한국도로공사가 운영하고 있는 시험도로의 연속철근콘크리트 포장(CRCP) 구간에서 콘크리트 슬래브의 중간 깊이에서 수평방향으로 균열이 발생한 것을 발견하였다. 이러한 수평균열이 콘크리트 슬래브 내부에 어느 정도 존재하며 얼마나 진전되어 있는지를 조사하기 위하여 필요한 위치에서 코어를 채취하여 분석하였다. 또한 수평균열의 원인을 파악하기 위하여 수치해석을 수행하였다. 설계, 재료, 환경과 관련된 여러 가지 변수에 대하여 연구하여 수평균열을 야기할 수 있는 가능한 원인을 분석하였다. 수치해석모형은 유한요소법을 이용하여 개발하였으며 연속철근콘크리트 포장의 콘크리트 슬래브의 전단 및 수직 응력의 분포를 분석하였다. 수치해석 결과 최대 전단 및 수직인장 응력은 횡방향 균열의 위치에서 철근이 배근되어 있는 깊이에서 가장 크게 나타나는 것을 알 수 있었다. 이러한 최대 응력이 콘크리트의 강도에 다다르면 이러한 위치에서 수평균열이 발생하게 된다. 수평균열을 발생시키는 콘크리트의 최대응력은 환경하중, 콘크리트 열팽창계수, 콘크리트 탄성계수 등이 증가할수록 커지는 것을 알 수 있었다.
한국도로공사가 운영하고 있는 시험도로의 연속철근콘크리트 포장(CRCP) 구간에서 콘크리트 슬래브의 중간 깊이에서 수평방향으로 균열이 발생한 것을 발견하였다. 이러한 수평균열이 콘크리트 슬래브 내부에 어느 정도 존재하며 얼마나 진전되어 있는지를 조사하기 위하여 필요한 위치에서 코어를 채취하여 분석하였다. 또한 수평균열의 원인을 파악하기 위하여 수치해석을 수행하였다. 설계, 재료, 환경과 관련된 여러 가지 변수에 대하여 연구하여 수평균열을 야기할 수 있는 가능한 원인을 분석하였다. 수치해석모형은 유한요소법을 이용하여 개발하였으며 연속철근콘크리트 포장의 콘크리트 슬래브의 전단 및 수직 응력의 분포를 분석하였다. 수치해석 결과 최대 전단 및 수직인장 응력은 횡방향 균열의 위치에서 철근이 배근되어 있는 깊이에서 가장 크게 나타나는 것을 알 수 있었다. 이러한 최대 응력이 콘크리트의 강도에 다다르면 이러한 위치에서 수평균열이 발생하게 된다. 수평균열을 발생시키는 콘크리트의 최대응력은 환경하중, 콘크리트 열팽창계수, 콘크리트 탄성계수 등이 증가할수록 커지는 것을 알 수 있었다.
Horizontal cracks at the mid-depth of concrete slabs were observed at a section of the continuously reinforced concrete pavement(CRCP) structures on the Korea Highway Corporation's Test Road. To investigate the existence and the extent of horizontal cracks in the concrete slab, a number of cores wer...
Horizontal cracks at the mid-depth of concrete slabs were observed at a section of the continuously reinforced concrete pavement(CRCP) structures on the Korea Highway Corporation's Test Road. To investigate the existence and the extent of horizontal cracks in the concrete slab, a number of cores were taken from the section of CRCP. To identify the causes of horizontal cracks, numerical analyses were conducted. Several variables relative to design, material, and environment were considered in the studies to evaluate possible causes of horizontal cracking. A numerical model of CRCP was developed using the finite element discretization, and the shear and normal tensile stress distributions in CRCP were investigated with the model. Numerical analysis results show that the maximum shear and normal tensile stresses develop near the depth of steel bars at transverse cracks. If those maximum stresses reach the strength of concrete, horizontal cracks occur. The maximum stresses become higher as the environmental loads, coefficient of thermal expansion of concrete, and elastic modulus of concrete increase.
