기초 콘크리트 구조의 수화열 해석

기초 콘크리트 구조의 수화열 해석

(MIDAS 에 의한 수화열 해석 )

기초 콘크리트 구조의 수화열 해석

(MIDAS 에 의한 수화열 해석 )

B-3 조

조장 : 신익호 부조장 : 김연수 이상민 이상도 김석중 김재우 박상언

< 연구목적 >

 본 연구는 매스콘크리트 구조 물들의 수화열 밎 온도응 력 해석을 통하여 수화열에 의한 온도균열의 제어 및 합 리적인 시공방안에 대하여 검토 하고자 한다 .

< 연구범위 >

수화열에 대한 기초 자료 수집

기초 구조물의 수화열 발생기구의 이해

수화열에 영향을 미치는 인자 고찰

기초 구조물의 수화열 발생원인과 발생 후 문제점 검토

매스콘크리트의 수화열 해석을 통한 거동 고찰

< 연구의 기대 효과 >



 매스콘크리트의 정의 및 범위

 매스콘크리트의 정의 및 범위

기관 정의 및 범위

콘크리트 표준시방서

매스콘크리트 구조물의 치수는 구조형식 , 사 용재료 , 시공조건에 따라 다르지만 , 대략 슬 래브는 80∼100cm 이상이고 , 하단이 구속되 어 있는 벽체는 두께 50cm 이상으로 본다 . 건축공사

표준 시방서 구조물의 크기가 100cm 이상인 콘크리트 일본

토목학회 콘크리트

부재 또는 구조물의 치수가 커서 시멘트의 수화 열에 의한 온도의 상승을 고려해서 시공해야 하 는 콘크리트로 , 대략 슬래브는 80∼100cm 이상이고 , 하단이 구속되어 있는 벽체는 두께

 수화열에 의한 온도균열 발생기구

 수화열에 의한 온도균열 발생기구

 내부구속에 의한 응력

내부구속에 의한 균열은 콘크리의 내부와 표면과의 온도 차이에 의해 발생

재령 1~5 일 정도에서 콘 크리트 내부온도가 최고점 에 도달 할 때 최대

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 외부구속에 의한 응력

외부구속에 의한 균열은 타 설된 콘크리트의 열변형이 지반 또는 기타설한 콘크리 트에 의해 구속되여 발생

구속면에 대하여 직각방향 으로 발생하며 구조물을 관 통하는 경우가 많으며 구조 물의 내력에 커다란 영향을 미친다 .

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 온도응력의 발생에 영향을 미치는 인자

 온도응력의 발생에 영향을 미치는 인자

초기 재령시에 매스콘크리트에서 발생하는 온도균 열을 제어하기 위해서는 먼저 온도 및 온도응력에 영 향을 미치는 요인의 특성에 대한 검토할 필요가 있다 .

 온도 상승량이 온도 응력에 미치는 영향

 구속도가 온도응력에 미치는 영향

 콘크리트의 역학적 특성이 온도응력에 미치는 영향

 온도 상승량이 온도응력에 미치는 영향

• 단위 시멘트량은 콘크리트의 온도 상승량에 가장 큰 영향을 미쳐 결과적으로는 구조체내의 온도응력 및 온도균열지수에 직접적으로 영향을 미치기 때문에 매스 콘크리트 시공시에는 소요의 품질을 확 보할 수 있는 범위 내에서 이에 대한 적극적이 검토가 필요하다 .

콘크리트 타설 계획시 단위 시멘크량을 10Kg 조절

중앙 부의 온도 상승량을 0.7~1.1`C 정도 조절 가 능 내외부의 온도 차는 0.3~0.4`C 정도 조절이 가

하부 암반이 연암 내부구속상태 기초 표면부 균열발생 하부 암반이 경암 외부구속생태 기초 중앙부 균영발생

 구속도가 온도응력에 미치는 영향

• 매스 콘크리트의 온도변화는 구조물 자체의 체적벽화를 일으 키며 , 이러한 체적 변화가 구속되므로써 발생하게 된다 .

• 매스콘크리트의 온도응력은 하부 구속체의 탄성계수 영향을 크게 받기 때문에 시공시에는 이에 대한 철저한 검토가 필요하다 .

