[논문]탄산화에 노출된 GGBFS 콘크리트의 콜드 조인트 및 하중 재하를 고려한 확률론적 내구수명 해석

김태훈; 권성준

doi:10.11112/jksmi.2020.24.3.39

탄산화에 노출된 GGBFS 콘크리트의 콜드 조인트 및 하중 재하를 고려한 확률론적 내구수명 해석
Probabilistic Service Life Analysis of GGBFS Concrete Exposed to Carbonation Cold Joint and Loading Conditions 원문보기

한국구조물진단유지관리공학회 논문집 = Journal of the Korea Institute for Structural Maintenance and Inspection, v.24 no.3, 2020년, pp.39 - 46

김태훈 (한남대학교, 건설시스템공학과) , 권성준 (한남대학교, 건설시스템공학과)

초록
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탄산화는 콘크리트 내부로 이산화탄소가 확산되어 매립 철근에 부식을 유발함으로서 콘크리트 구조물의 구조적, 재료적 성능을 저하시키는 열화 현상이다. 결정론적인 방법을 통한 내구수명 평가는 일반적이지만, 하중 및 콜드 조인트 효과를 고려한 확률론적 내구수명 평가에 대한 연구는 매우 제한적이다. 본 연구에서는 확률 변수를 피복 두께, 이산화탄소 확산계수, 외부 이산화탄소 농도, 내부 수화물 반응량으로 정의하고 취약부와 하중 조건을 고려한 확률론적 내구수명 도출을 MCS (Monte Carlo Simulation) 기법을 통해서 진행하였다. 각 확률 변수의 평균을 1.0 ~ 3.0배로 변화시키고, 변동계수를 0.1 ~ 0.2까지 변화시키면서 내구수명을 평가하였다. 분석한 결과 피복 두께에서 47.7%의 내구수명 감소율을, 이산화탄소 확산계수에서 11.4%의 내구수명 감소율을 나타내었다. 파괴 하중에 30% 및 60%의 압축 및 인장 하중을 고려한 결과, 콜드 조인트가 고려된 경우 GGBFS 콘크리트가 OPC 콘크리트보다 탄산화에 대한 높은 저항성을 보였으며, 인장 영역에서는 사용 재료에 상관없이 선형적으로 내구수명 감소가 평가되었다. 또한 압축 하중 60% 조건에는 미세 균열의 진전으로 인해, 모든 조건에서 빠르게 내구수명이 감소하였다.

Abstract ▼ AI-Helper

Carbonation is a deterioration which degrades structural and material performance by permitting CO2 and corrosion of embedded steel. Service life evaluation through deterministic method is conventional, however the researches with probabilistic approach on service life considering loading and cold joint effect on carbonation have been performed very limitedly. In this study, probabilistic service life evaluation was carried out through MCS (Monte Carlo Simulation) which adopted random variables such as cover depth, CO2 diffusion coefficient, exterior CO2 concentration, and internal carbonatable materials. Probabilistic service life was derived by changing mean value and COV (Coefficient of variation) from 100 % to 300 % and 0.1 ~ 0.2, respectively. From the analysis, maximum reduction ratio (47.7%) and minimum reduction ratio (11.4%) of service life were obtained in cover depth and diffusion coefficient, respectively. In the loading conditions of 30~60% for compressive and tensile stress, GGBFS concrete was effective to reduce cold joint effect on carbonation. In the tensile condition, service life decreased linearly regardless of material types. Additionally service life rapidly decreased due to micro crack propagation in the all cases when 60% loading was considered in compressive condition.

주제어

표/그림 (8)

그림 Fig. 1 Test procedures of inducing loads
표 Table 1 Changing ratio of carbonation velocity coefficient(Hwang et al., 2019)
그림 Fig. 2 Design progress for service life via MCS
표 Table 2 Mix proportions for probabilistic service
표 Table 3 Variables condition with design parameters (Normal distribution)
그림 Fig. 3 Average variables of GGBFS
그림 Fig. 4 COV variations for random variables
그림 Fig. 5 Service life behavior with changing load

AI 본문요약
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문제 정의

본 연구에서는 OPC 및 GGBFS 콘크리트를 대상으로 탄산화에 취약성을 드러내는 콜드 조인트를 고려한 확률론적 내구수명 평가를 진행하였다. 확률변수로 설정된 외부 이산화 탄소 농도, 이산화탄소 확산계수, 내부 수화물 반응량, 피복두께에 대하여 변동성 (Mean and Coefficient of Variation)을 가정하여 변화하는 확률론적 내구수명을 분석하였다.
본 연구에서는 제시된 확률론적 지배방정식을 기반으로한 MCS 기법을 통하여 확률변수의 변동성을 고려한 내구적파괴확률을 평가하였다. 평가 시 4개의 설계변수는 각각 1,000개 씩무작위 샘플링되어 과정에 활용된다.

