철근콘크리트의 내구성을 저하시키는 주요 원인중의 하나는 콘크리트 탄산화로 인하여 철근이 부식되는 것이다. 탄산화속도는 구조물이 위치한 환경의 이산화탄소 농도, 콘크리트 품질, 구조물의 형상 등에 의해 영향을 받게 되는데 특히, 도심지 콘크리트 구조물의 탄산화에 대한 문제가 증가되고 있다. 본 논문에서는 국내에서 광범위하게 시공된 교량구조물에 대한 실태조사를 이용하여 탄산화가 교량구조물에 미치는 영향을 파악하였다. 또한 계측결과들을 바탕으로 탄산화에 의한 구조물의 내구적 파괴확률을 신뢰성 이론을 기반으로 하여 분석하였다. 도심지 환경에 따른 탄산화의 분석결과 콘크리트 강도가 증가함에 따라 탄산화 속도가 감소하고, 교량의 사용년수가 증가함에 따라 탄산화 깊이는 증가함을 보였다. 또한 신뢰성이론을 기반으로 도심지 교량의 내구적 파괴확률을 분석한 결과, 대부분의 경우 내구적 파괴확률이 10%이상으로 분석되었고, 목표내구수명을 만족하기 위해 최소 피복두께가 70-80mm이상 확보되어야 할 것으로 분석되었다.
철근콘크리트의 내구성을 저하시키는 주요 원인중의 하나는 콘크리트 탄산화로 인하여 철근이 부식되는 것이다. 탄산화속도는 구조물이 위치한 환경의 이산화탄소 농도, 콘크리트 품질, 구조물의 형상 등에 의해 영향을 받게 되는데 특히, 도심지 콘크리트 구조물의 탄산화에 대한 문제가 증가되고 있다. 본 논문에서는 국내에서 광범위하게 시공된 교량구조물에 대한 실태조사를 이용하여 탄산화가 교량구조물에 미치는 영향을 파악하였다. 또한 계측결과들을 바탕으로 탄산화에 의한 구조물의 내구적 파괴확률을 신뢰성 이론을 기반으로 하여 분석하였다. 도심지 환경에 따른 탄산화의 분석결과 콘크리트 강도가 증가함에 따라 탄산화 속도가 감소하고, 교량의 사용년수가 증가함에 따라 탄산화 깊이는 증가함을 보였다. 또한 신뢰성이론을 기반으로 도심지 교량의 내구적 파괴확률을 분석한 결과, 대부분의 경우 내구적 파괴확률이 10%이상으로 분석되었고, 목표내구수명을 만족하기 위해 최소 피복두께가 70-80mm이상 확보되어야 할 것으로 분석되었다.
Reinforced steel corrosion due to concrete carbonation is one of main factors on the durability of RC structure. The carbonation velocity have an effect on carbon dioxide density, concrete quality and structural shape. Specially, these problems have increased in urban area. This study investigates t...
Reinforced steel corrosion due to concrete carbonation is one of main factors on the durability of RC structure. The carbonation velocity have an effect on carbon dioxide density, concrete quality and structural shape. Specially, these problems have increased in urban area. This study investigates the carbonation status of the bridges and quantifies the effect of carbonation based on various domestic field data. The failure probability of durability is evaluated on the basis of reliability concept. According to experimental results of the carbonation depth, the carbonation depth increased with structural age and carbonation velocity decreased with high strength of concrete. In most cases, the failure probability of durability by carbonation was more than 10%. Also, The results requires the minimum cover thickness of 70-80mm for target safety index(${\beta}$=1.3) proposed by Korean concrete specification.
Reinforced steel corrosion due to concrete carbonation is one of main factors on the durability of RC structure. The carbonation velocity have an effect on carbon dioxide density, concrete quality and structural shape. Specially, these problems have increased in urban area. This study investigates the carbonation status of the bridges and quantifies the effect of carbonation based on various domestic field data. The failure probability of durability is evaluated on the basis of reliability concept. According to experimental results of the carbonation depth, the carbonation depth increased with structural age and carbonation velocity decreased with high strength of concrete. In most cases, the failure probability of durability by carbonation was more than 10%. Also, The results requires the minimum cover thickness of 70-80mm for target safety index(${\beta}$=1.3) proposed by Korean concrete specification.
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문제 정의
본 연구에서는 탄산화 현장실험결과를 토대로 국내 도심지 주요교량의 내구적 파괴확률을 도출하고, 신뢰성 이론을 기반으로 하여 사용기간에 따른 내구수명을 산정하였다.
