제13회원자력안전기술정보회의 2007.4.10~11 원자력시설콘크리트구조물의...

제13회 원자력안전기술정보회의

2007.4.10~11

원자력시설 콘크리트 구조물의

내구성 확보를 위한 규제입장

원자력시설 콘크리트 구조물의

내구성 확보를 위한 규제입장

윤 의 식

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발표순서

□ 기술적 배경

□ 국내ᆞ외 콘크리트 구조물 내구성설계 기술기준� 미 국 : ACI Code, ACI Committee 기준, ACI Life 365 Program

� 유 럽 : CEB-FIP New Approach 97, DuraCrete

� 일 본 : JSCE, JCI, JASS

� 국 내 : 콘크리트 표준시방서[내구성편], 지하철구조물 내구성설계지침

□ 국내ᆞ외 콘크리트 구조물 내구성설계 적용사례

□ 원자력시설 콘크리트 구조물 내구성확보를 위한 규제입장

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기술적 배경

□ 내구성(Durability)이란?

� ACI Committee 201

• Ability to resist weathering action, chemical attack, abrasion, or any other process of deterioration

� 콘크리트 표준시방서(내구성편)

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

□ 열화(Deterioration, Aging, Degradation)� 구조물의 재료적 성질 또는 물리, 화학, 기후적 또는 환경적인 요인에 의해

주로 시공 이후 장기적으로 발생하는 내구성능 저하현상

내구성설계 관련 용어 설명

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기술적 배경내구성설계 관련 용어 설명

□ 내구성능(Durability performance)� 구조물의 성능을 사용기간 내에 요구수준 이상으로 유지하는 성능

□ 목표내구수명(Intended service life)� 해당 구조물의 중요도, 규모, 종류, 사용기간, 유지관리수준 및 경제성 등을

고려하여 설정된 구조물이 내구 성능을 유지해야 하는 기간� 구조물이 파괴되는 것을 의미하는 기간은 아님

□ 설계내구수명(Designed service life)� 콘크리트 구조물이 한계열화상태에 이르기까지의 기간

□ 한계열화상태(Limit deterioration state)� 열화가 발생하는 기준점에 도달한 상태

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기술적 배경

저하요인 - 각종 열화요인 작용

염해, 동결융해, 탄산화, 화학적 침식, AAR 등

연장요인 - 유지관리 : 보수ᆞ보강, 도장, 코팅 등

결정요인 - 설계 : 사용재료, 부재단면, 철근배근, 구조성능 등

- 시공 : 배합, 타설, 양생, 수화열, 건조수축 등

콘크리트 구조물의 내구수명

내구구명 영향인자

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기술적 배경

from Basheer et al. “Predictive models for deterioration of concrete structures ”, 1996

Contribution of various mechanisms affecting durability

콘크리트 구조물의 주요 열화요인

Corrosion, 15

Chloride attack, 16

Carbonation, 16

Sulfate attack, 9

Chemical Attack, 3

Acid attack, 2

Alkali attack, 2

AAR, 8

Abrasion, 3

Freeze-thaw, 13

Cracking, 7

Salt attack, 5Leaching, 1

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기술적 배경내구성설계 필요성

□ 시간경과에 따라 철근부식 등 콘크리트 구조물의 열화ᆞ손상 발생� 설계당시 설계기준을 만족시켰음에도 성능저하 발생

� 특히, 원자력시설은 해수의 직ᆞ간접적 영향을 받거나, 지중에 설치되어 심한 열화환경에 노출

☞ 구조성능 위주의 안전성설계 이외의 다른 설계개념 필요성 및 유지관리 필요성 시사

□ 원자력시설 콘크리트 구조물의 설계수명 증가� 신고리 3,4호기 등 APR 1400 신형경수로 설계수명 증가(표준형 40년 → 신형경수로 60년)

� 중저준위 폐기물 처분시설 사일로 설계수명 60년(폐쇄 후에도 공학적 방벽으로의 기능 수행 요구)

� 가동중 원전의 계속운전 본격화에 따른 구조물 설계수명 연장

□ 가동중 접근불가지역에 대한 유지관리 곤란� 신고리 3,4호기 심층 취ᆞ배수 구조물, 지중 구조물 등

� 중저준위 폐기물 처분시설 폐쇄후 가동중 접근 곤란

구조물 내구성능 확보를 위한 내구성설계의 필요성 대두☞ 국내ᆞ외 기술기준 확립 → 콘크리트 구조물 설계시 내구성설계 수행

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내구성설계 기술기준

□ 콘크리트 구조물의 내구성 설계� 콘크리트 구조물의 내구연한에 대한 명백한 규정이 없음

� 구조설계의 일부분으로 취급하고, 내구성 확보를 위한 일반 지침 제시

□ 동결융해에 노출된 경우� 동결융해 및 제빙제에 노출되는 경우(보통 및 경량콘크리트)의 공기량

• 타설시 공기량 허용오차 : ± 1.5% 이내

• 5000psi 이상의 고강도 콘크리트 : 위의 표에 제시된 값에서 1% 감소 가능

ACI 318-02 & 349-01 Code

6.05.5

5.04.5

4.54.03.5

7.57.0

6.06.0

5.55.04.5

3/81/2

3/41

1-1/223

Moderate ExposureSevere Exposure

Air Content (%)Nominal Max. Aggregate Size (inch)

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� 특수 노출조건에 대한 요건(보통골재 사용 콘크리트)

