해양콘크리트 구조물의 염해 예측과 보수비용 분석 Prediction of Durability Life Cycle and Repair Cost Analysis using Chloride Diffusion Coefficient for Marine Concrete Structures원문보기
콘크리트의 염화물 이온 침투해석을 위해 실내에서 인공해수를 만들어 침지하는 경우 인공해수의 농도는 Fick의 제2확산법칙의 일반해에서 표면염화물 농도로 적용된다. 본 연구는 실내실험에서 이와 같은 이론을 토대로 염해예측 기본모델을 만들고 이 모델을 수치모델화 하여 유지보수 시뮬레이션 시스템을 개발하였다. 실내촉진실험과 현장구조물의 격차를 최소화 하기위해 해양환경에 장기간 폭로된 실험체를 실험계획에 따라 주기적으로 분석하여 데이터 추이를 통해 기본모델을 수정하였다. 5년 동안의 현장 폭로실험체를 분석하여 기본모델을 수정하는 과정에서 ...
콘크리트의 염화물 이온 침투해석을 위해 실내에서 인공해수를 만들어 침지하는 경우 인공해수의 농도는 Fick의 제2확산법칙의 일반해에서 표면염화물 농도로 적용된다. 본 연구는 실내실험에서 이와 같은 이론을 토대로 염해예측 기본모델을 만들고 이 모델을 수치모델화 하여 유지보수 시뮬레이션 시스템을 개발하였다. 실내촉진실험과 현장구조물의 격차를 최소화 하기위해 해양환경에 장기간 폭로된 실험체를 실험계획에 따라 주기적으로 분석하여 데이터 추이를 통해 기본모델을 수정하였다. 5년 동안의 현장 폭로실험체를 분석하여 기본모델을 수정하는 과정에서 모델 검증을 위해 준공 후 약 30년 경과된 6개의 해양콘크리트 구조물의 염화물함량 분포를 분석하였다. 콘크리트 내부의 염화물 확산계수는 시간의 경과에 따라 수화도 및 공극구조의 향상으로 변동하는 경향이 있다. 따라서, 본 논문에서 염화물확산계수는 시간의 함수로 표현된 식을 적용하였다. 염화물 예측 기본 모델식에서 표면염화물함량은 콘크리트 내의 염화물 농도가 건습이 반복 될수록 공극내 증발산의 영향으로 점차 높아 질수 있음을 제시한 연구사례를 반영하여 표면염화물 농도의 배로 수정하였다. 수정된 모델을 통하여 예측한 데이터와 현장데이터를 비교하였으며, 임계염화물함량 도출시점, 즉 보수시점을 추정함으로써 본 논문에서 제안한 모델과 유지보수 시스템이 조간대 염화물 침투프로파일 추정 및 보수비용 예측에 유용하게 이용될 수 있음을 제시하였다. 또한, 염화물 침투가 일어난 경우 일정 깊이를 제거하고 새 콘크리트로 본래의 형태를 복원하는 단면복구 공법과 염화물 이온 침투 속도를 저하시키기 위한 표면보호공법 등 두 가지 경우에 대해 유지보수 시나리오별 대안 분석을 하였다. 대안분석 대상 구조물은 서남해안에 위치한 2개의 해양콘크리트 구조물이며, 피어에 대하여 시뮬레이션을 하였다. 그 결과 X 구조물의 피어 부분은 90년이 지난 시점에서도 철근위치로 가정한 10cm 깊이 부분에서 염해피해가 발생하지 않는 것으로 분석되었다. 따라서 목표연한을 100년 이상 설정하더라도 염해에 대한 우려를 하지 않아도 된다는 결론을 얻을 수 있었다. 표면보호를 하는 방법은 단면복구에 비해 1회 공사비가 저렴하나 완공초기 때 처럼 표면보호 상태를 유지한다고 하더라도 약 65년 후에는 20년마다 단면복구를 하는 방법이 더 적은 염해를 받게 된다. 따라서 단면복구를 20년 마다 시행하는 것이 5년 마다 표면보호를 하는 것에 비해 유지보수비가 더 적게 투입됨에도 불구하고 더 나은 효과를 보임을 알 수 있다. Y 구조물의 피어에 대한 시뮬레이션 결과는 10년마다 단면복구와 표면보호 시행, 5년마다 표면보호만 시행, 20년마다 단면복구와 표면보호를 시행하는 것의 순으로 고비용이 드는 것으로 나타났으며, 20년마다 단면복구 및 표면보호를 하는 방법으로는 62년 후에 철근부식이 발생할 가능성이 있으므로 그 이상의 기간을 목표연한으로 한다면 단면복구가 반드시 필요하다는 것을 알 수 있었다. 대규모 해양콘크리트 구조물의 경우는 대부분 국가 중요 사회간접자본이므로 효율적인 유지관리를 위해 본 시스템을 적용한다면 적정 시기에 예산확보와 최적관리를 할 수 있으며, 구조물의 장수명화, 재해예방, 환경보전 등의 기대효과를 가질 수 있을 것으로 사료된다. 핵심 용어 : 폭로실험체, 염화물 확산계수, 표면염화물함량, 임계염화물함량, 보수비용, 건습반복, 시뮬레이션
콘크리트의 염화물 이온 침투해석을 위해 실내에서 인공해수를 만들어 침지하는 경우 인공해수의 농도는 Fick의 제2확산법칙의 일반해에서 표면염화물 농도로 적용된다. 본 연구는 실내실험에서 이와 같은 이론을 토대로 염해예측 기본모델을 만들고 이 모델을 수치모델화 하여 유지보수 시뮬레이션 시스템을 개발하였다. 실내촉진실험과 현장구조물의 격차를 최소화 하기위해 해양환경에 장기간 폭로된 실험체를 실험계획에 따라 주기적으로 분석하여 데이터 추이를 통해 기본모델을 수정하였다. 5년 동안의 현장 폭로실험체를 분석하여 기본모델을 수정하는 과정에서 모델 검증을 위해 준공 후 약 30년 경과된 6개의 해양콘크리트 구조물의 염화물함량 분포를 분석하였다. 콘크리트 내부의 염화물 확산계수는 시간의 경과에 따라 수화도 및 공극구조의 향상으로 변동하는 경향이 있다. 따라서, 본 논문에서 염화물확산계수는 시간의 함수로 표현된 식을 적용하였다. 염화물 예측 기본 모델식에서 표면염화물함량은 콘크리트 내의 염화물 농도가 건습이 반복 될수록 공극내 증발산의 영향으로 점차 높아 질수 있음을 제시한 연구사례를 반영하여 표면염화물 농도의 배로 수정하였다. 수정된 모델을 통하여 예측한 데이터와 현장데이터를 비교하였으며, 임계염화물함량 도출시점, 즉 보수시점을 추정함으로써 본 논문에서 제안한 모델과 유지보수 시스템이 조간대 염화물 침투프로파일 추정 및 보수비용 예측에 유용하게 이용될 수 있음을 제시하였다. 