[논문]라텍스 개질 콘크리트 교량 교면 포장부 균열에 대한 수치해석 연구

최경규

doi:10.4334/jkci.2010.22.1.077

라텍스 개질 콘크리트 교량 교면 포장부 균열에 대한 수치해석 연구
Numerical Investigation on Cracking of Bridge Deck Slabs with Latex Modified Concrete Overlays 원문보기

콘크리트학회논문집 = Journal of the Korea Concrete Institute, v.22 no.1, 2010년, pp.77 - 84

초록
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라텍스개질콘크리트(LMC)는 일반 콘크리트에 비하여 인장강도와 내구성 등 개선된 재료 특성을 가지고 있으며, 따라서 교량 데크 슬래브의 생애주기를 증대시키기 위하여 교면 포장재로 많이 사용되고 있다. 이러한 사용에는 LMC 포장부와 콘크리트 모반 사이의 우수한 부착성능이 전제된다. 한편 교량 데크 슬래브의 구조적 성능을 향상시키기 위하여 고성능 콘크리트(HPC) 슬래브가 현재 사용되고 있다. 이 연구에서는 일반 콘크리트(NSC) 또는 HPC 교량 데크 슬래브에 타설된 LMC 포장부의 부착거동을 모사하기 위하여, 유한요소해석을 이용한 변수 연구가 수행되었다. 이 연구에서 콘크리트 모반의 수축, 강성, 균열강도와 LMC 포장부의 두께가 콘크리트-LMC 포장부의 균열 발생에 미치는 영향을 분석하였다. 수치해석연구 결과, HPC 슬래브는 높은 수축량과 강성으로 인하여 콘크리트-LMC 교면 포장부에 균열을 유발할 가능성이 높은 것으로 사료된다.

Abstract ▼ AI-Helper

Latex modified concrete (LMC) exhibits improved material properties including high tensile strength and durability compared with conventional concrete, and hence LMC has been used as protective layers over the bridge deck slabs to increase their service life with underlying assumption of excellent bond behavior between the LMC overlay and the concrete substrate. In this study, the effect of the primary parameters of the concrete substrate (i.e., shrinkage, stiffness and cracking capacity) as well as the LMC overlay thickness on the probability of cracking of the bridge deck slabs using LMC overlays was investigated by carrying out the finite element analysis that simulated the bond behavior of LMC overlays on normal strength concrete (NSC) and HPC bridge deck slabs. Based on the results of the numerical analysis, it is concluded that the relatively high shrinkage strains and stiffness of HPC slabs can increase its probability of cracking in bridge deck slabs using LMC overlay.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

유한요소모델링과 콘크리트의 재료 모델링에는 여러가지 가정과 정의가 사용되었다. 비선형수치해석을 통해서 얻게 되는 해석 결과(인장응력 등)에는 이러한 오차가 누적될 수 있으며 인장응력이 균열 강도에 도달하기 이전에도 균열이 발생할 수 있으므로,²⁵⁾ 이 연구에서는 유한요소해석 결과를 바탕으로 하되 콘크리트-LMC 접합부의 균열발생 가능성을 확률론에 근거하여 평가하고자 한다.
85가 사용된다. 수치해석 결과에 의하면 ACI 318-08 모델과 CEB-FIP MC 90 모델은 콘크리트 재료물성의 정의에서 차이를 보이지만 수치해석결과 응력분포에서 큰 차이를 나타내지 않으므로, 이후 이 연구에서는 ACI 모델을 이용한 해석 결과만을 제시하고자 한다.
이 연구에서는 콘크리트 교량의 데크 슬래브에 타설된라텍스 개질 콘크리트(latex modified concrete, LMC) 포장부의 부착균열가능성을 검토하기 위해서, 일반 콘크리트(normal strength concrete, NSC)슬래브-LMC 교면 포장부와 HPC 슬래브-LMC 교면 포장부에 대하여 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 수치해석 결과를 바탕으로, 콘크리트 모반의 강도 및 강성, 콘크리트 모반-LMC 교면 포장부의 두께비, 콘크리트 수축 등이 교면 포장부의 부착 성능에 미치는 영향을 분석하였다.
일반 콘크리트와 고성능 콘크리트 교량의 데크 위에 타설된 LMC 교면 포장부의 균열 발생을 평가하기 위하여 비선형 유한요소해석 연구를 수행하였다. 이 해석 연구에서는 콘크리트 강도 및 강성, LMC 교면 포장부의 두께, 콘크리트 수축량이 콘크리트-LMC 교면 포장부의 균열 발생에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 비선형 유한요소해석 결과를 바탕으로 균열 발생 가능성을 확률론에 근거하여 산정하였다.
한편 일반 콘크리트에 비하여 HPC 슬래브는 콘크리트 수축량이 매우 크므로, 이 해석연구에는 수축량이 콘크리트의 인장강도에 미치는 영향을 고려하였다. HPC 슬래브의 자기수축을 산정하는 여러 가지 모델^21-24)이 있으나, 그 중에서 NSC 슬래브와 HPC 슬래브의 건조수축과 자기수축을 비교적 정확하게 추정하는 Miyazawa²¹⁾의 모델이 이 연구에서 사용되었다.