� 제빙제에 노출된 콘크리트에 대한 혼화재량 제한치

5000 0.40제빙제, 염, 소금물, 해수에 노출되거나 이들이 살포된콘크리트의 철근 부식방지 대책

45000.45습한 상태에서 동결융해 또는 제빙제에 노출된 콘크리트

40000.50물에 노출되었을 때 낮은 투수성이 요구되는 콘크리트

최소 설계기준강도(psi)

최대 물-결합재비(중량비)

노 출 상 태

35실리카흄, 플라이애쉬 및 기타 포졸란 전체

50실리카흄, 슬래그, 플라이애쉬 및 기타 포졸란 전체

10ASTM C 1240에 적합한 실리카흄

50ASTM C 989에 적합한 슬래그

25ASTM C 618에 적합한 플라이애쉬 또는 포졸란

전체 결합재 중의 최대 혼입률(wt. %)결 합 재 (혼 화 재)

ACI 318-02 & 349-01 Code 내구성설계 기술기준

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□ 황산염을 함유한 용액에 노출된 콘크리트에 대한 요건(보통골재 사용)

45000.45V + Pozzolan3)10,000 초과2.0 초과매우 심함

45000.45V1,500~10,0000.20~2.0심 함

40000.50

II, IP(MS),

P(MS)

I(PM)(MS)

I(SM)(MS)

150~1,5000.1~0.2보 통2)

－-－0~1500.0~0.1무 시

최소 설계강도

fc’ (psi)

최대 물-결합재비

(중량비)1)시멘트의 종류

물 속의 황산염

SO4 (ppm)

토양 중 물에

녹은 황산염 SO4

(wt.%)

황 산 염

노출정도

1) 수밀성 향상, 침식에 의한 매입물질의 보호, 또는 동결융해에 저항하기 위해서는 보다 낮은 W/B나 고강도가 요구됨.

2) 바닷물

3) V종 시멘트가 포함된 콘크리트에 사용될 때, 황산염에 대한 저항을 개선시킬 수 있다는 사실과 실험에 의해 증명된

포졸란

ACI 318-02 & 349-01 Code

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□ 철근의 부식방지를 위한 최대 염화물이온량

� 재령 28~42일 사이의 경화콘크리트의 수용성 최대 염화물농도

• 염화물이온농도 시험 : ASTM C 1218

� 기 타

부재의 종류 및 노출 환경조건에 따라 철근 피복두께 및 허용균열폭 규정

0.30기타 철근콘크리트 구조

1.00사용시 건조한 상태이거나 습기로부터 보호된

철근콘크리트 구조

0.15사용시 염화물에 노출된 철근콘크리트 구조

0.06프리스트레스트 콘크리트 구조

콘크리트 중의 최대 수용성 염화물이온(Cl-)

시멘트에 대한 중량비(%)부재의 종류 및 환경조건

ACI 318-02 & 349-01 Code

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□ ACI 201.2R-92(Guide to Durable Concrete)

� 콘크리트가 동결융해, 화학적 침식, 마모 및 AAR 등에 의해 영향을 받는 경우의열화 메카니즘과 이에 따라 요구되는 대책 제시

� 철근부식 및 콘크리트 구조물이 손상된 경우의 보수과정, 내구성 향상을 위한 보호체계 제시

� 동결융해 및 화학적 침식을 받는 경우

• 동해나 화학적 침식에 의한 손상과정, 주의사항 및 대책 등 제시

• 콘크리트의 내구성 확보대책 : ACI 318-02 및 ACI 349-01 Code와 동일

� 기타의 경우

• 침식작용에 의한 콘크리트 표면마모, 철근부식 및 골재의 화학반응 등에 의한 콘크리트구조물의 성능저하에 대해서도 손상과정, 주의사항 및 대책 제시

□ ACI 210R-93(Erosion of Concrete in Hydraulic Structures)

� 수리구조물의 침식(Erosion)에 대한 원인, 제어 및 유지관리에 대한 사항 제시

� 침식원인 : 공동현상(Cavitation), 표면마모(Abrasion), 화학적 침식 등

� 설계요인, 재료의 선정ᆞ품질, 환경요소 및 기타 요인 고려를 통한 제어방안 제시

기타 ACI Committee

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□ ACI 350-01(Code Requirements for Environmental Engineering Concrete Structures)

� 콘크리트 탱크, 저수지 및 기타 수처리 구조물의 설계, 재료선정 및 시공 유의사항 제시

� 특히 화학적 침식 억제를 위한 콘크리트 재료선정, 배합설계방법 및 최소피복두께 제시

□ ACI 357R-84(Guide for the Design & Construction of Fixed Offshore Con’c Structures)

� 해양구조물의 환경조건별 내구성 확보방안(콘크리트 재료선정 및 배합방법 등) 제시

• Submerged Zone : 지속적으로 해수에 침수되어 있는 구역

• Splash Zone : 지속적으로 건습이 반복되는 구역

• Atmospheric Zone : 해수 포말의 영향을 받는 대기 구역

� 해양구조물용 시멘트 : C3A 함량 4~6%의 OPC, 또는 혼합시멘트 사용

� 철근콘크리트 구조물의 최대 염화물량 : 0.10%

– ACI 318 & ACI 349 Code의 0.15% 보다 엄격

� 최대 물-결합재비

• Splash Zone & Atmospheric Zone : 0.40 이하

• Submerged Zone : 0.45 이하

� 재령 28일 설계기준강도 : 노출조건에 관계없이 5000psi 이상

기타 ACI Committee

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1. 부식 개시시간 예측

2. 부식 허용수준 초과시간 예측

3. 초기 보수 후 보수계획 결정

4. Life-Cycle Cost 평가

해석수행 4단계

1. 확산에 의한 염화물 침투 예측

- 시간의존성 고려

- 온도변화에 따른 고려

부식 개시시간 예측

1. 지리적인 위치

2. 구조물의 종류 및 노출환경

3. 철근 피복두께

4. 구조물 구성요소 (W/B, 혼화재 등)

