결정론 및 확률론적 방법에 따라 시간의존성 염화물 확산계수 및 외부 영향인자가 내구수명에 미치는 영향 Effect of Time-dependent Diffusion and Exterior Conditions on Service Life Considering Deterministic and Probabilistic Method원문보기
염해에 콘크리트 구조물의 내구수명 평가는 매우 중요한데, 결정론적 방법 및 확률론적 방법에서 평가된 결과는 큰 차이를 보이고 있다. 본 연구에서는 시간의존형 확산계수와 고정 확산계수를 고려하여 내구수명을 모사하였다. 기본확산계수, 콘크리트 피복두께, 표면염화물량을 3조건으로 분류하여 각 평가방법에 따라 변화하는 내구적 파괴확률과 내구수명을 평가하였다. 시간의존형 확산계수의 도입을 통하여 두 방법 간의 차이를 감소시킬 수 있었으며, 합리적인 해석결과를 유도할 수 있었다. 염화물 확산계수가 $2.5{\times}10^{-12}m^2/sec$에서 $7.5{\times}10^{-12}m^2/sec$으로 증가할 때 내구수명은 25.5~35.6%수준으로 감소하였으며, 피복두께가 75 mm에서 125 mm로 증가할 경우, 267~311%로 내구수명은 증가하였다. 또한 표면염화물량이 $5.0kg/m^3$에서 $15.0kg/m^3$으로 변화할 때, 내구수명은 40.9~54.5% 수준으로 감소하였다. 피복두께의 변화에 따른 내구수명의 변화는 기본확산계수 및 표면염화물에 비하여 8~10배정도 크게 평가되었으며 내구수명 확보를 위한 중요한 인자임을 알 수 있다.
염해에 콘크리트 구조물의 내구수명 평가는 매우 중요한데, 결정론적 방법 및 확률론적 방법에서 평가된 결과는 큰 차이를 보이고 있다. 본 연구에서는 시간의존형 확산계수와 고정 확산계수를 고려하여 내구수명을 모사하였다. 기본확산계수, 콘크리트 피복두께, 표면염화물량을 3조건으로 분류하여 각 평가방법에 따라 변화하는 내구적 파괴확률과 내구수명을 평가하였다. 시간의존형 확산계수의 도입을 통하여 두 방법 간의 차이를 감소시킬 수 있었으며, 합리적인 해석결과를 유도할 수 있었다. 염화물 확산계수가 $2.5{\times}10^{-12}m^2/sec$에서 $7.5{\times}10^{-12}m^2/sec$으로 증가할 때 내구수명은 25.5~35.6%수준으로 감소하였으며, 피복두께가 75 mm에서 125 mm로 증가할 경우, 267~311%로 내구수명은 증가하였다. 또한 표면염화물량이 $5.0kg/m^3$에서 $15.0kg/m^3$으로 변화할 때, 내구수명은 40.9~54.5% 수준으로 감소하였다. 피복두께의 변화에 따른 내구수명의 변화는 기본확산계수 및 표면염화물에 비하여 8~10배정도 크게 평가되었으며 내구수명 확보를 위한 중요한 인자임을 알 수 있다.
Service life evaluation for RC Structures exposed to chloride attack is very important, however the previous two methods(deterministic and probabilistic method) show a big difference. The paper presents a service life simulation using deterministic and probabilistic method with time-dependent diffus...
Service life evaluation for RC Structures exposed to chloride attack is very important, however the previous two methods(deterministic and probabilistic method) show a big difference. The paper presents a service life simulation using deterministic and probabilistic method with time-dependent diffusion coefficient. Three different cases are considered for diffusion coefficient, concrete cover depth, and surface chloride content respectively, and then the PDF(probability of durability failure) and the related service life are obtained. Through adopting time-dependent diffusion, the discrepancy between the two methods can be reduced, which yields reasonable service life. When diffusion coefficient increases from $2.5{\times}10^{-12}m^2/sec$ to $7.5{\times}10^{-12}m^2/sec$, the service life decreases to 25.5~35.6% level, and cover depth does from 75 mm to 125 mm, it increases to 267~311% level as well. In the case of surface chloride content from $5.0kg/m^3$ to $15.0kg/m^3$, it changes to 40.9~54.5%. The effect of cover depth is higher than the others by 8~10 times and also implies it is a key parameter to service life extension.
