KR101528893B1 - 해양 콘크리트 구조물의 복합열화 모의시험 방법 - Google Patents

해양 콘크리트 구조물의 복합열화 모의시험 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 시뮬레이션 프로그램이 내장된 컴퓨터를 이용하여 수행되는 해양 콘크리트 구조물의 복합열화 모의시험 방법에 관한 것으로서, 해양 콘크리트 구조물의 단면 형상을 격자구조로 모델링하는 제1단계; 모델링된 격자구조의 노드(격자의 교차점) 별로 콘크리트 종류, 보수 및 복구 시점, 염분량, 및 단위시간을 입력하여 노드 각각의 값을 초기화하는 제2단계; 콘크리트 종류에 따른 염화물확산계수를 선정하여 각각의 노드에 부여하는 제3단계; 및, 각각의 노드에 부여된 염화물확산계수를 이용한 수치해석을 통하여 시점별로 각 노드의 염분량을 산출하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

해양 콘크리트 구조물의 복합열화 모의시험 방법{Simulation System of Deterioration of reinforced concrete structure in the marine environment}
본 발명은 염해만을 고려하는 경우뿐만 아니라 중성화 또는 동결융해를 복합적으로 고려한 염해를 구분하여 각 시나리오별로 해양 콘크리트 구조물의 노후화를 예측하는 모의시험 방법에 관한 것이다.
최근 시공되는 대형 구조물들은 원자재의 운송, 다량의 냉각수 공급 등의 이점들로 인하여 해안가에 시공되고 있는데, 해양에 위치한 콘크리트 구조물은 심각한 환경적 상태에 상시 접할 수밖에 상황이다.
따라서 해양 콘크리트 구조물의 심각한 환경에 대한 영향 및 정확한 사용 수명의 예측을 위한 다양한 방법들이 제시되고 있다.
이러한 구체적 방법 가운데 하나인 '원전 구조물의 통합적 수명관리시스템 및 그 방법(특허출원 제10-2009-0091301호)'은 해안가라는 열악한 사용 환경하에서 운영되고 있는 원자력발전소 구조물을 체계적으로 관리하기 위한 원전 구조물의 통합적 수명관리시스템에 관한 것으로서, 수명관리DB; 원전 구조물의 구조물이력데이터를 수명관리DB에 저장하고, 구조물이력데이터를 읽어오는 이력관리모듈; 원전 구조물의 열화현상데이터를 수명관리DB에 저장하고, 열화현상데이터를 읽어오는 열화자료관리모듈; 원전 구조물의 정밀점검결과데이터를 수명관리DB에 저장하고, 정밀점검결과데이터를 읽어오는 정밀점검관리모듈; 수명관리DB에 저장된 데이터를 읽어와서 원전 구조물의 건전성 수치를 산출하고, 산출된 건전성 수치를 수명관리DB에 저장하는 건전성평가모듈; 수명관리DB에 저장된 데이터를 읽어와서 원전 구조물의 내구성 및 예측수명을 산출하고, 산출된 내구성 및 예측수명을 수명관리DB에 저장하는 내구성예측모듈; 수명관리DB에 저장된 데이터를 읽어와서 원전 구조물의 보수물량을 산출하고, 보수공사 설계서를 생성하는 보수관리모듈; 및 웹화면을 통하여 각 모듈을 구동시키는 웹서버시스템;을 포함한다. 여기서 내구성예측모듈은 원전 구조물의 중성화에 대하여 수명관리DB에 저장된 데이터를 읽어와서 중성화 속도계수를 산정하여 설계수명에서의 중성화 깊이를 산출하고 중성화 측면에서 원전 구조물의 예측수명을 계산하며, 원전 구조물의 염해에 대하여 수명관리DB에 저장된 데이터를 읽어와서 염화물 확산계수를 산정하여 설계수명에서의 염화물 침투량을 산출하고, 염해의 측면에서 원전 구조물의 예측수명을 계산하는 것을 특징으로 한다.
그러나 이러한 선행기술은 선행기술은 한번 시공이 끝난 후 아무 처리를 하지 않을 경우의 노후화 예측은 가능하나, 보수나 복구공사를 했을 때에는 그 예측이 불가능하고, 콘크리트 구조물의 단면의 형상을 고려하지 않고 표면으로부터의 깊이 방향으로만 예측하는 한계가 있다.
이러한 한계점을 극복하기 위하여 창작된 본 발명의 목적은 다음과 같다.
첫째, 염해뿐만 아니라 중성화나 동결융해와 같은 복합 요인에 의한 콘크리트 구조물의 열화(노후화)를 예측할 수 있는 수단을 제공함을 본 발명의 목적으로 한다.