가설 설정

기존의 연구에서 참고된 식(1)을 사용하는 과정에서 계산의 단순화를 위하여 온도, 습도를 일정하게 가정하였다. 또한 구조물이 내부 상태임을 가정하여 k₁을 1로, 그리고 n을 0으 로 정하였으며 외기로부터 구조물이 보호됨을 가정하여 k₃를 1로, 구조물이 좋은 양생 과정을 걸쳐타설됨을 가정하여 k₂를 1로 정하였다.
기존의 연구에서 참고된 식(1)을 사용하는 과정에서 계산의 단순화를 위하여 온도, 습도를 일정하게 가정하였다. 또한 구조물이 내부 상태임을 가정하여 k₁을 1로, 그리고 n을 0으 로 정하였으며 외기로부터 구조물이 보호됨을 가정하여 k₃를 1로, 구조물이 좋은 양생 과정을 걸쳐타설됨을 가정하여 k₂를 1로 정하였다. 이는 탄산화 진행에 적합한 지하구조물의 환경 과 유사함을 나타내며, 각각의 정해진 요소로 식(1)은 식(6)으 로 단순화되어 사용되었다(CEB, 1997).

제안 방법

제시된 외부이산화 탄소 농도는 2018년도 한반도 연평균 이산화탄소 농도인 415ppm으로 설정하였다(KMA, 2019). 각 설정된 확률변수 중 평균값 변화 시 내구수명 변동성을 분석하기 위해서 외부 이산화탄소 농도와 내부 수화물 반응량에 대해서 둘 다 1.25배와 1.5배의 변동성을 설정하였다. 또한 탄산화에 대한 콘크리트의 물리적, 화학적 변동성 영향을 고려한 내구수명 평가를 위하여 각각의 확률변수의 변동계수를 2.
본 연구에서는 콘크리트 탄산화 확률 변수의 변동성과 하중 조건을 고려하여 콜드 조인트 조건을 고려한 GGBFS 및 OPC 콘크리트의 내구수명을 확률론적으로 평가하였으며, 본 논문을 통한 결론은 다음과 같다
본 연구에서는 콜드 조인트 조건이 고려된 콘크리트를 대상으로, 기존의 연구에서 제안된 탄산화 깊이 증감률을 적용 하였다. 이후 압축 및 인장 하중 재하 시 목표내구성확률 10%를 기준으로 하는 내구수명의 변화를 확률론적으로 분석하였다(Hwang et al.
기존의 연구에서는 이러한 탄산화에 대한 하중의 영향을 파악하기 위하여 건전부와 콜드 조인트부로 분류한 후 하중을 재하하여 탄산화 확산계수의 거동을 분석하였다. 시편은 정확한 하중 재하를 위하여 압축의 경우 몰드형, 인장의 경우 실린더형으로 달리하였으며, 프레임을 체결하여 하중 재하 후 하중을 유지할 수 있게 하였다. 하중 재하의 경우 파괴 하중의 30%와 60%의 압축 및 인장 하중을 가하였으며, 프레임결속 조건에서 KSF 2584에 의거한 촉진 탄산화 실험을 진행하였다.
본 연구에서는 콜드 조인트 조건이 고려된 콘크리트를 대상으로, 기존의 연구에서 제안된 탄산화 깊이 증감률을 적용 하였다. 이후 압축 및 인장 하중 재하 시 목표내구성확률 10%를 기준으로 하는 내구수명의 변화를 확률론적으로 분석하였다(Hwang et al., 2019). Fig.
탄산화에 대한 확률론적 내구수명 해석을 위해 Table 3에 나타난 확률변수의 변동계수를 2.0배와 3.0배 증가시켰을 때 내구수명의 변화를 분석하였다. Fig.
시편은 정확한 하중 재하를 위하여 압축의 경우 몰드형, 인장의 경우 실린더형으로 달리하였으며, 프레임을 체결하여 하중 재하 후 하중을 유지할 수 있게 하였다. 하중 재하의 경우 파괴 하중의 30%와 60%의 압축 및 인장 하중을 가하였으며, 프레임결속 조건에서 KSF 2584에 의거한 촉진 탄산화 실험을 진행하였다. 상세한 실험과 이에 대한 내용은 기존의 문헌을 참고하는 것이 바람직하다(Hwang et al.
본 연구에서는 OPC 및 GGBFS 콘크리트를 대상으로 탄산화에 취약성을 드러내는 콜드 조인트를 고려한 확률론적 내구수명 평가를 진행하였다. 확률변수로 설정된 외부 이산화 탄소 농도, 이산화탄소 확산계수, 내부 수화물 반응량, 피복두께에 대하여 변동성 (Mean and Coefficient of Variation)을 가정하여 변화하는 확률론적 내구수명을 분석하였다. 설정된 확률변수를 수치적으로 구현하기 위하여 MCS (Monte Carlo Simulation)기법을 사용하였다(Ann et al.
0배로 증가함을 설정하였다. 활용되는 지배방정식의 구성에 의하여 서로 영향을 주지 않는 독립적인 관계를 이루는 4가지 해석변수 등이 내구수명에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다.