가설 설정

7). 균열확률을 엄밀하게 산정하기 위해서는, 콘크리트 재료 특성, 부재 치수 등 오차를 야기할 수 있는 주요변수에 대하여 Monte-Carlo 모사기법²⁵⁾을 적용하여 예상응력과 예상강도의 분포함수를 면밀하게 구성해야 하지만, 이 연구에서는 계산과정의 간편성을 위하여 수치해석에서 구한 인장응력과 ACI 모델의 인장강도를 바탕으로 예상강도와 예상응력을 구하고 그 분포가 정규분포 (Gaussian)를 이룬다고 가정하였다. 이 연구에서 균열 확률 Pcracking은 식 (10)으로 정의된다.
4, 5에 제시된 유한요소해석 모델을 사용하였다. 이 해석 연구에서는 트럭의 운동에 의한 동적 효과는 고려하지 않았으며, 2차원의 면 해석을 위하여 125 kN의 축하중이 교량의 길이 방향으로 균등하게 분포하는 것으로 가정하였다.
이를 위하여, 우선 균열강도와 최대 인장응력을 이용하여 확률분포함수(PDF)를 각각 구성하였다. 이때 확률분포함수의 표준편차는 15% 상대에러를 가정하여 산정하였다. Fig.
해석모델에서 LMC와 콘크리트 모반은 두께 방향으로 총 20켜의 2차원의 평면변형률 요소 (plane strain element)로, 주철근은 선형요소로 각각 모델링되었다. 콘크리트 모반과 LMC포장부의 부착면에는 일반적으로 숏블라스팅, 블루밍 등 부착력 확보를 위한 표면작업이 수행되므로, 이 연구에서는 LMC와 콘크리트 모반이 서로 완전 부착(perfect bond) 되었다고 가정하였다.
한편 인장균열이 발생한 이후에 콘크리트의 소성변형을 가정하였으며, 연동소성이론^12,14,16)의 수치해석 방법과 전략을 사용하여 소성변형을 정의하였다. 일반적으로 연동소성이론에서는 소성변형기준면(plastic potential criterion) 에 직교방향으로 콘크리트 소성변형을 정의하는데, 소성 변형 기준면으로는 재료파괴기준을 사용하였다.
HPC 모반을 사용하면, LMC에 대한 상대적 강성 차이가 더욱 두드러지며 콘크리트 총 수축량이 증가하기 때문이다. 한편, 이 연구에서 전단강도는 인장강도와 동일하다고 가정하였다.

