수화열에 의한 콘크리트 구조물 내의 최대온도에는 재료의 열특성, 초기조건, 거푸집, 외부노출면 등이 영향을 미친다. 일반적인 콘크리트 구조물에는 콘크리트와는 전혀 다른 열특성을 갖는 철근이 보강되고 있으나 보통은 철근의 영향을 무시하고 수화열에 관한 해석을 실시하고 있다. 본 연구에서는 보강철근을 직접 고려하여 수화열의 분포 및 온도응력에 미치는 영향에 대해서 유한요소 해석연구를 실시하였다. 해석결과 철근이 구조물 내의 빠른 열 확산과 외부로의 열랑을 방출하는 효과에 기여하고 있음을 확인하였고, 콘크리트 표면의 인장응력을 감소시키는 것 또한 확인하였다. 따라서 정확한 수화열 해석을 위해서는 철근을 고려한 해석이 타당하며, 이를 통해 온도균열 감소와 온도철근량 감소효과를 기대할 수 있다.
수화열에 의한 콘크리트 구조물 내의 최대온도에는 재료의 열특성, 초기조건, 거푸집, 외부노출면 등이 영향을 미친다. 일반적인 콘크리트 구조물에는 콘크리트와는 전혀 다른 열특성을 갖는 철근이 보강되고 있으나 보통은 철근의 영향을 무시하고 수화열에 관한 해석을 실시하고 있다. 본 연구에서는 보강철근을 직접 고려하여 수화열의 분포 및 온도응력에 미치는 영향에 대해서 유한요소 해석연구를 실시하였다. 해석결과 철근이 구조물 내의 빠른 열 확산과 외부로의 열랑을 방출하는 효과에 기여하고 있음을 확인하였고, 콘크리트 표면의 인장응력을 감소시키는 것 또한 확인하였다. 따라서 정확한 수화열 해석을 위해서는 철근을 고려한 해석이 타당하며, 이를 통해 온도균열 감소와 온도철근량 감소효과를 기대할 수 있다.
In the concrete structures, the magnitude and distribution of the temperature due to the heat of hydration are related to the thermal properties of each component composed of the concrete, the initial temperature, the type of formwork, and the ambient temperature of exposed surfaces. Even though the...
In the concrete structures, the magnitude and distribution of the temperature due to the heat of hydration are related to the thermal properties of each component composed of the concrete, the initial temperature, the type of formwork, and the ambient temperature of exposed surfaces. Even though the reinforcing steel bar has completely different thermal properties, it has been excluded. In the thermal analysis on the concrete structures. In this study, finite element analysis was performed on the concrete structures including the reinforcing steel in order to investigate their effect on temperature and stress distribution due to the heat of hydration. As the steel ratio increased, the maximum temperature and the internal-external temperature difference decreased by 32.5% and 10%, respectively. It is clear that the inclusion of reinforcing steel bars on the heat of hydration analysis is indispensable to obtain realistic solutions for the prediction of the maximum temperature and stresses
In the concrete structures, the magnitude and distribution of the temperature due to the heat of hydration are related to the thermal properties of each component composed of the concrete, the initial temperature, the type of formwork, and the ambient temperature of exposed surfaces. Even though the reinforcing steel bar has completely different thermal properties, it has been excluded. In the thermal analysis on the concrete structures. In this study, finite element analysis was performed on the concrete structures including the reinforcing steel in order to investigate their effect on temperature and stress distribution due to the heat of hydration. As the steel ratio increased, the maximum temperature and the internal-external temperature difference decreased by 32.5% and 10%, respectively. It is clear that the inclusion of reinforcing steel bars on the heat of hydration analysis is indispensable to obtain realistic solutions for the prediction of the maximum temperature and stresses
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문제 정의
이에 본 연구에서는 철근이 구조물 내부에서 수화열의 확산과 온도분포, 그리고 그로 인한 온도응력에 어떤 영향을 미치는지에 대해서 중점적으로 검토하였다. 연구는 상용 유한요소해석 프로그램7)을 이용하였으며, 모델은 실제 시공된 교각을 대상으로 하였다.
