[논문]염해 실태조사를 통한 철근 콘크리트 교각의 내구수명 평가 - 결정론적 및 확률론적 해석방법

권성준

doi:10.11112/jksmi.2015.19.5.067

염해 실태조사를 통한 철근 콘크리트 교각의 내구수명 평가 - 결정론적 및 확률론적 해석방법
Evaluation of Service Life in RC Column under Chloride Attack through Field Investigation: Deterministic and Probabilistic Approaches 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.19 no.5, 2015년, pp.67 - 74

권성준 (한남대학교 건설시스템 공학과)

초록
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콘크리트 구조물은 경제적이고 내구적인 구조물이지만 철근부식에 따라 성능이 내구적, 구조적 저하하게 된다. 최근들어 내구성설계가 도입되고 있는데, 콘크리트 구조물의 내구수명은 해수에 같이 노출되더라도, 국부적인 노출환경과 설계방법에 따라 다르게 평가된다. 본 연구는 3.5년~4.5년 해수에 노출된 4개의 RC 교각을 대상으로 실태조사를 수행하여 25개의 콘크리트 코어를 채취하였으며, 전염화물을 평가하여 표면염화물량 및 겉보기 확산계수를 도출하였다. Fick's $2^{nd}$ Law를 기본으로 한 결정론적 방법과 임계확률을 고려한 확률론적인 방법을 수행하여 내구수명을 각각 평가하고 분석하였다. 확률론적인 방법은 보수적으로 평가되었으며, 같은 구조물이라 하더라도 간만대 및 40.0 m 이상의 비말대에서는 비교적 낮은 내구수명이 평가되었다. 본 연구에서는 코어채취높이에 따른 염화물 거동 분석과 내구성 설계방법의 현시점에서의 한계성이 분석되었다.

Abstract ▼ AI-Helper

RC (Reinforced Concrete) structures are considered as cost-benefit and durable however performances of structural safety and durability are degraded due to steel corrosion. Service life in RC structure is differently evaluated due to different local environmental conditions even if it is exposed to the same chloride attack. In the paper, 25 concrete cores from field investigation are obtained from 4 RC columns with duration of 3.5~4.5 years exposed to sea water. Through total chloride content measurement, surface chloride contents and apparent diffusion coefficients are evaluated. Service life of the target structure is estimated through deterministic method based on Fick's $2^{nd}$ Law and probabilistic method based on durability failure probability, respectively. Probability method is evaluated to be more conservative and relatively decreased service life is evaluated in tidal zone and splash zone over 40.0 m. Chloride penetration behavior with coring location from sea level and the present limitations of durability design method are investigated in the paper.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

이를 위하여 해수조건과 콘크리트 코어가 채취된 높이를 고려하여 총 25개의 콘크리트 코어가 채취되었으며 겉보기 확산계수와 표면염화물량을 평가하였다. 본 연구에서는 각 방법에 따른 염화물 거동 해석과 이를 고려한 내구수명 평가방법이 다루어지며 노출환경에 따른 염화물 거동에 대한 분석이 수행되었다.

가설 설정

4에 도시하였다. Table 4에서 m은 시간의존성 확산계수로 보통 콘크리트의 경우 0.2를 사용하고 30년 경과후 염화물 확산계수는 일정한 것으로 가정하였다(Thomas and Bentz, 2002).
, 2009). 기존의 연구를 참고하여 피복두께, 표면염화물량, 염화물 확산계수는 정규분포로, 임계염화물량은 로그정규분포로 가정하였다(Song et al., 2009). Fig.
이는 각 time step에 따라 확률변수가 변동하는 것이 MCS에 도입되어야 하는데, 이는 매우 어려운 난제이다. 본 해석에서는 Table 5의 확률변수를 이용하여 공용부터 이러한 특성을 가진다고 가정하고 확률론적인 해석을 수행하였다. 각국의 시방 규정에서는 7.
0 m 이상에서는 표면염화물량이 임계염화물량까지 증가하지 않으므로 내구수명은 현실적이지 않은 값이 도출된다. 이를 고려하기 위해 확률론적 해석시 표면염화물량을 1.2 kg/m³으로 가정하여 해석을 수행하였다.
또한 외부 표면염화물은 시간에 따라 선형적으로 증가 후 일정해지는 것으로 보고되고 있다(Thomas and Bentz, 2002). 이미 각 경과년수에 따른 표면염화물량이 실측자료로 조사되었으므로 이를 이용하여 선형적인 외부염화물량 증가를 고려하였으며, 최대값은 일반적인 해수수준인 18.0 kg/m³으로 가정하였다. Table 4에서는 해석에 필요한 경계조건 및 입력변수를 정리하였으며, 표면염화물량의 변화는 Fig.

