콘크리트 구조물 내구성 설계

20020088. . 4. 104. 10

국내/외 콘크리트 구조물

내구성설계 현황 및 적용사례

국내국내//외외 콘크리트콘크리트 구조물구조물

내구성설계내구성설계 현황현황 및및 적용사례적용사례

제제1313회회 원자력안전원자력안전 기술정보회의기술정보회의

수석연구원 김 영 진

국내/외 콘크리트 구조물 내구성설계 현황 및 적용사례 2

목목 차차

01

02

03

04

01

02

03

04

콘크리트 구조물 내구성

내구성설계 방법

국내/외 적용사례

결 론


콘크리트 구조물 내구성0101

01

02

03

04

01

02

03

04




결 론


내구성 이란?

콘크리트가 설계조건하에서 시간경과에 따른 내구적 성능저하 또는

열화가 작고, 소요 사용기간 중 요구되는 성능의 수준을 지속할 수

있는 성질

01 콘크리트 구조물 내구성

내구성 설계란?

콘크리트 구조물의 각종 열화현상에 대한 저항성을 증가시켜

목표수명 동안 구조물의 요구성능을 충분히 발휘할 수 있도록 하는

설계법


• Chloride ingress (염분침투) - Reinforcement corrosion (철근부식)

• Carbonation (중성화)

• Alkali-aggregate reaction (알칼리골재반응)

• Sulphate attack (화학적침식)

• Frost attack (동결융해)

