[논문]파이프쿨링에 의한 Double T-beam 교량의 온도균열제어에 관한 연구

정철헌; 홍민기; 전세진; 박세진

doi:10.22636/mkci.2002.14.1.53

문제 정의

필요가 있다. 따라서, 본 연구에서는 쿨링파이프의 배치 간격 및 배치 갯수를 변수로 3차원 수화열 및 온도응력 해석을 실시하여 부재 전체에서 최소 온도균열지수가 1.5 이상이 되도록 쿨링파이프 배치 방안을 도출하고자 하였다.
본 연구에서는에 나타난 단면 중 바닥판 슬래브를 제외한 Double T-beam(l회 타설)만을 해석 대상으로 하여에 나타난 쿨링파이프 배치 형태에 대해서 해석을 수행하였다.
본고에서는 Double T-beam을 갖는프리스트레스 콘크리트 교량 구조물의 파이프 쿨링에 의한 온도균열 시공 사례에 대해서 기술하였다. 3차원 유한요소해석법을 이용한 사전 해석에서 쿨링파이프의 입체배치에 따른 온도균열 제어 효과를 검토하여 최적의 쿨링파이프 배치를 선정하였으며, 실 시공에서의 온도균열 제어 효과를 확인하기 위해서 온도계측을 수행하였다.

가설 설정

온도(℃), 0。): 콘크리트 내부의 발열률(Wn?), p: 콘크리트의 밀도 (Wm3), c: 콘크리트의 비열 (kJ相C) 이다. 경계 조건은 외기와 접하는 대류 경계 및 쿨링파이프 벽면과 접하는 경계가 있다.
?8 :외기온(℃), 么 : 콘크리트 표면에서의 열유속㎛満) 이다. 쿨링 파이프 벽면에서의 경계 조건은 쿨링파이프 내의 물과 콘크리트가 접하는 파이프 벽면에서의 열전달이 이루어지는 것으로 가정하여 식(3) 과 같은 경계 조건이 설정된다.

