콘크리트 구조물의 내구수명평가는 주로 해석 변수의 변동성을 고려하지 않은 결정론적 방법과 변동성을 고려한 확률론적 방법이 사용되고 있다. 본 연구에서는 해안으로부터의 거리와 높이에 따른 내구수명 평가를 위해 일본토목학회에서 제안한 해안으로부터 거리에 따른 표면염화물량과 실태조사를 통한 높이에 따른 표면염화물량을 적용하였다. Fick's $2^{nd}$ Law에 기반을 둔 Life-365를 이용한 결정론적 방법과 MCS을 이용한 확률론적 방법을 수행하여 내구수명을 평가하였다. 평가결과 확률론적 방법이 결정론적 방법보다 낮은 내구수명이 평가되었으며, 이는 기존에 연구된 확산계수, 피복두께, 표면염화물량 등의 변동계수뿐 아니라 낮은 목표내구적 파괴확률을 설정하였기 때문이다. 결정론적 방법에서는 해안가 250m 이내에서는 높이 60m 이상에서, 500m에서는 염해에 의한 피해를 고려하지 않아도 되는 것으로 평가되었다. 또한 확률론적인 방법에서는 전 구간에서 60m 이상의 지역, 250m 이내에서는 40m 이상의 구조물은 염해에 대하여 안전한 것으로 평가되었다.
콘크리트 구조물의 내구수명평가는 주로 해석 변수의 변동성을 고려하지 않은 결정론적 방법과 변동성을 고려한 확률론적 방법이 사용되고 있다. 본 연구에서는 해안으로부터의 거리와 높이에 따른 내구수명 평가를 위해 일본토목학회에서 제안한 해안으로부터 거리에 따른 표면염화물량과 실태조사를 통한 높이에 따른 표면염화물량을 적용하였다. Fick's $2^{nd}$ Law에 기반을 둔 Life-365를 이용한 결정론적 방법과 MCS을 이용한 확률론적 방법을 수행하여 내구수명을 평가하였다. 평가결과 확률론적 방법이 결정론적 방법보다 낮은 내구수명이 평가되었으며, 이는 기존에 연구된 확산계수, 피복두께, 표면염화물량 등의 변동계수뿐 아니라 낮은 목표내구적 파괴확률을 설정하였기 때문이다. 결정론적 방법에서는 해안가 250m 이내에서는 높이 60m 이상에서, 500m에서는 염해에 의한 피해를 고려하지 않아도 되는 것으로 평가되었다. 또한 확률론적인 방법에서는 전 구간에서 60m 이상의 지역, 250m 이내에서는 40m 이상의 구조물은 염해에 대하여 안전한 것으로 평가되었다.
For an evaluation of service life in RC(Reinforced Concrete) structures, deterministic method and probabilistic method considering random variables of design parameters are usually adopted. In the work, surface chloride contents which vary with distance from sea shore and height are investigated fro...
For an evaluation of service life in RC(Reinforced Concrete) structures, deterministic method and probabilistic method considering random variables of design parameters are usually adopted. In the work, surface chloride contents which vary with distance from sea shore and height are investigated from the previous research literature surveys, and they are considered for service life estimation. Through the analysis, the probabilistic method shows much lower results, which is due to variations of design parameters and very low intended durability failure. In the deterministic method, the structures within 250m and higher than 60m are evaluated to be free from chloride attack. In the probabilistic method, those higher than 60m in all the region and higher than 40m and 250m from sea shore are evaluated to satisfy the service life.
For an evaluation of service life in RC(Reinforced Concrete) structures, deterministic method and probabilistic method considering random variables of design parameters are usually adopted. In the work, surface chloride contents which vary with distance from sea shore and height are investigated from the previous research literature surveys, and they are considered for service life estimation. Through the analysis, the probabilistic method shows much lower results, which is due to variations of design parameters and very low intended durability failure. In the deterministic method, the structures within 250m and higher than 60m are evaluated to be free from chloride attack. In the probabilistic method, those higher than 60m in all the region and higher than 40m and 250m from sea shore are evaluated to satisfy the service life.
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문제 정의
본 절에서는 높이 및 거리에 따른 겉보기 염화물량의 변화를 분석하기 위해 기존의 실태조사 자료를 분석하였다(Irina et al.2010). 기존의 연구에서는 krk Arch Bridge의 겉보기 염화물량을 높이에 따른 표면염화물량을 조사하였는데, 본 논문에서는 Table 1과 같이 높이에 따른 가중치로 정규화하였다.
