Climate changes, such as increasing of $CO_2$ concentration and global warming, will impact on the carbonation service life of concrete structures. Moreover, slag blended concrete has a lower carbonation resistance than control concrete. This study presents a probabilistic numerical procedure for evaluating the impact of climate change on carbonation service life of slag blended concrete. This numerical procedure considers both corrosion initiation period and corrosion propagation period. First, in corrosion initiation period, by using an integrated hydration-carbonation model, the amount of carbonatable substances, porosity, and carbonation depth are calculated. The probability of corrosion initiation is determined through Monte Carlo method. Second, in corrosion propagation period, a probabilistic model is proposed to calculate the critical corrosion degree at surface cracking, the probability of surface cracking, and service life. Third, based on the service life in corrosion initiation period and corrosion propagation period, the whole service life is calculated. The analysis shows that for concrete structures with 50 years service life, after considering climate changes, the service life reduces about 7%.
콘크리트 구조물의 내구성 해석 변수들의 변동성과 불확실성으로 인해 확률론적인 접근법의 사용이 증가되어 왔다. 특히, 몬테칼로시뮬레이션 방법(Level III 방법)은 접근성의 용이함으로 인해 많은 내구신뢰성 해석에 사용되어왔지만, 결과를 얻기위해서는 수 십만번의 반복계산이 필요하다. Level II 수준의 신뢰성 해석법인 일계이차모멘트법(FOSM)은 MCS법과 비교할 수 없을 정도의 짧은 시간에 신뢰도지수나 파괴확률을 계산할 수 있어, 유효성만 검증된다면 편리성과 신속성으로 인해 폭넓은 사용이 가능할 것이다. 본 연구에서는 FOSM법과 MCS법에 의한 부식확률(내구성 파괴확률)을 서로 비교하여 FOSM법의 유효성을 검증하고 각 내구성 해석변수들의 변동성이 부식확률에 미치는 영향을 검토하였다.
Ghosh, Pratanu;Konecny, Petr;Lehner, Petr;Tikalsky, Paul J.
Computers and Concrete
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제19권3호
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pp.305-313
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2017
A robust finite element based reinforced concrete bridge deck corrosion initiation model is applied for time-dependent probabilistic sensitivity analysis. The model is focused on uncertainties in the governing parameters that include variation of high performance concrete (HPC) diffusion coefficients, concrete cover depth, surface chloride concentration, holidays in reinforcements, coatings and critical chloride threshold level in several steel reinforcements. The corrosion initiation risk is expressed in the form of probability over intended life span of the bridge deck. Conducted study shows the time-dependent sensitivity analysis to evaluate the significance of governing parameters on chloride ingress rate, various steel reinforcement protection and the corrosion initiation likelihood. Results from this probabilistic analysis provide better insight into the effect of input parameters variation on the estimate of the corrosion initiation risk for the design of concrete structures in harsh chloride environments.
염소이온 침투를 받는 해양환경 콘크리트의 확률기반 내구수명 예측을 위해 몬테카를로 시뮬레이션 방법이 많이 사용된다. 그러나 몬테카를로 시뮬레이션 방법은 해석에 매우 긴 시간이 소요되며 해석결과도 매번 다른 결과를 준다. 이에 비해 신뢰성해석에 자주 사용되는 모멘트법은 계산에 소요되는 시간의 거의 없고, 동일문제에 대해서는 항상 동일한 결과를 주는 장점이 있다. 이에 이 연구에서는 신뢰성이론의 모멘트법을 염소이온 침투에 대한 부식개시확률 산정에 적용하였다. 이를 위해 먼저 일계이차 모멘트법과 이계이차 모멘트법에 의한 파괴확률 산정 프로그램을 개발하였다. 개발된 해석 프로그램들을 사용한 예제해석을 통하여 일계이차 모멘트법에 비하여 이계이차 모멘트법이 더 정확한 부식개시확률 산정결과를 줌을 확인하였다. 또 부식개시확률에 미치는 각 확률변수의 영향을 평가하는 민감도 해석을 수행하였으며, 가장 큰 영향인자는 피복두께로 나타났다. 특히 피복두께의 변동계수 변화에 의한 영향이 평균값 변화에 의한 영향 보다 더욱 현저함을 확인하였다.
Chloride ingress is a common cause of deterioration of reinforced concrete structures. Modeling the chloride ingress is an important basis for designing reinforced concrete structures and for assessing the reliability of an existing structure. The modelling is also needed for predicting the deterioration of a reinforced structure. This paper presents an approach for the probabilistic modeling of the chloride-induced corrosion of reinforcement steel in concrete structures that takes into account the uncertainties in the physical models. The parameters of the models are modeled as random variables and the distribution of the corrosion time and probability of corrosion are determined by using Monte Carlo simulation. The predictions of the proposed model is very effective to do the decision-making about initiation time and deterioration degree.
