Thermal Stresses of Roller Compacted Concrete Dam Considering Construction Sequence and Seasonal Temperature

콘크리트工學

大 韓 土 木 學 會 論 文 集

第28卷 第6A 號·2008年 11月 pp. 881 ~ 891

시공단계 및 계절별 온도영향을 고려한 롤러다짐콘크리트댐의 온도응력 해석

Thermal Stresses of Roller Compacted Concrete Dam Considering Construction Sequence and Seasonal Temperature

차수원*·장봉석**

Cha, Soo-Won · Jang, Bong-Seok

···

Abstract

The purpose of the present study is to investigate the influence of seasonal temperature variation on the thermal stresses in roller compacted concrete dam(RCD) structures. Using the finite element code, DIANA performs 2-D transient temperature and resultant stress analysis for RCD. Time variability of the mesh geometry is considered in order to simulate successive phases of the structure's construction. The main analysis variables are construction sequence, concrete temperature and ambi- ent temperature. The results show principal tensile stress of hot-weathering concrete is higher than that of cold-weathering con- crete. In some case the index of thermal cracking excesses 1.0, RCD also needs thermal management on placing temperature according to weather condition.

Keywords : thermal stresses, roller compacted concrete dam, construction sequence, hot-weathering concrete

···

요 지

국내 최초로 시공되는 롤러다짐 콘크리트 댐 (RCD) 의 온도균열 관리방안 수립하기 위하여 RCD 공법의 시공특성인 층

(layer) 타설 방식을 고려하여 , 댐체의 온도분포 및 온도응력 해석을 수행하였다 . RCD 공법은 수 백 개의 시공단계로 구성

되어 있고 , 실제 타설 층을 시공단계로 해석하는 것과 6 층을 한 시공단계로 시공하는 경우를 비교하여 해석 단계의 단순화 가능성을 검토하였으며 , 단위시멘트량이 130 kg/m

³

내외로 발열량이 매우 작은 RCD 배합의 경우에도 여름철에는 온도균열

지수가 1.0 이하로 나타나 온도관리의 필요성을 확인하였다 .

핵심용어 : 온도응력 , 롤러다짐 콘크리트 댐 , 시공단계 , 서중콘크리트

···

1. 서 론

댐 형식의 최근 기술경향을 살펴보면 댐은 콘크리트 표면 차수벽형 댐 (Concrete Faced Rock Fill Dam: CFRD) 과

롤러다짐 콘크리트 댐 (Roller Compacted Concrete Dam:

RCD) 으로 발전하고 있다 . 우리나라는 댐 건설분야에서는

1970 년 이후 CFRD 형식을 채택한 이래 현재까지 약 15 개

댐을 건설하여 이 댐 분야에서는 상당기술 수준을 축적하고 있다 . 일본의 경우 지형적 특성 , 내진 성능 등을 고려하여

CFRD ^보다는 RCD ^{형식의 댐 건설이 주류를 이루고 있다} .

국내의 RCD 형식의 댐은 건설실적이 전무한 실태이나 , 최

근 들어 롤러다짐 콘크리트 댐이 계획된 적이 있으며 댐 형 식의 선정에 있어서 RCD 의 적용 타당성에 관해 활발히 검 토 중이다 ( ^{장봉석 등} , 2005).

RCD 댐 공법은 빈배합의 초경연 ( 超硬練 ; 슬럼프값이 Zero

인 비빔 ) 콘크리트를 인클라인 (Incline), 덤프트럭 (Dump

Truck) 등으로 운반하여 , 불도우저 (Bulldozer) 와 진동롤러로

다지는 방법으로 콘크리트를 시공하는 방법으로 1 층의 타설

높이가 0.75 m~1.00 m 인 경우가 대부분이며 , 추가적인 양

생기간이 없이 연속적으로 댐을 시공하게 된다 . 댐구조물은 대표적인 매스콘크리트 구조물로 온도균열에 대한 검토가 필

요하며 , RCD 배합은 매우 낮은 단위결합재를 사용하여 수

화 발열량이 매우 낮으며 , RCD 공법은 롤러다짐작업으로

인하여 파이프쿨링 공법을 적용하기 어려운 특징을 가지고 있다 .