Service life evaluation for RC Structures exposed to chloride attack is very important, however the previous two methods(deterministic and probabilistic method) show a big difference. The paper presents a service life simulation using deterministic and probabilistic method with time-dependent diffusion coefficient. Three different cases are considered for diffusion coefficient, concrete cover depth, and surface chloride content respectively, and then the PDF(probability of durability failure) and the related service life are obtained. Through adopting time-dependent diffusion, the discrepancy between the two methods can be reduced, which yields reasonable service life. When diffusion coefficient increases from $2.5{\times}10^{-12}m^2/sec$ to $7.5{\times}10^{-12}m^2/sec$, the service life decreases to 25.5~35.6% level, and cover depth does from 75 mm to 125 mm, it increases to 267~311% level as well. In the case of surface chloride content from $5.0kg/m^3$ to $15.0kg/m^3$, it changes to 40.9~54.5%. The effect of cover depth is higher than the others by 8~10 times and also implies it is a key parameter to service life extension.
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문제 정의
염화물 유입을 효과적으로 제어하기 위해서는 피복두께를 증가시키는 것이 가장 효과적으로 알려져 있으며, 이는 외부 염화물량의 변화에 민감하게 반응하여 내구수명 영향을 준다. 본 연구에서는 시간의존성에 대한 확산계수의 변화를 고려하여 결정론적인 방법과 확률론적인 방법에 따른 내구수명 변화를 분석하도록 한다. 또한 주요 설계변수인 피복두께와 표면염화물량의 변화가 내구수명에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.
본 절에서는 시간의존성 확산성을 가진 내구성 설계방법(결정론적 방법 및 확률론적 방법)과 외부조건(표면염화물량 및 피복두께)이 내구수명에 미치는 영향을 분석하기 위해, 대상 구조물을 Table 1과 같이 설정하였다. 해석을 위한 기본조건은 Table 1에서 bold로 표시된 상수를 기본으로 하였으며, 기존의 연구를 참고하여 각 인자의 확률특성 및 변동계수를 가정하였다(Song et al.
가설 설정
본 절에서는 표면염화물의 증가에 따른 PDF의 변화를 시간의존성 및 고정 확산계수를 이용하여 평가하였다. 일반적으로 표면염화물은 시간에 따라서 증가하고 10년 정도 후에 일정하다고 보고되고 있으나(JSCE, 2002), 본 연구에서는 결정론적 방법과 확률론적 방법을 비교하기 위해 공용 개시 초부터 표면염화물이 일정하다고 가정하였다.
참고로 기본확산계수(Dref)는 2.5~7.5×10-12 m2/sec로 가정하여 내구수명에 미치는 영향을 같이 분석하였다.
본 절에서는 시간의존성 확산성을 가진 내구성 설계방법(결정론적 방법 및 확률론적 방법)과 외부조건(표면염화물량 및 피복두께)이 내구수명에 미치는 영향을 분석하기 위해, 대상 구조물을 Table 1과 같이 설정하였다. 해석을 위한 기본조건은 Table 1에서 bold로 표시된 상수를 기본으로 하였으며, 기존의 연구를 참고하여 각 인자의 확률특성 및 변동계수를 가정하였다(Song et al., 2009). 참고로 기본확산계수(Dref)는 2.
제안 방법
내구수명에 대한 영향인자의 민감도를 분석하기 위해 영향 인자들의 증가비와 내구수명의 변화를 정규화하여 분석하였다. Fig.
