[논문]가속열화시험에 의한 콘크리트용 탄소섬유 강화플라스틱 바의 사용수명 예측

권영일; 김승진; 이형욱

[국내논문] 가속열화시험에 의한 콘크리트용 탄소섬유 강화플라스틱 바의 사용수명 예측
Service life prediction of CFRP bar for concrete reinforcement based on accelerated degradation tests 원문보기

This paper discusses the service life prediction methods for CFRP bar for concrete reinforcement using accelerated degradation tests. The relationship between performance degradation and the rate of a failure-causing chemical reaction is assumed for the temperature accelerated degradation tests. Methods of obtaining acceleration factors and predicting service life of the CFRP bar using the degradation model are presented.

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문제 정의

본 연구에서는 가속열화시험에 의한 콘크리트 강화용 CFRP bar의 사용수명 평가방법을 제안하였다. 온도를 가속인자로 적용하는 경우에 대해 반응속도론과 아레니우스 방정식에 기초한 가속열화모형을 설정하고 시험 데이터를 로그 열화모형에 적합시켜 모형의 모수들을 추정하였다.

가설 설정

여기서는 성능열화가 로그모형을 따르는 경우에 대해 가속열화시험 데이터로부터 최소자 승법(least square estimation; LSE)을 사용하여 모수를 추정하는 방법을 제시한다. 시료의 산포를 반영하기 위해 시간 t에서 관측된 시료 j 의 열화량을 y_j(t)라 할 때 다음의 모델을 가정한다.