대상 데이터

본 연구에서는 제시된 확률론적 지배방정식을 기반으로한 MCS 기법을 통하여 확률변수의 변동성을 고려한 내구적파괴확률을 평가하였다. 평가 시 4개의 설계변수는 각각 1,000개 씩무작위 샘플링되어 과정에 활용된다. Fig.

이론/모형

확률변수로 설정된 외부 이산화 탄소 농도, 이산화탄소 확산계수, 내부 수화물 반응량, 피복두께에 대하여 변동성 (Mean and Coefficient of Variation)을 가정하여 변화하는 확률론적 내구수명을 분석하였다. 설정된 확률변수를 수치적으로 구현하기 위하여 MCS (Monte Carlo Simulation)기법을 사용하였다(Ann et al., 2010; Ang and Tang, 2007; Na et al., 2012). 또한 선행된 연구에서 콜드 조인트 조건 하에 도출된 하중이 탄산화 깊이에 미치는 영향을 고려하여 각 조건별 내구수명의 거동을 분석 및 비교하였다 (Kwon, 2019; Koh et al.

성능/효과

1) GGBFS 콘크리트는 이산화탄소 농도 415 ppm 적용시 내구수명을 100%로 하였을 때, 519 ppm 적용시 80.5%, 623 ppm 적용시 66.7%로 내구수명이 감소하였다. 내부 수화물 반응량에 대해서는 44.
2) 외부 이산화탄소 농도, 이산화탄소 확산계수, 내부 수화물 반응량, 피복 두께 등 확률변수의 변동계수를 0.1을 기준으로 0.2, 0.3으로 변화시킴에 따라 내구수명은 최대 47.7%의 감소를 나타내었다. 변동계수 0.
3) 목표내구적파괴확률 10%을 고려하면, 콜드 조인트 조건에서, GGBFS 콘크리트는 OPC 콘크리트 기준 122.2 ~ 143.8%의 증가된 내구수명을 나타내었다. 또한 하중 0%를 기준으로하면, 압축 파괴 하중 30%에서는 110% 의 증가율을, 압축파괴하중 60%에서는 30% 대비 35.
4) 건전부 및 콜드 조인트 콘크리트의 하중 재하에 따른 내 구수명 변화거동은 유사하나, 압축 하중이 30%에서 60%로 증가할 경우, GGBFS 콘크리트의 건전부 및 콜드조인트에서는 35.1 ~ 47.4%, OPC 콘크리트의 건전부 및 콜드조인트에서는 20.2 ~ 42.9% 수준으로 감소하였다. 또한 인장영역에서 콜드조인트부에서는 낮은 하중 수준에서도 선형적으로 내구수명의 감소가 크게 발생하므로 유지관리 시 이에 대한 주의가 필요하다.
노출 환경과 실질적으로 관련된 확률 변수인 외부 이산화탄소 농도의 변동계수에 변동성이 증가할수록 내구수명은 감소하는 경향을 나타내었다. 변동계수 0.
5배의 변동성을 설정하였다. 또한 탄산화에 대한 콘크리트의 물리적, 화학적 변동성 영향을 고려한 내구수명 평가를 위하여 각각의 확률변수의 변동계수를 2.0배, 3.0배로 증가함을 설정하였다. 활용되는 지배방정식의 구성에 의하여 서로 영향을 주지 않는 독립적인 관계를 이루는 4가지 해석변수 등이 내구수명에 미치는 영향을 정량적으로 평가하였다.
수화물 및 확산계수의 변동성이 작을수록 내구수명이 증가하였으므로 콘크리트의 품질관리가 중요함을 알 수 있다. 또한 피복 두께에서 가장 큰 내구수명 감소율이 도출되었는데, 이는 피복 두께의 확보가 탄산화에 대한 가장 효과적인 방법임을 알 수 있다.