입력 인자해석시 가정사항

1. 재료는 균질

2. 표면농도는 시간에 따라 일정

3. Time Step 동안의 요소 성질 일정

4. 확산계수는 요소깊이에 따라 일정

내구성설계 기술기준ACI Life 365 Program

• ACI 365 Committee(Service Life Prediction 관련)에서 제시한 내구성설계 프로그램

• 결정론적 방법에 의한 내구성설계

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□ 콘크리트 구조물의 내구성설계 개요

� 일반적인 내구성설계 과정 확립을 위해 내구한계상태에 대한 정량화 및 확률론적 접근방법 제시

� 중성화에 대해서만 3가지 수준에서의 내구성설계방법 예시

� 내구설계방법을 구조설계와 동일 수준으로 확립하기 위해서는 많은 추가 연구 필요

□ 내구한계상태(Durability Limit State)

� 의도된 사용기간 개념(Intended Service Period Concept)

• 설계사용기간 중에 일정한 신뢰성을 가지는 극한상태에 도달하지 않는다는 것

Pf,t : 0 ~ T 기간내에 구조물이 파괴될 확률, T : 의도된 사용기간

� 수명개념(Lifetime Concept)

• 구조물의 신뢰성은 설계수명이 초과되는 확률과 관계됨.

• 수명개념은 하중설계에 대한 확률식을 수명함수로 변환해야 함.

L : 구조물의 수명

CEB-FIP New Approach 97

Pf,t = P[R(t) - S(t) ＜ 0]T ＜ Ptarget

L = f(R, S)

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□ 사용목적에 따른 모델링의 정의 및 모델수준� 환경의 분류

� 내구성설계를 위한 모델수준

특정 콘크리트 표면의 기후조건Micro Climate

구조물 주위의 기후조건Local Climate

구조물이 위치한 지역의 기후조건Regional Climate


콘크리트와 환경조건 사이의 상호작용을 설명하

는 물리ᆞ화학적 모델을 사용한 설계Micro-Level Design

단순화된 공학적 모델을 사용한 설계

(요구되는 피복두께 계산 등)Meso-Level Design

안전하다고 여겨지는 규정 적용

(최소 단위시멘트량, 최대 물-결합재비 등)Macro-Level Design

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□ 내구성설계 절차

� 콘크리트의 품질

� 지배환경의 설정

� 한계상황의 설정


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� 열화모델

- CO2

- Cl-

- Corrosion

- AAR

- Sulfate Attack

- Frost

- Salt Scaling

재 령

시 작 진 행

사용수명

열화

허용한계

min. Cover (최소피복두께)

max. Dcl (최대염분확산계수)

CO

H O

O

Cl

2

2

2

-

DuraCrete

□ DuraCrete European Research Project (1996~1999)� 확률론적 성능기반 내구성 설계방법� FIB Model Code로 채택

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1. 한계상태의 선택

2. 염소이온 확산모델의 선택

3. 통계적 설계변수의 정량화

� 시멘트종류, 혼화재료 종류

� W/C, 배합비

� 확산계수 결정

� 기타 설계변수의 선택

4. 부식개시확률 만족 때까지 반복해석

DuraCrete

DuraCrete 설계순서

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□ 개 념

� 목표내구연한 동안 콘크리트 구조물의 내구성을 보증하기 위하여 설계, 시공 및 유지관리에

이르는 내구지수를 정량화된 점수로 환산한 후,

� 구조물에 대해 계산된 내구지수(Tp)가 목표 내구연한 동안 구조물에 작용하는 환경지수(Sp)

보다 크게 설계

Tp ≧ Sp

□ 환경지수(S0)

구조물이 위치하는 환경조건 및 요구되는 기본 유지관리기간(Maintenance Free)을 고려해 정함.

즉, 표준환경조건을 기초로 95% 신뢰도로 50년간 유지관리가 불필요한 콘크리트를 내구적인 콘

크리트 구조물로 정함.

Sp = S0 + ∑(ΔSp)

S0 : 표준적인 환경조건 하에서의 환경지수값

ΔSp : 염해 및 동결융해작용의 영향이 심한 환경조건에 대한 환경지수 증가값

JSCE 내구성 설계지침-본안(1995)

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□ 내구지수(Tp)

콘크리트 구조물의 내구성에 영향을 미치는 요인으로부터 정성적으로 얻을 수 있는 자

료를 집약하여 각 요인이 내구성에 미치는 영향 정도를 정량적으로 평가하여 정한 지수

Tp = 30 + ∑Tp(I, J), 여기서, Tp(I, J) : 내구성 Point

JSCE 내구성 설계지침-본안(1995)

