본 논문은 콘크리트의 크리프 현상에 대한 보다 단순하고 합리적인 유변학적 모델을 구성하고, 크리프예측 모델 개발에 대한 하나의 방법론을 제시하는 데에 일차적인 목표가 있다. 장기적인 응력에 의한 콘크리트의 변형은 발생 메커니즘과 시간 의존성 여부에 따라 즉각적인 탄성 변형과 시간 의존적 단기 크리프, 시간 독립적 단기 크리프, 장기 크리프의 합으로 볼 수 있으며, 이들 변형을 모사하기 위해 6개의 매개변수를 갖는 유변학 모델을 구성하였다. 각 매개변수의 구성에는 미세 프리스트레스 고체화 이론과 기존 설계기준을 활용하였고, 이론적 접근이 어려운 경우에 한해 수치적 접근을 시도하였다. 수립된 모델의 검증은 실제 실험 데이터를 사용하였고, 기존 모델 및 설계식과 비교 평가하여 그 합리성을 확인하였다.
본 논문은 콘크리트의 크리프 현상에 대한 보다 단순하고 합리적인 유변학적 모델을 구성하고, 크리프 예측 모델 개발에 대한 하나의 방법론을 제시하는 데에 일차적인 목표가 있다. 장기적인 응력에 의한 콘크리트의 변형은 발생 메커니즘과 시간 의존성 여부에 따라 즉각적인 탄성 변형과 시간 의존적 단기 크리프, 시간 독립적 단기 크리프, 장기 크리프의 합으로 볼 수 있으며, 이들 변형을 모사하기 위해 6개의 매개변수를 갖는 유변학 모델을 구성하였다. 각 매개변수의 구성에는 미세 프리스트레스 고체화 이론과 기존 설계기준을 활용하였고, 이론적 접근이 어려운 경우에 한해 수치적 접근을 시도하였다. 수립된 모델의 검증은 실제 실험 데이터를 사용하였고, 기존 모델 및 설계식과 비교 평가하여 그 합리성을 확인하였다.
The primary objective of this study is to construct more simple and reasonable rheological model and propose a methodology for predicting a phenomenon of concrete creep. Deformations of concrete under sustained stress can be expressed by the sum of immediately elastic deformation, time-dependent and...
The primary objective of this study is to construct more simple and reasonable rheological model and propose a methodology for predicting a phenomenon of concrete creep. Deformations of concrete under sustained stress can be expressed by the sum of immediately elastic deformation, time-dependent and time-independent short-term creep, and long-term creep according to the mechanism and time-dependency. To simulate these deformations, a rheological model having six parameters was constructed. In the composing of each parameter, the microprestress-solidification theory and design model code were incorporated together with the numerical approach for the components which can not be theoretically approached. Finally, actual test data were applied in the verification of the proposed model, and suitability of the model was confirmed by comparisons with existing predicting models and design codes.
The primary objective of this study is to construct more simple and reasonable rheological model and propose a methodology for predicting a phenomenon of concrete creep. Deformations of concrete under sustained stress can be expressed by the sum of immediately elastic deformation, time-dependent and time-independent short-term creep, and long-term creep according to the mechanism and time-dependency. To simulate these deformations, a rheological model having six parameters was constructed. In the composing of each parameter, the microprestress-solidification theory and design model code were incorporated together with the numerical approach for the components which can not be theoretically approached. Finally, actual test data were applied in the verification of the proposed model, and suitability of the model was confirmed by comparisons with existing predicting models and design codes.
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문제 정의
, 1997(a), (b))을 이용하여 추정한다. Component 1과 2를 전체 크리프 변형에 제외한 것이 단기 크리프 특성을 만족하는지 확인한다.
