오래된 교량의 안전성, 어떻게 예측할까?: 부식된 PSC 거더의 확률론적 구조 해석
우리 주변의 많은 교량들은 시간이 지남에 따라 자연스럽게 노후화됩니다. 특히 교량의 핵심 부재인 PSC 거더 내부의 강선이 부식되면 안전성에 큰 위협이 될 수 있습니다. 그렇다면 우리는 어떻게 이런 보이지 않는 위험을 예측하고 대비할 수 있을까요?
문제는 '불확실성'과 '계산 비용'
교량의 안전성을 분석할 때는 재료의 특성, 부식의 정도 등 수많은 '불확실성'을 고려해야 합니다. 이를 위해 '확률론적 구조 해석'이라는 정교한 방법이 사용되지만, 이 방법은 엄청난 양의 계산을 필요로 해 시간과 비용이 많이 든다는 단점이 있었습니다.
새로운 해법: 멀티스케일 분석 프레임워크
최근 한 연구에서는 이러한 문제를 해결하기 위해 '멀티스케일 프레임워크'라는 효율적인 분석 기법을 제안했습니다. 이 기법의 핵심은 복잡한 실제 모델을 통계적으로 유사한 '대리 모델(Surrogate Model)'로 만들어 계산 비용을 획기적으로 줄이는 것입니다.
이 프레임워크는 다음과 같은 3단계로 이루어집니다:
- 대리 모델 생성: 가우시안 프로세스 회귀라는 기법을 사용해 적은 계산으로도 실제와 유사한 결과를 내는 대리 모델을 만듭니다.
- 무작위 샘플 생성: 교량의 재료 특성, 부식 크기 등 불확실한 요소들을 통계적으로 모델링하여 수많은 가상 시나리오를 생성합니다.
- 적합도 검정: 생성된 가상 시나리오의 결과가 실제 통계 모델과 얼마나 잘 맞는지를 검증하여 신뢰도를 높입니다.
이 3단계를 작은 규모(강선의 부식)에서 큰 규모(교량 전체의 거동)로 확장 적용함으로써, 연구팀은 부식된 PSC 거더의 하중-변위 관계를 매우 정확하게 예측하는 데 성공했습니다. 이는 실험 데이터와도 높은 일치도를 보여주었습니다.
기대 효과
이러한 새로운 분석 기법은 노후화된 교량의 안전성을 더 빠르고 정확하게 진단하고, 유지보수 계획을 수립하는 데 큰 도움을 줄 수 있습니다. 보이지 않는 위험을 과학적으로 예측함으로써, 우리는 더 안전한 사회기반시설을 만들어나갈 수 있을 것입니다.