제안 방법

본 연구에서는 온도 가속열화시험에 의한 콘크리트용 탄소섬유 강화플라스틱 바(carbon fiver reinforced plastic bar; CFRP bar)의 사용수명 예측방법을 다루고 있다. 온도를 스트레스로 적용하는 가속열화시험에서 수학적 열화모형을 설정하고, 실험실에서 실시된 가속 열화시험 데이터(Gonenc (2003))를 이 모델에 적용하여 필드조건에서의 사용수명분포 (service life distribution)를 예측하는 방법을 제시한다.
본 연구에서는 온도 가속열화시험에 의한 콘크리트용 탄소섬유 강화플라스틱 바(carbon fiver reinforced plastic bar; CFRP bar)의 사용수명 예측방법을 다루고 있다. 온도를 스트레스로 적용하는 가속열화시험에서 수학적 열화모형을 설정하고, 실험실에서 실시된 가속 열화시험 데이터(Gonenc (2003))를 이 모델에 적용하여 필드조건에서의 사용수명분포 (service life distribution)를 예측하는 방법을 제시한다. 복합재료의 성능열화모형으로 자주 사용되고 있는 로그모형을 적용하여 실제 열화시험 데이터로부터 열화모형의 모수들을 추정하고, 도출된 열화모형을 이용하여 가속계수(acceleration factor)와 필드에서의 사용 수명분포를 예측하였다.
온도를 스트레스로 적용하는 가속열화시험에서 수학적 열화모형을 설정하고, 실험실에서 실시된 가속 열화시험 데이터(Gonenc (2003))를 이 모델에 적용하여 필드조건에서의 사용수명분포 (service life distribution)를 예측하는 방법을 제시한다. 복합재료의 성능열화모형으로 자주 사용되고 있는 로그모형을 적용하여 실제 열화시험 데이터로부터 열화모형의 모수들을 추정하고, 도출된 열화모형을 이용하여 가속계수(acceleration factor)와 필드에서의 사용 수명분포를 예측하였다. 제안된 방법을 사용하여 비교적 간편하게 데이터의 분석을 수행할 수 있으며, 가속열화시험에서 충분한 데이터가 축적되기 이전의 초기데이터만으로도 조기에 대상소재의 사용수명을 예측할 수 있다.
가 되어 시간 t동안 농도의 감소량이 근사적으로 kt에 비례함을 볼 수 있다. 본 연구에서는 위와 같이 시간 t동안 반응물질의 농도 감소량 D(t) = [A(0)] - A[(t)]가 kt에 비례하는 경우를 고려한다.
여기서는 성능열화가 로그모형을 따르는 경우에 대해 가속열화시험 데이터로부터 최소자 승법(least square estimation; LSE)을 사용하여 모수를 추정하는 방법을 제시한다. 시료의 산포를 반영하기 위해 시간 t에서 관측된 시료 j 의 열화량을 y_j(t)라 할 때 다음의 모델을 가정한다.
다음 <그림 1>은 콘크리트 구조물 강화용 CFRP bar 에 대한 가속열화시험 결과를 그래프로 나타낸 것이다. 토목/건설자재의 가속시험에서 가장 일반적으로 사용되는 스트레스인 온도를 가속스트레스로 적용하였으며, 섭씨 44도, 56도, 68도 및 80도의 온도에서 220일간 시간의 경과에 따라 콘크리트 구조물 강화용 CFRP bar의 가장 중요한 성능특성인 전단 강도(shear strength)를 측정한 데이터이다.
본 연구에서는 가속열화시험에 의한 콘크리트 강화용 CFRP bar의 사용수명 평가방법을 제안하였다. 온도를 가속인자로 적용하는 경우에 대해 반응속도론과 아레니우스 방정식에 기초한 가속열화모형을 설정하고 시험 데이터를 로그 열화모형에 적합시켜 모형의 모수들을 추정하였다. 또한 추정된 열화모형으로부터 가속계수와 필드조건에서의 사용수명분포(백분위 수명)를 예측하였다.
온도를 가속인자로 적용하는 경우에 대해 반응속도론과 아레니우스 방정식에 기초한 가속열화모형을 설정하고 시험 데이터를 로그 열화모형에 적합시켜 모형의 모수들을 추정하였다. 또한 추정된 열화모형으로부터 가속계수와 필드조건에서의 사용수명분포(백분위 수명)를 예측하였다. CFRF bar의 열화시험자료의 분석 결과, 필드 사용조건 온도가 23도 및 30도일 때 예측된 B₁ 수명이 각각 156년과 105년으로서 100년 이상 사용 가능한 고 신뢰도의 제품임을 보여주고 있다.
CFRF bar의 열화시험자료의 분석 결과, 필드 사용조건 온도가 23도 및 30도일 때 예측된 B₁ 수명이 각각 156년과 105년으로서 100년 이상 사용 가능한 고 신뢰도의 제품임을 보여주고 있다. 여기서 제안된 방법은 수치해석적인 방법을 사용하지 않고도 간편히 모형모수들을 추정할 수 있으며, 시험 초기의 데이터만으로도 조기에 사용수명을 추정할 수 있는 방법을 제공한다. 끝으로 여기서 예측된 CFRF bar의 사용수명은 220일간 가속 시험한 데이터로부터 도출된 결과이므로, 궁극적인 열화모형의 적합성과 필드 사용수명 예측 값의 정확성을 보장하기 위해서는 실제 필드에 시공한 제품의 성능열화를 지속적으로 모니터링 하고 확인하여 그 결과를 열화모형과 수명예측에 반영하고 개정해 나가는 것이 중요한 과제라 할 수 있겠다.

대상 데이터

참고로 그래프 상의 데이터는 5개 시료의 측정값들의 평균을 나타낸 것이다. 시료에 대한 시험은 해양환경과 동절기 도로용 해빙제의 영향을 반영하기 위해 ASTM B 117에 따라 준비된 NaCl 5%, H2O 95%의 용액 속에서 진행되었으며 용액의 PH는 7로 유지되었다. 그림에서 열화모형은 반응물질의 농도가 높은 초기에 열화가 빠르게 진행되고 시간이 경과할수록 열화진행이 완만해지는 전형적인 로그모형의 패턴을 나타내고 있다.