제안 방법

2) 확률론적인 해석을 수행하기 위해 피복두께, 표면염화물량, 염화물 확산계수, 임계염화물량으로 설정하고 실태조사에 근거한 확률변수를 설정하였다. 분석결과 9.
확률론적인 방법은 주로 MCS(Monte Carlo Simulation)을 이용하여 확률변수들에 대한 변동성을 고려한다. Fig. 1에서는 확률론적인 설계방법의 개요도를 나타내었는데(Duracrete, 2000), 열화외력(S_t)은 시간에 따라 증가하는 유입된 염화물량으로 하였으며, 저항내력(R_t)는 부식발생의 임계염화물량으로 설정하였다. 식 (2)에서는 본 연구에서 적용되는 확률론적 설계의 지배방정식을 나타낸다.
7년 경과된 구조물이다. 각 존치기간을 고려하여 기준시간(28일)에서의 확산계수를 역추적 하였으며, 이를 대상으로 내구수명을 추정하였다.
각국의 시방 규정에서는 7.0∼10.0% 정도로 부식에 이르는 확률을 내구적 파괴확률로 정하고 있는데(KCI, 2004; JSCE, 2002; EN, 2000), 본 연구에서는 국내 시방서에 따라 부식발생확률이 10.0%에 도달하는 기간을 내구수명을 설정하였다(KCI, 2004, Kwon et al., 2009).
결정론적인 방법은 염화물 이동에 대한 지배 방정식을 이용하여 거동을 평가한다. 현재의 염화물 평가 방정식은 크게 Nernst-Einstein 방정식을 사용하여 자유염화물 및 고정염화물의 상평형까지 고려하는 해석기법(Maekawa et al.
본 연구에서는 3.5년∼4.5년 해수에 노출된 RC 교각에 대한 실태조사 결과를 이용하여 Fick's 2nd Law를 기본으로 한 결정론적인 설계기법과 확률론적인 설계기법을 비교하도록 한다.
, 1998). 본 연구에서는 실태조사 결과에 따라 도출된 코어 콘크리트의 전 염화물을 도출하였으며, 겉보기 확산계수에 대한 식을 사용하였다. 식 (1)에서는 겉보기 확산계수를 통한 염화물 거동을 나타내고 있다.
확률론적인 해석을 수행하기 위해서는 확률변수의 설정 및 분포가 필요하다. 본 절에서는 실태조사를 통하여 도출한 표면염화물량, 확산계수, 피복두께의 확률변수를 분석하였다. Table 5에서는 각 확률변수의 변동성을 나타내었으며, Fig.
5년 해수에 노출된 RC 교각에 대한 실태조사 결과를 이용하여 Fick's 2^nd Law를 기본으로 한 결정론적인 설계기법과 확률론적인 설계기법을 비교하도록 한다. 이를 위하여 해수조건과 콘크리트 코어가 채취된 높이를 고려하여 총 25개의 콘크리트 코어가 채취되었으며 겉보기 확산계수와 표면염화물량을 평가하였다. 본 연구에서는 각 방법에 따른 염화물 거동 해석과 이를 고려한 내구수명 평가방법이 다루어지며 노출환경에 따른 염화물 거동에 대한 분석이 수행되었다.

대상 데이터

대상구조물은 해상부에 위치한 RC 교각으로 간만대와 해수면위의 부재를 대상으로 지름 100 mm의 코어를 채취하였다. 설계 강도는 24 MPa이며, 일부 시공불량개소에 국부적인 철근부식이 발생하여 외부에 녹물이 발생하여 보수를 끝낸 상황이었다.
해석에 사용될 염화물 확산계수는 시간에 따라 감소하게 되는데(Thomas and Bentz, 2002), 대상 구조물은 3.7∼4.7년 경과된 구조물이다.