Horizontal cracks at the mid-depth of concrete slabs were observed at a section of the continuously reinforced concrete pavement(CRCP) structures on the Korea Highway Corporation's Test Road. To investigate the existence and the extent of horizontal cracks in the concrete slab, a number of cores were taken from the section of CRCP. To identify the causes of horizontal cracks, numerical analyses were conducted. Several variables relative to design, material, and environment were considered in the studies to evaluate possible causes of horizontal cracking. A numerical model of CRCP was developed using the finite element discretization, and the shear and normal tensile stress distributions in CRCP were investigated with the model. Numerical analysis results show that the maximum shear and normal tensile stresses develop near the depth of steel bars at transverse cracks. If those maximum stresses reach the strength of concrete, horizontal cracks occur. The maximum stresses become higher as the environmental loads, coefficient of thermal expansion of concrete, and elastic modulus of concrete increase.
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문제 정의
시험도로의 CRCP 구간에서 성능평가를 위한 연구를 수행하면서 우리나라에서도 처음으로 CRCP의 콘크리트 슬래브 내부에서 수평균열이 존재한다는 것을 발견하였다. 본 논문에서는 시험도로에서 발견한 수평균열을 분석하고 원인규명을 위한 수치해석을 수행한 결과를 기술하고자 한다.
대부분 수평균열은 초기에 발생한 횡 방향균열의 근처에서 발생하는 것으로 알려져 있기 때문에 이러한 수평균열의 존재를 조사하기 위해서는 초기에 발생한 횡 방향균열을 선택하여 그 부분에 위에서 언급한 수평균열 파악 방법을 적용하는 것이 바람직하다. 본 연구에서는 코어를 채취하는 방법을 이용하여 수평균열의 유무를 파악하였다.
가설 설정
-콘크리트는 일일 기온변화가 매우 클 때에는 타설 하지 않는다.
56 GPa)을 이용하여 콘크리트의 탄성계수가 응력에 미치는 영향을 조사하였다. 비록 각기 다른 탄성계수를 가진 콘크리트는 열팽창계수와 같은 다른 물성도 다른 값들을 가지지만, 콘크리트 탄성계수의 영향을 확인하기 위해 콘크리트 탄성계수를 제외한 모든 물성을 같다고 가정하였다. Fig.
유한요소모델의 해석은 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS9)> 이용하였으며, 입력 값은 Table 1에 나타내었다. 수평균열은 도로를 개통하기 이전에 발생하기 때문에 이번 연구에서는 외부의 차량 하중은 고려하지 않았다. 하지만 외부의 차량하중이 수평균열을 더욱 진전시킬 수 있을 것이다.
이 분석에서 표면온도가 각각 17℃와 28℃ 만큼 감소하는 경우를 고려하였다. 슬래브 깊이에 따른 온도변화는 선형으로 가정하였으며 두 경우에서 슬래브 하부의 온도는 같다고 가정하였다. 그림에서 보는 바와 같이 CRCP에서 최대 전단응력과 최대 수직응력은 철근이 존재하는 중간 깊이 부근에서 발생하였으며 이러한 최 대응력은 온도 감소가 크면 증가하였다.
제대로 정의되어져야 한다. 횡방향균열에서 콘크리트는 구속이 없으며 종방향 철근은 수평방향 변위와 회전 변위가 없다고 가정하였다. 즉, 횡방향균열에서 콘크리트에 수직방향 전단력과 모멘트가 전달되는 것이 무시되었다.
제안 방법
부순 석회암 굵은골재와 경량골재를 사용한 콘크리트의 전형적인 탄성계수 값(13.78와 27.56 GPa)을 이용하여 콘크리트의 탄성계수가 응력에 미치는 영향을 조사하였다. 비록 각기 다른 탄성계수를 가진 콘크리트는 열팽창계수와 같은 다른 물성도 다른 값들을 가지지만, 콘크리트 탄성계수의 영향을 확인하기 위해 콘크리트 탄성계수를 제외한 모든 물성을 같다고 가정하였다.
수평균열에 대한 현장조사로부터 얻은 사실들을 확증하기 위해서 환경하중과 온도 및 습도변수로 인한 슬래브 내의 응력상태를 CRCP의 2차원 유한요소모델心)을 사용하여 수치역학적 방법으로 분석하였다. Fig.
수평균열을 일으키는 전단응력과 수직방향 응력에 대한 환경하중의 영향을 분석하였다. 건조수축은 등가의 온도변화로서 표현할 수 있기 때문에 온도변화만을 여기서는 고려하였다.
연속철근콘크리트 포장에서 수평균열의 발생을 현장 실험을 통해 확인하였고 그 원인을 수치해석을 이용하여 분석하였다. 유한요소법을 사용하여 응력분포를 조사하기 위한 CRCP의 수치해석 모델을 개발하였으며, 분석 결과를 이용하여 현장에서 얻은 결과들을 입증하는데 사용하였다.