 콘크리트의 특성이 온도응력에 미치는 영향

• 매스 콘크리트 구조물에서의 수화열에 의한 온도응력 은 특히 역학적 특성이 급격히 변화하는 초기재령에 서 문제가 되므로 초기재령의 강도증진 및 탄성계수 , 크리프 및 건조수축 , 열팽창계수 등의 역학적 특성을 정확히 평가 할 필요가 있다 .

• 균열 위혐도를 평가하기 위하여 초기재령의 크리프 특성을 제대로 고려해야 보다 정확한 응력해석을 수 행할 수 있다 .

 매스콘크리트구조물의 합리적인 시공방안

 매스콘크리트구조물의 합리적인 시공방안

• 배합온도를 억제하는 일반적인 방법

• 사전 냉각방법

• 사후냉각방법

 배합온도를 억제하는 일반적인 방법

1. 골재의 저장장소에 있어서 직사광으로부터 피한다 . 2. 시멘트 구입시 고온시멘트의 입하를 피한다 .

3. 굵은골재에 살수 한다 .

4. 야간 또는 아침에 콘크리트의 제조 , 타설을 행한다 .

5. 혼합수로 가능한 저온의 물을 사용한다 .

 사전 냉각방법

• 배합수 일부 또는 전체를 저온의 배합수를 이용하여 냉각 하는 방법

콘크리트를 최대 6`C 정도 저하시킬 수 있다 .

초기 설비 비용 증가 외는 적은 비용으로 사용 가능하다 .

• 액체 질소를 이용하여 배합수를 냉각하는 방법

액체 질소를 이용하여 ice slush( 얼음과 물이 섞인 상 태 ) 로 혼합되어 , 콘크리트를 최대 11`C 정도 낯 출 수 있다 .

• 얼음을 이용하여 배합수를 냉각하는 방법

콘크리트의 온도를 최대 11`C 정도 저하시킬 수 있다 . 얼음의 생산 , 운반등에 막대한 설비 투자기 있어야 하

는 난 점이 있다 .

• 액체 질소를 이용하여 콘크리트를 냉각하는 방법

액체 질소를 콘크리트에 직접 분사하는 방법으로 최 대 10`C 이하로 낮 출 수 있다 .

콘크리트가 대량의 액체 질소에 노출되어도 성능에 불리한 영향을 받지 않는다 .

중요 콘크리트 타설 공사에서 성공적으로 적용된 예

 사후 냉각방법

• 파이프 쿨링

콘크리트 타설전에 파이 프를 배치해 두고 콘트리 트의 타설직후부터 여기 에 통수 하여 수화열을 제 거 하는 방법

통수온도가 지나치게 낮 거나 , 냉각기간이 적절하 지 않으면 , 온도하강속도 가 크게 되어 균열이 발생 할 수 있다

 유한요소 해석

 유한요소 해석

 기초 구조물 해석 모델

10×10×2.5m 의 크기가 큰 구조물의 경우 수화열에 의 한 예기치 못한 균열이 발생할 가능성이 있으므로 범용구 조 해석 프로그램인 MIDAS 를 이용하여 각 시공단계별 균열발생 가능성을 검토한다 .

 사용재질 및 열특성 ( 재료의 물성 )

열계수 사용값

열전도율 (Kcal/m hr °C) 2.2∼2.4 비열 (Kcal/Kg °C) 0.25∼0.3 표준시방서 열확산 율

콘크리트의 열특성

콘크리트의 열계수는 사용하는 콘크리트의 배합 특히 골재의 성질 및 단위골재량 이나 콘크리트의 습윤상태에 의해 좌우되므로 이러한 영향을 적절히 고려하여 정해야 한다 .일반적인 특성은 다음과 같다

 온도해석

• 해석시 고려되는 콘크리트의 역학적 특성인 재령에 따라 탄성계수와 강도는 콘크리트 표준시방서에서 제 시한 식들을 사용하여 구할 수 있다 .

• 단열온도 상승곡선의 경우 실제로 배합된 콘크리트를 이용하여 단열온도상승시험을 하여서 구하는 것이 정 확하나 콘크리트 표준시방서의 매스콘크리트부분에 서 제시하는 식에 의해 단열오도 상승 계수를 얻을 수 있다 .

