KR102479756B1 - Predictive method of steel corrosion of reinforced concrete structures exposed to high pressure immersion environment - Google Patents
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Abstract
본 발명은 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 미래 심해에 설치될 구조물의 건전성 및 내구성 평가 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 심해의 주요 특성인 고수압으로 인한 철근 부식 인자의 침투를 고려한 유한요소 기반의 철근 부식 경향을 예측하는 방법에 관한 것이다.
본 발명의 실시 형태에 따른 고압의 침지 환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 방법은, 철근 콘크리트 구조물의 모델링을 결정하고, 유한 요소 해석을 위한 격자를 형성하는, 모델링 및 격자 형성 단계; 모델링된 상기 철근 콘크리트 구조물에 철근의 부식에 영향을 미치는 부식 인자 별로 침투 방정식을 적용하여 유한 요소 방식의 수치 해석을 수행함으로서 고압의 침지 환경에서 상기 부식 인자의 콘크리트 침투로 인한 침투 경향을 분석하는, 부식 인자의 침투 경향 분석 단계; 및 분석된 상기 침투 경향을 기초로 상기 철근의 부식 정도를 유한 요소 방식의 수치 해석을 통해 파악하고, 상기 철근의 부식으로 인한 녹 생성량을 산정하는, 부식률 및 녹 생성량 산정 단계;를 포함한다.The present invention relates to a method for predicting corrosion of reinforcing bars of a reinforced concrete structure, and more particularly, to a method for evaluating the soundness and durability of a structure to be installed in the deep sea in the future, and more particularly, to a corrosion factor of reinforcing bars due to high water pressure, which is a major characteristic of deep sea. It is about a method for predicting the corrosion tendency of reinforcing bars based on finite elements considering the penetration of
A method for predicting reinforcement corrosion of a reinforced concrete structure exposed to a high-pressure immersion environment according to an embodiment of the present invention includes a modeling and lattice forming step of determining modeling of a reinforced concrete structure and forming a lattice for finite element analysis; By applying the penetration equation for each corrosion factor affecting the corrosion of the reinforced concrete structure to the modeled reinforced concrete structure and performing numerical analysis of the finite element method, the penetration tendency due to the penetration of the corrosion factor into concrete in a high-pressure immersion environment. Analyze, Penetration trend analysis step of corrosion factors; and a corrosion rate and rust generation amount calculation step of determining the degree of corrosion of the reinforcing bar through finite element numerical analysis based on the analyzed penetration tendency and calculating the amount of rust generated due to the corrosion of the reinforcing bar.
Description
본 발명은 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 방법에 관한 것으로서, 상세하게는 미래 심해에 설치될 구조물의 건전성 및 내구성 평가 방법에 관한 것으로서, 좀더 상세하게는 심해의 주요 특성인 고수압으로 인한 철근 부식 인자의 침투를 고려한 유한요소 기반의 철근 부식 경향을 예측하는 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a method for predicting corrosion of reinforcing bars of a reinforced concrete structure, and more particularly, to a method for evaluating the soundness and durability of a structure to be installed in the deep sea in the future, and more particularly, to a corrosion factor of reinforcing bars due to high water pressure, which is a major characteristic of deep sea. It is about a method for predicting the corrosion tendency of reinforcing bars based on finite elements considering the penetration of
미래 해저 공간에 설치된 구조물의 현실화를 위해서는 구조 설계기술, 시공 기술, 에너지 공급 기술, 이동 기술, 안전 유지 관리 기술과 같은 다양한 요소가 고려되어야 한다. 그 중에서 안전 유지 관리는 극한 환경에서 사용자의 안전성을 보장하는 차원에서 중요하다.Various factors such as structural design technology, construction technology, energy supply technology, mobility technology, and safety maintenance technology should be considered for the realization of structures installed in the future subsea space. Among them, safety maintenance management is important in terms of ensuring the safety of users in extreme environments.
해양 환경에 노출된 구조물의 안전유지 관리 중 가장 중요하게 다루어지는 분야 중 하나는 철근 콘크리트 구조물에 매립된 철근의 부식이다. 해양 환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물은 염화물, 산소, 물 등의 부식 인자 침투로 인해 철근 부식이 발생한다. 콘크리트 내부의 철근에서 부식이 발생되면 원래 부피의 2배에서 4배 정도에 해당하는 녹을 형성하게 된다. 이로 인한 철근 팽창압의 영향을 받아 콘크리트에서 균열, 박리 현상이 일어나고 구조적인 문제를 일으키게 된다.One of the most important areas of safety maintenance of structures exposed to the marine environment is the corrosion of rebars embedded in reinforced concrete structures. Reinforced concrete structures exposed to the marine environment experience corrosion of steel bars due to penetration of corrosion factors such as chloride, oxygen, and water. When corrosion occurs in the reinforcing bars inside the concrete, rust corresponding to two to four times the original volume is formed. Under the influence of the rebar expansion pressure, cracks and peeling phenomena occur in concrete, causing structural problems.
콘크리트 구조물의 철근 부식 모델 개발과 관련한 종래의 발명은 대기 중의 이산화탄소로 인한 탄산화로 인해 발생하는 철근 부식 또는 건습 환경이 반복되는 간만대 또는 조산대에서 염화물 침투로 인해 발생하는 철근 부식에 초점을 맞추어 진행되었다.Conventional inventions related to the development of corrosion models for reinforcing bars in concrete structures have focused on corrosion of reinforcing bars caused by carbonation due to carbon dioxide in the atmosphere or corrosion of reinforcing bars caused by chloride penetration in tidal zones or orogenic zones where wet and dry environments are repeated. .
특허문헌 1에 개시된 발명은 이산화탄소로 침투로 인해 발생하는 콘크리트 중성화에 따른 철근 부식을 BIM 기법을 활용하여 예측하였다. 특허문헌 1의 목적은 건축물을 BIM 모델로 모델링하여 다양한 조건들을 대입하여 건축물의 균열 및 부식에 대한 대응책을 마련할 수 있는 모델링을 활용한 건축물의 부식 예측 방법을 제공하는 것이다.In the invention disclosed in
특허문헌 2에 개시된 발명은 배합 요소 정보, 균열 정보 및 기후변화 정보를 고려하여 부식으로 인한 철근 콘크리트의 유효 수명 예측 모델에 관한 것이다. 특허문헌 2는 몬테카를로(monte carlo) 방식의 수학식을 기반으로 제안되었다. The invention disclosed in
특허문헌 3에 개시된 발명은 교량 구조물을 대상으로 염소 이온의 침투와 교량을 통과하는 차량의 반복 하중으로 인해 발생하는 균열과 결함을 동시에 고려하여 철근 부식 모델을 제안하였다. 특허문헌 3에 공개된 부식 및 피로 결합 작용 하의 철근 콘크리트 교량 수명 예측 방법은, 철근 콘크리트 교량의 수명을 부식 시작 - 순 피로 크랙 발전 단계와 부식 구멍과 피로 크랙 경쟁 발전 단계 및 구조 파괴 단계 등 3개 단계로 구분한다.The invention disclosed in
특허문헌 4에 개시된 발명은 해양 구조물의 부식에 의한 수명을 온라인 상에서 예측하는 전문가 시스템 구성에 관련된 것이다. 해양 구조물 설계 과정에서 필요한 내구성 설계의 경우 염화물에 의한 부식이 우선시 고려되는데, 특허문헌 4의 시스템을 이용하여 구조물을 구성하는 최적의 재료나 피복 두께를 산정함으로써 사용수명을 높이는 효과가 있다. 특허문헌 4는 철근 부식의 주요 인자의 염화물의 확산을 기반으로 한 침투 모델을 활용하였다.The invention disclosed in
비특허문헌 1은 콘크리트의 조성과 주위환경에 따른 이산화탄소의 확산계수와 콘크리트의 탄산화 저항성에 대한 연구를 진행한바 있으며; 비특허문헌 2는 균열이 발생한 철근콘크리트와 균열이 없는 철근콘크리트의 탄산화 깊이에 대한 시뮬레이션 연구를 수행한 바 있다.위 사례와 같이 현재까지 철근 부식을 조기에 예측하는 모델은 다수 제안되었다. 하지만 대부분은 부식 인자인 이산화탄소와 염화물의 농도 차로 인해 발생하는 확산과 관련한 부분을 다루고 있어, 고압의 심해 환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식에 대한 연구는 미미한 실정이다. Non-Patent
비특허문헌 3은 고압 환경에서 콘크리트의 변형을 고려한 수분 확산과 관련한 계수 및 관련 수식 제안을 위해 실험 연구를 진행한 바 있다. 비특허문헌 4는 방청 재료 활용을 위해 고압의 환경에서 콘크리트의 투수성에 대한 연구를 실시한 바 있다. 비특허문헌 4는 기존에 제안되었던 고압의 환경에서 수분 침투 관련 이론을 실험 결과와 비교하여 검증하는 연구를 실시하였다. 그러나 위 연구들은 고압 환경에서의 콘크리트 투수에 대한 부분만 다루었을 뿐 철근 부식 매커니즘을 고려한 구체적인 연구는 수행하지 않았다.Non-Patent
이와 같이, 종래의 특허문헌들과 비특허문헌들을 참조하면, 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식과 관련하여 많은 선행연구가 이루어 졌으나, 해중 환경의 특성인 고압의 수압 환경을 고려한 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 인자 침투 및 부식 예측한 사례가 없다.As such, referring to conventional patent documents and non-patent documents, although many previous studies have been conducted in relation to corrosion of reinforcing bars in reinforced concrete structures, corrosion factors of reinforcing bars in reinforced concrete structures considering the high-pressure water pressure environment, which is a characteristic of the underwater environment There are no predicted cases of penetration and corrosion.
이러한 점을 고려하였을 때 앞서 설명한 미래 해저 공간의 중요성을 고려하여 고압의 심해 환경에 노출된 철근 콘크리트의 철근 부식에 대한 연구가 필요하다. Considering these points, it is necessary to study the corrosion of reinforced concrete exposed to the high-pressure deep-sea environment in consideration of the importance of the future seabed space described above.
본 발명의 해결하고자 하는 과제는, 고압의 침지환경에서 부식 인자의 콘크리트 침투 경향을 반영한 수학적 모델식을 활용한 유한요소 기반 철근 부식 예측 모델을 개발하여 심해 환경에 존재하는 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 경향 및/또는 시기를 예측할 수 있는 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 방법을 제공한다. 본 발명의 대상 환경인 고압의 침지 환경은 물속의 용존 산소가 적어 부식률이 낮을 것으로 판단되나 구조물의 장기 수명을 예측하는 측면에서 본 발명은 의의가 있다.The problem to be solved by the present invention is to develop a finite element-based rebar corrosion prediction model using a mathematical model that reflects the penetration tendency of corrosion factors in concrete in a high-pressure immersion environment, and the rebar corrosion tendency of reinforced concrete structures existing in a deep sea environment. And / or a method for predicting steel corrosion of reinforced concrete structures capable of predicting the timing is provided. Although the high-pressure immersion environment, which is the target environment of the present invention, is judged to have a low corrosion rate due to low dissolved oxygen in water, the present invention is significant in terms of predicting the long-term life of a structure.
본 발명의 실시 형태에 따른 고압의 침지 환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 방법은, 철근 콘크리트 구조물의 모델링을 결정하고, 유한 요소 해석을 위한 격자를 형성하는, 모델링 및 격자 형성 단계; 모델링된 상기 철근 콘크리트 구조물에 철근의 부식에 영향을 미치는 부식 인자 별로 침투 방정식을 적용하여 유한 요소 방식의 수치 해석을 수행함으로서 고압의 침지 환경에서 상기 부식 인자의 콘크리트 침투로 인한 침투 경향을 분석하는, 부식 인자의 침투 경향 분석 단계; 및 분석된 상기 침투 경향을 기초로 상기 철근의 부식 정도를 유한 요소 방식의 수치 해석을 통해 파악하고, 상기 철근의 부식으로 인한 녹 생성량을 산정하는, 부식률 및 녹 생성량 산정 단계;를 포함한다.A method for predicting reinforcement corrosion of a reinforced concrete structure exposed to a high-pressure immersion environment according to an embodiment of the present invention includes a modeling and lattice forming step of determining modeling of a reinforced concrete structure and forming a lattice for finite element analysis; By applying the penetration equation for each corrosion factor affecting the corrosion of the reinforced concrete structure to the modeled reinforced concrete structure and performing numerical analysis of the finite element method, the penetration tendency due to the penetration of the corrosion factor into concrete in a high-pressure immersion environment. Analyze, Penetration trend analysis step of corrosion factors; and a corrosion rate and rust generation amount calculation step of determining the degree of corrosion of the reinforcing bar through finite element numerical analysis based on the analyzed penetration tendency and calculating the amount of rust generated due to the corrosion of the reinforcing bar.
본 발명의 실시 형태에 따른 고압의 침지 환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 방법을 사용하면, 미래 심해 환경에 건설될 철근 콘크리트 구조물 건전성에 결정적인 영향을 미치는 철근 부식의 경향과 시기를 조기에 예측할 수 있는 이점이 있다. Using the reinforcement corrosion prediction method of a reinforced concrete structure exposed to a high-pressure immersion environment according to an embodiment of the present invention, the tendency and timing of reinforcement corrosion, which has a decisive effect on the integrity of a reinforced concrete structure to be built in a future deep-sea environment, can be detected at an early stage. There are predictable benefits.
또한, 향후 건설될 해중 구조물의 설계 및 안전 유지 관리를 위한 기초 원천 기술로서 활용될 수 있는 이점이 있다.In addition, there is an advantage that it can be used as a basic source technology for the design and safety maintenance of offshore structures to be built in the future.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 고압의 침지 환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 방법의 순서도이다.