� 콘크리트 구조물의 열화


국내/외 콘크리트 구조물 내구성설계 현황 및 적용사례






6





7



�염화물 침투에 의한 콘크리트 구조물의 손상

�콘크리트 자체의 손상은 거의 없다

�염화물에 의한 철근부식이 문제

Concrete

H O2Cl-

Reinforcement

O2

H O2

+1/2

OH-

Passive Layer

H + Fe(OH) + Cl+ -2

2FeCl

H O2

2O

OH-

O2

H O2

+1/2

Anode CathodCathod

2e -



8



�주로 매연이 많은 도심지역, 터널, 지하차도 등 탄산가스 농도가 높은 지역

�Ca(OH)2 + CO2 → CaCO3 + H2O

�pH 12.5 이상의 강알칼리 → 7에 가까운 중성

�pH의 저하에 따른 철근부식이 가장 큰 문제



9



� 반응성 골재와 알칼리 이온의 결합

� 알칼리-실리카겔 형성

� 수분의 흡수

� 콘크리트의 팽창압력 발생



10



� 시멘트 화학 구성재료인 C3A와 SO3의 반응

� 에트린가이트 생성 및 부피팽창

� 콘크리트 조직 파괴



11



� 겨울철 동결융해의 반복작용에 의해 균열이 발생

� 동해에 의한 손상은 Spalling, Pop-out, Scaling, Cracking 등 형태


내구성 설계방법0202

01

02

03

04

01

02

03

04


내구성 설계방법


결 론


� 내구성 설계기법

02 내구성 설계방법

KCI ACI

(318, 201)BS

정의

콘크리트가 설계조건하에서 시간경과에 따른 내구적 성능저하로부터 요구되는 성능의 수준을 지속시킬 수 있는 성질

콘크리트가 계절적작용, 화학적침식, 마모, 또는 기타 열화현상에 저항하는 특성

매입된 금속이 부식되지 않도록 보호하고 구조물의 사용년한 동안 사용환경조건을 만족하도록 설계 및시공된 것

열화원인

�염해

�탄산화

�동결융해

�화학적침식

�알칼리 골재반응

�동결융해

�황산염 노출

�철근 부식

�환경조건에 따른 분류

- 건조환경

- 습윤환경

- 해수환경

- 화학작용환경

확보수단

�피복두께

�공기량

�W/B, 설계기준강도

�염화물이온량

�혼화재 비율

�단위시멘트량

�공기량, 최대W/B,

�최소 압축강도

�최대 W/B, 최소 압축강도

�염화물 이온농도

�철근 최소피복두께

�시멘트량 및 W/C

13


� 내구성 설계기법


EURO code 2CEB-FIP

MODEL Code90

CEB-FIP

New Approach 97

정의

구조물이 수명기간동안 효용성을크게 잃지 않는 범위에서 사용성, 강도, 안정성 등을 만족시키는 것

구조물이 수명기간동안 효용성을 크게 잃지 않는 범위에서 사용성, 강도, 안정성 등을 만족시키는 것

구조물이 수명기간동안 효용성을크게 잃지 않는 범위에서 사용성, 강도, 안정성 등을 만족시키는 것

열화원인�직접적인 작용(환경조건)

�간접적인 작용

(변형, 균열 등)

�환경조건에 따른 분류

- 건조환경

- 습윤환경

- 해수환경

- 화학작용환경

�환경조건에 따른 열화모델

�재료수준의 열화모델

확보수단

�최소피복두께

�최대 W/C

�최소 시멘트량

�최소공기함유량

�동결저항골재사용유무

�불투수콘크리트사용유무


�최대 W/C

�최소 시멘트량

�최소공기함유량

�동상방지골재사용유무

�수밀성콘크리트 사용유무


�최대 W/B

�환경계수

�양생계수

�시멘트종류

14


� 내구성 설계방법 (계속)


일반 내구성 설계성능기반 내구성 설계

Level 1 Level 2

BS, Eurocodes KCI, ACI-Life 365 DuraCrete

기초 경험과 직관 비확률론적 계산 확률론적 계산

결과반드시 만족해야 하는 조건(최소피복, 최대 물/시멘트비 등)

수행(열화 메커니즘)을 기초로 한 설계(수명, 손상 확률, 최소 피복, 최대 염화물 확산, 최소 탄산화 저항)

환경 불충분한 환경 분류 상세하지 못한 환경 분류상세한 환경 분류(예, 해상교량:침수, 대기에 노출, 비말대/감조부)

열화 전달 및 열화 모델 없음 전달 및 열화 메커니즘에 대한 수학적 모델화

콘크리트 품질실제 콘크리트 특성과는

무관

이론적인 콘크리트 특성에 기초(콘크리트 배합 합성에 근거한 이론적인 염화물 확산계수)

실제 콘크리트 특성에 기초 (콘크리트 실험에서 얻은 실제 염화물 확산계수)

�국내콘크리트표준시방서(내구성편) 및 일본 콘크리트공학협회은 Level 1과 비슷

15


� 콘크리트표준시방서 내구성편

� 설계절차


16

염해 환경계수, 내구성감소계수 결정

염화물이온 농도의 예측값

염화물이온 확산방정식

W/C => 유효확산계수 결정

초기염화물이온 농도

표면염화물이온 농도

피복두께

내구수명 결정



� 검토 절차

limp d kC Cγ φ≤

pγ : 1.11

kφ : 0.86

limC : 철근 부식을 일으키는 임계염화물이온 농도(=1.2 kg/m3)

dC : 철근 위치에서 염화물이온 농도의 예측값

( )01

2d i i

d

xC C C C erf

D t

− = − −

iC : 초기 염화물이온 농도. 국내 콘크리트구조설계기준의 최대 허용값은 0.3 kg/m3

0C : 표면 염화물이온 농도

erf : 오차함수

dD : 염화물이온의 유효확산계수( )

d c kD Dγ=

kD : 염화물이온 확산계수의 특성값


17


� 콘크리트표준시방서 내구성편 (계속)

p p k kD Dγ φ≤

pγ : 1.11

kφ : 0.86

: 염화물이온 확산계수의 예측값.pD

보통 포틀랜드 시멘트

고로슬래그시멘트

2 7log 4.5( / ) 0.14( / ) 8.47 log(3.15 10 )

pD W C W C = + − + ×

2 7log 19.5( / ) 13.8( / ) 5.74 log(3.15 10 )

pD W C W C = − − + ×

시간에 따른 변동성은 ACI Life-365 모델 등으로 별도 고려


18


� ACI Life-365 모델

� Life-365 프로그램 개요


19



� 설계절차


20

지형적 위치

노출환경조건

철근피복두께

W/C , 혼화재량

철근처리상태 등

온도, 시간에 따른 확산계수 계산

콘크리트 위치별 확산계수

내구연한


� ACI Life-365 모델 (계속)

