Section Loss Evaluation of Corroded Strands in External Tendons of Bridges

Abstract

When prestressing tendons are corroded, a bridge owner must decide whether to replace or repair them. If this decision must be based on a destructive inspection method, section losses in the steel strands must be estimated by measuring either the corrosion depth or the perimeter of the corrosion area. For this study, corroded strands were sampled from a post-tensioned concrete box-girder bridge that demonstrated external tendon failure due to chloride- and moisture-induced corrosion to identify the characteristics of corrosion which occurred in field.

The corrosion characteristics of the corroded wires and strands were analyzed from the photograph taken from a cellphone with macro lens. It was identified that corrosion rapidly progressed along the perimeter in the earlier stages. The number of observable corroded wires and the visible characteris-tics such as corrosion depth and perimeter had a relationship with the section loss in strand.

Models for the determination of corrosion progress in corroded wires were investigated in a preliminary study of evaluating section losses in strands. Analysis showed that using models of existing corrosion progress routinely underestimated the section losses for corrosion depth. Actual measurements showed a corroded surface with a convex shape. New corrosion-models that more-accurately reflect the actual corroded sections of wires are proposed. Although the measurements showed a large degree of dispersion, the proposed models were verified as more effective in estimating section losses.

Herein is described a process whereby section losses in corroded, seven-wire, strands can be accurately estimated via visual inspection. The cross-section of a strand is differentiated into visible and invisible regions. Corrosion is normally measured only in visible regions. This new process applies previously proposed geometric corrosion progress models for corroded wires to estimate section losses. The models were established to use corrosion depth and perimeter to estimate section loss of wires, and, therefore, both measurements were used to make estimations. Although the corrosion occurring in the invisible region cannot be measured directly, cross-section examinations have shown that corrosion in the invisible regions is minor. Compared with using the corrosion perimeter to estimate section losses, the use of corrosion depth is more accurate. The ultimate strength remaining in corroded strands was com-pared with estimates of section losses in order to confirm the applicability of the findings from this study. Mean corrosion depths of 5 and 15% or mean corrosion depth of 2% and 15% corresponded to ultimate strengths of 95 and 90%, respectively.

For reflecting the probabilistic characteristics of corrosion in strands, the Monte Carlo simulation was adopted. The various uncertainties contained in corroded strands were defined and constructed to statistical model. The simulation gives a number of corroded strands within a reasonable range. Based on the simulation result, the relationship between the section loss in strands and the corrosion depth or perimeter was established.

긴장재에 부식이 발생할 경우, 부식이 발생한 긴장재의 교체나 보수를 통해 긴장재를 유지관리해야 한다. 효율적인 유지관리를 위해선 긴장재의 단면손실을 바탕으로 교체나 보수의 결정이 내려져야 한다. 그러나 현재 가용한 긴장재 조사 방법으로는 긴장재의 단면손실에 대한 정성적인 평가만 가능하며, 정량적으로 평가하지는 못하는 상황이다. 이런 이유로 긴장재의 단면손실을 정량적으로 추정할 수 있는 방법을 제안하고자 하였다.

실제 교량의 부식 환경을 파악하기 위해 염화물과 수분의 침투로 인해 부식이 발생했던 교량 현장의 강연선을 수집하였다. 수집한 강연선의 단면손실을 알기 위해 접사렌즈를 부착한 카메라를 이용하여 소선과 강연선의 접사 사진을 촬영하였으며, 촬영한 사진을 바탕으로 소선과 강연선 단위의 부식 특성을 파악하였다. 우선, 소선의 부식깊이, 부식둘레, 단면손실을 파악하였으며, 이후 강연선의 관찰가능영역과 관찰불가능영역을 구분하여 관찰가능한 강연선의 부식깊이, 부식둘레, 부식소선 개수 등을 파악하였다. 소선 단위의 분석을 통해, 소선의 부식깊이, 부식둘레가 단면손실과 연관성을 가지며 부식 진행 초기에는 부식둘레의 진행 속도가 부식깊이에 비해 빠르다는 것을 확인하였다. 강연선 단위의 분석을 통해 관찰가능한 부식깊이, 부식둘레가 강연선의 단면손실과 상관성을 나타내는 것을 확인하였다. 또한, 관찰가능한 부식소선의 개수가 강연선의 대략적인 단면손실을 알 수 있는 지표가 될 수 있음을 보였다.

소선에서 측정한 지표를 이용하여 소선의 단면손실을 추정하기 위해소선의 부식 진행을 반영한 부식 모델을 제안하였다. 측정결과를 바탕으로 기존의 부식 모델은 부식깊이에 따른 소선의 단면손실을 과소평가한다는 점을 밝혀내었다. 실제 단면의 경우 부식깊이에 비해 부식둘레로의 부식 확산이 빠르기 때문에 볼록한 형상의 부식 모델을 제안하였다. 또한, 제안한 부식 모델이 실제 단면손실을 보다 정확하게 맞춘다는 점을 확인하여 제안 모델의 효율성을 입증하였다.

소선에 대해 제안한 부식 모델과 관찰가능한 부식깊이/부식둘레를 사용하여 강연선의 단면손실을 추정하는 방법을 제안하였다. 강연선의 단면손실 추정 결과는 부식깊이와 부식둘레의 특성에 따라 오차의 발생 양상에서 차이를 보였다. 이 오차로 볼 때, 부식깊이를 사용하여 추정하는 것이 부식둘레를 사용하여 추정하는 것보다 정확한 결과를 제공한다고 할 수 있다. 추정한 단면손실를 적용하여 부식 강연선의 잔여 강도를 평가하였다. 평가 결과, 강연선의 평균부식깊이가 5%, 15%에 도달할 때 강연선의 극한강도가 5%, , 10% 감소하였다.

강연선의 다양한 부식을 고려하여 관찰가능지표와 강연선의 단면손실 간 상관관계를 규정하고자 몬테 카를로 시뮬레이션을 수행하였다. 이를 위해 강연선 부식에 포함된 확률특성들을 정의하고 확률모델을 구성하였다. 시뮬레이션으로 생성된 부식 강연선은 측정된 결과와 비슷한 양상을 보였다. 생성결과를 바탕으로 한 강연선의 단면손실 추정 방법을 제안하였다.