본 연구에서는 국내에서 최초로 RCD 공법으로 계획된 댐 구조물을 대상으로 낮은 단위결합재 배합 및 연속 층 타설 로 수행되는 시공특성 , 대기온도 및 타설온도의 계절별 변화 를 고려하여 수화열 및 온도응력 해석을 수행하였고 , ^이를

통하여 온도균열 발생가능성 뿐 만 아니라 시공단계해석의

*정회원·울산대학교건설환경공학부교수

(E-mail : [email protected])

**정회원·교신저자·한국수자원공사수자원연구원선임연구원

(E-mail : [email protected])

간소화 , 타설시기에 따른 온도 및 응력양상을 분석하였다 . 본 연구의 해석결과를 바탕으로 향후 RCD 공법이 적용될 때

RCD 온도응력해석의 주요 고려사항에 대한 자료를 제공하

고 , 나아가 RCD 공법의 시공계획을 수립하는데 기여하고자

한다 .

2. 온도분포 및 열응력의 유한요소해석기법 2.1 온도분포 해석 기법

온도 확산방정식은 식 (1) 과 같은 비정상 Fourier 방정식 으로 표현된다 (Cook 등 , 1988).

(1)

여기서 , ρ는 밀도 , c 는 비열 , k = 구성행렬 (constitutive matrix) 로 ,

k

x

, k

y

, k

z

를 갖는 대각행렬이 되며 , 이고 , q 는 시 멘트 수화반응에 의한 내부 에너지 발생율이다 .

식 (1) 에 열전달 경계조건을 부가하고 , 공간차분화를 거친 후에 최종 유한요소방정식은 아래와 같이 주어진다 . 본 연구 에서 온도해석은 3 ^차원 8 ^{절점 고체요소를 적용하였다} .

(2)

여기서 , K는 전도행렬 , C는 용량행렬이고 , R은 하중벡터이 다 . 이 평형방정식은 다시 시간 차분화 과정을 거치게 된다 .

시간에 따른 응답을 얻기 위해서 식 (2) ^{의 미분방정식을}

시간에 대해 적분한다 . Arrhenius 형태의 발열현상 , 복사 경

계조건 , 그리고 비선형 열전달계수 등이 관련된 매우 복잡한 비선형의 확산 문제는 반복계산기법과 Newton 방법을 사용 해야 한다 . ^즉 , ^여기서는 2 ^{차 반복계산기법 등이 적용될 수}

있다 . 본 연구는 단열온도상승곡선의 온도의존성을 포함하고 있으므로 다음의 비선형 알고리즘을 사용하였다 . 이 방법은 다음과 같은 근사과정을 거치게 된다 .

(3)

식 (3) 이 각 에 대해 구해지면 , 위의 정의가 적용될 수 있다 . ^{결과적으로 다음과 같은 알고리즘을 얻게 된다} .

(4)

여기서 , Δt는 시간간격 , θ는 t

n

에서 까지의 시 간단계에서 어느 지점을 차분화할 것인가를 결정하는 매개변 수로 , ^θ =0 ^{일 때 식} (4) ^는 Euler ^{기법이 되고} , ^θ =0.5 ^{이면 사다}

리꼴기법 , θ =1 이면 , 후방차분기법이 된다 . θ≥ 0.5 이면 차분화 기법은 안정적 (stable) 이며 , θ <0.5 이면 시간간격이 특정 제한 조건을 만족하는 경우에만 안정적이 된다 .

2.2 온도응력 해석 기법

시간에 따른 온도응력을 구하기 위하여 , 가상일의 원리를

이용한 증분형태 (incremental form) 의 평형방정식에 변위장과

변형률 증분으로 유한요소법에 의한 근사화를 시도하였고 ,

최종적인 증분 형태의 방정식은 다음 식 (5) 와 같이 표현 된다 .

(5)

여기서 , 는 접선 강성행렬 (tangential stiffness

matrix) ^이고 ,

은 하중벡터이고 ,

는 각 시간단계에서 구조물 내부의 응력 σ

0

에 의한 내부 하중벡터이다 . 응력해석에서 20 절점 등매개 고체 요소 (isoparametric solid element) 를 사용하였다 . 증분 구성 방정식 (incremental constitutive equation) 은 다음 식 (6) 과 같이 표현할 수 있고 , 초기변형률 성분은 온도 변형률 만 을 고려하였다 . 재료의 강성 E는 온도이력에 의한 수화도 의 함수로 표시할 수 있다 .

(6)

여기서 ,

상기의 유한요소해석 기법을 정리하면 다음 그림 1 과 같 고 , 계산된 응력은 인장강도와 비교하여 균열발생여부를 판 단하게 된다 .

