염해에 노출된 콘크리트의 내구수명은 매우 중요한데, 주로 Fick's 2법칙에 근거한 결정론적인 방법과 확률론에 근거한 방법이 사용되고 있다. 본 연구에서는 시간의존적 확산계수와 표면염화물량을 고려하여 내구적 파괴확률과 이에 따른 내구수명의 변화를 평가하였다. 이를 위해 3.5~4.5년, 비교적 짧은 기간 염해에 노출된 RC 교각에 대하여 해상부(9.0 m)와 간만대(6.0 m) 구분하여 실태조사를 수행하였다. 피복두께, 표명염화물량, 염화물 확산계수에 대한 확률변수를 도출하였으며, MCS을 이용하여 내구적 파괴확률과 내구수명을 평가하였다. Life365를 이용한 결정론적 방법과 다르게, 시간의존성을 고려한 확률해석에서는 내구수명의 변동이 크게 발생하였으며, 표면염화물량이 낮은 조건에서는 초기에 빠른 내구수명의 감소가 평가되었다. 실태조사 결과를 이용하여 확률론적인 내구성 평가를 할 경우, 장기간 염해에 노출되어 $10.0kg/m^3$ 이상의 높은 표면염화물량이 필요함을 알 수 있으며, 확산계수의 시간의존성에 따른 감소를 고려하면 합리적인 내구수명을 평가할 수 있다.
염해에 노출된 콘크리트의 내구수명은 매우 중요한데, 주로 Fick's 2법칙에 근거한 결정론적인 방법과 확률론에 근거한 방법이 사용되고 있다. 본 연구에서는 시간의존적 확산계수와 표면염화물량을 고려하여 내구적 파괴확률과 이에 따른 내구수명의 변화를 평가하였다. 이를 위해 3.5~4.5년, 비교적 짧은 기간 염해에 노출된 RC 교각에 대하여 해상부(9.0 m)와 간만대(6.0 m) 구분하여 실태조사를 수행하였다. 피복두께, 표명염화물량, 염화물 확산계수에 대한 확률변수를 도출하였으며, MCS을 이용하여 내구적 파괴확률과 내구수명을 평가하였다. Life365를 이용한 결정론적 방법과 다르게, 시간의존성을 고려한 확률해석에서는 내구수명의 변동이 크게 발생하였으며, 표면염화물량이 낮은 조건에서는 초기에 빠른 내구수명의 감소가 평가되었다. 실태조사 결과를 이용하여 확률론적인 내구성 평가를 할 경우, 장기간 염해에 노출되어 $10.0kg/m^3$ 이상의 높은 표면염화물량이 필요함을 알 수 있으며, 확산계수의 시간의존성에 따른 감소를 고려하면 합리적인 내구수명을 평가할 수 있다.
The service life in RC (Reinforced Concrete) is very important and it is usually obtained through deterministic method based on Fick's 2nd law and probabilistic method. This paper presents an evaluation of $P_{df}$(durability failure probability) and the related service life considering t...
The service life in RC (Reinforced Concrete) is very important and it is usually obtained through deterministic method based on Fick's 2nd law and probabilistic method. This paper presents an evaluation of $P_{df}$(durability failure probability) and the related service life considering time-dependent behaviors in chloride diffusion and surface chloride content. For the work, field investigation is performed for RC structures exposed to chloride attack for 3.5~4.5years, focusing tidal zone (6.0 m) and sea shore (9.0 m), respectively. Random variables like cover depth, chloride diffusion coefficient, and surface chloride content are obtained, and $P_{df}$ and the service life are evaluated. Unlike the results from deterministic method using LIFE 365, probabilistic method with time effects on diffusion and surface chloride shows a relatively rapid change in the result, which is a significant reductions of service life in the case with low surface chloride content. For probabilistic evaluation of durability, high surface chloride content over $10.0kg/m^3$ is required and reasonable service life can be derived with consideration of time-dependent diffusion coefficient.