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□ 개 념

� 구조물의 성능저하과정을 고려하여 염해 및 중성화에 대한 내구성설계방법 규정

� 기본 및 표준사양을 검토하여 설계조건을 설정한 후, 이에 따른 염해 및 중성화에

대한 설계내구연한(Ts)을 계산하여 Ts가 목표내구연한(Td) 이상이면 목표로 하는

내구연한 동안 구조물이 내구성을 유지하는 것으로 평가

Ts ≧ Td

□ 목표내구연한 (Td)

� 해당 콘크리트 구조물의 중요도, 규모, 종류, 사용기간, 유지관리 수준 및 경제성

등을 고려하여 설정된 구조물이 내구성을 유지해야 하는 기간

JSCE 내구성 설계지침-부록(1995)

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내구성설계 기술기준□ 설계내구연한(Ts)

� 콘크리트 구조물이 한계상태에 이르기까지의 기간, 즉 철근부식에 의해 유해한 균열

이 발생하기까지의 기간

Ts = Tcr + Tck

Tcr : 사용개시 후부터 철근이 부식되기까지의 기간

Tck : : 철근부식철근부식 후후 부식에부식에 따른따른 팽창압에팽창압에 의해의해 콘크리트에콘크리트에 균열이균열이 발생할발생할 때까지의때까지의 기간기간

JSCE 내구성 설계지침-부록(1995)

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내구성설계 기술기준□ 개 념

� 목표내구연한 동안 구조물의 내구성은 균열폭, 시공이음, 거푸집 종류, 양생기간

등과 같은 기본 설계ᆞ시공사항 및 중성화, 염해 정도를 고려해 평가

� 기본 및 표준사양을 검토해 설계조건을 설정한 후 열화깊이(Cde)가 등가 피복두께

(C) 이하 인지 비교하여 평가

Cde ≦ C

□ 열화깊이(Cde)

� 목표내구연한 동안 열화에 의해 콘크리트의 성능이 저하된다고 판단되는 깊이

여기서, Ax : 0.4(중성화), 1.3(염해), t : 목표내구연한(년)

Ex : 중성화 및 염해에 따른 환경계수, Qx : 중성화 및 염해에 따른 품질계수

QDC : 설계ᆞ시공에 따른 품질계수

JCI 내구성설계 지침안(1991)

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□ 등가 피복두께(C)

� 설계 피복두께에 대해 시공오차 및 표면마감재를 고려해 산출한 값으로써 열화에

대해 저항할 수 있는 콘크리트의 능력

C = C0 - Ce + Ca

C0 : 설계 피복두께, Ce : 시공오차에 의한 수정값, Ca : 표면마감재에 의한 가산값

JCI 내구성설계 지침안(1991)

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□ 개 념 : 각각의 열화인자에 대한 내구성평가 결과를 적용해 설계

� 열화인자 : 중성화, 염해, 동해, 알칼리-골재반응, 화학적 침식 및 기타 열화현상

□ 내구성설계 순서

설계내용연수 결정 → 설계열화외력 결정 → 설계한계상태 결정 → 내구성 설계

□ 설계열화외력 설정� 중성화 : 대기중 CO2 농도, 유황산화물/질소산화물 농도, 건물에 접한 흙 or 물의 탄산농도

� 염 해 : 건물이 놓여진 장소에서 건물의 각 면에 도달하는 염화물이온량 및 건물이 접하는

물의 염화물이온 농도

� 동 해 : 건물이 놓여진 장소에서 연간 동결융해횟수, 최저온도 및 콘크리트에 작용하는 수분

� AAR : 무해하다고 판정되지 않은 골재를 사용한 경우 각 건물면에 도달하는 알칼리이온량,

건물에 접하는 물의 알칼리이온 농도 및 콘크리트에 작용하는 수분

� 화학적침식 : 대기, 건물에 접하는 흙이나 물에 포함된 산성물질 및 부식성 물질의 농도

� 기 타 : 신뢰할 수 있는 자료에 의함

JASS 내구성설계시공지침안(2004)

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내구성설계 기술기준□ 설계한계상태 결정 : 구조안전성, 사용성, 수복성(修復性)

