일계이차모멘트법에 의한 기존 철근콘크리트 부재의 안전성평가

Abstract

일반적으로 철근콘크리트구조는 시공성 및 경제성 뿐 아니라 내구성이 우수한 구조로 알려져 있으며, 건설구조물에 있어서 주요 구조재료로 사용되어 지고 있다. 우리나라의 경우에도 대부분의 사회기반시설물 및 주요 구조물에 철근콘크리트조가 사용되어져 왔다. 그러나 철근콘크리트 부재는 외부환경 노출로 인한 철근부식, 중성화, 염화물확산 및 동결융해반응 등으로 필연적인 노후화로 시간 경과에 따른 성능저하가 발생되고 있는 것으로 보고되고 있다. 이에 따라 시간 경과에 따른 노후화된 구조물의 안전성 평가를 위한 적절한 평가 방법이 필요하다. 노후화된 구조물의 안전성평가를 위하여 구조물에 대한 현재 상태에서 정확한 구조물의 강도 및 저항능력을 산정한 후, 구조물에 작용하는 하중 상태를 고려하여야 안전성평가를 할 수 있다. 따라서 철근콘크리트 구조물의 재료나 하중의 통계적인 특성의 차이에 따른 불확실성을 고려하지 않고서는 부재의 정확한 신뢰성레벨을 알 수 없으며, 이로 인하여 구조물의 합리적인 안전도 평가가 어려워 신뢰성의 결함이 예상된다. 이에 본 연구에서는 문헌조사를 바탕으로 통계적 특성이 반영된 설계변수를 사용한 한계상태함수를 정의하였으며, 이를 이용하여 현행 콘크리트 구조설계기준에 의해 설계 및 시공된 철근콘크리트 부재의 신뢰성 해석 및 시간 경과에 따른 성능저하를 평가하였다. 본 논문은 다음과 같이 구성되었다. 제 1장은 연구의 배경 및 목적, 연구내용 및 방법을 기술하였다. 제 2장은 신뢰성 이론의 고찰로써 직접적으로 파괴확률을 계산하는 Monte-calro 추출법과 근사해법으로 알려진 일계이차모멘트법(FOSM) 및 개선된 일계이차모멘트법(AFOSM)에 대해 기술하였다. 제 3장은 일반적인 철근콘크리트 구조물의 부재별 응력상태에 따른 상이한 노후화 과정을 바탕으로 콘크리트의 균열발생 및 철근부식 메커니즘의 고찰하였으며, 철근부식, 중성화 및 염화물확산, 알칼리-골재 반응에 따른 강도노후화 함수의 형태에 대하여 기술하였다. 제 4장은 기본적으로 신뢰성 해석을 위한 철근콘크리트 압축강도, 철근의 인장강도, 시공오차 등이 가지는 불확실성에 대한 특성에 관한 문헌조사를 수행하였다. 제 5장은 본 연구의 해석대상이 되는 부재 설정 및 한계상태함수를 정의한 후, Rackwitz-Fiessler의 개선된 일계이차모멘트법(AFOM)을 이용하여 철근콘크리트 부재의 신뢰성해석을 통하여 현존하는 철근콘크리트 구조물의 정확한 신뢰성 지수 도출 및 시간 경과에 따른 노후화된 철근콘크리트 부재의 신뢰성 지수 도출로서 안전성 평가를 수행하였다. 제 6장은 본 연구를 토대로 얻은 결론을 기술하였다. 본 연구에서는 철근콘크리트 구조물의 휨부재, 압축부재, 휨과 압축을 받는 부재에 대하여 고정하중에 대한 활하중의 비, 철근비, 경간에 따른 신뢰성 지수를 도출 및 시간경과에 따른 노후화된 철근콘크리트 부재의 신뢰성 도출로써 성능저하에 대한 안전성평가를 수행하였다. 1) 현행 설계기준에 의해 설계 및 시공된 철근콘크리트 부재의 근사적 해석기법인 일계이차모멘트법을 사용하여 안전성평가를 한 결과, 일반적인 고정하중에 대한 활하중의 비(LL/DL) 1.0에 대하여 휨을 받는 부재(철근비 0.86%)의 경우 신뢰성지수(β)는 4.94로 나타났으며, 압축을 받는 부재 및 휨과 압축을 받는 경우(철근비 1.7%)의 경우의 신뢰성지수는 각각 6.60, 6.56로 나타났다. 이는 철근콘크리트 부재의 목표신뢰도지수(β=3.0)보다 높은 값을 나타내므로, 부재의 신뢰성이 적절하게 산정되어 있는 것으로 판단된다. 2) 철근부식으로 인한 노후화 영향은 고정하중에 대한 활하중의 비가 1.0일 때 휨부재의 경우 4.95∼3.34로 감소하였으며, 압축부재 및 휨과 압축을 받는 부재의 경우 각각 6.54∼5.71, 6.49∼5.57로 감소하였다. 고정하중에 대한 활하중 비가 1.5일 때, 휨부재, 압축부재, 휨과 압축을 받는 부재의 경우 각각 3.3∼1.7, 5.65∼4.57, 5.03∼3.83으로 감소함에 따라 부재별 신뢰도 지수의 감소율은 압축, 휨과 압축, 휨을 받는 부재의 순으로 증가하는 것으로 나타났다. 이는 휨을 받는 부재일수록 철근부식에 대하여 취약한 것으로 판단된다. 3) 노후화에 의한 휨부재의 고정하중에 대한 활하중의 비가 1.5일 경우 완공 14년째 목표신뢰성지수(β=0.3)이하로 감소됨에 따라 유지보수의 검토가 필요한 것으로 나타났다. 이와 같이 부재의 성능저하함수를 이용하여 생애주기동안 부재 및 구조 성능의 예측이 가능하며, 적절한 보수 및 보강에 의해 구조물의 장수명 및 유지관리비용의 절감이 가능할 것으로 판단된다. 4) 노후화 영향을 고려한 휨을 받는 부재의 초기 부식발생시간은 7년이 계산되었지만, 일반적으로 철근 부식의 메커니즘은 구조부재의 조건, 즉 응력상태에 따라 부식진행 과정도 상이하게 나타난다. 따라서 추후 압축부재나 휨과 압축을 받는 부재에 대한 염화물 확산 및 중성화에 의한 부식발생시간의 예측이 필요한 것으로 판단된다.; Chapter 1 : Described background, purpose, range and contents for study. Chapter 2 : Described reliability theory of structures Chapter 3 : Crack occurrence and corrosion mechanism of RC Members based on various deterioration process affected by stress condition investigated. Also, the deterioration function according to the sulfate attack, alkali-silica reaction, freeze-thaw cycle attack, carbonation, aggregate reaction was described. Chapter 4 : Background surveys of the uncertainty of concrete compressive strength and steel tensile strength, construction error for the reliability analysis were performed. Chapter 5 : After selecting the object and defining