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문제 정의
- mm 강판을 절단하여 각형으로 용접하였다. 22 m 높이의 실험 기둥은 현재 시공 중인 타워펠리스 HKTower Palace M)에 적용 예정인 500kgf/cm2 무다 짐 콘크리트의 하부 압입에 의한 시공 성능을 사전평가하기 위한 목적으로 제작되었다. 실험 기둥은 실제 구조물의 시공조건을 고려하여 콘크리트를 하부에서 압입하는 경우와 상부에서 자유낙하 시켜 타설하는 방법 등을 비교하여 하부 압입되는 콘크리트는 유동화의 개념을 적용하였으며, 상부 타설인 경우는 일반 콘크리트로서 적용하였다.
- 따라서 본 시험에서는 콘크리트의 충전이 완료된 시점을 기준으로 1시간 정도 경과한 후에 기둥 상부 면에서 콘크리트의 수직 침하량을 측정함으로써향후 실제 구조물에 고강도-고유동 콘크리트를 적용하였을 경우에 대비한 기초 자료를 삼고자 하였다.
- 이때 콘크리트 내부의 온도와 콘크리트 표면, 그리고 외기 온도의 차가 커지면 콘크리트 경화 초기에 온도 균열이 발생하는 등 구조물의 안전에 큰 영향을 미치게 된다. 따라서 본 실험에서는 각형강관 내에 콘크리트를 충전하여 별도의 보양 조치를 하지 않을 경우 콘크리트 내에 발생하는 수화 온도 측정을 위하여 기둥 단면의 중앙부(외부로부터 350 mm 거리)와 외부에서 10 mm 떨어진 부분에 온도 측정용 게이지를 콘크리트 타설전에 매립하여 수화 온도를 측정하였다. 또한 외부 온도의 변화에 따른 콘크리트 수화 온도 변화를 비교하기 위하여 대기 중에 온도 즉정용 게이지를 설치하였다.
제안 방법
- 또한 각형 강관 기등에 콘크리트가 타설된 이후 다이어프램 하부에서의 콘크리트 충전 상황을 평가하기 위하여 다이어프램 하부에 충전확인센서를 부착하여 계측하도록 하였다. 그리고 실험 후 실험체의 영구 보존을 위하여 각형강관 기등의 하부에 1200 X 1200 X 300 mm의 기초를 시공한 후 L형 앵커볼트를 설치하고 각형 강관을 세우도록 하였다. 이상과 같이 본 실험에서 적용한 주요 변수는 다음과 같다.
- 즉 압축강도가 각각 270, 500 kgf/cnf으로 슬럼프 플로우(slump flow) 가 65 cm 이상 되는 유동화 콘크리트와 슬럼프(slump)가 18 ~ 20 cm 정도 되는 일반 콘크리트 2가지로 시공하도록 계획하였다. 그리고 실험체에 적용한 다이어프램은 두께 22 mm의 내 다이어프램으로 충전되는 콘크리트의 원활한 시공을 위하여 다이어프램의 중앙에 직경 350 mm의 원형 구멍을 뚫어 20 %의 개구율을 가지도록 하였으며, 다이어프램의 하부에 콘크리트가 충전되면서 갇힌 내부 공기를 배출하기 위하여 다이어프램의 각 모서리에 직경 30 mm의 공기 구멍을 설치하였다. 또한 22 m 높이의 기둥에는 다이어프램 형상에 따른 시공성능 비교를 위하여 십자형의내 다이어프램을 적용하였다.
- 따라서 본 실험에서는 다음 및과 같이 콘크리트 충전확인센서를 부착하여 시간의 경과에 따른 콘크리트 충전상태를 평가하였다.
- 그리고 실험체에 적용한 다이어프램은 두께 22 mm의 내 다이어프램으로 충전되는 콘크리트의 원활한 시공을 위하여 다이어프램의 중앙에 직경 350 mm의 원형 구멍을 뚫어 20 %의 개구율을 가지도록 하였으며, 다이어프램의 하부에 콘크리트가 충전되면서 갇힌 내부 공기를 배출하기 위하여 다이어프램의 각 모서리에 직경 30 mm의 공기 구멍을 설치하였다. 또한 22 m 높이의 기둥에는 다이어프램 형상에 따른 시공성능 비교를 위하여 십자형의내 다이어프램을 적용하였다. 그리고 콘크리트의 충전 상황을 확인하기 위하여 실험 기 등 의한 면에는 일정 간격으로 직경 10mm의 충전 확인 구멍을 설치하였다.