3. 해석 조건 및 해석 변수 3.1 제원 및 해석 조건

본 해석의 대상 구조물은 강원도 철원지역에 롤러다짐콘크

리트댐 (RCD) 으로 계획되어 있는 댐구조물로 해석단면은

그림 2 와 같이 본 댐의 비월류부로 선정하였다 . 댐의 제원은 하단부 폭 74.3 m, 상단부 폭 12.0 m, 높이 85.5 m 로 , 1 층 의 타설높이는 0.75 m ^{로 총} 114 ^{층으로 구성되어있다} . ^이때 1 층 타설에 소요되는 시간은 타설속도를 고려하여 100 시간

( 약 4 일 ) 으로 구조물의 완공은 총 19 개월이 소요되는 것으

로 가정하였다 . 그림 2 와 같이 댐구조물의 내부는 슬럼프가

0 mm ^{인 콘크리트를 롤러다짐장비로 시공하고} , ^{댐체 표면부}

는 슬럼프 30~40 mm 인 콘크리트로 구성되어 있고 , 설계기

준강도는 댐체 내부 RCD 는 12 MPa, 댐체의 외부 및 암착

부에 사용되는 ELCM(Extended Layer Construction Method)

은 18 MPa 로 사용 시멘트는 1 종 시멘트에 플라이애쉬

30% 혼입한 경우를 대상으로 하였다 .

해석의 요소분할과 결과 출력 위치는 그림 3 과 같고 , 평 면 변형률 요소 (plane strain element) 를 사용하였다 . 또한 온도해석에서 지반 열전달과 응력해석에서 하부 지반의 구 속도를 정확히 모델링하기 위하여 , 댐 하부에 폭 300 m,

깊이 200 m 의 지반을 모델링하였고 , 지반의 탄성계수는

cρ∂T --- ∂t = k∇

²

T q +

∇

²

= ∇ ∇ ⋅

KT CT + · = R

T ·

^a

_T

n 1+

– T

_n

( ) t ⁄ Δ

=

T

^a

= θT

_{n 1+}

+ ( 1 – θ )T

_n

, 0 ≤ ≤ θ 1

T

^a

C T ( ) θΔtK T

^a

+ ( )

^a

[ ]T

_{n 1+}

t θR ^[

_{n 1+}

+ ⁽ 1 – ^{θ )R}

_n

^{] C T} + ^{[ ( )}

^a

– ⁽ 1 – ^{θ )K T ( )}

^a

^]T

_n

= Δ

t

_{n 1+}

= t

_n

+ Δ t

K

_t

d · _{R R} –

i

=

K_t⁼

∫

_VB^TEB Vd

R BEε· V_i N^Tp V N^Tt Ad

∫

A + V d

∫

+ V d

∫

=

R_i B^Tσ₀dV

∫

V

=

ε ·

_T

σ · = _{E ε} ⁽ · – _ε ·

_T

⁾

E E T α = ( , )

그림 1. 수화열 및 온도응력 해석 절차

5,000 MPa ^{로 가정하였다} . ^{이때 지반 옆면과 하부면의 열경}

계조건은 고정온도를 가정하고 , 역학적 경계조건은 고정변위 를 부가하였다 .

본 해석은 범용 유한요소 해석 프로그램인 DIANA 를 이 용하였고 , ^식 (6) ^{과 연관된 콘크리트의 역학적 특성 변화는}

수화도 ( α , degree of hydration) 를 이용한 성숙도 개념을 적 용하여 수행하였다 . 수화도에 따른 압축강도 , 탄성계수 , 인장

강도의 발현은 다음 각각 식 (7)~(9) 와 같다 (Byfors, 1980;

Cha, 1999; de Schutter 등 , 1996).

(7)

(8) (9)

여기서 , 은 압축강도 , E

c

는 탄성계수 , 은 인장강도이고 ,

는 수화도가 α일 때의 압축강도이고 , 는

28 일 표준양생시 수화도인 α = α

28

일 때의 압축강도이고 , α

0

는 임계수화도 (critical degree of hydration) ^이다 . ^식 (7)~(9)

에서 α는 정의에 따라 최대값 1 을 가지고 , α

28

은 1 이하의 값을 가지므로 , 28 일 이후 장기강도 증진을 모사하고 있다 .

