기초 콘크리트 구조의 수화열 해석 (MIDAS에 의한 수화열 해석)

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1 기초 콘크리트 구조의 수화열 해석 (MIDAS에 의한 수화열 해석)
B-3조 조장 : 신익호 부조장 : 김연수 이상민 이상도 김석중 김재우 박상언

2 <연구목적> <연구범위>
본 연구는 매스콘크리트 구조 물들의 수화열 밎 온도응력 해석을 통하여 수화열에 의한 온도균열의 제어 및 합리적인 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 수화열 저감 방법 연구

3 <연구의 기대 효과> 본 연구를 통하여 콘크리트 기초 구조물 시공시 발생할 수 있는 수화열의 역학적 특성을 더욱 정확하게 이해할 수 있으며 시공 및 설계시 수화열의 발생으로 인한 구조물의 손상을 억제 할 수 있는 방법을 도출할 수 있다.

4 매스콘크리트의 정의 및 범위 기관 정의 및 범위 콘크리트 표준시방서
매스콘크리트 구조물의 치수는 구조형식, 사용재료, 시공조건에 따라 다르지만, 대략 슬래브는 80∼100cm이상이고, 하단이 구속되어 있는 벽체는 두께 50cm 이상으로 본다. 건축공사 표준 시방서 구조물의 크기가 100cm이상인 콘크리트 일본 토목학회 부재 또는 구조물의 치수가 커서 시멘트의 수화열에 의한 온도의 상승을 고려해서 시공해야 하는 콘크리트로, 대략 슬래브는 80∼100cm이상이고, 하단이 구속되어 있는 벽체는 두께 50cm 이상으로 본다.

5 수화열에 의한 온도균열 발생기구 내부구속에 의한 응력 내부구속에 의한 균열은 콘크리의 내부와 표면과의 온도 차이에 의해 발생
재령 1~5일 정도에서 콘크리트 내부온도가 최고점에 도달 할 때 최대

6 외부구속에 의한 응력 외부구속에 의한 균열은 타설된 콘크리트의 열변형이 지반 또는 기타설한 콘크리트에 의해 구속되여 발생
구속면에 대하여 직각방향으로 발생하며 구조물을 관통하는 경우가 많으며 구조물의 내력에 커다란 영향을 미친다.

7 온도응력의 발생에 영향을 미치는 인자 초기 재령시에 매스콘크리트에서 발생하는 온도균열을 제어하기 위해서는 먼저 온도 및 온도응력에 영향을 미치는 요인의 특성에 대한 검토할 필요가 있다. 온도 상승량이 온도 응력에 미치는 영향 구속도가 온도응력에 미치는 영향 콘크리트의 역학적 특성이 온도응력에 미치는 영향

8 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 확보할 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 가능 내외부의 온도 차는 0.3~0.4`C 정도 조절이 가능

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

10 콘크리트의 특성이 온도응력에 미치는 영향 매스 콘크리트 구조물에서의 수화열에 의한 온도응력은 특히 역학적 특성이 급격히 변화하는 초기재령에서 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 수행할 수 있다.

11 매스콘크리트구조물의 합리적인 시공방안 배합온도를 억제하는 일반적인 방법 사전 냉각방법 사후냉각방법

12 배합온도를 억제하는 일반적인 방법 골재의 저장장소에 있어서 직사광으로부터 피한다. 시멘트 구입시 고온시멘트의 입하를 피한다.
굵은골재에 살수 한다. 야간 또는 아침에 콘크리트의 제조, 타설을 행한다. 혼합수로 가능한 저온의 물을 사용한다.

13 사전 냉각방법 배합수 일부 또는 전체를 저온의 배합수를 이용하여 냉각하는 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 상태)로 혼합되어, 콘크리트를 최대 11`C 정도 낯 출 수 있다. 이 시스템은 부가적인 시설로 인하여, 초기 투자 외에 액체 질소 사용에 따른 제반 비용이 소요된다.

14 얼음을 이용하여 배합수를 냉각하는 방법 콘크리트의 온도를 최대 11`C정도 저하시킬 수 있다. 얼음의 생산, 운반등에 막대한 설비 투자기 있어야 하는 난 점이 있다. 액체 질소를 이용하여 콘크리트를 냉각하는 방법 액체 질소를 콘크리트에 직접 분사하는 방법으로 최대 10`C 이하로 낮 출 수 있다. 콘크리트가 대량의 액체 질소에 노출되어도 성능에 불리한 영향을 받지 않는다. 중요 콘크리트 타설 공사에서 성공적으로 적용된 예가 있고, 비용증가가 크지만 실제 효율성 측면에서 상당히 합리적인 방법이다.

15 서해대교(총연장 7.31Km)의 수화열 저감 방법으로 사용
사후 냉각방법 파이프 쿨링 콘크리트 타설전에 파이프를 배치해 두고 콘트리트의 타설직후부터 여기에 통수 하여 수화열을 제거 하는 방법 통수온도가 지나치게 낮거나,냉각기간이 적절하지 않으면, 온도하강속도가 크게 되어 균열이 발생할 수 있다. 파이프 쿨링시공모습 서해대교(총연장 7.31Km)의 수화열 저감 방법으로 사용

16 유한요소 해석 기초 구조물 해석 모델 10×10×2.5m의 크기가 큰 구조물의 경우 수화열에 의한 예기치 못한 균열이 발생할 가능성이 있으므로 범용구조 해석 프로그램인 MIDAS를 이용하여 각 시공단계별 균열발생 가능성을 검토한다.