성능/효과

복합재료의 성능열화모형으로 자주 사용되고 있는 로그모형을 적용하여 실제 열화시험 데이터로부터 열화모형의 모수들을 추정하고, 도출된 열화모형을 이용하여 가속계수(acceleration factor)와 필드에서의 사용 수명분포를 예측하였다. 제안된 방법을 사용하여 비교적 간편하게 데이터의 분석을 수행할 수 있으며, 가속열화시험에서 충분한 데이터가 축적되기 이전의 초기데이터만으로도 조기에 대상소재의 사용수명을 예측할 수 있다.
또한 추정된 열화모형으로부터 가속계수와 필드조건에서의 사용수명분포(백분위 수명)를 예측하였다. CFRF bar의 열화시험자료의 분석 결과, 필드 사용조건 온도가 23도 및 30도일 때 예측된 B₁ 수명이 각각 156년과 105년으로서 100년 이상 사용 가능한 고 신뢰도의 제품임을 보여주고 있다. 여기서 제안된 방법은 수치해석적인 방법을 사용하지 않고도 간편히 모형모수들을 추정할 수 있으며, 시험 초기의 데이터만으로도 조기에 사용수명을 추정할 수 있는 방법을 제공한다.

후속연구

여기서 제안된 방법은 수치해석적인 방법을 사용하지 않고도 간편히 모형모수들을 추정할 수 있으며, 시험 초기의 데이터만으로도 조기에 사용수명을 추정할 수 있는 방법을 제공한다. 끝으로 여기서 예측된 CFRF bar의 사용수명은 220일간 가속 시험한 데이터로부터 도출된 결과이므로, 궁극적인 열화모형의 적합성과 필드 사용수명 예측 값의 정확성을 보장하기 위해서는 실제 필드에 시공한 제품의 성능열화를 지속적으로 모니터링 하고 확인하여 그 결과를 열화모형과 수명예측에 반영하고 개정해 나가는 것이 중요한 과제라 할 수 있겠다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

강철의 단점은 무엇인가?

늘날 대표적인 콘크리트 구조물 강화용 자재로 강철(steel)이 주로 사용되고 있다. 그러나 강철은 고온, 습기, 염화칼슘 등의 환경에 노출될 경우 부식(corrosion)에 취약하며, 부식된 철강은 콘크리트 구조물의 강도를 치명적으로 약화시키는 위험한 결과를 초래할 수 있다. 최근 여러 가지 우수한 재료특성을 갖는 섬유강화플라스틱(fiver reinforced plastic; FRP) 복합재료(composite)가 토목/건설 분야에서도 강철을 비롯한 전통적인 자재들의 대안으로 부상하고 있다.

화학반응에 있어서 반응율이란 무엇인가?

화학반응에 있어서 반응율(rate of reaction)이란 단위시간동안 소비된 반응물질 (reactant)의 양 또는 생성된 산물(product)의 양으로 정의된다. 반응이 일어나는 동안 반응율은 일정하지 않으며 반응물질의 농도변화에 따라 변하게 된다.

섬유강화플라스틱을 구조용으로 사용할 경우 유의해야 할 점은 무엇인가?

최근 여러 가지 우수한 재료특성을 갖는 섬유강화플라스틱(fiver reinforced plastic; FRP) 복합재료(composite)가 토목/건설 분야에서도 강철을 비롯한 전통적인 자재들의 대안으로 부상하고 있다. 그동안 파이프라인, 지하 저장탱크, 건물 파사드(facade) 등의 분야에서 FRP 자재가 기존의 자재에 비해 수명이 길고 유지비용이 절감되는 등 우수성이 확인 되고 있으나, 구조용으로 사용될 경우 자재의 유형, 그리고 적용환경이나 부하가 앞에서 언급한 적용분야와는 매우 다르다는 점을 유의해야 한다. 일반적으로 구조용으로 사용되는 FRP 자재나 부품은 단일 또는 복합적으로 작용하는 다양한 환경에 노출된다.

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