이에 본 연구에서는 유변학 이론을 이용하여 크리프 예측 모델을 수립하되, 기본형의 도출 과정을 명확히 제시하고, 최근에 소개된 장기 크리프(long-term creep)와 단기 크리프(short-term creep)의 분리개념과 같은 크리프의 현상학적 발생이론과 설계기준을 최대한 활용하여 계수를 추정함으로써 보다 합리적인 콘크리트의 시간 의존적 거동의 예측 모델을 제안하고자 한다. 즉 명확한 이론에 근거하면서도 효율적인 모델을 제시하여 보다 효과적인 콘크리트 크리프 예측 모델을 구성하고, 실제 FCM 교량 콘크리트 크리프 실험의 데이터와 비교 검증함으로써 성립된 모델의 합리성을 검토하고, 크리프 예측모델 개발에 대한 하나의 방법론 제안의 가능성을 평가하고자 한다.
이에 본 연구에서는 유변학 이론을 이용하여 크리프 예측 모델을 수립하되, 기본형의 도출 과정을 명확히 제시하고, 최근에 소개된 장기 크리프(long-term creep)와 단기 크리프(short-term creep)의 분리개념과 같은 크리프의 현상학적 발생이론과 설계기준을 최대한 활용하여 계수를 추정함으로써 보다 합리적인 콘크리트의 시간 의존적 거동의 예측 모델을 제안하고자 한다. 즉 명확한 이론에 근거하면서도 효율적인 모델을 제시하여 보다 효과적인 콘크리트 크리프 예측 모델을 구성하고, 실제 FCM 교량 콘크리트 크리프 실험의 데이터와 비교 검증함으로써 성립된 모델의 합리성을 검토하고, 크리프 예측모델 개발에 대한 하나의 방법론 제안의 가능성을 평가하고자 한다.
가설 설정
Component 2~4의 공학적 의의는 아래 설명한 일련의 과정을 통해 확인하였다. 우선 Component 2를 장기 크리프를, Component 3과 4는 단기 크리프를 모사한다고 가정한다. Component 2에 해당하는 변형은 장기 크리프의 발생이론인 미세 프리스트레스-고체화 이론(Microprestress-solidification theory)(Bažant et al.
제안 방법
1. 본 연구를 통해 개발된 모델은 장기 크리프와 단기 크리프의 분리라는 최신의 크리프 이론을 수용하였으며, 실제 FCM 교량 콘크리트의 크리프 실험 결과에 적용ㆍ확인하였다.
4.1절에서 수립 모델의 검증을 위해 사용된 실험결과와 동일한 자료를 바탕으로, 기존 예측식들과 제안된 예측식을 비교하였으며, 이를 통해 제안식의 정확도 및 우수성을 평가하였다. 총 4개의 기존 이론식과 4개의 설계 기준식이 사용되었으며, 이는 Table 7에 정리하였다.
앞서 수립한 최종 모델의 구체화하여 실제 실험 데이터에 적용하기 위해 총 5개의 실제 국내 FCM 교량에 적용된 콘크리트의 크리프 실험 결과 값을 이용하였다. 강동대교와 금강4교, 단양대교, 횡성대교 콘크리트의 크리프 실험값을 이용하여 계수를 추정하였으며 이를 고정1교 콘크리트의 크리프 실험결과에 적용하여 모델을 검증하였다. Table 3은 연구에 이용된 실제 교량의 간략한 배합상세와 특성을 나타낸 것이다.
본 연구의 예측모델은 스프링과 대시포트를 기본인자로 하여 구성되었다. 그리고 각 구성인자들의 시간 경과에 따른 강성변화를 여부를 고려할 수 있도록 하여, 총 크리프 변형을 시간의존적인 부분과 시간 독립적인 부분으로 나누어 접근하였다. 기본 구성 인자 위의 화살표는 시간에 따라 강성이 변화함을 의미한다.
기존에 진행된 크리프 연구는 크리프 영향인자 고유의 특성 때문에, 물리적 이론에 근거하기 보다는 실험결과에 전적으로 의존하여 서로의 상관관계를 구성하는 방식으로 진행되었다. 이로 인해 일관된 예측식이 현재까지도 명확히 제시되지 못하고 있으며, 제시된 식들조차도 정확도가 낮고, 적용범위도 제한되는 취약점을 가지고 있다.
