콘크리트 슬래브는 타설 후 온도와 수분 변화를 통해 체적이 변화한다. 수분증발에 의하여 발생한 건조수축은 슬래브의 자중이나 하부층과의 마찰 등에 의하여 구속되어 슬래브 내부에 응력이 유발된다. 선행 연구에 의하면 건조수축에 의하여 발생된 실제 인장응력은 이론적으로 예측된 값보다 작은 것으로 보고되었다. 이는 부분적으로 구속된 슬래브에서 발생하는 초기 재령 콘크리트의 점탄성에 기인한 응력감소 현상이다. 본 연구에서는 재령에 따른 콘크리트의 응력감소 현상을 조사하기 위하여 구속된 원주형, 구속되지 않은 자유건조 원주형, 그리고 자유건조 각주형 콘크리트 시편의 변형률을 측정하였다. 재령 1, 3, 7, 14, 28일에 콘크리트의 탄성계수를 측정하였으며 관입저항 실험을 실시하였다. 실험결과를 기존 연구자들이 제안한 이론식에 대입하여 구속된 원주형 콘크리트 시편의 응력감소를 계산할 수 있었다. 향후 본 연구의 결과를 바탕으로 구속된 콘크리트 시편의 응력감소 현상을 콘크리트 포장의 설계에 적용할 예정이다.
콘크리트 슬래브는 타설 후 온도와 수분 변화를 통해 체적이 변화한다. 수분증발에 의하여 발생한 건조수축은 슬래브의 자중이나 하부층과의 마찰 등에 의하여 구속되어 슬래브 내부에 응력이 유발된다. 선행 연구에 의하면 건조수축에 의하여 발생된 실제 인장응력은 이론적으로 예측된 값보다 작은 것으로 보고되었다. 이는 부분적으로 구속된 슬래브에서 발생하는 초기 재령 콘크리트의 점탄성에 기인한 응력감소 현상이다. 본 연구에서는 재령에 따른 콘크리트의 응력감소 현상을 조사하기 위하여 구속된 원주형, 구속되지 않은 자유건조 원주형, 그리고 자유건조 각주형 콘크리트 시편의 변형률을 측정하였다. 재령 1, 3, 7, 14, 28일에 콘크리트의 탄성계수를 측정하였으며 관입저항 실험을 실시하였다. 실험결과를 기존 연구자들이 제안한 이론식에 대입하여 구속된 원주형 콘크리트 시편의 응력감소를 계산할 수 있었다. 향후 본 연구의 결과를 바탕으로 구속된 콘크리트 시편의 응력감소 현상을 콘크리트 포장의 설계에 적용할 예정이다.
Volume of concrete slab changes by variations of temperature and moisture after its placement. Shrinkage due to evaporation causes tensile stress in the slab when contraction of the slab is restrained by its self weight, friction with subbase, and etc. Actual tensile stress caused by the shrinkage w...
Volume of concrete slab changes by variations of temperature and moisture after its placement. Shrinkage due to evaporation causes tensile stress in the slab when contraction of the slab is restrained by its self weight, friction with subbase, and etc. Actual tensile stress caused by the shrinkage was less than theoretically predicted stress according to previous studies. It was the stress reduction due to visco-elastic property of the early-age concrete slab partially restrained. In this study, strains of restrained circumferential, unrestrained circumferential, and unrestrained square pillar concrete specimens were measured to investigate stress reduction of the specimens with age of concrete. Elastic modulus of the concrete was measured at the age of 1, 3, 7, 14, 28 days and penetration test was performed. The stress reduction was calculated by input the test results into theoretical equations suggested by previous researchers. The stress reduction of the restrained concrete specimens will be applied to design of concrete pavements based on results of the study.