본 절에서는 콘크리트 내구설계시 목표내구수명을 만족하기 위한 도심지 교량의 피복두께를 분석하였다. 우선, 피복두께의 변화에 따른 내구수명을 알아보기 위하여, 현장계측결과의 평균 피복두께(#) 56mm을 기준으로, 현장 평균피복두께보다 10mm큰 경우(#)와 10mm 작은 경우(#)를 비교하였다.
제안 방법
1) 서울시 등 탄산가스농도가 높은 대도시에 위치한 사용년수 10～31년인 도심지 주요교량 22개의 탄산화 현장실험결과를 토대로 신뢰성 이론을 적용하여 사용기간에 따른 내구수명을 산정하였다.
또한 계산된 내구적 파괴확률을 토대로 교량의 공용연수에 따른 탄산화 내구수명을 도출하였다. 콘크리트의 내구성 설계법은 결정론적 설계법과 확률론적 설계법으로 구분할 수 있다(RILEM, 1994).
또한 콘크리트 강도에 따른 탄산화 속도계수를 분석하기 위하여 현장에서 채취된 대상교량의 실측 코어강도를 이용하였다. 실측코어강도는 대다수가 약 20MPa～40MPa 의 범위에 포함되었다.
이는 서울시를 비롯한 국내 대도시 주요교량이 탄산화에 의한 피해가 큼을 나타내며, 그 이유는 대기 중의 이산화탄소 농도가 높고 자동차의 배기가스나 공장에서 나오는 가스 등의 산성 화학적 물질이 콘크리트에 침입하기 때문으로 판단된다. 본 논문에서는 건전부 콘크리트만을 대상으로 분석한 내용이므로, 누수나 균열등의 조건에 노출되면 이보다 짧은 기간 내에 부식에 노출될 수도 있어 국내 도심지 교량의 가장 중요한 성능저하 요인은 콘크리트의 탄산 화로 인한 철근부식으로 판단되어 진다. 이에 교량 유지관리시 도심지에 위치한 교량의 탄산화에 대한 면밀한 검토 및 계획적인 보수보강 시기의 선정이 필요할 것으로 판단된다.
본 절에서는 교량의 정밀안전진단결과를 토대로 탄산화깊이 및 탄산화속도계수를 분석하였다.
3인 경우를 나타낸다. 여기서, 콘크리트 압축강도는 대부분 현장구조물의 설계기준강도를 감안하여 21, 24, 27MPa인 경우를 기준으로 분석하였고, 콘크리트 압축강도 변동계수를 0으로 산정하여 평균값만을 사용한 경우와 현장시험결과(압축강도 변동계수 0.1수준)를 반영한 경우를 비교하였다.
본 절에서는 콘크리트 내구설계시 목표내구수명을 만족하기 위한 도심지 교량의 피복두께를 분석하였다. 우선, 피복두께의 변화에 따른 내구수명을 알아보기 위하여, 현장계측결과의 평균 피복두께(#) 56mm을 기준으로, 현장 평균피복두께보다 10mm큰 경우(#)와 10mm 작은 경우(#)를 비교하였다.
대상 데이터
Fig. 16은 피복두께와 강도의 변동성에 따른 내구수명의 감소폭을 비교한 것으로, 피복두께는 현장 평균피복두께인 56mm를 반영하였고, 강도는 21MPa인 경우를 대상으로 하였다. 피복두께 변동계수가 0.
국내 콘크리트구조물의 탄산화 정도를 평가하기 위하여 국내에서 실시한 교량의 안전진단결과를 수집하여 분석하였다(한국시설안전공단 정밀안전진단보고서, 1997-2007). 본 연구에 사용된 자료는 서울시 등 탄산가스농도가 높은 대도시에 위치한 사용년수 10～31년인 도심지 주요교량 22개소를 대상으로 하였으며, 총 측정개수는 490개소이다.
국내 콘크리트구조물의 탄산화 정도를 평가하기 위하여 국내에서 실시한 교량의 안전진단결과를 수집하여 분석하였다(한국시설안전공단 정밀안전진단보고서, 1997-2007). 본 연구에 사용된 자료는 서울시 등 탄산가스농도가 높은 대도시에 위치한 사용년수 10～31년인 도심지 주요교량 22개소를 대상으로 하였으며, 총 측정개수는 490개소이다.
데이터처리
도심지 교량의 탄산화에 대한 내구수명을 예측하기 위하여, 계측된 데이터를 통계 처리하여 탄산화깊이 평균값과 표준편차, 변동계수를 Table 1과 같이 계산하였고, 계산 값을 식(4)-(6)에 대입하여 교량의 사용년수에 따른 내구적 파괴확률을 도출하였다.
