다양한 구조물의 내진설계에 적용할 수 있을 것이며, 지진에 의한 신뢰성 설계를 통해 생애주기 위험비용을 산정하여 경제적 설계가 가능할 것으로 사료된다.
Acknowledgements
이 논문은 2013년도 정부(교육부)의 재원으로 한국연구재단의 지원을 받아 수행된 기초연구사업임(NRF-2012R1A1A4A01010830).
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