- 그리고 콘크리트의 충전 상황을 확인하기 위하여 실험 기 등 의한 면에는 일정 간격으로 직경 10mm의 충전 확인 구멍을 설치하였다. 또한 각형 강관 기등에 콘크리트가 타설된 이후 다이어프램 하부에서의 콘크리트 충전 상황을 평가하기 위하여 다이어프램 하부에 충전확인센서를 부착하여 계측하도록 하였다. 그리고 실험 후 실험체의 영구 보존을 위하여 각형강관 기등의 하부에 1200 X 1200 X 300 mm의 기초를 시공한 후 L형 앵커볼트를 설치하고 각형 강관을 세우도록 하였다.
- 따라서 본 실험에서는 각형강관 내에 콘크리트를 충전하여 별도의 보양 조치를 하지 않을 경우 콘크리트 내에 발생하는 수화 온도 측정을 위하여 기둥 단면의 중앙부(외부로부터 350 mm 거리)와 외부에서 10 mm 떨어진 부분에 온도 측정용 게이지를 콘크리트 타설전에 매립하여 수화 온도를 측정하였다. 또한 외부 온도의 변화에 따른 콘크리트 수화 온도 변화를 비교하기 위하여 대기 중에 온도 즉정용 게이지를 설치하였다. 수화 온도 측정용 게이지의 매립 위치가 다음<그림 4>에 나타나 있으며, 온도 측정 광경과 게이지 매립 상황이 다음<사진 12M<사진 13>에 나타나 있다.
- 다이어프램의 유. 무에 따른 펌프압의 변화 및 다이어프램 부분의 콘크리트 충전 성 확보, 침하량 변화 등을 평가하여 고강도-유동화 콘크리트의 시공 성능을 종합 평가함으로써 최근에그 필요성이 절실한 콘크리트 충전 각형 강관 기 등의 실용화를 주목적으로 한다.
- 본 시험시공에서는 콘크리트의 압입 방법을 상부에서 하부로가 아닌 하부에서 상부로 콘크리트를 채워 가는 방법을 택하였기 때문에 강관기등의 최상부인 높이 22 m까지 콘크리트가 완전히 충전되기 위해서는 상당히 큰 펌프 압력이 소요될 것으로 예상하였으며 이를 측정하기 위하여 Portable Concrete Pump에 부착되어 있는 압력 게이지의 Bar 값 및 배관 파이프에 2개의 압력 게이지를 설치하여 콘크리트 타설에 소요되는 펌프압력을 측정하였다. Bar값의 측정은 콘크리트가 기 등의 하부로부터 10 m 충전되었을 때와 20 m 충전되었을 때를 기준으로 하였으며 측정 결과가 다음<표 4>에 나타나 있다.
- 이러한 현상은 일반 콘크리트에 비해 점성이 큰 고강도 혹은 유동화 콘크리트를 적용할 경우 발생 가능성이 더 증가하므로 강관 기 등의 형상 및 단면 크기에 따라, 그리고 시공 높이에 따라 적용 가능한 강관두께를 산정하도록 하고 있다. 본 시험에서는 서로 다른 종류의 콘크리트와 시공높이가 다른 각 실험기 등에 대하여 강관기둥 하부로부터 2.5m 위치에 전기저항식 스트레인 게이지 (strain gauge)를 부착하여 콘크리트 타설에 따른 강관의 변형 도를 측정하였다. 각 실험 기둥에 스트레인게이지를 부착한 상황이 다음<사진 14>에 나타나 있다.
- 본 실험에 사용된 콘크리트의 생산은 선일공업(주) 안양 공장 배치 플랜트를 이용하였으며 이때 적용한 배합비는 소요 압축 강도와 작업성을 확보하기 위하여 실내 실험 배합 이후 레미콘 트럭을 대상으로 현장 모형실험(mock up test)을 실시한 후 최종으로 다음와 같은 배합비를 적용하였다.
- 본 실험에 적용한 콘크리트의 물성을 평가하기 위하여 레미콘의 현장 도착 직후 펌프 압송 전, 그리고 기 등에 콘크리트 충전 완료후 콘크리트 시료를 채취하여 슬럼프(slump), 슬럼프 플로우(slump flow), Lr플로우(flow), U형 충전 성, 공기량, 그리고 콘크리트 종류별 수화 온도, 충전 완료 후 콘크리트 침하량을 측정하였다. L-플로우 및 U형 충전시험은 500kgf/cm2 무다짐 콘크리트에만 적용하였다.
