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문제 정의
- 콘크리트의 압축강도를 추정하는 방법은 수집된 정밀 안전진단보고서마다 다소의 차이가 있으나, 대부분 교량에 있어서 동일한 방법으로 압축강도를 추정했기 때문에 본 연구에서는 가장 많이 사용된 식과 검사 방법을 기준으로 하여 자료를 분석하였다.
제안 방법
- 비파괴 압축강도 추정식의 확률론적 평가에 앞서, 546개의 현장 코어압축강도 시험결과의 분산정도와 신뢰성 확인을 위하여 콘크리트 설계기준강도별(Fck) 코어압축강도(Fco) 분포를 분석하였다.
- 이에 본 논문에서는 한국시설안전공단에서 12년 동안 실시한 297개 교량의 정밀안전진단 결과 중 압축강도 비파괴 시험 및 546개의 현장 코어압축강도 시험결과를 토대로, 설계기준강도별로 현장에서 많이 사용되는 압축강도 추정식에 대하여 확률론적 방법에 의하여 신뢰도 평가를 수행하였다.
- 콘크리트 설계기준강도는 18, 21, 24, 27, 35, 40Mpa을 기준으로 분석하였으며, Table 2는 분석에 사용된 각 설계기준강도별 코어압축강도 시험체의 개소 수, 압축강도 평균값과 표준편차를 나타내고 있으며, Fig. 6~11은 설계기준강도별 코어강도 시험체의 빈도수 및 정규분포곡선(F(x))을 나타내고 있다.
- 한국시설안전공단에서 12년 동안 실시한 297개 교량의 정밀안전진단 결과를 토대로 콘크리트 압축강도를 구하는데 가장 많이 사용된 기존 추정식들을 선정하여 확률론적 방법에 의한 신뢰도 평가를 수행하였다.
대상 데이터
- 비파괴강도 추정식에 대한 평가를 위하여 한국시설안 전공단에서 정밀안전진단을 실시한 총 297개 교량에서 획득한 546개의 코어압축강도 시험결과와 비파괴시험 결과를 분석하였으며, 각각의 동일 부재에서 실시한 코어압축강도와 비파괴시험값들을 사용하였다.
- 비파괴시 험이 수행된 콘크리트 부재는 바닥판, 거더, 교각, 교대 등으로 콘크리트의 압축강도는 11MPa∼56MPa 범위를 가지는 것으로 검토되었다. Fig. 5는 분석에 이용된 대상교량을 나타내고 있으며, 원효대교, 부산대교, 팔당대교, 진도대교, 고수대교, 남한강교 등 전국 각지의 교량 시험 데이터를 활용하였다.
데이터처리
- Table 1에 제시된 콘크리트 압축강도 추정식에 대하여 확률론적 신뢰도 평가를 위해, 실제교량의 콘크리트 설계기준강도별로 각 압축강도 추정식에 의한 강도값의 평균값 및 표준편차, 유사신뢰도를 Table 3~8과 같이 계산하였으며, Fig. 12~17과 같이 각 추정식들의 설계 기준강도별 정규분포곡선과 코어강도의 정규분포곡선을 도시하였다.
이론/모형
- Table 1과 같이 Eqs. (8)~(11)의 상기 4가지 식 (KISTEC 2011; RILEM 1980)을 토대로 추정된 콘크 리트의 압축강도를 코어압축강도와 확률론적 방법에 의하여 비교₩분석 하였다.
성능/효과
- 결국 릴렘식의 경우는 설계기준강도가 18, 21MPa인 경우 유사신뢰도가 0.89~0.90으로 다른 추정식에 비하여 높은 신뢰도값을 나타냈으나, 설계기준강도가 35, 40MPa인 경우 0.40~0.47로 다른 추정식에 비하여 매우 낮은 신뢰도값을 나타내었다. 여기서, 설계기준강도가 18, 21MPa인 경우 릴렘식에 의한 추정강도 값의 표준편차가 다른 식에 비하여 가장 크게 계산되었지만 유사신뢰도가 가장 높게 나타난 이유는 Eq.
- 교량의 설계기준강도가 21MPa인 경우에는 일본재료 학회식, 일본건축학회 CNDT 소위원회 강도계산식, 일본건축학회 CNDT 소위원회 공동제안식들은 유사신뢰 도가 0.74~0.70수준으로 나타났으며, 릴렘식의 경우 에는 0.90으로 매우 높은 유사신뢰도를 나타냈으며, Fig. 12~13과 같이 코어강도의 정규분포곡선과 매우잘 일치함을 알 수 있다.