또한, 염화물 침투가 일어난 경우 일정 깊이를 제거하고 새 콘크리트로 본래의 형태를 복원하는 단면복구 공법과 염화물 이온 침투 속도를 저하시키기 위한 표면보호공법 등 두 가지 경우에 대해 유지보수 시나리오별 대안 분석을 하였다. 대안분석 대상 구조물은 서남해안에 위치한 2개의 해양콘크리트 구조물이며, 피어에 대하여 시뮬레이션을 하였다. 그 결과 X 구조물의 피어 부분은 90년이 지난 시점에서도 철근위치로 가정한 10cm 깊이 부분에서 염해피해가 발생하지 않는 것으로 분석되었다. 따라서 목표연한을 100년 이상 설정하더라도 염해에 대한 우려를 하지 않아도 된다는 결론을 얻을 수 있었다. 표면보호를 하는 방법은 단면복구에 비해 1회 공사비가 저렴하나 완공초기 때 처럼 표면보호 상태를 유지한다고 하더라도 약 65년 후에는 20년마다 단면복구를 하는 방법이 더 적은 염해를 받게 된다. 따라서 단면복구를 20년 마다 시행하는 것이 5년 마다 표면보호를 하는 것에 비해 유지보수비가 더 적게 투입됨에도 불구하고 더 나은 효과를 보임을 알 수 있다. Y 구조물의 피어에 대한 시뮬레이션 결과는 10년마다 단면복구와 표면보호 시행, 5년마다 표면보호만 시행, 20년마다 단면복구와 표면보호를 시행하는 것의 순으로 고비용이 드는 것으로 나타났으며, 20년마다 단면복구 및 표면보호를 하는 방법으로는 62년 후에 철근부식이 발생할 가능성이 있으므로 그 이상의 기간을 목표연한으로 한다면 단면복구가 반드시 필요하다는 것을 알 수 있었다. 대규모 해양콘크리트 구조물의 경우는 대부분 국가 중요 사회간접자본이므로 효율적인 유지관리를 위해 본 시스템을 적용한다면 적정 시기에 예산확보와 최적관리를 할 수 있으며, 구조물의 장수명화, 재해예방, 환경보전 등의 기대효과를 가질 수 있을 것으로 사료된다. 핵심 용어 : 폭로실험체, 염화물 확산계수, 표면염화물함량, 임계염화물함량, 보수비용, 건습반복, 시뮬레이션
When concrete is immersed in artificial seawater in a laboratory to investigate the chloride-ion penetration characteristics of concrete, the artificial seawater concentration is applied as the surface chloride concentration in the general solution of Fick's second law of diffusion. In this study, b...
When concrete is immersed in artificial seawater in a laboratory to investigate the chloride-ion penetration characteristics of concrete, the artificial seawater concentration is applied as the surface chloride concentration in the general solution of Fick's second law of diffusion. In this study, based on the theory, a basic model for predicting salt damage was made in the laboratory experiment, and a maintenance simulation system was developed by constructing a numerical model using the basic model. To minimize the difference between laboratory accelerated experiment and on-site structure, the basic model was modified through data trends by periodically analyzing the specimens, which were exposed to marine environment for a long period of time, following the experimental plan. The chloride content distribution of 6 marine concrete structures, which were completed about 30 years ago, was analyzed to test the model while modifying the basic model by analyzing the on-site exposure specimens during 5 years. The chloride penetration coefficient for the interior of concrete tends to change with time due to the improvement in the degree of hydration and pore structure. Therefore, in this paper, an equation, which is expressed as a function of time, was applied to the chloride penetration coefficient. In the basic model equation for predicting chloride, the surface chloride content was modified to be α times the surface chloride concentration, reflecting the research which suggested that the chloride concentration in concrete could