[논문]부등침하의 영향이 반영된 철근콘크리트 구조물 잔존수명 평가모델

이상훈; 한선진; 조해창; 이윤정; 김강수

doi:10.11112/jksmi.2020.24.1.133

부등침하의 영향이 반영된 철근콘크리트 구조물 잔존수명 평가모델
Remaining Service Life Estimation Model for Reinforced Concrete Structures Considering Effects of Differential Settlements 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.1, 2020년, pp.133 - 141

이상훈 (서울시립대학교, 건축공학과) , 한선진 (서울시립대학교, 건축공학과) , 조해창 (드림구조 기업부설연구소) , 이윤정 (서울시립대학교, 건축공학과) , 김강수 (서울시립대학교, 건축공학부)

초록
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한국시설안전공단에서는 '시설물의 안전관리에 관한 특별법'에 따라 철근콘크리트 구조물의 안전점검 및 정밀안전진단을 실시하도록 제시하고 있다. 그러나 한국시설안전공단 안전점검 및 정밀안전진단 세부지침의 평가방법에서는 평가결과를 등급으로 제시하기 때문에 구조물의 잔존수명을 알 수 없으며 부등침하가 구조물의 잔존수명에 미치는 영향을 반영하지 못한다. 따라서, 이 연구에서는 부등침하의 영향이 반영된 구조물의 잔존수명 평가모델을 제시하고자 하였다. 부등침하와 각 변위의 상관관계를 나타내는 기존의 연구를 바탕으로 부재의 공칭강도에 부등침하의 영향을 반영시키기 위한 식을 제시하였으며, 실제 철근콘크리트 구조물의 현장데이터를 활용하여 부등침하가 구조물의 잔존수명에 미치는 영향을 분석하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Korea Infrastructure Safety and Technology Corporation (KISTEC) specifies that the safety inspection and precise safety diagnosis of concrete structures shall be conducted in accordance with the 'Special Law on Safety Management of Infrastructure'. The detailed safety inspection and precise safety diagnosis guidelines presented by KISTEC, however, gives only the grade of members and structures, and thus it is impossible to quantify remaining service life (RSL) of the structures and to quantitatively reflect the effect of differential settlements on the RSL. Therefore, this study aims to develop a RSL evaluation model considering the differential settlements. To this end, a simple equation was proposed based on the correlations between differential settlements and angular distortion, by which the angular distortion of structures was then reflected in nominal strengths of structural members. In addition, the effects of the differential settlements on the RSL of structures were analyzed in detail by using the safety diagnosis results of actual concrete structure.

주제어

표/그림 (13)

그림 Fig. 1 ANFIS algorithm
그림 Fig. 2 Structural reliability theory
표 Table 1 Evaluation results on safety inspection of RC structures (Korea Infrastructure Safety and Technology Corporation, 2011)
그림 Fig. 3 Correlation between settlements and angular distortions(Skempton and Macdonald, 1956)
그림 Fig. 4 Structure damages in accordance with angular distortions(Skempton and Macdonald, 1956)
표 Table 2 Evaluation results on angular distortions of RC structures (Korea Infrastructure Safety and Technology Corporation, 2011)
그림 Fig. 5 Comparison of evaluation results using safety diagnosis guidelines and equation 1
그림 Fig. 6 Comparison of evaluation results using safety diagnosis guidelines and equation 2
표 Table 3 Bias factors and COV depending on member types (Nowak and Szerszen, 2003)
표 Table 4 Bias factors and COV depending on types of loads (Nowak and Szerszen, 2003)
그림 Fig. 7 Choquet integral method(Cho, H. C., 2017)
그림 Fig. 8 Remaining service life according to angular distortion
표 Table 5 Field data for estimating remaining service life

AI 본문요약
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문제 정의

Table 5에는 제안모델을 검증하기 위한 현장 구조물의 진단결과를 나타내었으며, 대상 구조물은 Cho(2017)의 연구를 참조하여 선정하였고 구조물의 목표수명은 65년이다. 다만, 진단결과에서 부등침하에 대한 측정 데이터가 누락되어 있어 제안모델을 통한 평가시에는 시설안전공단의 부등침하 평가기준을 참조하여 각변위에 따른 잔존수명의 변화를 상세히 분석하고자 하였다.
따라서, 부등침하는 RC 구조물의 잔존수명 평가에도 반영되는 것이 합리적이라고 볼 수 있을 것이다. 이 연구에서는 RC 구조물의 각변위를 잔존수명 평가모델에 반영함으로써 부등침하가 RC 구조물의 잔존수명에 미치는 영향을 고려하고자 하였다.
이 연구에서는 구조물의 각변위의 영향을 부재의 공칭강도에 반영함으로써 부등침하가 구조물 잔존수명에 미치는 영향을 고려하고자 하였다.
이 연구에서는 구조물의 부등침하로 인해 발생되는 각변위가 구조물 전체의 잔존수명에 미치는 영향을 정량적으로 규명하기 위한 해석적 연구를 수행하였으며, 이 과정에서 한국시설안전공단에서 제시하고 있는 안전점검 및 정밀안전진단 세부지침에 근거하여 구조물의 각변위가 구조부재의 공칭강도에 미치는 영향을 반영하기 위한 간략식을 제안하였다. 이 연구로부터 다음의 결론을 얻을 수 있었다.