- 만약 비파괴추정강도의 표준편차가 작아도 코어강도 정규분포곡선과의 겹치는 면적이 작을 경우 유사확률은 작아지게 된다. 릴렘식은 설계기준강도가 고강도로 갈수록 유사신뢰도가 낮아지는 경향성을 보였으며 본 연구에 적용된 대상교량 중 설계기준강도가 35~40MPa인 교량은 대부분 PSC교량(PSC박스거더교, PSCI)임을 감안할때 현재 공용중인 PSC교량의 강도 추정 시 릴렘식을 적용하는 것은 릴렘식으로 구한 추정값이 실제 콘크리트 압축강도와 유사할 확률이 적다는 것을 의미한다.
- 47로 다른 추정식에 비하여 매우 낮은 신뢰 도값을 나타내었다. 릴렘식은 설계기준강도가 고강도로 갈수록 유사신뢰도가 낮아지는 경향성을 보였으며, 초음파속도법의 경우 설계기준강도가 21~35MPa인 경우 일본재료학회 및 일본건축학회 CNDT 소위원회 강도계 산식으로 계산된 유사신뢰도값과 많은 차이를 보이지는 않았지만, 설계기준강도가 40MPa인 경우는 0.56으로 일본재료학회 및 일본건축학회 CNDT 소위원회 강도계 산식에 비하여 매우 작게 계산되었다.
- 분석에 사용된 코어강도결과의 개소수는 설계기준강도가 21~27MPa의 경우가 전체 코어강도 개소수의 79%를 차지하였으며, 설계기준강도가 35Mpa 이상인 경우는 65 개소로 전체코어강도 개소수의 12%를 차지하였다.
- 비파괴시 험이 수행된 콘크리트 부재는 바닥판, 거더, 교각, 교대 등으로 콘크리트의 압축강도는 11MPa∼56MPa 범위를 가지는 것으로 검토되었다.
- 설계기준강도가 클수록 코어압축강도 평균값과 설계 기준강도와의 차이가 줄어드는 경향을 보였다. 설계기 준강도가 18, 35, 40MPa인 경우 다른 설계기준강도에 비해 현장 시험 개소수가 상대적으로 적으나, 해당 시험 값들은 일정한 값을 기준으로 정규분포곡선 형태를 보이며, 전체적으로 볼 때도 설계기준강도별 코어압축강 도의 표준편차는 4.47MPa~7.24MPa의 범위로 설계 기준강도에 따른 표준편차의 변화는 크지 않는 것으로 나타나 본 연구의 비파괴 압축강도 추정식 평가를 위하여 사용된 대상 코어강도 결과는 보통강도 콘크리트는 물론 고강도 콘크리트 추정강도 분석에 활용 시 신뢰성이 확보되는 것으로 분석되었다.
- 설계기준강도가 35MPa인 경우는 일본재료학회식, 일본건축학회 CNDT 소위원회 강도계산식, 일본건축학회 CNDT 소위원회 공동제안식들은 유사신뢰도가 0.67수준으로 거의 동일한 수준으로 나타났고, 릴렘식은 0.47로 다른 식에 비하여 작은 값을 나타내었다.
- 설계기준강도가 클수록 코어압축강도 평균값과 설계 기준강도와의 차이가 줄어드는 경향을 보였다. 설계기 준강도가 18, 35, 40MPa인 경우 다른 설계기준강도에 비해 현장 시험 개소수가 상대적으로 적으나, 해당 시험 값들은 일정한 값을 기준으로 정규분포곡선 형태를 보이며, 전체적으로 볼 때도 설계기준강도별 코어압축강 도의 표준편차는 4.
- 우선, 각 추정강도 평균값을 살펴보면, 코어강도의 평균값과 비교 시 가장 큰 차이를 보인 추정식은 초음파 법인 일본건축학회 CNDT 소위원회 공동제안식이며, 설계기준 강도가 40MPa인 경우 코어강도의 평균값은 40.5MPa인데 반해 초음파법에 의한 추정 강도 평균값은 29.65MPa로 10.85MPa의 차이를 보였다. 이는 Fig.