표 1 에 나타내었듯이 , 본 해석은 먼저 타설온도와 대기온

도를 10

^o

C 로 고정하고 1 층 높이 0.75 m 로 타설되어 시공

단계가 114 단계인 경우 (RCD1) 와 해석을 단순화하기 위하여

6 층 4.5 m 를 1 개의 시공단계로 타설하여 총 19 단계인 경우

(RCD2) 를 비교하여 그 결과를 분석하였다 . 또한 RCD2 의

기하학적 모델을 이용하고 구조물의 시공이 여름철에 시작

하고 경우 (SM2) 와 겨울철에 시작하는 경우 (WT2) 를 통하여

계절별 온도변화를 고려한 해석 결과를 분석하였다 . SM2 와

WT2 에서 사용된 대기온도와 콘크리트 타설온도는 그림 4 와 같이 철원지역 기온자료를 사용하였고 , 이때 대기온도가

10

^o

C 이하인 경우는 온수를 이용하여 10

^o

C 가 되도록 관리하

도록 가정하였다 . 또한 완공 후 댐의 상류부는 담수가 시작 되고 이때 온도는 5

^o

C 로 , 하류부는 대기에 노출되어 있으므

f

_c

′ α ( ) f

_c

′ α α ( =

₂₈

)

--- ^{α α} –

⁰

α

₂₈

– α

₀

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞

^α

α α –

₀

α

₂₈

– α

₀

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞

32

= =

---

E

_c

′ α ( ) E

_c

′ α α ( =

₂₈

)

--- ^{α α} –

⁰

α

₂₈

– α

₀

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞

^{α 2⁄}

α α –

₀

α

₂₈

– α

₀

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞

34

= =

---

f

_c

′ α ( ) f

_c

′ α α ( =

₂₈

)

--- ^{α α} –

⁰

α

₂₈

– α

₀

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞

^{2α 3⁄}

α α –

₀

α

₂₈

– α

₀

---

⎝ ⎠

⎛ ⎞

= =

f

_c

′ f

_t

′

f

_c

′ α ( ) f

_c

′ α α ( =

₂₈

)

그림 2. RCD 비월류부 단면 검토위치

그림 3. 기하학적 모델링 및 검토위치

표 1. 해석 변수 해석 모델 총

시공단계 타설온도 시공중

대기온도 완공후

RCD1 114 단계 10

^o

C 10

^o

C 대기온도 10

^o

C

RCD2 19 단계 10

^o

C 10

^o

C 10

^o

C

SM2 19 단계 계절 고려 계절 고려 상류측 5

^o

C

WT2 19 ^{단계 계절 고려 계절 고려 하류측} 10

^o

C

표 2. 해석조건 및 재료특성

해석조건 및 재료특성입력값

해석부위 RCD

타설시 외기온도 (

^o

C) 10 또는 계절별 변화 타설시 콘크리트온도 (

^o

C) 10 또는 계절별 변화 콘크리트 설계기준강도 (MPa) 12 18

콘크리트 탄성계수 (MPa) 16,432 20,125

콘크리트 인장강도 (MPa) 1.53 1.88

포아송비 0.18

시멘트 종류

OPC+FA 30% (OPC + 플라이애쉬

30%)

OPC+FA 30% (OPC + 플라이애쉬

30%)

단열온도상승량 ,Q

^∞

(

^o

C) 및

반응속도계수 , r Q

^∞

= 23.6

r = 0.221 Q

^∞

= 34.4 r = 0.473

단위결합재량 (kg/m

³

) 130 220

콘크리트 열적특성

밀도 (kg/m

³

) 2,500

열전도율 (kcal/mh

^o

C ) 2.3

비열 (kcal/kg

^o

C) 0.25

열팽창계수 (/

^o

C) 10×10

⁻⁶

외 기 (kcal/m

²

h

^o

C ) 12

철제거푸집 (kcal/m

²

h

^o

C ) 12

로 연평균온도인 10

^o

C 로 일정하게 적용하여 해석을 수행하 였다 . 해석 입력에 사용된 콘크리트의 온도 및 응력과 관계 되는 물성은 다음 표 2 ^{와 같으며 해석에 사용한 계절별 온}

도변화는 그림 4 에 나타낸 것과 같다 .

3.2 단열온도상승 실험

본 연구에 사용된 콘크리트 배합특성은 낮은 결합재량과 저발열을 위한 플라이애쉬 치환율이 30% 가 적용되었으므로

, 콘크리트 표준시방서의 단열온도상승곡선식의 적용 가능성 을 검증을 위하여 , 표 3 의 배합 2 종류에 대하여 단열온도상 승시험을 실시하였다 . 배합은 단위결합재량 130 kg/m

³

의

RCD 내부용 배합과 , 단위결합재량 220 kg/m

³

으로 상하류면 등에 사용하는 RCD 의 외부배합인 ELCM(Extended layer

concrete method) 배합의 두 종류로 실험을 수행하였다 . 본

실험은 타설온도 20

^o

C 조건에서 수행하였으며 , 해석 수행시 타설온도 20

^o

C 인 경우의 단열온도상승값이 입력되면 , 타설온 도에 의한 온도비선형성이 고려되어 각 층의 타설온도의 변 화가 고려되도록 모델링하였다 .