Volume of concrete slab changes by variations of temperature and moisture after its placement. Shrinkage due to evaporation causes tensile stress in the slab when contraction of the slab is restrained by its self weight, friction with subbase, and etc. Actual tensile stress caused by the shrinkage was less than theoretically predicted stress according to previous studies. It was the stress reduction due to visco-elastic property of the early-age concrete slab partially restrained. In this study, strains of restrained circumferential, unrestrained circumferential, and unrestrained square pillar concrete specimens were measured to investigate stress reduction of the specimens with age of concrete. Elastic modulus of the concrete was measured at the age of 1, 3, 7, 14, 28 days and penetration test was performed. The stress reduction was calculated by input the test results into theoretical equations suggested by previous researchers. The stress reduction of the restrained concrete specimens will be applied to design of concrete pavements based on results of the study.
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문제 정의
본 연구는 콘크리트 포장 슬래브에 장기적으로 발생하는 건조수축 변형이 다양한 현장 조건에 의하여 구속될 때 발생하는 응력감소 현상을 규명하기 위하여 수행되었으며 이를 통하여 얻을 수 있는 결론은 다음과 같다.
제안 방법
1. 실내실험을 통하여 측정된 Steel ring의 변형률과 자유건조수축 변형률을 기존 이론식에 대입하여 탄성응력, 잔류응력, 응력감소를 계산함으로써 응력감소 현상을 확인하였다.
이를 위하여 본 연구에서는 구속된 원주형(Restrained Ring)시편, 자유건조 원주형 시편, 자유건조 각주형 시편을 만들어 실내실험을 실시하고 그 결과를 이용하여 기존의 이론적인 모형에 대입하여 주어진 조건에 해당하는 응력감소의 범위를 찾았다. 또한, 응력감소 현상을 대표할 수 있는 모형의 형태를 제시하였다.
이를 위하여 본 연구에서는 구속된 원주형(Restrained Ring)시편, 자유건조 원주형 시편, 자유건조 각주형 시편을 만들어 실내실험을 실시하고 그 결과를 이용하여 기존의 이론적인 모형에 대입하여 주어진 조건에 해당하는 응력감소의 범위를 찾았다. 또한, 응력감소 현상을 대표할 수 있는 모형의 형태를 제시하였다.
대상 데이터
자유건조 각주형 시편의 내부와 외부표면에 매립형 콘크리트 변형률 게이지 1개와 부착형 콘크리트 변형률 게이지 2개를 각각 그림 2(c)와 같이 시편 길이방향으로 설치하여 변형률을 측정하였다. 본 연구에서 사용된 Steel 변형률 게이지(FLA-5-11-1L), 매립형 콘크리트 변형률 게이지(PMFL-60-2LT), 그리고 부착형 콘크리트 변형률 게이지(PL-60-11-1L)는 모두 Tokyo Sokki Kenkyuio 회사에서 제조된 것이다.
이론/모형
KS F 2438에 따라 재령에 따른 탄성계수를 측정하였으며, KS F 2436에 따라 관입저항 실험을 실시하여 콘크리트 시편의 응결시간을 측정하였다. 표 2는 탄성계수 측정 결과이며, 그림 3은 관입저항 실험 결과로서 종결 시의 관입저항치인 28 MPa에서의 성숙도는 본 실험의 경우 247℃-hours로 측정되었다.
성능/효과
2. 응력감소는 자유건조 원주형 시편 외부에서 중심 방향으로 가장 크게 나타났다. 그리고 구속된 원주형 콘크리트 시편에 균열이 발생한 재령 18일을 기준으로 할 때 자유건조 각주형 시편 외부, 자유건조 원주형 시편의 외부 원주 방향, 자유건조 각주형 시편 내부, 자유건조 원주형 시편 내부의 순으로 응력감소율이 큰 것으로 나타났다.
3. 응력감소율은 재령의 역수와 반비례하는 관계가 있는 것으로 나타났으며 이를 이용하여 계산한 최종 응력감소율은 약 41%에서 73% 사이인 것으로 나타났다.
4. 콘크리트 시편 외부에서의 응력감소율이 시편 내부보다 컸으며 응력감소율의 증가 정도는 작았다. 이는 재령 초기 건조수축 정도에 영향을 받았기 때문으로 추정되었다.