- 다음<표 2>와 같은 배합비를 적용하였다. 본 실험이 이루어지는 현장은 한양학교 안산캠퍼스 내에 위치하고 있고 레미콘 공장은 안양에 위치하고 있어 콘크리트 타설 당일의 교통량을 고려할 때 레미콘 운반 시간이 1시간 이상 소요될 것으로 판단되어 장시간의 경과에도 콘크리트 슬럼프의 손실을 방지하고 양호한 작업성을 확보하기 위하여 지연 효과와 점증 효과를 동시에 가지고 있는 고성능 AE감수제를 레미콘 배치 플랜트에서 콘크리트 제조시 첨가하였다.
- 22 m 높이의 실험 기둥은 현재 시공 중인 타워펠리스 HKTower Palace M)에 적용 예정인 500kgf/cm2 무다 짐 콘크리트의 하부 압입에 의한 시공 성능을 사전평가하기 위한 목적으로 제작되었다. 실험 기둥은 실제 구조물의 시공조건을 고려하여 콘크리트를 하부에서 압입하는 경우와 상부에서 자유낙하 시켜 타설하는 방법 등을 비교하여 하부 압입되는 콘크리트는 유동화의 개념을 적용하였으며, 상부 타설인 경우는 일반 콘크리트로서 적용하였다. 즉 압축강도가 각각 270, 500 kgf/cnf으로 슬럼프 플로우(slump flow) 가 65 cm 이상 되는 유동화 콘크리트와 슬럼프(slump)가 18 ~ 20 cm 정도 되는 일반 콘크리트 2가지로 시공하도록 계획하였다.
- 압축강도 270kgf/cm2와 500kgf/cm2인 일반 및 고 유동(무다짐) 콘크리트의 시공 성능 평가를 위하여 700 X 700 X 22, 000(15,000) mm 크기의 각형 강관에 콘크리트 압입 충전 실험을 실시한 본 연구의 결론은 다음과 같다.
- 실험 기둥은 실제 구조물의 시공조건을 고려하여 콘크리트를 하부에서 압입하는 경우와 상부에서 자유낙하 시켜 타설하는 방법 등을 비교하여 하부 압입되는 콘크리트는 유동화의 개념을 적용하였으며, 상부 타설인 경우는 일반 콘크리트로서 적용하였다. 즉 압축강도가 각각 270, 500 kgf/cnf으로 슬럼프 플로우(slump flow) 가 65 cm 이상 되는 유동화 콘크리트와 슬럼프(slump)가 18 ~ 20 cm 정도 되는 일반 콘크리트 2가지로 시공하도록 계획하였다. 그리고 실험체에 적용한 다이어프램은 두께 22 mm의 내 다이어프램으로 충전되는 콘크리트의 원활한 시공을 위하여 다이어프램의 중앙에 직경 350 mm의 원형 구멍을 뚫어 20 %의 개구율을 가지도록 하였으며, 다이어프램의 하부에 콘크리트가 충전되면서 갇힌 내부 공기를 배출하기 위하여 다이어프램의 각 모서리에 직경 30 mm의 공기 구멍을 설치하였다.
- 콘크리트 타설은 각형 강관 기 등의 하부로부터 약 900 mm 높이에 콘크리트 주입구(사진 2>를 설치한 후 Portable Pump를 사용하여 콘크리트를 압입하여 기둥 하부로부터 상부로 채워 올라가는 역타설 방법을 사용하였다. 콘크리트 압송용 배관은 직경 140 mm의 파이프를 연결하였으며 배관 길이는 곡관을 포함하여 약 40 m 정도 되었다.
- 콘크리트를 타설하면서 상당한 펌프 압력을 받은 콘크리트의 압축강도 시험을 위하여 콘크리트 타설 전 콘크리트와 타설이 완료된 후 실험기 등의 최상부에서 콘크리트를 채취하여, 각 단계에서 MO X 20 cm의 실린더 공시 체를 제작하여 재령 7일 및 28일 압축 강도를 측정하였으며, 비교시험으로 재 28일에서의 할렬 인장 강도를 측정하여 다음과 같은 결과를 얻었다.
- 콘크리트의 상부 타설은 펌프카를 이용하였으며 타설 길이가 15m 정도 되므로 펌프 파이프 선단에 플렉시블 호스(flexible hose)를 연결하여 기둥 내부에 삽입하여 바닥으로부터 약 1 m 높이에서 자유낙하 되도록 하였다. 이상과 같은 방법에 의한 콘크리트 타설 광경이 다음<사진 3>에 나타나 있다.