� 구조안전성

• 설계한계상태

철근부식 or 콘크리트의 열화에 의해서 구조체 및 부재가 보유한 축방향내력, 휨내력 및

전단내력이 각각 설계축력, 설계휨모멘트 및 설계전단력 이하가 될 때

• 유지보전한계상태

철근부식 or 콘크리트의 열화에 의해서 구조체 및 부재가 보유한 축방향내력, 휨내력

및 전단내력의 저하가 일어나는 상태에 도달할 때

� 사용성

• 사용안전성

– 설계한계상태 : 철근부식 및 콘크리트의 열화에 의해 콘크리트 덮개의 들뜸, 박락이 일어날 때

또는 마감재에 들뜸, 박락이 일어날 때

– 유지보전한계상태 : 콘크리트나 마감재에 들뜸, 박락으로 이어질 우려가 있는 균열이 발생될 때

• 누수 평가

– 설계한계상태 : 콘크리트의 균열을 통해서 누수가 일어날 때

– 유지보전한계상태 : 누수로 이어질 우려가 있는 균열이 발생될 때


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□ 설계한계상태 결정

� 사용성

• 처 짐

– 설계한계상태 : 철근부식 및 콘크리트의 열화에 의해서 처짐이 설계값 이상으로 될 때

– 유지보전한계상태 : 처짐이 증가할 때

• 진 동

– 설계한계상태 : 철근부식 및 콘크리트의 열화에 의해 구조체 및 부재의 고유진동수, 변위

진폭이 설계 고유진동수 및 변위진폭에서 구해진 진동의 한계치에 도달할 때

– 유지보전한계상태 : 고유진동수, 변위진폭에 변화가 일어날 때

� 수복성

• 설계한계상태

수복에 요구되는 비용이 수복에 의해 초래되는 편익을 초과할 때

• 유지보전한계상태

수복에 요구되는 비용이 유지보전계획에 수립된 수복비용에 도달할 때


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□ 내구성 설계� 성능검증형 일반설계법

설계내용연수 기간중 구조체 및 부재가 설계한계상태에 달하지 않는다는 것을 일반적으로 확립된 신뢰할 수 있는 방법의 의해 검증해서 재료, 공법의 사양을 정하는 방법

� 표준사양 선택형 설계법건물이 놓여진 환경조건 및 설계내용연한에 따라 사전에 설정된 구조체 및 부재의 재료, 공법의 표준사양, 즉 재료특성, 콘크리트 배합특성, 최소 피복두께 및 허용균열폭 등을 제시해 설계하는 방법• 건물이 놓여진 환경조건 구분 : 일반환경지역, 염해환경지역, 동해환경지역 및 화학적침식 환경지역• 설계내용연한

- 일반환경지역 : 65년 및 100년, 염해환경지역 및 화학적침식 환경지역 : 30년 및 65년을 표준.- 일반환경지역에서의 설계내용연한이 100년인 건물 및 염해환경지역과 화학적침식 환경지역에서의

설계내용연한이 65년인 건물은 유지보전 실시를 원칙으로 함.

� 성능검증형 특별설계법건물주, 설계자, 시공자 등의 합의에 의해 성능평가항목 및 평가방법을 결정하고, 설계내용연수기간중 구조체 및 부재가 설계한계상태에 도달하지 않음을 검증해서 그 재료, 공법의 사양을정하는 방법


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□ 성능검증형 일반설계법� 중성화

• 설계한계상태 : 중성화가 진행되어 최외측 철근의 20%가 부식상태로 되었을 때

• 유지보전한계상태 : 중성화깊이가 어떤 철근이라도 표면을 부식시키는 위치에 도달할 때

• 대기에 접하는 콘크리트면의 평균 중성화깊이

C : 콘크리트의 평균 중성화깊이(mm), t : 재령(년),

A : 콘크리트의 재료, 배합, 환경조건에 따라 결정하는 중성화속도계수

� 염 해• 설계한계상태 : 염화물이온의 침입으로 최외측 철근의 20%가 부식하기 시작한 상태

• 유지보전한계상태 : 콘크리트 중 염화물이온량이 어떤 철근이라도 부식시키는 량에 도달했을 때

• 철근위치에서의 콘크리트 중의 염화물이온량

Cl : 철근위치에서의 염화물이온량(kg/m3), C0 : 콘크리트 표면의 염화물이온량(kg/m3)

Cinit : 콘크리트 중의 초기 염화물이온량(kg/m3), erf : 오차함수

x : 철근위치의 콘크리트 표면으로부터의 깊이(mm), t : 재령(년)

D : 콘크리트 중의 염화물이온 확산계수(mm2/년)


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내구성설계 기술기준□ 성능검증형 일반설계법

� 동 해• 설계한계상태 : 구조체 및 부재의 표면에 현저하게 Scaling 및 균열이 발생되었을 때

• 유지보전한계상태 : 구조체 및 부재의 표면에 유해한 Scaling 및 균열이 발생되었을 때

• 콘크리트의 내구설계상의 상대동탄성계수

E(%) = (100 - Ceqᆞt/25)ᆞAᆞWCᆞQ

Ceq : 연간의 ASTM 상당 사이클수, t : 준공후의 경과년수(년), A : 목표공기량에 의한 계수

WC : 물-시멘트비에 의한 계수, Q : 굵은골재 흡수율에 의한 계수

� AAR

• 설계한계상태 및 유지보전한계상태 : 콘크리트에 알칼리 골재반응이 일어나 팽창균열 및 강도저하 등을 일으킨 상태로 되었을 때

• 구조체 및 부재에 알칼리 골재반응에 의한 팽창균열이 발생될 때의 콘크리트의 압축강도 평가

� 화학적침식

• 설계한계상태 및 유지보전한계상태

산성물질 또는 부식성 물질에 의해 콘크리트가 열화하기 시작하여 균열, 박리, 표면열화 및 강도저하

등이 발생하게 되었을 때

� 기타 열화현상

기타 열화현상에 대한 성능은 시험 또는 신뢰할 수 있는 자료에 의해 설정함.