도 2는 도 1에 도시된 100 단계를 구체화한 순서도이다.
도 3은 도 1에 도시된 300 단계를 구체화한 순서도이다.
도 4는 수압 1.5MPa 환경에서 시간에 따른 수분의 침투 깊이에 대한 해석 결과를 보여주는 그래프이다.
도 5는 철근 부식률과 녹 생성량을 분석하는 과정을 개략적으로 도시한 도면이다.
도 6은 공극 속 포화도에 따른 콘크리트 전기저항을 보여주는 그래프이다.
도 7은 공극 속 염화물 농도에 따른 콘크리트 전기저항을 보여주는 그래프이다.
도 8은 온도에 따른 콘크리트 전기저항을 보여주는 그래프이다.
도 9는 치환법을 활용한 부식 전위 분포 및 부식 전류 수치 해석 절차를 설명하기 위한 순서도이다.
도 10은 수압 1.5MPa 환경에서 시간에 따른 철근 부식 밀도 해석 결과를 예시적으로 보여주는 그래프이다.1 is a flowchart of a method for predicting corrosion of a reinforced concrete structure exposed to a high-pressure immersion environment according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a
FIG. 3 is a
Figure 4 is a graph showing the analysis results for the penetration depth of water over time in a water pressure 1.5MPa environment.
5 is a diagram schematically illustrating a process of analyzing a corrosion rate of reinforcing bars and an amount of rust generation.
6 is a graph showing the electrical resistance of concrete according to the degree of saturation in the pores.
7 is a graph showing the electrical resistance of concrete according to the chloride concentration in the pores.
8 is a graph showing the electrical resistance of concrete according to temperature.
9 is a flowchart illustrating a procedure for analyzing corrosion potential distribution and corrosion current values using the substitution method.
10 is a graph showing the results of analysis of corrosion density of reinforcing bars over time in a water pressure of 1.5 MPa environment by way of example.
이하 첨부한 도면들을 참조하여 본 발명의 실시 예들을 보다 상세하게 설명한다. 본 발명의 구성요소 중 종래기술에 의하여 통상의 기술자가 명확하게 파악할 수 있고 용이하게 재현할 수 있는 것에 관하여는 본 발명의 요지를 흐리지 않기 위하여 그 구체적인 설명을 생략하도록 한다. 본 발명의 고압의 침지 환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 방법은 고압의 정수압 침지 환경에서 철근의 부식 경향을 파악하기 위한 해석 방법으로서 유한 요소 기법을 기반으로 한다. 본 발명의 과제를 해결하기 위해, 본 발명의 고압의 침지 환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 방법은 다음과 같은 해결 수단을 제시할 수 있다.Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in more detail with reference to the accompanying drawings. Among the components of the present invention, specific descriptions of those that can be clearly understood and easily reproduced by those skilled in the art according to the prior art will be omitted in order not to obscure the gist of the present invention. The method for predicting corrosion of reinforced concrete structures exposed to a high-pressure immersion environment according to the present invention is based on a finite element technique as an analysis method for determining the corrosion tendency of steel bars in a high-pressure hydrostatic immersion environment. In order to solve the problem of the present invention, the method for predicting corrosion of reinforced concrete structures exposed to a high-pressure immersion environment of the present invention may suggest the following solutions.
(1) 고압의 영향을 고려한 부식 인자의 침투를 파악하기 위해 본 발명은 수분의 침투 과정에서 물과 콘크리트가 압력에 의해 물리적 탄성 변형을 일으키는 점을 다르시의 법칙에 추가하여 얻을 수 있는 '침투 확산류 방정식'을 적용한다. 본 해결 수단을 활용하면 고압의 환경에서 시간에 따라 부식 인자가 콘크리트 속으로 얼마나 침투하는지 파악할 수 있다.(1) In order to understand the permeation of corrosion factors considering the effect of high pressure, the present invention provides 'permeation diffusion' obtained by adding the fact that water and concrete cause physical elastic deformation by pressure during the permeation process of moisture to Darcy's law. Apply the 'Ryu Equation'. Using this solution, it is possible to determine how much the corrosion factor penetrates into the concrete over time in a high-pressure environment.
(2) 부식 인자 침투로 인한 부식 인자의 콘크리트 분포 그리고 이에 따른 철근의 부식률 산정과 관련된 함수는 모두 시간 함수로서 유한요소 기반 수치 해석을 통해 시간에 따른 부식 인자 침투 경향 및 부식률을 산정한다. 유한 요소 기반 함수는 관련 지배 방정식과 특정 경계 조건을 통해 전체 부식 인자 분포 및 부식률를 근사한다.(2) The concrete distribution of the corrosion factor due to the penetration of the corrosion factor and the corresponding function related to the calculation of the corrosion rate of the reinforcing bar are all time functions, and the penetrating tendency and corrosion rate according to time are calculated through finite element-based numerical analysis. The finite element based function approximates the overall corrosion factor distribution and corrosion rate through the relevant governing equations and specific boundary conditions.
이하, 첨부된 도면들을 참조하여, 본 발명의 실시 형태에 따른 고압의 침지 환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 방법을 상세히 설명한다.Hereinafter, a method for predicting reinforcement corrosion of a reinforced concrete structure exposed to a high-pressure immersion environment according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 고압의 침지 환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 방법의 순서도이다.1 is a flowchart of a method for predicting corrosion of a reinforced concrete structure exposed to a high-pressure immersion environment according to an embodiment of the present invention.
도 1을 참조하면, 본 발명의 실시 형태에 따른 고압의 침지 환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 방법은, 철근 콘크리트 구조물의 모델링 및 격자 형성 단계(100), 유한 요소 수치 해석을 통한 부식 인자의 침투 경향 분석 단계(300); 및 유한 요소 수치 해석을 통한 철근의 부식률 및 녹 생성량 산정 단계(500);를 포함한다.Referring to FIG. 1, a method for predicting reinforcement corrosion of a reinforced concrete structure exposed to a high-pressure immersion environment according to an embodiment of the present invention includes modeling and lattice formation of the reinforced concrete structure (100), and corrosion through finite element numerical analysis. Factor penetration tendency analysis step (300); and calculating the corrosion rate and rust generation amount of the reinforcing bar through finite element numerical analysis (500).
철근 콘크리트 구조물의 모델링 및 격자 형성 단계(100)는, 3차원 형태의 유한 요소 해석을 위한 대상 철근 콘크리트 구조물의 모델링 및 격자 형성(mesh generation) 단계이다. 철근 부식 인자 침투 및 부식 현상의 결과 값을 근사적으로 구하기 위하여 대상이 되는 철근 콘크리트 구조물의 형태와 크기를 모델링하여 결정하고, 유한개의 작은 요소들로 나누어 각 요소들의 물리적 특성을 결정하는 단계이다. The
유한 요소 수치 해석을 통한 부식 인자 침투 경향 분석 단계(300)는, 상기 100 단계에서 설정한 대상 철근 콘크리트 구조물에 철근 부식에 영향을 미치는 부식 인자의 침투 방정식을 적용하여 유한 요소 방식의 수치 해석을 실시하는 단계로서, 고압의 환경에서 부식 인자의 콘크리트 침투로 인한 분포를 산정한다. 예를 들어, 시간에 따른 수분, 염화물, 산소의 침투 깊이와 이로 인해 공극 속에 존재하는 부식 인자의 농도를 파악하고 어느 시점에 철근 부식이 발생할지를 분석한다.Corrosion factor penetration
유한 요소 수치 해석을 통한 부식률 및 녹 생성량 산정 단계(500)는, 상기 300 단계에서 실시한 부식 인자의 침투 결과를 기초로 철근의 부식 정도를 유한 요소 수치 해석을 통해 파악하고 부식으로 인한 녹 생성량을 최종적으로 산정하는 단계이다. 부식 인자의 침투와 철근 부식과 관련한 지배 방정식과 경계조건을 수학적인 표현으로 모델링하고 보간 함수의 조합으로 표현된 기저 함수의 크기를 계산하여 근사해를 연산한다. 연산된 근사해를 통해 철근 부식률 및 이로 인한 녹 생성량까지 파악이 가능하다. In step 500 of calculating the corrosion rate and rust generation amount through finite element numerical analysis, based on the penetration result of the corrosion factor performed in
상기 각 단계들(100, 300, 500)은 고압의 침지 환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 장치에서 수행될 수 있다. 여기서, 상기 고압의 침지 환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 장치는 상기 각 단계들(100, 300, 500)이 수행되는 구성들을 포함할 수 있는데, 예를 들어 상기 100 단계를 수행하는 모델링 및 격자 형성부, 상기 300 단계를 수행하는 침투 경향 분석부, 및 상기 500 단계를 수행하는 부식률 및 녹 생성량 산정부를 포함할 수 있다. Each of the
또한, 상기 각 단계들(100, 300, 500)은 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체로 구현될 수도 있다. 이러한 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 상기 100 단계, 300 단계 및 500 단계를 실행시키기 위한 프로그램을 기록한 것일 수 있다. 여기서, 컴퓨터로 읽을 수 있는 기록매체는 하드 디스크들, 플로피 디스크들, 자기 기록매체들, 광 기록매체들을 포함한다. In addition, each of the
이하, 도 1에 도시된 각 단계들(100, 300, 500)을 도면을 참조하여 좀 더 상세하게 설명한다.Hereinafter, each of the
도 2는 도 1에 도시된 100 단계를 구체화한 순서도이다. FIG. 2 is a
도 2를 참조하면, 도 1의 철근 콘크리트 구조물의 모델링 및 격자 형성 단계(100)는 대상 철근 콘트리트 구조물의 파라미터 및 재료 정보 입력 단계(110); 및 요소 및 노드 정보 형성 단계(130)를 포함한다.Referring to FIG. 2, the modeling and
철근 콘크리트 구조물의 모델링 및 격자 형성 단계(100)는 철근 부식을 고려하기 위한 대상 철근 콘크리트 구조물의 크기와 형태를 모델링을 통해 결정하고, 유한 요소 해석을 위한 격자를 형성하는 단계이다. 상기 대상 철근 콘크리트 구조물의 모델링과 격자의 형성은 MIDAS CIVIL 프로그램을 사용하여 형성할 수 있으며, 형성된 철근 콘크리트 구조물의 모델링 및 격자 형성을 통해 각 요소와 상기 요소 별 절점의 좌표 값 정보를 구할 수 있다. 또한, 상기 대상 철근 콘크리트 구조물을 구성하는 콘크리트의 재료적 특성(물과 시멘트의 비율, 공극률, 실리카퓸/플라이애쉬/고로슬래그 대체율 등)을 입력할 수 있으며, 격자 형성의 경우에 다양한 형태의 격자를 형성할 수 있다. The step of modeling the reinforced concrete structure and forming the grid (100) is a step of determining the size and shape of the target reinforced concrete structure in consideration of corrosion of the reinforced concrete structure through modeling, and forming a grid for finite element analysis. Modeling of the target reinforced concrete structure and grid formation may be performed using the MIDAS CIVIL program, and coordinate value information of each element and the nodes of each element may be obtained through modeling and grid formation of the formed reinforced concrete structure. In addition, it is possible to enter the material properties of the concrete constituting the target reinforced concrete structure (ratio of water to cement, porosity, silica fume/fly ash/blast furnace slag replacement rate, etc.), and in the case of lattice formation, various types of lattice can form
본 발명의 실시 형태에서는 육면체 형태의 미소 요소로 구성된 격자로 대상 철근 콘크리트 구조물을 형성하였다.In the embodiment of the present invention, the target reinforced concrete structure is formed with a lattice composed of minute elements in the shape of a hexahedron.
도 3은 도 1에 도시된 300 단계를 구체화한 순서도이다.FIG. 3 is a
일반적으로 철근 부식에 의한 콘크리트 열화 과정은 두 가지 단계로 나누어 생각할 수 있다. 첫번째 단계는 초기 단계로 부식 인자의 침투로 철근 부식이 시작되는 시기이며, 두번째 단계는 철근 부식이 시작된 후 철근 콘크리트 구조물이 균열되고 접합부의 성능이 저하되는 단계이다. 도 1에 도시된 300 단계는 상술한 첫번째 단계를 중점적으로 고려하여 실시되었다. In general, the concrete deterioration process by corrosion of reinforcing bars can be considered in two stages. The first stage is the initial stage, when reinforcement corrosion begins due to penetration of corrosive factors, and the second stage is the stage in which the reinforced concrete structure cracks and the performance of the joint deteriorates after the reinforcement corrosion begins. Step 300 shown in FIG. 1 was performed focusing on the first step described above.
도 3을 참조하면, 도 1에 도시된 300 단계는 철근 부식에 영향을 미치는 부식 인자의 침투 경향을 수치 해석을 통해 파악하는 단계이다. 좀 더 구체적으로는, 도 1에 도시된 300 단계는 관련 평형방정식을 반영하여 캘러킨 방식을 활용한 유한 요소 해석을 실시하여 고압의 침지 환경에서 철근 부식의 영향을 미치는 부식 인자(수분, 산소, 염화물)의 침투 경향을 분석한다. Referring to FIG. 3, step 300 shown in FIG. 1 is a step of figuring out the penetrating tendency of corrosion factors affecting corrosion of reinforcing bars through numerical analysis. More specifically, in
일반적으로 알려진 바와 같이, 상기 첫번째 단계의 시간을 결정하는 주요 요인은 철근에 도달하는 수분, 산소 및 염화물 이온의 침투와 이로 인해 변하는 철근 주변의 상태이다. 철근 주변 상태를 결정하는 기준은 일반적으로 기공 용액의 pH 값으로 파악한다. As is generally known, the main factor determining the time of the first step is the permeation of moisture, oxygen and chloride ions reaching the reinforcing bar and the resulting change in the surrounding conditions of the reinforcing bar. The criterion for determining the condition around the rebar is generally identified as the pH value of the pore solution.