제안 방법

기술하였다. 3차원 유한요소해석법을 이용한 사전 해석에서 쿨링파이프의 입체배치에 따른 온도균열 제어 효과를 검토하여 최적의 쿨링파이프 배치를 선정하였으며, 실 시공에서의 온도균열 제어 효과를 확인하기 위해서 온도계측을 수행하였다.
따라서, 본 연구에서는 Double T-beam 콘크리트 교량의 온도균열 제어 대책으로서 파이프쿨링의 열 제거 효과를 검토하기위해서 파이프의 배치 간격 및 개수, 배치위치, 통수 온도에 대해서 3차원 유한요소해석법을 실시하여 각 변수가 온도 저감에미치는 효과를 평가하였다. 이들 결과를토대로 파이프쿨링의 최적 시공 방안을 도출하였으며, 파이프쿨링이 실제 적용된 부위에서의 온도 계측을 실시하여 온도균열제어 대책의 효과를 평가하였다.
파이프쿨링 실시시 유량이 크게 변하는 경우, 열 제거 효과에 큰 영향을 미쳐 사전에예측한 온도균열 제어 효과가 충분치 않을 것으로 예상된다. 따라서, 유량의 안전 공급과 출입구 온도계측을 위해서 자동관리 장치를 설치하였다. 파이프쿨링종료 후 쿨링파이프는 그라우팅으로 충진하였다.
본 검토의 대상 구조물은 Double T- beam을 갖는 단경간을 갖는 프리스트레스콘크리트 교량으로서 주형의 설계강도가 400 kgf/cm²이다 따라서, 프리쿨링 공법중 냉각수 사용, 반죽수의 일부를 얼음으로대체하는 방법은 온도 저감 효과가 미흡하고, 액체 질소에 의해 반죽 온도를 저감시키는 방법은 콘크리트 타설량이 적어 경제성이 떨어지는 것으로 판단하였으며, 부재치수가 비교적 작은 구조물의 온도균열 제어 대책으로서 온도 상승량을 저감하는 파이프쿨링에 의한 방법을 검토하였다. 파이프쿨링 방법은 단기간에 대량의 열 제거가가능하여 프리스트레스의 도입 시기 및 거푸집 탈형 시기 등의 지연을 방지하는 장점도 있는 것으로 판단된다.
본 연구에서는 대상 구조물인 Double T-beam 교량이 비교적 해안에서 가까운거리에 위치하기 때문에 내구성 관점에서온도균열 발생을 보다 적극적으로 억제할필요가 있는 것으로 판단하여 해석 결과를토대로 온도균열 제어 효과가 보다 뛰어난쿨링파이프 3단 배치를 결정하였다.
수화열에 의한 온도 및 응력 해석 결과를 토대로 쿨링파이프의 배치에 따른 온도균열 제어 효과를 비교 분석하였으며, 지 간의 중앙부와 단부에서 쿨링파이프 배치에 따른 온도균열 제어 효과는 ~와 같다.
온도계 측은 쿨링파이프를 3단 배치한 해석 결과를 토대로 수화열에 의한 발생 온도가 높은 지점 2개 소와 냉각 파이프 주변 1개 소에 대해서 수행하였으며, 자세한 측정 위치는 에 나타내었다.
효과를 평가하였다. 이들 결과를토대로 파이프쿨링의 최적 시공 방안을 도출하였으며, 파이프쿨링이 실제 적용된 부위에서의 온도 계측을 실시하여 온도균열제어 대책의 효과를 평가하였다.
쿨링파이프 배치 여부에 따른 해석 결과를 비교하기 위해서 동일한 유한요소 모델로 해석을 수행하였으며, 쿨링 파이프가 배치되는 경우에는 쿨링파이프가 설치되는 위치에 쿨링파이프 요소(cooling pipe element) 를 추가하였다. 수화열에 의한 온도 해석 결과는<표 5>에 요약하였으며, 최대 온도 발생시 각 단면 내 온도 분포의 형상은<그림 5> ~<그림 7>과 같다.
쿨링파이프는 주형당 6개씩 총 12개를배치하였으며, 양수기를 이용한 강제순환방식으로 약 1.04 m/s의 유속을 유지해수화열에 의한 온도가 대기온도에 수렴하는 시점까지 관리하였다. 파이프쿨링을실시하는 경우, 유량 및 통수 온도가 열제거 효과에 큰 영향을 미친다4).
쿨링 파이프 배치시 주 고려 대상은 쉬스 관 및 철근의 위치이다. 쿨링파이프의 배치 간격 및 배치 갯수를 고려한 해석 결과를 통해서 Double T-beam의 중앙부 단면과 단부 단면에 대한 온도균열 발생 여부를 검토하여 온도균열지수가 1.5 이상 가능한 쿨링파이프의 배치 방안을 포함한 시공 방안을 도출하였다. 파이프쿨링배치에 따른 주요 해석 조건은<표 3>, 수화열 및 온도응력 해석에 이용된 열 특성치및 역학적 특성치는<표 4>와같다.
파이프쿨링에 의한 온도 저감 효과를 평가하기 위해서 Double T-beam 시공시 지간 중앙부 단면부의 온도 및 파이프 내 냉각수의 유출입 온도를 측정하였다. 온도계 측은 쿨링파이프를 3단 배치한 해석 결과를 토대로 수화열에 의한 발생 온도가 높은 지점 2개 소와 냉각 파이프 주변 1개 소에 대해서 수행하였으며, 자세한 측정 위치는 <그림 15>에 나타내었다.

대상 데이터

본 교량은 40 이의 단경간을 갖는 프리스트레스 콘크리트 Double T-beam 교량으로서 교폭이 11.25 이인 2차선 교량이다. Double T-beam 교량은 콘크리트 박스 거더와 달리 철근 배근이 단순하고 1회의 콘크리트 타설로 전단면을 완성시키므로 수평 시공 이음부가 발생되지 않는다.
해석 모델은 40 m 경간 전체를 고려하였으며, 단면의 대칭성을 고려해 1/2 단면만 모델링하였다. 쿨링파이프를 미 배치한 경우, 쿨링파이프를 2단(4개) 배치한경우, 쿨링파이프를 3단(6개) 배치한 경우 각각에 대한 유한요소모델의 형상은< 그림 4>와 같다.

