제4장 치수 안정성 콘크리트는 재하하면 탄성변형과 비탄성변형이 발생한다. 응력-변형 관계에 대한 원인과 탄성계수를 구하는 방법(골재, 시멘트풀, 천이대 및 실험조건이 탄성계수에 어떻게 영향을 끼치는지 설명) (3) 건조수축, 크리프에 영향을 주는 변수(골재량, 골재경도, 단위시멘트량, 단위수량, 폭로시간, 상대습도, 콘크리트 부재 치수와 형상) (4) 온도수축, 콘크리트의 열적 특성, 신장능력과 균열에 대하여 이해

4.1 변형의 종류와 중요성 온도수축 : 냉각으로 생기는 수축 변형 (2) 건조수축 : 수분을 잃음으로서 생기는 수축 변형 (3) 크리프 : 어떤 수준의 지속 응력 하에서 시간의 경과와 함께 변형이 서서히 증대하는 현상 (4) 릴렉세이션(relaxation) : 어떤 수준의 지속 변형 하에서 시간의 경과와 함께 응력이 서서히 감소하는 현상 (5) 실제 콘크리트의 응력-변형 관계는 매우 복잡하기 때문에, 콘크리트의 탄성, 건조수축, 온도수축, 점탄성특성 등의 성질을 이해

4.2 탄성거동 4.2.1 응력-변형 관계의 비선형성 응력-변형 관계가 비선형성인 원인은 하중하에서 콘크리트 속에 생기는 진행형 마이크로 크랙 때문이다. (2) 마이크로 크랙의 수와 폭은 블리딩 특성, 천이대의 강도, 콘크리트의 양생 이력에 따른다. (3) 통상 양생조건하에서 콘크리트가 건조 또는 온도수축을 받을 때 매트릭스 와 굵은골재 탄성계수의 차이에 따라 천이대에 균열을 생기는 변형 차가 발생한다. (4) 콘크리트 속의 내부 미세 균열 발생 진전은 4 단계의 작용 응력 수준으로 설명이 가능하다. 1단계(종국 하중의 30% 이하) 천이대의 균열은 안정된 상태유지, 2단계(50% 이하) 천이대의 마이크로 크랙 증대, 3단계(75% 이 하) 매트릭스에도 균열발생 천이대 크랙 불안정, 4단계(75% 이상) 매트릭 스와 천이대의 크랙이 급속히 전파

4.2.2 탄성계수의 종류 콘크리트의 거동은 비선형이지만 탄성계수의 산정은 응력의 결정과 변위 계산에 필요하다. (1) 접선계수 : 응력-변형 곡선상의 임의점에서 곡선에 접하여 끌어낸 직선의 기울기 (2) 할선계수 : 원점에서 파괴 하중 40% 응력에 상당하는 곡선상의 점까지 끌어낸 직선의 기울기 (3) 현계수 : 50m의 세로 변형을 나타내는 점에서 종국 하중의 40%에 상당하 는 점까지 끌어낸 직선의 기울기 (4) 동탄성계수 : 원점에서 끌어낸 직선의 접선 계수인 초기 접선계수 (5) 휨탄성계수 : 재하된 보에 관한 변형 시험으로 결정, 포장 설계와 해석에 이용, E=PL3/(48Iy)

4.2.3 정탄성 계수 결정/ 푸아송비 콘크리트의 정탄성계수 Ec = W1.5☓0.043(fc)1/2 표 4.2 보통 중량 콘크리트의 단위계수(석영질 골재) ACI 빌딩 코드 CEB-FIP 모델 코드 fcm(N/mm2) Ec(kN/mm2) 21 27 34 41 25 28 30 32 (2) 푸아송비 : 단순 일축 하중을 받는 재료의 경우, 탄성 범위 내에서 생기 는 축방향 변형에 대한 횡방향 변형비 (3) 콘크리트의 푸아송비는 0.15와 0.2 범위, 터널, 댐과 같은 부정정구조물 의 해석에 필요, 고강도 콘크리트 일 때 작고, 동적하중을 받을 때 크다.