� 검토 절차

( )

m

ref

ref

tD t D

t

=

D : 확산계수

refD : 기준 시간 tref(=28일)에서의 확산계수

: 확산계수 감소 상수(재령계수)

시간에 따른 확산계수의 변화시간에 따른 확산계수의 변화

m

온도에 따른 확산계수의 변화온도에 따른 확산계수의 변화

1 1( ) exp

ref

ref

UD T D

R T T

= ⋅ ⋅ −

refD : 기준 온도 Tref(=절대 온도)에서의 확산계수

U : 확산 과정에서의 활성화 에너지

R : 기체 상수

� 현장의 실제 온도조건 반영


21



� 검토 절차

( )12.06 2.40 /

281 10

W BD

− += ×

28일 염소이온 확산계수28일 염소이온 확산계수

혼화재료가 재령계수에 미치는 영향혼화재료가 재령계수에 미치는 영향

( )0.2 0.4 % /50 % /70m FA SG= + +

플라이애쉬의 영향 고로슬래그의 영향

� 최대 0.6


22

Relationship Between D 28 and W/CM

1E-12

1E-11

1E-10

0.3 0.4 0.5 0.6

W/CM

Diffusion Coefficient, D28 (m2/s)

Effect of Fly Ash and Slag

1E-13

1E-12

1E-11

1E-10

0.01 0.1 1 10 100

Age (years)

Diffusion Coefficient, Dt (m2/s)

28 days

PC

30% SG

40% FA


� 확률론적 방법론 (DuraCrete)

� DuraCrete 개요


23



DuraCrete Tool

목표내구수명

최소 콘크리트 피복두께

최대 염화물 확산계수

고품질 고내구성 콘크리트

- 낮은 염소이온 침투성

- 충분한 피복두께


24


� DuraCrete 설계절차

한계상태 결정(부식확률)

내구수명 결정(100년)

목표 신뢰성지수 결정

입력 변수의 확률에 기초한 모델

(피복두께, 염분확산계수,W/B 등)

주어진 한계상태에 대한 프로그램 해석

β ∼ βtarget

설계값 제시

(피복두께, 염부확산계수)

No

Ye

s



DuraCrete European Research Project(DuraCrete 유럽 연구 프로젝트)

1996-1999

•• CURCUR,, Centre for Civil Engineering Research and Codes, NLCentre for Civil Engineering Research and Codes, NL

•• COWICOWI Consulting Engineers and Planners AS, DK (scientific manager)Consulting Engineers and Planners AS, DK (scientific manager)

•• TELTEL,, Taywood Engineering Limited, GBTaywood Engineering Limited, GB

•• E. SchwenkE. Schwenk,, Zementwerke KG, DZementwerke KG, D

•• GEOCISA,GEOCISA, Geotecnia y Cimientos S.A., ESGeotecnia y Cimientos S.A., ES

•• ibacibac,, Institute for Building Research Technical Institute for Building Research Technical University of Aachen, DUniversity of Aachen, D

•• IETIET,, Institute Institute ‘‘Eduardo TorrojaEduardo Torroja’’ of Construction of Construction Science of the CSIC of Spain, ESScience of the CSIC of Spain, ES

•• RWSRWS,, DirectorateDirectorate--General for Public Works and General for Public Works and Water Management, Civil Engineering Division, NLWater Management, Civil Engineering Division, NL

