■ 정량적 내구성 평가
콘크리트 구조물은 다양한 노출환경에서 다양한 열화작용에 의해 내구성의 저하를 보인다. 이러한 내구성 저하의
원인은 탄산화, 염해, 동결융해 등으로 밝혀지고
있다. 정량적 내구성
설계는 노출환경에 따른 내구성 문제를 열화작용으로 국한하고 구조물의 열화정도를 정량적으로 표현한 환경지수와 구조물의 내구저항능력을 정량적으로 표현한
내구지수의 상관관계를 이용하여 내구성능 평가 방법이다. 철근콘크리트 구조물에 필요한 각종 성능이 계획사용기간 내에 구조물의 입지환경
하에서 적절한 안전율을 가지고 요구수준 이상의 상태로 유지될 수 있도록 사용재료(시멘트, 혼화재료, 골재, 철근 등) 및 콘크리트의 배합, 부재 구성요소의 치수․형상․배치(피복두께, 철근직경, 배근상세, 단면 등)를 각종 규준과 경제성을 고려하여 적절히 선정․설계하는 내구성 설계방식이다.
■ 염화이온 침투해석
염해란 비래염분이나 해수 또는 해수의 영향이 있는 지하수의 직접적인 접촉 등으로 인하여 염화물이 콘크리트
내부로 침투ㆍ확산하여 철근을 보호하는
부동태 피막(Passive
Film)을 파괴하고 이에 따라 철근이 부식함으로써 콘크리트 구조물이 손상을 입는 현상을 의미한다. 해안에 노출되어 있는 콘크리트 구조물로서
염해 환경에 노출되어 내구성에 대한 관심이 증가하고 있으며 특히 교량과 같이 장기간의 내구수명을 요구하고 국가적 중요성을 지닌 구조물에 대해서는
구조적 안전성은 물론이고 내구적 안전성이 확보되어 목표 내구수명에 이르기까지 소요 성능을 확보하여야 한다.
이와 관련한 염해 방지 대책과 내구성 확보 방안은 시공 단계에서만 설정되는 것이 아니고 재료, 설계, 시공, 유지관리에 이르는 모든
단계에서 고려되어야 하며 구조물의 목표 내구수명 설정과 연계되어야 한다. 따라서 노출 환경, 부재의 중요도에 따라 구조물의 목표 내구수명이 설정되어야 하며 이에 따른 내구성
등급과 내구성 확보 방안이 고려되어야 한다.
본 과업에서는 미국 콘크리트학회 수명 평가 위원회(ACI Committee 365)에서 개발한
Life-365 프로그램을
이용하여 콘크리트 교량 부재 내의 염소이온 침투 해석을 수행하였다. Life-365는 2001년에 염소이온 침투에 의한 철근 부식 발생에 따른 내구수명 평가를 위하여 개발되었으며, 현재까지 여러 프로젝트에
사용된 바 있다.
■ 탄산화 해석
콘크리트 속에 묻혀있는 철근이나 PC 강재는 콘크리트의 알칼리성에
의해 부식환경으로부터 보호되고 있으나 시간의 경과에 따라 콘크리트의 알칼리 성분이 대기 중 CO2에
의해 탄산화가 진행되어 콘크리트의 알칼리성이 낮아지게 된다. 이와 같이 알칼리성이 저하된 콘크리트는
녹을 발생시켜 강재의 부식, 강재의 부착강도 저하, 강재단면적
감소로 인한 저항모멘트 저하, 피복 콘크리트의 균열 박리 등을 발생시키게 된다. 대상 구조물의 주위에는 대기 중의 CO2가 많이 포함될 가능성이
있으므로 이에 대한 검토가 필요하다. 본 과업에서는 전 피복두께가 탄산화되는 기간을 산정하고, 내구수명에 대한 탄산화 깊이를 추정함으로써 탄산화에 대한 내구성을 검토하였다.
■ MASS 콘크리트의 수화열 해석
매스콘크리트에서는 온도상승 시 단면내의 온도차에 의해 발생하는 내부구속응력이 주로 문제가 되지만, 최대 온도에 도달한 후 온도강하 시에는 외부 구속과 내부 구속에 의한 두 가지의 응력이 겹쳐진 복합응력이 문제가
되며, 각각의 성분의 대소에 따라 온도균열의 발생 시기 및 발생양상도 달라진다. 또한 콘크리트의 온도균열은 상대적으로 부재치수가 큰 구조물에서 발생하지만 외부구속이 강한 벽체구조물의 경우
단면 폭이 비교적 크지 않더라도 큰 구속도로 인하여 균열 가능성이 매우 크다. 따라서 각 학회나 협회에서 제시한 규정에 의하면 토목구조물의 경우 1m이상, 건축구조물의 경우 0.8m이상일 때 온도균열 대책이 필요한 매스콘크리트로
정의하고 있으며, 특히 외부구속도가 큰 벽체구조물의 경우는 0.5m이상인
구조물을 매스콘크리트의 범주에 포함하는 것이 바람직한 것으로 보고하고 있다.