- 하붕압입시 각 기 등의 상부에서 콘크리트의 충전이 완료된 것을 확인한 후 유압쟉키를 이용하여 주입구에 설치한 콘크리트 차단창을 닫아 기둥으로부터 콘크리트의 누출을 방지하였다.
대상 데이터
- 본 시험 시공을 위한 실험 기 등은 단면이 700 X 700 mm인 정방형의 각형강관으로 15 m 높이를 가지는 기둥 3개와 22 m 높이를 가지는 기둥 1개를 계획하였으며, SS400 재질의 두께 22 mm 강판을 절단하여 각형으로 용접하였다. 22 m 높이의 실험 기둥은 현재 시공 중인 타워펠리스 HKTower Palace M)에 적용 예정인 500kgf/cm2 무다 짐 콘크리트의 하부 압입에 의한 시공 성능을 사전평가하기 위한 목적으로 제작되었다.
- 콘크리트 제조는 보통 포틀랜드 시멘트를 사용하였으며 고강도 콘크리트 제조 시 시멘트량의 증가로 인한 높은 수화 온도를 저감시키기 위하여 플라이 애쉬 (fly ash)를 사용하였다. 굵은 골재는 270kgf/cm2에는 최대크기 25 mm 화강암 쇄석을, 500 kgf/cm?에는 20 mm 쇄석을 사용하였으며, 잔골재는 세척사를 사용하였다.
성능/효과
- 2) 700 X 700 X 22,000 mm 크기의 각형 강관 기등에 압축 강도 500 kgf/cm2, 플로우 65 ±5 cm의 성능을 가지는 고강도-고유동(무다짐) 콘크리트를 하부 압입에 의하여 시공할 경우 최고 130 bar 정도의 입력이 소요되는 것으로 나타났다.
- 3) 동일한 압축강도 500kgf/cm2을 가지는 무다짐 콘크리트와 일반 콘크리트의 침하량은 무다 짐의 경우가 일반보다 21 mm 크게 측정되어 유동성이 큰 콘크리트를 시공할 경우 일반 콘크리트보다 침하량^ 증가할 것疝 예상하여 이를 고려한 시공이 필요한 것으로 판단된다.
- 4) 실험 기 등의 중앙부에서 측정한 콘크리트의 최고 온도는 500 kgf/cm2 일반인 경우 67.3 ℃를 나타내었고, 500 kgf/cm2 무다짐의 경우에는 53 .6 ℃를 나타내어 유동화 개념을 적용하지 않은 경우가 13.7 ℃ 정도 크게 나타났다. 또한 270 kgf/cm2 일반인 경우 51.
- 5) 콘크리트 압송 전·후의 압축강도는 압송 후가 다소 증가하는 것으로 나타났으며, 이는 고압력을 받은 콘크리트의 내부 공극이 감소하여 콘크리트 구성재료 간의 조직이 치밀해져 좀 더 높은 강도를 발현하는 것으로 판단된다.
- 500kgf/cm2 무다 짐 콘크리트에 대하여 압송 전 측정한 결과는 70 cm, 압송 후에는 68 cm로 일반적으로 적용하는 기준치인 40 ~ 75 cm를 만족하였다. 또한 L-슬럼프는 압송 전에 32 cm, 압송후에 29 cm로 일반적인 품질기준인 20 ~ 36 cm를 만족하는 것으로 나타났다.
- U형 충전시험은 폭 20 cm의 U형 Box 하단에 5 cm 간격으로 13mm 직경의 이형철근(D13)을 배치하여 콘크리트의 간극 통과 성을 평가하는 비교적 간편한 시험 방법으로, 500 kgf/cm2 무다짐 콘크리트를 압송 전 측정한 결과 32 cm, 압송 후에는 30 cm로 일반적인 품질기준인 20 ~ 35 cm를 만족하는 것으로 나타났다. U형 충전시험광경이 다음<사진 6>에 나타나 있다.