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□ 콘크리트 표준시방서 : 1996

� CEB-FIP Model Code 90의 내구성설계 방법을 도입하여 개념적인 내구성 설계기준 제시

☞ 내구성 요건 : ACI 318 Code와 거의 동일

� 가능한 한 50년 이상의 내구연한을 갖도록 구조물을 설계, 시공 및 유지관리 하도록 규정

□ 콘크리트 표준시방서(내구성편) : 2004

� 내구성 설계방법

• 각각의 열화인자가 독립적으로 작용한다고 가정해 콘크리트 구조물의 내구성을 평가하고,

가장 지배적인 열화인자에 대한 내구성 평가결과를 적용해 설계하도록 규정

• JCI 내구성설계지침(안)을 개선시킨 방법

� 열화인자 : 염해, 탄산화, 동결융해, 화학적침식, 알칼리-골재반응

� 내구성설계 순서

1. 콘크리트 구조물의 내구성 평가

2. 배합설계에 의한 콘크리트의 내구성 평가

3. 시공직후 발생할 수 있는 균열 평가를 통하여 내구성 확보

콘크리트표준시방서(내구성편)-2004

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소요 내구성능 설계 내구성능<<

� “목표 내구수명” 기간 동안

철근위치에서의염화물이온 농도

부식 임계염화물이온 농도

<<탄산화 진행 깊이

_________1_________동탄성계수 예측치

철근부식이 발생하는탄산화 한계깊이

_________1_________ 동탄성계수 최소한계

염 해

탄산화

동 해

내구성설계 기술기준콘크리트표준시방서(내구성편)-2004

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□ 콘크리트 구조물의 내구성평가 원칙

γP AP ≦ φK AK

γP : 콘크리트 구조물에 관한 환경계수, φK : 콘크리트 구조물에 관한 내구성능 감소계수

AP : 콘크리트 구조물의 내구성능 예측값, AK : 콘크리트 구조물의 내구성능 특성값

□ 열화요인별 콘크리트 구조물의 내구성능 예측값 및 내구성능 특성값


AAR의 한계안정성AAR의 안정성 예측값AAR

화학적 침식의 한계 침투깊이화학적 침식깊이 예측값화학적 침식

상대동탄성계수의 최소한계값상대동탄성계수 예측값동 해

콘크리트의 피복두께탄산화깊이 예측값탄산화

철근부식이 시작될 때의 임계 염화물이온 농도철근위치에서의 염화물이온 농도 예측값염 해

콘크리트 구조물 내구성능 특성값콘크리트 구조물 내구성능 예측값열화요인

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□ 콘크리트 구조물의 내구성평가 방법� 염 해

• 철근부식이 시작될 때의 임계 염화물이온 농도와 목표내구수명에 도달하였을 때의 철근위치에서의 염화물이온 농도를 비교하여 평가

γP Cd ≦ φK Clim

γP : 염해에 대한 환경계수(일반적으로 1.11)

φK : 염해에 대한 내구성 감소계수(일반적으로 0.86)

Cd : 철근위치에서의 염화물이온 농도의 예측값(= 0.93 kg/m3 이하)

Clim : 철근부식이 시작될 때의 염화물이온 농도 1.2 kg/m3

Cd : 위치 x(cm), 시간 t년에서 염화물이온 농도의 설계값(kg/m3)

Ci : 초기 염화물이온 농도(최대 0.3 kg/m3), C0 : 표면 염화물이온 농도

erf : 오차함수, Dd : 염화물이온의 유효확산계수(cm2/yr), Dd = γcDK

γc : 콘크리트의 재료계수(일반적으로 1.0)

DK : 콘크리트의 염화물이온 확산계수 특성값(cm2/yr)

( )01

2d i i

d

xC C C C erf

D t

− = − −


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□ 콘크리트 구조물의 내구성평가 방법� 탄산화

• 목표내구수명에 도달하였을 때의 철근부식 발생 한계 탄산화깊이와 구조물의 열화에 따른 예측 탄산화깊이를 비교하여 평가

γP yP ≦ φK ylim

γP : 탄산화에 대한 환경계수(일반적으로 1.1) φK : 탄산화에 대한 내구성 감소계수(일반적으로 0.92) yP : 탄산화깊이 예측값(mm)

ylim : 철근부식이 시작될 때의 한계 탄산화깊이(= c-ck) c : 설계 피복두께(mm)ck : 한계 탄산화깊이 여유치(자연환경 10mm, 심한 염해환경 25mm)

• 탄산화깊이의 예측값은 시간 t와 탄산화속도계수[mm/√(년)]와 비례해서 증가

yp = 1.15 x adᆞt1/2


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□ 콘크리트 구조물의 내구성평가 방법� 동 해

• 동결융해저항성 시험을 통하여 얻어지는 상대동탄성계수를 지표로 평가

γP Fd ≦ φK Flim

γP : 동해에 대한 환경계수(일반적으로 1.0)

φK : 동해에 대한 내구성 감소계수(일반구조물 : 보통 1.0, 중요구조물 0.9)

Fd : 상대동탄성계수 예측값의 역수(= 1/Ed), Fd = 0.0167 ~ 0.0118 %

Ed : 상대동탄성계수(%)

Flim : 상대동탄성계수의 최소값(60~85%)의 역수 (= 1/Emin)

• 겨울철 평균기온이 영하로 내려가는 기간이 길수록 상대동탄성계수 하한값 증가


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□ 콘크리트 구조물의 내구성평가 방법� 화학적 침식

• 설계 피복두께를 결정하는 요인으로 화학적 침식의 한계 침투깊이와 예측 침식깊이를 비교하여 평가

γP Zp ≦ φK Zlim

γP : 화학적침식에 대한 환경계수(일반적으로 1.1)

φK : 화학적침식에 대한 내구성 감소계수(일반적으로 0.92)

Zlim : 화학적침식의 한계 침투깊이(mm), Zlim = c – ck

c : 설계 피복두께(mm)

ck : 한계 화학적 침식깊이(일반적으로 철근직경 사용)

Zp : 화학적 침식깊이 예측값(mm)