도 3에 도시된 300 단계에서의 부식 인자(수분, 산소, 염화물) 별로 적용된 침투 방정식은 다음과 같다.The permeation equation applied for each corrosion factor (moisture, oxygen, chloride) in
Ⅰ. 철근 부식 인자 콘크리트 침투 방정식I. Reinforcement corrosion factor concrete penetration equation
(1) 수압을 받는 콘크리트의 수분 침투(1) Moisture penetration in concrete subjected to water pressure
압력이 작용하는 환경에서 콘크리트로 침투하는 수분 침투는, 압력의 정도에 따라 고려가 되어야 한다. 일반적으로, 콘크리트로 침투하는 수분의 경우, 저압과 고압의 차이에 따라 다르게 파악할 수 있다. 저압의 수압 환경의 경우, 다르시(Darcy)의 법칙을 통해 시간에 따른 침투 깊이를 파악할 수 있다. 반면에 고압의 경우, 압력으로 인해 발생하는 콘크리트와 내부 수분의 변형을 동시에 고려한 침투 확산류 해석을 통해 파악할 수 있다. Moisture penetration into concrete in a pressurized environment must be considered, depending on the degree of pressure. In general, in the case of moisture penetrating into concrete, it can be identified differently according to the difference between low pressure and high pressure. In the case of a low-pressure water pressure environment, Darcy's law can be used to determine the depth of penetration over time. On the other hand, in the case of high pressure, it can be identified through permeation and diffusion flow analysis that simultaneously considers the deformation of concrete and internal moisture caused by the pressure.
저압의 수압이 작용하는 경우(0.15Mpa, 1.5atm 이하), 다르시(Darcy)의 법칙을 적용한다. 콘크리트 표면에 수압이 작용하여 시간에 따른 침투 깊이를 파악한다. 침투 속도는 일정하다고 본다. 관련 식은 아래의 <수학식 1>과 같다.When low-pressure water pressure is applied (below 0.15Mpa, 1.5atm), Darcy's law is applied. The water pressure acts on the concrete surface to determine the penetration depth over time. The penetration rate is assumed to be constant. The related expression is as shown in
여기서, 는 콘크리트에 작용하는 수압이며, 은 수분의 평균 침투 깊이, 는 시간, 는 투수 계수, 는 대상 콘크리트의 특성으로 인해 결정되는 계수이다. 위 <수학식 1>에 의해, 시간에 따른 수분의 침투 깊이를 파악할 수 있으며, 이때 침투 깊이까지의 공극 속 용액의 포화도는 100%로 가정한다. 다만, 위 <수학식 1>은 0.15MPa 이하의 압력에 대해 적용 가능한 방식으로서, 수중 구조물이 설치되는 비교적 높은 압력이 작용하는 환경에서는 실질적인 적용이 어렵다.here, is the water pressure acting on the concrete, is the average depth of penetration of silver water, time, is the pitching coefficient, is a coefficient determined due to the characteristics of the target concrete. According to the above <
한편, 고압의 수압이 작용하는 경우(0.15MPa, 1.5atm 이상), 수분의 침투 과정에서 물과 콘크리트가 압력에 의해 물리적 탄성 변형을 일으키는 점을 다르시의 법칙에 추가하여 얻을 수 있는 침투 확산류 방정식을 적용한다. 단면이 인 콘크리트의 한면에 압력 를 가하고 나머지 면을 수밀하게 유지한 상태에서 수압을 가한 면에서 일정 간격 에서 미소 거리라 하였을 때, 를 경계로 존재하는 단면 a 및 b에 유입된 수량(Qa, Qb)은 다음의 <수학식 2> 및 <수학식 3>과 같다.On the other hand, when high-pressure water pressure is applied (over 0.15 MPa, 1.5 atm), the penetration diffusion equation obtained by adding the point that water and concrete cause physical elastic deformation by pressure during the water penetration process to Darcy's law apply cross section pressure on one side of the concrete is applied and the water pressure is applied at a certain interval while the rest of the surface is kept watertight. smile on the street When said The water flows (Q a , Q b ) flowing into cross sections a and b existing on the boundary of
여기서, 미소 거리 에 존재하는 유량()은 다음의 <수학식 4>와 같다.here, smile The flow rate present in ( ) is equal to the following <
유량)를 고려하여, a, b 사이의 압력 변화 는 아래의 <수학식 5>와 같다.flux ), the pressure change between a and b Is equal to the following <
여기서, 는 물과 콘크리트를 하나의 물질로 가정한 경우의 체적 탄성 계수이다. 는 아래의 <수학식 6>으로 표현이 가능하다.here, is the bulk modulus of elasticity when water and concrete are assumed to be one material. can be expressed by
여기서, 는 콘크리트의 체적 탄성 계수이며, 는 물의 체적 탄성 계수이다. 는 물 대비 콘크리트의 체적 비율이다.앞서 설명한 다르시의 법칙을 살펴보면, 아래의 <수학식 7>과 같은데,here, is the bulk modulus of elasticity of concrete, is the bulk modulus of elasticity of water. is the volume ratio of concrete to water. Looking at Darcy's law described above, it is the same as the following <Equation 7>,
상기 <수학식 7>을 <수학식 5>에 대입하면, 아래의 <수학식 8>이 도출된다When <Equation 7> is substituted into <
위 <수학식 8>은 일차원상에서의 압력에 관한 기초 방정식이며, 이를 침투 확산 방정식이라 한다. 일반적인 농도 차에 의한 확산 방정식과 경우와 유사한 형태의 미분 방정식이기 때문에, 을 콘크리트의 침투 확산 계수로 정한다. 위 <수학식 8>은 특정 초기 조건() 및 경계 조건(, )에서 아래의 <수학식 9>와 같이, 역 오차 함수 형태의 방정식으로 변환할 수 있다. The above <
위 <수학식 8>은 표면에 압력 를 가하였을 때, 일정 시간 가 지난 후 물의 침투 깊이를 라 하였을 때, 침투 깊이에서의 압력()를 해로 가지는 방정식이다. 콘크리트의 특성에 따라 시간 경과에 따른 침투되는 물의 깊이가 달라지며, 침투 지점에서의 압력 값()을 통해 침투 확산 계수()를 구할 수 있다.The above <
침투 지점에서의 압력 값()은 일반적으로 다르시의 법칙을 활용하는 저압 환경에서의 침투 방정식 적용이 가능한 최대 압력 값(을 실험을 통해 파악하고, 압력의 감소가 미미하여 압력 구배가 거의 일정 해지는 시점의 압력을 로 정하여 결정한다(). 저압 환경의 경우, 수분 침투량의 차이가 미미하기 때문에, 는 대상 콘크리트의 압력 별 수분 침투에 따른 물-공극 공간 비율(Water-to-pore space ratio)의 차이가 거의 없는 최대 압력 값을 실험을 통해 파악하여 결정한다. 와 를 구하면 를 구할 수 있으며, 시간에 따른 침투 깊이를 실험을 통해 파악하여 침투 확산 계수()를 구할 수 있다. 관련 선행연구에서는 공극 속에 침투한 물과 콘크리트 속 미세 입자의 용해로 인한 탄성 계수 값의 변화로 인해 이론 값과 미세한 차이가 있을 수 있다고 밝혔으며 이를 고려한 보정 값을 추가로 반영하여 침투 확산 계수를 아래의 <수학식 10>과 같이 최종적으로 제안하고 있다.The pressure value at the penetration point ( ) is the maximum pressure value that can be applied to the seepage equation in a low pressure environment using Darcy's law ( is identified through experimentation, and the pressure at the point where the pressure gradient becomes almost constant due to the insignificant decrease in pressure Determined by ( ). In the case of a low pressure environment, since the difference in water permeation is insignificant, The maximum pressure value with little difference in water-to-pore space ratio according to water penetration by pressure of the target concrete is determined through experimentation. Wow If you get can be obtained, and the permeation diffusion coefficient ( ) can be obtained. Related previous studies revealed that there may be slight differences from the theoretical value due to changes in the elastic modulus value due to the dissolution of water penetrating into the pores and fine particles in the concrete. As shown in
: 초기 침투 확산 계수, or : Initial penetration diffusion coefficient, or
: 초기 침투 확산 계수, : Initial penetration diffusion coefficient,
: 수분 침투 시간, : Moisture penetration time,
: 침투 시간에 따른 보정 계수(), or : Correction coefficient according to penetration time ( ), or
: 수압에 의한 계수( : Coefficient by water pressure (
본 이론을 적용한 선행연구의 경우, W/C 0.55%, 0.7%의 일반 콘크리트 시편을 대상으로 압력에 따른 Water-to-pore space ratio값을 파악하여, 를 0.15MPa으로 정하고 48시간을 기준으로 정하고, 수분의 침투 깊이를 파악하여 특정 압력 값에서의 를 파악하였다. 본 발명의 실시 형태에서 또한 측정 시간을 48시간으로 정하고 그에 따른 측정 깊이를 파악하여 침투 확산 계수를 파악한다. 아래의 <표 1>은 일 때 계수() 정보를 나타낸다.In the case of previous studies applying this theory, the water-to-pore space ratio value according to the pressure was identified for general concrete specimens with W/C 0.55% and 0.7%, is set at 0.15MPa and set on the basis of 48 hours, and the depth of penetration of moisture is determined at a specific pressure value figured out. In the embodiment of the present invention, the measurement time is also set to 48 hours, and the measurement depth is determined accordingly to determine the permeation diffusion coefficient. <Table 1> below When the coefficient ( ) indicates information.
(2) 수압을 받는 콘크리트의 염화물 침투(2) Chloride penetration of concrete subjected to hydraulic pressure
압력이 작용하는 환경에서 물에 용해된 염화물은 물과 함께 이동한다. 따라서 기본적으로 수압을 받는 상황에서의 콘크리트 염화물 침투는 수분 침투와 같다고 가정한다. 하지만 물이 침투하는 과정에서 공극면의 콘크리트와 수분에 용해된 일부 염화물의 물리적, 화학적 반응으로 인해 수분 속 염화물의 농도가 감소한다. 콘크리트와 결합한 염화 이온을 제외한 물 속의 자유 염화물이 실질적으로 철근 부식에 영향을 미친다. 콘크리트와 염화물의 결합력은 콘크리트 철근 부식에 중요한 영향을 미친다. 콘크리트와 염화물의 결합력은 주로 시멘트의 양과 유형에 따라 달라진다. 그 중에서 콘크리트 속에 있는 알루민산 삼칼슘(Tricalcium - aluminate, C3A)의 결합이 다른 성분의 결합보다 높아 상기 C3A를 주로 고려한다. 콘크리트와 염화물의 결합 정도는 등온 흡착식으로 표현하며, 결합 염화물과 자유 염화물의 농도의 관계로 표현한다. 본 발명의 실시 형태에서는 프로인드리히(Freundlich) 등온 흡착식을 활용하였다. Freundlich 등온 흡착식을 아래 <수학식 11>에 나타내었다.In a pressurized environment, chlorides dissolved in water migrate with the water. Therefore, it is basically assumed that chloride permeation in concrete under water pressure is equal to water permeation. However, in the process of water infiltration, the concentration of chloride in the moisture decreases due to physical and chemical reactions of some chloride dissolved in the concrete and moisture in the pore surface. Free chloride in water, except for chloride ions bound to concrete, has a substantial effect on steel corrosion. The bonding strength of concrete and chloride has a significant effect on the corrosion of concrete reinforcement. The bonding strength of concrete and chlorides depends mainly on the amount and type of cement. Among them, the bond of tricalcium-aluminate (C3A) in concrete is higher than that of other components, so the C3A is mainly considered. The degree of bonding between concrete and chloride is expressed by isothermal adsorption, and is expressed as the relationship between the concentrations of bound chloride and free chloride. In an embodiment of the present invention, a Freundlich isothermal adsorption method was utilized. The Freundlich isothermal adsorption equation is shown in Equation 11 below.
여기서, 상수 와 는 농도에 큰 영향을 받으며, 아래의 <수학식 12> 및 <수학식 13>과 같이 나타낸다.where constant Wow Is It is greatly influenced by the concentration, and is represented as in <
: 단위 시멘트 량, : Unit cement amount,
: 시멘트 속 Tricalcium - aluminate 구성비, : Composition ratio of Tricalcium - aluminate in cement,
위 <수학식 11>의 경우 물 속의 염화물 농도가 0.355 이상일 때 적용하는 것으로 정한다. 일부 연구에서 결합된 염화물이 콘크리트 탄산화로 인해 물 속으로 다시 방출된다는 연구 결과가 있으나, 침지 환경에서는 콘크리트 탄산화가 거의 않으므로 생략한다. 이러한 과정으로 결정된 물 속 염화물 농도를 통해 철근의 부식 환경을 파악할 수 있다. In the case of the above <Equation 11>, the chloride concentration in the water is 0.355 It is decided to apply when it is abnormal. Some studies have reported that the combined chloride is released back into the water due to concrete carbonation, but it is omitted because concrete carbonation is almost non-existent in the immersion environment. The corrosion environment of the rebar can be identified through the chloride concentration in the water determined by this process.