연구는 상용 유한요소해석 프로그램7)을 이용하였으며, 모델은 실제 시공된 교각을 대상으로 하였다. 끝으로, 본 해석연구 결과를 바탕으로 온도균열을 제어하기 위해 배치되는 온도 철근량의 감소가 가능한지도 검토하였다
본 연구에서는 수화열에 의한 열량의 확산과 분포, 그로 인해 발생하는 온도응력의 변화에 있어서 콘크리트 구조물에 배근된 철근이 어떤 영향을 주는지 검토하였다. 이를 위해 교각 기초부에 대한 2차원 유한요소 해석을 수행하였으며, 철근을 전혀 고려하지 않은 모델과 철근비를 점차 증가시킨 모델을 비교하였다.
가설 설정
현장에서의 일사량 수분증발, 잠열, 바람, 양생수 살포 여부, 보온재 유무 등과 같은 많은 인자의 영향을 받는데, 이들 값들은 시시각각으로 변하기 때문에 정확하게 파악하기는 곤란한 것이 사실이다. 따라서 동일 현장을 대상으로 타설시의 양생조건이 크게 변하지 않는다는 가정하에 각 현장조건에 대한 대류계수를 그 현장의 고유한 열특성 값으로 취급한다. 일반적으로는 현장의 평균 풍속과 인위적인 양생 조건만을 고려한다.
수화열 해석에 있어서 초기 조건은 굳지 않은 콘크리트의 타설 온도 및 각 재료의 온도 그리고 주변 대기의 온도 등이다 해석에서는 콘크리트의 타설 온도와 철근의 초기온도를 동일하게 20 °C로 가정하였다. 그리고 기초 부가 타설되는 지반암의 초기 온도는 10 °C, 대기의 온도는 17 °C로 가정하였다.
동일하게 20 °C로 가정하였다. 그리고 기초 부가 타설되는 지반암의 초기 온도는 10 °C, 대기의 온도는 17 °C로 가정하였다.
5에서 윗면(AB)은 콘크리트가 최초 타설되는 시점으로부터 완전 경화 시까지 대기 중에 완전 노출된 상태로 설정하였고, 측면(BD)는 최초 타설시에는 거푸집을 설치하고 이후 7 일(168hr) 뒤에 거푸집을 제거하여 대기 중에 노출되는 것으로 하였다. 기타 대칭면과 암반의 표면부는 열의 전달이 전혀 없는 단열 조건으로 가정하였다. 그래서 윗면(AB)의 열전달 계수로 50.
제안 방법
본 연구에서는 철근비에 따른 수화열의 분포 양상을 파악하기 위해서 철근비를 0%, 1.4%, 1.6%, 1.8%로 변화시켜가면서 유한요소해석을 수행하였다. 대상 구조물의 기초부에서 사용된 콘크리트 체적대비 철근의 체적비(이하 철근비) 만을 변수로 설정하고 나머지 조건은 고정시켰다.
2차원 평면요소를 사용하여 해석하기 위해 철근의 전체 체적을 평면에서의 철근 두께로 환산하였다. Figs.
Figs. 3과 4에서 보는 것처럼 실제 구조물에서 교축방향 주철근과 교축 직각방향 주철근은 동일한 위치에 서로 다른 방향으로 배근 되었기 때문에, 2차원 환산시 하나의 철근으로 모델링하였다. 2차원 환산의 예로 주철근을 보면, 교축방향으로 10cm 간격으로 46-D25 철근이 배근되어 있으므로 5.
817cm가 된다. 같은 방법을 압축철근이나 스터럽 등의 모든 철근에 적용하여 환산단면에서의 두께를 결정하였다.
Fig. 5는 유한요소해석에 사용된 기초 암반, 콘크리트 철근으로 구성된 구조물의 2차원 모델링을 보여주고 있다 본 연구에서는 모델링된 구조물은 콘크리트 요소와 암반 요소 그리고 철근 요소로 구성되었다 콘크리트, 암반 철근의 모든 요소에 대하여 8절점 2-D 전도요소가 동일하게 적용되었으며, 각 방향에 대하여 5cm 간격으로 분할하였다. 따라서 1, 542개의 콘크리트 요소 2, 460개의 암반 요소 472개의 철근요소가 이용되었다.