4.2.5 탄성계수에 영향을 주는 요인 골재 골재의 공극이 그 경도를 결정짓기 때문에 공극률이 가장 큰 영향을 줌 저공극 천연골재 : 68.9-138 kN/mm2, 다공질 자갈 : 20.7-48.2 kN/ mm2, 경량골재 : 13.7-20.6 kN/mm2 (2) 시멘트풀 매트릭스 보통 포틀랜드 시멘트풀 : 6.9-27.6 kN/mm2 (3) 천이대 장기 재령에서 압축강도보다 탄성계수가 높은 비율로 증가한다. 알칼리 성 시멘트풀과 골재 사이에 충분한 화학적 상호 작용이 발생한 결과 천이 대의 밀도가 개선되어 콘크리트의 압축강도보다는 응력-변형 관계에 뚜렷한 영향을 준다 (4) 실험 파라미터 습윤상태가 건조상태 콘크리트 공시체 보다 15% 높은 탄성계수를 나타 낸다

콘크리트의 탄성계수에 영향을 끼치는 요인 공시체의 함수상태와 재하조건 시멘트풀 매트릭스의 탄성계수 천이대의 공극률과 구성률 골재 탄성 계수 체적률 공극률 공극률 시험변수 시멘트풀 천이대 골 재

4.3 건조수축과 크리프 건조수축과 크리프는 같은 뿌리이다. 즉, 수화 시멘트풀에서 발생한다 변형-시간 곡선이 아주 유사하다. 건조수축에 영향을 끼치는 요인은 크리프에도 동일한 방식으로 영향을 준다 (4) 콘크리트에서 건조수축과 크리프 각각의 변형은 40-1000☓10-6 범위로 무시할 수 없다 (5) 건조수축과 크리프는 일부가 가역적이다.

4.3.1 원인/건조수축과 크리프 거동에 끼치는 재하와 습도상태의 영향 콘크리트의 건조수축과 크리프 변형은 수화 시멘트풀의 흡착수 손실에 관련이 있다(수화 시멘트풀의 수분 이동) (2) 콘크리트의 응력-변형 관계의 비선형성은 종국 응력의 30-40% 보다 큰 응력 수준에서 천이대의 마이크로 크랙이 크리프에 기여한다 (3) 건조수축과 크리프는 대개의 경우 동시에 발생한다. (4) 기본 크리프 : 100% 습도 조건하에 콘크리트에 일정한 응력을 가하면 시간에 따른 변형증가 (5) 건조 크리프 : 하중하의 공시체가 건조할 때에 생기는 부가적인 크리프 (6) 릴랙세이션 : 변형이 일정한 상태에서 응력이 시간 경과와 함께 감소하는 현상 (7) 단위 크리프 : 단위 응력당 크리프 변형, 크리프 계수 : 탄성변형에 대한 크리프 변형비

표 4.3 재하, 구속 및 습도 조건의 조합 구분 그림 변형과 시간 응력과 시간 설명 기본 크리프 릴랙세이션 건조수축 콘크리트와 주위 환경의 수분 이동 없음 전기간 일정 응력 릴랙세이션 전기간 일정 변형 건조수축 (무수축) 부재는 자유로이 움직임 응력은 생기지 않음 (구속) 0 시간 인장응력이 발생함

4.3.3 가역성 건조수축과 크리프 현상은 어느 정도 비가역성을 나타낸다. 가역수축과 불가역 수축 그리고 가역 크리프, 불가역 크리프로 분류된다. (2) 건조 후 재습윤에 의한 가역수축과 비회복성 불가역수축으로 분류된다. 불가역 수축은 C-S-H 구조 중에서 화학결합이 발달한 때문이다. (3) 탄성변형과 탄성회복은 거의 같은 정도이다. 탄성회복 후 크리프 회복이 라 부르는 완만한 변형의 감소가 일어난다. 크리프 회복은 가역크리프와 불가역크리프로 분류된다. 가역크리프의 일부는 완전히 회복 가능한 골재 의 지연 탄성변형에 기인한다.