본 연구에서는 시간의존성에 대한 확산계수의 변화를 고려하여 결정론적인 방법과 확률론적인 방법에 따른 내구수명 변화를 분석하도록 한다. 또한 주요 설계변수인 피복두께와 표면염화물량의 변화가 내구수명에 미치는 영향을 정량적으로 분석하였다.
본 장에서는 결정론적인 방법을 통한 내구수명과 3.1절에서 설명한 내구적 파괴확률을 고려한 확률론 평가방법과의 비교를 수행하였다. 결정론적 방법으로는 범용 프로그램인 Life 365를 사용하였다.
콘크리트 피복두께는 가장 일반적이며 1차적인 중요 방어기재이다. 본 절에서는 75 mm에서 125 mm로 피복두께를 증가시키면서 PDF를 평가하였다. 시간의존성 확산계수를 고려한 경우 PDF의 증가는 매우 낮은 수준으로 평가되었으며 이는 내구수명의 증가로 연계된다.
본 절에서는 표면염화물의 증가에 따른 PDF의 변화를 시간의존성 및 고정 확산계수를 이용하여 평가하였다. 일반적으로 표면염화물은 시간에 따라서 증가하고 10년 정도 후에 일정하다고 보고되고 있으나(JSCE, 2002), 본 연구에서는 결정론적 방법과 확률론적 방법을 비교하기 위해 공용 개시 초부터 표면염화물이 일정하다고 가정하였다.
시간의존성 확산성과 기본확산계수의 변화가 내구적 파괴확률에 미치는 영향을 고려하기 위하여 Table 1의 조건과 같이 기본확산계수를 5.0×10-12m2/sec에서 10.0×10-12 m2/sec까지 2배로 증가시키면서 해석을 수행하였다.
이상의 해석에서는 다양한 영향인자(기본 염화물 확산계수, 피복두께, 표면염화물량)등을 고려하여 결정론 및 확률론적 해석을 수행하여 내구수명을 평가하였다. 특히 각 방법에는 시간의존성 확산계수와 고정형 확산계수를 각각 분류하여 도출된 내구수명의 변화를 분석하였다.
이상의 해석에서는 다양한 영향인자(기본 염화물 확산계수, 피복두께, 표면염화물량)등을 고려하여 결정론 및 확률론적 해석을 수행하여 내구수명을 평가하였다. 특히 각 방법에는 시간의존성 확산계수와 고정형 확산계수를 각각 분류하여 도출된 내구수명의 변화를 분석하였다.
각 해석조건에 따른 내구수명 방법과 그 결과를 Table 2에 나타내었다. 해석조건은 결정론적 방법에서의 시간의존성 유무, 그리고 확률론적 방법에서의 시간의존성 유무에 따라 총 4가지 경우의 내구수명 평가결과를 요약하였다.
데이터처리
내구수명에 대한 영향인자의 민감도를 분석하기 위해 영향 인자들의 증가비와 내구수명의 변화를 정규화하여 분석하였다. Fig. 9에서는 각 영향인자의 증가에 따른 내구수명의 변화 비율을 도시하였으며, 각각의 결과를 선형회귀분석하여 기울기를 평가하였다. 표면염화물량에 대한 회귀분석 결과는 2차함수에 가까웠으나, 비교적 만족할만한 결정계수(R2)을 가지고 있었으므로 선형회귀분석으로 영향도를 동일하게 파악하였다.
9에서는 각 영향인자의 증가에 따른 내구수명의 변화 비율을 도시하였으며, 각각의 결과를 선형회귀분석하여 기울기를 평가하였다. 표면염화물량에 대한 회귀분석 결과는 2차함수에 가까웠으나, 비교적 만족할만한 결정계수(R2)을 가지고 있었으므로 선형회귀분석으로 영향도를 동일하게 파악하였다.