•• HBGHBG,, Hollandsche Beton Groep N.V., NLHollandsche Beton Groep N.V., NL

•• IntronIntron,, Institute for Materials and Environmental Institute for Materials and Environmental Research, NLResearch, NL

•• CTHCTH,, Chalmers University of Technology, SEChalmers University of Technology, SE

•• TNOTNO,, Netherlands Organisation for Applied Netherlands Organisation for Applied Scientific Research, NLScientific Research, NL

Probabilistic performance based durability design of concrete

structures(콘크리트 구조물의 성능을 기반으로한

확률론적 내구성설계)

Probabilistic performance based durability design of concrete

structures(콘크리트 구조물의 성능을 기반으로한

확률론적 내구성설계)



� 확률론적 방법론 (계속)

� DuraCrete 개요

해외적용 사례해외적용 사례


27


� 내구수명 검증 시험

� 신뢰성이 높은 NT Build 492 방법으로 염소이온 확산계수를

측정한 후 해석에서 구한 목표치와 비교하여 내구수명 검증

t

xax

zFU

RTLD

dd −⋅=

� 염소이온의 침투두께와 확산계수의 변환식

NT Build 492 시험NT Build 492 시험


28



� 시험방법


29

1. 10% Nacl 용액 약 12L를 음극수조에 채운다

2. 음극수조내의 플라스틱 지지대위에 공시체를 위치시킨다.

3. 300ml 양극용액(0.3N NaOH)으로 시험체 위의 통을 채운다.

4. 양극용액안에 양극을 침지시킨다.

5. 전원공극장치를 연결한다.



� 시험방법


30

6. 30V에서 각 시험체를 통한 초기전류를 측정한다.

7. 초기온도, 최종전류, 최종온도를 측정한다.

8. 시험체를 세척후 축방향으로 2조각으로 할렬한다.

9. 0.1M의 질산은 용액을 할렬면에 분무한다.

10.중앙부로부터 양끝으로 10mm 간격으로 7개지점에 깊이측정


국내/외 적용사례0303

01

02

03

04

01

02

03

04




결 론


� 국내 적용사례

� 국외 적용사례

� 부산-거제간 연결도로 Project

� 시화호조력발전소 Project

� 인천대교건설 Project

� Great Belt Link bridge

� Western Scheldt tunnel

� 그 외 다수

03 국내외 적용사례


� 부산-거제간 연결도로 Project


33


사업기간

� 건설기간 : 2004년 ~ 2010년 (72개월)

� 운영기간 : 2011년 ~ 2050년 (40년)

사업추진방식

� 민간투자 [ BTO 방식 ] 사업시행자사업시행자시설물건설시설물건설

주무관청주무관청소유권이전소유권이전

사업시행자사업시행자

일정기간운영일정기간운영

건설규모

� 총연장 8.2 km(교량 : 4.5 km, 침매터널 : 3.7 km) 왕복 4차선

� 교량 : 사장교 2개소, 접속교 4개소, 저도교

� 터널 : 침매터널, 일반터널 2개소

사업범위

� 사업구간 : 경남 거제시 장목면 유호리 ~ 부산시 강서구 천성동

총 공사비

� 약 1조 3,197 억원



� 내구수명 : 100년

� 내구수명 종료 기준 : 철근의 부식 시작

� 신뢰성 수준 : 90% (100년후 철근부식확률 10%)

� DuraCrete 내구성설계를 통한 목표 염화물 확산계수 산정


35


교량:

- 물보라지역(교각, 주탑부, 케이슨)

- 해중(케이슨)

- 해상대기중(교각, 주탑부, 교대, 교량상판)

터널:

- 해상대기중 (외벽, 지붕, 바닥의 터널 내부 터널)

- 해중 (외벽, 지붕, 바닥의 터널 외부 표면)