gradually increase under dry-wet cycling due to the effect of evapotranspiration within the pores. The data predicted from the modified model was compared with the field data, and by estimating the timing of threshold chloride content (i.e., repair time), it was suggested that the model and maintenance system proposed in this paper can be used for estimating the chloride penetration profile in the intertidal zone and predicting the repair cost. In addition, in case of chloride penetration, the alternative analysis for each maintenance scenario was carried out with respect to the recover method which removes a certain depth of concrete and restores the original shape with new concrete and the surface repair method which reduces the chloride-ion penetration speed. Regarding the target structure of alternative analysis, the simulation results for the 2 piers of the marine structure located on the southwestern coast indicated that for the pier of X structure, salt damage did not occur even after 90 years at a depth of 10cm which is assumed to be the position of reinforcement. Therefore, it was concluded that salt damage is not a problem even though the target service life is set to more than 100 years. The surface repair method incurs lower cost for single construction than the recover method. However, though the surface repair condition is maintained similar to the initial condition at time of completion, the recover method, which is constructed every 20 years, experiences less salt damage after about 65 years. Therefore, the recover method constructed every 20 years is found to have better effect than the surface repair method constructed every 5 years despite the fact that lower maintenance cost is incurred. The simulation results for the pier of Y structure, listed from highest to lowest cost, were the recover and surface repair construction every 10 years, the surface repair construction every 5 years, and the recover and surface repair construction every 20 years. For the recover and surface repair construction every 20 years, there is a possibility of reinforcement corrosion after 62 years, and thus the recover method is essential if the target service life is more than 62 years. Most of the large-scale marine concrete structures are the major national social overhead capital. If the system developed in this paper is applied to the efficient maintenance of these structures, it will be possible to secure the budget and implement the optimal management at an appropriate time and to have the expected effects such as the extended life span of the structure, disaster prevention, and environmental conservation. Keywords:Exposure specimens, Chloride penetration coefficient, Surface chloride content, Threshold chloride contents, Maintenance cost, Dry-wet cycling, Simulation.