그림 5 에 나타내었듯이 , 단열온도상승시험 결과 RCD 배 합의 경우 단열온도상승량 (Q

∞

) 은 19.8

^o

C, 반응계수 (r) 는

0.334 로 나타났으며 , ELCM 배합의 경우 단열온도상승량 (Q

∞

)

은 36.6

^o

C, 반응계수 (r) 는 0.358 로 나타났다 .

시험결과와 해석에 사용한 입력값 (RCD: Q

∞

=23.6, r=0.221,

ELCM: Q

∞

=34.4, r=0.473) 과 비교하면 단열온도상승량은

비슷하나 반응계수는 약간의 차이를 보였다 . 그림 6 에서 알

수 있듯이 , RCD ^{배합의 경우에는 실험결과의 초기 발열속}

도가 시방서의 제안식보다 큰 형태를 보였으며 , ELCM 배합 의 경우에는 제안식이 초기 발열속도가 약간 크고 , 최고 온 도는 약간 작은 것으로 나타났다 .

그림 6 ^{에 나타내었듯이} , ^{콘크리트표준시방서} (2003) ^{에서 제}

시하고 있는 단열온도상승곡선식과 슬럼프가 ‘0’ 인 배합인

RCD ^{배합의 단열온도상승곡선의 특성이 다소 차이가 있음}

을 확인할 수 있으며 , 이는 실제 시공현장배합이 결정된 후 이에 따른 단열온도상승시험 결과를 바탕으로 열응력해석을 실시하는 것이 합리적인 결과를 얻을 수 있음을 의미한다 .

콘크리트표준시방서의 단열온도상승곡선과 같은 2 변수모델은 그림 4. 대기온도 및 타설온도

표 3. 배합표

대상구조물 강도

(MPa) (mm) ^G

^max

^슬럼프 (mm) ^공기량 (%) W/B s/a (%)

단위량 (kg/m

³

)

W C Binder flyash F.A. C.A. 혼화제

RCD 12 80 VC 치

20±10 초 1.5±1 0.78 28 100 91 39 662 1557 0

ELCM 18 80 30±10 3.5±1 0.57 29 125 154 66 563 1455 0

그림 5. 단열온도상승곡선 실험 및 회귀식

그림 6. 해석과 실험의 단열온도상승곡선 비교

본 연구와 같은 낮은 결합재와 플라이애쉬가 다량 포함되어 있는 매우 낮은 발열특성을 가지는 배합의 경우 반응계수를 제대로 나타내지 못하는 단점을 가지고 있는 것으로 판단된 다 . 그림 6 과 같이 최대온도가 2~3

^o

C 차이가 나고 , 반응계

수가 다소 차이가 나더라도 , RCD 배합은 낮은 단위시멘트량

을 가지고 , 연속 층타설로 시공되므로 콘크리프표준시방서의 단열온도상승식을 사용할 수 있을 것으로 생각된다 .

4. 해석 결과

4.1 시공 단계의 간소화에 따른 영향

본 연구에서는 롤러다짐콘크리트댐을 대상으로 배합 및 시 공특성 , 대기온도 및 타설온도의 계절별 변화를 고려하여 수 화열 및 온도응력 해석을 수행하였고 , 이를 요약하면 표 4

와 같다 . ^{롤러다짐콘크리트댐은} 0.5~1.0 m ^내외를 1 ^{개 층으}

그림 7. 시공단계의 간소화에 따른 온도분포 양상

로 포설하여 롤러다짐으로 시공하게 되므로 댐체 높이에 따 라 수 백 개의 시공단계로 구성되게 된다 . 온도균열 위험성 을 평가하기 위한 해석을 수행할 때 실제 시공단계를 모두

고려하는 것은 많은 시간과 노력이 소요된다 . 따라서 본 연 구에서는 실제 시공단계를 간소화하는 경우 온도 및 응력 양상의 변화를 분석함으로써 적절한 시공단계 수를 결정하 고자 하였다 . 그림 7 은 전체 층타설을 시공단계 114 개를 모 델링한 경우와 6 개 층을 1 개의 시공단계로 19 단계로 고려한 경우를 비교하여 시공단계의 간소화에 따른 온도분포 양상 을 보인 것이고 , 그림 9 는 이에 대한 이력곡선을 나타낸 것 이다 . 또한 그림 8 은 온도응력분포 양상을 , 그림 10 은 온도 응력 이력곡선을 나타낸 것이다 . 이때 시공단계 수에 따른 영향만을 분석하기 위하여 타설온도 , 대기온도는 모두 10