일반적으로 콘크리트 공극 속의 수분은 기포 수산화칼슘 용액과 약간의 수산화 나트륨과 수산화 칼륨을 함유한 용액으로서 존재하며, 이로 인해 철근 주변에 약 PH 12.5의 강알칼리 환경이 조성되어 있다. 알칼리성 환경에서는 철근 주변에 부동태 피막이 형성되어 있는데 염화물 이동은 부동태 피막에 흡착하여 피막을 국부적으로 파괴하여 철근 부식을 일으키는 원인이 된다. 알칼리성 환경 중에서 철근의 부동태 피막이 파괴되는지 여부는 의 농도 비가 중요하다. 일반적으로 염화물이 없는 콘크리트 속의 안전한 부동태가 달성된 pH 값은 11.5이상이다. 하지만 용액 속에 염화물이 존재하게 되면 철근 부식이 발생하는 한계 pH값이 결정되며 용액 속의 염화물 농도의 증가와 함께 증대된다. 한계 pH값과 염화물 농도의 관계는 아래의 <수학식 14>와 같다.In general, moisture in the pores of concrete exists as a solution containing a foamed calcium hydroxide solution and a small amount of sodium hydroxide and potassium hydroxide, which creates a strong alkaline environment of about PH 12.5 around the rebar. In an alkaline environment, a passivation film is formed around the reinforcing bar, and the migration of chlorides adsorbs on the passivation film and locally destroys the film, causing corrosion of the reinforcing bar. Whether the passivation film of rebar is destroyed in an alkaline environment The concentration ratio of is important. In general, the pH value above 11.5 at which safe passivation in chloride-free concrete is achieved. However, when chloride is present in the solution, the limit pH value at which steel corrosion occurs is determined and increases with the increase of the chloride concentration in the solution. The relationship between the limiting pH value and the chloride concentration is shown in Equation 14 below.
: 한계 염화물 농도: 이온 농도 : limit chloride concentration : ion concentration
: 정수 : essence
위 <수학식 14>를 반영하여 철근 부식에 영향을 주는 염화물 농도 값을 구할 수 있다. 일반적으로 포틀랜드 시멘트에 형성된 공극 속 용액의 경우 0.02 이하의 이온 농도에서 강은 부동태 영역이 있지만, 이상의 염화물 농도에서는 농도의 증가와 함께 부식이 발생하게 된다. 본 발명의 실시 형태에서는 철근 부식을 일으키지 않는 염화물의 이온의 허용 농도는 0.02M(700ppm)으로 정한다.By reflecting the above <Equation 14>, the chloride concentration value that affects the corrosion of the reinforcing bar can be obtained. Typically 0.02 for solutions in pores formed in Portland cement. below At the ion concentration, steel has a passivation region, but at a higher chloride concentration, corrosion occurs with an increase in concentration. In the embodiment of the present invention, the permissible concentration of chloride ions that do not cause corrosion of reinforcing bars is set at 0.02M (700 ppm).
(3) 산소 확산 침투(3) Oxygen diffusion penetration
철근 부식에 직접적인 영향을 주는 산소 확산의 경우, 다양한 매커니즘으로 콘크리트 내부로 침투할 수 있으나, 본 발명의 실시 형태에서는 고압의 침지 환경에 노출된 콘크리트의 확산에 관한 내용으로 산소는 물속에 용해된 용존 산소를 기준으로 해석을 실시한다. 그러나 염화물이 용해된 물이 최초로 철근에 도달하여 완전히 철근 전체에 침투 하는 동안은 공극 속에 존재하는 기체의 산소의 영향을 받아 산소의 분자량이 많아, 다음의 <표 2>와 같이, 3단계로 구분하여 부식에 필요한 산소량을 결정한다. 다음의 <표 2>는 물 침투에 따른 철근 주변의 공극 속의 와 의 분자량을 나타낸다.In the case of oxygen diffusion, which has a direct effect on reinforcing steel corrosion, it can permeate into the concrete through various mechanisms. Analysis is performed based on oxygen. However, while the chloride-dissolved water reaches the reinforcing bar for the first time and completely penetrates the entire reinforcing bar, the molecular weight of oxygen is high due to the influence of oxygen in the gas present in the void, and is divided into three stages as shown in <Table 2> below. to determine the amount of oxygen required for corrosion. The following <Table 2> shows the voids around the reinforcing bars according to water penetration. Wow represents the molecular weight of
도 1에 도시된 300 단계가 적용되는 시간은, 수압을 받는 콘크리트의 물의 침투 방정식을 통해 철근이 위치하는 깊이에서 시간당 물의 침투 깊이를 계산해 전체 철근 높이만큼 침투하는 시간으로 정한다. 도 1에 도시된 300 단계에서 압력에 따른 공극 속 기체의 용해도는 생략한다. 이후는 500 단계로 적용하여 해석을 실시한다.The time for which step 300 shown in FIG. 1 is applied is determined by calculating the penetration depth of water per hour at the depth where the reinforcing bar is located through the water penetration equation of the concrete subjected to water pressure, and permeating as much as the total height of the reinforcing bar. In
Ⅱ. 유한 요소 기반 철근 부식 인자 침투 해석II. Finite element-based rebar corrosion factor penetration analysis
위 Ⅰ.에서 정리한 부식 인자 별 침투 방정식을 적용하여 유한 요소 기반 해석 모델을 작성하고 해석을 실시하여 부식 인자의 콘크리트 경향을 산정한다. 본 발명 실시 형태에서는 고압의 환경에서의 수분 침투를 유한 요소 기반 수치해석을 통해 파악하고 침지 환경을 고려하여 물 속에 용해되어 있는 산소와 염화물 값을 토대로 전체 부식 인자의 분자량을 결정한다.By applying the penetration equation for each corrosion factor organized in I. above, a finite element-based analysis model is created and the analysis is performed to calculate the concrete tendency of the corrosion factor. In an embodiment of the present invention, water penetration in a high-pressure environment is identified through finite element-based numerical analysis, and the molecular weight of the total corrosion factor is determined based on the oxygen and chloride values dissolved in the water in consideration of the immersion environment.
(1) 고압의 침지 환경에서의 수분 침투 해석(1) Analysis of water penetration in a high-pressure immersion environment
본 발명의 실시 형태에서는 310 단계에서 파악한 침투 확산류 방정식을 통해 파악한 침투 확산 계수를 활용하여 3차원 평형 방정식을 작성할 수 있다. 위 <수학식 8>을 반영하여 3차원 형태의 평형 방정식은 아래의 <수학식 15>와 같이 표현할 수 있다.In an embodiment of the present invention, a three-dimensional equilibrium equation may be created using the permeation diffusion coefficient determined through the permeation diffusion equation determined in
: 초기 침투 확산 계수, or : 작용 압력, 은 라플라시안(Laplacian) 연산자로서 3차원 미분 방정식에 활용된다. 시간 t에서의 콘크리트 안의 압력을() 유한 요소 해석을 위한 형상 함수()와 시간 t에서의 유한 요소의 각 노드에서의 압력()의 곱으로 나타낼 수 있다. : Initial penetration diffusion coefficient, or : working pressure, is a Laplacian operator and is used in three-dimensional differential equations. The pressure in the concrete at time t ( ) shape function for finite element analysis ( ) and the pressure at each node of the finite element at time t ( ) can be expressed as a product of
그리고 <수학식 15>에 갤러킨 방식을 적용하면, 아래의 <수학식 16>과 같은 유한 요소 방정식을 구할 수 있다.In addition, if Galerkin's method is applied to <
: :
: :
: :
<수학식 16>의 수치 방정식 에서 콘크리트 표면에 작용하는 경계 조건을 아래의 <수학식 17>과 같이 표현할 수 있다.Numerical equation of <
: 압력 전달에 대한 표면 계수, : Surface coefficient for pressure transfer,
: 외부 환경에서의 수압 : Water pressure in the external environment
: 콘크리트 표면에서의 수압 : water pressure on the concrete surface
<수학식 17>을 <수학식 16>에 대입하면, 최종적으로 다음의 <수학식 18>과 같은 값과 다음의 <수학식 19>와 같은 값을 얻을 수 있다.When <Equation 17> is substituted into <
<수학식 18> 및 <수학식 19>를 반영한 각 요소에 적용되는 <수학식 16>을 구축한 후, 전체 구조물에 적용되는 일반적인 유한 요소식을 아래의 <수학식 20>과 같이 조합할 수 있다.After constructing <
: , : , : , : : , : , : , :
본 발명의 실시 형태는 <수학식 20>의 유한 요소 식을 활용하여 시간에 따른 압력 분포와 수분 침투 깊이를 파악할 수 있다. 편의에 따라서 1차원 해석을 할 경우, <수학식 9>의 식을 활용하여 침투 깊이를 계산할 수도 있다. 본 발명의 실시 형태에서는 해석을 통해 시간에 따른 침투 깊이를 파악한 후, 침투 깊이에서 공극 속에 물이 모두 침투되었다 가정하고 공극 포화도를 100%로 설정한다. 이러한 해석은 유체의 흐름에 따른 난류가 아닌 층류 흐름으로 가정하여 진행한다.In an embodiment of the present invention, the pressure distribution and the depth of moisture penetration over time may be determined by utilizing the finite element equation of
(2) 산소와 염화물 침투(2) Oxygen and chloride permeation
산소 침투의 경우 310 단계에서 설명한 바와 같이, 물의 침투를 총 3단계(3 step)로 나누어 각 단계에 맞게 산소 침투 및 분자량을 결정한다. 각 단계에 맞게 분자량을 설정한 뒤 철근 부식에 적합한 조건을 설정하여 부식 전위, 전류 밀도를 산정한다. 본 발명의 실시 형태의 대상 환경인 고압의 침지 환경은 물속의 용존 산소가 적어 부식률이 낮을 것으로 판단되나 구조물의 장기 수명을 예측하는 측면에서 의의가 있다.In the case of oxygen permeation, as described in
염화물 침투의 경우 본 발명의 실시 형태에서는 고압에 의해 침투된 물의 깊이와 침투 깊이가 같다고 두어 해석을 실시하며, <수학식 11>에서 설정한 자유 염화물 량을 선정하여 해석을 실시한다.In the case of chloride penetration, in the embodiment of the present invention, the analysis is performed by assuming that the depth of water penetrated by high pressure and the penetration depth are the same, and the analysis is performed by selecting the amount of free chloride set in Equation 11.
(3) 시간 영역에서의 직접 적분(3) Direct integration in the time domain
위 <수학식 20>은 시간에 대한 함수로서 수분 침투와 함께 시간에 따라 전달되는 콘크리트의 내부 압력은 수치적인 단계 절차를 활용하여 <수학식 20>을 적분하면 구할 수 있다. 본 발명의 실시 형태에서는 시간 간격(Time step=)에 관계없이 안정적으로 활용할 수 있는 뉴마크 베타법(Newmark- method)를 활용하여 시간에 따른 압력 분포를 계산하였다(330). Newmark- method를 활용한 직접 적분 방식은 다음과 같다.The above <
초기 계산 설정 단계: Initial calculation setup steps :
1. 압력의 초기 분포, 압력 전달의 속도, 가속도를 설정한다.1. Set the initial distribution of pressure, the rate of pressure transfer, and the acceleration.
2. 적분 상수()를 계산2. Integral constant ( ) to calculate
, , , , -1, , , , , -One,
, , , ,
여기서 와 는 적분 정확도와 안정성을 결정하는 매개 변수이다. 시간에 따른 압력 전달 해석을 위해 , 를 정하였다.here Wow is a parameter that determines integration accuracy and stability. For analysis of pressure transmission over time , was determined.
3. 시간 간격에 따른 물리량 해석을 위한 강성 매트릭스를 아래의 <수학식 21>과 같이 구성한다.3. A stiffness matrix for physical quantity analysis according to time interval is configured as shown in
각각의 시간 간격을 고려한 적분 실시 단계:Integral implementation steps taking into account each time interval:
1. 아래의 <수학식 22>과 같이, 시간 에서 유효 압력 전달량을 계산한다.1. As shown in Equation 22 below, time Calculate the effective pressure transfer from
2. <수학식 21> 및 <수학식 22>를 활용하여, 아래의 <수학식 23>과 같이 시간 에서 압력을 산정한다.2. Using <
3. 아래의 <수학식 24> 및 <수학식 25>와 같이 시간 에서 압력 변화의 가속도와 속도를 계산한다.3. Time as shown in <
4. 위 방식을 반복한다. 4. Repeat the above method.
위 1.-4.방식을 활용하여 시간 간격당 대상 물리량의 변화를 산정하여 시간당 대상 부식 인자의 분포를 파악할 수 있다. 도 4에 시간에 따른 수분의 침투 깊이에 대한 해석 결과를 나타내었다. Using the method 1.-4. above, it is possible to determine the distribution of the target corrosion factor per hour by calculating the change in the target physical quantity per time interval. 4 shows the analysis results for the penetration depth of water over time.
다시 도 1을 참조하면, 유한 요소 기반 수치해석을 통한 철근 부식률 및 녹 생성량 분석 단계(500)는 앞서 300 단계에서 파악한 시간에 따른 부식 인자 침투 경향 및 분포를 기초로 철근 부식률과 녹 생성량을 파악하는 단계이다. 구체적으로 도 5에 철근 부식률과 녹 생성량을 분석하는 과정이 개략적으로 도시되어 있다. 이하 상세히 설명하도록 한다.Referring back to FIG. 1, in step 500 of analyzing the corrosion rate and amount of rust through finite element-based numerical analysis, the corrosion rate and amount of rust are calculated based on the penetration tendency and distribution of corrosion factors over time identified in
I. 철근 부식 관련 방정식I. Rebar corrosion related equations
(1) 콘크리트 전기 저항 산정(1) Calculation of electrical resistance of concrete
콘크리트 내부에 침투한 염화물을 포함한 물은 전도성 용액이기 때문에, 전해질의 전기적 이동의 원동력인 전위가 가해지면 공극 속 용액에서 전하를 지닌 이온이 이동하여 콘크리트를 통해 전자가 이동할 수 있다. 전위를 통해 형성된 전기장 영역에서 콘크리트 공극 속 용액의 이온의 이동 속도는 콘크리트의 전기 저항에 반비례한다.Since the water containing chloride that has penetrated into the concrete is a conductive solution, when an electric potential, which is the driving force for the electrical movement of the electrolyte, is applied, charged ions move in the solution in the pores, allowing electrons to move through the concrete. In the electric field region formed through the potential, the movement speed of ions in the solution in the pores of the concrete is inversely proportional to the electrical resistance of the concrete.