이론/모형
대상교량은 일반적으로 현장에서 간편하게 이용되어지는 탄산화시험법을 사용하였으며, 그 내용은 다음과 같다.
콘크리트의 내구성 설계법은 결정론적 설계법과 확률론적 설계법으로 구분할 수 있다(RILEM, 1994). 본 논문에서는 신뢰성 이론에 근거한 확률론적 설계방법을 이용하였으며 그 기본 개념은 식(7)과 같다.
본 연구에서는 탄산화에 의한 도심지 교량의 내구적 파괴확률을 도출하기 위하여, 화천(和泉, 1988)의 신뢰성 이론을 적용하였으며, 시간에 따라 증가하는 탄산화깊이의 변동성과 피복두께의 변동성을 정규분포로 고려하였다.
성능/효과
2) 도심지 국내 주요교량의 탄산화 분석결과, 피복두께 변동계수가 0.3일 때, 모든 강도(21, 24, 27MPa)에서 내구적 파괴확률이 10%(신뢰도지수β =1.3)를 초과하는 것으로 분석되어 탄산화의 단일 열화만으로도 시방기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
3) 피복두께의 증가에 따른 내구수명을 분석한 결과, 피복두께 변동계수가 0.1인 경우 목표내구수명을 만족하기 위해서는 피복두께 70mm 이상이 확보되어야 할 것으로 분석되었으며, 피복두께 변동계수가 0.3인 경우는 80mm 이상이 확보되어야 할 것으로 분석되었다.
4) 탄산화 환경에서 콘크리트 강도 및 피복두께의 변동성에 따라 교량의 내구수명은 큰 폭으로 감소하였다. 따라서 구조물 신축시 콘크리트 배합 및 타설에 대한 품질관리수준을 향상시켜 강도 및 피복두께의 변동성을 줄이는 것이 필요하다.
이는 내구성 설계에서 피복두께의 확보가 얼마나 중요한지를 보여주고 있으며, 특히 도심지와 같이 탄산화에 노출된 환경에서는 피복두께 산정시 내구수명 분석을 토대로 적절한 피복두께를 확보하는 것이 필요하다. Fig. 14는 피복두께의 증가에 따른 내구수명을 분석한 것으로, 도심지 교량에서 피복두께 변동계수가 0.1인 경우 목표내구수명 100년을 만족하기 위해서는 피복두께 70mm 이상이 확보되어야 할 것으로 분석되었으며, 피복두께 변동계수가 0.3인 경우는 목표내구수명을 만족시키기 위해서 80mm 이상이 확보되어야 할 것으로 분석되었다.
Fig. 8과 같이 피복두께 변동계수가 0.3일 때, 모든 강도에 대해 내구적 파괴확률이 10%(신뢰도지수β =1.3)를 초과하는 것으로 분석되어 탄산화의 단일 열화만으로도 시방기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다.
1인 경우는 강도의 변동성을 고려하지 않은 경우에 비하여 약 20%의 내구수명 감소를 나타냈다. 두 확률변수의 변동성을 비교하면, 변동계수 0.1-0.3범위에서는 강도의 변동성이 피복두께의 변동성보다 내구수명에 미치는 영향이 큰 것으로 분석되었으며. 변동계수 0.
9%로 내구적 파괴확률이 10%미만이고 내구 수명은 127년으로 나타났다. 즉 평균 피복두께를 현장계측치보다 10mm 작게 하였을 때 내구수명은 30년이 감소하였으며, 10mm 크게 하였을 때는 35년이 증가하여 피복두께 증가에 따라 내구수명은 큰 폭으로 증가하였다. 이는 내구성 설계에서 피복두께의 확보가 얼마나 중요한지를 보여주고 있으며, 특히 도심지와 같이 탄산화에 노출된 환경에서는 피복두께 산정시 내구수명 분석을 토대로 적절한 피복두께를 확보하는 것이 필요하다.
피복두께의 변동계수는 콘크리트의 시공 관리품질 나타내므로, 콘크리트의 시공의 정확도가 구조물의 내구적 파괴확률에 큰영향을 미치는 것으로 판단된다. 한편, 현장실험결과에 따라 강도의 변동성을 고려한 경우는 고려하지 않은 경우에 비하여 최대 약 1.8배의 파괴확률 증가를 보였으며 강도의 감소에 따라 교량의 내구수명은 감소하였다. 즉, 구조물 신축시 양질의 골재를 사용하고 물-시멘트비를 작게 하여 강도를 확보하는 것이 탄산화에 대한 대책으로 매우 중요하다고 판단된다.