둘째, 콘크리트 구조물의 표면 보수 또는 일부 영역을 새로운 콘크리트로 대체하는 복귀가 이루어진 경우 콘크리트 구조물의 열화를 예측할 수 있는 수단을 제공함을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.
셋째, 콘크리트 구조물의 단면 형상을 세부 격자 구조로 모델링하여 각 격자의 교차점(노드)마다 염화물확산계수 및 염분량을 지정하고 그 변화량을 산출하여 콘크리트 구조물의 단면 내의 위치별로 정확한 열화 예측이 가능한 수단을 제공함을 본 발명의 또 다른 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위하여 창작된 본 발명의 기술적 구성은 다음과 같다.
본 발명은 시뮬레이션 프로그램이 내장된 컴퓨터를 이용하여 수행되는 해양 콘크리트 구조물의 복합열화 모의시험 방법에 관한 것으로서, 해양 콘크리트 구조물의 단면 형상을 격자구조로 모델링하는 제1단계; 모델링된 격자구조의 노드(격자의 교차점) 별로 콘크리트 종류, 보수 및 복구 시점, 염분량, 및 단위시간을 입력하여 노드 각각의 값을 초기화하는 제2단계; 콘크리트 종류에 따른 염화물확산계수를 선정하여 각각의 노드에 부여하는 제3단계; 및, 각각의 노드에 부여된 염화물확산계수를 이용한 수치해석을 통하여 시점별로 각 노드의 염분량을 산출하는 제4단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명의 구성에 따른 기술적 효과는 다음과 같다.
첫째, 염해뿐만 아니라 중성화나 동결융해와 같은 복합 요인에 의한 콘크리트 구조물의 염해(노후화)를 예측할 수 있다.
둘째, 콘크리트 구조물의 표면 보수 또는 일부 영역을 새로운 콘크리트로 대체하는 복귀가 이루어진 경우 콘크리트 구조물의 염해를 예측할 수 있다.
셋째, 콘크리트 구조물의 단면 형상을 세부 격자 구조로 모델링하여 각 격자의 교차점(노드)마다 염화물확산계수 및 염분량을 지정하고 그 변화량을 산출하여 콘크리트 구조물의 단면 내의 위치별로 정확한 염해 예측이 가능하다.
도1은 본 발명의 과정을 도시하는 블록도이다.
도2는 콘크리트 구조물의 단면을 격자로 모델링한 예시를 도시한다.
본 발명은 시뮬레이션 프로그램이 내장된 컴퓨터를 이용하여 수행되는 해양 콘크리트 구조물의 복합열화 모의시험 방법에 관한 것으로서 도1과 같은 과정으로 이루어진다. 시뮬레이션 프로그램은 아래의 각 과정을 수행할 수 있도록 작성된 것이며 컴퓨터 내부의 기록매체에 저장되어 작동된다.
즉 격자구조 모델링 과정, 초기화 과정, 염화물확산계수 선정 과정, 및 염분량 산출 과정으로 이루어지는데, 이하에서는 각 과정에 대하여 자세히 검토한다.
(1) 격자구조 모델링 과정
해양 콘크리트 구조물의 단면 형상을 격자구조로 모델링하는 과정이다.
이러한 격자구조 모델링은 시뮬레이션 대상이 되는 해양 콘크리트 구조물의 단면 전체에 대하여 이루어지며, 격자의 간격이 세밀할수록 해양 콘크리트 구조물의 실재 단면 형상에 근접하게 되고, 더욱 정밀한 분석이 가능하게 된다.
이러한 격자의 교차점을 노드(node)라고 하며 이러한 각각의 노드마다 염화물확산계수가 부여되고 각각의 노드마다 시점별 염분량이 산출된다.
(2) 초기화 과정
모델링된 격자구조의 노드(격자의 교차점) 별로 콘크리트 종류, 보수 및 복구 시점, 염분량, 및 단위시간을 입력하여 노드 각각의 값을 초기화하는 과정이다.
콘크리트의 종류를 입력하는 이유는 콘크리트의 종류(물성치)에 따라 염화물확산계수의 값이 달라지기 때문이다.
보수 및 복구 시점은 보수 또는 복구가 이루어질 시점을 말하는데, 여기서 보수는 콘크리트 구조물의 표면에 에폭시 코팅이나 기타 방법으로 피복을 하는 것을 말하고, 복구는 콘크리트의 표면을 일정 깊이까지 제거하고 해당 부위를 새로운 콘크리트로 채우는 작업을 말한다.