- 슬럼프 플로우가 33 cm이고, 펌프카에 의한 상부 낙하 타설 완료 후에는 21cm, 33 cm로 각각 측정되어 레미콘 공장으로부터의 콘크리트 운반 및 펌프카에 의한 타설후에도 별다른 물성의 변화 없이 양호한 상태를 나타내었다. 또한 22 m 기 등에 적용한 500 kgf/cm2 무다 짐 콘크리트의 경우 슬럼프의 개념을 없애고 플로우의 개념을 적용하여 콘크리트 현장도착 직후 측정된 플로우가 71.5 cm, 하부 압입에 의한 타설 종료 후 22 m 높이에서 채취한 콘크리트가 65 cm 로 측정되어 타설 전보다 약 6.5 cm 감소하였으나, 일반적으로 고려하는 고유동 콘크리트의 슬럼프 플로우 기준치인 60 + 5 cm를 만족하여 양호한 품질 및 시공성능을 가지는 것으로 나타났다. 콘크리트에 대한 슬럼프 플로우 시험광경이<사진 4>에 나타나 있다.
- ~ 75 cm를 만족하였다. 또한 L-슬럼프는 압송 전에 32 cm, 압송후에 29 cm로 일반적인 품질기준인 20 ~ 36 cm를 만족하는 것으로 나타났다. L-플로우 시험광경이<사진 5>에 나타나있다.
- 실험 결과 500 kgf/crS의 무다 짐 콘크리트를 하부압입한 기둥(C1)의 단면 중앙부에서의 변형률이 다른 기둥보다 크게 나타났으며, 동일한 기둥실험 체에서도 단면 중앙부의 변형률이 측면에서의 변형률보다 약 2배 정도 큰 것으로 나타났다. 이로부터 일반 콘크리트에 비해 측압이 크게 작용하는 고강도-고유동콘크리트를 시용할 경우에는 일반 콘크리트를 사용할 때보다 강관의 두께를 증가시키는 등의 설계상의 고려가 있어야 할 것으로 판단된다.
- 압력을 측정한 결과 콘크리트 타설 속도를 2m/min으로 하였을 경우 타설 높이가 높아질수록 펌프의 압력은 증가하여 압입 초기에는 약 30 bar 정도의 압력이 소요되었으나, 10 m 높이에서는 100 bar로 증가하였고, 20 m 높이에서는 약 130 bar 정도의 압력이 소요되었다.
- 위의 표에서 알 수 있는 것처럼 콘크리트의 충전 완료 1시간 경과후 침하량을 측정한 결과 500kgf/cm2 일반인 경우가 270 kgf/cm2 일반인 경우보다 침하량이 약 7 cm 많은 것으로 측정되었으며, 500 kgf/cm2 무다 짐 콘크리트의 경우가 500 kgf/cm2 일반인 경우보다 21 mm 크게 침하하여 강도가 증가할수록 그리고 유동성이 증가할수록 침하량도 증가하여 한 것으로 판단된다.
- 6) SOOkgJcn?의 무다짐 콘크리트를 하부 압입한 기등의 단면 중앙부에서의 변형률이 다른 기둥보다 크게 나타났으며, 동일한 기둥 실험체에서도 단면 중앙부의 변형률이 측면에서의 변형률보다 약 2배 정도 큰 것으로 나타났다. 이로부터 일반 콘크리트에 비해 측압이 크게 작용하는 고강도-고 유동 콘크리트를 사용할 경우에는 일반 콘크리트를 사용할 때보다 강관의 두께를 증가시키는 등의 설계상의 고려가 있어야 할 것으로 판단된다.
- 이상과 같이 굳지 않은 콘크리트의 압송 전과 압송후에 측정된 슬럼프, 슬럼프 플로우, L-플로우, U형 충전 성 등의 물성 변화는 거의 없는 것으로 나타나 700 X 700 mm 크기의 높이 15, 혹은 22 이의 각 형강 관기 등에 대한 시공성은 충분히 확보되는 것으로 판단된다.
- 측정하여 다음<표 7>과 같은 결과를 얻었다. 표에서 알 수있는 것처럼 콘크리트 압송 전보다 압송 후의 압축강도가 증가하는 것으로 나타났으며, 이것은 콘크리트가 압력을 받으면서 콘크리트 내부의 공극이 감소하여 콘크리트 구성재료 간의 조직이 치밀해져 좀 더 높은 강도를 발현하는 것으로 판단된다.
후속연구
- 이러한 결과로부터 고강도-고 유동 콘크리트의 압송을 위한 압력은 굳지 않은 콘크리트의 적절한 품질기준(슬럼프 플로우, L-플로우, U형 충전 성 등)이 만족된다면 현재 국내에서 사용되고 있는 펌프를 이용한 콘크리트 압송에는 문제가 없을 것으로 판단된다. 펌프 압력측정을 위하여 배관 파이프에 설치한 펌프 압력 게이지의 예가 다음<사진 7>에 나타나 있다.
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