가설 설정
전술한대로 MCS를 실행하기 위한 발생빈도는 1,000으로 설정하였고, Table 4와 마찬가지로 표준편차와 거리와 높이에 대한 표면염화물량을 적용하여 시뮬레이션을 실시하였다. 결정론적방법과 내구수명을 비교평가하기 위해 경계조건을 동일하게 가정하였다. 내구수명 결과는 Table 6에 나타내었으며, Fig.
결정론적인 해석방법과 비교하기 위하여 확산계수, 피복두께, 표면염화물량의 평균은 Table 3와 동일하다. 실태조사를 직접 수행하지 못하였으므로 기존의 연구결과를 참고하여 확산계수의 경우 로그분포를, 그 외의 확률변수에 대해서는 정규분포를 가정하였다.
0%의 내구성 파괴 확률을 한계상태로 정의하였다. 최대표면염화물량은 각 거리와 높이에 대한 표면염화물량으로 설정하였고 도달하는 시간은 10년으로 가정하였다. 해석조건은 Table 3과 동일하다.
제안 방법
1. 일본토목학회에서 제안한 거리에 따른 표면염화물량과 기존 연구의 실태조사에 따른 높이별 표면염화물량을 적용하여 픽의 제 2법칙에 따른 결정론적인 방법과 다양한 변동계수를 적용한 확률론적인 방법으로 내구수명을 평가하였다.
2010). 기존의 연구에서는 krk Arch Bridge의 겉보기 염화물량을 높이에 따른 표면염화물량을 조사하였는데, 본 논문에서는 Table 1과 같이 높이에 따른 가중치로 정규화하였다. 또한 거리에 따른 표면염화물량의 변화를 분석하기 위해 일본토목학회에서 제안하는 값을 사용하였으며, Table 2에 나타내었다(JSCE 2007).
이를 위해 실제 구조물의 높이별 표면염화물량과 일본토목학회 콘크리트 표준시방서에서 명시한 해안선으로부터 거리에 대한 표면염화물량을 적용하여 시간 및 공간을 고려한 염화물 해석을 실시하였다. 또한 결정론적 방법인 Life-365를 통한 염화물 해석을 수행하여 각 방법에 따라 도출되는 내구수명을 비교하였다.
본 연구는 실태조사결과에 따른 높이에 대한 겉보기 확산계수의 영향과 일본토목학회에서 고려하는 거리별 표면염화물량을 적용하여 결정론적 방법 및 확률론적 방법으로 내구수명을 평가하였다. 결과적으로 표면염화물량이 매우 작은 값을 적용하지 않는다면 확률론적 방법은 결정론적 방법보다 약 5~13배의 낮은 내구수명을 도출한다.
본 절에서는 Table 3 및 Table 4의 조건을 이용하여 높이와 거리에 내구적 파괴확률을 분석하였다. 표면염화물량의 변동성은 식 (1) 및 식 (2)를 사용하여 높이 및 거리의 증가에 따라 감소하도록 고려하였다.
본 연구에서는 확산계수의 시간의존성 변화를 적용한 확률론적 해석을 MSC(Monte Carlo Simulation)방법을 적용하여 내구수명 평가를 수행하였다. 이를 위해 실제 구조물의 높이별 표면염화물량과 일본토목학회 콘크리트 표준시방서에서 명시한 해안선으로부터 거리에 대한 표면염화물량을 적용하여 시간 및 공간을 고려한 염화물 해석을 실시하였다. 또한 결정론적 방법인 Life-365를 통한 염화물 해석을 수행하여 각 방법에 따라 도출되는 내구수명을 비교하였다.
전술한대로 MCS를 실행하기 위한 발생빈도는 1,000으로 설정하였고, Table 4와 마찬가지로 표준편차와 거리와 높이에 대한 표면염화물량을 적용하여 시뮬레이션을 실시하였다. 결정론적방법과 내구수명을 비교평가하기 위해 경계조건을 동일하게 가정하였다.