가설 설정

는 퍼지집합의 형상계수이다. 이 연구에서는Macqueen(1967)이 제시한 방법 (k-means clustering)을 이용하여 초기 값을 가정하였다. 총 7개의 입력변수에 대한 퍼지집합을 3개씩 구성하여 2187 (=3⁷)개의 퍼지규칙을 구성하였으며, 각각의 퍼지규칙 (fr_i)은

제안 방법

2(a)에 나타낸 바와 같이 강도 (R)와 하중 (Q)을 확률변수로 나타내어 강도와 하중이 같은 경우를 한계상태로 정의하였으며, Fig. 2(b)에 나타낸 것과 같이 확률밀도함수를 이용하여 각 부재별 파괴확률 (failure probability)을 산정하고, 이를 부재의 중요도 계수에 반영하여 구조물 잔존수명 평가에 적용하였다. Cho(2017)의 모델은 구조물의 내력비와 내구성능을 모두 잔존수명 평가에 반영할 수 있다는 장점이 있다.
1 and 2에 나타낸 바와 같이 ANFIS 및 구조 신뢰성이론을 활용하여 RC 구조물의 잔존수명을 정량적으로 평가할 수 있는 모델을 개발하였다.
세부지침에 따른 평가결과인 안전진단등급은 구조물의 안전성, 상태, 기울기 및 침하를 부재 개별적으로 평가한 후 이를 종합하여 산정되며, Table 1에 나타낸 바와 같이 총 5개의 등급으로 구분된다. RC 구조물을 구성하고 있는 기둥, 벽, 보, 슬래브 등 각 부재의 내력과 작용하중의 비율 등을 이용하여 구조물의 안전성을 평가할 수 있으며, 콘크리트 탄산화 깊이, 표면 염화이온 농도, 균열폭 등의 내구성 저하요인이 RC 구조물의 내구성에 미치는 영향을 평가할 수 있다. 구조물의 기울기는 구조물에 발생된 각변위를 이용하여 평가되며, 부등침하로 인한 각변위는 구조물 최상단에서 측정된 수평변위 (δ)를 구조물의 높이 (l)로 나누어 산정할 수 있다.
3 mm 범위로 계측되었다. 또한, 콘크리트 부재의 한 부위를 드릴로 천공하여 깊이별로 콘크리트 시료를 채취하였으며, 이들의 염소이온 농도를 측정함으로써 염소이온 확산계수를 산출하였다.
부등침하로 인해 발생되는 구조물의 각변위가 부재의 공칭강도에 미치는 영향을 반영하기 위하여 이 연구에서는 Equation 2를 공칭강도에 대한 평균과 표준편차인 μR및 σR에 적용하였다.
은 각변위의 영향이 반영 되지 않은 공칭강도이다. 부재의 잔존수명을 평가하기 위하여 Fig. 1에 나타낸 바와 같이 콘크리트 압축 강도, 물-결합재비, 균열폭, 표면 염소이온농도, 염소이온 확산계수, 콘크리트 탄산화 깊이 및 표면상태를 입력변수로 설정하여 ANFIS 해석을 수행하였으며, 이를 위하여 각각의 입력변수를 아래와 같이 종형 소속함수를 이용하여 퍼지화 하였다.

대상 데이터

Table 5에는 제안모델을 검증하기 위한 현장 구조물의 진단결과를 나타내었으며, 대상 구조물은 Cho(2017)의 연구를 참조하여 선정하였고 구조물의 목표수명은 65년이다. 다만, 진단결과에서 부등침하에 대한 측정 데이터가 누락되어 있어 제안모델을 통한 평가시에는 시설안전공단의 부등침하 평가기준을 참조하여 각변위에 따른 잔존수명의 변화를 상세히 분석하고자 하였다.
구조물 A는 지하 1층 지상 4층으로 이루어진 철근콘크리트 구조물이며, 이 구조물에 대한 현장조사는 준공 후 35년이 지난 시점에서 실시되었다. 진단결과, 콘크리트 평균 압축강도는 28.
Skempton and Macdonald(1956)는 북미 및 유럽 지역에 위치한 오피스 및 창고형태 구조물의 침하량과 각변위를 측정하여 이들의 상관관계를 분석하였다. 측정된 구조물은 온통기초로 이루어져 있으며, 구조물을 지지하고 있는 지반은 점토질과 사질로 구성되어 있었다. 점토질 지반의 구조물에서는 Fig.

데이터처리

이 연구에서는 각변위가 구조 안전성에 미치는 영향을 파악하기 위하여 한국시설안전공단의 평가방법을 기반으로 변수분석을 실시하였다. Fig.