염분량은 콘크리트 구조물의 표면에 위치하는 노드는 해수와 직접 접촉하는 곳이므로 초기값을 특정값으로 지정하고, 콘크리트 구조물의 내부에 위치하는 노드에는 초기값을 '0'으로 지정한다.
단위시간(△t)은 시뮬레이션(모의 시험)이 이루어지는 시점과 시점 사이의 시간차를 말하는데 본 발명의 구체적 실시예에서는 1개월 단위로 시뮬레이션을 수행하였다.
이러한 초기화 과정에는 해양 콘크리트 구조물의 노후화 시나리오를 입력하는 과정이 더 포함될 수 있는데, 노후화 시나리오는 염해만의 고려한 염해 모의, 염해와 중성화를 함께 고려하는 중성화 모의, 및 염해와 동결융해를 함께 고려하는 동결융해 모의 가운데 어느 하나가 선택될 수 있으며, 이러한 노후화 시나리오에 따라 염화물확산계수가 달리 적용된다.
(3) 염화물확산계수 선정 과정
콘크리트 종류에 따른 염화물확산계수를 선정하여 각각의 노드에 부여하는 과정이다. 콘크리트 종류에 따른 염화물확산계수는 반복 실험을 통하여 미리 산정되어 데이터베이스화 되고, 초기화 과정에서 콘크리트 종류가 입력되면 입력된 콘크리트에 해당하는 염화물확산계수가 결정되어 각각의 노드에 부여된다.
여기서 염화물확산계수란 염화물이 시간당 얼마나 많이 침투할 것인가의 지표가 되는 계수를 의미한다.
염화물확산계수는 콘크리트의 시멘트 종류와 설계기준강도에 따라 달라지며, 시간(t)이 흐르면 점점 감소하는 것으로 알려져 있는데, 시점 t에서의 염화물확산계수(Dcl)은 다음과 같은 식(Maage's Equation)으로 표현된다.
Dcl(t) = Dr(tr/t)-m
여기서 Dr은 tr 시점에서의 염화물확산계수이고 다년간의 반복실험을 통하여 구하게 되는데, 사용자가 미리 적절한 Dr과 tr을 설정하여야 한다. 아울러 m은 실험적으로 결정되는데, 본 발명의 구체적 실시예에서는 물-시멘트 비율을 하는 경우 0.4 내지 2.5 범위 내의 값을 적용하였고, 물-시멘트 비율을 모를 경우에는 0.2를 적용하였다.
예를 들어 표1의 값을 이용하여 1개월 단위로 계산한다면, tr은 60이 되고(5년 * 12개월 = 60), OPC21 콘크리트의 경우 Dr = 0.40이 된다. 이러한 방법으로100년 동안의 노후화 과정을 1개월 단위로 예측한다면 그 시점에 맞는 염화물확산계수를 계산하여 사용하면 된다.
콘크리트의 종류 OPC21 OPC24 OPC30 SRC30 SRC32 TBC30
염화물확산계수(60개월째)
Unit X 10-8(cm2/s)
0.40
0.30
0.10
0.07
0.10
0.07
동결융해를 함께 고려하는 경우에는 이러한 염화물확산계수에 가중치를 곱하여 염화물확산계수의 값을 증가시키는 과정이 추가되어야 한다.
즉 염해만을 고려하는 경우에는 표1에 도시된 염화물확산계수를 그대로 이용하여 해당 시점에 맞는 염화물확산계수를 계산하여 사용하면 되고, 노후화 시나리오에 염해와 동결융해를 함께 고려하는 동결융해 모의가 선택된 경우 동결융해 영역에 해당하는 노드에 대하여 계산된 염화물확산계수에 미리 설정된 가중치를 곱하여 염화물확산계수를 증가시키는 과정이 추가된다. 이러한 가중치는 반복 실험을 통하여 얻어진 값을 사용한다.
예를 들어 동결융해의 경우 표2에 가중치가 예시되어 있는데, 계산된 염화물확산계수에 이러한 가중치를 곱하여 염화물확산계수를 증가시키게 된다. 즉 복합 요인에 의한 염해의 경우 염해의 진행속도가 그만큼 빨라지는 것이다.
콘크리트의 종류 OPC21 OPC24 OPC29.4 SRC39.4 SRC31.4 TBC31.4
가중치 1.821 1.75 1.7 1.814 1.754 1.6
중성화를 고려하는 경우에는 표1에 기재된 염화물확산계수를 사용하지 않고 중성화 영역에 대한 별도의 염화물확산계수를 사용한다. 즉 표1에 기재된 염화물확산계수에 가중치를 곱하는 것이 아니라 중성화 실험 결과치를 근거로 결정된 별도의 염화물확산계수를 사용하게 된다.