콘크리트 저항은 콘크리트 내부의 이온 이동과 밀접한 연관이 있고, 콘크리트 저항 추정을 위해 필요한 시간이 확산 추정을 위해 필요한 시간보다 짧기 때문에, 콘크리트 저항성과 이론적 확산의 직접적인 관계를 파악하기 위한 많은 연구가 있었다. 덧붙여서, 전기 저항은 콘크리트의 철근 부식 속도와 밀접한 관련이 있으며, 특히 양극과 음극이 서로 상당히 멀리 떨어져있는 (수 센티미터에서 수 미터에 이르는) 매크로 셀 부식의 경우 더욱 관련이 있다. 관련 연구에 따르면 콘크리트 저항은 콘크리트 혼합 비율, 이온 확산도, 수분 함량, 콘크리트 온도, 공극 용액의 이온 농도(염화물 이온 농도)에 따라 달라진다. 철근 부식 분석을 위하여 이온 확산, 콘크리트 수분량, 염화물 이온 농도, 온도 관련 방정식이 다양한 연구를 통해 공식화되었다.Since concrete resistivity is closely related to the movement of ions in concrete, and the time required for estimating concrete resistivity is shorter than that required for diffusion estimation, many studies have been conducted to determine the direct relationship between concrete resistivity and theoretical diffusion. In addition, electrical resistance is closely related to the corrosion rate of steel reinforcement in concrete, especially in the case of macrocell corrosion where the anode and cathode are quite far apart from each other (several centimeters to several meters). According to related studies, concrete resistance depends on the concrete mixing ratio, ionic diffusivity, water content, concrete temperature, and ionic concentration (chloride ion concentration) of the pore solution. For reinforcing steel corrosion analysis, equations related to ion diffusion, concrete moisture content, chloride ion concentration, and temperature were formulated through various studies.
콘크리트는 전도성 용액을 포함하는 다공성 물질이기 때문에, 전기적 추진력으로 인한 공극 속 전하를 띈 이온의 이동으로 인해 콘크리트를 통해 용액 속 전자가 이동할 수 있다. 전위를 통해 형성된 전기장 영역에서 콘크리트 내부의 이온 이동 속도는 콘크리트의 전기저항에 반비례한다. 콘크리트 전기저항은 아래의 <수학식 26>과 같다.Since concrete is a porous material containing a conductive solution, electrons in the solution can move through the concrete due to the movement of charged ions in the pores due to the electrical driving force. In the electric field region formed through potential, the speed of ion movement inside concrete is inversely proportional to the electrical resistance of concrete. The electrical resistance of concrete is as shown in Equation 26 below.
: 콘크리트 전기 저항() : Concrete electrical resistance ( )
: 염화물 침투 관련 보정계수 : Correction factor related to chloride permeation
: 각 영향 인자에 대한 보정 계수(: 확산성, : 공극률, , : 염화물 농도, , : 온도) : Correction coefficient for each influencing factor ( : diffusive, : porosity, , : Chloride concentration, , : Temperature)
와 관련한 식을 아래의 <수학식 27> 및 <수학식 28>에 나타내었다. Expressions related to are shown in <
여기서, 는 물 바인더 비, 는 시간이다. 콘크리트 전기 저항에 영향을 미치는 공극 속 염화물의 확산은 염화물에 노출된 시간에 크게 의존하며 콘크리트 혼합 비율에 의해 결정되는 지수를 활용한 거듭 제곱 법에 의해 표현된다. 은 콘크리트에 첨가된 미네랄 혼합물과 관련한 상수 값으로서 아래의 <수학식 29>와 같다.here, is the water binder ratio, is the time Diffusion of chlorides in the voids, which affect the electrical resistance of concrete, is highly dependent on the time exposed to chlorides and is expressed by a power method using an exponent determined by the concrete mixing ratio. is a constant value related to the mineral mixture added to concrete and is expressed in Equation 29 below.
: 대상 콘크리트 내부 플라이애쉬 치환율(%) : Fly ash replacement rate inside target concrete (%)
: 대상 콘크리트 내부 슬래그 치환율(%) : Target concrete internal slag replacement rate (%)
와 관련한 식을 아래의 <수학식 30> 내지 <수학식 33>에 나타내었다. 일반적으로 콘크리트 전기 저항과 염화물 이온의 겉보기 확산도는 다음과 같은 선형관계가 있다. 선형 관계의 기울기 범위는 약 의 범위를 가지며 본 발명의 실시 형태에서는 를 선택하여 해석을 진행하였다. 아래의 <수학식 30>에 염화물 확산과 관련한 콘크리트 전기 저항 보정 계수 관련식을 나타내었다. Expressions related to are shown in <
콘크리트의 공극 구조가 암석의 기공 구조와 유사하다고 가정하면, 아키(Archie)의 법칙을 사용하여 콘크리트의 전기 저항이 공극의 포화도에 의존하는 다음 관계식을 고려할 수 있다. 아래의 <수학식 31>에 공극의 포화도와 관련한 콘크리트 전기 저항 보정 계수 관련 식을 나타내었다. Assuming that the pore structure of concrete is similar to that of rock, Archie's law can be used to consider the following relationship in which the electrical resistance of concrete depends on the degree of pore saturation. In <Equation 31> below, an expression related to a concrete electrical resistance correction factor related to saturation of pores is shown.
도 6에 위 <수학식 31>과 실험을 통해 얻은 의 저항으로 정규화된 상대 저항 값을 나타내었다. 모델 방정식은 수분 함량의 콘크리트 전기 저항의 영향을 상당히 합리적으로 재현한다.또한, 콘크리트 전기 저항은 기공 용액의 염화물 이온 농도에 크게 영향을 받는다. 콘크리트 전기 저항은 공극 속 염화물 이온 농도가 증가함에 따라 감소한다. 아래의 <수학식 32>에 염화물 이온 농도와 관련한 콘크리트 전기 저항 보정 계수 관련 식을 나타내었다. 도 7에 <수학식 32>와 실험을 통해 얻은 의 저항으로 정규화 된 상대 저항 값을 나타내었다. <수학식 32>는 실제 범위의 염화물 이온 농도에 대한 저항 감소 추세를 효과적으로 보여준다.6 obtained through the above <Equation 31> and the experiment Relative resistance values normalized to the resistance of The model equation reproduces the influence of the water content on the electrical resistance of concrete quite reasonably. In addition, the electrical resistance of concrete is strongly influenced by the chloride ion concentration of the pore solution. The electrical resistance of concrete decreases as the chloride ion concentration in the pores increases. In <Equation 32> below, an expression related to a concrete electrical resistance correction factor related to a chloride ion concentration is shown. 7 obtained through <Equation 32> and the experiment Relative resistance values normalized to the resistance of Equation 32 effectively shows the trend of decreasing resistance for a real range of chloride ion concentrations.
콘크리트 전기 저항에 대한 온도와의 관계식은 아레니우스(Arrhenius) 방정식의 역수 형식이 사용된다. 아래의 <수학식 33>에 온도와 관련한 콘크리트 전기 저항 보정 계수 관련 식을 나타내었다.The reciprocal form of the Arrhenius equation is used for the relationship between concrete electrical resistance and temperature. In <Equation 33> below, an expression related to a concrete electrical resistance correction factor related to temperature is shown.
: 이온 이동을 위한 활성화 에너지 (25350) [18]도 8에 <수학식 33>과 실험을 통해 얻은 콘크리트 상대 저항 값을 나타내었다. 실험은 10~25의 영역에서 진행되었지만, 다양한 온도에서 적용이 가능하다. <수학식 33>은 실제 범위의 온도에 대한 저항 감소 추세를 효과적으로 보여준다. : Activation energy for ion movement (25350 ) [18] Figure 8 shows the concrete relative resistance value obtained through <Equation 33> and the experiment.
(2) 전극 전위 산정(2) Calculation of electrode potential
콘크리트 내부 철근의 부식은 두 가지 전극의 반응으로 구성되는 전기 화학 반응이다. 첫번째는 철근의 철(이 철 이온()으로 이온화되어 철근에 음전하가 생기는 양극 반응이고, 두번째는 같은 환경에서 철근에 존재하는 음전하와 산소의 그리고 물이 반응하여 수산화 이온()을 형성하는 음극 반응이다. 부식 발생으로 인해 전자는 강철 내부를 통해 양극에서 음극으로 이동하며 이온화된 철 이온은 기공 용액을 통해 양극에서 음극으로 이동한다. 금속 내부의 전극 전위()와 금속 표면의 인접한 공극 속 용액의 전위()는 매우 가깝게 위치하지만 하전된 입자와 물의 쌍극자로 배열된 전기 이중층이 사이에 존재하여 각 지점의 전위 값이 다르다. 일반적으로 양극과 음극에서의 와 의 차이()를 전극 전위()라고 한다. 부식 반응으로 인한 전자와 양이온의 이동으로부터 다음의 <수학식 34> 및 <수학식 35>를 알 수 있다.Corrosion of rebar inside concrete is an electrochemical reaction consisting of a reaction of two electrodes. The first is the iron of the rebar ( This iron ion ( ) is ionized to create a negative charge on the reinforcing bar, and the second is the reaction of the negative charge present in the reinforcing bar with oxygen and water in the same environment to form hydroxide ions ( ) is a cathodic reaction that forms Due to corrosion, electrons move from anode to cathode through the steel interior, and ionized iron ions move from anode to cathode through the pore solution. Electrode potential inside the metal ( ) and the potential of the solution in the adjacent pores of the metal surface ( ) are located very close together, but the electric double layer arranged with the charged particles and water dipoles exists between them, so the potential value at each point is different. usually at the anode and cathode Wow difference of ( ) to the electrode potential ( ) is called From the movement of electrons and cations due to the corrosion reaction, the following <Equation 34> and <
: 양극 및 음극에서의 발생 전위 : Potential generated at positive and negative electrodes
, : 양극 및 음극에서의 전극 전위 , : Electrode potential at the anode and cathode
국소 양극과 음극 사이의 전극 전위차는 공극 속 전해질의 저항 (즉, 콘크리트의 철근 부식에 대한 콘크리트의 저항)과 각 전극 사이의 거리에 따라 달라진다. 전극 전위의 절대 값은 불확실하기 때문에 일반적으로 기준 전극 전위를 영점으로 정의하여 측정한 표준 전극 전위를 활용한다. 기준 반쪽 전지에서의 전극(기준 전극)의 전위 값은 사용 환경에 관계없이 비교적 일정한 전위 값을 갖는다. 기준 전극은 주로 표준 수소 전극(SHE), 구리 황산염 전극(CSE) 및 포화 칼로멜 전극(SCE)을 활용한다. 하지만 대부분의 환경은 표준 전극 전위를 측정하는 환경이 아니기 때문에 열역학 특성을 반영한 깁스(Gibbs) 자유 에너지 변화를 고려하여 특정 환경을 고려한 전위 값을 정한다. 일정한 압력과 온도 환경에서 Gibbs 자유 에너지 변화량()은 아래의 <수학식 36>으로 정의할 수 있다.The electrode potential difference between the local anode and cathode depends on the resistance of the electrolyte in the pores (i.e., the resistance of the concrete to the corrosion of the reinforcing steel) and the distance between each electrode. Since the absolute value of the electrode potential is uncertain, the standard electrode potential measured by defining the reference electrode potential as the zero point is generally used. The potential value of the electrode (reference electrode) in the reference half-cell has a relatively constant potential value regardless of the use environment. Reference electrodes mainly utilize standard hydrogen electrode (SHE), copper sulfate electrode (CSE) and saturated calomel electrode (SCE). However, since most environments are not environments for measuring a standard electrode potential, a potential value considering a specific environment is determined by considering a change in Gibbs free energy reflecting thermodynamic characteristics. Change in Gibbs free energy in a constant pressure and temperature environment ( ) can be defined by the following <Equation 36>.
: 생성 물질과 반응 물질의 활동도 적 : Activity of products and reactants
: 기체 상수(8.3114) : gas constant (8.3114 )
: 절대 온도 : absolute temperature
위 <수학식 36>을 전기 화학적인 방식으로 표현하면, <수학식 37> 및 <수학식 38>과 같다.When the above <Equation 36> is expressed in an electrochemical manner, it is equivalent to <Equation 37> and <Equation 38>.