the limit state function, reliability indexes of existing reinforced concrete members were derived using Advanced First-Order Second Moment by Rackwitz-Fiessler. Chapter 6 : Described conclusion of this study. In this study, the safety evaluation of the RC members which operate as a bending, Compression, bending-compression member was performed using calculation of the reliability index according to the load ratio, steel ratio, and span. Conclusion from the analytical study are summarized as below : 1) As a result of the reliability analysis of reinforced concrete members using the Advanced First-Order Second Moment by Rackwitz-Fiessler, reliability index of the bending members(ρ=0.86%) with the load ratio 1.0 was 4.94. Also, the reliability index of compression member and bending- compression member(ρ=1.7%) were 6.60 and 6.56 respectively. It show that the values are greater than the target reliability index(β=3.0)of RC member. Therefore, the reliability of members are appropriately measured. 2) By the deterioration effect caused by the corrosion, the reliability index of the bending members(ρ=0.86%) with the load ratio 1.0 decreased between 4.95 and 3.34. Also, the reliability index of compression member and bendingcompression member(ρ=1.7%) decreased between 6.54 and 5.71, 6.49 and 5.57 respectively. Therefore, The bending member is weaker than the compression member in the corrosion. 3) In the deterioration, the bending member with the load ratio 1.5 was decreased below target reliability index after 14th since the completion. Therefore, the examination of bending member is necessary for maintenance. the performance degradation function of member is predictable structural efficiency during the period of life. 4) In the results of analysis considered a deterioration effect , the initial corrosive occurrence time of the bending member was calculated 7 years. but deterioration process is generally different in stress condition of the RC Members. Consequently, the prediction of corrosive occurrence time cause by chloride diffusion is necessary.; The reinforced concrete structure is great in workability and economical efficiency as well as durability and is generally used for important structure. In our country, it is also currently the most widely used for infrastructures and important structures. But, it is reported that the deterioration is advanced over time caused by the sulfate attack, the alkali-silica reaction, the freeze-thaw cycle attack, and the carbonation etc. Therefore, a safety evaluation method which is appropriate for the deterioration of the structures is necessary. For the safety evaluation of the structures became superannuated, the load conditions applied to the structure were considered after calculating the accurate strength and resistance of structures. The limit state function using the random variable reflecting the statistical characteristics was defined considering background surveys , and the reliability analysis of RC members designed standard but also the performance degradation by the elapse of time were evaluated. This study consist of 6 chapters as follows