콘크리트의 종류 OPC21 OPC24 OPC30 SRC30 SRC32 TBC30
염화물확산계수(12개월째)
Unit X 10-8(cm2/s)
15.2
9.48
4.67
14.021
10.3
4.31
해양 콘크리트 구조물의 표면 보수가 이루어지는 시점이 도래하면 보수가 이루어진 해양 콘크리트 구조물의 표면에 위치하는 각 노드에서 계산된 염화물확산계수에 미리 설정된 감소계수를 곱하여 염화물확산계수를 감소시키게 된다.
여기서 표면 보수란 콘크리트 구조물의 표면에 에폭시 코팅이나 기타 방법으로 피복을 하는 것을 말하는데, 이러한 감소계수는 표면 보수에 사용된 피복의 유효기간 동안만 적용되며 이러한 감소계수는 피복되는 재료에 따라 값이 달라지는 것으로서 반복 실험을 통하여 얻어지는 값을 사용한다. 즉 유효기간이 경과한 시점부터는 계산된 염화물확산계수에 감소계수를 곱하지 않고 사용해야 한다.
해양 콘크리트 구조물의 일부 영역에서 복구(일정 영역의 콘크리트 제거 후 새로운 콘크리트를 타설)가 이루어지는 시점이 도래하면 복구가 이루어진 영역의 외표면에 위치하는 각 노드의 염분량을 미리 설정된 특정값으로 지정하여 초기화하고, 복구가 이루어진 영역의 내부에 위치하는 각 노드의 염분량은 '0'으로 재설정한다.
(4) 염분량 산출 과정
각각의 노드에 부여된 염화물확산계수를 이용한 수치해석을 통하여 시점별로 각 노드의 염분량을 산출하는 과정이다.
즉, 해당 노드의 특정 시점(t)에서의 염화물확산계수와 해당 노드의 주변을 둘러싸는 노드들의 특정 시점 직전의 시점(t-△t)에서의 염분량을 이용한 유한차분법 또는 유한요소법으로 해당 노드의 특정 시점(t)에서의 염분량을 계산하는 것이다.
예를 들어 단위시간을 1개월이라고 가정하고, 2개월이 지난 시점에서 도2에 도시된 노드(적색 표시) 염분량을 계산한다면 해당 노드(적색 노드)의 2개월 시점에서 계산된 염화물확산계수와 해당 노드를 둘러싸는 상하좌우 노드 4개 각각의 1개월 시점에서의 염분량을 이용하여 계산하는데, 이러한 과정을 계속 반복하면 각 노드의 염분량을 단위시간별로 계산할 수 있다.
염화물의 확산을 표현하는 Fick의 제2법칙은 아래의 수식과 같다.
Figure 112013111493489-pat00001
여기서 C는 염분량을 의미하고, D는 염화물확산계수를 의미한다.
이러한 수식을 2차원 평면(콘크리트 구조물의 단면)에서 풀기 위해 유한요소법 혹은 유한차분법을 사용할 수 있는데, 본 발명의 구체적 실시예에서는 유한차분법을 사용하였으며 그 내용은 다음과 같다.
Figure 112013111493489-pat00002
상기 도형에서 가운데 노드를 (m,n) 이라고 한다면 상하좌우의 노드들은 각각 (m, n+1), (m,n-1), (m-1,n), (m+1,n) 이 된다. 여기서 △x 와 △y는 동일하도록 하여 격자를 정사각형으로 만든다.
Fick의 수식을 유한차분법으로 풀기 위해 전개하면 아래와 같다.
Figure 112013111493489-pat00003
Figure 112013111493489-pat00004
여기서 C는 염분량, D는 염화물확산계수, t는 시점을 의미하는데, 예를 들어 1개월 단위로 계산을 한다면 오른쪽 항에서 10개월 때의 값을 이용해 11개월 지났을 때의 값을 구하게 된다.
상기한 바와 같이 본 발명의 구체적 실시예를 첨부도면을 참조하여 설명하였으나 본 발명의 보호범위가 반드시 이러한 실시예에만 한정되는 것은 아니며 본 발명의 기술적 요지를 변경하지 않는 범위 내에서 다양한 설계변경, 공지기술의 부가나 삭제, 단순한 수치한정 등의 경우에도 본 발명의 보호범위에 속함을 분명히 한다.

