1. 서론

구조적 인지방법(St-Id)은 실험적인 관찰/데이터를 기반으로 하여 구조 모델(예를 들어 유한요소 모델과 같은)을 창조하고 개선하는 작업이라고 정의할 수 있다. 이러한 St-Id 패러다임은 시뮬레이션기법 적용을 통해서 구조시스템의 위험도와 성능추정 시 신뢰도 있는 추정이 가능한 방법을 개발함으로서 실제 구조시스템과 이를 모사하는 모델과의 차이점을 최소화 하려는 목적을 가지고 있다. 건설공사 구조시스템에 대한 St-Id는 지난 수십 년 간 세계의 여러 학자들로부터 광범위한 주목을 받아오고 있다. 본 보고서의 목적은 이러한 발전양상에 대한 벤치마킹과 더불어 현재의 연구 상황에 대한 개괄적인 이해를 도와 이 부분의 최신의 경향을 파악할 수 있도록 하는데 있다. 이러한 노력들의 주된 역할은 이 분야의 구조를 체계화하고 분야별로 해당 기준을 제공하여서 이를 통해 전반적인 기법의 윤곽을 제공함과 동시에 각기 다른 개발기술을 해당분야에 종속시키는 역할을 하게 된다. St-Id 의 다양한 패러다임을 체계화하기 위해서 ASCE 의 구조물 St-Id 위원회는 6 단계의 절차를 수용하도록 하였는데, 이들은 모델링, 실험, 데이터 프로세싱, 모델과 실험의 비교 및 의사결정과 지원 등으로 구성되어 있다. 본 보고서에서는 이러한 각 단계에 대해 초반 6개의 장에서 설명하고 마지막 2개의 장에서는 이 St-Id 기법을 전 세계 여러 구조물에 적용한 사례분석 결과를 제공하는 것으로 하였다.

2. 기존 구조물의 종합인지 평가방법

종합인 평가방법 (St-Id) 기법은 당초 전기공학에서 유래하여 회로 및 제어이론에 적용하던 개념을 구조공학에 접목한 이론이다. 이 St-Id 개념은 다음과 같이 정의할 수 있다: “실험적인 계측으로부터 얻어지는 상사적 물량을 포함한 수학적 모델을 기반으로 예측한 구조응답 특성에 대한 모수(母數) 연관성.” 이러한 St-Id 패러다임은 Hart와 Yao 에 의해서 최초로 기계공학 분야에 도입되었으며, 이러한 실험적인 연구보고서는 점차 많은 연구자들에게 영감을 불어넣어 다양한 분야에 이 ST-Id 기법을 적용하도록 하였고, 거의 30년이 지난 이후에도 이 St-Id 기법은 기계공학 분야와 토목 구조공학에서 활발히 연구되어 오고 있는 분야이다. 최근의 IT 기술의 개발은 대규모 구조물의 유한요소 모델링을 통한 설계, 대규모 구조물의 상태평가 및 위험도 평가, 개보수 및 개조작업을 대단히 수월하게 만들고 있다. 토목공학 기술자들은 항상 유한요소 모델링과 시뮬레이션을 실무 업무에 적용하고 있다. 그러나 건설 시스템의 유일성과 중요한 지식관련 부정확성으로 인하여 비록 3차원 모델링에 의한 시뮬레이션 이라 할지라도 실제 실험에 의한 결과 또는 실제 경험치에 기반을 둔 보정이나 수정이 반드시 필요한 것은 모든 기술자들에게 당연한 사항으로 인식되어 왔다. 이러한 현실에서 의미있는 조사를 수행하거나 실제 현장에서 신뢰성 있는 구조물의 응답 측정치를 얻어내는 등의 패러다임은 이제 막 떠오르고 있는 새로운 분야라고 할 수 있다. 현장 조사 및 측정치를 이용하여 유한요소 해석을 보정하고 수정하는 작업은 대단히 어려운 작업이다. 따라서 ASCE 위원회는 유한요소 모델을 실무에 적용한 경험이 많고 유한요소 모델링에 대한 다양한 기본적인 지식이 풍부하며, 유한요소 해석, 현장 조사 및 이들 결과물의 조합 등에 대한 경험과 지식이 풍부한 실무 기술자들과 연구자들을 모아 위원회를 조직하였다.