^o

C 로 고정하여 해석하였다 . 시공단계를 간소화함으로써 타설블록이 커저서 최대온도는 1~3

^o

C 상승하고 , 타설높이가 증가하여 구 속도가 감소하게 되어 최대주응력은 오히려 0.1~0.2 MPa 정 도 감소하는 경향을 나타내고 있다 . 댐 시공 후 약 300 일 이 전에는 저층부의 온도분포나 이력은 동일한 위치에서 일치하 지 않으나 300 일 이후의 온도분포는 대기온도와 평형을 이루 면서 유사한 경향을 보이고 있다 . 그림 8 의 응력분포에서 알 수 있듯이 실제 시공단계를 모사한 경우가 시공단계를 간소화

한 경우보다 연속적인 응력 분포를 보이고 있고 , 그림 10(a),

(b) 의 주응력 이력에서 곡선의 형상과 최대값이 0.1~0.2 MPa

내외의 차이만 보이고 있다 . 그림 10(a) 의 주응력이력과 그림

10(c) 의 댐축직각방향 (x 방향 ) 응력 이력은 값과 형상이 모두 유

사하므로 댐축직각방향응력 요소가 지배적인 것으로 판단된 다 . 또한 RCD 공법은 댐축직각방향의 줄눈 (lateral joint) 을

약 15 m 간격으로 설치하므로 실제의 경우에도 댐축직각방향

응력이 지배적인 인자가 된다 .

그림 7~ 그림 10 에서 알 수 있듯이 , 6 층 타설을 한 개의 그림 8. 시공단계의 간소화에 따른 온도응력분포 양상

그림 9. 시공단계의 간소화에 따른 온도이력

그림 10. 시공단계의 간소화에 따른 온도응력이력 표 4. 온도 및 응력 해석 결과의 요약

구조물 위치 해석 모델명 최대온도

(

^o

C) ^최대 (MPa) ^{주응력 온도균열지수} (I

cr

) 1st Season

(h=0~14.25 m)

RCD1 - 시공 114 단계 26.3 1.70 0.90

RCD2 - ^시공 19 ^단계 27.2 1.63 0.94

SM2 - 여름 타설시작 43.2 3.88 0.40

WT2 - ^{겨울 타설시작} 26.0 2.18 0.70

2nd Season (h=14.25~28.5 m)

RCD1 - 시공 114 단계 26.2 1.12 1.37

RCD2 - ^시공 19 ^단계 27.7 0.92 1.66

SM2 - 여름 타설시작 24.0 0.95 1.61

WT2 - 겨울 타설시작 31.5 1.35 1.13

3rd Season (h=28.5~42.75 m)

RCD1 - 시공 114 단계 26.2 1.13 1.36

RCD2 - 시공 19 단계 28.1 0.96 1.59

SM2 - 여름 타설시작 23.7 0.95 1.62

WT2 - 겨울 타설시작 42.8 2.38 0.64

4th Season (h=42.75~57 m)

RCD1 - 시공 114 단계 26.2 1.05 1.46

RCD2 - 시공 19 단계 28.4 0.86 1.79

SM2 - 여름 타설시작 27.8 0.75 2.04

WT2 - 겨울 타설시작 31.5 1.55 0.99

5th Season (h=57~71.25 m)

RCD1 - 시공 114 단계 26.3 0.91 1.68

RCD2 - 시공 19 단계 28.8 1.06 1.45

SM2 - 여름 타설시작 41.5 1.65 0.93

WT2 - 겨울 타설시작 24.9 0.98 1.57

6th Season (h=71.25~85.5 m)

RCD1 - 시공 114 단계 24.0 0.91 1.68

RCD2 - 시공 19 단계 21.0 0.80 1.91

SM2 - 여름 타설시작 35.3 1.17 1.31

WT2 - 겨울 타설시작 17.9 0.56 2.73

시공단계로 해석하는 경우 온도이력 양상은 다소 상이하나 댐 단면내 위치별 최대 온도 및 최대 주응력의 크기는 크게 변화하지 않으므로 해석의 편리성을 위하여 시공단계를 간

소화할 수 있다 . ( 차수원 등 , 2005) 또한 표 4 에서 알 수

있듯이 첫 번째 계절에 타설되는 댐저층부에서만 온도균열 가능성이 있으며 , 나머지 대부분의 댐체에서는 온도균열지수 가 모두 1.0 ^{을 상회하는 결과를 보였다} .