유한요소법을 사용하여 응력분포를 조사하기 위한 CRCP의 수치해석 모델을 개발하였으며, 분석 결과를 이용하여 현장에서 얻은 결과들을 입증하는데 사용하였다. 그 결과들은 다음과 같다.
종방향 철근은 프레임요소를 사용하여 모델링 하였고. 종방향 철근과 콘크리트사이의 부착은 종방향의 활성 자유도를 갖는 접촉위치에서 절점들을 연결하는 수평 스프링 요소를 사용하여 모델링하였다. 콘크리트 슬래브의 밑면과 하부층 사이에서 발생하는 마찰에 의한 부착도 수평 스프링 요소를 사용하여 모델링하였다.
콘크리트 슬래브는 인접한 두 개의 종방향 철근 사이의 거리를 유한요소 두께로 갖는 2차원 평면 요소를 사용하여 모델링한다. 종방향 철근은 프레임요소를 사용하여 모델링 하였고. 종방향 철근과 콘크리트사이의 부착은 종방향의 활성 자유도를 갖는 접촉위치에서 절점들을 연결하는 수평 스프링 요소를 사용하여 모델링하였다.
이용할 수 있다. 첫 번째 방법은 콘크리트 슬래브의 옆면을 직접 관찰하는 것이다. 이를 위해서는 노견을 파서 슬래브의 옆면을 볼 수 있도록 해야 한다.
3은 코어 C의 사진을 보여준다. 코어에서 수평균열이 보일 때는 혹시 이러한 코어에서의 균열이 코어링할때 잘못해서 생긴 것인지를 확인하기 위하여 코어를 채취해낸 구멍 내부의 수평균열 여부도 확인하였다. 그림에서 Fig.
모델을 만들 수 있다. 콘크리트 슬래브는 인접한 두 개의 종방향 철근 사이의 거리를 유한요소 두께로 갖는 2차원 평면 요소를 사용하여 모델링한다. 종방향 철근은 프레임요소를 사용하여 모델링 하였고.
종방향 철근과 콘크리트사이의 부착은 종방향의 활성 자유도를 갖는 접촉위치에서 절점들을 연결하는 수평 스프링 요소를 사용하여 모델링하였다. 콘크리트 슬래브의 밑면과 하부층 사이에서 발생하는 마찰에 의한 부착도 수평 스프링 요소를 사용하여 모델링하였다. 하부층은 컬링 효과를 고려하기 위하여 인장력을 받지 못하는 수직 스프링 요소를 이용하여 모델링하였다.
콘크리트의 열팽창계수가 응력에 미치는 영향을 분석하기 위하여 대체적으로 굵은 골재의 종류에 의해 결정되는 포장용 콘크리트의 열팽창계수중에 상당히 작은 값인 7.2 와 상당히 큰 값인 14.4 microstrain/C의 두 개의 열팽창계수를 고려하였다. Fig.
콘크리트 슬래브의 밑면과 하부층 사이에서 발생하는 마찰에 의한 부착도 수평 스프링 요소를 사용하여 모델링하였다. 하부층은 컬링 효과를 고려하기 위하여 인장력을 받지 못하는 수직 스프링 요소를 이용하여 모델링하였다.
대상 데이터
총 9개의 수직방향의 코어를 채취하였다. Fig. 2에 나타낸 것과 같이 I로 표시한 횡방향균열의 위치에서 수직 방향으로 각각 2개와 5개의 코어를 채취하였고, II로 표시한 횡방향균열에서 2개의 수직방향 코어를 채취하였다. I 위치의 횡방향균열과 II 위치의 횡방향균열은 약 1년의 시간 차이를 두고 발생한 균열이며 II 위치의 균열이 더 늦게 발생하였다.
시험도로 CRCP 구간 중 3곳의 횡방향균열이 발생한 위치에서 총 9개의 수직방향의 코어를 채취하였다. Fig.
유한요소에서 응력은 적분점 (integration points)에서 계산되고 각각의 요소에서 평균값이 사용되었다. 이번 연구에서 사용한 평면 유한요소의 크기는 25x25 mm이다. CRCP의 유한요소모델링에 대한 이전의 연구에서 요소의 크기가 38 mm 미만일 때 분석결과가 잘 수렴 한다는 것을 알 수 있다".