20 kg/m³ 의 경우 150%의 내구수명 증가 경향을 보였다. 외부 이산화탄소 농도와 내부 수화물 반응량에 대한 내구수명 분석 결과 외부 이산화탄소 농도 증가는 최대 33.33%의 내구수명 감소를, 내부 수화물 반응량의 증가는 70.45%의 내구수명 증가를 나타내었다.
72%로 가장 큰 내구수명 감소를 나타내었다. 이는 다른 확률변수도 중요한 인자이지만 균질한 품질의 피복두께의 확보가 탄산화 저항에 가장 효과적으로 대응하는 것으로 나타났다.
27%의 내구수명을 나타내었다. 제시된 탄산화 확률변수의 변동계수에 변동성을 준 결과 콘크리트 피복두께의 변동계수가 0.3일 때 47.72%로 가장 큰 내구수명 감소를 나타내었다. 이는 다른 확률변수도 중요한 인자이지만 균질한 품질의 피복두께의 확보가 탄산화 저항에 가장 효과적으로 대응하는 것으로 나타났다.
6%의 최대 내구수명 감소율을 나타내었다. 콜드 조인트 조건에서의 OPC 콘크리트는 모든 조건에서 GGBFS 콘크리트보다 낮은 내구수명을 보였으며, 이는 인장 하중 60%에서 143.75%의 최대 감소율을 보였다.
함수량, 유효 공극의 크기와 같은 콘크리트 자체 특성과 연 관된 확률 변수인 이산화탄소 확산계수는 변동계수 0.1에서 도출된 내구수명 88년을 기준으로 변동계수가 0.2로 증가할 경우 94.32%, 0.3으로 증가할 경우 88.64%의 내구수명을 나타내었으며 최대 11.36%의 내구수명 감소를 나타내었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	콘크리트란 무엇인가?	콘크리트는 재료 수급성이 용이할 뿐만 아니라 경제적, 공학적 이점을 가지는 건설재료이며, 물 다음으로 가장 많이 사용되는 건설재료이다. 콘크리트 구조는 안정성을 확보하더라도 다양한 노출환경에서 사용 기간의 증가에 따른 열화가 발생한다.
	지하구조물이 가지는 특징은 무엇인가?	이러한 열화기구는 매립된 철근을 부식에 대한 활성화 상태로 변화하게 만들고 이로 인해 전면적인 부식 형태가 발생한다. 특히 지하철 구조와 같은 지하구조물의 경우 600 ppm 이상의 이산화탄소의 농도와 60 ~ 70% 수준의 상대습도에 노출되는데, 이는 탄산화 진전에 매우 유리한 환경이다(CEB, 1997; Hwang et al., 2019; Papadakis et al.
	콘크리트의 결정론적 해석법이 지니는 공학적인 불확실성 (Engineering Uncertainties)은 무엇인가?	기존 탄산화에 대한 내구수명 평가는 결정론적 해석법으로 내구한계상태를 시간에 따라 증가하는 탄산화 깊이와 피복두께가 동일해지는 시점으로 정의하고 목표내구수명동안 피복 두께가 성능을 유지하는 것으로 하여 이루어져왔다(KDS 14 20 40, 2016). 하지만 일반적인 결정론적 해석법은 콘크리트라는 복합체 특성상 재료 품질, 노출 환경, 시공 과정 등 뿐만 아니라 소요시간에 따른 구조물의 변동성에 대한 고려가 부족하다. 이러한 공학적인 불확실성 (Engineering Uncertainties)을 고려하기 위하여 최근 들어 다중확률변수를 고려한 확률론적 탄산화 해석기법이 내구설계부분에서 활용되고 있다(Amey et al.

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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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