: 특정 환경을 고려한 전극 전위 () : Electrode potential considering a specific environment ( )
: 표준 전극 전위 () : standard electrode potential ( )
위 <수학식 37> 및 <수학식 38>을 네른스트 방정식이라 부르며, 이를 이용하면 현재 파악하고자하는 철근 주변 환경을 고려한 각각의 반쪽 전지의 전극 전위를 계산할 수 있다. 콘크리트 내부 철근 주변의 환경을 고려한 각각의 반쪽 전지의 전극 전위는 아래의 <수학식 39> 및 <수학식 40>과 같다.The above <Equation 37> and <Equation 38> are called Nernst equations, and by using them, the electrode potential of each half-cell can be calculated considering the surrounding environment of the reinforcing bar to be currently identified. The electrode potential of each half-cell considering the environment around the reinforcing bar inside the concrete is as shown in <Equation 39> and <
: 양극 반응인 철의 산화 반응에서의 전극 전위(철 이온 형성) : Electrode potential in the anodic reaction of iron oxidation (iron ion formation)
: 음극 반응인 산소의 환원 반응에서의 전극 전위(수산화 이온 형성) : Electrode potential in the reduction reaction of oxygen, which is a cathode reaction (hydroxide ion formation)
, : 철과 산소의 표준 전극 전위 , : Standard electrode potential for iron and oxygen
, : 철과 수산화 이온의 활동도(농도) , : Activity (concentration) of iron and hydroxide ions
: 산소의 퓨개시티(산소 농도 분압으로 간략화) : Fugacity of Oxygen (Simplified as Oxygen Concentration Partial Pressure)
: 패러데이 상수() : Faraday constant ( )
위 결과 값은 이온의 농도에 따라 두 전극에 발생하는 평형 상태에서의 전위이다. 평형 상태는 반쪽 전지에서의 산화 환원의 속도가 같아 반응이 일어나지 않는 상태를 뜻한다. The resultant value above is the potential in the equilibrium state generated at the two electrodes according to the concentration of the ion. The equilibrium state refers to a state in which the oxidation-reduction rate in the half-cell is the same and no reaction occurs.
(3) 분극과 전류 밀도를 통한 부식률 산정(3) Calculation of corrosion rate through polarization and current density
부식 속도 산정: 콘크리트 철근 부식 속도는 철근 콘크리트 구조물의 수명을 결정하는 중요한 요소이다. 부식 속도는 금속 표면 혹은 전극에서 일어나는 전기 화학 반응에 의하여 결정된다. 그러므로 전기화학 반응의 속도론을 지배하는 근본 원리를 이해하는 것은 부식 정도를 파악하는데 있어 매우 중요하다. Calculation of corrosion rate : The corrosion rate of concrete reinforcement is an important factor in determining the life of a reinforced concrete structure. The corrosion rate is determined by the electrochemical reaction that occurs on the metal surface or electrode. Therefore, understanding the fundamental principles governing the kinetics of electrochemical reactions is very important in determining the degree of corrosion.
금속 혹은 전극 표면에서 발생하는 부식 반응은 전자의 생산과 소모를 수반하기 문에 전극으로부터 나가거나 들어오는 전자의 흐름 즉 전류를 측정하여 부식 속도를 정량적으로 측정할 수 있다. 특정 금속()이 면적 ()인 전극에서 t초 동안 산화 반응을 통해 m의 와 z개의 전자가 생산되었다고 가정하자(계 반응). 여기서 발생하는 부식 속도 관련 식은 아래의 <수학식 41>과 같다.Since the corrosion reaction occurring on the surface of a metal or electrode involves the production and consumption of electrons, the corrosion rate can be quantitatively measured by measuring the current, that is, the flow of electrons going out or coming in from the electrode. certain metals ( ) is the area ( ) through the oxidation reaction for t seconds at the electrode m of Assume that and z electrons are produced ( system reaction). The equation related to the corrosion rate generated here is as shown in Equation 41 below.
: 패러데이 상수() : Faraday constant ( )
: 시간당 면적에서 생성된 이온 수() : The number of ions generated in the area per hour ( )
: 산화 반응을 통한 전류 밀도() : Current density through oxidation reaction ( )
위 <수학식 41>을 페러데이 법칙이라 하며, 이 법칙에 따르면 의 전하량에 의하여 전극의 전류밀도와 반응 속도를 서로 전환할 수 있다. 부식 반응에 생성되는 전류 밀도를 계산함으로서 부식 속도 값을 파악할 수 있다. 일반적으로 계가 동적 평형 상태일 때, 산화 환원 반응 속도가 동일하며 이때, 전극 전위는 <수학식 38>의 네른스트 방정식을 활용하여 구한 평형 전극 전위()이다. 평형 전극에서 산화 반응 전류 밀도()와 환원 반응 전류 밀도()는 동일하며 이를 교환 전류 밀도()라고 부른다. 반응 속도론에 따르면 교환전류밀도는 아래의 <수학식 42>와 같다.The above <Equation 41> is called Faraday's law, and according to this law The current density and reaction rate of the electrode can be converted to each other by the amount of charge. By calculating the current density produced by the corrosion reaction, the value of the corrosion rate can be determined. Generally When the system is in dynamic equilibrium, the redox reaction rates are the same, and at this time, the electrode potential is the equilibrium electrode potential (calculated by using the Nernst equation of Equation 38) ( )to be. Oxidation current density at the balanced electrode ( ) and reduction reaction current density ( ) is equal to the exchange current density ( ) is called. According to the reaction kinetics, the exchange current density is as shown in Equation 42 below.
: 화학종에 따른 상수 : constant according to chemical species
: 전기 화학적 활성화 에너지 : Electrochemical activation energy
활성화 분극: 평형 전극 전위에서는 산화 환원 반응이 동일하기 때문에 전극 외부 도선을 토해 흐르는 전류밀도()는 아래의 <수학식 43>과 같이 0이다. Activation polarization : Since the oxidation-reduction reaction is the same at the equilibrium electrode potential, the current density flowing through the wire outside the electrode ( ) is 0 as shown in Equation 43 below.
평형 전극 전위에서 전기 화학반응으로 인해 전위 값이 높아지게 되면 평형 전극 전위와의 전위차가 추진력이 되어 활성화 에너지를 벗어나 산화 반응이 발생하게 된다. 반면에 전위 값을 낮추게 되면 반대로 환원 반응이 발생하게 된다. 전기 화학 반응으로 인해 평형 전극 전위()로부터 로 전위가 상승하면 는 상승하고 는 감소한다. 이때 발생하는 는 의 함수이며 아래의 <수학식 44>와 같이 표현 가능하다.When the potential value increases due to the electrochemical reaction at the equilibrium electrode potential, the potential difference with the equilibrium electrode potential becomes a driving force, and an oxidation reaction occurs beyond the activation energy. On the other hand, when the potential value is lowered, a reduction reaction occurs on the contrary. Due to the electrochemical reaction, the equilibrium electrode potential ( )from If the potential rises to is rising decreases. occurring at this time Is It is a function of and can be expressed as in Equation 44 below.
이와 같이 특정한 전기 화학반응을 통해 평형 전극 전위가 변하는 것을 분극(Polarization)이라고 하며, 전위 변화량을() 과전압(overvoltage)이라고 부른다. 이면 애노드 과전압()이라 부르며, 이면 캐소드 과전압()이라 부른다. 분극에 의한 반쪽 전지의 반응 속도는 전하 전달 과정의 활성화 에너지의 크기에 의하여 결정되며, 이를 활성화 분극(activation polarization)이라 한다. 산화 분극의 경우, 전극 전위를 로부터 로 올리면 금속 상의 금속 M 1에 대하여 전기화학적 자유에너지가 만큼 증가한다. 산화 분극에서의 산화 반응의 활성화 에너지와 환원 반응의 활성화 에너지는 아래의 <수학식 45> 및 <수학식 46>과 같다.This change in the equilibrium electrode potential through a specific electrochemical reaction is called polarization, and the amount of potential change is ( ) is called overvoltage. If the anode overvoltage ( ) is called, If the cathode overvoltage ( ) is called The reaction rate of the half-cell by polarization is determined by the magnitude of the activation energy of the charge transfer process, and this is called activation polarization. For oxidative polarization, the electrode potential is from Raised by , metal on
각 활성화 에너지에 대한 전류 밀도는 아래의 <수학식 47> 및 <수학식 48>과 같다.Current densities for each activation energy are shown in <Equation 47> and <
산화 분극으로 인해 외부 도선을 통해 측정되는 전류는 위 <수학식 47> 및 <수학식 48>을 활용하여 아래의 <수학식 49>로 나타낼 수 있으며 이를 볼머-버틀러(Volmer-Butler) 식이라고 한다. The current measured through the external wire due to the oxidation polarization can be expressed as the following <Equation 49> using the above <Equation 47> and <
위 <수학식 49>에서, 이라 가정하면 아래의 <수학식 50>으로 수식을 간략화할 수 있다.In the above <Equation 49>, Assuming that , the equation can be simplified to
위 <수학식 50>으로부터 산화 분극으로 인한 애노드 과전압과 전류 밀도 관계를 아래의 <수학식 51>과 같이 나타낼 수 있다. From the above <
위 식을 타펠(Tafel)의 방정식이라 하며, 를 산화 분극에 대한 타펠(Tafel)의 상수라 한다. 위 과정을 캐소드 과전압이 발생하는 환원 분극에 동일하게 적용할 수 있으며 환원 분극에 따라 발생하는 캐소드 과전압과 전류 밀도의 관계식은 아래의 <수학식 52> 및 <수학식 53>와 같다.The above equation is called Tafel's equation, is called Tafel's constant for the oxidative polarization. The above process can be equally applied to the reduction polarization where the cathode overvoltage occurs, and the relational expression between the cathode overvoltage and the current density generated according to the reduction polarization is shown in Equation 52 and Equation 53 below.
위 <수학식 52> 및 <수학식 53>은 활성화 분극으로 인해 발생하는 과전압과 전류 밀도에 대한 관계를 보여주고 있다. 본 발명의 실시 형태에서는 위 <수학식 51>과 <수학식 53>을 활용하여 활성화 분극으로 인한 전위차와 그에 따른 전류 밀도를 계산하여 부식 정도를 예측한다.The above <Equation 52> and <Equation 53> show the relationship between the overvoltage and the current density caused by the activation polarization. In the embodiment of the present invention, the degree of corrosion is predicted by calculating the potential difference due to the activation polarization and the current density corresponding thereto, using Equation 51 and Equation 53 above.
농도 분극: 볼머-버틀러(Volmer-Butler) 식에서 전극에 근접한 용액의 농도는 균일하다고 가정한다. 하지만 환원 반응()이 활발하게 이뤄지면 전극에 근접한 용액에서 반응 금속 이온의 농도()가 용액의 농도()보다 감소하는 층이 형성되는데 이를 네른스트 층이라고 부른다. 아래의 <수학식 54>는 용액 속의 농도 ()를 고려한 평형 전위이다. Concentration polarization : In the Volmer-Butler equation, the concentration of the solution in the vicinity of the electrode is assumed to be uniform. However, the reduction reaction ( ) is active, the concentration of reactive metal ions in the solution close to the electrode ( ) is the concentration of the solution ( ) is formed, which is called the Nernst layer. <Equation 54> below is the concentration in the solution ( ) is the equilibrium potential considering
환원 반응으로 인해 감소된 전극 표면 주위 용액의 농도()를 고려한 평형 전위는 아래의 <수학식 55>와 같다.Concentration of the solution around the electrode surface reduced due to the reduction reaction ( ) The equilibrium potential considering ) is as shown in Equation 55 below.
농도 차이로 발생하는 전압차를 농도 과전압이라 부르며, 아래의 <수학식 56>과 같다.A voltage difference caused by a difference in concentration is called a concentration overvoltage, and is expressed in Equation 56 below.
피크(Fick)의 확산 법칙에 근거하여 네른스트 층에서 의 확산속도는 환원 반응 속도와 동일하므로, 아래의 <수학식 57>과 같이 나타낼 수 있다.Based on Fick's law of diffusion, in the Nernst layer Since the diffusion rate of is the same as the reduction reaction rate, it can be expressed as in Equation 57 below.
: 의 확산계수 : Diffusion coefficient of
: 네른스트 층의 두께(0.1) : Thickness of the Nernst layer (0.1 )
따라서 네른스트 층을 경계로 농도 감소로 발생하는 전류 밀도는 아래의 <수학식 58>과 같다.Therefore, the current density generated by the decrease in concentration across the Nernst layer is expressed by Equation 58 below.
환원 반응 속도가 더욱 증가하여 가 0이 되면 는 한계전류밀도(limiting current density, )D에 도달한다. 용액 속의 농도에 영향을 받는 한계 전류 밀도는 아래의 <수학식 59>와 같다.The reduction reaction rate is further increased becomes 0 is the limiting current density, )D is reached. The limiting current density affected by the concentration in the solution is as shown in Equation 59 below.
위 <수학식 59>를 <수학식 58>에 대입하면, 아래의 <수학식 60>과 같이 표현할 수 있으며, 아래의 <수학식 60>을 위 <수학식 56>에 대입하면 최종적으로 농도 과전압을 아래의 <수학식 61>과 같이 표현할 수 있다.Substituting the above <Equation 59> into <Equation 58> can be expressed as <
농도 분극은 전류 밀도가 증가함에 따라 0에 수렴하다가, 에 다가갔을 때 음의 값으로 크게 증가한다. 한계전류밀도는 용액의 유속을 증가시켜 네른스트 층의 두께를 줄이거나, 용액의 온도를 높여 확산 계수를 증가시키거나 농도를 증가시키면 증가한다. 다른 반쪽 전지인 산화 반응에서는 농도 분극을 무시할 수 있는데 이는 반응 물질인 금속이 무제한으로 공급되기 때문이다.The concentration polarization converges to zero as the current density increases, then increases significantly to a negative value when approaching . The limiting current density increases when the thickness of the Nernst layer is reduced by increasing the flow rate of the solution, or when the diffusion coefficient is increased or the concentration is increased by increasing the temperature of the solution. In the other half-cell, the oxidation reaction, the concentration polarization is negligible because the reactant, metal, is supplied indefinitely.