이론/모형
해석조건은 Table 1에 나타난 평균값(기본 확산계수, 피복두께, 표면염화물량)을 각 해석 경우에 사용하였다. 결정론적 방법에서는 임계 염화물량을 시방서(JSCE, 2007; KCI, 2012)에서 제안하는 1.2 kg/m3을 사용하였으며, 확률론적 방법에서는 목표내구적 파괴확률을 10.0%로 설정하였다(KCI, 2012). 일반적으로 확률변수의 변동성 영향과 낮은 목표내구적 파괴확률로 인해, 확률론적 방법을 통해 도출된 내구수명은 결정론적인 방법보다 낮게 평가된다(Kwon et al.
1절에서 설명한 내구적 파괴확률을 고려한 확률론 평가방법과의 비교를 수행하였다. 결정론적 방법으로는 범용 프로그램인 Life 365를 사용하였다. 해석조건은 Table 1에 나타난 평균값(기본 확산계수, 피복두께, 표면염화물량)을 각 해석 경우에 사용하였다.
확률론적인 방법은 주로 MCS(Monte Carlo Simulation)을 이용하여 확률변수들에 대한 변동성을 고려한다. Fig.
성능/효과
1) 염화물 확산계수가 2.5×10-12 m2/sec에서 7.5×10-12 m2/sec로 증가함에 따라, 내구수명은 32.1%(고정 결정), 28.0%(의존 결정), 35.6%(고정 확률), 25.5%(의존 확률) 수준으로 감소하였다.
Fig. 3에서 알 수 있듯이 확산계수가 7.5×10 -12 m2/sec로 증가할 경우, 시간의존성 확산계수를 사용한 경우 PDF는 21.5%에서 62.6%로 증가하였으며, 고정된 확산계수를 사용한 경우의 PDF는 64.2%에서 84.5%로 증가하였다.
Fig. 4에서 알 수 있듯이, 피복두께의 증가에 따라 PDF는 빠르게 감소하고 있으며, 시간의존성 확산계수를 사용했을 경우는 21.5%에서 0.57%로, 고정 확산계수를 사용했을 경우는 64.2%에서 26.8%로 감소하였다. 피복두께가 증가함에 따라 PDF의 변화가 크게 변동하므로 내구성 평가에 핵심적인 인자임을 알 수 있다.
Fig. 6에서 알 수 있듯이 시간의존성이 고려된 결정론적 방법에서 가장 큰 내구수명이 예측되었으며, 시간의존성이 고려되지 않은 확률론적 해석에서 가장 낮은 내구수명이 평가되었다. 시간의존성 해석은 일반적으로 결정론적 방법에만 적용되는데, 확률론적 해석에 적용함으로서 두 방법에서 도출되는 내구수명의 차이를 감소시킬 수 있다.
피복두께가 75 mm에서 125 mm로 증가함에 따라 내구수명은 267~311%로 크게 증가하였다. 각각 267.2%(고정 결정), 292.6%(의존 결정), 288.6%(고정 확률), 311.7%(의존 확률) 수준으로 크게 증가하였는데, 이는 피복두께가 핵심적인 내구수명 영향인자임을 알 수 있다. 또한 표면염화물량이 5.
7% 증가할 때 내구수명은 267~311%로 크게 증가하였다. 각각 267.2%(고정결정), 292.6%(의존결정), 288.6%(고정확률), 311.7%(의존확률) 수준으로 크게 증가하였는데, 이는 피복두께가 매우 민감하게 내구수명과 관련 있음을 알 수 있다.
7%(의존 확률) 수준으로 크게 증가하였는데, 이는 피복두께가 핵심적인 내구수명 영향인자임을 알 수 있다. 또한 표면염화물량이 5.0 kg/m3에서 15.0 kg/m3으로 증가할 때, 내구수명은 각각 47.4%(고정 결정), 40.9%(의존 결정), 54.5%(고정 확률), 45.5%(의존 확률) 수준으로 감소하였다.