데이터처리
관찰 되었다脾. 유한요소모델의 해석은 유한요소해석 프로그램인 ABAQUS9)> 이용하였으며, 입력 값은 Table 1에 나타내었다. 수평균열은 도로를 개통하기 이전에 발생하기 때문에 이번 연구에서는 외부의 차량 하중은 고려하지 않았다.
슬래브의 중간에서는 수직방향 자유도는 존재하고 수평 방향 변위와 회전변위는 구속되었다. 유한요소에서 응력은 적분점 (integration points)에서 계산되고 각각의 요소에서 평균값이 사용되었다. 이번 연구에서 사용한 평면 유한요소의 크기는 25x25 mm이다.
성능/효과
1) 수평균열은 횡방향 균열의 위치에서 철근이 배근 된 깊이에서 발생하여 진전되지만 슬래브 내부로 심각하게 확장되지는 않는 것으로 보인다.
2) 수평균열은 초기에 발생한 횡방향균열에서 시작되며 횡방향균열이 더 많이 생겨서 균열간격이 줄어들면 수평균열은 발생확률이 감소한다.
3) 수치해석 결과 전단응력과 수직인장응력은 횡 방향균열의 철근이 배근된 깊이에서 가장 크게 발생한다. 하지만 이 응력들은 횡방향균열 부근에서 멀어질수록 그 크기가 급격히 줄어든다.
4) 전단응력과 수직인장응력은 온도 및 습도변화가 크고, 콘크리트의 탄성계수와 열팽창계수가 클수록 더욱 커진다. 수평균열의 발생은 이러한 변수들이 큰 값을 가질 때 발생한 과다응력이 원인이 된다.
하지만 횡방향균열에서 약간 벗어난 곳에서 채취한 코어 B와 E에서는 수평균열이 발생하지 않은 것으로 보아 수평균열이 슬래브 내부로 많이 진전되지는 않은 것으로 보인다. 그리고 같은 횡 방향균열에서도 코어 H에서는 수평균열이 관찰되지만 코어 I에서는 수평균열이 없는 것으로 보아 수평균열이 아직은 광범위하게 진전되지 않았고 불규칙하게 분포한다는 것을 알 수 있었다.
이것은 전단응력과 수직응력에 콘크리트의 열팽창계수가 얼마나 중요한 영향을 미치는지 보여준다. 따라서 이러한 해석결과는 실리카를 함유한 강자갈을 굵은골재로 함유한 콘크리트와 같은 높은 열팽창계수를 갖는 콘크리트에서 부순 석회암을 굵은 골재로 가지는 콘크리트와 같은 열팽창계수가 상대적으로 낮은 콘크리트보다 더 많은 수평균열이 일어날 수 있음을 설명해 준다.
8%인 세 개의 구간이 건설되어 있다. 시험도로의 CRCP 구간에서 성능평가를 위한 연구를 수행하면서 우리나라에서도 처음으로 CRCP의 콘크리트 슬래브 내부에서 수평균열이 존재한다는 것을 발견하였다. 본 논문에서는 시험도로에서 발견한 수평균열을 분석하고 원인규명을 위한 수치해석을 수행한 결과를 기술하고자 한다.
이 사실은 수평균열에 콘크리트의 탄성계수가 영향을 미친다는 것을 말해주며, 단단한 골재를 섞은 콘크리트가 연약한 골재를 섞은 콘크리트보다 더 쉽게 수평균열이 발생할 수 있음을 설명해 준다. 이러한 수치해석의 결과를 살펴보면 콘크리트의 인장강도가 약 3 MPa 정도인 것을 가만하면 Fig. 6, 7, 8에 나타낸 28℃의 온도변화와 14.4 microstrain/℃의 열팽창계수, 그리고 27.56 GPa의 탄성계수를 가진 경우에는 수평균열이 발생할 수 있다는 것을 알 수 있다.
횡방향균열에서 콘크리트는 구속이 없으며 종방향 철근은 수평방향 변위와 회전 변위가 없다고 가정하였다. 즉, 횡방향균열에서 콘크리트에 수직방향 전단력과 모멘트가 전달되는 것이 무시되었다. 슬래브의 중간에서는 수직방향 자유도는 존재하고 수평 방향 변위와 회전변위는 구속되었다.
참고문헌 (9)
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