분극과 전류 밀도를 통한 부식률 산정 : 앞서 살펴본 평형 전위와 분극 그리고 전류 밀도의 관계를 반영하여 철근 부식으로 인한 부식 전위 값을 산정할 수 있다. 본 발명의 실시 형태에서는 네른스트 방정식을 반영한 위 <수학식 28> 및 <수학식 29>를 활용하여 반쪽 전지의 평형 전위를 구하고 위 <수학식 40> 내지 <수학식 42>을 활용한 활성화 분극과 위 <수학식 50>을 활용한 농도 분극을 고려하여 철근 부식으로 인해 발생하는 부식 전위와 그에 따른 부식 전류 밀도를 산정한다. 철근 부식 반응으로 인한 산화 극()에서의 전위는 아래의 <수학식 62>와 같으며 환원 극()에서의 전위는 아래의 <수학식 63>과 같다. 아래 식을 통해 파악한 전위 값과 전류 밀도 값을 토해 부식 속도를 산정할 수 있다. Calculation of corrosion rate through polarization and current density : Corrosion potential value due to corrosion of reinforcing steel can be calculated by reflecting the relationship between equilibrium potential, polarization and current density discussed above. In an embodiment of the present invention, the equilibrium potential of the half-cell is obtained using the above <
: 산화 극에서의 전위() : Potential at the oxidation pole ( )
: 철근 부식 환경을 고려한 산화 극의 평형 전극 전위() : Equilibrium electrode potential of the anode considering the corrosive environment of the steel bar ( )
: 산화 반응을 반영한 활성화 분극() : Activation polarization reflecting the oxidation reaction ( )
: 산화 반응을 반영한 Tafel의 상수() : Tafel's constant reflecting the oxidation reaction ( )
: 산화 극에서의 교환 전류 밀도() : Exchange current density at the oxidizing pole ( )
: 산화 반응으로 인한 전류 밀도() : Current density due to oxidation reaction ( )
: 환원 극에서의 전위() : Potential at the reducing pole ( )
: 철근 부식 환경을 고려한 환원 극의 평형 전극 전위() : Balanced electrode potential of the reducing pole considering the corrosive environment of the reinforcing bar ( )
: 환원 반응을 반영한 활성화 분극과 농도 분극의 합() : Sum of activation polarization and concentration polarization reflecting the reduction reaction ( )
: 환원 반응을 반영한 Tafel의 상수() : Tafel's constant reflecting the reduction reaction ( )
: 환원 극에서의 교환 전류 밀도() : Exchange current density at the reducing pole ( )
: 한계 전류 밀도() : Limiting current density ( )
: 환원 반응으로 인한 전류 밀도() : Current density due to reduction reaction ( )
위 값은 철근 주변의 pH, 산소의 퓨가시티 및 철의 이온 활성에 따라 달라지지만 부식 분석의 단순화를 위해 부식 과정 동안 일정하게 유지된다고 가정한다. 부식으로 인한 강철 표면의 특정 지점에서의 전위 값()을 알고 있는 경우 해당 지점에서 양극 및 음극 반응에 대한 부식 전류 밀도는 위 <수학식 51> 및 <수학식 52>에서의 , 를 로 대체하여 계산할 수 있다. 양극 전류 밀도는 위 <수학식 51>을 통해 바로 구할 수 있지만 음극 전류 밀도의 경우, 한계 전류 밀도로 인해 와 사이에 비선형 관계가 형성되기 때문에 치환법에 의한 수치해석을 실시하여 찾아내어야 한다.The above values depend on the pH around the reinforcing steel, the fugacity of oxygen and the ionic activity of the iron, but for simplicity in the corrosion analysis, it is assumed to remain constant during the corrosion process. Potential value at a specific point on the steel surface due to corrosion ( ) is known, the corrosion current density for the anodic and cathodic reactions at that point is , cast can be calculated by substituting The anode current density can be obtained directly through Equation 51 above, but in the case of the cathode current density, due to the limiting current density Wow Since a non-linear relationship is formed between them, it must be found by performing numerical analysis by the substitution method.
철근 표면의 경계조건 형성을 통한 매크로셀 전류 산정 : 매크로셀 전류는 측정하는 전극에서 흐르는 순 전류(net current) 즉, 전극에서 전하의 겉보기 이동 속도로 정의 된다. 위 <수학식 51> 및 <수학식 52>에서 얻은 양극 및 음극 전류 밀도를 통해 얻을 수 있는 매크로셀 전류 밀도()는 아래의 <수학식 64>와 같이 결정될 수 있다(전류 밀도에 대한 부호 규칙은 를 양수로, 를 음수로 정한다). Calculation of the macrocell current through the formation of boundary conditions on the surface of the rebar : The macrocell current is defined as the net current flowing from the electrode to be measured, that is, the apparent movement speed of charge at the electrode. The macrocell current density obtained through the anode and cathode current densities obtained from <Equation 51> and <Equation 52> above ( ) can be determined as shown in Equation 64 below (the sign rule for the current density is as a positive number, is set as a negative number).
옴의 법칙에 따르면 철근 표면에서 전위의 기울기는 아래의 <수학식 65>와 같이 매크로셀 전류에 비례한다. According to Ohm's law, the gradient of the potential on the surface of the reinforcing bar is proportional to the macrocell current as shown in Equation 65 below.
: 철근 표면과 수직인 방향 : direction perpendicular to the rebar surface
: 콘크리트 비저항() : Concrete resistivity ( )
: 매크로 셀 전위 : macro cell potential
위 <수학식 65>는 철근 표면에서 부식 전위를 및 부식 전류 밀도를 최종적으로 구하는 부식 해석 관련 평형방정식의 경계조건 역할을 한다. The above <Equation 65> serves as a boundary condition for the equilibrium equation related to corrosion analysis that finally obtains the corrosion potential and the corrosion current density on the surface of the reinforcing bar.
(4) 유한요소 기반 철근 부식 수치 해석(4) Finite element-based rebar corrosion numerical analysis
유한요소 기반 해석 모델을 작성하고 해석을 실시하여 철근 부식에 따른 부식 전위, 전류 밀도를 파악하고 철근 표면에 형성되는 녹 생성량을 파악한다. Create a finite element-based analysis model and conduct analysis to determine the corrosion potential and current density according to the corrosion of the reinforcing bar and to determine the amount of rust formed on the surface of the reinforcing bar.
(5) 해석을 통한 부식 전위 및 부식 전류밀도 산정(5) Calculation of corrosion potential and corrosion current density through analysis
철근 부식률을 결정하기 위해서는 철근 표면의 부식 전위 분포를 계산할 필요가 있다. 위 <수학식 15>에서 파악한 콘크리트의 전기 저항이 등방성이라고 가정하면 부식 전극의 전위 분포는 아래의 <수학식 66>과 같이 라플라스 방정식에 의해 결정된다.In order to determine the corrosion rate of reinforcing steel, it is necessary to calculate the corrosion potential distribution on the surface of the reinforcing steel. Assuming that the electrical resistance of the concrete identified in the above <
시간 t에서의 부식 전위()를 형상 함수()와 각 유한 요소 노드에서의 전위 값()의 곱으로 나타내고, 위 <수학식 66>에 캘러킨 방식을 적용하면 아래의 <수학식 67>과 같은 유한요소 방정식을 구할 수 있다.Corrosion potential at time t ( ) to the shape function ( ) and the potential value at each finite element node ( ), and applying the Calakin method to the above <Equation 66>, a finite element equation such as <Equation 67> below can be obtained.
: :
: :
위 유한요소 방정식의 구성 절차는 수분 침투 분석과 유사하게 전체 요소에 적용하여 유한요소 방정식을 구할 수 있으며 아래의 <수학식 68>과 같다.The construction procedure of the above finite element equation can be applied to all elements similarly to the water permeation analysis to obtain the finite element equation, and is shown in Equation 68 below.
: , : , : : , : , :
콘크리트의 전위 분포를 구하려면 위 <수학식 53>을 경계조건으로 한 일반 유한요소 방정식의 해를 찾아야 한다. 하지만 위 <수학식 53>의 양변이 전위 분포에 의존하기 때문에 본 방정식을 명시적으로 풀 수가 없다. 또한 자연 경계 조건 만을 가지고 위 방정식에 대한 특정 해법을 구할 수 없기 때문에, 필수 경계 조건을 추가로 고려해야 한다. 이러한 이유로 본 발명의 실시 형태에서 제안하는 전위 값을 구하기 위한 해법은 아래 절차와 같으며 흐름도를 도 9에 나타내었다.In order to obtain the potential distribution of concrete, it is necessary to find the solution of the general finite element equation with the above <Equation 53> as the boundary condition. However, since both sides of Equation 53 above depend on the potential distribution, this equation cannot be solved explicitly. In addition, since a specific solution to the above equation cannot be obtained with only natural boundary conditions, essential boundary conditions must be additionally considered. For this reason, the solution for obtaining the potential value proposed in the embodiment of the present invention is as follows, and a flowchart is shown in FIG. 9.
도 9를 참조하면, 피봇(Pivot) 점을 선택하고 피봇(Pivot) 전위()와 필수 경계 조건을 할당하고(910), 초기 전위 분포를 가정한다(920). Referring to Figure 9, select the pivot (Pivot) point and pivot (Pivot) potential ( ) and required boundary conditions are assigned (910), and an initial potential distribution is assumed (920).
그런 후, 위 <수학식 51> 내지 <수학식 53>을 활용하여 경계에서의 매크로셀 전류를 계산하고, 위 <수학식 54>를 활용하여 자유 경계 조건을 설정한다(930). 그리고 설정된 경계 조건으로부터 위 <수학식 63>을 풀어 전체 전위 분포를 계산한다(940). Then, the macrocell current at the boundary is calculated using Equation 51 to Equation 53 above, and a free boundary condition is set using Equation 54 above (930). Then, the entire potential distribution is calculated by solving the above <Equation 63> from the set boundary conditions (940).
수렴 테스트를 통해 얻은 표준 값(이 허용 한계 값()보다 낮아질 때까지, 930 및 940 과정을 반복한다(950). 관련 식은 아래의 <수학식 69>와 같다.Standard values obtained through convergence tests ( This tolerance value ( ), steps 930 and 940 are repeated (950). The related expression is shown in <Equation 69> below.
: 번째 노드에서 번 iteration하였을 때 부식 전위 값 : at the second node Corrosion potential value when iteration times
: 전제 노드의 수 : number of premise nodes
다음으로, 피봇(Pivot) 전위()를 조정하고 전위의 일반적인 기울기 값으로부터 얻은 부식 전류와 피봇(Pivot) 점에서의 전위 값으로부터 얻은 매크로셀 전류의 차이의 절대값이 허용 값()보다 낮을 때까지 910 내지 950과정을 반복한다(960). 관련 내용은 아래의 <수학식 70>과 같다.Next, the pivot potential ( ) and the absolute value of the difference between the corrosion current obtained from the general slope value of the potential and the macrocell current obtained from the potential value at the pivot point is the allowable value ( ) Repeat steps 910 to 950 until lower than (960). The related information is shown in Equation 70 below.
다음과 같은 방식으로 파악한 시간 별 부식 전류 밀도 해석 결과는 도 10과 같다. 수치해석 방법으로 얻은 양극 전류 밀도를 활용하여 부식 깊이는 다음의 <수학식 71>의 방정식으로 추정할 수 있다.The corrosion current density analysis result for each time determined in the following way is shown in FIG. 10 . Using the anode current density obtained by the numerical analysis method, the corrosion depth can be estimated by the equation of Equation 71 below.
: 철근의 부식 깊이() : Corrosion depth of rebar ( )
Ⅱ. 부식 전류 밀도 산정을 통한 철근의 녹 생성량 산정II. Calculation of rust formation of rebar through corrosion current density calculation
철근 표면의 부식으로 인한 양극에서의 녹 생성률 ()은 페러데이 법칙에 근거한 녹 생성률과 관련이 있다. 산화 반응으로 인한 양극에서의 수산화 제2철() 생성률()은 아래의 <수학식 72>와 같다.The rate of rust formation at the anode due to the corrosion of the rebar surface ( ) is related to the rust formation rate based on Faraday's law. Ferric hydroxide at the anode due to the oxidation reaction ( ) generation rate ( ) is as shown in Equation 72 below.
: 수산화 제2철 생성률 () : Ferric hydroxide production rate ( )
: 반응 전하 량 ( ) : Reaction charge amount ( )
: 산화 반응으로 인한 전류 밀도() : Current density due to oxidation reaction ( )
생성된 제2 수산화 철은 추가적인 산화반응으로 인해 제3 수산화 철() 이 되며 1몰에 해당하는 제2 수산화 철과 제3 수산화 철의 질량 비를 통해서 제3 수산화 철에 의한 녹 생성률()을 아래의 <수학식 73>과 같이 구할 수 있다.The produced second iron hydroxide is tertiary iron hydroxide ( ), and the rust formation rate by iron tertiary hydroxide (through the mass ratio of
: 수산화 제2 철 생성률 () : Ferric hydroxide production rate ( )
이와 같이 부식으로 인해 철근 표면에 발생하는 전류 밀도를 산정함으로서 철근 주변에 형성되는 녹 생성률을 직관적으로 구할 수 있다.In this way, by calculating the current density generated on the surface of the reinforcing bar due to corrosion, the rate of rust formation around the reinforcing bar can be intuitively obtained.
이상에서 실시 형태들에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시 형태에 포함되며, 반드시 하나의 실시 형태에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시 형태에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시 형태들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의해 다른 실시 형태들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.The features, structures, effects, etc. described in the embodiments above are included in at least one embodiment of the present invention, and are not necessarily limited to only one embodiment. Furthermore, the features, structures, effects, etc. illustrated in each embodiment can be combined or modified with respect to other embodiments by those skilled in the art in the field to which the embodiments belong. Therefore, contents related to these combinations and variations should be construed as being included in the scope of the present invention.