본 연구에서는 철근 콘크리트 터널 구조물을 해상 대기중 비래염분이 침투하는 터널 내벽과 해수에 항시 접촉하는 터널 외벽으로 구분하여, 몬테카를로 시뮬레이션에 의해 철근 부식 개시 확률을 예측하였다. 염해관련 변수의 변동성을 평가하기 위하여 염소이온 확산계수, 표면 염소이온농도, 피복두께, 임계 염소이온농도를 실제 실험 및 문헌 조사를 통해 확률특성을 구하였다. 그 결과 염소이온 확산계수의 평균치는 $3.77{\times}10^{-12}m^2/s$ 이었으며, 대상 부재인 터널 내벽과 외벽의 피복두께는 각각 45.5mm, 94.7mm으로 조사되었고, 임계 염소이온농도의 평균은 결합재 단위중량당 0.69%이었다. 각 변수의 확률적 특성에 근거하여 노출기간에 따른 철근위치에서의 염소이온 농도 분포를 구하였다. 재령이 증가할수록 침투 염소이온 농도의 평균값은 증가하며, 변동계수는 감소하게 됨을 알 수 있었다. 또한 확률론적 염해 해석기법을 적용하여 콘크리트 터널 내벽과 외벽에 대해 내구수명 및 부식개시 확률을 평가하였다. 염소이온 침투의 시간의존성을 고려하지 않은 경우 터널 내벽과 외벽에 대해 각각 8년, 12년의 내구수명이 도출되었으나, 시간의존적 모델에서는 178년, 283년의 내구수명이 계산되어 구조물의 설계내구수명(100년)을 만족하고 있음을 보였다. 또한, 시간의존성을 고려하지 않은 경우 100년에서의 부식 개시 확률은 터널 내벽과 외벽에 대해 각각 59.5, 95.5%였으며, 시간의존성 모델에서는 2.9, 0.2%로 계산되었다. 따라서 구조물의 과다설계를 방지하고 보다 합리적인 내구수명 설계 및 평가를 위해서는 염소이온 확산의 시간의존성을 고려하여야 한다. 마지막으로 본 연구에서 문헌 조사를 통해 구한 부식 발생 임계 농도를 현재 콘크리트 관련 기준에 제시한 값과 비교하여 분석하였다.
One of the most prevalent causes of reinforced concrete (RC) structural deterioration is chloride-induced corrosion. This paper aims to provide a comprehensive insight into the environmental effect of RC's chloride ingress process. The first step is to investigate how relative humidity, temperature, and wind influence chloride ingress into concrete. The probability of initiation time of chloride-induced corrosion is predicted using a probabilistic model that considers these aspects. Parametric analysis is conducted on several factors impacting the corrosion process, including the depth of concrete cover, surface chloride concentration, relative humidity, and temperature to expose environmental features. According to the findings, environmental factors such as surface chloride concentration, relative humidity and temperature substantially impact on the time to corrosion initiation. The long- and short-distance impacts are also examined. The meteorological data from the National Meteorological Center of China are collected and used to analyze the environmental characteristics of the chloride ingress issue for structures along China's coastline. Finally, various recommendations are made for improving durability design against chloride attacks.
Carbonation is one of the major deterioration factors for concrete. So. lots of researchers have proposed the equations for determining carbonated depth and the initial time of steel corrosion due to carbonation to predict the service life of concrete structures. However, there are large gaps among the equations for predicting carbonation because each researcher has different considering factors to predict carbonation depth. So, in this study, we calculated the deviations of the proposed equations for carbonation, and we calculated each researcher different corrosion initiation time. However, it has a lot of deviation. Therefore, we evaluated the probability of steel corrosion considering each deviation using MCS, an analysis method based on probability theory. In the results, we have proposed much advanced information for determining service life of reinforced concrete structures due to carbonation.
Chloride ion diffusion at the corner of rectangular-shaped concrete structures is presented. At the corner of rectangular-shaped concrete, chloride ion diffusion is in two-dimensional process. Chloride ions accumulate from two orthogonal directions, so that corrosion-free life of concrete structures is significantly reduced. A numerical procedure based on finite element method is used to solve the two-dimensional diffusion process. Orthotropic property of diffusion coefficient of concrete is considered and chloride ion profile obtained from numerical analysis is used to produce transformed diffusion coefficient. Comparisons of experimental data are also carried out to show the reliability of proposed numerical analysis. As a result of two-dimensional chloride diffusion, corrosion-free life of concrete structure for railway is estimated using probability of corrosion initiation. In addition, monographs that produces transformed diffusion coefficient and corrosion-free life of concrete structure are made for maintenance purpose.
Often, probabilistic fracture mechanics (PFM) approaches have been adopted to quantify the failure probabilities of Ni-base alloy components, especially due to primary water stress corrosion cracking (PWSCC), in a primary piping system of pressurized water reactors. In this paper, the key features of an advanced PFM code, PINEP-PWSCC (Probabilistic INtegrity Evaluation for nuclear Piping-PWSCC) for such purpose, are described. In developing the code, we adopted most recent research results and advanced models in calculation modules such as PWSCC crack initiation and growth models, a performance-based probability of detection (POD) model for Ni-base alloy welds, and so on. To verify the code, the failure probabilities for various Alloy 182 welds locations were evaluated and compared with field experience and other PFM codes. Finally, the effects of pre-existing crack, weld repair, and POD models on failure probability were evaluated to demonstrate the applicability of PINEP-PWSCC.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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