확률론적인 해석을 위하여 피복두께, 확산계수, 임계염화물량을 확률변수계수로 설정하였으며, 기존의 문헌을 분석하여 변동계수는 도출하였다(Kwon et al. 2009; Song et al. 2009; Kwon 2016). Table 4에서는 해석에 필요한 확률변수 및 변동계수를 나타내었다.
대상 데이터
대상구조물의 높이는 기존 실태조사를 고려하여 60m까지, 거리는 해안선에서부터 500m까지의 표면염화물량의 감소를 적용하였다. MCS를 수행하기 위한 발생빈도는 1,000으로 고정하여 해석을 수행하였다.
이론/모형
결정론적 방법을 통한 염화물 거동을 평가하기 위해 Life-365를 사용하였는데, 이 프로그램은 유한차분법을 사용하여 확산계수의 시간의존성 및 온도의존성을 고려할 수 있다. 식 (3)에서는 28 일 재령의 기본확산계수를 나타내고 있으며, 식 (4)에서는 시간계수 m을 사용하여 변화하는 확산계수를 나타내고 있다(Thomas and Bentz 2002).
본 연구에서는 확산계수의 시간의존성 변화를 적용한 확률론적 해석을 MSC(Monte Carlo Simulation)방법을 적용하여 내구수명 평가를 수행하였다. 이를 위해 실제 구조물의 높이별 표면염화물량과 일본토목학회 콘크리트 표준시방서에서 명시한 해안선으로부터 거리에 대한 표면염화물량을 적용하여 시간 및 공간을 고려한 염화물 해석을 실시하였다.
성능/효과
2. 결정론적 내구수명 평가 결과 해안으로부터 점차 멀어지고 높이가 높을수록 높은 내구수명을 보였다. 해안으로부터 가까울수록 높이가 낮을수록 내구수명이 급격하게 감소되어 평가됨을 알 수 있었다.
3. 확률론적 내구수명 평가 결과 결정론적 방법과 같이 경향은 비슷하나 내구수명이 500년으로 도출된 결과를 제외하고는 약 5~13배 정도로 결정론적 방법보다 낮게 평가되었음을 알 수있었다. 이는 표면염화물량, 염화물확산계수, 피복두께 등에 따라 변동성이 발생하지만, 목표내구성 확률을 10%로 설정하였기 때문이다.
4. 결정론적 방법에서는 해안가 250m 이내에서는 높이 60m 이상에서, 500m에서는 염해에 의한 피해를 고려하지 않아도 되는 것으로 평가되었다. 또한 확률론적인 방법에서는 전 구간에서 60m 이상의 지역, 250m 이내에서는 40 m 이상의 구조물은 염해에 대하여 안전한 것으로 평가되었다.
본 연구는 실태조사결과에 따른 높이에 대한 겉보기 확산계수의 영향과 일본토목학회에서 고려하는 거리별 표면염화물량을 적용하여 결정론적 방법 및 확률론적 방법으로 내구수명을 평가하였다. 결과적으로 표면염화물량이 매우 작은 값을 적용하지 않는다면 확률론적 방법은 결정론적 방법보다 약 5~13배의 낮은 내구수명을 도출한다. 결정론적 방법에서는 해안가 250m 이내에서는 높이 60m 이상에서, 500m에서는 염해에 의한 피해를 고려하지 않아도 되는 것으로 평가되었다.
7에 도시하였다. 결정론적 방법과 확률론적 방법으로 평가된 내구수명을 직접 비교한 결과, 확률론적 방법이 결정론적 방법보다 내구수명이 매우 낮게 평가되었음을 알 수 있었다. 그 이유는 각 확률변수의 변동성이 크다 하더라도 목표내구수명동안 부식이 발생할 확률을 10%로 설정하였기 때문이다.
결과적으로 표면염화물량이 매우 작은 값을 적용하지 않는다면 확률론적 방법은 결정론적 방법보다 약 5~13배의 낮은 내구수명을 도출한다. 결정론적 방법에서는 해안가 250m 이내에서는 높이 60m 이상에서, 500m에서는 염해에 의한 피해를 고려하지 않아도 되는 것으로 평가되었다. 또한 확률론적인 방법에서는 전 구간에서 60m 이상의 지역, 250m 이내에서는 40 m 이상의 구조물은 염해에 대하여 안전한 것으로 평가되었다.