제안 방법

Fig. 10에 제시된 비선형 유한요소해석 결과를 바탕으로, 콘크리트-LMC 접합면의 균열확률을 평가하였다. 이를 위하여, 우선 균열강도와 최대 인장응력을 이용하여 확률분포함수(PDF)를 각각 구성하였다.
또한 LMC 층의 두께의 영향을 살펴보기 위하여, 50, 100, 150 mm의 값이 사용되었으며 이때 콘크리트 모반의 슬래브 두께는 150 mm로 일정하게 유지하였다. LMC콘크리트의 두께비의 영향을 살펴보기 위하여, 200 mm 의 일정한 슬래브 총두께에 대하여 LMC-콘크리트의 두께비를 17.6%, 33.3%, 66.7%로 변화시켰다. 각 변수의 조합에 따라 전체 8가지의 해석모델에 대하여 수치해석을 수행하였으며, 각 해석 모델의 주요 변수는 Table 1에 제시되어 있다.
7%로 변화시켰다. 각 변수의 조합에 따라 전체 8가지의 해석모델에 대하여 수치해석을 수행하였으며, 각 해석 모델의 주요 변수는 Table 1에 제시되어 있다.
이 해석 연구에서는 콘크리트 강도 및 강성, LMC 교면 포장부의 두께, 콘크리트 수축량이 콘크리트-LMC 교면 포장부의 균열 발생에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 비선형 유한요소해석 결과를 바탕으로 균열 발생 가능성을 확률론에 근거하여 산정하였다. 이 연구의 결과를 요약하면 다음과 같다.
수치해석 결과를 바탕으로, 콘크리트 모반의 강도 및 강성, 콘크리트 모반-LMC 교면 포장부의 두께비, 콘크리트 수축 등이 교면 포장부의 부착 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 콘크리트 모반-LMC 교면 포장부의 균열 발생 가능성을 확률론에 근거하여 평가하였다.
이 연구에서는 콘크리트 교량의 데크 슬래브에 타설된라텍스 개질 콘크리트(latex modified concrete, LMC) 포장부의 부착균열가능성을 검토하기 위해서, 일반 콘크리트(normal strength concrete, NSC)슬래브-LMC 교면 포장부와 HPC 슬래브-LMC 교면 포장부에 대하여 비선형 유한요소해석을 수행하였다. 수치해석 결과를 바탕으로, 콘크리트 모반의 강도 및 강성, 콘크리트 모반-LMC 교면 포장부의 두께비, 콘크리트 수축 등이 교면 포장부의 부착 성능에 미치는 영향을 분석하였다. 또한 콘크리트 모반-LMC 교면 포장부의 균열 발생 가능성을 확률론에 근거하여 평가하였다.
10에 제시된 비선형 유한요소해석 결과를 바탕으로, 콘크리트-LMC 접합면의 균열확률을 평가하였다. 이를 위하여, 우선 균열강도와 최대 인장응력을 이용하여 확률분포함수(PDF)를 각각 구성하였다. 이때 확률분포함수의 표준편차는 15% 상대에러를 가정하여 산정하였다.
일반 콘크리트와 고성능 콘크리트 교량의 데크 위에 타설된 LMC 교면 포장부의 균열 발생을 평가하기 위하여 비선형 유한요소해석 연구를 수행하였다. 이 해석 연구에서는 콘크리트 강도 및 강성, LMC 교면 포장부의 두께, 콘크리트 수축량이 콘크리트-LMC 교면 포장부의 균열 발생에 미치는 영향을 분석하였다.
콘크리트 모반의 압축강도로는 20, 40, 60, 80 MPa 의 강도가 사용되었고 반면 LMC의 강도는 20 MPa로 일정하게 유지하였다. 일반적으로 LMC층의 강도는 대략 30~35 MPa가 많이 사용되나, 이 연구에서는 부착부의 균열손상가능성을 명확하게 부각하기 위해서 비교적 낮은 LMC 강도를 사용하였다.
콘크리트-LMC 교면 포장부의 접합부에서의 응력 상태와 균열 발생을 평가하기 위하여 (1) 콘크리트 모반의 압축강도 (2) LMC 층의 두께 (3) LMC 층과 콘크리트 모반의 두께비를 주요 변수로 하여 변수 연구를 수행하였다. 콘크리트 모반의 압축강도로는 20, 40, 60, 80 MPa 의 강도가 사용되었고 반면 LMC의 강도는 20 MPa로 일정하게 유지하였다.
5에는 이 연구에서 사용한 유한요소모델의 한 예가 제시되어 있다. 해석모델에서 LMC와 콘크리트 모반은 두께 방향으로 총 20켜의 2차원의 평면변형률 요소 (plane strain element)로, 주철근은 선형요소로 각각 모델링되었다. 콘크리트 모반과 LMC포장부의 부착면에는 일반적으로 숏블라스팅, 블루밍 등 부착력 확보를 위한 표면작업이 수행되므로, 이 연구에서는 LMC와 콘크리트 모반이 서로 완전 부착(perfect bond) 되었다고 가정하였다.