이 경우 재령 3일에서 5일 사이에 이론적으로 계산된 탄성응력의 30%에서 50%를 보이며 빠른 속도로 증가하여 재령 9일에서 18일 사이에는 탄성응력의 70% 근처로 점점 수렴하였다. 구속된 원주형 콘크리트 시편에 균열이 발생한 18일을 기준으로 할 때 자유건조 각주형 시편 외부, 자유건조 원주형 시편의 외부 원주 방향, 자유건조 각주형 시편 내부, 자유건조 원주형 시편 내부의 순으로 응력감소율이 큰 것으로 나타났다. 콘크리트 시편 외부의 응력감소율이 재령에 따라 점차 감소한 것과는 달리 내부의 응력감소율은 구속된 원주형 시편에 균열이 발생한 재령 18일에도 크게 증가하는 경향을 보였다.
응력감소는 자유건조 원주형 시편 외부에서 중심 방향으로 가장 크게 나타났다. 그리고 구속된 원주형 콘크리트 시편에 균열이 발생한 재령 18일을 기준으로 할 때 자유건조 각주형 시편 외부, 자유건조 원주형 시편의 외부 원주 방향, 자유건조 각주형 시편 내부, 자유건조 원주형 시편 내부의 순으로 응력감소율이 큰 것으로 나타났다.
따라서 재령 가 무한히 커질 때 그림 6 (a)의 자유건조 원주형 시편 내부에서는 약 41%, 그림 6(b)의 자유건조 원주형 시편 외부 원주방향으로는 약 66%, 그림 6(c)의 자유건조 원주형 시편 외부 중심방향으로는 약 72%, 그림 6(d)의 자유건조 각주형 내부에서는 약 47%, 그리고 그림 6(e)의 자유건조 각주형 외부에서는 약 73%의 응력감소율이 계산되었다. 실내 실험에서 변형률이 큰 것으로 측정된 콘크리트 시편 외부의 응력감소율이 상대적으로 컸으며, 응력감소율의 증가 정도(그림 6의 직선의 기울기)는 작은 것으로 나타났다. 이는 재령 초기 콘크리트 시편 외부에서의 더 큰 건조수축으로 이미 많은 응력감소가 발생하였기 때문으로 추정되었다.
콘크리트 변형률은 모두 구속된 시편의 Steel 변형률보다 큰 값을 나타내었다. 자유건조 원주형 시편의 내부와 자유건조 각주형 시편 내부의 변형률은 유사한 경향을 보였으며, 자유건조 원주형 시편 외부표면의 중심 방향과 자유건조 각주형 시편의 외부표면의 변형률도 유사한 경향을 나타내었다.
구속된 원주형 콘크리트 시편에 균열이 발생한 18일을 기준으로 할 때 자유건조 각주형 시편 외부, 자유건조 원주형 시편의 외부 원주 방향, 자유건조 각주형 시편 내부, 자유건조 원주형 시편 내부의 순으로 응력감소율이 큰 것으로 나타났다. 콘크리트 시편 외부의 응력감소율이 재령에 따라 점차 감소한 것과는 달리 내부의 응력감소율은 구속된 원주형 시편에 균열이 발생한 재령 18일에도 크게 증가하는 경향을 보였다. 이는 재령 초기에 건조수축이 많이 진전된 콘크리트 시편 외부와는 달리 콘크리트 시편 내부의 건조수축은 18일이 지난 시점에서도 컸기때문으로 보이며, 응력감소율은 잔여 건조수축에 반비례하는 것으로 추정된다.
후속연구
기존 연구결과(Hossain 등, 2008)는 구속된 콘크리트 시편에 대하여 약 40% 내지 45%의 응력감소율을 제안하고 있으나 이는 제한된 조건 하에서 제한된 위치의 변형률을 측정한 결과이므로 본 논문의 결과와는 차별화된다. 응력감소율은 시편의 형상비(surface/volume), 양생조건, 배합조건, 구속정도 등에 따라 차이가 나타나므로 이에 관한 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
그러나 콘크리트 포장에 미치는 건조수축의 영향은 매우 커서 온도의 영향보다 크다고 보고되고 있으며 역학적-경험적 설계법으로 개발 중인 한국형 포장설계법에는 이를 반영하여 AASHTO 설계법과는 차별화될 필요가 있다(Bendana, 2003, Sun, 2009). 이와 함께 콘크리트 슬래브의 건조수축이 구속되어 발생되는 응력감소를 고려하여 보다 정확하고 합리적으로 콘크리트 포장의 설계를 수행할 수 있을 것이다.