 경계조건

• 콘크리트 표준시방서의 매스콘크리트 부분에서 제시한식에 의하여 최대상승오도 (K) 와 반응속도 (a) 의 계수를 얻을 수 있다 .

또한 보통포틀랜드 시멘트의 압축강도 , 발열계수 a,b 는 각각 4.5, 0.93 으로 한다 .

• 경계조건인 합판 거푸집의 경우 평균값인 7 을 사용하고 담 생 + 양생매트의 평균값 4.5 를 사용한다 ^.

• 바닥부위의 경계조건은 완전고정으로 경암이나 ,

 유한요소 해석 테이터

비열 (Kcal/Kg °C) 0.25

비중 (Kgf/ ㎥ ) 2300

열전도율 (Kcal/m hr °C) 2.5 대류계수

(Kcal/ ㎥ hr °C)

담생 + 양생매트 4.5

합판거푸집 7

외기온도 (°C) 10

타설온도 (°C) 4

압축강도 발열계수 a 4.5

열 팽창계수 1.0×105

프아송비 0.18

단위시멘트량 (Kgf/ ㎥ ) 371

발열함수계수

K 55.52

a 0.692

•이러한 재료 및 열특성 테이터를 이용하여 온도 상승이 급격한 초기 5 일 동안은 각 6 시간 간격으로 측정하고 온도 변화가 급격하지 않은 5~15 일 까지는 각 24 시간 가격으로 측정 , 온도변화가 미비한 15~21 일까지는 48 시간 간격으로 온도 및 응력 변화를 체크한다 .

 유한요소 해석 결과

 유한요소 해석 결과

기초구조물의 열전달 해석 (heat transfer analysis)

•각 Node 227( 하부 ), 2430( 중앙부 ),4633( 상

타설 72 시간의 온도분포

타설 504(21 일 ) 시간의 온도분포

재령초기에 보다는 내 , 외부간의 온도 차이가 많

 열응력 해석 (Thermal analysis)

열발생에 대한 안정성을 정량화하기 위하여 온도균열지수 개념을 도입하여 검토하였다 . 온도 균열지수는 다음과 같 이 구할 수 있다 .

온도균열지수 Icr (t) 는 재령 t 일에 있어서의 콘크리 트의 인장강도를 재령 t 일에 있어서 수화열에 의하여 발 생한 인장응력으로 나눈 값으로 표시하고 온도균열지수와 균열발생확률로 평가한다 .

 기초지반의 시간에 따른 응력변화

- 30 - 20 - 10 0 10 20 30

0 200 400

기초표면 기초내부 허용응력

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0 200 400

기초표면 기초내부 허용응력

•응력변화를 72 시간과 504 시간의 온도균열지수 검토해 보면 다음과 같다 .

최대인장응력

도달시간 최대인장응력 재령별

인장강도 온도균열지수 초기 후기 초기 후기 초기 후기 초기 후기

72 504 11.69 9.61 16.06 24.79 1.37 2.26

• 504 시간의 온도 균열지수는 2.26 균열발생율이 0%

• 재령후기에 발생할 수 있는 외부구속에 의한 응력은 구조물

• 72 시간의 온도 균열지수 1.37 온도 균열 발생율이 15%

• 재령초기의 내부구속에 의한 응력으로 구조물에 균열 발생할 우 려

온도균열지수와 균열발생확률

 결론

 결론

• 지금 까지 알아본 수화열의 일반적인 특성들을 통하여 매스콘크리트 타설시 수화열에 의하여 발생 할 수 온 도균열이 구조물의 내력 , 수밀성 및 장기적인 내구성 능의 저하를 초래 할 수 있으며 , 이에 대한 합리적인 시공방안들을 검토해보았습니다 .

이 같은 시공방안들은 구조물의 수화열 발생 여부를 면밀히 검토한 후 여건과 상황에 맞는 시공방안을 결 정하여 합리적으고 시공해야 하고 , 콘크리트 기초 구 조물 시공시 발생할 수 있는 수화열의 역학적 특성을 더욱 정확하게 이해할 수 있으며 시공 및 설계시 수화 열의 발생으로 인한 구조물의 손상을 억제 할 수 있는 방법을 도출할 수 있었습니다 .