따라서 롤러다짐콘크리트댐의 시공시의 온도균열 제어를 위한 다양한 변수를 고려한 해석 수행에 있어서 , 6 층 타설 을 한 개의 시공단계로 모델링함으로써 해석 시간을 크게 단축할 수 있을 것으로 사료된다 .

4.2 타설시기 고려 여부에 따른 영향

앞서 4.1 ^{절에서 분석한 바와 같이 전체 시공단계를} 19 ^개

그림 11. 타설시기에 따른 온도분포 양상

로 간소화하여 온도 및 응력 해석결과를 분석하는 것이 적 절하므로 , ^{본 연구에서는 실제의 온도특성인 대기온도 및 타}

설온도의 계절별 변화를 고려하여 수화열 및 온도응력 해석 을 수행하였다 . 이때 온도조건이 가장 차이가 큰 여름철과 겨울철에 댐 시공이 시작되는 경우를 대상으로 해석을 수행 하였고 , 이를 요약하면 표 4 와 같다 . 표 4 에서 타설온도와 대기온도가 고정된 RCD2 의 경우 댐저층부 응력만을 제어하 면 되지만 , 계절별 온도영향을 고려하게 되면 댐저층부 뿐 만 아니라 일부 계절 , 특히 서중에 콘크리트를 타설하는 댐 체부위에서는 온도응력이 인장강도를 초과하는 경우가 발생

하게 된다 . 그림 11 은 여름철에 타설을 시작한 경우 (SM2) 와

겨울철에 타설을 시작한 경우 (WT2) 의 온도분포 양상을 보

인 것이고 , 그림 13 은 이에 대한 이력곡선을 나타낸 것이다

. 또한 그림 12 는 타설시기별 온도응력분포 양상을 , 그림 14

는 온도응력 이력곡선을 나타낸 것이다 . 그림 12~ 그림 14 에 알 수 있듯이 계절별 대기온도 및 타설온도의 영향을 고려 한 경우 온도균열 위험성이 더 큰 것으로 나타났다 .

그림 11 과 그림 13 에서와 같이 타설온도와 대기온도의 차 이가 매우 크므로 완공 전 온도분포 및 온도이력곡선은 매 우 큰 차이를 보인다 . 그러나 구조물의 완공 후 20 년이 경 과하면 온도는 댐상류면의 담수온도와 댐하류면의 대기온도 에 평형을 이루면서 동일한 온도분포를 가지게 된다 .

그림 12 는 댐체 완공시 타설시기에 따른 온도응력분포 양 상을 나타낸 것으로 , 타설시기에 관계없이 댐체하부가 가장 큰 구속응력이 발생함을 알 수 있다 . 또한 구속도가 가장 큰 댐체하부를 여름철에 시공을 시작하는 경우가 온도응력 이 최대가 되므로 구조물의 시공이 서중에 이루어지는 경우 가장 온도균열 제어대책이 요구된다 .

또한 그림 12 와 그림 14 에서 알 수 있듯이 첫 번째 계절 에 타설되는 댐체하부 이외에 각 해석경우에서 여름철에 타

설되는 부위 (SM2 의 경우 첫 번째 , 다섯 번째 계절 , WT2 인

경우 세 번째 계절 ) 에서 온도응력이 인장강도를 초과할 수 있음을 보여주고 있다 . 따라서 어느 시기에 구조물 시공이 시작되더라도 여름철의 콘크리트 타설부위가 가장 온도균열 위험성이 크다는 것을 알 수 있다 . 여름철에 타설되는 부위 외에는 온도균열 가능성이 매우 낮은 것으로 판단된다 .

그림 14 에서 주응력과 댐축직각방향응력 댐축방향응력을

분석하면 , 4.1 절에서와 같이 댐축직각방향 (x 방향 ) 응력이 지배

적인 요소인 것으로 판단된다 . 또한 롤러다짐콘크리트댐은 낮은 단위결합재량을 가지므로 구조물 완공시점에서 온도가 대부분 발산되어 시공중 온도응력의 수준이 구조물의 공용

그림 12. 타설시기에 따른 온도응력분포 양상

그림 13. 타설시기 고려여부에 따른 온도이력 (h=0 에서 14.25 m)

중과 크게 차이가 나지 않음을 알 수 있다 . 5. 결 론

본 연구에서는 롤러다짐콘크리트댐을 대상으로 배합 및 시 공특성 , 대기온도 및 타설 온도의 계절별 변화를 고려하여 수화열 및 온도응력 해석을 수행하여 다음과 같은 결론을 도출하였다 .