< 그림 1. 효율적인 St-Id 기법 적용을 위한 접근방법, 해석방안 및 기술 >

3. 결론, St-Id 적용 시나리오 및 향후 수행과제

실재 건설시스템에 대한 해석적인 시뮬레이션 모델의 현장 실험결과를 기반으로 하는 건설과 인지성을 필요로 하는 경우에 해당되는 몇 가지 시나리오가 있으며, 이들은 다음과 같다;

1) 현장의 어려움 또는 새로운 설계개념으로 인한 설계 검증 및 건설 계획을 새롭게 수립할 경우

2) 성능기반의 접근방법을 통한 Turn Key 형태 사업에 대해 현장계측을 기반으로 하는 사업 목적물의 인도

3) 노후화, 열화 및 위험물 노출 등으로 인한 미래의 시설물 변화를 평가하는 기반으로서의 구조 특성치에 대한 문서화 작업이 필요할 경우

4) 장치, 기능 및 특별한 사용 성능하 에서의 하중 전달 능력의 검증

5) 여러 종류의 기능 저하 또는 손상 및 노화의 저감과 이들의 가능한 원인의 분석

6) 사용방식, 설계기준 등의 변화, 노화 및 구조 신뢰도의 향상으로 인한 구조적인 변경, 개조, 보수 및 경화 현상에 대한 대책 수립시

7) 대규모 구조 시스템의 유지보수 및 운영을 위한 건전도 및 성능 모니터링

8) RC T-Beam 교량과 같은 건설 구조시스템의 건설자산의 분포 관리

9) 실제 구조시스템이 하중을 전달하는 방식, 실제로 변형하는 방식, 하중 지지점에서의 동력학적 응답 및 구조시스템 각 요소가 재하 하중을 기초와 토사로 전달하는 방식 등과 관련된 지식의 확장

현재 건설 기술자들의 건설 시스템에 대한 성능과 거동 및 하중에 기초한 지식은 대단히 부정확하다는 사실은 여러 가지 증거를 통해 알려져 있는 사실이며, 특히 새로운 신소재 및 새로운 구조시스템을 도입할 경우에는 더욱 더 이러한 사실이 분명해 진다. 현재 광범위하게 펴져있는 실제 하중전달 경로, 내적힘의 분포, 동력학, 파괴모드 및 가설된 구조물의 노후된 후의 성능 등에 대한 해당지식과 관련된 심각한 부정확성은 당초 예상 응답치와 실제 나타나는 거동의 차이를 받아들이기가 어려운 지경에 까지 차이를 나타내기도 하며 이러한 결과는 항상 보수적으로 나타나지도 않는다. 많은 구조부재들, 연결부 및 장치들은 다른 구조 요소들이 당초 예상했던 크기보다도 훨씬 큰 하중을 받는 와중에서도 예상보다 훨씬 덜한 하중을 받고 있을 수도 있다. 구조물의 대단히 중요한 구간의 이에 해당되는 구조적 능력과 이에 수반되는 역량의 분배를 조절하는 중요한 구조요소들은 전문기술자에 의해 St-Id 기법을 철저하게 적용하기 이전에는 대단히 발견하거나 정량화하기 어렵다. 그러므로 몇 몇 선정된 구조 시스템에 대한 ST-Id 기법의 체계적인 적용은 미국의 건설 기술자들이 현재의 설계기준 중심의 사업수행에서 장기적으로 성능 중심의 사업 수행방향으로 전환할 시 대단한 중요성을 지니고 있다고 할 수 있다.

최적의 설계가 이루어진 후 현장에서의 조사가 수행되고 이들 결과물을 경험적으로 분석하는 것은 구조물 시스템의 거동에 대한 불확실성을 제거하는 유일하며 확실한 방법이라고 할 수 있다. 더욱이, 먼저 건설 구조시스템의 연구, 관찰, 개념정리 및 모델링이 선행되지 않으면 신뢰도 있는 설계, 조사 및 분석 작업이 이루어 질 수 없으며, 그 이후에 구조물의 측정과 하중재하 등을 효율적으로 계획하고 이에 대한 데이터들을 분석할 수 있게 될 것이다. 이러한 사항들이 만일 토목 엔지니어들이 사회의 여러 기반시설물들을 개선하고 공용기간 동안 지속성 및 성능을 유지하도록 하는 공동체의 요구를 받아들일 경우 St-Id 기법을 발전시키고 실무에 적용시켜 실제 토목 엔지니어들에게 필요하게 만드는 이유이기도 하다. 당 위원회는 이러한 목표를 달성하기 위한 다음과 같은 장기적인 수행계획을 수립하였다.