• 염산, 질산, 아황산 등의 경우 침식깊이 예측값이 증가하게 되므로 설계 피복두께도 증가


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□ 배합설계에 의한 콘크리트의 내구성평가 원칙

γP BP ≦ φK BK

γP : 콘크리트에 관한 환경계수, φK : 콘크리트에 관한 내구성능 감소계수

BP : 콘크리트의 내구성능 예측값, BK : 콘크리트의 내구성능 특성값

� 열화요인별 콘크리트의 내구성 평가항목

• 염 해 : 콘크리트의 염화물이온 확산계수 평가

• 탄산화 : 콘크리트의 탄산화 속도계수 평가

• 동 해 : 콘크리트의 상대동탄성계수 평가

• 화학적침식 : 콘크리트의 화학적침식 속도계수 평가

• AAR : AAR에 의한 콘크리트의 팽창량 평가


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□ 배합설계의 콘크리트 내구성평가 방법� 염화물이온 확산계수에 대한 평가

• 콘크리트의 염해에 대한 내구성 평가를 위해 염화물이온의 확산계수 평가 수행• 물-결합재비로 확산계수 예측값 계산하며, 확산계수 특성값은 임의의 물질이 위치별 농도차에

따른 침투속도를 나타내는 계수임. (결합재 : 시멘트 + 혼화재)

γP Dp ≦ φK Dk

γP : 염해에 대한 환경계수(일반적으로 1.11)φK : 염해에 대한 내구성 감소계수(일반적으로 0.86) Dk : 콘크리트의 염화물이온 확산계수의 특성값(cm2/yr, cm2/sec)Dp : 콘크리트의 염화물이온 확산계수의 예측값(cm2/yr, cm2/sec)

� 염화물이온의 확산계수 예측식

log Dp = a(W/B)2 + b(W/B) + c

W/B : 물-결합재비, a, b, c : 실험으로부터 정해진 상수

• OPC 회귀분석식 : log Dp = [= [4.5(W/C)2 + 0.14(W/C) - 8.47] + log(3.15 x 107)

• 고로시멘트 사용시 : log Dp = [19= [19.5(W/C)2 – 13.8(W/C) - 5.74] + log(3.15 x 107)


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□ 배합설계의 콘크리트 내구성평가 방법� 탄산화 속도계수에 대한 평가

• 콘크리트의 탄산화에 대한 내구성 평가를 위해 탄산화 속도계수 평가 수행

• 특정 탄산화속도와 탄산화속도 예측값을 비교하여 내구성 평가

γP αp ≦ φK αk

γP : 탄산화에 대한 환경계수(일반적으로 1.1)

φK : 탄산화에 대한 내구성 감소계수(일반적으로 0.92)

αp : 콘크리트 탄산화 속도계수의 예측값(mm/√(년) )

αk : 콘크리트 탄산화 속도계수의 특성값(mm/√(년) )

� 탄산화 속도계수의 예측식

αp = a + b(W/B)

W/B : 물-결합재비, a, b, c : 실험으로부터 정해진 상수

• 실험이 곤란하거나 실측자료가 없는 경우

αp = -3.57 + 9.0(W/B)


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내구성설계 기술기준□ 콘크리트 구조물의 균열 평가방법

� 수화열• 정밀한 온도해석을 통해 구한 온도분포에 의한 체적변화 및 자기수축에 의한 체적변화를 구함.

• 이러한 체적변화를 고려한 온도응력 해석을 통해 산정된 콘크리트 응력을 균열발생 확률에 관한안전계수와 비교하여 평가

• 균열지수에 의한 균열저항성 평가

균열지수 Icr(t) ≧ 균열발생 확률에 관한 안전계수 : 보통 1.45 이상

Icr(t) = fsp(t) / ft(t)

- 재령 t 일의 콘크리트 쪼갬인장강도 fSP (보통 압축강도의 10% 정도)

- 재령 t 일의 부재 내부의 최대 주인장응력 ft (거의 무시해도 되는 값)

- 균열발생확률을 5%, 25%, 85%로 할 경우, 안전계수는 각각 1.75, 1.45 및 1.00에 해당

• 온도해석

(a) 내부 구속이 지배적인 경우(연질 지반상의 평판이나 슬래브)

Icr(t) = 15/ ∆Ti

(b) 외부 구속이 지배적인 경우(암반과 매시브한 콘크리트 위에 타설한 평판이나 슬래브)

Icr(t) = 10/ R∆T0

∆∆TTii : : 내부내부 최고온도와최고온도와 표면온도와의표면온도와의 차이차이

∆∆TT00 : : 온도분포의온도분포의 평균값과평균값과 부재온도가부재온도가 외기온도와외기온도와 평형에평형에 도달하였을도달하였을 때의때의 온도온도


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□ 콘크리트 구조물의 균열 평가방법

� 건조수축

• 시공조건(양생) 및 환경조건에 의해 발생할 수 있는 건조수축에 대해 예측변형률

(콘크리트 공시체의 길이변화 시험)과 한계값(500~700μ)을 비교하여 평가

• 사용재료의 종류와 배합, 부재의 형상 및 크기, 온도 및 습도 등의 환경조건을

고려하여 적절한 시험 실시

☞ 참조 시험법 : KS F 2424의 “모르타르 및 콘크리트의 길이변화 시험방법”

• KS F 2424의 “모르타르 및 콘크리트의 길이변화 시험방법”에 의한 실험결과

- 건조수축 및 자기수축이 양생온도가 10℃인 경우에 가장 작게 나타남.