응력 해석에서는 온도 해석의 결과인 온도 분포가 하중으로 입력되어 응력을 검토하였다
이를 위해 교각 기초부에 대한 2차원 유한요소 해석을 수행하였으며, 철근을 전혀 고려하지 않은 모델과 철근비를 점차 증가시킨 모델을 비교하였다.
본 연구에서는 범용구조해석 프로그램인 ADINA°를이용하여 수화열에 관한 해석과 이로 인한 온도응력 해석을 수행하였다. 해석과정은 시간 변화에 따른 온도분포 해석을 선행하고, 그 결과에서 온도를 하중으로 입력하여 다시 응력에 관한 해석을 수행하게 된다 본 연구에 사용 한 유한요소 프로그램에서는 다음과 같은 열흐름 평형 방정식을 적용하고 있다.
대상 데이터
연구는 상용 유한요소해석 프로그램7)을 이용하였으며, 모델은 실제 시공된 교각을 대상으로 하였다. 끝으로, 본 해석연구 결과를 바탕으로 온도균열을 제어하기 위해 배치되는 온도 철근량의 감소가 가능한지도 검토하였다
본 연구의 해석에 적용한 모델은 논산〜당진간 고속도로 제 X 공구 XXX 교의 교각 기초를 선정하였다. 이 대상 모델은 교량의 교각에서 많이 시공되고 있는 전형적인 구조물이다.
5는 유한요소해석에 사용된 기초 암반, 콘크리트 철근으로 구성된 구조물의 2차원 모델링을 보여주고 있다 본 연구에서는 모델링된 구조물은 콘크리트 요소와 암반 요소 그리고 철근 요소로 구성되었다 콘크리트, 암반 철근의 모든 요소에 대하여 8절점 2-D 전도요소가 동일하게 적용되었으며, 각 방향에 대하여 5cm 간격으로 분할하였다. 따라서 1, 542개의 콘크리트 요소 2, 460개의 암반 요소 472개의 철근요소가 이용되었다.
수행하였다. 해석과정은 시간 변화에 따른 온도분포 해석을 선행하고, 그 결과에서 온도를 하중으로 입력하여 다시 응력에 관한 해석을 수행하게 된다 본 연구에 사용 한 유한요소 프로그램에서는 다음과 같은 열흐름 평형 방정식을 적용하고 있다.
성능/효과
기타 대칭면과 암반의 표면부는 열의 전달이 전혀 없는 단열 조건으로 가정하였다. 그래서 윗면(AB)의 열전달 계수로 50.21 kj/m2hr°C, 거푸집이 설치된 측면(BD)의 열전달 계수는 7 일 동안은 20.92kJ/m2hr°C이 적용되고, 그 이후로는 거푸집을 제거한다는 가정하에 윗면과 동일한 외기 대류계수 값이 사용되었다. 또한, 교각 기둥의 압축 철근은 시공 과정에서 외부에 노출된 상태로 기초부의 콘크리트 타설이 이루어지기 때문에 공기 중에 노출된 상태로 모델링 되었으며, 외기 대류계수는 1, 372.
0°C이다. 따라서 1.8%의 철근비를 고려하면 최대온도차에 있어서, 32.5 %의 감소 효과를 발휘하는 것으로 나타났다.
철근을 고려하지 않은 모델과 철근비 1.8 %를 고려한 모델을 비교했을 때 구조물 중심부와 표면부의 최대 온도 차는 철근의 상대적으로 빠른 열전달 특성에 의하여 32.5 %의 감소가 이루어졌다. 철근비가 증가할수록 감소 정도도 증가한다는 사실을 확인하였다.
5 %의 감소가 이루어졌다. 철근비가 증가할수록 감소 정도도 증가한다는 사실을 확인하였다. 또한 구조물 내부와 외부의 온도차 32.
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