향후 실제 콘크리트 포장 슬래브의 상태를 모사하기 위하여 시편의 형상비(surface/volume), 양생조건, 배합조건, 구속정도 등을 달리 하여 추가적인 연구가 필요한 것으로 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트는 타설 후 체적이 어떻게 줄어드는가?
콘크리트는 타설 후 표면에서 수분이 증발되면서 장기간에 걸쳐 지속적으로 건조수축이 발생하여 체적이 줄어든다. 건조수축에 의하여 발생하는 콘크리트 슬래브의 거동은 슬래브의 자중이나 하부층과의 마찰에 의하여 구속되고 이로 인하여 슬래브의 내부에는 응력이 발생하게 된다.
Altoubat 등(2001)도 Dog-bone 시편을 사용하여 건조수축 및 크리프 실험을 수행하고 건조수축에 의해 구속된 콘크리트에 발생한 실제 응력이 탄성이론에 의한 예상 값의 몇 % 정도라는 연구 결과를 발표했는가?
Hossain 등(2004)은 구속된 원주형 시편을 사용했으며, Kovler 등(1993)은 Dog-bone 시편을 사용하여 건조수축과 인장크리프 거동에 대한 연구를 했다. Altoubat 등(2001)도 Dog-bone 시편을 사용하여 건조수축 및 크리프 실험을 수행하고 건조수축에 의해 구속된 콘크리트에 발생한 실제 응력이 탄성이론에 의한 예상 값의 50% 정도라는 연구 결과를 발표했다. 조호진(2003)은 기존에 Schooppel 등(1995)이 TSTM(Temperature-Stress Test Machine)을 사용하여 수행한 건조수축 및 크리프 실험결과를 Bazant 등(1978, 2001)의 건조수축 및 크리프 모형에 적용하고 기존 모형에 의한 결과들과 비교 분석하였다.
참고문헌 (18)
김진철 (2003).' 콘크리트의 건조수축 매커니즘과 예측모형', 도로포장공학
조호진 (2003).' 초기재령 콘크리트의 거동 해석 기법.' 박사학위논문. 연세
AASHTO (2002). 'Guide for Design of Pavement and Structures', American
ACI Committee 209. (1997). 'Prediction of Creep, Shrinkage, and Temperature
Altoubat, S. A. and Lange, D. A. (2001). 'Creep, Shrinkage and Cracking of
Bazant, Z. P. and Panula, L. P. (1978)'. Simplified Prediction of Concrete Creep and Shrinkage from Strength and Mix', Structural Engineering Report No. 78-
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Hossain. A. B, Fonseka. A. and Bullock. H. (2008)'. Early Age Stress Development, Relaxation, and Cracking in Restrained Low W/C Ultrafine Fly Ash Mortars'Journal of Advanced Concrete Technology, Vol. 6, No. 2, April, pp.261-271.
Jeong, J. H. and Zollinger, D. G. (2005)'. Environmental Effects on the Behavior of Jointed Plain Concrete Pavements.' Journal of Transportation Engineering,
Schooppel. K., Plannerer. M. and Springenschmid. R. (1995). 'Determination of Restraint Stresses and of Material Properties During Hydration of Concrete with the Temperature-Stress Test Machine', Proceedings of the International RILEM Symposium, Thermal Cracking in Concrete at Early Ages, Springenschmid, R., ed, E&FN Spon, Germany, pp.153-160.
Sun Renjuan (2009). 'Development of shrinkage-Equivalent Temperature
Suprenant, B. A. (2002).' Why Slabs Curl.', Concrete International, Part1, March,
Suprenant, B. A. (2002).“ Why Slabs Curl.”, Concrete International, Part 2, April, pp. 59-64
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