데이터처리

파이프쿨링을 고려한 수화열 및 온도응력 해석은 범용해석 프로그램인 DIANA를이용하였으며, 수화열 및 온도 응력 해석 흐름도는과 같다.

이론/모형

본 연구에서는 콘크리트장에서 다음과 같은 3차원 비정상 열전도방정식을 이용하였다.
파이프 쿨링에 의한 온도 저감 효과를 정량적으로 평가하기 위해서는 콘크리트 내의 열전도장에 연속된 열전달 경계면이 일정 간격으로 존재하고, 각 열전달 경계는 장소 및 시간에 따라 변하는 것이 해석에서 고려되어야 한다. 파이프의 배치는 1차원 방향뿐만 아니라 평면적으로 배치하는 경우가 많으며, 본 연구에서는 입체적으로 배치하기 때문에 3차원 유한요소해석법을 이용하였다.

성능/효과

Double T-beam 시공시 쿨링 파이프 배치에 따른 3차원 유한요소 해석 결과, 쿨링파이프 미 배치시에 비해서 쿨링 파이프의 2단 배치시 온도균열 저감 효과가 큰 것으로 나타났으며, 쿨링파이프 3단 배치 시에는 2단 배치시에 비해 약간의 온도균열 저감 효과를 보이는 것으로 나타났다.
최대 온도.가 발생하는 시점이나 수화열에 의해 발생하는 온도가 대기온도에 수렴하는 시기도 파이프 쿨링 효과가 클수록 빠른 것으로 나타났다.
따라서, 온도균열 평가를 위해서 「콘크리트표준시방서」에 규정된재령에 따른 압축강도 및 인장강도 산정시, 안전측의 결과를 고려하여 재령 91일의 콘크리트 압축강도를 설계강도인 400 kgf/cm? 를 사용하였다.
91 정도로 온도균열의 발생 가능성이 매우 높은 것으로 판단된다. 또한, 부재의 표면 모서리부에서도 큰 인장응력이 발생되어 온도균열의 발생 가능성이 높은 것으로 나타났다.
<그림 17>에 나타난 온도 측정 결과에서 보면, 센서 1과 센서 3에서 최대 발생온도가 약 50 ℃ 정도이며 센서 3 부근콘크리트의 타설 시간이 센서 1에 비해서상대적으로 어느 정도 시간이 경과한 후에이루어졌기 때문에 최대 온도의 발생 시기가 지연된 것으로 판단된다. 냉각 파이프주변에 설치된 센서 2에서는 최대 발생온도가 약 44 ℃ 정도로 수화열에 의해 최대 온도가 발생하는 지점은 아니지만 다른센서에 비해서 파이프쿨링 영향을 크게 받는 것으로 판단된다.
유출입 온도의 변화를 보면 대기온도가 증가하는 시간대에는 3 ~4℃ 정도 증가하는 경향을 보이고 있다. 유출입 냉각수의 온도 차는 수화열에 의해 Double T-beam 단면 내에서 최고 온도가 발생하는 시점 전 후에서 가장 크고, 점차적으로 감소하는 경향을 보이고 있으며, 이로 미루어 파이프 쿨링에 의한 냉각 효과가 효과적으로 적용되고 있는 것으로 판단된다.
최대발생온도는 실측치가 해석치보다 약 3 ℃ 정도 크게 측정되었는데 이는 해석시 쿨링파이프의 통수 온도는 약 15 ℃인 데 비해서 실 시공시 측정된 통수 온도는 14 ~ 18℃ 사이로 해석치보다 약 2~3℃ 정도 높았던 것이 가장 큰 원인인 것으로판단된다. 이상의 결과에서 보면, 3차원유한요소법에 의한 사전 해석을 통해서쿨링파이프의 입체 배치를 결정하는 것이실 시공시 유효하게 적용 가능한 것으로판단된다.