Maxwell chain은 응력 이완 현상은 효과적으로 모사할 수 있으나 콘크리트의 크리프 거동을 모사하기에는 적절하지 않으므로, Model 1을 최종 8변수 모델로 결정한다. 또한 Model 1은 최종적으로 Model 3의 형태로 간략화 될 수 있으므로 본 연구에서는 Model 3을 기초하여 예측식을 수립한다.
본 연구를 통해, 콘크리트 크리프 변형에 관한 현상학적인 문제를 유변학을 이용하여 접근하고, 구성된 모델의 매개변수 추정 과정에 있어서 이론과 설계기준을 최대한 활용하여, 명확한 이론에 근간한 합리적인 크리프 예측 모델 예측 모델을 개발하였다.
둘째, Maxwell chain과 Kelvin chain의 조합을 우선적으로 고려한다. 셋째, 유변학 대상, 즉, 점탄성 재료의 변형 특성에 관한 기준을 적용하여 모델을 구성한다(Shames and Cozzarelli, 1992).
이에 본 연구에서 다음과 같은 전제조건을 수립하였고, Table 1을 통해 정리하였다. 첫째, 스프링과 대시포트만을 이용하여 최종 모델을 구성한다. 둘째, Maxwell chain과 Kelvin chain의 조합을 우선적으로 고려한다.
대상 데이터
2를 통해 파악된 공학적 의의를 바탕으로 각 부분의 계수를 추정하며 그 결과는 다음과 같다. Component 3과 4의 계수 추정에는 총 4개의 FCM 교량 콘크리트의 실제 크리프 실험 데이터가 이용되었으며, 이용된 교량들은 강동대교, 금강대교, 단양대교 그리고 횡성대교이다. Fig.
본 연구의 예측모델은 스프링과 대시포트를 기본인자로 하여 구성되었다. 그리고 각 구성인자들의 시간 경과에 따른 강성변화를 여부를 고려할 수 있도록 하여, 총 크리프 변형을 시간의존적인 부분과 시간 독립적인 부분으로 나누어 접근하였다.
앞서 수립한 최종 모델의 구체화하여 실제 실험 데이터에 적용하기 위해 총 5개의 실제 국내 FCM 교량에 적용된 콘크리트의 크리프 실험 결과 값을 이용하였다. 강동대교와 금강4교, 단양대교, 횡성대교 콘크리트의 크리프 실험값을 이용하여 계수를 추정하였으며 이를 고정1교 콘크리트의 크리프 실험결과에 적용하여 모델을 검증하였다.
이론/모형
Component 2는 장기크리프의 발생이론인 미세 프리스트레스-고체화 이론을 기반으로 한 Lee and Kim(2006)의 연구의 소성변형 추정 결과 값을 이용하였고, 식(4)으로 표현된다.
B3 모델(Bažant and Baweja, 2000; Jirásek and Bažant, 2002)은 이전의 BP 모델과 BP-KX 모델을, GL 2000(Gardener and Lockman, 2001)은 1993년 발표된 GZ모델을 수정ㆍ보완한 것으로 각각 1995년과 2001년에 발표되었다. 설계 기준식으로는 AASHTO LRFD 07, CEB-FIP MC R99, ACI 209 R92 그리고 JSCE 1996이 사용되었으며, 콘크리트구조설계기준(2007)은 CEBFIP MC R99의 식과 상당 부분이 유사하므로 제외하였다.
콘크리트의 탄성거동을 모사하는 E1은 CEB-FIP MC R99(FIB, 1999)에서 제안하는 시간의 경과에 따라 변화하는 탄성계수 예측식을 이용하였고, 식(2)의 형태로 표시된다.
성능/효과
2. 최소한의 변수와 간단한 계산을 통해 예측에 필요한 모든 계수의 추정이 가능하며, 실측값-예측값의 비가 1.06 그리고 표준편차 값은 0.02이었다. 본 연구의 제안 모델을 통해 근사한 예측이 가능하며, 정밀한 예측으로 일정한 안전율 유지가 가능하여 실제 시공 현장의 적용 시 상당한 신뢰도를 보일 것이라 판단된다.