- 건조수축에 대한 자기수축의 비율은 60.67~90.92%로 나타남.

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□ KSCE 지하철구조물 내구성설계방법

� 재료, 설계 및 시공에 대한 내구지수와 염해, 중성화, 동해, 황산염의 내구연한에 대한

환경지수 합과 비교해 정량적분석을 통한 구조물의 내구성 확보여부를 판단하도록 규정

� JSCE 내구성설계지침(본안)을 개선시킨 방법

☞ KSCE 내구성 확보를 위한 설계, 시공 및 유지관리 지침(안) : 서울특별시 지하철건설본부 연구용역(1999)

ET(= ES + ∑ΔET) ≦ DT(= D0 + ∑ΔDT)

ET : T년에서의 구조물의 환경지수

ES : 표준 환경지수

∑ΔET : T년에서의 환경지수 증분치

DT : T년에서의 구조물의 내구지수

D0 : 구조물의 기본 내구지수

∑ΔDT : T년에서의 재료, 설계, 시공상의 내구지수 증분치

지하철구조물 내구성설계지침-1999

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내구성설계 적용사례

The Great Belt Link 100 years Service Life

� 덴마크의 Sprogoe Island와 Funen Island의 ferry harbor을 잇는 교량 및 터널 : 코비社

� 총연장 6.6km, 총 60경간, 주경간 110m의 Precast Prestressed concrete 박스거더교

�현존하는 현수교 세계 제2위 교량

� 1988년 착공 ~ 1991년 완공

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The Great Belt Link Bridge

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Confederation Bridge� 캐나다 동부의 Prince Edward Island와 New Brunswick을 잇는 교량

� 총연장 12.9km, 총 65경간, 주경간 250m의 Precast Prestressed concrete 거더교

� 1993년 착공 ~ 1997년 완공


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인천대교 주탑 및 기초� 3성분계 시멘트 사용 : OPC + Fly Ash + GGBFS

� 영종도와 인천경제자유구역의 송도 신도시를 잇는 교량(총연장 18.2km의 사장교)

� 2005년 착공 ~ 2009년 10월 완공 예정


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거 가 대 교

� 부산 가덕도 – 대죽도 – 중죽도 – 저도 - 경남 거제도를 잇는 교량(총연장 8.2km)

� 사장교 3주탑(거제도-저도, 672m), 사장교 2주탑(저도-중죽도)

� 침매터널(중죽도-가덕도, 3.7km)

� 2004년 12월 착공 ~ 2010년 12월 완공 예정

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시화호 조력발전소� 경기도 안산 시화방조제

� Culvert형 Box : B 15.3m x H 12m, 8련

� 2004년 12월 착공 ~ 2009년 9월 완공 예정

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□ 서울 지하철구조물 지하구조물� 목표내구연한 : 100년

[Note] Slump ; 15cm, Gmax : 25mm

� 가외철근비 : 0.3% → 0.5%

� 철근 피복두께 : 4.4cm → 6.0cm

� 타설속도 : 40m3/hr → 20 m3/hr (거푸집진동기 병용)

� 시공이음면 처리방법 개선 : Chipping 후 고압수 처리

739997892911640.81.044.544.5OPC + FA(FA : 20%)

내구성설계

-9258023761881.81.547.150OPC기존 방식

FAGSCWGS

단 위 량 (kg/m3)흡 수 율

(%)S/a(%)

W/B(%)

시 멘 트내구성설계

여 부

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□ 서울 지하철구조물 지상구조물� 목표내구연한 : 100년

� 가외철근비 : 0.12% → 0.15%

� 타설속도 : 40m3/hr → 20 m3/hr (거푸집진동기 병용)

� 시공이음면 처리방법 개선 : Chipping 후 고압수 처리

732911640.81.044.52512OPC + FA(FA : 20%)

30내구성설계

-2921552.01.553408OPC30기존 방식

FACWGS

단위량 (kg/m3)흡 수 율

(%)W/B(%)

Gmax(mm)

Slump(cm)

시멘트배합강도(MPa)

내구성설계여 부

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원자력시설 구조물 내구성확보 관련 규제입장

□ 원자력시설 구조물의 적용 기술기준인 KEPIC 코드 및 ACI 코드에는 구체적인

내구성 설계방법이 제시되어 있지 않으나,

□ 원자력시설 콘크리트 구조물은 해수의 직ᆞ간접적 영향을 받거나 지중에 위치해

심한 열화환경조건에 노출되어 있으며,

□ 신규 원자력시설의 설계수명이 증가(신고리 3,4호기 및 중저준위 폐기물 처분시

설 설계수명 60년)하고 있고 가동중 원전의 계속운전이 본격화됨에 따라,

□ 신설되는 원자력시설 콘크리트 구조물의 내구성 확보를 위하여 설계시 신뢰성

있는 기술기준을 적용하여 내구성 설계를 수행하도록 요구할 예정임.

� 중저준위 폐기물 처분시설 사일로 및 콘크리트 용기 설계심사에 기 적용

� 신고리 3,4호기 ESW 취수구조물 및 심층 취배수 구조물 설계심사에 기 적용

Date post:	31-Aug-2019
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제13회원자력안전기술정보회의 2007.4.10~11 원자력시설콘크리트구조물의...

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