또한, 이상에서 실시 형태를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시 형태의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 즉, 실시 형태에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.In addition, although the embodiment has been described above, this is only an example and does not limit the present invention, and those skilled in the art to the present invention pertain to the above to the extent that does not deviate from the essential characteristics of the present embodiment. It will be appreciated that various modifications and applications not exemplified are possible. That is, each component specifically shown in the embodiment can be implemented by modifying it. And differences related to these modifications and applications should be construed as being included in the scope of the present invention as defined in the appended claims.
Claims (10)
모델링된 상기 철근 콘크리트 구조물에 철근의 부식에 영향을 미치는 부식 인자 별로 침투 방정식을 적용하여 유한 요소 방식의 수치 해석을 수행함으로서 고압의 침지 환경에서 상기 부식 인자의 콘크리트 침투로 인한 침투 경향을 분석하는, 부식 인자의 침투 경향 분석 단계; 및
분석된 상기 침투 경향을 기초로 상기 철근의 부식 정도를 유한 요소 방식의 수치 해석을 통해 파악하고, 상기 철근의 부식으로 인한 녹 생성량을 산정하는, 부식률 및 녹 생성량 산정 단계;
를 포함하고,
상기 부식 인자의 침투 경향 분석 단계는,
상기 부식 인자가 산소이면, 상기 철근 콘크리트 구조물의 콘크리트 표면으로부터 상기 철근의 표면까지 침투하는데 걸리는 시간에서는 상기 철근 주변의 공극 속의 의 분자량을 부식에 필요한 산소량으로 결정하고, 상기 철근 표면에 최초로 도달한 후 상기 철근 전체에 침투하기까지의 시간에서는 상기 공극 속 물과 기체의 비를 1:1로 설정한 후 상기 공극 속의 와 의 분자량을 상기 부식에 필요한 산소량으로 결정하고, 상기 철근 전체 침투 후의 시간에서는 물 속의 용존 산소량에 기초하여 상기 공극 속의 와 의 분자량을 상기 부식에 필요한 산소량으로 결정하는, 고압의 침지 환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 방법.
A modeling and lattice forming step of determining the modeling of the reinforced concrete structure and forming a lattice for finite element analysis;
By applying the penetration equation for each corrosion factor affecting the corrosion of the reinforced concrete structure to the modeled reinforced concrete structure and performing numerical analysis of the finite element method, the penetration tendency due to the penetration of the corrosion factor into concrete in a high-pressure immersion environment. Analyze, Penetration trend analysis step of corrosion factors; and
A corrosion rate and rust generation amount calculation step of figuring out the degree of corrosion of the reinforcing bar through numerical analysis of a finite element method based on the analyzed penetration tendency, and calculating the rust generation amount due to the corrosion of the reinforcing bar;
including,
The step of analyzing the penetration tendency of the corrosion factor,
If the corrosion factor is oxygen, in the time taken to penetrate from the concrete surface of the reinforced concrete structure to the surface of the reinforcing bars, in the voids around the reinforcing bars The molecular weight of is determined by the amount of oxygen required for corrosion, and in the time from reaching the surface of the reinforcing bar for the first time to penetrating into the entire reinforcing bar, the ratio of water and gas in the void is set to 1: 1, and then in the void Wow The molecular weight of is determined by the amount of oxygen required for the corrosion, and at the time after penetration of the entire reinforcing bar, based on the amount of dissolved oxygen in the water, Wow A method for predicting reinforcement corrosion of a reinforced concrete structure exposed to a high-pressure immersion environment, which determines the molecular weight of as the amount of oxygen required for the corrosion.
상기 부식 인자의 침투 경향 분석 단계는, 시간에 따른 상기 부식 인자의 침투 깊이와, 상기 침투 깊이로 인해 상기 대상 철근 콘크리트 구조물의 공극 속에 존재하는 상기 부식 인자의 농도를 산정하고, 어느 특정 시점에 상기 철근의 부식이 발생할지를 분석하는,
고압의 침지 환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 방법.
According to claim 1,
In the step of analyzing the penetration tendency of the corrosion factor, the penetration depth of the corrosion factor over time and the concentration of the corrosion factor present in the pores of the target reinforced concrete structure due to the penetration depth are calculated, and the To analyze whether corrosion of rebar will occur,
A method for predicting steel corrosion in reinforced concrete structures exposed to high-pressure immersion environments.
모델링된 상기 철근 콘크리트 구조물에 철근의 부식에 영향을 미치는 부식 인자 별로 침투 방정식을 적용하여 유한 요소 방식의 수치 해석을 수행함으로서 고압의 침지 환경에서 상기 부식 인자의 콘크리트 침투로 인한 침투 경향을 분석하는, 부식 인자의 침투 경향 분석 단계; 및
분석된 상기 침투 경향을 기초로 상기 철근의 부식 정도를 유한 요소 방식의 수치 해석을 통해 파악하고, 상기 철근의 부식으로 인한 녹 생성량을 산정하는, 부식률 및 녹 생성량 산정 단계;
를 포함하고,
상기 부식 인자의 침투 경향 분석 단계는,
상기 부식 인자가 수분이면, 수분과 콘크리트가 압력에 의해 물리적 탄성 변형을 일으키는 점을 다르시의 법칙에 추가한 침투 확산류 방정식에 기초하여, 상기 고압의 침지 환경에서 시간에 따른 상기 철근 콘크리트 구조물로 침투하는 수분의 침투 깊이를 분석하고,
상기 침투 확산류 방정식의 변수는, 상기 철근 콘크리트 구조물의 표면에 압력이 가해지는 시간 및 상기 수분의 침투 깊이인,
고압의 침지 환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 방법.
A modeling and lattice forming step of determining the modeling of the reinforced concrete structure and forming a lattice for finite element analysis;
By applying the penetration equation for each corrosion factor affecting the corrosion of the reinforced concrete structure to the modeled reinforced concrete structure and performing numerical analysis of the finite element method, the penetration tendency due to the penetration of the corrosion factor into concrete in a high-pressure immersion environment. Analyze, Penetration trend analysis step of corrosion factors; and
A corrosion rate and rust generation amount calculation step of figuring out the degree of corrosion of the reinforcing bar through numerical analysis of a finite element method based on the analyzed penetration tendency, and calculating the rust generation amount due to the corrosion of the reinforcing bar;
including,
The step of analyzing the penetration tendency of the corrosion factor,
If the corrosion factor is moisture, penetration into the reinforced concrete structure over time in the high-pressure immersion environment is based on the penetration diffusion flow equation in which moisture and concrete cause physical elastic deformation by pressure to Darcy's law. Analyze the penetration depth of moisture to
The variables of the penetration diffusion flow equation are the time at which pressure is applied to the surface of the reinforced concrete structure and the penetration depth of the moisture,
A method for predicting steel corrosion in reinforced concrete structures exposed to high-pressure immersion environments.
상기 부식 인자가 염화물이면, 프로인드리히(Freundlich) 등온 흡착식에 기초하여 수분 침투에 따른 자유 염화물 농도를 산정하고, 한계 pH와 염화물 농도 관계식에 기초하여 상기 철근의 부식에 영향을 주는 염화물 농도 값을 산정하는,
고압의 침지 환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 방법.
The method of claim 3, wherein the step of analyzing the penetration tendency of the corrosion factor,
If the corrosion factor is chloride, the free chloride concentration according to water permeation is calculated based on the Freundlich isothermal adsorption equation, and the chloride concentration value affecting the corrosion of the reinforcing bar is based on the limit pH and chloride concentration relational expression to calculate,
A method for predicting steel corrosion in reinforced concrete structures exposed to high-pressure immersion environments.
상기 유한 요소 방정식을 뉴마크 베타법을 활용하여 직접 적분하여 시간에 따른 상기 철근 콘크리트 구조물의 내부 압력 분포를 결정하는,
고압의 침지 환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 방법.
The method of claim 3, wherein the step of analyzing the penetration tendency of the corrosion factor,
Determining the internal pressure distribution of the reinforced concrete structure over time by directly integrating the finite element equation using the Newmark beta method,
A method for predicting steel corrosion in reinforced concrete structures exposed to high-pressure immersion environments.
모델링된 상기 철근 콘크리트 구조물에 철근의 부식에 영향을 미치는 부식 인자 별로 침투 방정식을 적용하여 유한 요소 방식의 수치 해석을 수행함으로서 고압의 침지 환경에서 상기 부식 인자의 콘크리트 침투로 인한 침투 경향을 분석하는, 부식 인자의 침투 경향 분석 단계; 및
분석된 상기 침투 경향을 기초로 상기 철근의 부식 정도를 유한 요소 방식의 수치 해석을 통해 파악하고, 상기 철근의 부식으로 인한 녹 생성량을 산정하는, 부식률 및 녹 생성량 산정 단계;
를 포함하고,
상기 부식률 및 녹 생성량 산정 단계는, 상기 철근의 부식률 산정 단계와 상기 철근의 녹 생성량 산정 단계를 포함하고,
상기 철근의 부식률 산정 단계는,
콘크리트의 전기 저항을 산정하는 단계;
네른스트 방정식에 기초하여 상기 철근의 평형 전극 전위를 산정하는 단계;
활성화 분극과 농도 분극에 기초하여 상기 철근의 부식으로 인해 발생하는 부식 전위와 상기 부식 전위에 따른 부식 전류 밀도를 산정하는 단계; 및
상기 부식 전위와 상기 부식 전류 밀도에 기초하여 상기 철근의 부식률을 산정하는 단계;를 포함하는,
고압의 침지 환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 방법.
A modeling and lattice forming step of determining the modeling of the reinforced concrete structure and forming a lattice for finite element analysis;
By applying the penetration equation for each corrosion factor affecting the corrosion of the reinforced concrete structure to the modeled reinforced concrete structure and performing numerical analysis of the finite element method, the penetration tendency due to the penetration of the corrosion factor into concrete in a high-pressure immersion environment. Analyze, Penetration trend analysis step of corrosion factors; and
A corrosion rate and rust generation amount calculation step of figuring out the degree of corrosion of the reinforcing bar through numerical analysis of a finite element method based on the analyzed penetration tendency, and calculating the rust generation amount due to the corrosion of the reinforcing bar;
including,
The step of calculating the corrosion rate and the amount of rust production includes the step of calculating the corrosion rate of the reinforcing bar and the step of calculating the rust production amount of the reinforcing bar,
The step of calculating the corrosion rate of the reinforcing bar,
Calculating the electrical resistance of concrete;
Calculating the equilibrium electrode potential of the rebar based on the Nernst equation;
Calculating a corrosion potential generated by corrosion of the reinforcing bar and a corrosion current density according to the corrosion potential based on the activation polarization and the concentration polarization; and
Calculating the corrosion rate of the reinforcing bar based on the corrosion potential and the corrosion current density; including,
A method for predicting steel corrosion in reinforced concrete structures exposed to high-pressure immersion environments.
상기 부식 전위와 상기 부식 전류 밀도를 산정하는 단계는,
피봇(Pivot) 점을 선택하고 피봇 전위와 필수 경계 조건을 할당하는 제1 단계;
초기 전위 분포를 예측하는 제2 단계;
환원 분극에 따라 발생하는 캐소드 과전압과 전류 밀도의 관계식에 기초하여 경계에서의 매크로셀 전류를 연산하고 자유 경계 조건을 설정하는 제3 단계;
상기 자유 경계 조건으로부터 전체 전위 분포를 연산하는 제4 단계;
수렴 테스트를 통해 얻은 표준 값이 허용 한계 값보다 낮아질 때까지 상기 제1 내지 제4 단계를 반복하는 제5 단계; 및
상기 표준 값이 상기 허용 한계 값보다 낮아지면, 상기 피봇 전위를 조정하고, 상기 부식 전류와 상기 피봇 점에서의 전위 값으로부터 얻은 상기 매크로셀 전류의 차이의 절대값이 허용 값보다 낮을 때까지 상기 제1 내지 제5 단계를 반복하는 제6 단계;
를 포함하는, 고압의 침지 환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 방법.
According to claim 7,
Calculating the corrosion potential and the corrosion current density,
A first step of selecting a pivot point and assigning a pivot potential and essential boundary conditions;
a second step of predicting an initial potential distribution;
A third step of calculating a macrocell current at a boundary based on a relational expression between a cathode overvoltage and a current density generated according to reduction polarization and setting a free boundary condition;
a fourth step of calculating an overall potential distribution from the free boundary conditions;
a fifth step of repeating the first to fourth steps until the standard value obtained through the convergence test is lower than the tolerance limit value; and
When the standard value is lower than the allowable limit value, the pivot potential is adjusted, until the absolute value of the difference between the corrosion current and the macrocell current obtained from the potential value at the pivot point is lower than the allowable value. a sixth step of repeating steps 1 to 5;
Rebar corrosion prediction method of reinforced concrete structures exposed to a high-pressure immersion environment comprising a.
상기 철근의 녹 생성량 산정 단계는 상기 부식 전류 밀도에 기초하여 상기 철근 주변에 형성되는 녹 생성율을 산정하는,
고압의 침지 환경에 노출된 철근 콘크리트 구조물의 철근 부식 예측 방법.
According to claim 7,
The step of calculating the rust generation amount of the reinforcing bar calculates the rust generation rate formed around the reinforcing bar based on the corrosion current density,
A method for predicting steel corrosion in reinforced concrete structures exposed to high-pressure immersion environments.
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