The service life in RC (Reinforced Concrete) is very important and it is usually obtained through deterministic method based on Fick's 2nd law and probabilistic method. This paper presents an evaluation of $P_{df}$(durability failure probability) and the related service life considering time-dependent behaviors in chloride diffusion and surface chloride content. For the work, field investigation is performed for RC structures exposed to chloride attack for 3.5~4.5years, focusing tidal zone (6.0 m) and sea shore (9.0 m), respectively. Random variables like cover depth, chloride diffusion coefficient, and surface chloride content are obtained, and $P_{df}$ and the service life are evaluated. Unlike the results from deterministic method using LIFE 365, probabilistic method with time effects on diffusion and surface chloride shows a relatively rapid change in the result, which is a significant reductions of service life in the case with low surface chloride content. For probabilistic evaluation of durability, high surface chloride content over $10.0kg/m^3$ is required and reasonable service life can be derived with consideration of time-dependent diffusion coefficient.
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문제 정의
본 연구는 비교적 단기간에 노출된 교각 구조물을 대상으로 확산계수와 표면염화물량을 평가하여 결정론적 방법과 확률론적 방법을 통해 내구수명 변화를 분석한 연구이다. 많은 연구에서도 지적되었듯이, 표면염화물량의 증가, 확산계수의 시간의존성에 대해서는 의견이 분분하며 국내현실을 고려한 개선이 절실하다.
본 연구에서는 염해에 노출되었으며 비교적 짧은 공용기간(3.5~4.5년)을 가진 콘크리트 교각의 실태조사를 수행하였으며, 실태조사결과를 이용하여 시간의존성 해석에 따른 내구수명의 변화를 분석하도록 한다. 염해실태조사 결과에 대한 연구는 많이 진행되었으므로 시간의존성을 가지는 염해 특성을 고려하여 확률론적 해석을 수행하였다.
본 절에서는 코어를 채취하였을 시점을 기준으로 일정한 겉보기 확산계수와 표면염화물량을 가질 경우의 내구성 파괴확률과 이에 따른 내구수명을 평가하였다. 국내 외 시방서에서는 7.
본 절에서는 표면염화물량이 선형으로 18.0 kg/m3까지 증가하면서 시간의존성 확산계수를 고려한 경우의 PDF의 변화와 이에 따른 내구수명의 변화를 분석하도록 한다. Fig.
가설 설정
0 kg/m3수준으로 변동성을 가지는 데 일반적으로 혼화 재료를 사용한 경우, 염화물 고정화가 커지므로 표면염화물량이 증가한다.26) 본 연구에서는 OPC를 사용한 콘크리트 교각을 대상으로 하였으므로 최대 표면염화물량을 18.0 kg/m3으로 가정하였으며, 도달하는 기간을 10년으로 가정하였다.3) 식 (2)에서는 Life365에서 차용한 겉보기 확산계수를 고려한 염화물 지배방정식을 나타내었다.
2 kg/m3 보다 낮은 값이므로 증가하지 않을 경우 물리적으로 부식이 발생할 수 없는 조건이다. 그러므로 확률해석에서는 임계기준치인 1.2 kg/m3을 가정하여 해석을 수행하였다. Fig.
7(b)에서는 이에따른 내구수명의 변화를 나타내었다. 표면염화물량의 증가는 Fig. 2와 동일하게 가정하였다.
제안 방법
1) 3.5~4.5년 경과된 간만대와 해상부의 RC 교각의 실태조사 결과를 기준으로 하여, 결정론적인 방법과 확률론적인 방법으로 내구수명을 평가하였다. Life365를 통한 해석결과에서, 간만대(6.
2를 권하고 있다.2) 또한 온도 특성은 대상 구조물의 노출환경을 조사하여 고려하였다.
4) 본 연구에서는 실태조사결과를 기본으로 문헌조사를 통한 시간의존성을 고려하여 결정론적 및 확률론적 해석을 수행하였다. 더욱 합리적인 해석을 위해서는 시간에 따른 확산계수의 변화 특성과 노출환경 및 시간에 따른 표면염화물량의 변화 등이 광범위한 실태조사결과 및 장기실험 등으로 규명되어야 한다.
채취된 각각 6개의 코어에 대하여 AASTHO T260에 따라 전염화물량을 측정하였다. 각 시편은 5.0 mm 깊이 단위로 전염화물량을 도출하였으며, 염화물 분포에 따라 회귀분석을 통하여 겉보기 표면 염화물량 및 겉보기 확산계수를 도출하였다. Table 1은 대상 구조물의 배합표를 나타내며, Table 2에서는 6.