4.3.4 건조수축과 크리프에 영향을 끼치는 요인 재료와 배합 콘크리트 속의 골재는 건조수축과 크리프에 영향을 끼치는 가장 중요한 요인이다. 골재의 탄성계수가 건조수축과 크리프에 큰 영향을 준다. 콘크리트의 건조수축과 크리프는 고탄성계수를 가진 골재 대신에 저탄성 계수 골재를 사용한 경우 2.5배 증가한다. 석회석 골재 550☓10-6, 사암 과 자갈 600-1500☓10-6 (2) 시간과 습도 20년간의 건조수축이 20-25%가 2주간에 발생, 50-60%가 3개월에 발생 75-80%가 1년에 발생함 (3) 콘크리트 부재의 기하 치수 (4) 크리프에 영향을 끼치는 기타 요인 콘크리트의 양생 이력, 폭로 온도, 작용 응력의 크기는 건조수축보다 건조크리프에 큰 영향을 준다.

크리프에 영향을 미치는 요인 재하시의 재령이 단기간 및 재하기간이 길수록 크리프 변형은 커진다. 재하하중이 클수록 크리프 변형은 커진다. 고강도의 콘크리트일수록 크리프 변형은 작아진다. 콘크리트 온도가 높을수록 크리프 변형은 커진다. 습도가 낮을수록 크리프 변형은 커진다.

4.4 온도수축/온도 응력에 영향을 끼치는 요인 콘크리트와 같이 인장강도가 낮은 재료에서는 시멘트의 수화열로 인한 팽창보다는 냉각으로 인한 수축 변형이 중요하다. 탄성계수, 구속 정도, 크리프로 인한 릴랙세이션에 따라서 인장응력이 변형을 야기하기 때문 f = E e = E a T = 20.7 kN/mm2☓ 10☓10-6/oC ☓15oC = 3.1 N/mm2 (2) 구속률 기초가 단단하지 않으면 구속률은 감소한다. (3) 온도변화 부어넣기 온도를 제어하는 것은 콘크리트의 온도 균열을 피하는 가장 좋은 방법이다. 포틀랜드 시멘트의 일부를 포졸란으로 치환함으로써 단열 온도 상승을 현저히 저감할 수 있다.

4.5 콘크리트의 열적 특성 선팽창계수 : 온도 변화 1도당 단위 길이의 변화 콘크리트의 팽창계수는 골재의 선팽창 계수와 직접적인 관계가 있어, 낮은 선팽창계수를 가진 골재를 선택하는 것은 온도 변형 저감의 방법임 (3) 온도 수축 변형은 온도 하락과 콘크리트의 선팽창 계수에 따라 좌우됨, 콘크리트의 선팽창 계수 값 6 - 12☓10-6/oC (4) 비열 : 물질의 단위 질량당 온도를 1도 상승하는데 필요한 열량 (5) 열전도율 : 단위 온도차 하에서 물질의 단위 면적을 통과하여 전도하는 열량

표 4.5 다른 골재를 가진 콘크리트의 열전도율 골재 종류 열전도율(W/m⋅K) 석영암 백운석 석회석 화강암 유문암 현무암 3.5 3.2 2.6-3.3 2.6-2.7 2.2 1.9 - 2.2

4.6 신장 능력과 균열 탄성계수 : 탄성계수가 작을수록 탄성 인장 응력의 크기는 작아진다. 크리프 : 크리프가 클수록 릴렉세이션은 커지며 순인장 응력은 작아진다 인장 강도 : 인장 강도가 클수록 균열 발생 위험이 작아진다. 신율능력 : 콘크리트의 균열을 감소시키기 위한 여러 요인의 조합, 균열 감소를 위해서는 큰 신율능력(낮은 탄성계수, 큰 크리프, 고 인장강 도)를 가져야 한다. (5) 온도 균열 해석으로는 온도 변형으로 발생하는 탄성 응력을 산출하기보다 인장 변형 능력을 구하는 편이 더 실무적 기준임

Report #4 문제 1. 콘크리트의 대표적인 응력-변형률 그래프를 그리시오. 이 그림에서 탄성계수 결정방법과 보통강도 및 고강도 콘크리트의 특징을 설명하시오. 문제 2. 콘크리트의 건조수축과 크리프에 영향을 주는 요인들에 대하여 설명하시오. 문제 3. 콘크리트 구조물의 균열 원인과 대책에 대하여 설명 하시오.