데이터처리

총 4개의 교각에서 높이별로 채취한 전염화물 분포는 Table 2와 같으며, 회귀분석을 통하여 도출된 겉보기 확산계수 및 표면 염화물량은 Table 3과 같다. 확산계수 및 표면염화물량은 선형 및 비선형 회귀분석을 통해 도출되는데, 0 ≦ 0 ≦ z ≦ $\sqrt{3}$ 의 범위에서는 erfc(z) = 1 - erf(z)로 가정할 수 있으므로 실무적으로 많이 사용되는 선형회귀분석을 사용하였다. 식 (3) 및 식 (4)에서는 회귀분석과정을 나타내고 있다.

이론/모형

대상 구조물에 대한 결정론적인 방법은 Fick's 2nd Law를 기본으로 한 Life 365를 사용하였는데, 입력값은 실태조사 결과를 사용하였다.
존치기간은 타설후 3.5년∼4.5년 경과후의 RC 구조물이며, 해수면위의 4.8∼48.4 m의 위치에서 코어를 25개 채취하여 AASHTO T 260에 의거하여 전염화물량을 평가하였다(AASHTO, 1997).
확률론적인 방법은 주로 MCS(Monte Carlo Simulation)을 이용하여 확률변수들에 대한 변동성을 고려한다. Fig.

성능/효과

1) 3.5년∼4.5년간 해안가에 노출된 RC 교각에 대한 실태조사 결과를 이용하여 결정론적인 해석을 수행하였는데, 주기적인 침지가 되는 6.0 m 이하에서는 높은 표면 염화물량 비교적 낮은 확산계수가 평가되었다.
3) 두 방법에 의해 도출된 내구수명 평가 결과, 확률론적인 방법에 의한 결과가 좀 더 보수적인 설계를 유도하는데, 이는 내구적 파괴확률이 10.0%로 낮은 수준이기 때문이다. 또한 13.
8년의 내구수명이 평가되었다. 40m 이상의 높은 비말대 위치에서는 두가지 방법에서 모두 40년 이상의 내구수명이 평가되었으나 확률론적인 설계가 좀 더 보수적으로 나타났다. 낮은 표면염화물량에서는 Table 3에서 알 수 있듯이 높은 확산계수가 도출되게 된다.
2) 확률론적인 해석을 수행하기 위해 피복두께, 표면염화물량, 염화물 확산계수, 임계염화물량으로 설정하고 실태조사에 근거한 확률변수를 설정하였다. 분석결과 9.0 m 이하에서는 비교적 안정적인 확률변동성이 평가되었으나 비말대 지역에서는 표면염화물 및 확산계수의 편차가 크게 발생하였다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	염화물이온 무엇에 가장 치명적으로 영향을 주며 열화요인 중 가장 중요한 것은?	이러한 내구적인 문제점은 구조적인 문제로 진전되는데, 콘크리트 내부의 철근부식은 가장 중요하게 고려된다. 특히 염화물이온은 전달속도가 빠르고 부식에 가장 치명적으로 영향을 주므로 염해(Chloride attack)는 가장 중요한 열화요인중 하나이다(Broomfield, 1997; RILEM, 1994).
	콘크리트 구조물에서 구조적인 문제로 진전됨에 따라 가장 중요하게 고려되는 것은 무엇인가?	콘크리트 구조물은 경제적이고 고내구성인 건설재료이지만 사용기간의 증가에 따라 내구적인 문제가 발생한다. 이러한 내구적인 문제점은 구조적인 문제로 진전되는데, 콘크리트 내부의 철근부식은 가장 중요하게 고려된다. 특히 염화물이온은 전달속도가 빠르고 부식에 가장 치명적으로 영향을 주므로 염해(Chloride attack)는 가장 중요한 열화요인중 하나이다(Broomfield, 1997; RILEM, 1994).
	콘크리트 구조물은 어떤 특징이 있는가?	콘크리트 구조물은 경제적이고 내구적인 구조물이지만 철근부식에 따라 성능이 내구적, 구조적 저하하게 된다. 최근들어 내구성설계가 도입되고 있는데, 콘크리트 구조물의 내구수명은 해수에 같이 노출되더라도, 국부적인 노출환경과 설계방법에 따라 다르게 평가된다.

참고문헌 (21)

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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