When concrete is immersed in artificial seawater in a laboratory to investigate the chloride-ion penetration characteristics of concrete, the artificial seawater concentration is applied as the surface chloride concentration in the general solution of Fick's second law of diffusion. In this study, based on the theory, a basic model for predicting salt damage was made in the laboratory experiment, and a maintenance simulation system was developed by constructing a numerical model using the basic model. To minimize the difference between laboratory accelerated experiment and on-site structure, the basic model was modified through data trends by periodically analyzing the specimens, which were exposed to marine environment for a long period of time, following the experimental plan. The chloride content distribution of 6 marine concrete structures, which were completed about 30 years ago, was analyzed to test the model while modifying the basic model by analyzing the on-site exposure specimens during 5 years. The chloride penetration coefficient for the interior of concrete tends to change with time due to the improvement in the degree of hydration and pore structure. Therefore, in this paper, an equation, which is expressed as a function of time, was applied to the chloride penetration coefficient. In the basic model equation for predicting chloride, the surface chloride content was modified to be α times the surface chloride concentration, reflecting the research which suggested that the chloride concentration in concrete could gradually increase under dry-wet cycling due to the effect of evapotranspiration within the pores. The data predicted from the modified model was compared with the field data, and by estimating the timing of threshold chloride content (i.e., repair time), it was suggested that the model and maintenance system proposed in this paper can be used for estimating the chloride penetration profile in the intertidal zone and predicting the repair cost. In addition, in case of chloride penetration, the alternative analysis for each maintenance scenario was carried out with respect to the recover method which removes a certain depth of concrete and restores the original shape with new concrete and the surface repair method which reduces the chloride-ion penetration speed. Regarding the target structure of alternative analysis, the simulation results for the 2 piers of the marine structure located on the southwestern coast indicated that for the pier of X structure, salt damage did not occur even after 90 years at a depth of 10cm which is assumed to be the position of reinforcement. Therefore, it was concluded that salt damage is not a problem even though the target service life is set to more than 100 years. The surface repair method incurs lower cost for single construction than the recover method. However, though the surface repair condition is maintained similar to the initial condition at time of completion, the recover method, which is constructed every 20 years, experiences less salt damage after about 65 years. Therefore, the recover method constructed every 20 years is found to have better effect than the surface repair method constructed every 5 years despite the fact that lower maintenance cost is incurred. The simulation results for the pier of Y structure, listed from highest to lowest cost, were the recover and surface repair construction every 10 years, the surface repair construction every 5 years, and the recover and surface repair construction every 20 years. For the recover and surface repair construction every 20 years, there is a possibility of reinforcement corrosion after 62 years, and thus the recover method is essential if the target service life is more than 62 years. Most of the large-scale marine concrete structures are the major national social overhead capital. If the system developed in this paper is applied to the efficient maintenance of these structures, it will be possible to secure the budget and implement the optimal management at an appropriate time and to have the expected effects such as the extended life span of the structure, disaster prevention, and environmental conservation. Keywords:Exposure specimens, Chloride penetration coefficient, Surface chloride content, Threshold chloride contents, Maintenance cost, Dry-wet cycling, Simulation.
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