기존의 연구에 따라 표면염화물량, 겉보기 확산계수, 피복두께는 정규 확률분포함수를 고려하였으며, 임계염화물량에 대해서는 로그 확률분포를 고려하였다.20)
본 절에서는 식 (1)을 통한 확률론적 해석을 수행하기 위해 표면염화물량, 확산계수의 평균 및 표준편차를 분석하고 확률분포함수를 구성하여 MCS을 적용하였다.
시간의존성 확산계수 및 표면염화물량을 고려하기 위하여 코어채취 시간은 3.5년으로 고정하고 5년 단위로 확산계수와 표면염화물량 및 확산계수를 산정하여 수행하였다.
5년)을 가진 콘크리트 교각의 실태조사를 수행하였으며, 실태조사결과를 이용하여 시간의존성 해석에 따른 내구수명의 변화를 분석하도록 한다. 염해실태조사 결과에 대한 연구는 많이 진행되었으므로 시간의존성을 가지는 염해 특성을 고려하여 확률론적 해석을 수행하였다. 이를 통해 내구적 파괴확률 변화와 이에 따른 내구수명을 분석하였다.
염해실태조사 결과에 대한 연구는 많이 진행되었으므로 시간의존성을 가지는 염해 특성을 고려하여 확률론적 해석을 수행하였다. 이를 통해 내구적 파괴확률 변화와 이에 따른 내구수명을 분석하였다.
확률론적 설계에서는 MCS (Monte Carlo Simulation)을 통해 목표내구수명동안 확산을 통하여 철근 위치에 유입 된 염화물량이 임계염화물을 초과하지 않을 확률을 한계 상태로 정의하고 이 조건이 발생할 확률인 내구성 파괴 확률이 목표 내구성 파괴확률보다 낮도록 설계한다. 식(1)은 확률론 해석의 지배방정식을 나타내고 있으며, 그 개요를 Fig.
대상 데이터
각 코어채취 높이(6.0 m, 9.0 m)에 대해 평균과 표준편차를 도출하였는데, 시편의 개수는 Table 2와 마찬가지로 각 높이에 대하여 6개, 총 12개의 시편을 대상으로 한 것이다. Table 4에서는 확산계수, 표면염화물량, 피복두께에 대한 확률변수를 나타내었다.
대상구조물은 해상부에 위치한 RC 교각으로 간만대(6.0 m)위치와 해상부(9.0 m)에서 지름 100 m의 코어를 채취하였다. 채취된 각각 6개의 코어에 대하여 AASTHO T260에 따라 전염화물량을 측정하였다.
이론/모형
0 m)에서 지름 100 m의 코어를 채취하였다. 채취된 각각 6개의 코어에 대하여 AASTHO T260에 따라 전염화물량을 측정하였다. 각 시편은 5.
성능/효과
2) 확률론을 이용할 때, 확산계수의 시간의존에 따른 감소를 고려하면 간만대에서는 30년 경과시 내구수명은 35년으로 일정하게 평가되었다. 또한 표면염화물량이 증가하고 확산계수가 감소할 경우를 고려하면, 27년으로 평가되었다.
3) 비교적 초기에 코어를 채취하여 낮은 표면 염화물량을 가진 경우, 확률론적인 방법을 적용한 식과 Fick's 2nd Law를 적용한 식의 결과는 큰 차이를 나타낸다.
3.2.2절에 언급하였듯이 간만대 위치(6.0 m)에서는 35.2~60.9년의 범위에서 44.2년의 내구수명 평균값을, 해상부(9.0 m)에서는 51.3~85.2년의 범위에서 63.6년의 내구수명 평균값을 나타내고 있다. 간만대 위치에서의 내구수명 특성을 Fig.
0 kg/m3이 그 이후 유지된다. 3.5년에서 표면염화물량이 1.2 kg/m3이었으므로 임계염화물량보다 커지기 시작하는 순간부터 PDF는 매우 크게 증가하고 이에 따라 급격한 내구수명을 확인 할 수 있다. 30년까지는 확산계수의 감소와 표면염화물량의 증가가, 그 이후부터 52.
이는 확률변수의 변동성이 크다 하더라도 낮은 목표 내구적 파괴확률(10%)이 지배적이기 때문이다. 30년 이후 일정해진 내구수명을 비교하면, Life365의 평균값에 비해 시간의존성 확산계수만 고려한 경우는 79.2%, 시간의존성 확산성과 증가하는 표면염화물량을 고려한 경우는 61.8% 수준으로 평가되었다.