Claims (7)

  1. 해양 콘크리트 구조물의 복합열화 모의시험 방법에 관한 것으로서,
    해양 콘크리트 구조물의 단면 형상을 격자구조로 모델링하는 제1단계;
    모델링된 격자구조의 노드(격자의 교차점) 별로 콘크리트 종류, 보수 및 복구 시점, 염분량, 및 단위시간을 입력하여 노드 각각의 값을 초기화하는 제2단계;
    콘크리트 종류에 따른 염화물확산계수를 선정하여 각각의 노드에 부여하는 제3단계; 및,
    각각의 노드에 부여된 염화물확산계수를 이용한 수치해석을 통하여 시점별로 각 노드의 염분량을 산출하는 제4단계;
    를 포함하고,
    상기 제4단계는,
    해당 노드의 특정 시점(t)에서의 염화물확산계수와 해당 노드의 주변을 둘러싸는 노드들의 특정 시점 직전의 시점(t-△t)에서의 염분량을 이용한 유한차분법 또는 유한요소법으로 해당 노드의 특정 시점에서의 염분량을 계산하는 것을 특징으로 하는 해양 콘크리트 구조물의 복합열화 모의시험 방법.
  2. 해양 콘크리트 구조물의 복합열화 모의시험 방법에 관한 것으로서,
    해양 콘크리트 구조물의 단면 형상을 격자구조로 모델링하는 제1단계;
    모델링된 격자구조의 노드(격자의 교차점) 별로 콘크리트 종류, 보수 및 복구 시점, 염분량, 및 단위시간을 입력하여 노드 각각의 값을 초기화하는 제2단계;
    콘크리트 종류에 따른 염화물확산계수를 선정하여 각각의 노드에 부여하는 제3단계; 및,
    각각의 노드에 부여된 염화물확산계수를 이용한 수치해석을 통하여 시점별로 각 노드의 염분량을 산출하는 제4단계;
    를 포함하고,
    상기 제2단계에는,
    해양 콘크리트 구조물의 노후화 시나리오를 입력하는 과정이 더 포함되되,
    상기 노후화 시나리오는,
    염해만의 고려한 염해 모의, 염해와 중성화를 함께 고려하는 중성화 모의, 및 염해와 동결융해를 함께 고려하는 동결융해 모의 가운데 어느 하나가 선택되는 것을 특징으로 하는 해양 콘크리트 구조물의 복합열화 모의시험 방법.
  3. 제2항에서,
    상기 노후화 시나리오에 염해와 동결융해를 함께 고려하는 동결융해 모의가 선택된 경우 상기 제3단계에는,
    중성화 영역 또는 동결융해 영역에 해당하는 노드의 염화물확산계수에 미리 설정된 가중치를 곱하여 염화물확산계수를 증가시키는 과정;
    이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 해양 콘크리트 구조물의 복합열화 모의시험 방법.
  4. 제2항에서,
    상기 노후화 시나리오에 염해와 중성화를 함께 고려하는 중성화 모의가 선택된 경우 상기 제3단계에는,
    염해만을 고려한 경우의 염화물확산계수와는 별개의 중성화에 대한 염화물확산계수가 적용되는 것을 특징으로 하는 해양 콘크리트 구조물의 복합열화 모의시험 방법.
  5. 제1항 내지 제4항 가운데 어느 한 항에서,
    제3단계에는,
    해양 콘크리트 구조물의 표면 보수가 이루어지는 시점이 도래하면 보수가 이루어진 해양 콘크리트 구조물의 표면에 위치하는 각 노드의 염화물확산계수에 미리 설정된 감소계수를 곱하여 염화물확산계수를 감소시키는 과정;
    이 더 포함되되, 이러한 감소계수는 표면 보수에 사용된 피복의 유효기간 동안만 적용되는 것을 특징으로 하는 해양 콘크리트 구조물의 복합열화 모의시험 방법.
  6. 제1항 내지 제4항 가운데 어느 한 항에서,
    제3단계에는,
    해양 콘크리트 구조물의 일부 영역에서 복구(일정 영역의 콘크리트 제거 후 새로운 콘크리트를 타설)가 이루어지는 시점이 도래하면 복구가 이루어진 영역의 외표면에 위치하는 각 노드의 염분량을 미리 설정된 특정값으로 지정하여 초기화하고, 복구가 이루어진 영역의 내부에 위치하는 각 노드의 염분량은 '0'으로 재설정하는 과정;
    이 더 포함되는 것을 특징으로 하는 해양 콘크리트 구조물의 복합열화 모의시험 방법.
  7. 삭제
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