대상 데이터

유한요소해석을 위하여 강재 거더 위에 설치된 전형적인 콘크리트 교량의 데크 슬래브를 프로토 타입으로 사용하였다(Fig. 3). 해석에 사용된 교량 데크의 두께는 200~300 mm, 강재 거더간의 간격은 3,300 mm, 종방향 주 철근비는 1%이다.
해석 연구에서는 교량하중으로 Canadian Highway Bridge Design Code¹³⁾에 정의된 CL-625 트럭이 사용되었다. 이 트럭은 5개의 축하중으로 구성되며 총 625 kN의하중을 교량에 재하한다.
3). 해석에 사용된 교량 데크의 두께는 200~300 mm, 강재 거더간의 간격은 3,300 mm, 종방향 주 철근비는 1%이다.

데이터처리

Table 1의 Case 1에 대해서 수행된 ANSYS 비선형 유한요소해석으로부터 교량 데크의 응력분포를 분석하였다. Fig.
교량하중을 재하받는 콘크리트 교량의 데크-LMC 교면 포장부의 응력 분포와 변화를 분석하기 위하여, 상용 프로그램인 ANSYS¹¹¹²⁾을 이용하여 비선형 유한요소해석을 수행하였으며, 해석 연구를 활용하여 접합부에서의 균열 발생 확률을 평가하였다. 이 연구에서 사용한 유한요소해석의 방법과 균열 평가 방법은 아래와 같다.

이론/모형

인접한 두 축하중을 재하받는 교량 데크의 대칭성과 연속성을 고려하여 Figs. 4, 5에 제시된 유한요소해석 모델을 사용하였다. 이 해석 연구에서는 트럭의 운동에 의한 동적 효과는 고려하지 않았으며, 2차원의 면 해석을 위하여 125 kN의 축하중이 교량의 길이 방향으로 균등하게 분포하는 것으로 가정하였다.
한편 일반 콘크리트에 비하여 HPC 슬래브는 콘크리트 수축량이 매우 크므로, 이 해석연구에는 수축량이 콘크리트의 인장강도에 미치는 영향을 고려하였다. HPC 슬래브의 자기수축을 산정하는 여러 가지 모델^21-24)이 있으나, 그 중에서 NSC 슬래브와 HPC 슬래브의 건조수축과 자기수축을 비교적 정확하게 추정하는 Miyazawa²¹⁾의 모델이 이 연구에서 사용되었다.
한편 교량의 데크 슬래브와 LMC 교면 포장부 접합부에는 인장응력과 전단응력의 복합응력이 발생한다. 이 연구에서는 재료의 인장균열과 압축파괴를 동시에 모사하는 Mohr-Coulomb 기준^12,14)을 사용하여 비선형 유한요소해석을 수행하였다. ANSYS¹¹¹²⁾에서 Mohr-Coulomb 파괴기준은 Fig.