17 사용재질 및 열특성(재료의 물성) 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 열계수 사용값 열전도율(Kcal/m hr °C) 2.2∼2.4 비열(Kcal/Kg °C) 0.25∼0.3 표준시방서 열확산 율(㎡/h) 0.003∼0.004

18 온도해석 해석시 고려되는 콘크리트의 역학적 특성인 재령에 따라 탄성계수와 강도는 콘크리트 표준시방서에서 제시한 식들을 사용하여 구할 수 있다. 단열온도 상승곡선의 경우 실제로 배합된 콘크리트를 이용하여 단열온도상승시험을 하여서 구하는 것이 정확하나 콘크리트 표준시방서의 매스콘크리트부분에서 제시하는 식에 의해 단열오도 상승 계수를 얻을 수 있다.

19 경계조건 콘크리트 표준시방서의 매스콘크리트 부분에서 제시한식에 의하여 최대상승오도(K)와 반응속도(a)의 계수를 얻을 수 있다. 또한 보통포틀랜드 시멘트의 압축강도, 발열계수 a,b는 각각4.5, 0.93으로 한다. 경계조건인 합판 거푸집의 경우 평균값인 7을 사용하고 담생+양생매트의 평균값 4.5를 사용한다. 바닥부위의 경계조건은 완전고정으로 경암이나, 기타설된 콘크리트로 가정하였다.

20 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 b 0.95 91일 탄성계수(Kgf/㎡) 2.7734×10-5

21 단, 절점과 요소수를 줄이기 위하여 유한요소 해석 모델의 ¼만 출력 한다.
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 5일 동안은 각 6시간 간격으로 측정하고 온도 변화가 급격하지 않은 5~15일 까지는 각 24시간가격으로 측정, 온도변화가 미비한 15~21일까지는 48시간 간격으로 온도 및 응력 변화를 체크한다. 단, 절점과 요소수를 줄이기 위하여 유한요소 해석 모델의 ¼만 출력 한다.

22 유한요소 해석 결과 기초구조물의 열전달 해석(heat transfer analysis)
각 Node 227(하부), 2430(중앙부),4633(상부) 부분의 온도변화를 21일 동한 체크 한 것으로, 하부로 갈수록 온도상승 폭이 많은 것을 알 수 있다.

23 재령초기에 급격한 온도 상승으로 내부구속에 의한 응력이 발생할 수 있다.
타설 72시간의 온도분포 재령초기에 급격한 온도 상승으로 내부구속에 의한 응력이 발생할 수 있다.

24 재령초기에 보다는 내,외부간의 온도 차이가 많이 줄었지만 외부구속에 의한 응력으로 수직으로 관통 균열일 발생할 수 있다.
타설 504(21일)시간의 온도분포 재령초기에 보다는 내,외부간의 온도 차이가 많이 줄었지만 외부구속에 의한 응력으로 수직으로 관통 균열일 발생할 수 있다.

25 열응력 해석(Thermal analysis)
열발생에 대한 안정성을 정량화하기 위하여 온도균열지수개념을 도입하여 검토하였다. 온도 균열지수는 다음과 같이 구할 수 있다. 온도균열지수 Icr (t)는 재령 t일에 있어서의 콘크리트의 인장강도를 재령 t일에 있어서 수화열에 의하여 발생한 인장응력으로 나눈 값으로 표시하고 온도균열지수와 균열발생확률로 평가한다.

26 기초지반의 시간에 따른 응력변화

27 응력변화를 72시간과 504시간의 온도균열지수 검토해보면 다음과 같다.
응력변화를 72시간과 504시간의 온도균열지수 검토해보면 다음과 같다. 최대인장응력 도달시간 재령별 인장강도 온도균열지수 초기 후기 72 504 11.69 9.61 16.06 24.79 1.37 2.26

28 재령초기의 내부구속에 의한 응력으로 구조물에 균열 발생할 우려
온도균열지수와 균열발생확률 72시간의 온도 균열지수 온도 균열 발생율이 15% 재령초기의 내부구속에 의한 응력으로 구조물에 균열 발생할 우려 504시간의 온도 균열지수는 균열발생율이 0% 재령후기에 발생할 수 있는 외부구속에 의한 응력은 구조물 자 체에 아무런 영향을 미치지 않는다.

29 결론 지금 까지 알아본 수화열의 일반적인 특성들을 통하여 매스콘크리트 타설시 수화열에 의하여 발생 할 수 온도균열이 구조물의 내력, 수밀성 및 장기적인 내구성능의 저하를 초래 할 수 있으며, 이에 대한 합리적인 시공방안들을 검토해보았습니다. 이 같은 시공방안들은 구조물의 수화열 발생 여부를 면밀히 검토한 후 여건과 상황에 맞는 시공방안을 결정하여 합리적으고 시공해야 하고, 콘크리트 기초 구조물 시공시 발생할 수 있는 수화열의 역학적 특성을 더욱 정확하게 이해할 수 있으며 시공 및 설계시 수화열의 발생으로 인한 구조물의 손상을 억제 할 수 있는 방법을 도출할 수 있었습니다.