2는 현장계측 데이터의 전체개소(490개소)를 통계 처리하여, 교량의 사용년수에 따른 탄산화깊이를 나타낸 것으로 사용년수가 증가함에 따라 탄산화깊이는 증가하는 경향을 보였다. 현장 계측결과 피복두께의 평균 56.36mm에 대하여 전체개소의 탄산화깊이의 평균은 12.96mm로 나타났다. Fig.
후속연구
5) 현재, 국내 구조물에 대한 내구수명 파악시 폭넓은 현장 계측 데이터의 축적 및 내구수명 평가방법에 관한 연구의 미비로 많은 어려움을 겪고 있다. 본 논문의 연구 결과는 도심지 교량구조물의 탄산화에 대한 유지관리 및 내구설계시 기초자료로 이용될 수 있다고 판단된다.
본 논문에서는 건전부 콘크리트만을 대상으로 분석한 내용이므로, 누수나 균열등의 조건에 노출되면 이보다 짧은 기간 내에 부식에 노출될 수도 있어 국내 도심지 교량의 가장 중요한 성능저하 요인은 콘크리트의 탄산 화로 인한 철근부식으로 판단되어 진다. 이에 교량 유지관리시 도심지에 위치한 교량의 탄산화에 대한 면밀한 검토 및 계획적인 보수보강 시기의 선정이 필요할 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
철근콘크리트의 내구성을 저하시키는 주요 원인중의 하나는 무엇인가?
철근콘크리트의 내구성을 저하시키는 주요 원인중의 하나는 콘크리트 탄산화로 인하여 철근이 부식되는 것이다. 탄산화속도는 구조물이 위치한 환경의 이산화탄소 농도, 콘크리트 품질, 구조물의 형상 등에 의해 영향을 받게 되는데 특히, 도심지 콘크리트 구조물의 탄산화에 대한 문제가 증가되고 있다.
탄산화속도는 무엇에 영향을 받는가?
철근콘크리트의 내구성을 저하시키는 주요 원인중의 하나는 콘크리트 탄산화로 인하여 철근이 부식되는 것이다. 탄산화속도는 구조물이 위치한 환경의 이산화탄소 농도, 콘크리트 품질, 구조물의 형상 등에 의해 영향을 받게 되는데 특히, 도심지 콘크리트 구조물의 탄산화에 대한 문제가 증가되고 있다. 본 논문에서는 국내에서 광범위하게 시공된 교량구조물에 대한 실태조사를 이용하여 탄산화가 교량구조물에 미치는 영향을 파악하였다.
현장실험결과를 활용한 국내 도심지 교량구조물의 탄산화 해석을 통하여 나타난 연구의 결론은 무엇인가?
1) 서울시 등 탄산가스농도가 높은 대도시에 위치한 사용년수 10～31년인 도심지 주요교량 22개의 탄산화 현장실험결과를 토대로 신뢰성 이론을 적용하여 사용기간에 따른 내구수명을 산정하였다.
2) 도심지 국내 주요교량의 탄산화 분석결과, 피복두께 변동계수가 0.3일 때, 모든 강도(21, 24, 27MPa)에서 내구적 파괴확률이 10%(신뢰도지수β =1.3)를 초과하는 것으로 분석되어 탄산화의 단일 열화만으로도 시방기준을 만족하지 못하는 것으로 나타났다. 이에 교량 유지관리시 도심지에 위치한 교량의 탄산화에 대한 면밀한 검토 및 계획적인 보수보강 시기의 선정이 필요할 것으로 판단된다.
3) 피복두께의 증가에 따른 내구수명을 분석한 결과, 피복두께 변동계수가 0.1인 경우 목표내구수명을 만족하기 위해서는 피복두께 70mm 이상이 확보되어야 할 것으로 분석되었으며, 피복두께 변동계수가 0.3인 경우는 80mm 이상이 확보되어야 할 것으로 분석되었다.
4) 탄산화 환경에서 콘크리트 강도 및 피복두께의 변동성에 따라 교량의 내구수명은 큰 폭으로 감소하였다. 따라서 구조물 신축시 콘크리트 배합 및 타설에 대한 품질관리수준을 향상시켜 강도 및 피복두께의 변동성을 줄이는 것이 필요하다.
5) 현재, 국내 구조물에 대한 내구수명 파악시 폭넓은 현장 계측 데이터의 축적 및 내구수명 평가방법에 관한 연구의 미비로 많은 어려움을 겪고 있다. 본 논문의 연구 결과는 도심지 교량구조물의 탄산화에 대한 유지관리 및 내구설계시 기초자료로 이용될 수 있다고 판단된다.
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