� 구조물 부재와 위치에 대한 환경 노출의 정의


36


염화물 확산 계수(DCl- )와 재령 계수(α)와 신뢰 지수(β)의 상관 관계

� 교량-물보라지역

피복두께

최대 염화물

확산계수

(Max. DCl-)

α = 0.40 α = 0.50 α = 0.60

(mm) (m2/s) β

75

2 x10-12 2.2 3.0 3.3

3 x10-12 1.5 2.3 2.7

3.5 x10-12 1.3 2.1 2.5

4 x10-12 1.1 1.9 2.3


Splash zone

0

1

2

3

4

5

0 20 40 60 80 100

Time [years]

Reliability index

Dcl=3.5x10-12 m2/s

37


Submerged zone

0

1

2

3

4

5

0 20 40 60 80 100

Time [years]

Reliability index

Dcl=6.5x10-12 m2/s

� 교량-해중

피복두께

최대 염화물

확산계수

(Max. DCl-)

α = 0.30 α = 0.40 α = 0.50

(mm) (m2/s) β

75

2 x10-12 3.2

>>2,0 >>2,8

3 x10-12 2.5

4 x10-12 2.0

5 x10-12 1.7

6 x10-12 1.4

6.5 x10-12 1.3

7 x10-12 1.2 2,0 2,8



38


Atmospheric zone

0

1

2

3

4

5

0 20 40 60 80 100

Time [years]

Reliability index

Dcl=3.5x10-12 m2/s

� 교량-해상대기중

표준피복

최대염화물확산계수

(Max. DCl-)

α = 0.40 α = 0.50

(mm) (m2/s) β

50

2 x10-12 2.1 2.5

3 x10-12 1.5 1.9

3.5 x10-12 1.3 1.7

4 x10-12 1.2 1.4



39


� 터널-해상대기중

Atmospheric zone

0

1

2

3

4

5

0 20 40 60 80 100

Time [years]

Reliability index

Dcl=6.0x10-12 m2/s

피복두께


(max. DCl-)α = 0.40 α = 0.50

(mm) (m2/s) β

75

3 x 10-12 2.4 3.1

4 x 10-12 1.9 2.7

5 x 10-12 1.5 2.3

6 x 10-12 1.3 2.1



40


� 터널-해중

Submerged zone

0

2

4

6

8

10

0 20 40 60 80 100

Time [years]

Reliability index

Dcl=6.0x10-12 m2/s

피복두께


(max. DCl-)α = 0.30 α = 0.40

(mm) (m2/s) β

75

3 x 10-12 3.8

>> 3.34 x 10-12 3.4

5 x 10-12 3.1

6 x 10-12 2.8 3.3



41


구분 환경조건 Level염분확산계수

(m2/s)피복두께(mm)

교량

해상대기중EL.-3.5 이상 3.5x10-12

50

물보라지역 75

해중 EL.-3.5 이하 6.5x10-12 75

침매

터널

해상대기중

- 6.0x10-12 75

해중


� 최종 위치별 염분확산계수

42


Class

Max. W/B ratio (%)

FA ratio (%)

Air content (%)

Target member

Max. gravel size

Min. Comp (MPa)

Migration coefficinet

(m2/s)

1

0.40

20

4-5

Vent. B/D

(External)

Ramp

Cut&cover

Block&TTP

-

35

6×10-12

IMT and attached utilities

2

0.50

4-5

Vent. B/D

(internal)

Rallast

-

-

3

0.40-0.42

-

Immersed

Tunnel

25

6×10-12

1

0.40 (target 0.38)

20

consider

Pylon

Deck slab

Deck slab

joint

19

해상대기중: 3.5×10-12 , 해중: 6.5×10-12

Bridge

2

consider

Caisson Cap

Pier shafts

joints

Pile caps

Abutment

25

3

neglect

Pile

19

50 40 40

� GK Project 콘크리트 목표수준

43



� 염화물 확산계수의 검증

NT Build 492

0

10

20

30

40

50

60

Plain FA20 SF5 Plain FA20 SF5 Plain FA20 SF5

Mig

ratio

n c

oeff.