1. 롤러다짐콘크리트댐은 0.5~1.0 m 내외를 1 개 층으로 포설 하여 롤러다짐으로 시공하게 되므로 댐체 높이에 따라 수 백 개의 시공단계로 구성되게 된다 . 온도균열 위험성을 평 가하기 위한 해석을 수행할 때 실제 시공단계를 모두 고려 하는 것은 많은 시간과 노력이 소요된다 . 따라서 본 연구 에서는 실제 시공단계를 간소화하는 경우 온도 및 응력 양 상의 변화를 분석함으로써 적절한 시공단계 수를 결정하고 자 하였다 . 6 개 층을 1 개의 시공단계로 간소화함으로써 타 설블록이 커저서 최대온도는 1~3

^o

C 상승하고 , 타설높이가 증가하여 구속도가 감소하게 되어 최대주응력은 오히려

0.1~0.2 MPa 정도 감소하는 경향을 나타내고 있다 . 온도

이력 양상은 다소 상이하나 댐 단면내에 위치별 최대 온도

및 최대 주응력의 크기는 크게 변화하지 않으므로 해석의 편리성을 위하여 시공단계를 간소화할 수 있다 .

2. 타설온도와 대기온도가 고정된 RCD2 의 경우 댐저층부 응력만을 제어하면 되지만 , ^{계절별 온도영향을 고려하게}

되면 댐저층부 뿐 만 아니라 일부 계절 , 특히 서중에 콘 크리트를 타설하는 댐체부위에서는 온도응력이 인장강도 를 초과하는 경우가 발생하게 된다 . 따라서 계절별 대기온 도 및 타설온도의 영향을 고려한 경우 온도균열 위험성이 더 큰 것으로 나타났다 .

3. 타설시기에 관계없이 댐체하부가 가장 큰 구속응력이 발 생하였다 . 또한 구속도가 가장 큰 댐체하부를 여름철에 시 공을 시작하는 경우가 온도응력이 최대가 되므로 구조물 의 시공이 서중에 이루어지는 경우 가장 온도균열 제어대 책이 요구된다 . 첫 번째 계절에 타설되는 댐체하부 이외에 각 해석경우에서 여름철에 타설되는 부위 (SM2 의 경우 첫

번째 , 다섯 번째 계절 , WT2 인 경우 세 번째 계절 ) 에서

온도응력이 인장강도를 초과할 수 있음을 보여주고 있다 .

따라서 어느 시기에 구조물 시공이 시작되더라도 여름철 의 콘크리트 타설부위가 가장 온도균열 위험성이 크다는 것을 알 수 있다 . 여름철에 타설되는 부위외는 온도균열가

그림 14. 타설시기 고려여부에 따른 온도응력이력

능성이 매우 낮은 것으로 판단된다 .

4. 주응력과 댐축직각방향응력 댐축방향응력을 분석하면 ,

주응력이력과 댐축직각방향 (x ^방향 ) ^{응력 이력은 값과 형}

상이 모두 유사하므로 댐축직각방향응력 요소가 지배적

인 것으로 판단된다 . ^또한 RCD ^{공법은 댐축직각방향의}

줄눈 (lateral joint) ^{을 약} 15 m ^{간격으로 설치하므로 실}

제의 경우에도 댐축직각방향응력이 지배적인 인자가 된다 . 5. 롤러다짐콘크리트댐은 낮은 단위결합재량을 가지므로 구 조물 완공시점에서 온도가 대부분 발산되어 시공중 온도 응력의 수준이 구조물의 공용중과 크게 차이가 나지 않음 을 알 수 있다 .

참고문헌

장봉석 등 (2005) 롤러 다짐 콘크리트의 품질향상 방안 연구 , 한 국수자원공사 .

차수원 등 (2005) ^{롤러다짐콘크리트의 시공단계를 고려한 수화열}

해석 , 2005년도 가을학술발표회 논문집 , 한국구조물진단학회 , pp. 39-42.

건설교통부 (2003) 콘크리트 표준시방서 .

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Materials and Structures, Vol. 29, pp. 335-344.

( 접수일 : 2008.10.8/ 심사일 : 2008.11.3/ 심사완료일 : 2008.11.3)