모든 영향인자의 결정계수는 표면염화물을 제외하고는 0.9 이상의 높은 수준을 나타내고 있었다. 확산계수의 기울기 범위는 0.
8년으로 감소하였다. 염화물 확산계수가 300% 증가할 때, 내구수명은 32.1%(고정 결정), 28.0%(의존 결정), 35.6%(고정 확률), 25.5%(의존 확률) 수준으로 감소하였다.
증가율은 시간의존성 확산을 이용한 경우에서도 크게 증가했는데 이는 PDF가 초기에는 낮고 기간이 증가함에 따라 비선형적으로 크게 증가하기 때문이다. 절대량을 비교하면 시간의존성 확산의 경우, 고정 확산의 경우에 비하여 74.1% 수준으로 평가되었다.
표면염화물량이 300% 증가할 경우, 내구수명은 각각 47.4%(고정 결정), 40.9%(의존 결정), 54.5%(고정 확률), 45.5%(의존 확률) 수준으로 감소하였다. Fig.
5 kg/m3의 경우는 비말대 조건을, 10 kg/m3의 경우는 조석대 구간의 염화물량과 비슷한 수준이다(Broomfield, 1997). 표면염화물량이 5.0 kg/m3에서 15 kg/m3으로 증가함에 따라 평균 PDF는 고정 확산계수인 경우 64.2%에서 83.6%로, 시간의존성 확산계수인 경우는 21.5%에서 57.7%로 증가하였다. 증가율을 평가하면 두 가지 경우 모두 피복두께의 영향과 비슷하게 평가되었다.
1년으로 크게 감소하였다. 확률론적인 방법에서는 고정확산인 경우 13.2년에서 7.2년으로 감소하였으며, 시간의존성 확산계수를 고려할 경우 38.5년에서 17.5년으로 크게 감소하였다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트내부로 유입된 염화물 이온은 어떤 문제를 야기시키나요?
콘크리트내부로 유입된 염화물 이온은 매립된 강재의 부식을 야기하고 부식량의 증가에 따라 사용성 및 안전성 문제가 증가하게 된다(Broomfield, 1997). 매립된 철근에 발생하는 부식은 초기에는 부식량의 팽창효과에 따라 역학적 성능이 일부 개선되기도 하지만 부식량이 보통 5.
매립된 철근에 발생하는 부식은 어떤 영향을 미치나요?
콘크리트내부로 유입된 염화물 이온은 매립된 강재의 부식을 야기하고 부식량의 증가에 따라 사용성 및 안전성 문제가 증가하게 된다(Broomfield, 1997). 매립된 철근에 발생하는 부식은 초기에는 부식량의 팽창효과에 따라 역학적 성능이 일부 개선되기도 하지만 부식량이 보통 5.0% 이상 증가하게 되면 슬립효과가 크게 진전되어 RC(Reinforced Concrete)의기본가정인 일체성이 없어지게 된다(Chung et al., 2008; Hakan et al.
염해에 노출된 콘크리트의 내구수명에 대해 알아볼 때 사용하는 결정론적인 방법에 대한 설명은?
기존의 많은 연구에서 염해에 노출된 콘크리트의 내구수명에 대한 연구가 진행되었는데, 크게 결정론적인 방법과 확률론적인 방법으로 분류할 수 있다. 결정론적인 방법은 주로 Fick's 2nd Law를 기본으로 하는데, 염화물 이동을 직접적으로 평가하는 방법으로 콘크리트 피복두께, 염화물 확산계수, 그리고 부식을 야기하는 임계염화물량을 주요 변수로 하고 있다. Fick's 2nd Law는 정상상태를 가정하고 있으므로 각 변수는 시간에 따라 일정한 값을 가지는 정상상태(Steady-Sate Condition)을 기본 가정으로 한다(Thomas and Bentz, 2002; CEB, 1997; RILEM, 1994).
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