결정론적 방법에서는 해안가 250m 이내에서는 높이 60m 이상에서, 500m에서는 염해에 의한 피해를 고려하지 않아도 되는 것으로 평가되었다. 또한 확률론적인 방법에서는 전 구간에서 60m 이상의 지역, 250m 이내에서는 40 m 이상의 구조물은 염해에 대하여 안전한 것으로 평가되었다.
시뮬레이션 결과 해안으로부터 점차 멀어지고 높이가 높을수록 높은 내구수명을 보였다. 이는 구조물의 실태조사에 따라 높이에 대한 표면염화물량과 거리에 따른 표면염화물이 동시에 고려된 표면염화물은 매우 낮기 때문이다.
시뮬레이션 결과를 Fig. 4에 나타내었으며 해안선으로부터 거리가 멀어질수록, 구조물의 높이가 증가할수록 표면염화물량이 낮게 평가되어 파괴확률이 점차 감소하는 것을 볼 수 있다. 해안으로 부터 500m 떨어진 곳의 파괴확률은 너무 낮은 표면염화물량으로 인하여 파괴확률이 시간이 지남에 따라 높아지지 않고 일정하게 평가되었다.
4에 나타내었으며 해안선으로부터 거리가 멀어질수록, 구조물의 높이가 증가할수록 표면염화물량이 낮게 평가되어 파괴확률이 점차 감소하는 것을 볼 수 있다. 해안으로 부터 500m 떨어진 곳의 파괴확률은 너무 낮은 표면염화물량으로 인하여 파괴확률이 시간이 지남에 따라 높아지지 않고 일정하게 평가되었다.
결정론적 내구수명 평가 결과 해안으로부터 점차 멀어지고 높이가 높을수록 높은 내구수명을 보였다. 해안으로부터 가까울수록 높이가 낮을수록 내구수명이 급격하게 감소되어 평가됨을 알 수 있었다. 이는 표면염화물량에 대한 값이 해안으로부터 가까울수록 급격하게 큰 값을 사용하게 된 결과로 판단된다.
확률론적 방법에 따른 내구수명 평가 결과 결정론적 방법과 같은 경향을 보이지만 가까운 거리와 낮은 높이에 대한 내구수명 평가결과를 비교해보면, 확률론적 방법이 훨씬 작은 값을 보임을 알 수있다. 이는 앞서 말한 바와 같이 변동성을 고려하지 않은 결정론적 방법과 확산계수, 표면염화물량, 피복두께 등에 대한 변동계수를 고려한 결과이기 때문이다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트 구조물의 내구수명평가는 어떠한 방법들이 사용되는가?
콘크리트 구조물의 내구수명평가는 주로 해석 변수의 변동성을 고려하지 않은 결정론적 방법과 변동성을 고려한 확률론적 방법이 사용되고 있다. 본 연구에서는 해안으로부터의 거리와 높이에 따른 내구수명 평가를 위해 일본토목학회에서 제안한 해안으로부터 거리에 따른 표면염화물량과 실태조사를 통한 높이에 따른 표면염화물량을 적용하였다.
염해에 대한 내구성 설계에서, 결정론적인 방법은 무엇을 평가하는가?
염해에 대한 내구성 설계는 결정론적인 방법과 확률론적인 방법으로 분류할 수 있다. 결정론적인 방법은 피크의 제2법칙에 기반한 염화물 확산이론이 주로 사용되는데, 이는 외부에서 유입되는 정상상태(steady-state condition)를 기본으로 하여 염화물 유입을 평가한다. 주로 실태조사 및 장기노출자료를 기본으로 하고 있으며, 혼화재 영향과 시간의존성을 고려한 연구해석으로 활발하게 적용되고 있다(Thomas and Bentz 2002; Kwon et al.
콘크리트는 어떠한 이점으로 사용되는 건설재료인가?
콘크리트는 공학적, 경제적 이점으로 현재까지 폭 넓게 사용되고 있는 건설재료이지만 노출환경에 따른 다양한 열화인자로 인해 매립된 철근은 부식이 발생한다(Broomfield 1997; CEB 1997). 이로 인해 현대 사회에는 콘크리트 구조물의 내구성에 대한 관심이 증가하고 있는 추세이며, 보다 합리적인 내구수명설계를 위해 다양한 열화인자에 대한 해석방법과 모델링의 연구들이 진행되어 왔다.
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