×10

-12(m

2/s

)

Kinds of cement

7day 28day

OPC HBC SLC


교량구조물


터널구조물


44


구조물의 요구성능

(슬럼프, 강도 등)

배합수준의 결정

(단위수량, W/C, 잔골재율 등)

배합시험

유동성, 압축강도

등 평가

종료

기존 배합설계 절차

구조물의 요구성능

(내염성능, 수화열저감 등)

배합시험

염화물 확산계수 평가

종료

GK Project 배합설계 절차

온도균열 평가

Fresh condition

압축, 인장강도

탄성계수/단위용적질량

수화열 발열특성 등VSVS

No

NoNo

Ye

s

Ye

s

Ye

s

� GK Project 배합설계 절차



� 시화호조력발전소 Project


46


사업기간

� 건설기간 : 2004년 12월 ~ 2009년 9월 (56개월)

건설규모

� 수차구조물

- 시설용량 : 254MW

- 연간발전량 : 552.7GWh/년

� 수문구조물 : 수직인양식

� 연간 280억원 유류수입 대체효과

사업범위

� 사업구간 : 경기도 안산시 대부동 시화방조제 (작은가리섬)

총 공사비

� 약 3,500억원



� 구조물 평면배치 현황

8


48


� 수차구조물

9


49


� 수문구조물

10


50



� 내구수명 : 100년

� 내구수명 종료 기준 : 철근의 부식 시작

� 국내콘크리트표준시방서

� ACI(life-365) 내구성설계를 통한 목표 염화물 확산계수 산

정

� DuraCrete

51



� 검토 조건

시방서 값 외에

기존 연구 참조

현장의 관리치

피복두께의 변동성은

각종 안전계수에 포함


52


� 콘크리트표준시방서 내구성편 (계속)

� 검토 결과


53



� 검토 조건

피복두께의

변동성 고려

시방서 값 외에

기존 연구 참조

Life-365에서

미고려


54



� 검토 결과


55




� 검토 결과

56


� 확률론적 방법론

� 검토 조건� 목표 내구수명에서

철근 부식확률 10%

µσ

: 평 균

: 표준편차

�


57


� 확률론적 방법론 (계속)

� 검토 결과


58


� 해석결과 요약


� ACI Life-365 프로그램


59


� 해석결과 요약 (계속)



60


� 해석결과 요약 (계속)



61


� 목표배합의 기준 제안

� 상기 세가지 검토 방법 중 가장 보수적인 확률적인 방법 채택

슬래그시멘트 배합슬래그시멘트 배합 � 수문구조물에 적용 (1-2배합)


62


� 목표배합의 기준 제안 (계속)

3성분계 저발열시멘트 배합3성분계 저발열시멘트 배합 � 수차구조물에 적용 (2-1배합)


63


� Great Belt Link Bridge


64


� Great Belt Link Bridge


65

사업범위

� 덴마트 중앙부에 위치한 북쪽 셰란섬과 서쪽의 핀섬을 연결

건설규모

� 현수교(세계 2위규모), 박스거더 교량


04 결론

1. 전통적인 내구성 설계개념에서 콘크리트 열화 메크니즘을 기초로한 성능기반

내구성 설계개념으로 전환

2. 국내 콘크리트표준시방서, 미국 ACI의 Life-365, 확률론적 방법론(DuraCrete)

에 대한 소개와 비교분석을 통해 각 설계법 이해

3. 국내 대형 Project에 선진 내구성설계기법 적용을 통한 고품질 콘크리트 생산

및 제조기술 확보

4. 추후 다양한 Project에 활용하여 국제수준의 기술력과 품질을 가진 콘크리트

생산이 가능할 것으로 사료됨

66


감사합니다

콘크리트 구조물 내구성 설계

Documents

Transcript of 콘크리트 구조물 내구성 설계