(1) 최고의 기술전문가를 영입하라

가장 처음에 취해야 할 일은 토목 엔지니어링을 시행하고 지도하는 방법을 변화시킬 것을 주장하고 있는 정부, 산업계, 학계 등을 망라한 최고의 전문가들을 모집하여 팀을 만드는 것이다. 이러한 전문가 집단은 이 St-Id 기법이 건설 시스템과 기반시설물의 실제적인 거동을 발견하고 효율적으로 집적화 할 수 있는 새로운 패러다임을 제공할 수 있다는 사실을 인지할 것이다. 토목 엔지니어들은 이미 이러한 사실을 20세기 이전부터 직관과 학습을 통해 인지하여 왔다. 이러한 중요한 개념을 다양한 대학교의 프로그램과 선언적인 설계기준 등의 틀에 빼앗기고, 건설 구조시스템과 기계 시스템과의 차이점을 인지하지 못한 상태에서 1950년대 이후의 실용과학으로 전환된 후, 이제 이러한 현실적인 문제를 다시 찾아올 수 있는 기회를 맞이한 것이라고 할 수 있다.

본 위원회의 가장 중요한 장기적 목적은 토목 엔지니어링 시스템을 실제적인 기반위에 사실적인 사건과 정량적인 방법에 의해 정립하여, 정확하게 가능한 한 가정된 모델과 실제 발생하는 현실 간의 괴리를 없애도록 하는 것이며, 그리고 궁극적으로 이러한 정보를 세상에 공표하는 것이다. 이러한 측면에서 우리 토목 엔지니어들은 실제적인 진실에 기반을 두고 실무에 적용하거나 교육을 할 수 있도록 지금까지의 방식을 변화시키고 이러한 변화를 기존 시스템에 이 St-Id 기법을 적용함으로서 발견할 수 있는 것이다.

(2) 최신의 기술을 정립한다.

가장 처음 위원회가 발행하는 성과물은 최신 기술에 관련된 보고서로서 기계공학 시스템과 건설 시스템과의 차이점을 인지하는 방안에 대해 기술되었으며 현재 완성되어 있다.

(3) 연구실에서의 성과에 대한 조직/협력 연구

최적으로 설계된 물리적인 실험 모델들은 St-Id 공정을 보여주고 검토하는데 가치를 따질 수 없을 만큼 중요한 벤치마크로서의 역할을 수행하며, 이러한 St-Id 작업으로부터 도출될 것으로 기대되는 많은 성과물을 만들어 낸다. 이러한 모델들은 또한 이 방면에 지속적인 관심과 적용을 원하는 실무 엔지니어나 학생들에게 다양한 지식습득의 기회를 줄 수 있는 훌륭한 사례분석 자료가 될 수 있다. 건설 구조시스템에서는 그 시스템에만 존재하는 유일한 특성이 있을 수 없다는 사실, 그러나 기술자들은 오로지 허용된 불확실성의 한계까지만 접근할 수 있다는 아주 기본적인 진실을 인지하게 되면, St-Id 기법을 통해 토목 엔지니어들은 불확실성을 관리하는데 발생하는 어려움을 극복할 수 있을 것이다.

토목 엔지니어링 분석시 예전부터 적용한 전략은 모델링과 계산에 집중하는 방식으로서 이는 기술자들로 하여금 어느 정도의 확신 안에서 불확실성을 허용할 수 있는 지를 알 수 있도록 한다는 사실과 일맥상통하는 개념이다.

문제는 어떻게 하면 실제 현장에서 빈번하게 맞이하는 불확실성을 포함하지 않는 물리적인 모델을 적용하고, 이들을 다양한 실험을 실시하며, 여러 사람들로 하여금 그리고 필요한 범위 내에서 다양한 방법을 동원하여 불확실성을 줄일 수 있을 것인가 하는 것이다.

(4) 실제 시스템에서의 적용을 위한 조직/조정

장기적인 목표는 이 St-Id 에 대한 위원회의 전문기술자료를 바탕으로 실제 교량 및 건물들에 적용하는 사업을 수행하는 것이다. 이러한 사업은 NIST에 의한 건축물의 관할권을 이용하여 수행이 가능하고, FHWA 의 교량 관리 권한으로 인하여 교량 구조물에 적용이 가능할 것으로 예상된다. ASCE 및 NSF 와 같은 기타 관련기관들은 이러한 사업에 참관 및 지원을 수행하게 될 것이다.

▣ 원문제목 : Structural Identification (St-Id) of Constructed Facilities

▣ 원문의 주요목차*******************************************************************

1. 서론

2. 기존 구조물의 종합인지 평가방법

3. 중요도 분석 모델링

4. 경험적 고려사항

5. 데이터 처리 및 즉석 데이터 변환

6. 물리모델에 기반한 적용 및 결과 보정

7. 종합인지 평가방법의 설계 및 안전성 평가 적용방안

8. 사례분석