5년까지는 표면염화물량의 증가만 존재한다. 52.5년 이후는 표면염화물과 확산계수가 모두 일정해지므로 내구수명은 16년으로 일정하게 평가되었다.
9.0m 위치에서 평균 표면염화물량은 임계기준치인 1.2 kg/m3 보다 낮은 값이므로 증가하지 않을 경우 물리적으로 부식이 발생할 수 없는 조건이다. 그러므로 확률해석에서는 임계기준치인 1.
식 (2)와 같이 30년 이후 확산계수가 일정하다고 평가되므로3) 30년 이후의 PDF 및 내구수명의 변화는 없다. 내구수명은 초기에 20.2년으로 평가되었으나 확산계수의 시간의존 한계를 30년으로 가정시 내구수명은 35년으로 증가하였다.
또한 표면염화물량이 증가하고 확산계수가 감소할 경우를 고려하면, 27년으로 평가되었다. 마찬가지로 해상부에서는 확산계수 감소만을 고려할 때, 30년 이후 420년으로 일정하게 내구수명이 평가되었으며, 표면염화물의 증가 및 확산계수의 감소를 고려할 때 16년으로 매우 낮게 평가되었다.
또한 표면염화물량이 증가하는 것을 가정하여 해석을 수행할 경우 초기 시점에서 측정한 확산계수 값이 낮은 수준이므로 급격하게 내구수명이 감소하게 된다. 표면염화물량과 확산계수가 모두 일정해지는 50년 이후의 내구수명 평가에서는 Life365의 평균 내구수명보다 평가 결과인 25% 수준으로 매우 낮게 평가되었다.
후속연구
4) 본 연구에서는 실태조사결과를 기본으로 문헌조사를 통한 시간의존성을 고려하여 결정론적 및 확률론적 해석을 수행하였다. 더욱 합리적인 해석을 위해서는 시간에 따른 확산계수의 변화 특성과 노출환경 및 시간에 따른 표면염화물량의 변화 등이 광범위한 실태조사결과 및 장기실험 등으로 규명되어야 한다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
결정론적인 방법이란?
현재 국내외의 내구수명을 평가하는 방법은 결정론적인 방법과 확률론적인 방법으로 분류할 수 있다. 결정론적인 방법은 염화물 이동을 직접적으로 평가하는 방법으로 실무에서는 겉보기 확산계수를 이용한 평가방법이 대표적이다.3,4) 최근 들어 콘크리트의 수화도 및 수분이동을 고려한 해석도 많이 발전하고 있는데, 이는 자유염화물과 고정염화물의 상평형, 염화물의 확산이동과 압력에 의한 이동 등을 모두 고려해야 한다.
현재 국내외의 내구수명을 평가하는 방법인 결정론적인 방법과 확률론적인 방법의 한계는?
3,4) 최근 들어 콘크리트의 수화도 및 수분이동을 고려한 해석도 많이 발전하고 있는데, 이는 자유염화물과 고정염화물의 상평형, 염화물의 확산이동과 압력에 의한 이동 등을 모두 고려해야 한다.5-7) 두가지 방법 모두 공학적으로 의미를 가지고 있지만, 일반적으로 알려진 공학적 불확실성(Uncertainties)을 해결하는데 충분하지 못하다.8,9) 국내외의 설계기준 및 시방서 수준은 현재 사양규정형에서 성능평가형으로 변화하고 있는 수준이지만, 현재는 환경조건을 고려한 사양규정 수준이라고 할 수 있다.
현재 국내외의 내구수명을 평가하는 방법은 어떻게 분류할 수 있는가?
1,2) 이를 고려하기 위해 많은 연구들이 염화물 거동의 평가와 예측을 위해 제안되고 있으나, 콘크리트 재료의 불확실성과 실험의 오차 등으로 해석결과와의 차이가 발생하게 된다. 현재 국내외의 내구수명을 평가하는 방법은 결정론적인 방법과 확률론적인 방법으로 분류할 수 있다. 결정론적인 방법은 염화물 이동을 직접적으로 평가하는 방법으로 실무에서는 겉보기 확산계수를 이용한 평가방법이 대표적이다.
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