- 우선, 비파괴압축강도 추정식의 확률론적 평가에 앞서, 546개의 현장 코어압축강도 시험결과의 분산정도와 신뢰성 확인을 위하여 교량의 콘크리트 설계기준강 도별 코어압축강도 분포를 분석하였다, 분석결과 설계 기준강도가 클수록 코어압축강도 평균값과 설계기준강 도와의 차이가 줄어드는 경향성을 보였으며, 전체적으로 볼 때 설계기준강도별 코어압축강도의 표준편차는 4.47~7.24MPa의 범위로 설계기준강도에 따른 표준편 차의 변화는 크지 않은 것으로 나타났다. 한편, 설계기 준강도별 압축강도 추정식들의 신뢰성 분석결과 릴렘식의 경우는 설계기준강도가 18, 21MPa인 경우 유사신뢰 도가 0.
- 표준편차는 일본재료학회식이 4.09~4.72, 일본건축 학회 CNDT 소위원회 강도계산식은 2.5~3.46, 일본건 축학회 CNDT 소위원회 공동제안식은 4.06~5.84, 릴렘 식 은 6.02~13.53으 로 모 든 설 계 기 준 강 도 (Fck=18~40MPa)에서 일본건축학회 CNDT 소위원회 강도계산식이 표준편차가 가장 적고, 릴렘식이 표준편 차가 가장 크게 나타났다. 이는 Fig.
- 한편, 각 추정식별 유사신뢰도 분석결과를 살펴보면 교량의 설계기준강도가 18MPa인 경우 일본건축학회 CNDT 소위원회 강도계산식이 0.63으로 가장 작은 유사신뢰도를 나타냈으며, 릴렘식은 0.89로 다른 식에 비하여 높은 유사신뢰도를 나타냈다.
- 24MPa의 범위로 설계기준강도에 따른 표준편 차의 변화는 크지 않은 것으로 나타났다. 한편, 설계기 준강도별 압축강도 추정식들의 신뢰성 분석결과 릴렘식의 경우는 설계기준강도가 18, 21MPa인 경우 유사신뢰 도가 0.89~0.90으로 다른 추정식에 비하여 높은 신뢰 도값을 나타냈으나, 설계기준강도가 35, 40MPa인 경우 0.40~0.47로 다른 추정식에 비하여 매우 낮은 신뢰 도값을 나타내었다. 릴렘식은 설계기준강도가 고강도로 갈수록 유사신뢰도가 낮아지는 경향성을 보였으며, 초음파속도법의 경우 설계기준강도가 21~35MPa인 경우 일본재료학회 및 일본건축학회 CNDT 소위원회 강도계 산식으로 계산된 유사신뢰도값과 많은 차이를 보이지는 않았지만, 설계기준강도가 40MPa인 경우는 0.
후속연구
- 단, 실무에서 유사신뢰도의 적정 한계값을 어디까지볼 것인가에 대해서는 향후 추가적으로 더 많은 데이터 (최근 시공교량 등의 시험데이터)의 축적과 장기적인 연구가 필요할 것으로 판단된다.
- 본 연구의 평가 결과는 콘크리트 압축강도 추정식 선정의 공학적 의사결정을 위한 기초자료로 활용될 수 있을 것으로 판단된다.
- 현재 실무에서는 교량의 콘크리트 압축강도를 추정할 때, 연구자들이 제안한 여러 추정식들을 이용하여 강도를 추정하고 있으나, 비파괴 추정식들은 대분분 실험실 에서 제안된 회귀분석식으로 실제 현장에서 발생하는 많은 오차와 콘크리트 압축강도의 편차는 고려할 수가 없다. 이에 본 논문에서와 같이 확률론적 방법에 의한 평가를 통하여 공학적 의사결정을 하는 것이 필요하며, 실무 에서는 유사신뢰도 확인을 통하여 해당 구조물에 적합한 압축강도 추정식(유사신뢰도가 높은 식)을 선택하여 사용해야 하며, 현재 실무에서와 같이 강도 추정식으로 구한 강도값을 표현할 때 단순히 강도값만을 표현하는 것이 아니라 유사신뢰도 값을 같이 표현하도록 하여 추정 강도값의 신뢰도 수준을 인지시키는 것이 필요하다.(예 시: 일본재료학회식으로 계산한 추정강도 26MPa-유사 신뢰도 0.
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