13에 나타내었으며, 그래프의 가로축은 예측된 비크리프 값을, 세로축은 실제 측정된 비크리프 값을 의미한다. 그래프를 통해 알 수 있듯이 제안된 모델을 통한 예측값은 실제 실험 결과와 잘 부합하며, 좁은 분포를 보여 일정한 FCM 교량의 장기 거동과 이에 따른 사용성의 예측 평가가 가능하다.
00에 가까운 높은 정확도를 보였으며, 표준편차(SD)는 이들 중 가장 작은 것으로 확인되었다. 따라서 본 연구에서 제안한 예측식은 기존 예측식들에 비해 상당히 정확하고, 신뢰할 만한 예측값을 제공해준다고 평가된다. 또한 일정한 안전율의 확보로 실제 시공 현장에 확대 적용이 가능할 것으로 판단되며, 이와 동시에 예측 모델 개발을 위한 하나의 방법론적 제안이 역시 가능한 것으로 파악된다.
이로 인해 일관된 예측식이 현재까지도 명확히 제시되지 못하고 있으며, 제시된 식들조차도 정확도가 낮고, 적용범위도 제한되는 취약점을 가지고 있다. 이와 같은 문제점을 해결하기 위해 Power의 모세관 응력이론이 발표된 이후부터 크리프 발생이론에 대한 연구가 꾸준히 진행되었으나, 이를 통해 얻어진 예측모델은 크리프 변형의 일부분만을 모사하여 적용의 실효성이 떨어지는 취약점을 가지고 있는 것으로 평가되었다. 물질의 변형기구를 해명하는 가장 기본적인 기구로 알려진 유변학을 이용한 크리프 예측 모델 수립 연구 역시 기존의 연구자들을 통해 다양하게 진행된바 있다.
후속연구
3. 추가적 실험 자료의 수집을 통한 다양한 실험변수에 대한 연구와 단기 크리프 부분의 이론적 접근에 대한 연구가 병행되어, 일반 강도 콘크리트 영역까지 모델의 적용이 확대된다면, 보다 발전적인 형태를 가질 것으로 기대된다.
따라서 본 연구에서 제안한 예측식은 기존 예측식들에 비해 상당히 정확하고, 신뢰할 만한 예측값을 제공해준다고 평가된다. 또한 일정한 안전율의 확보로 실제 시공 현장에 확대 적용이 가능할 것으로 판단되며, 이와 동시에 예측 모델 개발을 위한 하나의 방법론적 제안이 역시 가능한 것으로 파악된다.
02이었다. 본 연구의 제안 모델을 통해 근사한 예측이 가능하며, 정밀한 예측으로 일정한 안전율 유지가 가능하여 실제 시공 현장의 적용 시 상당한 신뢰도를 보일 것이라 판단된다.
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
콘크리트의 크리프는 무엇인가?
콘크리트의 크리프는 하중의 증가 없이 시간의 경과에 따라 변형률이 증가하는 현상으로 콘크리트의 시간 의존적 거동을 대표적으로 나타내는 인자이다(윤영수, 2008). 오늘날 콘크리트 구조물이 대형화되고 단면이 복잡해지며 다양한 시 공법이 시도되면서, 크리프는 콘크리트 구조물의 시공관리 및 구조계의 변화예측이 중요한 요소로 주목받게 되었다(김성욱 등, 2005).
크리프 현상는 어떻게 구분 할 수 있는가?
크리프 현상은 그 발생 메커니즘에 따라 단기 크리프와 장기 크리프로 구분할 수 있다(Bažant et al., 1997(a), (b); Ulm et al.
참고문헌 (16)
강창구(1995) 콘크리트변형과 파괴. 원기술, pp. 173-184.
김성욱, 고경택, 송영철, 박효선(2005) 콘크리트 구조물의 건조수축과 크리프 예측기술. 한국콘크리트학회지, 한국콘크리트학회, 제17권, 4호, pp. 25-33.
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