성능/효과

1) 비선형 유한요소해석 결과, 최대 인장 및 전단응력은 거더 근처의 콘크리트-LMC 접합면의 모반측에서 발생한다.
2) 최대 인장응력과 균열 확률은 LMC와 콘크리트의 상대강성과 LMC 층의 두께에 크게 영향을 받는다.
3) 고성능 콘크리트 교량 데크에 LMC 교면 포장부를 타설할 경우 상대적으로 큰 강성 차이와 HPC 슬래브의 높은 콘크리트 수축량으로 인하여 균열이 발생할 확률이 높다
^7,8) 특히 고성능 콘크리트(high performance concrete, HPC)를 교량의 데크 슬래브에 사용할 경우, 폴리머 개질 콘크리트 교면포장부 보다 40~50% 이상의 큰 강성을 가진다.⁸⁾ 이러한 강성 차이로 인하여 교면 포장부에 큰 교량하중이 적재되면 상대적으로 강성 재료인 콘크리트 모반 측에 큰 인장응력이 유발되며 예기치 않은 균열과 손상이 발생할 수 있으며(Fig. 2), 나아가 교통하중의 반복에 의한 피로 손상의 누적에 의하여 교면 포장부의 장기적 구조 성능과 내구성이 저하될 수 있다.
10(b)는 LMC 교면 포장부의 두께의 증가에 따라서 콘크리트-LMC 접합면의 모반측에서 발생하는 최대 인장응력과 최대 전단응력의 변화를 나타낸다. LMC 교면 포장부의 두께가 감소할수록 균열의 발생 가능성이 증가하는 것으로 나타났다. Fig.
둘째, 콘크리트 모반으로 HPC가 사용된 경우, 일반 콘크리트보다 자기수축과 총 수축량이 크므로 균열에 취약하다.^9-11) 따라서 HPC 슬래브 위에 PMC 교면포장을 할 경우에는 교면포장 접합부에 발생하는 인장응력과 균열 발생을 면밀하게 검토하여야 한다.
반면 최대 전단응력은 콘크리트 모반의 압축강도에 따라서 그다지 크게 변화하지 않으며 전단강도에 비하여 상대적으로 작은 것을 알 수 있다. 이 수치 해석 결과, HPC 슬래브의 경우 NSC 슬래브 보다 균열 발생 가능성이 높다고 할 수 있다. HPC 모반을 사용하면, LMC에 대한 상대적 강성 차이가 더욱 두드러지며 콘크리트 총 수축량이 증가하기 때문이다.
이 수치해석 결과, 콘크리트-LMC 접합면에서 모반 측에 최대 인장응력이 발생하며, 콘크리트 모반의 압축강도와 LMC의 두께가 최대응력의 크기에 영향을 미치는 주요 변수인 것으로 밝혀졌다.

후속연구

콘크리트-LMC 접합면의 균열확률을 보다 면밀하게 평가하기 위해서는 (1) 골재 사이즈 등 재료 및 시공적 특성과 시공중 균열의 영향을 고려하고 (2) LMC의 인장강도와 탄성계수를 정확하게 모델링하는 기법을 개발하고 (3) Monte-Carlo 모사기법을 도입하여 균열강도 및 응력의 확률분포함수를 정확하게 구성하는 추가 연구가 필요하다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	라텍스개질콘크리트를 교면 포장재로 많이 사용하는 이유는?	라텍스개질콘크리트(LMC)는 일반 콘크리트에 비하여 인장강도와 내구성 등 개선된 재료 특성을 가지고 있으며, 따라서 교량 데크 슬래브의 생애주기를 증대시키기 위하여 교면 포장재로 많이 사용되고 있다. 이러한 사용에는 LMC 포장부와 콘크리트 모반 사이의 우수한 부착성능이 전제된다.
	라텍스개질콘크리트의 재료 특성은?	라텍스개질콘크리트(LMC)는 일반 콘크리트에 비하여 인장강도와 내구성 등 개선된 재료 특성을 가지고 있으며, 따라서 교량 데크 슬래브의 생애주기를 증대시키기 위하여 교면 포장재로 많이 사용되고 있다. 이러한 사용에는 LMC 포장부와 콘크리트 모반 사이의 우수한 부착성능이 전제된다.
	교면 포장재로 많이 사용되는 라텍스개질콘크리트의 전제조건은?	라텍스개질콘크리트(LMC)는 일반 콘크리트에 비하여 인장강도와 내구성 등 개선된 재료 특성을 가지고 있으며, 따라서 교량 데크 슬래브의 생애주기를 증대시키기 위하여 교면 포장재로 많이 사용되고 있다. 이러한 사용에는 LMC 포장부와 콘크리트 모반 사이의 우수한 부착성능이 전제된다. 한편 교량 데크 슬래브의 구조적 성능을 향상시키기 위하여 고성능 콘크리트(HPC) 슬래브가 현재 사용되고 있다.

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표제어: PCR

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용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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