이론/모형

그러나, 퍼지측도를 사용하는 경우에는 가중치 (g_1,g_2,g₃)와 부재 잔존수명을 곱한 값들의 가법성이 성립되지 않으므로, 일반적인 기댓값 산정방법으로 가중평균값을 도출할 수 없다. 따라서, 이 연구에서는 Fig. 7에 나타낸 것과 같이 Choquet 적분법을 적용하여 가중평균값을 산출하였다. Eq.
작용하중 및 공칭강도의 bias factor (λ) 및 COV (V)는 Table 3 및 Table 4에 나타낸 바와 같이 Nowak and Szerszen(2003)의 연구결과를 참고하여 적용하였다.

성능/효과

2. 기존의 실제 구조물 현장조사 데이터를 활용하여 구조물의 각변위에 따른 잔존수명을 평가한 결과, 열화가 심하게 발생되지 않은 구조물에서는 부등침하에 의한 각변위가 구조물 잔존수명에 큰 영향을 끼치는 것으로 나타났다.
3. 반면에, 열화가 심하게 발생된 구조물에서는 구조물에서 발생된 내구성능 감소가 구조물 전체의 잔존수명을 지배하는 것으로 나타났으며, 이 경우에는 부등침하에 의한 각변위가 구조물 잔존수명에 미치는 영향이 상대적으로 매우 작은 것으로 나타났다.
다만, 구조물 B는 각변위가 약 1/200까지 증가하더라도 잔존수명이 크게 영향을 받지 않는 것으로 나타났으며, 이는 각변위 1/200 시점까지는 구조물에서 발생된 내구성능 감소가 구조물 전체의 잔존수명을 지배하기 때문이다. 각변위가 1/200을 초과하는 경우에는 구조물 A와 유사하게 잔존수명이 급격히 감소하는 것으로 나타났으며, 1/150의 각변위에서는 구조물의 잔존수명이 0에 수렴하는 결과를 보였다.
이는 현재 구조물 A의 사용연한이 35년이고, 목표수명이 65년인 점을 고려할 때 구조물 A는 목표연한까지 사용하는데 무리가 없음을 의미한다. 다만, 구조물에 부등침하가 발생하여 각변위가 증가하면 구조물 전체의 잔존수명은 감소하는 것으로 나타났다. 각변위 1/600에서 계산된 구조물 A의 잔존수명은 각변위의 영향을 고려하지 않은 잔존수명 평가결과에 비하여 약 4.
구조물 A는 지하 1층 지상 4층으로 이루어진 철근콘크리트 구조물이며, 이 구조물에 대한 현장조사는 준공 후 35년이 지난 시점에서 실시되었다. 진단결과, 콘크리트 평균 압축강도는 28.18 MPa이었으며, 표면상태는 비교적 양호한 것으로 나타났고, 균열 폭은 총 38개의 부재에서 약 0.05 ~ 0.3 mm 범위로 계측되었다. 또한, 콘크리트 부재의 한 부위를 드릴로 천공하여 깊이별로 콘크리트 시료를 채취하였으며, 이들의 염소이온 농도를 측정함으로써 염소이온 확산계수를 산출하였다.
구조물 B의 경우, 규모는 구조물 A와 거의 유사하며 현장조사는 준공 후 34년이 지난 시점에서 실시되었다. 콘크리트 평균 압축강도는 23.58 MPa이었으며, 표면상태는 다소 보수가 필요한 것으로 나타났고, 균열 폭은 총 47개의 부재에서 약 0.1 ~ 0.4 mm 범위로 계측되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	퍼지이론이란 무엇인가?	국외 안전진단 방법 (JSCE, 1995, ICC, 2012)과 비교하여 한국시설안전공단에서 제시하는 안전점검 및 정밀안전진단 세부지침 (한국시설안전공단, 2011)은 퍼지이론을 도입하여 진단자의 주관적인 판단을 최소화하고 있다. 퍼지이론은 주로 인공지능분야에 사용되는 이론이며, 최근에는 공학분야에서 수치 해석이 어려운 문제들을 해결하기 위하여 널리 사용되고 있다 (Kim et al., 2006).
	한국시설안전공단의 안전진단 평가방법이 지니는 문제점은?	구조물의 기울기는 구조물에 발생된 각변위를 이용하여 평가되며, 부등침하로 인한 각변위는 구조물 최상단에서 측정된 수평변위 (δ)를 구조물의 높이 (l)로 나누어 산정할 수 있다. 다만, 앞서 언급한 바와 같이 한국시설안전공단에서 제시하고 있는 안전진단 평가방법은 평가결과를 등급으로만 제공하기 때문에 구조물의 잔존수명을 알 수는 없다.
	RC 구조물의 잔존수명을 산정하는 방법은?	한국시설안전공단의 평가방법은 평가결과를 등급의 형태로 제시하지만, RC 구조물의 잔존수명을 제공하지는 않는다. 구조물의 잔존수명은 구조물의 목표수명에서 사용 연수를 제외하여 산정할 수 있으며, 목표수명은 콘크리트 표준시방서(2009)에서 구조물의 내구 등급 및 시설물의 용도에 따라 30, 65, 100년 등으로 설정할 수 있다.

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저자의 다른 논문 :

표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

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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