이상의 결과에서 보면, Double T-beam 매스 콘크리트 시공시 파이프쿨링을 실시하는 경우, 뚜렷한 온도균열 제어 효과가있는 것으로 판단된다. 파이프쿨링을 미실시 하는 경우에는 단부와 중앙부의 연결부및 복부 단면의 표면부에서 인장강도를 초과하는 최대 인장응력이 발생되어 균열 발생 가능성이 높은 것으로 나타났으나, 파이프쿨링을 실시하는 경우에는 파이프 주변에서 최대 인장응력이 유발되지만 인장강도보다 작은 수준으로 온도균열 발생이대부분 억제될 것으로 판단된다.
이상의 압축강도 시험 결과를 보면, Double T-beam 의 압축강도는 충분히 설계 강도를 만족하는 것으로 판단된다. 따라서, 온도균열 평가를 위해서 「콘크리트표준시방서」에 규정된재령에 따른 압축강도 및 인장강도 산정시, 안전측의 결과를 고려하여 재령 91일의 콘크리트 압축강도를 설계강도인 400 kgf/cm? 를 사용하였다.
이상의 온도 해석 결과에서 보면, 쿨링 파이프를 2단 배치하는 경우에는 약 12 ℃, 쿨링파이프를 3단 배치하는 경우에는 약 16 ℃의 온도 저감 효과가 있는 것으로 평가되었다. 또한.
이상의 온도응력 해석 결과에서 파이프쿨링이 실시되지 않는 경우에는 단부와 복부의 연결부 부근에서 타설 후 L67 일경에 약 20.3kgf/cm²의 인장강도를 초과하는 22.2kgf/cm²s] 온도응력이 발생한다. 이때 온도균열지수는 0.
이상의 해석 결과를 토대로 쿨링 파이프를 3단 배치한 Double T-beam의 실 시공을 통해서 해석 결과가 실측치와 유사함을 확인하였으며, 시공 후 파이프쿨링에 의한 온도균열 저감 효과를 확인하였다. 따라서, 향후 파이프쿨링을 통한 매스 콘크리트 구조물 시공시 쿨링파이프 배치에 대한 사전 해석이 온도균열 저감 대책에 유용하게 이용될 수 있을 것2로 판단된다.
3℃ 의 온도 저감 효과가 있는 것으로 나타났으며. 최대 인장응력은 약 12.8kgf/an2이 저감되어 온도균열지수가 0.91에서 1.74로 증가하는 결과를 보였다.
쿨링파이프를 3단 배치(총 6개)하는 경 弦]는 파이프쿨링 미실시에 비해 지간 중앙부에서 약 15.3℃의 온도 저감 효과가 있고, 최대 인장응력도 약 9.73 kgf/cm²이 저감되어 온도균열지수가 1.08에서 1.81 로증가하였다. 지간의 단부에서는 약 16.
것으로 판단된다. 파이프쿨링을 미실시 하는 경우에는 단부와 중앙부의 연결부및 복부 단면의 표면부에서 인장강도를 초과하는 최대 인장응력이 발생되어 균열 발생 가능성이 높은 것으로 나타났으나, 파이프쿨링을 실시하는 경우에는 파이프 주변에서 최대 인장응력이 유발되지만 인장강도보다 작은 수준으로 온도균열 발생이대부분 억제될 것으로 판단된다.

후속연구

본 교량은 교하 공간 확보를 위해 복부의 두께를 크게 하여 형고를 낮춤으로써 주형의 콘크리트 타설량이 기존 유사한 주형에 비해서 매시브한 특징이 있다. 따라서, 본 교량의 Double T-beame 단면이 매시브하고, 주형의 설계강도가 400屈仇詩으로 단위시멘트량의 사용이 과다하여 적극적인 온도균열 제어 대책이 필요하다. Double T-beam 콘크리트의 배합 특성은<표 1>에 수록하였으며, 단면의 형상은<그림 1>과 같다.
따라서, 향후 파이프쿨링을 통한 매스 콘크리트 구조물 시공시 쿨링파이프 배치에 대한 사전 해석이 온도균열 저감 대책에 유용하게 이용될 수 있을 것2로 판단된다. B

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