온도균열에는 구조물의 내력에도 영향을 미쳐 반드시 대책수립이 요구되는 균열도 있는 반면에 비록 균열이 발생했다
하더라도 무시할 수 있는 균열이 있다 또한, 구조물의 종류와 크기에 따라서는 1회의 타설 높이를 결정하는데 있어서 낮게 타설하는 것이 균열제어에 효과적인 경우가 있는 반면에 타설 높이를
높게 하는 것이 효율적인 경우도 있다. 다시 말해서 온도균열의 제어대책을 적절히 수립하기 위해서는 온도균열의
발생원인 및 영향인자들의 영향도에 대해 충분히 인식한 후에 설계 및 시공 상황에 따라 적절한 대책을 수립할 필요가 있다.
■ 신축이음 간격 검토
지하차도 구조물과 같이 종방향으로 긴 구조물에 대해서는 외부 온도 변화에 따른 구조체의 온도 변화에 의해
콘크리트 구조물에 응력이 발생하게 되므로, 이를 고려하여 대상 구조물의 신축이음 간격을 결정하여야 한다. 이러한 온도 변화에 의한 균열 문제를 해결하기 위해 콘크리트 구조물의 온도 변화 및 분포와 응력의 분포를 계산하여
균열을 적절히 제어하고, 적절한 신축이음 간격을 결정하는 목적으로 대상 구조물의 온도 및 응력해석을
수행한다.
외기 온도의
변화에 의한 온도 균열을 제어하는 대책으로는 크게 설계상의 방안과 시공상의 방안인 2가지로 나눌 수
있다. 설계상의 방안은 구조물의 형식, 부재 단면, 각종 이음의 위치 및 구조, 온도 철근의 배근, 콘크리트의 설계 기준 강도 등의 제어를 의미한며, 시공상의 방안으로는
대상 구조물의 신축 이음 간격을 조정함으로써 대상 콘크리트 구조물에 발생하는 응력을 낮추는 방법을 들 수 있다.
■ 교량의 내풍 안전성 검토
본 검토는 도로교 설계기준에서 제시하는 항력계수와 CFD를 통한
상세해석으로 구한 항력계수를 상호비교하고, 교량의 안전한 설계를 위해 보다 보수성을 갖는 값을 설계에
적용하고자 하는데 그 목적이 있다.
일반적으로 사장교나 현수교 등의 특수교량이 아닌 일반 중소지간 교량에 대해서는 풍동실험이나 CFD 등의 특별한 내풍설계 과정을 거치지 않고, 설계기준에 따라
교축직각방향에 대한 풍하중을 산정하고 구조물에 재하하여 정적내풍설계를 실시한다. 그러나, 검토대상 교량의 경우, 아치형태의 특수한 구조형식을 취하고 있고, 보강형 외에도 바람의 방향에 따라 아치리브가 풍상측 및 풍하측에 위치하게 되므로, 실제로 얼마나 큰 항력계수를 갖는지 확일 할 필요가 있다고 판단된다.
■ 주행차량으로 인한 진동 영향평가
○ 동적 거동을 고려한 충격계수 산정
일반적으로 교량설계시 이동차량하중에 의한 동적 효과는 충격계수를 이용하여 정적인 방법으로 고려된다. 현재 도로교 설계기준의 충격계수는 피로한계상태를 제외한 모든 한계상태에서 동일하게 결정된다. 그러나 실제 교량은 교량과 차량의 동적특성, 노면의 기하학적 특성(노면의 불규칙성, 단차, 캠버
등), 차량의 주행조건(등속도, 가속도, 제동) 등에
의해 매우 복잡한 거동을 하게 된다. 이러한 효과들은 교량의 동적응답을 증가시킬 수 있다. 이동집중하중(Constant Force)에 의한 시간이력해석을 수행하여, 충격계수를 산정하고 교량의
사용성 및 안전성을 검토한다
○ 인체 감성을 고려한 Comfort Analysis
우리 주위에 존재하는 진동은 그 크기 및 형태에 따라 인체에 심각한 피해를 줄 수 있다. 인체에 전달되는 진동은 크게 인체를 지지하는 표면으로부터 진동(예: 차량 탑승, 공장/건설현장
부근 등에 의해 유발되는 전신 진동), 인체의 일부분에 작용하는 국소 진동(예: 손잡이 있는 공구의 진동 등에 의해 유발되는 국부 진동 white finger 증후군을 유발하기도 함), 인체 주위의 매체
진동(예: 사람이 진동 중인 공기나 수중에 있을 경우 저차
진동수 성분에 의한 진동의 영향을 받음)으로 구분할 수 있다.
또한, 진동에 의해 인체가 감지하는 감각특성은 크게 진동의 강도, 진동수 성분, 인체에 가해지는 부위와 전달 방향, 진동에 노출되는 지속시간 또는 폭로시간의 네 가지 인자에 의해 좌우된다.
교량 구조물의 진동사용성 평가를 위해 사용되어 온 것은 ISO 특성곡선(ISO 2631, 1997), Postlethwaite(1944)에 의한 제안식, Riehr-Meister의 진동감각곡선 등이 있다. 더욱이 교량의
진동사용성 평가를 위해 ISO 기준과 Reiher-Meister 진동감각곡선에
의한 평가기준을 각각 적용하여 그 결과를 비교 분석한 연구에 의하면 Reiher-Meister의 평가기준이
다른 기준의 평가범위를 포함하고 있기 때문에 더 일반적인 것으로 알려져 있다.