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[국내논문] 탄산화와 균열을 고려한 전력구 콘크리트 구조물의 확률론적 수명 예측
Probabilistic Estimation of Service Life of Box Culvert for Power Transmission Considering Carbonation and Crack Effect 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.18 no.6, 2014년, pp.30 - 40  

우상균 (한전전력연구원 파워시스템연구소) ,  이윤 (대전대학교 토목공학과)

초록
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최근 전력 전송을 위해 지하에 건설되는 전력구 구조물이 증가함에 따라, 이러한 구조물의 수명 연장은 매우 중요한 문제로 대두되고 있다. 현재까지의 현장 및 실험결과들은 콘크리트 내부의 철근이 콘크리트 피복의 탄산화 현상에 의해 부식될 수 있음을 보이고 있으며, 이러한 탄산화에 의한 철근의 부식은 구조물 주변의 높은 이산화탄소 농도에 의해 빈번히 발생할 가능성을 내포하고 있다. 따라서, 본 연구에서는 실제 전력구 현장에서의 철근 깊이와 탄산화 깊이를 측정한 결과를 바탕으로 우리나라의 전력구 콘크리트 구조물에 대한 탄산화 위험도를 평가하였다. 현장 데이터를 기반으로 철근 주변에서의 탄산화에 의한 전력구의 사용수명을 평가하였으며, 이를 위해 확률론적 방법인 몬테카를로 기법을 적용하였다. 또한 균열을 유발한 시험체에 대한 탄산화 촉진 실험을 수행하여, 그 실험결과를 바탕으로 균열을 고려한 경우의 전력구의 사용수명을 수치적으로 평가하고 분석하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

The demand of underground structure such as box culvert for electric power transmission is increasing more and more, and the service life extension of these structures is very important. Recent observations in field and experimental evidences show that even steel in concrete can be corroded by carbo...

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제안 방법

  • The probability distribution of the carbonation rate and the concrete cover depth measured in field was determined by the goodness of fit test in order to invoke the Monte Carlo simulation method. Then, the Monte Carlo simulation were used to predict the service life of box culverts due to carbonation induced corrosion of steel in concrete. In order to deal with some special but frequently facing problem for the crack effect on the durability of reinforced concrete, the accelerated carbonation test for the cracked beam specimen was performed and the accelerated carbonation rate measured from the experiment was reflected in the Monte Carlo simulation.
  • In the present study, the Monte Carlo simulation technique was used to assess the carbonation risk. For the simulation, mean value and standard derivation of the parametric values (i.e. carbonation depth and concrete cover depth) were obtained from the underground field investigation. Then, 100,000 of random samples for each parametric value were generated in the Monte Carlo simulation.
  • The used period in each box culvert is ranged from 11 years to 29 years, in which inner surface of concrete box culvert has been exposed to carbon dioxide environment, as tabulated in Table 1. The investigation was performed in three parts inside box culvert: the upper slab and opposite wall surfaces. The concrete mix proportion for the box culverts was designed for 24 MPa of compressive strength and the cover concrete de pth to the reinforcement was designed for 50 mm.
  • In fact, mass transport in crack can best be described if the crack itself is modeled as separated finite elements which have the free diffusivity for carbon dioxide in numerical analysis on the carbonation process. However, in this study, in order to experimentally consider the concrete crack effect on the service life due to carbonation of box culverts, the accelerated carbonation test for the cracked specimen was performed. Beam specimen with the same compressive strength of box culvert, a design strength 24 MPa, was newly manufactured for the accelerated carbonation test.

대상 데이터

  • Box culverts for power transmission constructed in five regions in Korea, as shown in Photo 1, were investigated to estimate carbonation risk and service life due to carbonation.

데이터처리

  • In the same manner as the service life estimated for five box culvers in the former section, the service life considering crack effect is obtained from the Monte Carlo simulation by employing the statistical coefficients defined by Eq. (7).

이론/모형

  • From the measured carbonation depth from the field cores, the carbonation rate was determined in five regional sites in our nation : Seoul A, Seoul B, Seoul C, Kwangju and Mokpo. The probability distribution of the carbonation rate and the concrete cover depth measured in field was determined by the goodness of fit test in order to invoke the Monte Carlo simulation method. Then, the Monte Carlo simulation were used to predict the service life of box culverts due to carbonation induced corrosion of steel in concrete.
  • In order to deal with some special but frequently facing problem for the crack effect on the durability of reinforced concrete, the accelerated carbonation test for the cracked beam specimen was performed and the accelerated carbonation rate measured from the experiment was reflected in the Monte Carlo simulation.
  • The service life due to the risk of carbonation at the depth of the steel was calculated by one of the probabilistic method, the Monte Carlo simulation. The probability of corrosion due to carbonation was calculated and dotted with an increment of 1 years of time, as depicted in Fig.
  • The distribution of the concrete cover depth was best fitted to the normal distribution, determined by the goodness of fit test such as the Kolmogorov-Smirnov test.
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참고문헌 (7)

  1. Boulfiza, M., Sakai K., Banthia N., and Yoshida H. (2003), Prediction of chloride ions ingress in cracked oncrete, ACI Materials Journal, 100(1), 38-48. 

  2. CEB-FIP (2006), Model code for service life design, The International Federation for Structural Concrete fib, Task Group 5.6. 

  3. Ismail, M., Toumi, A., Francois, R., and Gagne, R. (2004), Effect of crack opening on the local diffusion of chloride in inert materials, Cement and Concrete Research, 34(4), 711-716. 

  4. Kwon, S. J., Na, U. J., Park, S. S., and Jung, S. H. (2009), Service life prediction of concrete wharves with early-aged crack, Probabilistic approach for chloride diffusion, Structural Safety, 31(1), 75-83. 

  5. Kwon, S. J., Song, H. W., and Byun, K. J. (2005), Durability Design for Cracked Concrete Structures exposed to Carbonation using Stochastic Approach, KSCE Journal, 25(5), 741-750 (in Korean, with English abstract). 

  6. Nakamura, H., Srisoros, W., Yashiro, R., and Kunieda, M. (2006), Time-dependent structural analysis considering mass transfer to evaluate deterioration process of RC structures, Journal of Advanced Concrete Technology, 4(1), 147-158. 

  7. Song, H. W., Kwon, S. J., Byun, K. J., and Park, C. K (2006), Predicting carbonation in early-aged concrete, Cement and Concrete Research, 36(5), 979-989. 

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